CN116972343A - 一种适用于管道泄漏监测的光纤传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于管道泄漏监测的光纤传感系统，包括：泵浦激光器、波分复用器、至少一个安装在管道内的光纤水听器、迈克尔逊干涉仪、光纤相位解调仪，泵浦激光器以及迈克尔逊干涉仪均与波分复用器连接，波分复用器与光纤水听器连接，光纤相位解调仪与迈克尔逊干涉仪连接。将光纤水听器的敏感区域安装在管道内，减少外部环境对监测结果的影响。通过光纤水听器对管道内次声波信号的监测，实现对长距离管道的实时泄漏情况进行监测。灵敏度高、安装施工简单、不易受外部环境干扰，实现对水声的实时高精度的检测。
Description
技术领域
本发明涉及油气管道泄漏监测技术领域，尤其涉及一种适用于管道泄漏监测的光纤传感系统。
背景技术
油气管道运输拥有安全可靠、消耗小和成本低等优点，使其成为世界上应用最广的油气运输手段，同时也是油气运输的主要手段。随着管道油气运输行业的发展，管道的安全性也逐渐成为全民关注的问题。管道泄漏事故一旦发生，会造成巨大经济损失，污染当地生态环境。泄漏地点如果发生在居民区，有可能造成人员伤亡。
现有的管道泄漏监测技术主要采用压力、流量、温度等传感器进行监测。专利名称一种适用于长距离海管泄漏监测的传感器CN112944222A的专利，公开了一种基于干涉式光纤振动传感器的管道泄漏监测传感器。该传感系统在管道上隔一段距离安装一个光纤振动传感器，通过监测管道的振动信号实现对管道泄漏的监测。利用干涉式光纤传感器便于成阵的优点实现长距离的海管泄漏监测。专利名称一种次声波管道泄漏监测装置CN115507312A的专利，公开了一种利用电子次声波检测器监测管道的泄漏装置。该装置通过上下夹板的铰接将次声波检测器夹紧固定在被测管道上，提升装置对不同规格油气管道的连接夹持效果，增加次声波检测器和被测管道的耦合效果。现有传感器的灵敏度和精度有限，为实现管道的全面监测，需要每隔一段距离安装一个传感器，安装和施工较为复杂。传感器安装在管道表面，容易受周围环境的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种适用于管道泄漏监测的光纤传感系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种适用于管道泄漏监测的光纤传感系统，包括：泵浦激光器、波分复用器、至少一个安装在管道内的光纤水听器、迈克尔逊干涉仪、光纤相位解调仪，所述泵浦激光器以及所述迈克尔逊干涉仪均与所述波分复用器连接，所述波分复用器与所述光纤水听器连接，所述光纤相位解调仪与所述迈克尔逊干涉仪连接。
采用本发明技术方案的有益效果是：当管道发生损坏或破坏发生泄漏时，泄漏处附近会产生相应的次声波信号。次声波信号会引起装在管道内部的光纤水听器的波长发生变化，经迈克尔逊干涉仪后将波长变化转换为相位变化，相位的变化量由光纤相位解调仪解调得出。将光纤水听器的敏感区域安装在管道内，减少外部环境对监测结果的影响。通过光纤水听器对管道内次声波信号的监测，实现对长距离管道的实时泄漏情况进行监测。灵敏度高、安装施工简单、不易受外部环境干扰，实现对水声的实时高精度的检测。
进一步地，还包括：场站、多个管道根部阀组、第一阀室、油气管道以及第二阀室，所述场站与所述第一阀室和所述第一阀室与所述第二阀室之间分别通过油气管道连接，多个所述管道根部阀组安装在油气管道上，光纤水听器有多个，多个所述光纤水听器安装在场站、第一阀室以及第二阀室管道内的进口端和出口端。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：光纤水听器灵敏度高，只需在管道场站或阀室的进出端管道安装光纤水听器，无需将整个管道安装上传感器，安装相对简单，施工成本相对较低。
进一步地，多个所述光纤水听器一一对应安装在多个所述管道根部阀组中。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：光纤水听器灵敏度高，只需在管道场站或阀室的进出端管道安装光纤水听器，无需将整个管道安装上传感器，安装相对简单，施工成本相对较低。
进一步地，所述波分复用器与所述光纤水听器、所述泵浦激光器与所述波分复用器和所述迈克尔逊干涉仪与所述光纤相位解调仪均通过光纤连接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：便于各个部件之间的信号传输，提高传输效率。
进一步地，所述光纤为单模玻璃光纤。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，单模光纤的传输损耗、传输色散都比较小。传输损耗小可以使得信号在光纤中传输的距离更远一些，传输色散小有利于高速大容量的数据的传输。
进一步地，所述波分复用器通过光纤耦合器与多个所述光纤水听器连接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：光纤耦合器使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去。
进一步地，所述光纤耦合器为1*2耦合器。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：光纤耦合器使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去。
进一步地，所述迈克尔逊干涉仪通过隔离器与所述波分复用器连接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：隔离器将输入信号进行转换输出。输入、输出和工作电源三者相互隔离，保持光源谱纯度。
进一步地，所述光纤相位解调仪连接有5G终端设备。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过5G联网技术将各个位置的光纤水听器数据统一上传至服务器，方便进行大数据处理。
进一步地，所述光纤水听器为分布反馈式光纤水听器。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：分布反馈式光纤水听器将水下声信号转换为电信号。灵敏度高，分布反馈式光纤水听器只需在管道场站或阀室的进出端管道安装光纤水听器，无需将整个管道安装上传感器，安装相对简单，施工成本相对较低。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例提供的适用于管道泄漏监测的光纤传感系统的结构示意图之一。
图2为本发明实施例提供的适用于管道泄漏监测的光纤传感系统的结构示意图之二。
附图标号说明：1、场站；2、管道根部阀组；3、第一阀室；4、油气管道；5、第二阀室；6、泵浦激光器；7、波分复用器；8、光纤；9、光纤耦合器；10、光纤水听器；11、隔离器；12、迈克尔逊干涉仪；13、光纤相位解调仪；14、5G终端设备。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种适用于管道泄漏监测的光纤传感系统，包括：泵浦激光器6、波分复用器7、至少一个安装在管道内的光纤水听器10、迈克尔逊干涉仪12、光纤相位解调仪13，所述泵浦激光器6以及所述迈克尔逊干涉仪12均与所述波分复用器7连接，所述波分复用器7与所述光纤水听器10连接，所述光纤相位解调仪13与所述迈克尔逊干涉仪12连接。
采用本发明技术方案的有益效果是：当管道发生损坏或破坏发生泄漏时，泄漏处附近会产生相应的次声波信号。次声波信号会引起装在管道内部的光纤水听器的波长发生变化，经迈克尔逊干涉仪后将波长变化转换为相位变化，相位的变化量由光纤相位解调仪解调得出。将光纤水听器的敏感区域安装在管道内，减少外部环境对监测结果的影响。通过光纤水听器对管道内次声波信号的监测，实现对长距离管道的实时泄漏情况进行监测。灵敏度高、安装施工简单、不易受外部环境干扰，实现对水声的实时高精度的检测。
其中，管道可以为油气管道4。
本发明实施例提供的适用于管道泄漏监测的光纤传感系统，可以为基于分布反馈光纤激光器(DFB-FL，Distributed feedback fiber laser，光纤水听器)的光纤水听器的管道泄漏监测系统，采用单频、低噪声、窄线宽的DFB-FL(Distributed feedback fiberlaser，光纤水听器10)作为敏感器件，通过干涉式解调，实现对水声的实时高精度的检测。将高精度、高灵敏度的光纤DFB水听器(Distributed feedback fiber laser，光纤水听器10)安装在场站和阀室管道内的进口端和出口端，通过对管道内次声波信号的监测，实现对长距离管道的实时泄漏情况进行监测。一旦发现泄漏情况，会自动触发报警系统，提醒相关人员及时进行处理。在管网各个场站或阀室安装1套光纤声波监测系统(适用于管道泄漏监测的光纤传感系统)，每个场站或阀室的进出站的管道根部阀组2上各安装1个安装光纤DFB水听器(光纤水听器10)，当管道发生损坏或破坏发生泄漏时，泄漏处附近会产生相应的次声波信号。次声波信号会引起装在管道内部的光纤DFB水听器(光纤水听器10)的波长发生变化，经迈克尔逊干涉仪12后将波长变化转换为相位变化，相位的变化量由光纤相位解调仪13解调得出。解调出的相位变化量数据通过5G终端设备14联网上传至数据服务中心进行数据处理。通过光纤DFB水听器(光纤水听器10)监测油气管道内部的次声波变化，实现对管道泄漏状况的实时监测。
如图1和图2所示，进一步地，还包括：场站1、多个管道根部阀组2、第一阀室3、油气管道4以及第二阀室5，所述场站1与所述第一阀室3和所述第一阀室3与所述第二阀室5之间分别通过油气管道4连接，多个所述管道根部阀组2安装在油气管道4上，光纤水听器10有多个，多个所述光纤水听器10安装在场站1、第一阀室3以及第二阀室5管道内的进口端和出口端。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：光纤水听器灵敏度高，只需在管道场站或阀室的进出端管道安装光纤水听器，无需将整个管道安装上传感器，安装相对简单，施工成本相对较低。
如图1和图2所示，进一步地，多个所述光纤水听器10一一对应安装在多个所述管道根部阀组2中。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：光纤水听器灵敏度高，只需在管道场站或阀室的进出端管道安装光纤水听器，无需将整个管道安装上传感器，安装相对简单，施工成本相对较低。
如图1和图2所示，进一步地，所述波分复用器7与所述光纤水听器10、所述泵浦激光器6与所述波分复用器7和所述迈克尔逊干涉仪12与所述光纤相位解调仪13均通过光纤8连接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：便于各个部件之间的信号传输，提高传输效率。
如图1和图2所示，进一步地，所述光纤8为单模玻璃光纤。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，单模光纤的传输损耗、传输色散都比较小。传输损耗小可以使得信号在光纤中传输的距离更远一些，传输色散小有利于高速大容量的数据的传输。
如图1和图2所示，进一步地，所述波分复用器7通过光纤耦合器9与多个所述光纤水听器10连接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：光纤耦合器使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去。
如图1和图2所示，进一步地，所述光纤耦合器9为1*2耦合器。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：光纤耦合器使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去。
如图1和图2所示，进一步地，所述迈克尔逊干涉仪12通过隔离器11与所述波分复用器7连接。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：隔离器将输入信号进行转换输出。输入、输出和工作电源三者相互隔离，保持光源谱纯度。
如图1和图2所示，进一步地，所述光纤相位解调仪13连接有5G终端设备14。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过5G联网技术将各个位置的光纤水听器数据统一上传至服务器，方便进行大数据处理。
进一步地，所述光纤水听器10为分布反馈式光纤水听器。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：分布反馈式光纤水听器将水下声信号转换为电信号。灵敏度高，分布反馈式光纤水听器只需在管道场站或阀室的进出端管道安装光纤水听器，无需将整个管道安装上传感器，安装相对简单，施工成本相对较低。
波分复用器用于将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输，在接收端再用某种方法，将各个不同波长的光信号分开。
单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，在100Mbps的以太网以至1G千兆网，单模光纤都可支持超过5000m的传输距离。单模光纤的传输损耗、传输色散都比较小。传输损耗小可以使得信号在光纤中传输的距离更远一些，传输色散小有利于高速大容量的数据的传输。
光纤耦合器(Coupler)又称分歧器(Splitter)、连接器、适配器、光纤法兰盘，用于实现光信号分路/合路，或用于延长光纤链路。使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去。
水听器(光纤水听器10)又称水下传声器(hydrophone)，把水下声信号转换为电信号。
隔离器采用线性光耦隔离原理，将输入信号进行转换输出。输入、输出和工作电源三者相互隔离，保持光源谱纯度。
迈克尔逊干涉仪利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。
相位调制器用于使光的相位按一定规律变化。
1、采用光纤DFB水听器(光纤水听器10)作为传感器，监测管道内部次声波的变化实现对管道泄漏状况的监测，将光纤水听器的敏感区域安装在管道内，减少外部环境对监测结果的影响，实现较长距离的实时监测。
2、光纤DFB水听器(光纤水听器10)灵敏度高，只需在管道场站或阀室的进出端管道安装传感器(光纤水听器10)，无需将整个管道安装上传感器，安装相对简单，施工成本相对较低。
3、通过5G联网技术将各个位置的传感器(光纤水听器10)数据统一上传至服务器，方便进行大数据处理。
光纤DFB水听器(光纤水听器10)安装在场站或阀室进出场端的管道根部阀组2上。泵浦激光器6通过光纤与波分复用器7相连，波分复用器7的另两端分别通过光纤与光纤耦合器9和隔离器11相连，光纤耦合器9的另外两端通过光纤分别与光纤DFB水听器(光纤水听器10)相连。隔离器11的另一端通过光纤连接至迈克尔逊干涉仪12，迈克尔逊干涉仪12通过光纤连接至光纤相位解调仪13，光纤相位解调仪13将解调数据通过电线发送至5G终端设备14。
泵浦激光器6发出的泵浦光源经波分复用器7(WDM，Wavelength DivisionMultiplexing，波分复用)和光纤到达光纤耦合器9，将泵浦光源分成2束分别到达光纤DFB水听器(光纤水听器10)。光纤DFB水听器(光纤水听器10)会反射特定波长的光，当管道发生泄漏时会产生次声波信号，次声波信号会引起光纤DFB水听器(光纤水听器10)内DFB波长发生变化。反射光经光纤耦合器9(可以为1*2耦合器)、光纤8(可以为单模玻璃光纤)、波分复用器7、隔离器11进入迈克尔逊干涉仪12，迈克尔逊干涉仪12将光纤DFB水听器(光纤水听器10)的波长变化转换为相位变化。从迈克尔逊干涉仪12出来的光进入光纤相位解调仪13进行相位解调，解调后的结果通过5G终端设备14发送至服务器端进行数据处理。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种适用于管道泄漏监测的光纤传感系统，其特征在于，包括：泵浦激光器(6)、波分复用器(7)、至少一个安装在管道内的光纤水听器(10)、迈克尔逊干涉仪(12)、光纤相位解调仪(13)，所述泵浦激光器(6)以及所述迈克尔逊干涉仪(12)均与所述波分复用器(7)连接，所述波分复用器(7)与所述光纤水听器(10)连接，所述光纤相位解调仪(13)与所述迈克尔逊干涉仪(12)连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于管道泄漏监测的光纤传感系统，其特征在于，还包括：场站(1)、多个管道根部阀组(2)、第一阀室(3)、油气管道(4)以及第二阀室(5)，所述场站(1)与所述第一阀室(3)和所述第一阀室(3)与所述第二阀室(5)之间分别通过油气管道(4)连接，多个所述管道根部阀组(2)安装在油气管道(4)上，光纤水听器(10)有多个，多个所述光纤水听器(10)安装在场站(1)、第一阀室(3)以及第二阀室(5)管道内的进口端和出口端。
3.根据权利要求2所述的一种适用于管道泄漏监测的光纤传感系统，其特征在于，多个所述光纤水听器(10)一一对应安装在多个所述管道根部阀组(2)中。
4.根据权利要求1所述的一种适用于管道泄漏监测的光纤传感系统，其特征在于，所述波分复用器(7)与所述光纤水听器(10)、所述泵浦激光器(6)与所述波分复用器(7)和所述迈克尔逊干涉仪(12)与所述光纤相位解调仪(13)均通过光纤(8)连接。
5.根据权利要求4所述的一种适用于管道泄漏监测的光纤传感系统，其特征在于，所述光纤(8)为单模玻璃光纤。
6.根据权利要求1所述的一种适用于管道泄漏监测的光纤传感系统，其特征在于，所述波分复用器(7)通过光纤耦合器(9)与多个所述光纤水听器(10)连接。
7.根据权利要求6所述的一种适用于管道泄漏监测的光纤传感系统，其特征在于，所述光纤耦合器(9)为1*2耦合器。
8.根据权利要求1所述的一种适用于管道泄漏监测的光纤传感系统，其特征在于，所述迈克尔逊干涉仪(12)通过隔离器(11)与所述波分复用器(7)连接。
9.根据权利要求1所述的一种适用于管道泄漏监测的光纤传感系统，其特征在于，所述光纤相位解调仪(13)连接有5G终端设备(14)。
10.根据权利要求1所述的一种适用于管道泄漏监测的光纤传感系统，其特征在于，所述光纤水听器为分布反馈式光纤水听器。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117307988A (zh) * | 2023-11-30 | 2023-12-29 | 山东省科学院激光研究所 | 一种用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器及系统 |
| CN117307989A (zh) * | 2023-11-30 | 2023-12-29 | 山东省科学院激光研究所 | 一种光纤管道泄漏检测系统及方法 |
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2023
- 2023-08-08 CN CN202310991330.0A patent/CN116972343A/zh active Pending
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| CN117307989B (zh) * | 2023-11-30 | 2024-03-08 | 山东省科学院激光研究所 | 一种光纤管道泄漏检测系统及方法 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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