一种评价管道补强效果的监测装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种评价管道补强效果的监测装置，光纤传感器的两个光纤探头通过３ｄＢ光耦合器Ａ与便携式解调仪连接；便携式解调仪的固定长度光纤和长度可调光纤连接３ｄＢ光耦合器Ｂ；长度可调光纤与微位移调节器连接，３ｄＢ光耦合器Ｂ与光接收接口和光电检测器连接；ＬＥＤ发光二极管与光发送接口连接；光电检测器、前置放大器、滤波器、Ａ／Ｄ转换器和内部数据处理器依次连接；内部数据处理器分别连接数据分析采集系统和微位移调节器；装置抗干扰能力强，对光源和解调要求低，具有结构简单，成本低廉，实用性强的优点；能实现单点长时间免维护连续测量，也能实现同时对多点进行连续测量。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及天然气管道腐蚀监测
和光纤传感
，是一种采用低相干干涉光纤传感器技术，通过监测管道应变实现评价管道补强效果的监测装置。
技术介绍
对于管道传统的电检测方法是在管道的补强部位外粘电阻应变片来测量应变。依 据的原理是将应变片组成桥式结构来感应被测体应变的变化，并转换成需要的电量，以利 用应变变化d e与应变片的电阻变化dR之问的关系dR = a *d e (a为应变率)进行检测。 这种测量方法是以应变-电量为基础，以电信号为转换及传输的载体，用导线传输电信号， 因而使用时受到环境的限制，如环境湿度太大可能引起短路，特别是在高温和易燃、易爆环 境中容易引起事故。 近年兴起的光纤传感技术具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、安全可 靠、耐腐蚀、可构成光纤传感网等诸多优点，在工业、农业、生物医疗等领域均有广阔的应用 前景，尤其在高温、易燃和易爆的环境中使用具有先天优势。目前的热点技术是光纤光栅传 感器和分布式传感器，后者是以基于布里渊效应的光纤传感器为典型代表。光纤光栅传感 器是典型的准分布式传感器，只能通过串联的多个光栅监测不连续的若干个点的应变，而 为实现管道补强效果的监测，需要对整个补强部位的应变实现监测，因此该技术不适合补 强效果的评价。分布式传感器适合长距离的连续监测，例如基于布里渊散射的分布式传感 器能实现十几公里左右管道的泄漏监测。但是分布式传感器解调技术复杂，代价高昂，不适 合补强效果的监测。
技术实现思路
本技术的目的是设计一种空间分辨率高、成本低、适用于高温、易燃和易爆 环境、能进行长时间实时测量的光纤传感器监测装置，用于管道补强段的长时间、免维护监 本技术所述的评价管道补强效果的监测装置，由光纤传感器，便携式解调仪 和数据分析采集系统构成； 光纤传感器由测量光纤探头和参考光纤探头两个光纤探头组成，光纤探头采用常 规通信单模光纤，光纤探头结构成盘绕状，探头的尺寸在C 200mm之间可调；预埋在 补强材料内部或贴置于管道外表面，光纤探头的端部镀有高反射膜，构成镀膜反射镜；测量 光纤探头和参考光纤探头通过3dB光耦合器A与便携式解调仪的光发送接口和光接收接口 连接； 便携式解调仪由参考干涉仪、光源和检测解调电路构成；参考干涉仪是一个迈克 尔逊干涉仪，由固定长度光纤和长度可调光纤两条光纤干涉臂连接3dB光耦合器B构成；固 定长度光纤的端部镀高反射膜，形成镀膜反射镜，长度可调光纤与一个压电陶瓷PZT微位 移调节器连接，3dB光耦合器B分别与光接收接口和光电检测器连接；LED发光二极管与光发送接口连接，工作波长为1.31iim，采用连续光源调制；检测解调电路由光电检测器、前置放大器、滤波器、A/D转换器和内部数据处理器依次连接构成；内部数据处理器分别连接数据分析采集系统和压电陶瓷PZT微位移调节器。 光纤传感器的两个探头经过封装后，测量光纤探头被固定在补强部位，补强材料 随管壁内压、刚性的位移变化会转换为探头光纤的伸长和收縮。参考光纤探头被固定在管 道上与补强部位呈90。的位置，使它与测量光纤探头处在同一温度下。因为光纤传感器只 监测两根光纤的长度差，只有机械形变对结果有影响，而其它干扰，例如温度和压力变化引 起的光纤折射率的变化，对两根光纤的影响是一样的，所以可以抵消掉，两根光纤探头的光 程差随测量光纤探头的位移值S呈线性变化，因此参考光纤探头可实现对温度效应的补 偿。 光源LED发光二极管发出的低相干光经3dB耦合器A分束后，进入光纤传感器的 两个光纤探头，经光纤探头端部的反射镜发射后，经过3dB耦合器A混合后由光纤传输到便 携式解调仪，被分别送到参考干涉仪的两个干涉臂，被反射后在3dB耦合器B中混合，形成 干涉信号，并由光电检测器检测接收。光电检测器、前置放大器、滤波器、A/D转换器和内部 数据处理器组成的检测解调电路能实现干涉条纹包络的检测。在内部数据处理器的反馈控 制下，压电陶瓷PZT微位移调节器能改变长度可调光纤的光程，跟踪光纤传感器的光程差 变化，当参考干涉仪两条干涉臂的光程差等于光纤传感器两个探头的光程差时，检测解调 电路能检测到干涉峰，从而实现对光纤探头位移值S的绝对测量。便携式解调仪将测得数 据S通过串口送至数据分析采集系统。 数据分析采集系统为一便携式计算机。为将感兴趣的结构参数(如管壁厚度)和 管壁内压、几何结构以及传感器测试值联系在一起，数据分析软件集成了 一组公式。 管壁厚度由下式给出 h = 0. 535LpR/E S (泊淞比为0. 3) (1) 其中L为传感器计量长度，p为压力值，R为管道半径，S为传感器位移值，E为杨 氏模量。 预测管道的变薄情况的通用模型如下式所示 h(t)/hr = 1/ (2) 其中t为时间，、为管壁厚度参考值，C为腐蚀速率，由下式给出 C = /At (3) 其中、为传感器位移值参考值。 低相干干涉测量原理 产生低相干干涉需要两个干涉仪(参考干涉仪和传感干涉仪)，传感干涉仪将被 测物理量的变化转换为光程差的变化；参考干涉仪将来自传感干涉仪的互不相干的光信号 重合并产生干涉。这样，输出端就可观察到输出信号的干涉条纹输出光强在两干涉条纹的 光程差相等时有最大值，对应的条纹对比度也最大，称为中心条纹。为满足低相干度光源的 获得和零级干涉条纹的检测两大问题，要求所用光源的相干长度应满足既远小于两个干涉 仪的光程差，又大于两个干涉仪光程差的差值。在系统测量过程中，通过改变微位移仪，使 参考干涉仪的光程差值与传感干涉仪的光程差值相等的方法，直接得到传感干涉仪光程差 的变化值，从而实现对被测量的绝对测量。 本技术的光纤传感器构成传感干涉仪，迈克尔逊干涉仪被集成在便携式解调 仪中构成参考干涉仪，压电陶瓷PZT微位移调节器构成微位移仪。在光纤传感器中，补强材 料的应变转化为测量光纤探头的光纤长度位移，参考光纤探头实现温度补偿。测量光纤探 头和参考光纤探头的光程差为ALp参考干涉仪两干涉臂的光程差为Al^，光电检测器检 测的干涉光光强为 I = Ii+l2+2(I山)"2 Un(A O)cos(A①) (4) A①=2 Ji A Ln乂入。 (5) neff是光纤的有效折射率，ng是群折射率(在硅中比neff高约1 % ) ， A 。为光在真 空中的中心波长，Un为考虑光谱发射特性的自相关函数，AL为两条干涉路径差。 当参考干涉仪两臂的光路径差等于传感干涉仪的路径差时，干涉条纹出现。改变 A L2，将通过A 1^ = A L2或者A 1^ = - A L2获得A L = 0，因此会有两条干涉条纹。当A L2 =0时也会产生干涉，这个干涉条纹可以用来作为参考。这三条干涉条纹能通过锁相放大 器与微位移器同步的方法获得。通过读取干涉峰产生时微位移器的读数，能测得光纤探头1 的绝对位移S 。因为参考信号是分立产生，与传感信号没有恒定的相位关系，所以只有解调信号的包络有物理意义，光纤性能退化只会影响干涉条纹的分辨度而不会影响它的位置。 本技术基于光纤低相干干涉传感技术，与其它现有技术相比，具有以下明显 的优点和特点 1、抗电磁干扰、抗腐蚀，能在高磁场及其他恶劣的环境中正常工作，响应时间短 (毫秒级)。完全的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种评价管道补强效果的监测装置，由光纤传感器，便携式解调仪和数据分析采集系统构成；其特征是：光纤传感器由测量光纤探头和参考光纤探头两个光纤探头组成，光纤探头采用常规通信单模光纤，光纤探头结构成盘绕状，探头的尺寸在￠２５－￠２００ｍｍ之间可调；预埋在补强材料内部或贴置于管道外表面，光纤探头的端部镀有高反射膜，构成镀膜反射镜；测量光纤探头和参考光纤探头通过３ｄＢ光耦合器Ａ与便携式解调仪的光发送接口和光接收接口连接；便携式解调仪由参考干涉仪、光源和检测解调电路构成；参考干涉仪是一个迈克尔逊干涉仪，由固定长度光纤和长度可调光纤两条光纤干涉臂连接３ｄＢ光耦合器Ｂ构成；固定长度光纤的端部镀高反射膜，形成镀膜反射镜，长度可调光纤与一个压电陶瓷ＰＺＴ微位移调节器连接，３ｄＢ光耦合器Ｂ分别与光接收接口和光电检测器连接；ＬＥＤ发光二极管与光发送接口连接，工作波长为１．３１μｍ，采用连续光源调制；检测解调电路由光电检测器、前置放大器、滤波器、Ａ／Ｄ转换器和内部数据处理器依次连接构成；内部数据处理器分别连接数据分析采集系统和压电陶瓷ＰＺＴ微位移调节器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李琼玮，刘故箐，曾亚勤，杨全安，程碧海，李明星，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]