CN114811455A - 一种用于气体管道泄漏监测的传感光缆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于气体管道泄漏监测的传感光缆，包括应变传感光纤、温度传感光纤和多孔增敏弹性护套结构；所述应变传感光纤和温度传感光纤在所述多孔增敏弹性护套结构内部处于自由状态；所述多孔增敏弹性护套结构表面分布有若干通孔。所述多孔增敏弹性护套结构外表面镀有金属增敏层，所述用于气体管道泄漏监测的传感光缆外表面设有编织网结构。本发明的一种用于气体管道泄漏监测的传感光缆具有传感灵敏度显著提高、双参量测量、声压灵敏度可得到数量级的提升等优点，可埋设在土体中用于长时间、高灵敏度的气体管道泄漏监测。
Description
技术领域
本发明属于分布式光纤传感技术领域，具体是指一种用于气体管道泄漏监测的传感光缆。
背景技术
分布式光纤声波传感技术（Distributed Acoustic Sensing, DAS）是一种利用光纤后向瑞利散射干涉效应实现声波信号连续分布式探测的传感技术。光纤一般由纯度极高的玻璃或塑料制成，但是在制作过程中各种环境因素的变化以及光纤中极少量的杂质都会导致光纤内部并非完全均匀，这些不均匀体在入射激光的作用下形成散射，其中的后向瑞利（Rayleigh）散射就是分布式声波传感技术的基础。光纤的微小变形改变了光纤内部散射体间距和折射系数，进而引起Rayleigh后向散射信号强度的变化。当光脉冲信号很窄时，这一强度变化只与变形段相关，可以实现光纤全段的振动探测。从光纤中的脉冲相对传播时间可以推断出振动沿光纤的位置。由于外部扰动导致的局部散射体分布的小扰动，例如应变或温度变化，可能导致记录的反向散射强度曲线的显著变化。
近年来，分布式光纤声波传感技术（DAS）被应用于气体管道泄漏监测。DAS可以实现光纤沿线动态应变（振动、声波）的长距离、分布式、实时定量监测，且DAS系统对振动信号的监测能力高达千赫范围，对气体管道泄漏信号的监测很有潜力。虽然DAS监测气体管道泄漏的研究取得一定理论研究成果，但是理论成果的实际应用还需要进一步的验证。特别是，目前还没有针对气体管道泄漏的专用传感光缆。而且在实际应用中，将光纤埋入土体中，采用与气体管道伴行监测的方式较为灵活、也便于实施，但也存在泄露声波信号衰减大，土体中声波信号传播距离短等问题。
此外，传感光缆由于生产工艺及使用条件等要求，需要在光纤外包裹不同材料、不同结构的护套。当振动信号传入该种光缆后，信号强度会大幅衰减，光缆内光纤受到的调制随之减小，导致了普通光缆的声灵敏度较低，现有传感光缆难以满足气体管道泄漏监测对传感光缆较高灵敏度的要求。同时，考虑到气体泄露可能会造成泄漏点附近温度发生变化，通过同时测量声波和温度两个参量可以进一步提高泄露监测的可靠性。
发明内容
基于以上技术问题，本发明提供了一种用于气体管道泄漏监测的传感光缆，针对现有传感光缆灵敏度较低的问题，采用在多孔增敏弹性护套结构表面有规律地布设孔状结构的方法，有效提升传感光缆的灵敏度，使其满足气体管道泄露高精度监测的要求。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种用于气体管道泄漏监测的传感光缆，包括应变传感光纤、温度传感光纤和多孔增敏弹性护套结构；所述应变传感光纤和温度传感光纤在所述多孔增敏弹性护套结构内部处于自由状态，均是一种松套结构传感光缆；所述多孔增敏弹性护套结构表面分布有若干通孔。
作为一种优选的方式，所述多孔增敏弹性护套结构外表面镀有金属增敏层。
作为一种优选的方式，所述金属增敏层由铝或铜构成。
作为一种优选的方式，所述若干通孔按一定规则排布，在多孔增敏弹性护套展开为平面时，所述若干通孔排布形式为斜列形、矩形、等边三角形或梅花形中的一种。
作为一种优选的方式，所述用于气体管道泄漏监测的传感光缆外表面设有编织网结构。
作为一种优选的方式，所述编织网结构采用金属或者高分子聚合物制作而成。
作为一种优选的方式，所述多孔增敏弹性护套结构为空心柱体结构，包括弹性支撑层和空气层。
作为一种优选的方式，所述多孔增敏弹性护套结构内径为2mm～20mm。作为一种优选的方式，所述通孔为圆形、椭圆或矩形形中的一种；所述通孔为圆形时，直径为100μm～20mm；所述通孔为椭圆形时，长轴长度为100μm～20mm；所述通孔为矩形时，长边长度为100μm～20mm。
作为一种优选的方式，所述若干通孔沿所述应变传感光纤轴向以1mm～100mm的间距排布在多孔增敏弹性护套结构表面。
与现有技术相比，本发明的一种用于气体管道泄漏监测的传感光缆有益效果是：
（1） 本发明的多孔增敏弹性护套结构上的孔状结构规则排布，外界振动从小孔进入多孔增敏弹性护套结构，通过护套结构内壁的反射作用沿光缆轴向传播，使接收振动信号的光纤有效长度更长，受到外界扰动累积的散射光信号变化更强。多孔增敏弹性护套结构受到外界振动的影响会进一步提升传感光纤应变率，使得传感光缆的声压灵敏度得到数量级的提高。
（2）本发明传感光缆通过多孔增敏弹性护套结构外镀一层金属增敏层，提升传感光缆的声压灵敏度；同时增强弹性增敏结构的导热性能，进一步提高传感光缆的温度灵敏度。
（3）本发明传感光缆应用于光纤分布式传感领域，通过一定孔径的编织网隔离土颗粒，可以防止土颗粒堵塞小孔或进入光缆内部，保证外界振动沿护套内壁传播，使其更适合埋设在土体中进行长时间的气体管道泄漏监测。
本发明的一种用于气体管道泄漏监测的传感光缆由于具有传感灵敏度显著提高、双参量测量、声压灵敏度可得到数量级的提升等优点，可埋设在土体中用于长时间、高灵敏度的气体管道泄漏监测。
附图说明
本申请将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述，其中：
图1为本发明所提出的一种用于气体管道泄漏监测的传感光缆横截面示意图；
图2为本发明所提出的一种用于气体管道泄漏监测的传感光缆示意图；
图3为图2所示的用于气体管道泄漏监测的传感光缆A-A截面剖视图；
图4至图7为本发明所提出的多孔增敏弹性护套展开后孔状结构平面布置形式示意图，图4中多个通孔呈斜列形排列，图5中多个通孔呈矩形排列，图6中多个通孔呈等边三角形排列，图7中多个通孔呈梅花形排列；
图8为本发明所提出的一种用于气体管道泄漏监测的传感光缆在分布式光纤声波传感监测气体管道泄漏应用中的增益效果图。
其中，1、应变传感光纤，2、温度传感光纤，3、多孔增敏弹性护套结构，4、金属增敏层，5、编织网结构。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
参阅图1～3，在本实施例中，一种用于气体管道泄漏监测的传感光缆包括应变传感光纤1、温度传感光纤2、多孔增敏弹性护套结构3、金属增敏层4和编织网结构5。在本实施例中，多孔增敏弹性护套结构3为包括弹性支撑层和空气层的空心柱体结构，弹性支撑层选用聚烯烃材料。弹性支撑层是指管壁，空气层是指管子的中空部分。这种中空结构有利于泄露声信号的长距离传递。应变传感光纤1和温度传感光纤2在多孔增敏弹性护套结构3内部处于自由状态，均是一种松套结构传感光缆，多孔增敏弹性护套结构3表面的孔状结构按一定方式规则排布。温度传感光纤既可以用于监测由于气体泄露产生的温度异常，还可用于对分布式光纤声波传感系统进行温度补偿。
在本实施例中，传感光缆多孔增敏弹性护套结构3上的孔状结构规则排布，外界振动从小孔进入多孔增敏弹性护套结构3内，通过护套结构内壁的反射作用沿光缆轴向传播，使接收振动信号的光纤有效长度更长，受到外界扰动累积的散射光信号变化更强。多孔增敏弹性护套结构3受到外界振动的影响会进一步提升传感光纤应变率，使得传感光缆的声压灵敏度得到数量级的提高。
具体的，多孔增敏弹性护套结构3圆周内径为4mm，外径为6mm。
在一些实施例中，孔状结构中孔形状为圆形或椭圆或方形；孔状结构圆形直径为100μm～20mm；孔状结构椭圆长轴长度为100μm～20mm；孔状结构方形长边长度为100μm～20mm。
在本实施例中，孔状结构中孔形状为圆形，直径为1mm。
在本实施例中，孔状结构沿光缆轴向以50mm的间距排布在多孔增敏弹性护套3结构表面。
参阅图4，在本实施例中，孔状结构在多孔增敏弹性护3展开的平面布置形式为斜列式。如图5、6、7所示，孔状结构在多孔增敏弹性护3展开的平面布置形式还可以选择矩形、三角形或梅花形，当然，选择其它形状排列或者不规则排列也是可以的。
在一些实施例中，编织网结构5为金属丝编织方孔网。金属丝编织方孔网可增强传感光缆的机械强度，以此在保证灵敏度的同时，克服多孔增敏弹性护套结构机械强度低的问题。金属丝编织方孔网是按照航空标准HB1862-93和国家标准GB5330-85标准，并等效采用国际标准ISO9044-90标准组织生产，其编织结构形式有平纹和斜纹两种。工业用金属丝按Q/90183-2002标准拔制而成，其丝网材质选用优质黄铜、锡青铜、不锈钢、纯镍等。金属丝编织方孔网的网孔基本尺寸为0.3～1mm。
在本实施例中，具体为平纹不锈钢金属丝编织方孔网5，网孔基本尺寸为0.4mm。
金属丝网编织方孔网隔离较大粒径土颗粒，可以防止土颗粒堵塞小孔或进入光缆内部，保持多孔增敏弹性护套结构3内部畅通，保证外界振动沿护套内壁传播，使其更适合埋设在土体中进行长时间的气体管道泄漏监测。同时金属丝网编织方孔网具有良好的振动传递特性，可保持传感光缆良好的声压灵敏度。
编织网结构5还可以选择由高分子聚合物制作而成。
在一些实施例中，编织网结构5为1～3层，具体根据使用条件确定。编织网结构5的编织密度为60%～90%，具体根据使用条件确定。编织网结构5的厚度为1mm～3mm，具体根据使用条件确定。
在本实施例中，编织网结构5为单层结构，厚度为2mm，编织密度为80%。
在本实施例中，多孔增敏弹性护套结构3外表面镀有金属增敏层4。
金属增敏层4由铝或铜构成。金属增敏层4提升传感光缆的声压灵敏度，同时增强弹性增敏结构的导热性能，进一步提高传感光缆的温度灵敏度。
参阅图8，在本实施例中，普通传感光缆和一种用于气体管道泄漏监测的传感光缆在不同传感道的频谱振幅分布有显著区别。普通传感光缆在泄漏点所在第六传感道的频谱振幅均值有变化，其它传感道的频谱振幅均值保持在背景噪音水平，泄漏信号影响范围为1个传感道。本发明传感光缆在第六传感道的频谱均值有明显变化，且变化量远大于普通传感光缆。本发明传感光缆各传感道的频谱均值沿泄漏点两侧逐步衰减至背景噪音水平，泄漏信号影响范围为5个传感道。因此，本发明传感光缆具有传感灵敏度显著提高的优点。
如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明的验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于气体管道泄漏监测的传感光缆，其特征在于，包括应变传感光纤、温度传感光纤和多孔增敏弹性护套结构；所述应变传感光纤和温度传感光纤在所述多孔增敏弹性护套结构内部处于自由状态；所述多孔增敏弹性护套结构表面分布有若干通孔。
2.根据权利要求1所述的用于气体管道泄漏监测的传感光缆，其特征在于，所述多孔增敏弹性护套结构外表面镀有金属增敏层。
3.根据权利要求2所述的用于气体管道泄漏监测的传感光缆，其特征在于，所述金属增敏层由铝或铜构成。
4.根据权利要求1所述的用于气体管道泄漏监测的传感光缆，其特征在于，所述若干通孔按一定规则排布，在多孔增敏弹性护套展开为平面时，所述若干通孔排布形式为斜列形、矩形、等边三角形或梅花形中的一种。
5.根据权利要求1所述的用于气体管道泄漏监测的传感光缆，其特征在于，所述用于气体管道泄漏监测的传感光缆外表面设有编织网结构。
6.根据权利要求5所述的用于气体管道泄漏监测的传感光缆，其特征在于，所述编织网结构采用金属或者高分子聚合物制作而成。
7.根据权利要求1所述的用于气体管道泄漏监测的传感光缆，其特征在于，所述多孔增敏弹性护套结构为空心柱体结构，包括弹性支撑层和空气层。
8.根据权利要求1所述的用于气体管道泄漏监测的传感光缆，其特征在于，所述多孔增敏弹性护套结构内径为2mm～20mm。
9.根据权利要求1所述的用于气体管道泄漏监测的传感光缆，其特征在于，所述通孔为圆形、椭圆或矩形中的一种；所述通孔为圆形时，直径为100μm～20mm；所述通孔为椭圆形时，长轴长度为100μm～20mm；所述通孔为矩形时，长边长度为100μm～20mm。
10.根据权利要求1所述的用于气体管道泄漏监测的传感光缆，其特征在于，所述若干通孔沿所述应变传感光纤轴向以1mm～100mm的间距排布在多孔增敏弹性护套结构表面。
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