CN111220569A - 气体泄漏监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体泄漏监测系统，属于气体泄漏监测领域。该气体泄漏监测系统包括：顺次连接的激光器、光纤传感器组件、光电转化模块；顺次连接的电信号采集模块、电信号处理模块、报警信号输出模块，电信号采集模块与光电转化模块连接，电信号处理模块与激光器连接；激光器用于向光纤传感器发射激光；光纤传感器用于使激光生成第一干涉光波信号，并利用气体泄漏所产生的超声波使激光生成第二干涉光波信号；光电转化模块用于使第一干涉光波信号、第二干涉光波信号转化成第一电信号、第二电信号，通过电信号采集模块传输至电信号处理模块；电信号处理模块用于判断待监测区域是否发生气体泄漏，将判断结果通过报警信号输出模块输出。
Description
技术领域
本发明涉及气体泄漏监测领域，特别涉及一种气体泄漏监测系统。
背景技术
对于地面上的压力气体管道、容器而言，例如天然气管道场站、页岩气采气井平台等区域内的管道、容器，易受焊接施工质量、腐蚀、管件质量等因素影响而导致气体(例如天然气)泄漏，这不仅会导致经济损失，而且也易产生安全事故。因此，有必要对上述区域是否发生气体泄漏进行及时、有效地监测。
现有技术一般利用流量压力表，并通过压力梯度法、互相关法等方法判断待监测区域内的压力气体管道、容器是否发生气体泄漏。
发明人发现现有技术至少存在以下问题：
现有技术只有在待监测区域内的压力气体管道、容器发生大量气体泄漏情况下，才能进行监测，具有漏报率高的特点。
发明内容
本发明实施例提供了一种气体泄漏监测系统，可以解决上述技术问题。所述技术方案如下：
一种气体泄漏监测系统，所述气体泄漏监测系统包括：通过光纤顺次连接的激光器、光纤传感器组件、光电转化模块；以及通过电线顺次连接的电信号采集模块、电信号处理模块、报警信号输出模块，所述电信号采集模块通过电线与所述光电转化模块连接，所述电信号处理模块通过电线与所述激光器连接；
所述激光器用于向所述光纤传感器发射激光；
所述光纤传感器组件用于当待监测区域未发生气体泄漏时，使所述激光生成第一干涉光波信号，以及当所述待监测区域发生气体泄漏时，利用气体泄漏所产生的超声波使激光生成第二干涉光波信号；
所述光电转化模块用于接收所述第一干涉光波信号、所述第二干涉光波信号，并将所述第一干涉光波信号、所述第二干涉光波信号分别转化成第一电信号、第二电信号，之后将所述第一电信号、所述第二电信号通过所述电信号采集模块传输至所述电信号处理模块；
所述电信号处理模块用于调节所述激光器所发射激光的频率，并根据所接收的电信号判断所述待监测区域是否发生气体泄漏，并将判断结果通过所述报警信号输出模块输出；
其中，所述光纤传感器组件包括多个光纤传感器；
所述气体泄漏监测系统还包括：通过光纤设置在所述激光器与多个所述光纤传感器之间的光分束器；
所述光分束器用于使所述激光分束成多路第一子激光，并将每路所述第一子激光传输至对应的所述光纤传感器；
所述光纤传感器包括：N×N类型的光分束/合束器、2个法拉第反射镜、多个传输光纤，N为大于2的整数；
所述光分束/合束器的输入端通过光纤与所述光分束器连接，输出端通过光纤与所述光电转化模块连接；
每个所述法拉第反射镜均通过对应的所述传输光纤与所述光分束/合束器的分束/合束端连接。
在一种可能的设计方式中，至少一个所述传输光纤上设置有增敏件。
在一种可能的设计方式中，所述增敏件包括：增敏圆筒、以及设置在所述增敏圆筒上的敏感光纤；
所述敏感光纤的第一端、第二端均与对应的所述传输光纤连接。
在一种可能的设计方式中，所述敏感光纤为弯曲不敏感单模光纤。
在一种可能的设计方式中，所述光纤传感器还包括：防尘保护罩；
所述增敏件位于所述防尘保护罩内。
在一种可能的设计方式中，至少一个所述传输光纤上设置有延迟光纤。
在一种可能的设计方式中，所述报警信号输出模块包括：分别通过光纤与所述电信号处理模块连接的报警器、管理平台。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明实施例提供的气体泄漏监测系统，通过激光器、光纤传感器组件的配合，使得当待监测区域未发生气体泄漏时，将激光生成第一干涉光波信号，以及当待监测区域发生气体泄漏时，利用气体泄漏所产生的超声波使激光生成第二干涉光波信号；以及，通过光电转化模块、电信号采集模块、电信号处理模块与报警信号输出模块的配合，可根据由第一干涉光波信号、第二干涉光波信号所转化成的第一电信号、第二电信号，能有效判断待监测区域内的气体压力管道或容器是否发生气体泄漏；另外，通过将电信号处理模块5与激光器1电性连接，可以提高气体泄漏监测系统的灵敏度。
综上所述，本发明实施例提供的气体泄漏监测系统，利用地面上的压力气体管道、容器的气体泄漏所产生超声波改变激光相位的原理，来监测待监测区域是否发生气体泄漏，具有灵敏度高、误报率低、漏报率低、报警速度快的特点，可避免受到压力气体管道、容器气体泄漏量大小的影响；另外，由于光纤传感器为无源的光器件，可避免受到电磁的干扰，扩大使用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的气体泄漏监测系统的结构框图；
图2是本发明实施例提供的一类光纤传感器与光电转化模块、光分束器之间的连接示意图；
图3是本发明实施例提供的增敏件的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的另一类光纤传感器的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的另一类光纤传感器的结构示意图。
其中，附图中的各个标号说明如下：
1-激光器；
2-光纤传感器组件；
2a-光纤传感器；
21-光分束/合束器；
22-法拉第反射镜；
23-传输光纤；
24-增敏件；
241-增敏圆筒；
242-敏感光纤；
25-防尘保护罩；
26-延迟光纤；
3-光电转化模块；
4-电信号采集模块；
5-电信号处理模块；
6-报警信号输出模块；
61-报警器；
62-管理平台；
7-光分束器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种气体泄漏监测系统，如附图1所示，该气体泄漏监测系统包括：通过光纤顺次连接的激光器1、光纤传感器组件2、光电转化模块3；以及通过电线顺次连接的电信号采集模块4、电信号处理模块5、报警信号输出模块6，电信号采集模块4通过电线与光电转化模块3连接，电信号处理模块5通过电线与激光器1连接；激光器1用于向光纤传感器组件2发射激光；光纤传感器组件2用于当待监测区域未发生气体泄漏时，使激光生成第一干涉光波信号，以及当待监测区域发生气体泄漏时，利用气体泄漏所产生的超声波使激光生成第二干涉光波信号；光电转化模块3用于接收第一干涉光波信号、第二干涉光波信号，并将第一干涉光波信号、第二干涉光波信号分别转化成第一电信号、第二电信号，之后将第一电信号、第二电信号通过电信号采集模块4传输至电信号处理模块5；电信号处理模块5用于调节激光器1所发射激光的频率，并根据所接收的电信号判断待监测区域是否发生气体泄漏，并将判断结果通过报警信号输出模块6输出。
下面就本发明实施例提供的气体泄漏监测系统的工作原理给予描述：
在应用时，先将该气体泄漏监测系统的光纤传感器组件2安装至待监测区域内。之后，利用电信号处理模块5调节激光器1待发射激光的频率，并利用激光器1向光纤传感器组件2发射激光。
当待监测区域中的气体压力管道或容器未发生气体泄漏时，利用光纤传感器组件2使激光生成第一干涉光波信号。而当待监测区域发生气体泄漏时，利用气体泄漏所产生的超声波使激光生成第二干涉光波信号。之后，利用光纤传感器组件2将第一干涉光波信号、第二干涉光波信号传输至光电转化模块3中。
利用光电转化模块3将第一干涉光波信号转化成第一电信号，以及将第二干涉光波信号转成第二电信号。之后，将第一电信号或第二电信号通过电信号采集模块4传输至电信号处理模块5中，并利用电信号处理模块5对第一电信号或第二电信号进行信号解调、滤波、频谱分析、信号特征分析，进而判断该管道是否发生气体泄漏，并将处理结果通过报警信号输出模块6输出，进行报警。
可见，本发明实施例提供的气体泄漏监测系统，通过激光器1、光纤传感器组件2的配合，使得当待监测区域未发生气体泄漏时，将激光生成第一干涉光波信号，以及当待监测区域发生气体泄漏时，利用气体泄漏所产生的超声波使激光生成第二干涉光波信号；以及，通过光电转化模块3、电信号采集模块4、电信号处理模块5与报警信号输出模块6的配合，可根据由第一干涉光波信号、第二干涉光波信号所转化成的第一电信号、第二电信号，能有效判断待监测区域内的气体压力管道或容器是否发生气体泄漏。另外，通过将电信号处理模块5与激光器1电性连接，可以提高气体泄漏监测系统的灵敏度。
综上所述，本发明实施例提供的气体泄漏监测系统，利用地面上的压力气体管道、容器的气体泄漏所产生超声波改变激光的相位的原理，来监测待监测区域是否发生气体泄漏，具有灵敏度高、误报率低、漏报率低、报警速度快的特点，可避免受到压力气体管道、容器气体泄漏量大小的影响；另外，由于光纤传感器为无源的光器件，可避免受到电磁的干扰，扩大使用范围。
为了扩大气体泄漏监测系统所监测的区域，本发明实施例中，如附图1所示，光纤传感器组件2包括多个光纤传感器2a；气体泄漏监测系统还包括：通过光纤设置在激光器1与多个光纤传感器2a之间的光分束器7；光分束器7用于使激光分束成多路第一子激光，并将每路第一子激光传输至对应的光纤传感器2a(参见附图1)。
需要说明的是，每个光纤传感器2a的输入端通过光纤与光分束器7连接，输出端通过光纤与光电转化模块3连接；另外，每个光纤传感器2a对应一个第一干涉光波信号或第二干涉光波信号。
可以理解的是，由于每个光纤传感器2a所安装的位置不同，则每个光纤传感器2a向光电转化模块3输送的干涉光波信号也可不同。
通过如上设置，在气体泄漏监测系统正常工作过程中，激光器1所发射的激光经光分束器7被分束成多路第一子激光，并将每路第一子激光传输至对应的光纤传感器2a。当待监测区域未发生气体泄漏时，利用每个光纤传感器2a使第一子激光生成第一干涉光波信号；当待监测区域发生气体泄漏时，气体泄漏所产生的超声波调制第一干涉光波信号的相位，以使第一干涉光波信号生成第二干涉光波信号。之后，利用多个光纤传感器2a将多个第一干涉光波信号或者多个第二干涉光波信号传输至光电转化模块3中。
关于光纤传感器2a的安装数量与安装位置，可根据的待监测区域的情况进行具体设置。
另外，关于光纤传感器2a的结构，本发明实施例为了保证光纤传感器2a具有一定的抗偏振衰落能力，给出一种示例，如附图2所示，该光纤传感器2a包括：N×N类型光分束/合束器21、多个法拉第反射镜22、2个传输光纤23，N为大于2的整数；光分束/合束器21的输入端通过光纤与光分束器7连接，输出端通过光纤与光电转化模块3连接；每个法拉第反射镜22均通过对应的传输光纤23与光分束/合束器21的分束/合束端连接。
通过如上设置，在气体泄漏监测系统正常工作过程中，利用光分束/合束器21将经光分束器7分束的第一子激光分束成多路第二子激光，并将每路第二子激光通过对应的传输光纤23传输至对应的法拉第反射镜22中。
之后，当待监测区域未发生气体泄漏时，利用法拉第反射镜22向光分束/合束器21反射第二子激光，以使多路经法拉第反射镜22反射的第二子激光在光分束/合束器21中进行合束，并发生干涉，进而形成第一干涉光波信号。
同样地，当待监测区域发生气体泄漏时，多个第二子激光先在光分束/合束器21中形成第一干涉光波信号，之后气体泄漏所产生的超声波作用于传输光纤23上，使传输光纤23发生振动，调制第一干涉光波信号的相位，使第一干涉光波信号形成第二干涉光波信号。
最后，利用光分束/合束器21将第一干涉光波信号或第二干涉光波信号输送至光电转化模块3中。
需要说明的是，光分束/合束器21的输入端、输出端位于同一侧(例如附图1中的左侧)，分束/合束端位于另一侧(例如附图2中的右侧)。
其中，上述法拉第反射镜22设置为2个，可利于第二子激光在光分束/合束器21中形成第一干涉光波信号、第二干涉光波信号。
可以理解的是，两个第二子激光在光分束/合束器21中形成第一干涉光波信号或第二干涉光波信号。
上述法拉第反射镜22可通过购买的方式获取，举例来说，通过飞博特光电科技(深圳)有限公司购买获取。
另外，上述光分束/合束器21既可以对光源进行分束，也可以对多路光进行合束，若多路光具备发生干涉的条件，可在光分束/合束器21中形成干涉光波。
该光分束/合束器21可通过购买的方式获取，例如，通过飞博特光电科技(深圳)有限公司购买获取。
上述光分束/合束器21可为N×N类型的光分束/合束器21，即该类型光分束/合束器21的第一端、第二端各设置有N根光纤。其中，为了避免相位衰落的影响，N大于2，例如设置为3、4、5、6等。
则基于上述类型的光分束/合束器21，如附图2所示，光分束/合束器21的第一端的一根光纤与光分束器7连接，剩余(N-1)根光纤与光电转化模块3连接，其中，上述N根光纤相当于上述位于光分束/合束器21与光分束器7之间、光分束/合束器21与光电转化模块3之间的光纤。另外，光分束/合束器21的第二端通过两根光纤分别与对应的两个法拉第反射镜22连接，剩余的(N-2)根光纤不需要连接，其中，这两根光纤相当于上述位于两个法拉第反射镜22与光分束/合束器21之间的两根传输光纤23。
为了提高光纤传感器2a的灵敏度，本发明实施例中，如附图2所示，至少一个传输光纤23上设置有增敏件24。
关于增敏件24的设置个数，可在同一条传输光纤23上间隔设置多个增敏件24，以进一步提高光纤传感器2a的灵敏度。举例来说，可在每一条传输光纤23上均设置3个增敏筒。
关于增敏件24的结构，在基于结构简单的前提下，本发明实施例给出一种示例，如附图3所示，增敏件24包括：增敏圆筒241、以及设置在增敏圆筒241上的敏感光纤242；敏感光纤242的第一端、第二端均与对应的传输光纤23连接。
上述增敏圆筒241可通过铝箔制备获取，该类增敏圆筒241具有受到超声波的作用易发生振动的特点，可进一步提高增敏件24对超声波的灵敏度。
其中，增敏圆筒241的厚度可设置为0.1mm～0.15mm，举例来说，可设置为0.1mm、0.11mm、0.12mm、0.13mm、0.14mm、0.15mm等，本发明实施例不对增敏圆筒241的厚度进行具体限制，只要能有效增加增敏件24的灵敏度即可。
另外，增敏圆筒241的直径可以设置为5cm～6cm，举例来说，可设置为5cm、5.5cm、6cm等。通过如此设置，既便于增敏圆筒241的生产，也可保证增敏圆筒241具有一定的强度。
上述敏感光纤242可以缠绕的方式设置在增敏圆筒241上，通过如此设置，可增加敏感光纤242的长度，进而可增大超声波作用于敏感光纤242上的面积，可进一步增加增敏件24对超声波的灵敏度。
其中，上述敏感光纤242与传输光纤23可为单模光纤，该类敏感光纤242、传输光纤23具有光衰减小、噪声小的特点。
进一步地，上述敏感光纤242可为弯曲不敏感单模光纤，可以避免敏感光纤242在上述增敏圆筒241上的光衰减。
为了避免增敏件24受到外部环境的影响而发生破损，本发明实施例中，如附图2、附图3所示，光纤传感器2a还包括：防尘保护罩25；增敏件24位于防尘保护罩25内。
通过如此设置，可避免增敏件24受到雨雪、风沙等的侵蚀，以延长增敏件24的使用寿命。
其中，为了气体泄漏产生的超声波作用于增敏件24上，防尘保护罩25的侧壁上开设多个通孔或设置成网状结构。
另外，上述防尘保护罩25可以设置成桶状结构，本发明实施例不对防尘保护罩25的结构进行限制。
由于光纤传感器2a中每条光回路(即每个法拉第反射镜22与光分束/合束器21之间的光路)对应的臂长之差越大，使得光纤传感器1产生的噪声越大，因此，本发明实施例中，如附图2所示，至少一个传输光纤23上设置有延迟光纤26，以减少光纤传感器1的臂差。
其中，由于每条光回路对应的臂长与每条光回路的光程有关，则可根据每条光回路对应的光纤(包括传输光纤23、敏感光纤242)总长度，来设置延迟光纤26的长度。
举例来说，如图4所示，光纤传感器2a包括两个法拉第反射镜22，即光纤传感器2a包括光回路1与光回路2。其中，光回路1上设置两个增敏件24，光回路2上设置4个增敏件24，且每个增敏件24上均缠绕50m的敏感光纤242；另外，光回路1与光回路2上的传输光纤23长度均为100m。那么，为了补偿光回路1与光回路2之间的臂差，可在光回路1上设置长度为98m的延迟光纤26。
基于上述长度的延迟光纤26，为了便于延迟光纤26的安装，可将延迟光纤26缠绕在盘纤盘上。
另外，上述延迟光纤26可为单模光纤，该类延迟光纤26具有光衰减小、噪声小的特点。
基于如上所述的光纤传感器2a，为了便于光纤传感器2a的安装与更换，本发明实施例中，如附图5所述，一个法拉第反射镜22对应的传输光纤23上设置一个敏感件24，另外一个法拉第反射镜22对应的传输光纤23上设置一个延迟光纤26。
通过如上设置，当敏感件24或延迟光纤26发生破损时，在考虑成本的前提下，可直接更换光纤传感器2a。
本发明实施例中，如附图1所示，报警信号输出模块6包括：分别通过电线与电信号处理模块5连接的报警器61、管理平台62。
可见，通过设置报警器61，可及时提醒工作人员管道发生泄漏，以及通过管理平台62，利于工作人员快速查到管道中发生气体泄漏的位置，这可有效防止管道发生破裂、爆炸等危险，进而避免对管道周围的环境和人身财产安全造成危害。
其中，电信号处理模块5可通过网口、RS232接口、RS485接口、USB(UniversalSerial Bus，通用串行总线)与报警器61、管理平台62进行通信，输送判断结果。
另外，上述报警器61可以设置为蜂鸣器。
本发明实施例中，激光器1可发射中心波长可以1309.5nm～1310.5nm、1549.5nm～1550.5nm的窄带光束，基于后者具有光衰减小、便于获取的特点，本发明实施例优先采用。
其中，上述激光器1所发射的窄带光束的线宽可设置为10K赫兹。
另外，激光器1可通过购买的方式获取，举例来说，可由大族激光科技产业集团股份有限公司购买获取。
本发明实施例中，光电转化模块3可设置为光电转化电路，电信号采集模块4可设置为电信号采集电路。
本发明实施例中，可在气体泄漏监测系统所涉及的每条光纤(例如传输光纤23、敏感光纤242、延迟光纤36)上均设置至少一层保护层，以避免光纤受到雨雪等恶劣环境的损坏。
关于上述气体泄漏监测系统的安装，可将光纤传感器2a安装在气体泄漏监测区域内，具体为，将增敏件24挂设在杆上，传输光纤23、延迟光纤26以及法拉第反射镜22封装在盘线盒中。另外，将气体泄漏监测系统的其他部件安装于工控机房中。
综上所述，本发明实施例提供的气体泄漏监测系统经天然气场站实际使用、测试，可以在以光纤传感器2a为球心、半径15m的球形区域内，对泄漏量级大于4MPa(泄漏时压力)、2mm(泄漏孔径)的管道泄漏进行有效监测，灵敏度高，报警准确，且对环境噪声的抗干扰能力强。
上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本公开的可选实施例，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本发明的说明性实施例，并不用以限制本发明的保护范围，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 (7)
1.一种气体泄漏监测系统，其特征在于，所述气体泄漏监测系统包括：通过光纤顺次连接的激光器(1)、光纤传感器组件(2)、光电转化模块(3)；以及通过电线顺次连接的电信号采集模块(4)、电信号处理模块(5)、报警信号输出模块(6)，所述电信号采集模块(4)通过电线与所述光电转化模块(3)连接，所述电信号处理模块(5)通过电线与所述激光器(1)连接；
所述激光器(1)用于向所述光纤传感器组件(2)发射激光；
所述光纤传感器组件(2)用于当待监测区域未发生气体泄漏时，使所述激光生成第一干涉光波信号，以及当所述待监测区域发生气体泄漏时，利用气体泄漏所产生的超声波使所述激光生成第二干涉光波信号；
所述光电转化模块(3)用于接收所述第一干涉光波信号、所述第二干涉光波信号，并将所述第一干涉光波信号、所述第二干涉光波信号分别转化成第一电信号、第二电信号，之后将所述第一电信号、所述第二电信号通过所述电信号采集模块(4)传输至所述电信号处理模块(5)；
所述电信号处理模块(5)用于调节所述激光器(1)所发射激光的频率，并根据所接收的电信号判断所述待监测区域是否发生气体泄漏，并将判断结果通过所述报警信号输出模块(6)输出；
其中，所述光纤传感器组件(2)包括多个光纤传感器(2a)；
所述气体泄漏监测系统还包括：通过光纤设置在所述激光器(1)与多个所述光纤传感器(2a)之间的光分束器(7)；
所述光分束器(7)用于使所述激光分束成多路第一子激光，并将每路所述第一子激光传输至对应的所述光纤传感器(2a)；
所述光纤传感器(2a)包括:N×N类型的光分束/合束器(21)、2个法拉第反射镜(22)、多个传输光纤(23)，N为大于2的整数；
所述光分束/合束器(21)的输入端通过光纤与所述光分束器(7)连接，输出端通过光纤与所述光电转化模块(3)连接；
每个所述法拉第反射镜(22)均通过对应的所述传输光纤(23)与所述光分束/合束器(21)的分束/合束端连接。
2.根据权利要求1所述的气体泄漏监测系统，其特征在于，至少一个所述传输光纤(23)上设置有增敏件(24)。
3.根据权利要求2所述的气体泄漏监测系统，其特征在于，所述增敏件(24)包括：增敏圆筒(241)、以及设置在所述增敏圆筒(241)上的敏感光纤(242)；
所述敏感光纤(242)的第一端、第二端均与对应的所述传输光纤(23)连接。
4.根据权利要求3所述的气体泄漏监测系统，其特征在于，所述敏感光纤(242)为弯曲不敏感单模光纤。
5.根据权利要求2～4任一项所述的气体泄漏监测系统，其特征在于，所述光纤传感器(2a)还包括：防尘保护罩(25)；
所述增敏件(24)位于所述防尘保护罩(25)内。
6.根据权利要求1所述的气体泄漏监测系统，其特征在于，至少一个所述传输光纤(23)上设置有延迟光纤(26)。
7.根据权利要求1～6任一项所述的气体泄漏监测系统，其特征在于，所述报警信号输出模块(6)包括：分别通过电线与所述电信号处理模块(5)连接的报警器(61)、管理平台(62)。
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