CN111189592A - 酸性介质输送管道泄漏分布式光纤检测系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种酸性介质输送管道泄漏分布式光纤检测系统及其检测方法，包括光模块、光纤环、光开关、检测光缆、数据采集卡、信号处理系统，光模块产生脉冲发射信号，脉冲发射信号经光纤环和光开关进入检测光缆，检测光缆沿输送管道轴向布置，在检测光缆中传输的脉冲发射信号会向后产生散射信号，散射信号重新被光模块接收并转化成电信号并由数据采集卡采集，信号处理系统与数据采集卡通讯，将信号变化解调为检测光缆上与酸性介质反应后的温度变化信息。检测光缆具有酸溶液自感知特性，当输送管道发生泄漏时，泄漏出的酸液与检测光缆反应放热，使泄漏位置升温，根据泄露点散射信号对温度敏感的特点检测泄漏事件，具有灵敏、精准的优点。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感检测系统，尤其涉及一种基于酸腐蚀放热的分布式光纤热传感检测系统，及其用于酸性介质输送管道泄漏的检测。
背景技术
腐蚀性介质输送管道长时间使用后容易发生腐蚀、疲劳，一旦发生管道泄漏事故，尤其是酸、碱介质运输管道的泄露，不仅给管道运输带来损失，还会给周边环境和生命财产造成威胁。因此，实时掌握腐蚀性介质运输管线的输送信息，做到防范于未然，并对输送管线发生的泄露事故及时检测，对保障输送管道安全、高效运行十分重要。
分布式光纤测温技术(Distributed Temperature Sensing，DTS)以其高空间分辨率、高测量精度和传感距离长等优点，已被广泛研究和应用于实际工程中，尤其是热力管道泄露监测。然而，分布式光纤测温技术目前仅能够用于热力管道的泄露检测，对于常温介质输送管道泄露检测的应用，研究成果相对较少。
公开号为CN108955938A的专利文件公开了一种用于常温输送管线分布式光纤测温装置，包括输送常温介质的输送管道，与输送管道并行铺设、位于输送管道下方的感温光缆和加热包，用于将输送管道、感温光缆、加热包密封在封闭空间的外部管道，所述感温光缆与DTS主机连接，所述加热包为被动热源。
上述方案虽然能够检测常温介质溶液输送管道的泄露，但是无法区分介质种类，且需要额外设置加热包，造价高，加热包本身也存在密封失效的问题，容易引起误报。难以推广应用。
发明内容
针对酸性介质输送管道的泄露检测，本发明开发了一种对常温酸性介质敏感的特殊光缆，基于此开发了一种分布式光纤传感检测系统，该系统采用分布式光纤传感技术，实现对泄漏点有效精准探测，明显降低误报率。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种酸性介质输送管道泄漏分布式光纤检测系统，包括光模块、光纤环、光开关、检测光缆、数据采集卡、信号处理系统，所述光模块产生脉冲发射信号，所述脉冲发射信号经所述光纤环和光开关进入检测光缆，所述检测光缆沿输送管道轴向布置，在所述检测光缆中传输的所述脉冲发射信号会向后产生散射信号，所述散射信号经所述光开关、光纤环重新被光模块接收并转化成电信号，并由所述数据采集卡采集，所述信号处理系统与所述数据采集卡通讯，将信号变化解调为所述检测光缆上的温度变化信息。
优选地，所述光模块包括脉冲激光器，用于产生脉冲发射信号；波分复用器；光电探测器；所述脉冲激光器通过所述波分复用器与所述光纤环连接；所述光电探测器与所述波分复用器连接，所述数据采集卡再连接所述光电探测器。具有集成度高、尺寸小，长期可靠稳定的优点。
优选地，所述光纤环是由多圈光纤在圆环金属支架上按四极对称绕法绕制的参考光纤环圈，减小了因骨架或光纤本身热涨冷缩引起的应力不均匀变化对光纤环的测温影响，提高系统的温度自校准精度，目前已在保偏光纤环领域得到广泛应用。
优选地，系统中还包括电子温度传感器，所述电子温度传感器设置在所述光纤环上；所述光开关集成了光通道切换控制电路和所述电子温度传感器的温度采集电路，并通过串口与信号处理系统通讯，实现光纤环的实时温度测量和光通道的切换。
本申请中的检测光缆由外向内依次包括外护套、加强件、松套管和纤芯，所述外护套能够与酸反应放热使反应位置局部升温，这是本申请检测光缆的重要温感机理。
可选地，所述加强件为缠包在松套管外壁的多根芳纶纱。
可选地，所述纤芯由1～2根62.5/125或50/125的多模光纤。
上述外护套的制备原料包括基体、碱性填料和色母粒，其中，所述基体为尼龙或聚醚醚酮，所述碱性填料为氢氧化镁和或氢氧化铝，所述色母粒为炭黑。
基于上述检测系统的酸性介质输送管道泄漏检测方法：将检测光缆沿输送管道通长设置，若遇到两段输送管道之间设置有套管接头，将检测光缆在所述套管接头两端分别缠绕一圈，这样，当输送管道发生泄露时，在泄露位置所述检测光缆与漏出的酸性介质接触反应并放热，使泄露位置的光缆被局部升温；检测系统启动后，在发送端上，光模块内部的脉冲激光器产生激光脉冲信号，所述激光脉冲信号经波分复用器后依次向光纤环和光开关传播，光开关为1×N分路器，将激光脉冲信号分送到N个通道中，各通道分别连接检测光缆，激光脉冲信号进入检测光缆传播；在接收端上，检测光缆中传播的激光脉冲信号会产生后向拉曼散射光谱信号，返向回传至光开关和光纤环，再经波分复用器分成波长大于入射激光脉冲的斯托克斯光信号和波长小于入射激光脉冲的反斯托克斯光信号，分别由光电探测器转换成电信号，然后由数据采集卡采集这两个电信号数据，最后传输给信号处理系统，信号处理系统作如下信号处理：
接收后向拉曼散射光谱信号，并提取出反斯托克斯光信号强度值Ias和斯托克斯光信号强度值Is，由于斯托克斯光比反斯托克斯光在光纤中传播快，因此光缆上同一位置回传的反斯托克斯光将滞后于斯托克斯光，通过色散补偿算法
将后向散射中的斯托克斯光强信号进行处理，其中Is(l)为斯托克斯在光缆长度l处的光强值，△L为斯托克斯光和反斯托克斯光的菲涅尔反射峰之间的距离差，Las为反斯托克斯光的菲涅尔反射峰位置；处理后的两束光分别采用小波分析的模极大值算法进行滤波处理，由于反斯托克斯光对温度的敏感度远远大于斯托克斯光，因此利用损耗补偿后的反斯托克斯与斯托克斯光强比值来线性解调出泄漏点处的温度值，通过设置温度差阈值Tth和考察温度变化速率的方式来判断是否存在泄漏事件，并发送泄漏点报警信息；此外，利用泄露位置处后向拉曼散射光谱信号回到入射端的时间和在光纤中的传播速度求解出后向拉曼散射光谱信号的传输距离，进而求解出泄漏发生在检测光缆上的位置。
本发明采用能够与酸溶液反应的检测光缆来检测酸性介质输送管道泄漏，灵敏度高，误报率低，探测准确度高。系统中采用信号产生与接收一体化的光模块和四极对称绕法绕制的光纤环，提高了系统稳定性。采用分布式光纤测温方法解调泄漏点温度变化信息，可实现全线管道在线实时泄露监测和精准定位。
附图说明
图1是本发明分布式光纤检测系统的结构示意图；
图2是本发明分布式光纤检测系统的原理示意图；
图3是本发明分布式光纤检测系统的实物连接图；
图4是本发明中检测光缆的截面示意图；
图5是本发明实施例中酸性介质输送管道泄漏检测方法中小波滤波效果图；
图6是本发明实施例中酸性介质输送管道泄漏检测方法中的泄漏点温度变化曲线图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-图3，本实施例涉及一种分布式光纤检测系统，用于酸性介质输送管道泄漏检测，包括一体化的光模块1、光纤环2、光开关3、检测光缆4、数据采集卡7和信号处理系统8，信号处理系统8安装在电脑主机中。一体化光模块1内部集成了重复频率10KHz的高速窄带拉曼激光光源、波分复用器(WDM)和InGaAs-APD探测器。光纤环2是由160米长的多圈光纤在圆环金属支架上按四极对称绕法绕制的参考光纤环圈，减小了因骨架或光纤本身热涨冷缩引起的应力不均匀变化对光纤环的测温影响，提高系统的温度自校准精度。光开关3为1×4的机械式光开关，可通过光开关切换功能实现信号在4路通道上分时输出，光开关3内部集成了光通道切换控制电路301和电子温度传感器(DS18B20)的采集电路302，其中电子温度传感器设置在光纤环2上，用于获取光纤环2的实时温度。光通道切换控制电路301和电子温度传感器(DS18B20)的采集电路302通过串口与信号处理系统进行数据传输和控制，实现参考光纤环的实时温度测量和光通道的切换。
在发送端上，由一体化光模块1产生1550nm波长、10ns脉宽的激光脉冲信号，激光脉冲信号分别经过光纤环2和光开关3，光开关3为1×4分路器，可将脉冲信号分送到4个通道中，每一通道分别用法兰连接检测光缆4，检测光缆沿待测管道5轴线方向通长敷设；在接收端上，检测光缆4中传播的激光脉冲信号会产生后向散射拉曼信号，反向传播回光开关3和光纤环2，再经一体化光模块1内部的波分复用器分成1450nm波长的反斯托克斯光信号和1663nm波长的斯托克斯光信号，由一体化光模块1内部的高速雪崩二极管(InGaAs-APD)接收后转化成电信号，然后通过放大电路将电信号放大后由采样率为100MHz的采集卡7采集数据，最后传输给信号处理系统8分析，根据反斯托克斯光对温度的敏感度远远大于斯托克斯光，据此对温度值进行计算。
如图4所示，检测光缆4由外护套401、加强件402、松套管403和纤芯404组成，外护套401是一种能够被质量分数为17％的盐酸溶液溶解的材料，由尼龙PA6、氢氧化镁、氢氧化铝和少量色母粒组成，氢氧化镁、氢氧化铝为20-30wt％的尼龙PA6，色母粒为0.8-2wt％的尼龙PA6。外套管401在接触到浓度为17wt％以上的盐酸溶液后可迅速反应放热，使局部温度上升5℃以上，与浓度低于10wt％的盐酸溶液不发生反应。反应针对性强，不易受环境干扰。加强件由1～2根芳纶纱组成，纤芯由1～2根62.5/125或50/125的多模光纤组成。
结合图1、图4和图5，本发明一种用于酸溶液输送管道泄漏检测的分布式光纤检测方法，具体步骤如下：
(1)首先将检测光缆4放置于待测管道5正下方，用扎带捆绑，在待测管道套管接头6部位两端将检测光缆4缠绕一圈，套管接头部位容易发生泄露。
(2)当管道发生泄露时，检测光缆4与泄露点处流出的酸溶液接触，外护套被酸溶液溶解，使内部反应物(氢氧化镁、氢氧化铝)与酸溶液发生化学反应并释放热量，该区域的光缆被加热升温，由信号处理系统8接收后向拉曼散射光谱信号，并提取出反斯托克斯光信号强度值Ias和斯托克斯光信号强度值Is。
(3)由于斯托克斯光在光纤中的传播速度比反斯托克斯光快，因此光缆上相同距离上得到的反斯托克斯光将滞后于斯托克斯光，需要通过补偿算法
对后向散射的斯托克斯光强信号进行处理，其中Is(l)为斯托克斯在光缆长度l处的光强值，△L为斯托克斯光和反斯托克斯光的菲涅尔反射峰之间的距离差，Las为反斯托克斯光的菲涅尔反射峰位置。
(4)处理后的两束光分别采用sym4小波基进行滤波处理，在小波分解层第4层设置一个模极大阈值来滤除噪声，阈值大小可根据检测光缆4的长度进行调整，由于反斯托克斯光对温度的敏感度远远大于斯托克斯光，因此利用损耗补偿后的反斯托克斯与斯托克斯光强比值来线性解调出泄漏点处的温度值。
(5)最后基于光时域反射技术(OTDR)求解出泄漏点位置，即利用泄露点处散射光回到入射端的时间和散射光在光纤中的传播速度求解出散射光的传输距离，同时通过设置温度差阈值(Tth＝5℃)和温度变化速率(≥4℃/min)的方式来判断是否存在酸溶液泄漏事件，并发送泄漏点报警信息，泄露事件发生后，可在更换管道位置时重新熔接一段新的检测光缆继续检测。
本发明一种用于酸溶液输送管道泄漏检测的分布式光纤传感装置及其检测方法，具体实施效果如图6所示，将一段200米长的检测光缆中间10米位置浸泡在质量分数为17％的盐酸溶液中模拟泄露，检测到的检测光缆在泄露点处的温度上升了6℃，根据所述的一种用于酸溶液输送管道泄漏检测的分布式光纤检测方法，可快速、准确地检测到泄漏位置。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种酸性介质输送管道泄漏分布式光纤检测系统，其特征在于：包括光模块(1)、光纤环(2)、光开关(3)、检测光缆(4)、数据采集卡(7)、信号处理系统(8)，所述光模块(1)产生脉冲发射信号，所述脉冲发射信号经所述光纤环(2)和光开关(3)进入检测光缆(4)，所述检测光缆沿输送管道轴向布置，在所述检测光缆中传输的所述脉冲发射信号会向后产生散射信号，所述散射信号经所述光开关(3)、光纤环(2)重新被光模块(1)接收并转化成电信号，并由所述数据采集卡(7)采集，所述信号处理系统(8)与所述数据采集卡(7)通讯，将信号变化解调为所述检测光缆上的温度变化信息。
2.根据权利要求1所述的酸性介质输送管道泄漏分布式光纤检测系统，其特征在于：所述光模块(1)包括脉冲激光器，用于产生脉冲发射信号；波分复用器；光电探测器；
所述脉冲激光器通过所述波分复用器与所述光纤环(2)连接；
所述光电探测器与所述波分复用器连接，所述数据采集卡(7)再连接所述光电探测器。
3.根据权利要求1所述的酸性介质输送管道泄漏分布式光纤检测系统，其特征在于：所述光纤环(2)是由多圈光纤在圆环金属支架上按四极对称绕法绕制的参考光纤环圈。
4.根据权利要求1所述的酸性介质输送管道泄漏分布式光纤检测系统，其特征在于：系统中还包括电子温度传感器(9)，所述电子温度传感器(9)设置在所述光纤环(2)上；
所述光开关(3)集成了光通道切换控制电路(301)和所述电子温度传感器(9)的温度采集电路(302)，并通过串口与信号处理系统(8)通讯，实现光纤环(2)的实时温度测量和光通道的切换。
5.根据权利要求1所述的酸性介质输送管道泄漏分布式光纤检测系统，其特征在于：所述检测光缆(4)有外向内依次包括外护套(401)、加强件(402)、松套管(403)和纤芯(404)，所述外护套能够与酸反应放热使反应位置局部升温。
6.根据权利要求5所述的酸性介质输送管道泄漏分布式光纤检测系统，其特征在于：所述加强件(402)为缠包在松套管外壁的多根芳纶纱。
7.根据权利要求5所述的酸性介质输送管道泄漏分布式光纤检测系统，其特征在于：所述纤芯(404)由1～2根62.5/125或50/125的多模光纤。
8.根据权利要求5所述的酸性介质输送管道泄漏分布式光纤检测系统，其特征在于：所述外护套(401)的制备原料包括基体、碱性填料和色母粒，其中，所述基体为尼龙或聚醚醚酮，所述碱性填料为氢氧化镁和或氢氧化铝，所述色母粒为炭黑。
9.一种根据权利要求1-5中任一权项所述检测系统的酸性介质输送管道泄漏检测方法，其特征在于：将检测光缆沿输送管道通长设置，若遇到两段输送管道之间设置有套管接头，将检测光缆在所述套管接头两端分别缠绕一圈，这样，当输送管道发生泄露时，在泄露位置所述检测光缆与漏出的酸性介质接触反应并放热，使泄露位置的光缆被局部升温；
所述检测系统启动后，在发送端上，一体化光模块(1)内部的脉冲激光器产生激光脉冲信号，所述激光脉冲信号经波分复用器后依次向光纤环(2)和光开关(3)传播，光开关(3)为1×N分路器，将激光脉冲信号分送到N个通道中，各通道分别连接检测光缆(4)，激光脉冲信号进入检测光缆(4)传播；在接收端上，检测光缆(4)中传播的激光脉冲信号会产生后向拉曼散射光谱信号，返向回传至光开关(3)和光纤环(2)，再经波分复用器分成斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号，由光电探测器(103)转换成电信号，然后由数据采集卡(7)采集该电信号数据，最后传输给信号处理系统(8)，信号处理系统(8)作如下信号处理：
接收后向拉曼散射光谱信号，并提取出反斯托克斯光信号强度值Ias和斯托克斯光信号强度值Is，由于斯托克斯光比反斯托克斯光在光纤中传播快，因此光缆上同一位置回传的反斯托克斯光将滞后于斯托克斯光，通过色散补偿算法
后向散射的斯托克斯光强信号进行处理，其中Is(l)为斯托克斯在光缆长度l处的光强值，△L为斯托克斯光和反斯托克斯光的菲涅尔反射峰之间的距离差，Las为反斯托克斯光的菲涅尔反射峰位置；处理后的两束光分别采用小波分析的模极大值算法进行滤波处理，由于反斯托克斯光对温度的敏感度远远大于斯托克斯光，因此利用损耗补偿后的反斯托克斯与斯托克斯光强比值来线性解调出泄漏点处的温度值，通过设置温度差阈值Tth和考察温度变化速率的方式来判断是否存在泄漏事件，并发送泄漏点报警信息；此外，利用泄露位置处后向拉曼散射光谱信号回到入射端的时间和在光纤中的传播速度求解出后向拉曼散射光谱信号的传输距离，进而求解出泄漏发生在检测光缆上的位置。
10.根据权利要求9所述的酸性介质输送管道泄漏检测方法，其特征在于：所述滤波处理是采用sym4小波基进行滤波处理，在小波分解层第4层设置一个模极大阈值来滤除噪声，阈值大小可根据检测光缆(4)的长度进行调整。
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