一种具有温度补偿监测油气管道内部腐蚀的光纤传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种具有温度补偿的用于监测油气管道内部腐蚀的光纤传感器，属于结构健康监测技术领域。所述的具有温度补偿的用于监测油气管道内部腐蚀的光纤传感器包括传感单元和温度补偿单元，传感单元包括陶瓷圆盖、钢材薄筒、弹簧、刚体、刚体端面反射镜、光纤陶瓷套圈、陶瓷底盖和法珀光纤；温度补偿单元和传感单元的区别在于未设置弹簧单元。该装置基于法珀光纤干涉原理和钢筒发生腐蚀传感单元的内力与弹簧产生的力等效的原理，通过设置温度补偿单元和弹簧装置，从而实现对油气管道内部腐蚀位置和腐蚀程度的监测，保证油、气的安全运输。本发明专利技术人工成本低，操作简单，覆盖范围广，具有广阔的应用前景和推广市场。具有广阔的应用前景和推广市场。具有广阔的应用前景和推广市场。

【技术实现步骤摘要】
一种具有温度补偿监测油气管道内部腐蚀的光纤传感器


[0001]本专利技术涉及一种用于油气管道内部腐蚀监测的光纤传感器，属于结构健康监测


技术介绍

[0002]管道内部腐蚀是导致油气管道失效的主要原因之一。管道泄漏会导致环境污染，造成经济损失，存在安全隐患。因此，对管道内部进行监测预警是十分必要的。石油和天然气管道通常延伸数百公里，传统管道内部监测主要依靠定期监测，不适用长距离监测，不能及时发现管道泄漏，受电磁信号影响的传感器甚至会发生火灾和爆炸事故。考虑到油气管道输送介质多为氯化物和硫化物，要求实现实时监测，光纤传感器和普通传感器相比，具有灵敏度高、耐腐蚀、不受电磁干扰等优点，因此，宜采用光纤传感器对油气管道内部进行安全监测。
[0003]目前，对油气管道内部监测的方法根据监测技术特征可分为基于硬件的方法和基于软件的方法。基于硬件的常用方法有二极管激光吸收法、热成像法、超声波法、动压变送器法、GPR法等。基于软件的常用方法有负压波法、PPA法、互相关分析法、系统识别法、神经网络法等。其中，二极管激光吸收法在监测过程中错误报警率较高，热成像法和GPR法的监测结果受周围环境温度影响，超声波法检测方法复杂。动压变送器法、PPA法和互相关分析法对小的泄露不敏感。系统识别法响应速度较慢，神经网络法对泄漏点的定位精度低。
[0004]近年来，随着油气管道进入老化阶段，对油气管道监测技术提出了更高的要求。光纤小巧轻便、抗腐蚀、抗电磁干扰、可以实时监测、进行网络化以及数据可靠等优点，在油气管道的腐蚀监测中受到了高度重视。
[0005]因此，针对油气管道内部腐蚀监测，提供一种操作方便、人工成本低、抗干扰能力强、分辨率高、定位精准、覆盖范围广、灵敏度高响应迅速和可实现在线的监测方法是十分重要的。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种具有温度补偿的用于监测油气管道内部腐蚀的光纤传感器，其目的是实现对油气管道内部腐蚀的实时监测，准确地判断油气管道内部腐蚀位置和腐蚀程度，保证油、气的安全运输。
[0007]本专利技术的技术方案：
[0008]一种具有温度补偿的用于监测油气管道内部腐蚀的光纤传感器包括传感单元和温度补偿单元，传感单元包括陶瓷圆盖1、钢材薄筒2、弹簧3、刚体4、刚体端部反射镜面5、光纤陶瓷套圈6、陶瓷底盖7和法珀光纤8；温度补偿单元包括陶瓷圆盖1、钢材薄筒2、刚体4、刚体端部反射镜面5、光纤陶瓷套圈6、陶瓷底盖7和法珀光纤8。
[0009]所述的弹簧3位于钢材薄筒2内部，一端与陶瓷圆盖1连接，另一端与陶瓷底盖7连接，陶瓷圆盖1随着弹簧的收缩带动刚体4及刚体端部反射镜面5发生移动；
[0010]所述的刚体4固定于陶瓷圆盖1，刚体端部反射镜面5位于钢材薄筒2内部；
[0011]所述的法珀光纤8安装在光纤陶瓷套圈6中，光纤陶瓷套圈6位于空腔中，顶端穿过陶瓷底盖7；
[0012]所述的钢材薄筒2、陶瓷圆盖1和陶瓷底盖7密封形成一个整体结构，保护了非本征型光纤法珀干涉仪；
[0013]所述的弹簧3在初始封装时处于拉伸或压缩状态，与钢材薄筒2形成一个力平衡系统；
[0014]所述的刚体4顶端为反射镜面，顶端面积大于光纤陶瓷套圈6的面积；
[0015]所述的刚体端面反射镜面5和光纤8的端面平行；
[0016]所述的陶瓷圆盖1和陶瓷底盖7的直径等于薄壁圆筒2的外径，确保弹簧3产生的力可以通过陶瓷圆盖1和陶瓷底盖7传递到薄壁钢筒2上，且传感装置密封；
[0017]所述的传感器长度可根据油气管道的内径和油气流速进行调整；
[0018]所述的弹簧3数量和刚度可根据传感器灵敏度进行调整；
[0019]所述的钢材薄筒2采用与油气管道相同的钢材型号和厚度，保证油气管道内部和钢材薄筒2在同一环境下具有相同的腐蚀速率和腐蚀后的厚度；
[0020]所述的刚体4端面用金刚石抛光形成反射镜和法珀光纤8形成法珀腔，当钢材薄筒2腐蚀变薄在弹簧3压力作用下发生变形，法珀腔的腔长会发生相应的改变，通过光谱仪测量的光谱变化，进而确定油气管道腐蚀位置和腐蚀程度；
[0021]所述的温度补偿单元和传感单元相比仅缺少弹簧3装置，其余装置的设置和材料均相同。
[0022]本专利技术的工作原理：
[0023]本专利技术的薄筒和油气管道具有相同的钢材型号和厚度，因此，油气管道内壁发生腐蚀时，钢材薄筒2的厚度也会同时变薄，钢材薄筒的横截面面积变小，在内部弹簧3压(拉)力作用下，刚体端面反射镜面5和法珀光纤8形成法珀腔的腔长变大(小)，光谱仪测量光谱变化。通过设置温度补偿单元，同时对管道内部温度变化引起的钢材薄筒2、刚体4、弹簧3的形变进行监测，可以更准确地判断油气管道的腐蚀程度。本专利技术的核心原理为安装在光纤陶瓷套圈6的光纤与刚体端面反射镜面5形成的法布里
‑
珀罗腔在弹簧3的作用下随着钢材薄筒2的腐蚀变薄发生变化。光沿着光纤8传输，入射光遇到光纤与空气的第一反射面和空气与反射镜面5的第二反射面，最终形成反射光返回光纤。第一反射面与第二反射面的反射光发生干涉，干涉信号I可以表示为：
[0024][0025]式中，I1和I2分别为两反射面输入反射光的光强；n为中间介质(空气)折射率；δ为法珀干涉腔腔长；λ为波长，为两束反射光的相位差。干涉光谱可以看作是具有离散极小值的正弦波，自由光谱范围(FSR)和腔长的关系为：
[0026]FSR＝λ2/2δ
ꢀꢀꢀ
(2)
[0027]传感单元腐蚀前钢材薄筒2的横截面面积A0和发生腐蚀后钢材薄筒2的截面面积A
*
分别为：
[0028]A0＝π(R+t)2‑
πR2ꢀꢀꢀ
(3)
[0029]A
*
＝π(R+t
*
)2‑
πR2ꢀꢀꢀ
(4)
[0030]式中，R为钢材薄筒2的内径；t为钢材薄筒2腐蚀前的厚度即油气管道的厚度；t
*
为钢材薄筒2腐蚀后的厚度。腐蚀前后传感单元法珀腔的腔长变化Δδ和温度补偿单元法珀腔的腔长变化δ
T
分别为：
[0031]Δδ＝λ2(FSR1‑
FSR2)/(FSR1·
FSR2)
ꢀꢀꢀ
(5)
[0032]δ
T
＝αL
ꢀꢀꢀ
(6)
[0033]式中，FSR1和FSR2分别为钢材薄筒腐蚀前后自由光谱范围，α为钢材薄筒的热膨胀系数；L为钢材薄筒长度。传感单元的钢材薄筒2发生腐蚀后弹簧所产生的内力与钢材薄筒反力平衡方程为：
[0034][0035]式中，E为钢材的弹性模量；ε0为钢材薄筒初始应变；m为弹簧个数；k为单个弹簧刚度。
[0036]通过法珀光纤可以测得传感单元法珀腔长变化Δδ和温度补偿单元法珀腔长变化δ
T
，对于封装完好的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有温度补偿的用于监测油气管道内部腐蚀的光纤传感器，其特征在于，所述的具有温度补偿的用于监测油气管道内部腐蚀的光纤传感器包括传感单元和温度补偿单元，传感单元包括陶瓷圆盖(1)、钢材薄筒(2)、弹簧(3)、刚体(4)、刚体端面反射镜(5)、光纤陶瓷套圈(6)、陶瓷底盖(7)和法珀光纤(8)；温度补偿单元包括陶瓷圆盖(1)、钢材薄筒(2)、刚体(4)、刚体端面反射镜(5)、光纤陶瓷套圈(6)、陶瓷底盖(7)和法珀光纤(8)；所述的弹簧(3)位于钢材薄筒(2)内部，一端与陶瓷圆盖(1)连接，另一端与陶瓷底盖(7)连接，陶瓷圆盖(1)随着弹簧的收缩带动刚体(4)及刚体端部反射镜面(5)发生移动；所述的刚体(4)固定于陶瓷圆盖(1)，刚体端部反射镜面(5)位于钢材薄筒(2)内部；所述的法珀光纤(8)安装在光纤陶瓷套圈(6)中，光纤陶瓷套圈(6)位于空腔中，顶端穿过陶瓷底盖(7)；所述的钢材薄筒(2)、陶瓷圆盖(1)和陶瓷底盖(7)密封形成一个整体结构，保护了非本征型光纤法珀干涉仪。2.根据权利要求1所述的具有温度补偿的用于监测油气管道内部腐蚀的光纤传感器，其特征在于，所述的刚体(4)端面用金刚石抛光形成反射镜和法珀光纤(8)形成法珀腔，当钢材薄筒(2)腐蚀变薄在弹簧(3)拉(压)力作用下发生变形，法珀腔的腔长会发生相应的改变，通过光谱仪测量光谱变化，进而确定腐蚀位置和腐蚀程度。3.根据权利要求1或2所述的具有温度补偿的用于监测油气管道内部腐蚀的光纤传感器，其特征在于，所述的弹簧(3)在初始封装时处于拉伸或压缩状态，与钢...

【专利技术属性】
技术研发人员：权利要求书一页说明书四页附图三页，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：