CN106122775A - 管道泄漏检测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道泄漏检测系统及其方法。系统中环境温度探测器和密封区域温度探测器与工业控制计算机相连，工业控制计算机通过冷源驱动电路、热源驱动电路分别与冷源、热源相连，工业控制计算机依次与激光光源驱动器、脉冲激光器、波分复合器和感温光纤相连；波分复合器分离出的斯托克斯光依次通过斯托克斯光信号探测器和斯托克斯信号调理电路后被双路A/D采集卡采集，另一路反斯托克斯光依次通过反斯托克斯光信号探测器和反斯托克斯信号调理电路后被双路A/D采集卡采集。本发明利用分布式光纤温度场测量技术对管道泄漏进行检测，还可以对检测数据进行因温度变化引起的自动补偿，从而提高了系统的检测精度。

Description

管道泄漏检测系统及其方法

技术领域

本发明属于检测技术领域，具体涉及一种管道泄漏检测系统及其方法。

背景技术

化工行业之间，以及化工行业与民用行业之间，存在着大量的管道，这些管道用于输送原油、丙烯、石油苯等化工产品。管道有埋在地下、架空、海底等类型，特别是架空管道，部分沿主要道路铺设，一旦泄漏，后果非常严重。因此，有必要采取有效措施对管道的泄漏进行实时监测。

目前，为了解决管道的泄漏问题，往往在管道两端安装流量计，这种检测方法，除非出现重大泄漏导致两端有明显的压强差，基本上无法探测到整个管道沿线的微小泄漏，而这些微小泄漏迹象，如果在其升级为重大泄漏之前，没有被及时发现，照样会造成严重的后果。鉴于此，发明了一种管道泄漏检测系统及其方法。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种管道泄漏检测系统及其方法。本发明所采用的具体技术方案如下:

管道泄漏检测系统，包括工业控制计算机、环境温度探测器、双路A/D采集卡、激光光源驱动器、密封区域温度探测器、脉冲激光器、波分复合器、斯托克斯光信号探测器、反斯托克斯光信号探测器、斯托克斯信号调理电路、反斯托克斯信号调理电路和感温光纤；双路A/D采集卡、环境温度探测器和密封区域温度探测器与工业控制计算机相连，工业控制计算机依次与激光光源驱动器、脉冲激光器、波分复合器和感温光纤相连；波分复合器分离出的斯托克斯光依次通过斯托克斯光信号探测器和斯托克斯信号调理电路后被双路A/D采集卡采集，另一路反斯托克斯光依次通过反斯托克斯光信号探测器和反斯托克斯信号调理电路后被双路A/D采集卡采集；所述的密封区域温度探测器、脉冲激光器、波分复合器、斯托克斯光信号探测器、反斯托克斯光信号探测器、斯托克斯信号调理电路、反斯托克斯信号调理电路均设置于密封区域内。

作为优选方式，所述的密封区域内还设有热源，热源依次通过热源驱动电路、多路I/O卡后与工业控制计算机相连。热源驱动电路、多路I/O卡设置于密封区域外。

作为上述两种方式的进一步优选，所述的密封区域内还设有冷源，冷源依次通过冷源驱动电路、多路I/O卡后与工业控制计算机相连。冷源驱动电路、多路I/O卡也设置于密封区域外。

作为优选方式，所述的密封区域采用隔温材料。

作为优选方式，所述的环境温度探测器包括环境温度探测器1和环境温度探测器2。上述管道泄漏检测系统中，感温光纤设置从室内到室外，室外的感温光纤安装在管道附件，而环境温度探测器2和管道泄漏检测系统的其他部件设置于室内。环境温度探测器1和环境温度探测器2分别探测室外和室内的温度。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一系统的管道泄漏检测方法，具体为：感温光纤沿待测管道方向铺设，以感应因气体或液体泄漏引起温度场的变化；利用脉冲激光器产生脉冲光，经波分复用器进入感温光纤，光脉冲在光纤中各点位置上引发包含拉曼成分的散射光，其背向散射光沿感温光纤向后传播，经波分复用器分离出斯托克斯光和反斯托克斯光；将斯托克斯光作为参考光，反斯托克斯光作为检测光，斯托克斯光信号探测器和斯托克斯信号调理电路将斯托克斯光转化成电信号并进行放大、滤波，反斯托克斯光信号探测器和反斯托克斯信号调理电路将反斯托克斯光转化成电信号并进行放大、滤波，然后由双路A/D采集卡采集；双路A/D采集卡采集到的斯托克斯信号、反斯托克斯信号，与密封区域温度探测器、环境温度探测器1、环境温度探测器2的信号一起输入工业控制计算机，进行数字信号处理，完成对待测温度场、管道泄漏的测量，并根据预设报警规则进行管道泄漏报警。

作为优选方式，所述的数字信号处理方法为：

在一定时间内，多次读入不同周期下的斯托克斯光和反斯托克斯光的电信号，再对相同位置及一定时间间隔内的斯托克斯信号和反斯托克斯信号，分别进行平均处理，并按管道位置坐标轴的采样点次序，对斯托克斯信号和反斯托克斯信号分别进行同样的数字滤波后，再进行同样的线性变换；然后根据下式计算参数A(n)：

A(n)＝(P^AS(n)/P_S(n))/(p_AS0(n)/P_S0(n))

式中：P_S(n)为线性变换后斯托克斯信号，P_AS(n)为线性变换后反斯托克斯信号，P_S0(n)为参考温度下信号处理后的斯托克斯信号，P_AS0(n)为参考温度下信号处理后的反斯托克斯信号；

根据A(n)和拉曼散射特性，求解光纤的温度分布曲线，然后由密封区域温度探测器探测到的温度值，进行斯托克斯光信号探测器、反斯托克斯光信号探测器的温度补偿，得到新的温度分布曲线；再根据用户设定的空间分辨率指标，对新的温度分布曲线进行数次的空间滤波；滤波后的温度分布曲线，首先根据光纤定标曲线，进行非线性校正，然后根据环境温度探测器1、环境温度探测器2的值，对温度分布曲线进行校正，最后根据用户设定的响应时间要求，对温度分布曲线中对应点的温度进行加权滤波。

作为进一步的优选方式，根据环境温度探测器1、环境温度探测器2的值，对温度分布曲线进行校正的方法如下：

以环境温度探测器1的探测点为中心，选取n₁个采样点作为数据拟合范围；n₁为不小于1的奇数；

对温度分布曲线中数据拟合范围内的n₁个采样点的温度进行拟合，根据拟合参数和环境温度探测器1探测到的温度，对温度分布曲线进行分段校正；

以环境温度探测器2的探测点为中心，选取n₂个采样点作为数据拟合范围；n₂为不小于1的奇数；

对温度分布曲线中数据拟合范围内的n₂个采样点的温度进行拟合，根据拟合参数和环境温度探测器2探测到的温度，结合前面分段校正参数，对温度分布曲线进行校正。

作为优选方式，所述的预设报警规则中报警触发情况为以下三类中的一种或多种：第一类报警为温度超出上阈值，或者低于下阈值报警；第二类报警为温度超出段内平均温度上阈值，或者低于段内平均温度下阈值报警；第三类报警为一定时间内温度上升超出上阈值，或者温度下降低于下阈值报警。

作为进一步的优选方式，所述的第二类报警具体为：首先计算段内平均温度，然后确定每一段报警的上、下阈值，以及报警概率的阈值，运行过程中统计不同位置点超过或低于阈值的次数，一周期后计算报警概率，当报警概率超出阈值时进行报警。

本发明相对于现有技术而言，具有以下优点：

1、输送液体或气体的管道，在泄漏处大部分伴随着温度的变化，结合不同液体或气体泄漏的特点，利用分布式光纤温度场测量技术对管道泄漏进行检测，因感温光纤不仅是温度场的检测元件，而且是信号的传输载体，从而使检测系统变得简洁，并且提高了系统的安全性能。

2、设定一个相对独立的密封空间，将部分器件置于该空间中，一方面，防止粉尘、湿度对光学器件、光路的影响；另一方面，实现密封空间温度可控，方便寻找有利于检测的最佳温度值。

3、密封空间内，包含有斯托克斯光信号探测器、反斯托克斯光信号探测器、斯托克斯信号调理电路、反斯托克斯信号调理电路等部件，这些部件受温度影响明显，因配有密封区域温度探测器，可以对检测数据进行因温度变化引起的自动补偿，从而提高了系统的检测精度。

附图说明

图1为一种管道泄漏检测系统硬件框图；

图2为一种管道泄漏检测方法的流程图；

图3为本发明中数字信号处理方法的流程图；

图4为本发明中温度分布曲线进行校正流程图；

图5为本发明中管道泄漏报警示意图；

图6为本发明中第二类泄漏报警示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述，以便更好的理解本发明。

管道内气体或者液体的泄漏，大部分会引起周围温度场的变化。本发明借助分布式光纤拉曼测温的原理，结合管道、保护层以及周围环境，通过计算、仿真并且拟实化，得出传送不同介质时泄漏量、泄漏点与周围温度场之间关系，最后通过检测管道周围温度场的变化来确定管道内气体或者液体的泄漏量，并且定位泄漏的位置。

如图1所示，一种管道泄漏检测系统，包括工业控制计算机、环境温度探测器、双路A/D采集卡、激光光源驱动器、多路I/O卡、冷源驱动电路、热源驱动电路、热源、冷源、密封区域温度探测器、脉冲激光器、波分复合器、斯托克斯光信号探测器、反斯托克斯光信号探测器、斯托克斯信号调理电路、反斯托克斯信号调理电路和感温光纤；双路A/D采集卡、环境温度探测器和密封区域温度探测器与工业控制计算机相连，工业控制计算机通过多路I/O卡分别与冷源驱动电路、热源驱动电路相连，冷源驱动电路、热源驱动电路再分别与冷源、热源相连；工业控制计算机依次与激光光源驱动器、脉冲激光器、波分复合器和感温光纤相连；波分复合器分离出的斯托克斯光依次通过斯托克斯光信号探测器和斯托克斯信号调理电路后被双路A/D采集卡采集，另一路反斯托克斯光依次通过反斯托克斯光信号探测器和反斯托克斯信号调理电路后被双路A/D采集卡采集。

热源、冷源、密封区域温度探测器、脉冲激光器、波分复合器、斯托克斯光信号探测器、反斯托克斯光信号探测器、斯托克斯信号调理电路、反斯托克斯信号调理电路均设置于同一个密封区域内。密封区域的外壁最好采用隔温材料，以便调整内部的温度。

上述系统中，冷源和热源还可以选择性设置成另外两种方式。第一种情况：只有一路控制，比如有热源、热源驱动电路、多路I/O卡，热源依次通过热源驱动电路、多路I/O卡后与工业控制计算机相连，而不设置冷源、冷源驱动电路。该情况适用于主机放在空调房，而要求密封区域温度比空调房温度稍高的情况。当然，也可以仅设置冷源、冷源驱动电路、多路I/O卡，而不设置热源和热源驱动电路。第二种情况：当放置主机的环境温度比较稳定时，冷源和热源二路都可以不要，即不设置冷源、冷源驱动电路、热源、热源驱动电路和多路I/O卡，该情况适用于当放置主机的环境温度变化不是特别大的情况，此时温度补偿效果较好。上述各设置方式中，当具有热源驱动电路、冷源驱动电路、多路I/O卡时，需要设置于密封区域外。

管道泄漏检测系统的光源采用脉冲激光器，脉冲光经波分复用器进入感温光纤，传感光纤置于待测管道周围，感应因气体或液体泄漏引起温度场的变化。光脉冲在光纤中各点位置上引发包含拉曼成分的散射光，其背向散射光沿感温光纤向后传播，经波分复用器分离出斯托克斯光和反斯托克斯光，由于斯托克斯光相对反斯托克斯光而言，对温度不敏感，因此，把斯托克斯光作为参考光，把反斯托克斯光作为检测光。斯托克斯光信号探测器和斯托克斯信号调理电路将斯托克斯光转化成电信号并进行放大、滤波，反斯托克斯光信号探测器和反斯托克斯信号调理电路将反斯托克斯光转化成电信号并进行放大、滤波，然后由双路A/D采集卡采集。

由于粉尘、湿度对光学器件、光路的影响较大，而温度对斯托克斯光信号探测器、反斯托克斯光信号探测器、斯托克斯信号调理电路、反斯托克斯信号调理电路的影响也较大，因此，本发明利用一个相对独立的密封空间，包含有斯托克斯光信号探测器、反斯托克斯光信号探测器、斯托克斯信号调理电路、反斯托克斯信号调理电路、密封区域温度探测器、热源、冷源等部件，对密封空间进行温度调节，方便寻找有利于检测的最佳温度，对检测数据进行温度自动补偿，提高系统的检测精度。斯托克斯光信号、反斯托克斯光信号经转换后，同密封区域温度探测器、环境温度探测器1、环境温度探测器2信号一起输入工业控制计算机，进行数字信号处理，完成对待测温度场、管道泄漏的测量。

上述环境温度探测器可以设置两个，即如图中所示的环境温度探测器1和环境温度探测器2，以提高温度曲线校正的准确性。但也可以单独设置1个，不作为限定。

基于上述系统，本具体实施方式中还进一步提供了一种管道泄漏检测方法。如图2所示，具体步骤是；感温光纤沿待测管道方向铺设，以感应因气体或液体泄漏引起温度场的变化；利用脉冲激光器产生脉冲光，经波分复用器进入感温光纤，光脉冲在光纤中各点位置上引发包含拉曼成分的散射光，其背向散射光沿感温光纤向后传播，经波分复用器分离出斯托克斯光和反斯托克斯光；将斯托克斯光作为参考光，反斯托克斯光作为检测光，斯托克斯光信号探测器和斯托克斯信号调理电路将斯托克斯光转化成电信号并进行放大、滤波，反斯托克斯光信号探测器和反斯托克斯信号调理电路将反斯托克斯光转化成电信号并进行放大、滤波，然后由双路A/D采集卡采集；双路A/D采集卡采集到的斯托克斯信号、反斯托克斯信号，与密封区域温度探测器、环境温度探测器1、环境温度探测器2的信号一起输入工业控制计算机，进行数字信号处理，完成对待测温度场、管道泄漏的测量，并根据预设报警规则进行管道泄漏报警。

上述方法可采用在工业控制计算机中设置不同的模块实现，如图2中所示的系统管理模块、异常处理模块、系统定标模块、数据处理子模块、管道泄漏报警子模块等，分别执行上述方法中的不同功能。模块可采用硬件或软件方式进行搭建，本领域技术人员可根据实际需要进行选择。

如图3所示，数字信号处理方法可以优选采用如下步骤：

在一定时间内，多次读入该时间段内不同连续周期下的斯托克斯光和反斯托克斯光的电信号，再对相同位置及一定时间间隔内的斯托克斯信号信号进行平均处理，对反斯托克斯信号也按相同的方法进行平均处理。并按管道位置坐标轴的采样点次序，依据周围环境确定参数，对斯托克斯信号和反斯托克斯信号分别进行同样的数字滤波后，再进行同样的线性变换；然后根据下式计算参数A(n)：

A(n)＝(P_AS(n)/P_S(n))/(p_AS0(n)/P_S0(n))

式中：P_S(n)为线性变换后斯托克斯信号，P_AS(n)为线性变换后反斯托克斯信号，P_S0(n)为参考温度下信号处理后的斯托克斯信号，P_AS0(n)为参考温度下信号处理后的反斯托克斯信号；

根据A(n)和拉曼散射特性，求解光纤的温度分布曲线，具体如下：

$T\left(n\right)=\frac{h*\mathrm{\Δ}v*T0\left(n\right)}{h*\mathrm{\Δ}v-k*T0\left(n\right)*ln\left(A\right(n\left)\right)}$

式中，h是普朗克常数；k是波尔兹曼常数；Δν为拉曼频移量，T(n)光纤第n个采样点上的绝对温度，T0(n)光纤第n个采样点参考的绝对温度。

然后由密封区域温度探测器探测到的温度值，进行斯托克斯光信号探测器、反斯托克斯光信号探测器的温度补偿，得到新的温度分布曲线；再根据用户设定的空间分辨率指标，对新的温度分布曲线进行数次的空间滤波；滤波后的温度分布曲线，首先根据光纤定标曲线，进行非线性校正，然后根据环境温度探测器1、环境温度探测器2的值，对温度分布曲线进行校正，最后根据用户设定的响应时间要求，对温度分布曲线中对应点的温度进行加权滤波。

如图4所示，根据环境温度探测器1、环境温度探测器2的值，对温度分布曲线进行校正的方法如下：

以环境温度探测器1的探测点为中心，选取n₁个采样点作为数据拟合范围；n₁为不小于1的奇数；

对温度分布曲线中数据拟合范围内的n₁个采样点的温度进行拟合，根据拟合参数对环境温度探测器1探测到的温度，进行拓展，拓展至数据拟合范围内的n₁个采样点的温度；

以n₁个采样点的误差平方和最小为目标函数，求解最优的参数，然后对温度分布曲线进行分段校正；

以环境温度探测器2的探测点为中心，选取n₂个采样点作为数据拟合范围；n₂为不小于1的奇数；

对温度分布曲线中数据拟合范围内的n₂个采样点的温度进行拟合，根据拟合参数对环境温度探测器2探测到的温度进行拓展，拓展至数据拟合范围内的n₂个采样点的温度；

以n₂个采样点的误差平方和最小为目标函数，求解最优的参数，结合前面分段校正参数(分段拟合后对参数进行微调，使校正后的两段曲线平稳过渡，不产生较大波动)，对温度分布曲线进行校正。

需要指出的是，温度分布曲线进行校正并不一定要采用上述方法，在其他实施例中也可按照现有技术中的其他方法执行。比如上述目标函数，也可采用各点误差绝对值之和最小、各点加权误差绝对值之和最小等方式。上述校正方法仅为本发明提供的一种优选方式，不作为限定。

如图5所示，本发明中提供三类优选方式供选择，可以选择其中的一类或者多类。第一类报警为温度超出上阈值，或者低于下阈值报警；第二类报警为温度超出段内平均温度上阈值，或者低于段内平均温度下阈值报警；第三类报警为一定时间内温度上升超出上阈值，或者温度下降低于下阈值报警。

如图6所示，第二类报警具体为：首先计算段内平均温度，然后确定每一段报警的上、下阈值，以及报警概率的阈值，运行过程中统计不同位置点超过或低于阈值的次数，一周期后计算报警概率，当报警概率超出阈值时进行报警。

当然上述优选预设报警规则并不一定完全按照其执行，本领域技术人员也可根据实际需要进行相应的设置，不作为限定。

上述实施例仅用于解释说明本发明要求保护的内容，但并不是用于限制本发明的要求保护的范围。本领域技术人员在本发明精神内所做的改进和替换，均属于保护范围内。

Claims (10)

1.一种管道泄漏检测系统，其特征在于，包括工业控制计算机、环境温度探测器、双路A/D采集卡、激光光源驱动器、密封区域温度探测器、脉冲激光器、波分复合器、斯托克斯光信号探测器、反斯托克斯光信号探测器、斯托克斯信号调理电路、反斯托克斯信号调理电路和感温光纤；双路A/D采集卡、环境温度探测器和密封区域温度探测器与工业控制计算机相连，工业控制计算机依次与激光光源驱动器、脉冲激光器、波分复合器和感温光纤相连；波分复合器分离出的斯托克斯光依次通过斯托克斯光信号探测器和斯托克斯信号调理电路后被双路A/D采集卡采集，另一路反斯托克斯光依次通过反斯托克斯光信号探测器和反斯托克斯信号调理电路后被双路A/D采集卡采集；所述的密封区域温度探测器、脉冲激光器、波分复合器、斯托克斯光信号探测器、反斯托克斯光信号探测器、斯托克斯信号调理电路、反斯托克斯信号调理电路均设置于密封区域内。

2.如权利要求1所述的管道泄漏检测系统，其特征在于，所述的密封区域内还设有热源，热源依次通过热源驱动电路、多路I/O卡后与工业控制计算机相连。

3.如权利要求1或2所述的管道泄漏检测系统，其特征在于，所述的密封区域内还设有冷源，冷源依次通过冷源驱动电路、多路I/O卡后与工业控制计算机相连。

4.如权利要求1所述的管道泄漏检测系统，其特征在于，所述的密封区域采用隔温材料。

5.如权利要求1所述的管道泄漏检测系统，其特征在于，所述的环境温度探测器包括环境温度探测器1和环境温度探测器2。

6.一种利用权利要求5所述系统的管道泄漏检测方法，其特征在于，感温光纤沿待测管道方向铺设，以感应因气体或液体泄漏引起温度场的变化；利用脉冲激光器产生脉冲光，经波分复用器进入感温光纤，光脉冲在光纤中各点位置上引发包含拉曼成分的散射光，其背向散射光沿感温光纤向后传播，经波分复用器分离出斯托克斯光和反斯托克斯光；将斯托克斯光作为参考光，反斯托克斯光作为检测光，斯托克斯光信号探测器和斯托克斯信号调理电路将斯托克斯光转化成电信号并进行放大、滤波，反斯托克斯光信号探测器和反斯托克斯信号调理电路将反斯托克斯光转化成电信号并进行放大、滤波，然后由双路A/D采集卡采集；双路A/D采集卡采集到的斯托克斯信号、反斯托克斯信号，与密封区域温度探测器、环境温度探测器1、环境温度探测器2的信号一起输入工业控制计算机，进行数字信号处理，完成对待测温度场、管道泄漏的测量，并根据预设报警规则进行管道泄漏报警。

7.如权利要求6所述的管道泄漏检测方法，其特征在于，所述的数字信号处理方法为：

在一定时间内，多次读入不同周期下的斯托克斯光和反斯托克斯光的电信号，再对相同位置及一定时间间隔内的斯托克斯信号和反斯托克斯信号，分别进行平均处理，并按管道位置坐标轴的采样点次序，对斯托克斯信号和反斯托克斯信号分别进行同样的数字滤波后，再进行同样的线性变换；然后根据下式计算参数A(n)：

A(n)＝(P_AS(n)/P_S(n)/p_AS0(n)/P_S0(n))

式中：P_S(n)为线性变换后斯托克斯信号，P_AS(n)为线性变换后反斯托克斯信号，P_S0(n)为参考温度下信号处理后的斯托克斯信号，P_AS0(n)为参考温度下信号处理后的反斯托克斯信号；

根据A(n)和拉曼散射特性，求解光纤的温度分布曲线，然后由密封区域温度探测器探测到的温度值，进行斯托克斯光信号探测器、反斯托克斯光信号探测器的温度补偿，得到新的温度分布曲线；再根据用户设定的空间分辨率指标，对新的温度分布曲线进行数次的空间滤波；滤波后的温度分布曲线，首先根据光纤定标曲线，进行非线性校正，然后根据环境温度探测器1、环境温度探测器2的值，对温度分布曲线进行校正，最后根据用户设定的响应时间要求，对温度分布曲线中对应点的温度进行加权滤波。

8.如权利要求7所述的管道泄漏检测方法，其特征在于，根据环境温度探测器1、环境温度探测器2的值，对温度分布曲线进行校正的方法如下：

以环境温度探测器1的探测点为中心，选取n₁个采样点作为数据拟合范围；n₁为不小于1的奇数；

对温度分布曲线中数据拟合范围内的n₁个采样点的温度进行拟合，根据拟合参数和环境温度探测器1探测到的温度，对温度分布曲线进行分段校正；

以环境温度探测器2的探测点为中心，选取n₂个采样点作为数据拟合范围；n₂为不小于1的奇数；

对温度分布曲线中数据拟合范围内的n₂个采样点的温度进行拟合，根据拟合参数和环境温度探测器2探测到的温度，结合前面分段校正参数，对温度分布曲线进行校正。

9.如权利要求6所述的管道泄漏检测方法，其特征在于，所述的预设报警规则中报警触发情况为以下三类中的一种或多种：第一类报警为温度超出上阈值，或者低于下阈值报警；第二类报警为温度超出段内平均温度上阈值，或者低于段内平均温度下阈值报警；第三类报警为一定时间内温度上升超出上阈值，或者温度下降低于下阈值报警。

10.如权利要求9所述的管道泄漏检测方法，其特征在于，所述的第二类报警具体为：首先计算段内平均温度，然后确定每一段报警的上、下阈值，以及报警概率的阈值，运行过程中统计不同位置点超过或低于阈值的次数，一周期后计算报警概率，当报警概率超出阈值时进行报警。