CN205209700U - 一种管道全光纤分布式测温监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种管道全光纤分布式测温监控系统，包括分布式光纤拉曼温度传感子系统、报警子系统以及定位显示子系统；该系统是基于光纤拉曼分布式温度传感技术、管道泄漏监控报警技术、GIS地理信息系统开发技术的联合开发应用，传感光纤沿管道进行铺设，当管道发生泄漏事件时，将引起泄漏点周界温度变化，通过传感光纤可对异常温度进行实时探测和准确定位，利用GPS定位完成管道位置与传感光纤的准确标定，最终利用二次开发的GIS地理信息系统完成管道监测的图形化展示，该系统的实施可实现管道泄漏事件的分布式连续监测，具有检测距离长、响应速度快、定位精度高、本征安全、不受电磁干扰、系统维护方便、性价比较高等优良特性。

Description

一种管道全光纤分布式测温监控系统

技术领域

本实用新型涉及管道泄漏监控技术领域，具体涉及一种基于光纤拉曼散射原理的管道全光纤分布式测温监控系统。

背景技术

随着国民经济的发展,能源需求量的增加,油气管道运输作为一种安全、经济的运输方式得到了更广泛的应用。作为管道运行监控重要组成部分的管道安全检测技术一直受到各国科技工作者的重视。管道泄漏是影响管道安全运行的最大问题,目前已有多种管道安全检测方式和技术应用于管道的检测和维护,由于管道安全检测技术是多领域多学科知识的综合,各种管道检测方式和技术差别较大。目前主要的管道泄漏检测技术主要有巡线观察法、空气采样法、电缆检漏法、放射物检测法、红外辐射检测法、声学检测法等。巡线观察法利用管道巡线工人或经过训练的动物沿管线巡查，通过看、闻、听或其他方式进行管道泄漏判断，其检测速度慢，无法进行连续检测，主要依赖于巡检者经验；空气采样法通过对管道泄漏的挥发性气体浓度进行检测，该技术无法实现连续监测，检测仪器昂贵，方法实施具有一定局限性；电缆检漏法将电缆与管道平行铺设，当管道泄漏的介质与电缆接触时，将引起电缆特性变化，该方法安全性低，其维修和维护费用高，工作量较大；放射物检测法通过向管道内添加放射性标记物，当管道泄漏时通过检测放射性标记物，可实现管道泄漏检测，该方法对管道内传输介质成分有一定影响；红外辐射检测法基于红外辐射原理，可采用机载红外摄像头沿管道上空进行巡检，同时采用卫星定位系统进行时间定位，该方法成本较高，极易受气候和环境影响，实施时需考虑设备安全性；声学检测法可分为超声波检测法和次声波检测法，沿管壁放置声波发射和接收装置，管道泄漏时将产生缺陷波，通过相关性可实现泄漏位置判别，该检测方法对管道传输介质非常敏感，不适用于输气或介质包含气体的应用环境。

目前，大都采用分布式光纤测温技术对管道泄漏进行实时探测和定位。中国专利文献中，公开号CN104613321A、名称是一种基于分布式光纤测温的核电厂管道泄漏探测装置及方法(参见该申请说明书具体实施方式部分)，公开了一种基于分布式光纤测温的核电厂管道泄漏探测装置，该装置包括探测传感器单元、信号收发处理单元、数据分析报警单元，探测传感单元通过信号收发处理单元与数据分析报警单元连接，且信号收发处理单元包括激光驱动装置、波分复用器、光电检测器、信号处理器，但是，该现有技术中缺少恒温盒，无法为测温装置提供温度标定的参考温度，无法实现准确测温，而且该现有技术只能够对所测温度处的位置进行定位，并不能实现管道泄漏的图形化展示，从而无法形象直观的进行管道监测。

因此，为了解决现有技术中存在的问题，研究一种集传输与传感于一体，测量精度高、响应速度快、能够实现管道泄漏事件的图形化展示的管道全光纤分布式测温监控系统已经成为一项重要任务。

实用新型内容

本实用新型提出了一种管道全光纤分布式测温监控系统，利用管道泄漏后的温度变化实现泄漏事件的准确判别与泄漏点的精准定位，具有测量精度高、响应速度快、抗电磁干扰、本征安全、可实现连续分布式测量以及管道泄漏事件的图形化展示，克服了现有管道泄漏检测技术的不足。

本实用新型的技术方案为：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种管道全光纤分布式测温监控系统，包括分布式光纤拉曼温度传感子系统、与分布式光纤拉曼温度传感子系统相连的报警子系统，所述系统还包括与分布式光纤拉曼温度传感子系统相连的定位显示子系统；

所述报警子系统包括与分布式光纤拉曼温度传感子系统相连的继电器、以及与继电器分别相连的蜂鸣器和报警指示灯；

所述定位显示子系统包括与分布式光纤拉曼温度传感子系统相连且内部配置有GIS地理信息系统的远端服务器以及用于实现管道位置与传感光纤距离标定的GPS移动终端，所述GIS地理信息系统用于实现管道监测的图形化显示。

与现有技术相比，本实用新型基于光纤拉曼分布式温度传感技术、管道泄漏监控技术、GIS地理信息系统开发技术的联合开发应用，将传感光纤沿管道进行铺设，当管道发生泄漏事件时，将引起泄漏点周界温度变化，通过传感光纤对异常温度进行实时探测和准确定位，利用GPS移动终端完成管道位置与传感光纤的准确标定，最终利用二次开发的GIS地理信息系统完成管道监测的图形化展示；该系统利用拉曼散射原理实现对光纤沿线的温度测量，利用光时域反射技术实现对温度信息的定位，并利用专业GIS地理信息系统工具软件或其提供的组件来实现GIS地理信息系统的基本功能，同时采用可视化程序开发语言，进行二者的集成开发，最终实现管道泄漏的图形化界面监控，其中，可视化程序开发语言不局限于Java、VisualC++。同时，本实用新型基于自发拉曼散射原理，实现对光纤及管道沿线区域温度的测量，光纤既作为温度信息的传感介质，又作为温度信息的传输介质，当管道发生泄漏时，运用光时域反射技术能精确确定温度异常的位置。

脉冲光源发出的光脉冲进入光纤后，光纤中的光学光子和光学声子发生非弹性碰撞，产生对温度敏感的拉曼散射，在非弹性碰撞过程中，由光脉冲释放一个高频声子形成的光分量称为斯托克斯光，由光脉冲吸收一个高频声子后形成的光分量称为反斯托克斯光，反斯托克斯光对温度敏感，其强度受温度调制，而斯托克斯光的光强受温度影响极小，因此，把反斯托克斯光作为信号光，斯托克斯光作为参考光，通过两者光强的比值解调出传感区域的温度信息。当光脉冲在光纤内传输时，其中一部分的散射光和反射光将经过同样的路径延时返回到入射端，光时域反射技术根据入射信号与其返回信号的时间差τ，利用L＝cτ/2n计算管道泄漏事件点与光时域反射设备的距离L，从而确定管道泄漏事件发生的具体位置，其中，c是光在真空中的传播速度，n为光纤纤芯的有效折射率。

所述分布式光纤拉曼温度传感子系统包括依次连接的脉冲光源、双向耦合器、恒温盒、传感光纤、与双向耦合器相连的波分复用器、与波分复用器相连的双通道雪崩光电二极管、与双通道雪崩光电二极管分别相连的放大器、与放大器相连的数据采集卡、与数据采集卡相连的计算机以及与恒温盒连接的TEC温度控制电路。

所述传感光纤为层绞松套管结构的单模或多模光纤。

所述继电器为电磁继电器，通过RS232接口与计算机相连，用于通过接收计算机发送的命令控制蜂鸣器和报警指示灯。

所述远端服务器通过RJ45通信接口与计算机相连，用于实时温度数据及历史数据显示、存储、管理与查询，并为GIS地理信息系统提供运行环境。

所述数据采集卡采用高速外触发式数据采集卡，通过同轴电缆与脉冲光源相连。

所述脉冲光源包括带尾纤的InGaAsp高脉冲半导体激光器以及与激光器相连的激光驱动电路，激光驱动电路接到数据采集卡发来的同步脉冲后就开始驱动激光器工作，激光器用来发出光脉冲，激光器的功率可调，发出的光脉冲的频率可调，发出的光脉冲的宽度也可调；所述脉冲光源的中心波长为1550nm，3dB谱宽小于1nm。

所述波分复用器采用3级级联的3个波长窄带通滤波片构成的1*3拉曼散射波分复用器，用于分离传感光纤返回的后向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光，斯托克斯光和反斯托克斯光的波长分别为1450nm和1663nm。

所述报警指示灯包括温升报警指示灯、温差报警指示灯、高温报警指示灯和故障报警指示灯。

所述恒温盒内部封装有20-100m的普通单模或多模裸纤以及用于对普通单模或多模裸纤进行恒温控制的TEC温度控制芯片；恒温盒用于提供温度标定的参考温度，TEC温度控制电路用于驱动恒温盒内的TEC温度控制芯片，以维持恒温盒内温度的恒定。

本实用新型的技术效果为：

本实用新型提供了一种管道全光纤分布式测温监控系统，基于光纤拉曼分布式温度传感技术、管道泄漏监控技术、GIS地理信息系统开发技术的联合开发应用，将传感光纤沿管道进行铺设，当管道发生泄漏事件时，将引起泄漏点周界温度变化，通过传感光纤对异常温度进行实时探测和准确定位，利用GPS移动终端完成管道位置与传感光纤的准确标定，最终利用二次开发的GIS地理信息系统完成管道监测的图形化展示；该系统分布式测温光纤使用寿命长、本征安全、维护成本低，且不受各种电磁干扰、保证了测温系统的稳定性，且测量精度高，误报率低，可实现智能化监控，系统布放后，人力投入少；响应速度快，监测距离长，可实现实时连续分布式测量；该系统配置有多种通信接口，可实现本地声光报警，同时可与远端集中控制系统实现实时数据交换，配合GPS和GIS地理信息系统实现管道泄漏事件的图形化展示，界面友好，使得系统操作更加简单、明了。

附图说明

图1为本实用新型管道全光纤分布式测温监控系统结构示意图。

图2为本实用新型管道全光纤分布式测温监控系统执行流程图。

图3为本实用新型GPS移动终端管道坐标测量示意图。

图4为管道长度与光纤长度标定示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本实用新型的具体实施方式：

如图1-图2所示，本实用新型提供了一种管道全光纤分布式测温监控系统，包括分布式光纤拉曼温度传感子系统、与分布式光纤拉曼温度传感子系统相连的报警子系统，所述系统还包括与分布式光纤拉曼温度传感子系统相连的定位显示子系统；所述报警子系统包括与分布式光纤拉曼温度传感子系统相连的继电器、以及与继电器分别相连的蜂鸣器和报警指示灯；所述定位显示子系统包括与分布式光纤拉曼温度传感子系统相连且内部配置有GIS地理信息系统的远端服务器以及用于实现管道位置与传感光纤距离标定的GPS移动终端，所述GIS地理信息系统用于实现管道监测的图形化显示。所述分布式光纤拉曼温度传感子系统包括依次连接的脉冲光源、双向耦合器、恒温盒、传感光纤、与双向耦合器相连的波分复用器、与波分复用器相连的双通道雪崩光电二极管、与双通道雪崩光电二极管分别相连的放大器、与放大器相连的数据采集卡、与数据采集卡相连的计算机以及与恒温盒连接的TEC温度控制电路。所述传感光纤为层绞松套管结构的单模或多模光纤，沿管道进行铺设；所述脉冲光源包括带尾纤的InGaAsp高脉冲半导体激光器以及与激光器相连的激光驱动电路，激光驱动电路接到数据采集卡发来的同步脉冲后就开始驱动激光器工作，激光器用来发出光脉冲，脉冲光源的中心波长为1550nm，3dB谱宽小于1nm，激光器的功率可调，发出的光脉冲的频率可调，发出的光脉冲的宽度也可调；恒温盒用于提供系统温度标定的参考温度；所述波分复用器采用3级级联的3个波长窄带通滤波片构成的1*3拉曼散射波分复用器，用于分离传感光纤返回的后向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光，斯托克斯光和反斯托克斯光的波长分别为1450nm和1663nm；恒温盒用于提供温度标定的参考温度，TEC温度控制电路用于驱动恒温盒内的TEC温度控制芯片，以维持恒温盒内温度的恒定；雪崩光电二极管用于将接收到的光信号转换成电信号，雪崩光电二极管APD是在高反向雪崩偏压附近工作的具有内部倍增放大作用的光电转换器件，雪崩光电二极管APD的平均雪崩增益M的定义如下：

$M=\frac{1}{1-{(v/v_B)}^n}---\left(1\right)$

其中，n是常数，与APD的材料和工作波长等有关，一般取1-3；υ为APD上所加的反向偏置电压；υ_B为APD的击穿电压；应用中，最佳工作电压不宜超过υ_B，否则会不稳定进入击穿，也不宜太小，否则会无雪崩倍增效应；放大器将光电转换后的电信号进行放大，由于经APD增益后的信号仍然非常微弱，需采用宽频放大器对信号进一步放大，再放大信号的同时，噪声也进行了放大，因此需选用噪声系数较低的放大器，此外，还需考虑放大器的增益、频率的特性、动态范围、信号源阻抗等要求；数据采集卡为高速外触发式数据采集卡，可实现对放大器放大后的模拟信号进行高速采集、A/D转换、累加平均等操作，数据采集卡采集速度、脉冲光源的脉冲宽度和重复频率决定了系统的空间分辨率，数据采集卡位数决定了最终测温精度，数据采集卡将A/D转换后的数字信号交予计算机进行相关数值运算和数字信号处理，从而完成系统温度标定以及温度信息的解调；累加平均分为硬件累加平均和软件累加平均，目的均为提高信号信噪比，将淹没于噪声中的有用信号提取出来，硬件累加平均以DSP数字信号处理器为核心，在A/D转换器和DSP数字信号处理器之间加入FIFO进行数据缓冲，由CPLD控制A/D转换器向FIFO的数据写入；软件累加平均将多次采集的原始数据在系统响应时间允许范围内进行累加平均；累加平均之后的信号再进行小波去噪，小波去噪首先进行信号小波分解，选择一个DB4小波并确定分解层数N，然后对信号进行N层小波分解，然后对小波分解系数的阈值量化，最后对信号进行小波重构，根据最高层的低频小波分解系数和经过阈值量化处理的各分解层的高频小波系数，进行小波重构；对数据采集卡采集到的原始信号进行去噪后，再基于光纤拉曼散射原理进行系统温度标定，系统温度标定公式为：

$\frac{1}{T}=\frac{1}{T_0}-\frac{k}{h\mathrm{\Δ}f}ln\[R\left(T\right)-R\left(T_0\right)\]---\left(2\right)$

其中，T为待测温度，T₀为恒温盒实际温度，h为普朗克常量，h＝6.626×10^-34J·s，Δf为拉曼频移，Δf＝1.32×10¹³Hz，k为波尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23J·K^-1，R(T)为传感光纤反斯托克斯与斯托克斯光信号比值，R(T₀)为恒温盒内光纤反斯托克斯与斯托克斯光信号比值。经计算机完成系统温度标定以及温度解调后，形成报警事件判别以触发继电器闭合，进一步控制蜂鸣器、温升报警指示灯、温差报警指示灯、高温报警指示灯以及故障报警指示灯；所述继电器为电磁继电器，通过RS232接口与计算机相连，用于通过接收计算机发送的命令控制蜂鸣器和报警指示灯，计算机通过对管道泄漏事件的判别触发继电器控制蜂鸣器和报警指示灯进行本地声光报警；计算机通过RJ45通信接口与远端服务器连接，计算机只对当天温度数据进行本地存储，以减小本地计算机工作负荷，温度信息实时通过网络传输交由远端服务器进行保存形成历史数据库，GPS定位采用绝对定位方式完成管道位置信息的标定，根据传感光纤的实际长度，完成管道距离与光纤长度的准确校正，再利用开放性的GIS地理信息系统对管道泄漏监测形成友好的图形化展示。

光时域反射(OTDR)技术是根据入射信号与其返回信号的时间差τ，利用L＝cτ/2n计算事件点与光时域反射设备的距离L，从而确定事件发生的具体位置，其中，c是光在真空中的传播速度，n为光纤纤芯的有效折射率。

GPS定位采用绝对定位方式，以GPS卫星和GPS移动终端天线之间的距离或距离差观测量为基础，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定GPS移动终端天线所对应的点位，即观测站的位置。

如图3所示，设时刻t_i在测站点P用GPS移动终端同时测得P点至四颗GPS卫星S1、S2、S3、S4的距离ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ₄，通过GPS电文解译出四颗GPS卫星的三维坐标(X^j,Y^j,Z^j),j＝1,2,3,4，用距离交会的方法求解P点的三维坐标(X,Y,Z)的观测方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_1^2={(X-X^1)}^2+{(Y-Y^1)}^2+{(Z-Z^1)}^2+c\mathrm{\δ}t\\ {\mathrm{\ρ}}_2^2={(X-X^2)}^2+{(Y-Y^2)}^2+{(Z-Z^2)}^2+c\mathrm{\δ}t\\ {\mathrm{\ρ}}_3^2={(X-X^3)}^2+{(Y-Y^3)}^2+{(Z-Z^3)}^2+c\mathrm{\δ}t\\ {\mathrm{\ρ}}_4^2={(X-X^4)}^2+{(Y-Y^4)}^2+{(Z-Z^4)}^2+c\mathrm{\δ}t\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，c为光在真空中的传播速度，δt为接收机钟差。

由于传感光纤在实际铺设过程中长度会大于管道的实际长度，为避免管道长度与传感光纤长度不同引起的预警或报警位置不准确问题，通过GPS移动终端测得的多组三维坐标表数据，即WGS-84坐标系，通过GPS移动终端测得的多组三维坐标表数据计算出点与点间管道的实际长度G，同时将测得的坐标数据与GIS地理信息系统图形坐标一一对应，运用光时域反射原理测得的定位点间布设传感光纤实际距离D，然后根据定位区域间测得的管道距离G及修正系数G/D，不断对传感光纤实际距离D_x按照比例关系进行修正，可以实现管道泄漏点的精准定位。

如图4所示，以A、B两点为例，通过GPS移动终端测得A、B两点坐标分别为和同时采用模拟泄漏方法对A、B两点的传感光纤进行升温实验，通过分布式光纤拉曼温度传感系统的计算机软件测得A、B两点的距起始点的距离D_A和D_B，通过A、B两点坐标可计算出对应于A、B两点间的实际管道长度，具体实现步骤如下：

步骤1：将测得的地理坐标转换为地心坐标：

其中，r为椭球的卯酉圈曲率半径，其值为6378.137km；e为椭球的第一偏心率，其值为1/297；同样，可以获得B点的地心坐标(x_b,y_b,z_b)。

步骤2：求得两点间纬度圈和精度圈上的弧长：

对于纬度圈上的弧长，圆心角等于相邻两点经度的差值，纬度圈的半径是地球半径乘以基准点纬度值的余弦；对于经度圈上的弧长，圆心角等于相邻两点的纬度差值，经度圈的半径是地球半径，通过公式L＝2αR可计算出纬度圈和精度圈上的弧长ΔX和ΔY，其中，α和R分别为圆心角和地球半径。

步骤3：求相邻两点间距离：

将步骤2中求得的弧长近似为三角形两直角边的边长，根据勾股定理求得A、B两点间距离为 $G_{AB}=\sqrt{{\mathrm{\ΔX}}_{AB}^2+{\mathrm{\ΔY}}_{AB}^2}.$

为修正A、B两点间管道长度所对应的传感光纤长度，需确定两者间的修正系数G_AB/D_AB，当泄漏事件发生在光纤的第D_x米处时，可判定管道的第几区域(例如A-B)的第D_xG_AB/D_AB米处，从而实现管道泄漏位置的快速、准确判断。

最后利用专业GIS地理信息系统工具软件或其提供的组件来实现GIS的基本功能，同时采用可视化程序开发语言，如Java、VisualC++等作为开发平台，进行二者的集成开发，最终实现管道泄漏的图形化界面监控。

Claims (10)

1.一种管道全光纤分布式测温监控系统，包括分布式光纤拉曼温度传感子系统、与分布式光纤拉曼温度传感子系统相连的报警子系统，其特征在于：所述系统还包括与分布式光纤拉曼温度传感子系统相连的定位显示子系统；

所述报警子系统包括与分布式光纤拉曼温度传感子系统相连的继电器、以及与继电器分别相连的蜂鸣器和报警指示灯；

所述定位显示子系统包括与分布式光纤拉曼温度传感子系统相连且内部配置有GIS地理信息系统的远端服务器以及用于实现管道位置与传感光纤距离标定的GPS移动终端，所述GIS地理信息系统用于实现管道监测的图形化显示。

2.如权利要求1所述的管道全光纤分布式测温监控系统，其特征在于：所述分布式光纤拉曼温度传感子系统包括依次连接的脉冲光源、双向耦合器、恒温盒、传感光纤、与双向耦合器相连的波分复用器、与波分复用器相连的双通道雪崩光电二极管、与双通道雪崩光电二极管分别相连的放大器、与放大器相连的数据采集卡、与数据采集卡相连的计算机以及与恒温盒连接的TEC温度控制电路。

3.如权利要求2所述的管道全光纤分布式测温监控系统，其特征在于：所述传感光纤为层绞松套管结构的单模或多模光纤。

4.如权利要求2所述的管道全光纤分布式测温监控系统，其特征在于：所述继电器为电磁继电器，通过RS232接口与计算机相连，用于控制蜂鸣器和报警指示灯。

5.如权利要求2所述的管道全光纤分布式测温监控系统，其特征在于：所述远端服务器通过RJ45通信接口与计算机相连，用于实时温度数据及历史数据显示、存储、管理与查询，并为GIS地理信息系统提供运行环境。

6.如权利要求2所述的管道全光纤分布式测温监控系统，其特征在于：所述数据采集卡采用高速外触发式数据采集卡，通过同轴电缆与脉冲光源相连。

7.如权利要求6所述的管道全光纤分布式测温监控系统，其特征在于：所述脉冲光源包括带尾纤的InGaAsp高脉冲半导体激光器以及与激光器相连的激光驱动电路，所述脉冲光源的中心波长为1550nm，3dB光谱宽度小于1nm。

8.如权利要求2所述的管道全光纤分布式测温监控系统，其特征在于：所述波分复用器采用3级级联的3个波长窄带通滤波片构成的1*3拉曼散射波分复用器，用于分离传感光纤返回的后向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光。

9.如权利要求1所述的管道全光纤分布式测温监控系统，其特征在于：所述报警指示灯包括温升报警指示灯、温差报警指示灯、高温报警指示灯和故障报警指示灯。

10.如权利要求2所述的管道全光纤分布式测温监控系统，其特征在于：所述恒温盒内部封装有20-100m的普通单模或多模裸纤以及用于对普通单模或多模裸纤进行恒温控制的TEC温度控制芯片。