CN108131569A - 一种海底天然气管道泄漏监测实验平台及其数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底天然气管道泄漏监测实验平台及其数据处理方法，包括光路系统、光电探测系统、信号处理系统及场景模拟系统，所述光路系统上分别连接设置第一光纤组及第二光纤组，所述第一光纤组沿顺时针方向进入场景模拟系统内，并从场景模拟系统穿出，所述第二光纤组沿逆时针进入场景模拟系统内，并从场景模拟系统穿出，所述第一光纤组及第二光纤组从场景模拟系统穿出后分别与光电探测系统相连，所述光电探测系统与信号处理系统电路相连。本发明的有益效果是，采用该实验平台大大减少了光学仪器运用的数量，大大减少了光路上光功率的损耗及不必要的干扰；该实验平台光路的搭建比较简单，同时减低了实验的成本。
Description
技术领域
本发明涉及输气管道安全监测技术领域，具体涉及一种海底天然气管道泄漏监测实验平台及其数据处理方法。
背景技术
管道输送具有成本低、效率高、损耗低、稳定性好、适应复杂地形、气候等优点。对于海底天然气管道的来说，传输的天然气中酸性硫化物的成分含量高，容易发生因管道腐蚀而带来的天然气泄漏现象。若不及时发现管道泄漏并及时修复，将带来巨大的经济损失。同时对于自然资源来说也是极大的浪费。泄露到海洋中的硫化物将严重威胁附近海域的生态环境。所以对海底天然气管道运行状态的监测和安全维护也愈发重要。在各种检测技术的不断发展的同时，需要一种海底天然气管道无损监测实验平台，对监测系统进行优化改进以提高定位的反应时间并提高定位精度。
现有的光纤传感原理的管道泄漏监测技术存在如下问题：1.光路复杂且运用的光学器件过多，导致光功率损耗大。导致了光电探测器接受到的光强弱，对于泄露情况的判断不敏感。2.当前的光纤传感解调原理运用了大量的积分微分数学运算，且需要参与运算的参数过多，带来不可避免的新误差源。难以快速准确的计算出光纤中相位的变化，由此带来了巨大的定位误差。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了结构合理、测量准确的一种海底天然气管道泄漏监测实验平台及其数据处理方法。
本发明的技术方案如下：
一种海底天然气管道泄漏监测实验平台，其特征在于，包括光路系统、光电探测系统、信号处理系统及场景模拟系统，所述光路系统上分别连接设置第一光纤组及第二光纤组，所述第一光纤组沿顺时针方向进入场景模拟系统内，并从场景模拟系统穿出，所述第二光纤组沿逆时针进入场景模拟系统内，并从场景模拟系统穿出，所述第一光纤组及第二光纤组从场景模拟系统穿出后分别与光电探测系统相连，所述光电探测系统与信号处理系统电路相连。
所述的一种海底天然气管道泄漏监测实验平台，其特征在于，所述光路系统包括激光源、第三光耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一光耦合器及第二光耦合器，所述激光源与光耦合器相连，所述第三光耦合器分别与第一偏振控制器及第二偏振控制器相连，所述第一偏振控制器与第一光耦合器相连，所述第二偏振控制器与第二光耦合器相接。
所述的一种海底天然气管道泄漏监测实验平台，其特征在于，所述场景模拟系统包括无盖不锈钢水槽、设置在无盖不锈钢水槽内的预制泄露孔的硬聚氯乙烯管及设置在预制泄露孔的硬聚氯乙烯管一端的空气压缩机，所述第一光纤组及第二光纤组分别包括信号臂光纤及参考臂光纤，所述第一光纤组及第二光纤组上的信号臂光纤分别设置在预制泄露孔的硬聚氯乙烯管上，用透明胶带固定，并包裹设置金属阻尼隔音毡；所述第一光纤组及第二光纤组上的参考臂光纤外也包裹设置金属阻尼隔音毡，并置于无盖不锈钢水槽中。
所述的一种海底天然气管道泄漏监测实验平台，其特征在于，所述光电探测系统包括第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器及第四光电探测器，所述第一光纤组上的信号臂光纤及参考臂光纤分别与第三光电探测器及第四光电探测器连接，所述第二光纤组的信号臂光纤及参考臂光纤分别与第一光电探测器及第二光电探测器连接。
所述的一种海底天然气管道泄漏监测实验平台，其特征在于，所述信号处理系统包括四路同步数据采集卡及与其相连的计算机，所述四路同步数据采集卡与光电探测系统相连。
所述的一种海底天然气管道泄漏监测实验平台，其特征在于，所述第三光耦合器采用连接1×2光耦合器，且其与激光源连接后将连续输出光按照50：50的比例分成相等的两道光；所述第一光耦合器及第二光耦合器采用3×3光耦合器，分光比为1：1：1，所述第一光耦合器及第二光耦合器的三个输出端中处于中间的光纤末端设有不透光胶带，并用不透光胶带封住。
所述的一种海底天然气管道泄漏监测实验平台，其特征在于，所述预制泄露孔的硬聚氯乙烯管一端和空气压缩机通过橡胶软管连接，另一端通过橡胶软管连接放置在无盖不锈钢水槽外，使气体自然排出到大气环境中，所述无盖不锈钢水槽内水位要漫过预制泄露孔的硬聚氯乙烯管至少50cm。
所述的一种海底天然气管道泄漏监测实验平台，其特征在于，所述信号臂光纤及参考臂光纤均采用单模光纤。
所述的一种海底天然气管道泄漏监测实验平台的数据处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）利用计算机对四路同步数据采集卡采集的电压信号进行傅里叶变换，得到频谱图；再将频谱图中频率为零的信号置为零，再经过反傅里叶变换得到滤除直流分量的电压信号；
2）将步骤1）中得到滤除直流分量的电压信号进行小波去噪；再在计算机中绘图，得到绘制丽萨如图；对丽萨如图的最小二乘拟合，计算出相位数据；
3）由步骤2）中的相位数据波峰出现的时间差定位泄露发生位置。
本发明的有益效果是：1）采用该实验平台大大减少了光学仪器运用的数量，大大减少了光路上光功率的损耗及不必要的干扰。
2）信号臂光纤及参考臂光纤外包裹设置金属阻尼隔音毡，保证了传输的光信号不受外界环境干扰。
3）该实验平台光路的搭建比较简单，且减低了实验的成本。
4）通过丽萨如图的方法使得相位差监测从一维的功率法，转变为对X轴Y轴同时解调的二维方式，减少了信号解调中的未知量，提高了解调效率的，同时也意味着互相关法时间差精度提高，泄露点的定位精度随之提高。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的数据处理方法流程图；
图中：1-激光源，2-第三光耦合器，3-第一偏振控制器，4-第二光电探测器，5第一光电探测器，6-第一光耦合器，7-预制泄露孔的硬聚氯乙烯管，8-无盖不锈钢水槽，9-第二光耦合器，10-第三光电探测器，11-第二偏振控制器，12-第四光电探测器。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对发明作进一步描述。
如图1-2所示，一种基于天然气管道泄漏监测实验平台及其数据处理方法，包括激光源1、第三光耦合器2、第一偏振控制器3、第二光电探测器4、第一光电探测器5、第一光耦合器6、预制泄露孔的硬聚氯乙烯管7、无盖不锈钢水槽8、第二光耦合器9、第三光电探测器10、第二偏振控制器11及第四光电探测器12。
该实验平台包括光路系统、光电探测信号处理系统及场景模拟系统；光路系统包括:激光源1、第三光耦合器2、第一偏振控制器3、第二光电探测器4、第一光电探测器5、第一光耦合器6、第二光耦合器9、第三光电探测器10、第二偏振控制器11、第四光电探测器12及单模光纤，其中第三光耦合器2采用1×2光耦合器，第三光耦合器2及第二光耦合器9采用3×3光耦合器。信号处理系统包括：四路同步数据采集卡6及计算机8。场景模拟系统包括：预制泄露孔的硬聚氯乙烯管7、无盖不锈钢水槽8及空气压缩机，预制泄露孔的硬聚氯乙烯管7采用环面中开了一个半径为0.2cm圆孔的硬聚氯乙烯管、无盖不锈钢水槽8采用3m×3m×1m的无盖不锈钢水槽。所述的光路系统激光源1中的光源经过FC/PC接口与第三光耦合器2的光分路端连接。第三光耦合器2分出的两路单模光纤与第一偏振控制器3及第二偏振控制器11连接后，分别沿着顺时针方向和逆时针方向同时传播。顺时针方向的单模光纤先后经过FC/PC接口和第一光耦合器6，逆时针方向的单模光纤第二光耦合器9连接。第一光耦合器6将入射光再分成两路光传输至第三光电探测器10及第四光电探测器12，第二光耦合器9将入射光再分成两路光传输至第二光电探测器4及第一光电探测器5。第一光电探测器5、第二光电探测器4、第三光电探测器10及第四光电探测器12分别与四路同步数据采集卡连接，四路同步数据采集卡再利用数据线将信号发送至计算机。场景模拟系统由空气压缩机向预制泄露孔的硬聚氯乙烯管7持续不断输送空气，模拟天然气在管道中的输送场景。空气压缩机通过软管与预制泄露孔的硬聚氯乙烯管7连接在一起，预制泄露孔的硬聚氯乙烯管7与第一光耦合器6及第二光耦合器9的信号臂光纤利用透明胶连接在一起后用一块金属阻尼隔音毡把预制泄露孔的硬聚氯乙烯管7连同信号臂光纤一起包裹起来，与第一光耦合器6及第二光耦合器9的参考臂光纤用一块金属阻尼隔音毡包裹起来，并信号臂光纤机参考臂光纤将一同放置入无盖不锈钢水槽8里。打开空气压缩机，完成该项操作后，向无盖不锈钢水槽8里注水直到漫过预制泄露孔的硬聚氯乙烯管7上方0.5m处。
当预制泄露孔的硬聚氯乙烯管7上泄露发生，激光受到了泄露振动调制，则出现了相位的变化，通过计算机互相关程序确认同一振动源相位变化的时间差。由于顺时针和逆时针的光路长度不同，可以利用光的时间差定位泄露点。
具体步骤如下：1）利用傅里叶变换去除信号中频率为零的成分，再经过反傅里叶变换还原电压信号。
2）再利用计算机进行小波去噪，通过计算机观察所采集电压信号的幅值，调整偏振控制器以达到幅值最大化，进行下一步合成丽萨如图的运算。
3）实时监测单模光纤中相位的变化情况，并进行定位。
本发明的工作原理如下：
滤波原理：讲信号进行傅里叶变换后，不同频率的数据成分显示出来，其中直流成分的频率接近于零，把频率为零的成分乘以系数零，再经由反傅里叶变换得到原信号，达到去直流的效果，减少了计算公式中的未知量，提高了程序运算效率。
泄露判断基本原理：当硬聚氯乙烯管未发生泄露时，由与信号臂和参考臂属于同一光源发出的两路光，两列光波的频率相同，解调出电压信号中的相位变化不大。若泄露发生，监测的相位信号会出现明显的波峰。
定位原理：利用互相关算法，将单模光纤上由振动产生的相位差峰值进行匹配，由于顺时针和逆时针方向的光波传播的路程不同，而光速不变。所以不同光电探测器接收到相位差峰值的时间不同，故达到对管道泄漏位置的定位。时间差:Δt。泄露发生位置：X，光速：C ，单模光纤折射率:n。X=C×Δt/2n。
Claims (9)
1.一种海底天然气管道泄漏监测实验平台，其特征在于，包括光路系统、光电探测系统、信号处理系统及场景模拟系统，所述光路系统上分别连接设置第一光纤组及第二光纤组，所述第一光纤组沿顺时针方向进入场景模拟系统内，并从场景模拟系统穿出，所述第二光纤组沿逆时针进入场景模拟系统内，并从场景模拟系统穿出，所述第一光纤组及第二光纤组从场景模拟系统穿出后分别与光电探测系统相连，所述光电探测系统与信号处理系统电路相连。
2.根据权利要求1所述的一种海底天然气管道泄漏监测实验平台，其特征在于，所述光路系统包括激光源（1）、第三光耦合器（2）、第一偏振控制器（3）、第二偏振控制器（11）、第一光耦合器（6）及第二光耦合器（9），所述激光源（1）与光耦合器（2）相连，所述第三光耦合器（2）分别与第一偏振控制器（3）及第二偏振控制器（11）相连，所述第一偏振控制器（3）与第一光耦合器（6）相连，所述第二偏振控制器（11）与第二光耦合器 （9）相接。
3.根据权利要求1所述的一种海底天然气管道泄漏监测实验平台，其特征在于，所述场景模拟系统包括无盖不锈钢水槽（8）、设置在无盖不锈钢水槽（8）内的预制泄露孔的硬聚氯乙烯管（7）及设置在预制泄露孔的硬聚氯乙烯管（7）一端的空气压缩机，所述第一光纤组及第二光纤组分别包括信号臂光纤及参考臂光纤，所述第一光纤组及第二光纤组上的信号臂光纤分别设置在预制泄露孔的硬聚氯乙烯管（7）上，用透明胶带固定，并包裹设置金属阻尼隔音毡；所述第一光纤组及第二光纤组上的参考臂光纤外也包裹设置金属阻尼隔音毡，并置于无盖不锈钢水槽（8）中。
4.根据权利要求1所述的一种海底天然气管道泄漏监测实验平台，其特征在于，所述光电探测系统包括第一光电探测器（5）、第二光电探测器（4）、第三光电探测器（10）及第四光电探测器（12），所述第一光纤组上的信号臂光纤及参考臂光纤分别与第三光电探测器（10）及第四光电探测器（12）连接，所述第二光纤组的信号臂光纤及参考臂光纤分别与第一光电探测器（5）及第二光电探测器（4）连接。
5.根据权利要求1所述的一种海底天然气管道泄漏监测实验平台，其特征在于，所述信号处理系统包括四路同步数据采集卡及与其相连的计算机，所述四路同步数据采集卡与光电探测系统相连。
6.根据权利要求2所述的一种海底天然气管道泄漏监测实验平台，其特征在于，所述第三光耦合器（2）采用连接1×2光耦合器，且其与激光源（1）连接后将连续输出光按照50：50的比例分成相等的两道光；所述第一光耦合器（6）及第二光耦合器（9）采用3×3光耦合器，分光比为1：1：1，所述第一光耦合器（6）及第二光耦合器（9）的三个输出端中处于中间的光纤末端设有不透光胶带，并用不透光胶带封住。
7.根据权利要求3所述的一种海底天然气管道泄漏监测实验平台，其特征在于，所述预制泄露孔的硬聚氯乙烯管（7）一端和空气压缩机通过橡胶软管连接，另一端通过橡胶软管连接放置在无盖不锈钢水槽（8）外，使气体自然排出到大气环境中，所述无盖不锈钢水槽（8）内水位要漫过预制泄露孔的硬聚氯乙烯管（7）至少50cm。
8.根据权利要求3所述的一种海底天然气管道泄漏监测实验平台，其特征在于，所述信号臂光纤及参考臂光纤均采用单模光纤。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种海底天然气管道泄漏监测实验平台的数据处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）利用计算机对四路同步数据采集卡采集的电压信号进行傅里叶变换，得到频谱图；再将频谱图中频率为零的信号置为零，再经过反傅里叶变换得到滤除直流分量的电压信号；
2）将步骤1）中得到滤除直流分量的电压信号进行小波去噪；再在计算机中绘图，得到绘制丽萨如图；对丽萨如图的最小二乘拟合，计算出相位数据；
3）由步骤2）中的相位数据波峰出现的时间差定位泄露发生位置。
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