CN113933220B - 一种光纤管道砂粒特征信息监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤管道砂粒特征信息监测方法及系统，属于分布式声波传感系统领域。系统包括：分布式声波传感子系统、砂粒特征识别子系统以及敷设于管道上的光纤；分布式声波传感子系统用于将信号光注入光纤，并探测从光纤中产生的背向散射光，得到水流、砂水混合物撞击管壁时域特征、功率谱特征、背景噪声能量。砂粒特征识别子系统根据分布式声波传感子系统获得的特征信息判断管道砂粒信息，并进一步实现管道内砂粒粒径、浓度信息的监测及预警。光纤用于传输信号光并产生携带管道内砂粒信息的背向散射光。本发明能同时实现管道内砂粒粒径、浓度的高灵敏度、高保真监测及实时预警，是一种分布式、实时在线、非侵入式管道砂粒特征信息监测方法。
Description
技术领域
本发明属于分布式声波传感系统领域，更具体地，涉及一种光纤管道砂粒特征信息监测方法及系统。
背景技术
管道运输作为能源输送的重要手段，因其运量大、运输成本低、能耗小、易于管理等特点，被称为五大运输行业之中的“文明运输”。管道输送介质中的砂粒会对油管、泵、阀门和管道造成严重损害，大大减缓设备使用寿命。因此，管道内砂粒特征信息的实时监测可最大限度地减少对生产设施的侵蚀损害，对管道安全高效运营具有重要的指导意义。
目前已经开发了各种传感器方法来检测管道砂-水两相流中的固相信息，其主要分为直接法和间接法。直接法即取样法，即利用采样设备现场取样，然后对水进行过滤、烘干、称重以实现砂粒浓度的监测。间接法是根据砂粒浓度物理信息实现监测，如侵入式电阻探针法、数字成像技术、超声波检测法以及振动传感器。其中侵入式电阻探针法基于砂粒对管道内电阻探针的侵蚀效应实现砂粒浓度监测，其电阻探针必须要安装在管道内部，且不能实时提供管道内砂粒浓度信息；数字成像技术通过高速摄像机研究管道内携砂流流动特性，通过分析砂粒轨迹、速度云图实现对管道内砂粒的监测。超声波检测法基于管道砂粒监测砂粒或其他固相颗粒撞击管道内壁产生的超声波信号，其局限性在于对管道介质流速要求较高(介质流速v>5m/s)；振动传感器通常将传感器安装在管道90°弯头处，通过弯头处砂粒的强冲击振动效应实现对砂粒浓度的监测，不幸的是其很难对流体中的固体信息进行定量分析。
综上所述，目前存在的砂粒浓度特征信息监测方法对环境变化敏感、监测设备成本高，安装复杂，难以实现对管道内砂粒浓度、粒径信息的分布式、非侵入式、实时在线监测，严重限制了上述方法在工业领域的进一步应用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种光纤管道砂粒特征信息监测方法及系统，旨在解决现有管道砂粒特征信息监测方法对环境敏感、监测成本高，安装复杂、监测耗时，难以实现管道砂粒浓度、粒径大小的分布式、非侵入式、实时在线监测缺陷，由此实现对管道内砂粒浓度、粒径信息的分布式在线无损监测。
为实现上述目的，本发明提供了一种光纤管道砂粒浓度、粒径信息监测方法，包括以下步骤：
(1)在水流撞击管壁时，对光纤中背向散射光进行解调，得到水流撞击管壁时域特征T1及水流撞击管壁功率谱特征P1，并得到水流撞击管壁背景噪声能量
(2)在砂-水混合物撞击管壁时，对光纤中传播信号光的背向散射光进行解调，得到砂-水混合物撞击管壁时域特征T2及砂-水混合物撞击管壁功率谱特征P2，并得到砂-水混合物撞击管壁噪声能量
(3)分别根据水流撞击管壁功率谱特征P1、砂-水混合物撞击管壁功率谱特征P2，得到管道内水流撞击管壁的频带范围[fw1～fw2]、砂-水混合物撞击管壁频带范围[fsw1～fsw2]；
(4)从砂-水混合物撞击管壁频带范围[fsw1～fsw2]内动态滤除水流撞击管壁频带范围[fw1～fw2]，得到砂粒撞击管壁频带范围[fs1～fs2]，并对其进行反傅里叶变换得到砂粒撞击管壁时域特征T3；
(5)从砂粒撞击频带[fs1～fs2]，从水流撞击管壁的频带范围[fw1～fw2]内选取频带范围[fw11～fw22]作为实验水流特征；
(6)从砂-水混合物撞击管壁噪声能量Esw中滤除水流撞击管壁背景噪声能量Ew，并结合管道流速信息、不同砂粒粒径撞击标定能量得到管道内砂-水混合物中砂粒粒径特征。
(7)对实验水流特征频带[fw11～fw22]进行反傅里叶变换得到实验水流时域特征T4，依据实验水流时域特征T4动态调整寻峰阈值；寻峰阈值选取标准为依据实验水流时域特征T4的最大、最小值分别作为寻峰阈值的上下限。
(8)将上述实验水流时域特征T4得到的寻峰阈值上下限作为参考峰值，并对砂粒撞击管壁时域特征T3进行寻峰处理，并依据超过寻峰阈值的峰值数得到管道内砂粒浓度信息。
(9)将超过寻峰阈值的峰值数信息、砂-水混合物中砂粒粒径特征发送到预警模块，预警模块根据管道尺寸规格，对超出规定浓度范围、规定粒径的砂粒特征信息进行预警处理。
本发明另一方面提供了一种光纤管道砂粒特征信息监测系统，主要由分布式声波传感子系统、砂粒特征识别子系统以及敷设于管道上的光纤组成。分布式声波传感子系统用于将信号光注入光纤，以及探测从光纤中产生的背向散射光。所述光纤为一种在普通光纤纤芯材料中通过光刻写技术形成的周期性后向散射增强单元，光纤不同位置处散射的信号光之间会发生干涉，管道内水流撞击管壁、砂水混合物撞击管壁时会引起干涉光相位波动，进而引起分布式声波传感子系统所接收的背向散射光强度也会随之波动；
所述分布式声波传感子系统可得到水流撞击管壁时域特征T1及水流撞击管壁功率谱特征P1，水流撞击管壁背景噪声能量Ew；砂-水混合物撞击管壁时域特征T2及砂-水混合物撞击管壁功率谱特征P2，砂-水混合物撞击管壁噪声能量Esw；
所述砂粒特征识别子系统用于对上述时域特征、功率谱特征、噪声能量特征行分析处理，并进一步得到砂粒撞击管壁频带范围、砂粒撞击管壁时域特征T3、不同砂粒粒径撞击标定能量；
进一步地，所述砂粒特征识别子系统包括砂粒频谱特征识别模块、差分滤波模块、阈值寻峰模块、预警模块；
所述砂粒频谱特征识别模块根据水流撞击管壁功率谱特征P1、砂-水混合物撞击管壁功率谱特征P2，得到管道内水流撞击管壁的频带范围[fw1～fw2]、砂-水混合物撞击管壁频带范围[fsw1～fsw2]；
所述差分滤波模块功能包括：从砂-水混合物撞击管壁频带范围[fsw1～fsw2]内动态滤除水流撞击管壁的频带范围[fw1～fw2]，得到砂粒撞击管壁频带范围[fs1～fs2]，并对其进行反傅里叶变换得到砂粒撞击管壁时域特征T3；从砂粒撞击频带[fs1～fs2]，从水流撞击管壁的频带范围[fw1～fw2]内选取频带范围[fw11～fw22]作为实验水流特征，对实验水流特征频带[fw11～fw22]进行反傅里叶变换得到实验水流时域特征T4；从砂-水混合物撞击管壁噪声能量Esw中滤除水流撞击管壁背景噪声能量Ew，并结合管道流速、不同砂粒粒径撞击标定能量得到管道内砂-水混合物中砂粒粒径特征。
所述阈值寻峰模块依据实验水流时域特征T4动态调整寻峰阈值，并对砂粒撞击管壁时域特征T3进行寻峰处理，并依据超过寻峰阈值的峰值数得到管道内砂粒浓度信息。
所述预警模块将超过寻峰阈值的峰值数信息、砂-水混合物中砂粒粒径特征发送到预警模块，预警模块根据管道尺寸规格，对超出规定浓度范围、规定粒径的砂粒特征信息进行预警处理。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提供的一种光纤管道砂粒特征信息监测方法及系统，由于其光纤为一种具有内部散射增强型传感光纤，因此可实现管道内砂粒撞击管壁冲击事件的高灵敏度、高保真监测。
(2)本发明提供的一种光纤管道砂粒浓度、粒径监测方法及系统，可在管道运营期间铺设于管道外侧任何位置，是一种分布式、实时在线、非侵入式管道砂粒浓度、粒径监测方法。
(3)本发明提供的一种光纤管道砂粒浓度、粒径监测方法及系统，可对管道内砂粒特征信息进行实时在线预警。
附图说明
图1为本发明实施提供的一种管道砂粒特征信息监测系统示意图；
图2为本发明实施提供的一种光纤管道砂粒特征信息监测方法；其中，(a)为实验水流时域特征T3确定寻峰阈值上下限，并依据此得到寻峰阈值上下限：(b)为砂粒浓度为0.02％时寻峰结果，(c)为砂粒浓度为0.06％时寻峰结果，(d)为砂粒浓度为0.10％时寻峰结果，(e)砂粒浓度为0.14％时寻峰结果为，(f)砂粒浓度为0.18％时寻峰结果；
图3为本发明实施提供的不同砂粒浓度下得到的寻峰结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种光纤管道砂粒特征信息监测系统，如图1所示，其主要由分布式声波传感子系统1、砂粒特征识别子系统2以及敷设于管道上的光纤3组成。分布式声波传感子系统1用于将信号光注入光纤3，以及探测从光纤3中产生的背向散射光。光纤3为一种在普通光纤纤芯材料中通过光刻写技术形成的周期性后向散射增强单元，光纤3不同位置处散射的信号光之间会发生干涉，管道内水流撞击管壁、砂水混合物撞击管壁时会引起干涉光相位波动，进而引起分布式声波传感子系统1所接收的背向散射光强度也会随之波动；
分布式声波传感子系统1可得到水流撞击管壁时域特征T1及水流撞击管壁功率谱特征P1，水流撞击管壁背景噪声能量Ew；砂-水混合物撞击管壁时域特征T2及砂-水混合物撞击管壁功率谱特征P2，砂-水混合物撞击管壁噪声能量Esw。砂粒特征识别子系统2用于对上述时域特征、功率谱特征、噪声能量特征行分析处理，并进一步得到砂粒撞击管壁频带范围、砂粒撞击管壁时域特征T3、不同砂粒粒径撞击标定能量。
砂粒特征识别子系统2由砂粒频谱特征识别模块、差分滤波模块、阈值寻峰模块、预警模块组成，其中砂粒频谱特征识别模块根据水流撞击管壁功率谱特征P1、砂-水混合物撞击管壁功率谱特征P2，得到管道内水流撞击管壁的频带范围[fw1～fw2]、砂-水混合物撞击管壁频带范围[fsw1～fsw2]。差分滤波模块功能包括：(1)从砂-水混合物撞击管壁频带范围[fsw1～fsw2]内动态滤除水流撞击管壁的频带范围[fw1～fw2]，得到砂粒撞击管壁频带范围[fs1～fs2]，并对其进行反傅里叶变换得到砂粒撞击管壁时域特征T3；(2)从砂粒撞击频带[fs1～fs2]，从水流撞击管壁的频带范围[fw1～fw2]内选取频带范围[fw11～fw22]作为实验水流特征，对实验水流特征频带[fw11～fw22]进行反傅里叶变换得到实验水流时域特征T4；(3)从砂-水混合物撞击管壁噪声能量
中滤除水流撞击管壁背景噪声能量
并结合管道流速、不同砂粒粒径撞击标定能量得到管道内砂-水混合物中砂粒粒径特征。阈值寻峰模块依据实验水流时域特征T4动态调整寻峰阈值，并对砂粒撞击管壁时域特征T3进行寻峰处理，并依据超过寻峰阈值的峰值数得到管道内砂粒浓度信息。预警模块将超过寻峰阈值的峰值数信息、砂-水混合物中砂粒粒径特征发送到预警模块，预警模块根据管道尺寸规格，对超出规定浓度范围、规定粒径的砂粒特征信息进行预警处理。
本发明还提供了一种管道砂粒特征信息监测方法，包括以下步骤：
(1)在水流撞击管壁时，对光纤中传播信号光的背向散射光进行解调，得到水流撞击管壁时域特征T1及水流撞击管壁功率谱特征P1，并得到水流撞击管壁背景噪声能量
(2)在砂-水混合物撞击管壁时，对光纤中传播信号光的背向散射光进行解调，得到砂-水混合物撞击管壁时域特征T2及砂-水混合物撞击管壁功率谱特征P2，并得到砂-水混合物撞击管壁噪声能量
(3)分别根据水流撞击管壁功率谱特征P1、砂-水混合物撞击管壁功率谱特征P2，得到管道内水流撞击管壁的频带范围[fw1～fw2]、砂-水混合物撞击管壁频带范围[fsw1～fsw2]；
(4)从砂-水混合物撞击管壁频带范围[fsw1～fsw2]内动态滤除水流撞击管壁频带范围[fw1～fw2]，得到砂粒撞击管壁频带范围[fs1～fs2]，并对其进行反傅里叶变换得到砂粒撞击管壁时域特征T3；
(5)从砂粒撞击频带[fs1～fs2]，从水流撞击管壁的频带范围[fw1～fw2]内选取频带范围[fw11～fw22]作为实验水流特征频带；
(6)从砂-水混合物撞击管壁噪声能量Esw中滤除水流撞击管壁背景噪声能量Ew，并结合管道流速信息、不同砂粒粒径撞击标定能量得到管道内砂-水混合物中砂粒粒径特征。
(7)进一步地，对实验水流特征频带[fw11～fw22]进行反傅里叶变换得到实验水流时域特征T4。依据实验水流时域特征T4动态调整寻峰阈值，寻峰阈值选取标准为依据实验水流时域特征T4的最大、最小值分别作为寻峰阈值的上下限，如图2中(a)所示。对不同砂粒浓度对应的时域特征进行寻峰处理，对超过寻峰阈值的上下限峰值个数作为波峰、波谷数，如图2中(b)～(f)。在不同砂粒浓度下通过寻峰模块得到峰值个数，并得到在不同砂粒浓度下波峰拟合函数为y＝8.979e+04x+15.8(R^2＝0.9878)，波谷拟合函数为y＝8.933e+04x+15.24(R^2＝0.9969)。
(8)进一步地，将上述实验水流时域特征T4得到的寻峰阈值上下限作为参考峰值，并对砂粒撞击管壁时域特征T3进行寻峰处理，并依据超过寻峰阈值的峰值数得到管道内砂粒浓度信息，如图3所示。
(9)进一步地，将超过寻峰阈值的峰值数信息、砂-水混合物中砂粒粒径特征发送到预警模块，预警模块根据管道尺寸规格，对超出规定浓度范围、规定粒径的砂粒特征信息进行预警处理。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种光纤管道砂粒特征信息监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在水流撞击管壁时，对光纤中的背向散射光进行解调，得到水流撞击管壁时域特征T1及水流撞击管壁功率谱特征P1，并得到水流撞击管壁背景噪声能量Ew；
其中，T1为水流撞击管壁时域特征；
(2)在砂-水混合物撞击管壁时，对光纤中的背向散射光进行解调，得到砂-水混合物撞击管壁时域特征T2及砂-水混合物撞击管壁功率谱特征P2，并得到砂-水混合物撞击管壁噪声能量Esw；
其中，T2为砂-水混合物撞击管壁时域特征；
(3)分别根据水流撞击管壁功率谱特征P1、砂-水混合物撞击管壁功率谱特征P2，得到管道内水流撞击管壁的频带范围[fw1～fw2]、砂-水混合物撞击管壁频带范围[fsw1～fsw2]；
(4)从砂-水混合物撞击管壁频带范围[fsw1～fsw2]内动态滤除水流撞击管壁频带范围[fw1～fw2]，得到砂粒撞击管壁频带范围[fs1～fs2]，并对其进行反傅里叶变换得到砂粒撞击管壁时域特征T3；
(5)从砂粒撞击频带管壁频带范围[fs1～fs2]与水流撞击管壁的频带范围[fw1～fw2]内选取频带范围[fw11～fw22]作为实验水流特征频带；
(6)从砂-水混合物撞击管壁噪声能量Esw中滤除水流撞击管壁背景噪声能量Ew，并结合管道流速信息、不同砂粒粒径撞击标定能量得到管道内砂-水混合物中砂粒粒径特征；
(7)对实验水流特征频带[fw11～fw22]进行反傅里叶变换得到实验水流时域特征T4，依据实验水流时域特征T4动态调整寻峰阈值；
(8)将上述实验水流时域特征T4得到的寻峰阈值作为参考峰值，并对砂粒撞击管壁时域特征T3进行寻峰处理，并依据超过寻峰阈值的峰值数得到管道内砂粒浓度信息。
2.如权利要求1所述的光纤管道砂粒特征信息监测方法，其特征在于，寻峰阈值选取标准为依据实验水流时域特征T4的最大、最小值分别作为寻峰阈值的上下限。
3.一种光纤管道砂粒特征信息监测系统，其特征在于，包括分布式声波传感子系统(1)、砂粒特征识别子系统(2)以及敷设于管道上的光纤(3)，所述分布式声波传感子系统(1)用于将信号光注入光纤(3)，以及探测从光纤(3)中产生的背向散射光，光纤(3)不同位置处散射的信号光之间会发生干涉，管道内水流撞击管壁、砂水混合物撞击管壁时会引起干涉光相位波动，进而引起分布式声波传感子系统(1)所接收的背向散射光强度也会随之波动；
所述分布式声波传感子系统(1)用于在水流撞击管壁时，对光纤中的背向散射光进行解调，得到水流撞击管壁时域特征T1、水流撞击管壁功率谱特征P1、水流撞击管壁背景噪声能量Ew；在砂-水混合物撞击管壁时，对光纤中的背向散射光进行解调，得到砂-水混合物撞击管壁时域特征T2、砂-水混合物撞击管壁功率谱特征P2、砂-水混合物撞击管壁噪声能量Esw；
所述砂粒特征识别子系统(2)用于对上述时域特征、功率谱特征、噪声能量特征行分析处理，识别砂粒特征信息。
4.如权利要求3所述的一种光纤管道砂粒特征信息监测系统，其特征在于，所述砂粒特征识别子系统(2)包括砂粒频谱特征识别模块、差分滤波模块、阈值寻峰模块、预警模块；
所述砂粒频谱特征识别模块用于根据水流撞击管壁功率谱特征P1、砂-水混合物撞击管壁功率谱特征P2，得到管道内水流撞击管壁的频带范围[fw1～fw2]、砂-水混合物撞击管壁频带范围[fsw1～fsw2]；
所述差分滤波模块用于从砂-水混合物撞击管壁频带范围[fsw1～fsw2]内动态滤除水流撞击管壁的频带范围[fw1～fw2]，得到砂粒撞击管壁频带范围[fs1～fs2]，并对其进行反傅里叶变换得到砂粒撞击管壁时域特征T3；从砂粒撞击频带[fs1～fs2]，从水流撞击管壁的频带范围[fw1～fw2]内选取频带范围[fw11～fw22]作为实验水流特征频带，对实验水流特征频带[fw11～fw22]进行反傅里叶变换得到实验水流时域特征T4；从砂-水混合物撞击管壁噪声能量Esw中滤除水流撞击管壁背景噪声能量Ew，并结合管道流速、不同砂粒粒径撞击标定能量得到管道内砂-水混合物中砂粒粒径特征；
所述阈值寻峰模块用于将上述实验水流时域特征T4得到的寻峰阈值作为参考阈值，并对砂粒撞击管壁时域特征T3进行寻峰处理，并依据超过寻峰阈值的峰值数得到管道内砂粒浓度信息。
5.如权利要求3所述的一种光纤管道砂粒特征信息监测系统，其特征在于，所述光纤(3)为一种纤芯材料中通过光刻写技术形成的周期性后向散射增强单元。
6.如权利要求3所述的一种光纤管道砂粒特征信息监测系统，其特征在于，还包括预警模块，所述预警模块将超过寻峰阈值的峰值数信息、砂-水混合物中砂粒粒径特征发送到预警模块，预警模块根据管道尺寸规格，对超出规定浓度范围、规定粒径的砂粒特征信息进行预警处理。
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