一种天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落系统技术方案

本发明专利技术是一种天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落系统。在管道本体上每隔一定距离安装一个光纤传感器，多个光纤传感器构成一个光纤传感器组，各光纤传感器组共用一根发射光纤与光源连接，每个光纤传感器组使用一根回传光纤与光电探测器连接；光电探测器输出接信号采集与处理模块，信号采集与处理模块输出通过外部接口接微机。传感器的两臂不等长，每个传感器使用两个法拉第旋转镜作为反射镜，旋转角度为45度，使反射光的偏振态变化正好抵消入射光的偏振态变化，从而使传感器及传感器组信号的可视度保持为最大。本发明专利技术克服了干涉仪偏振诱导信号衰落现象，使泄漏检测的灵敏度和准确度提高、虚警率降低且不易受环境因素影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落系统。涉及机械振动的测量、冲击的测量和管道系统

技术介绍
目前，世界上建成的管道总长达到250万公里，已经超过铁路总里程成为世界能源主要运输方式，发达国家和中东产油区的油品输运已全部实现管道化。我国管道在近年也得到了较快发展，总长也超过7万公里，已初步形成横跨东西、纵贯南北、覆盖全国、连通海外的能源管网大格局，管道运输成为油气等战略能源的调配输送的主要方式。管道由于跨越地域广，受自然灾害、第三方施工破坏等原因，导致了较多的管道泄漏事故发生。国外管道安全情况也非常不容乐观，美国2010年9月9日圣布鲁诺市发生天然气管道大爆炸，爆炸在路面造成一个长51米、宽9米的大坑。一段长约8米、直径76厘米的管道被炸上天，飞出大约30米远，并引发大范围火灾，导致4人死亡，3人失踪，至少52人受伤，过火面积4公顷，数十桩房屋被烧毁。近年来人们安全、环保意识显著提升，作为高危行业的管道输运安全问题也得到越来越多的重视。目前成熟的技术中对于天然气管道泄漏监测只有声波监测法较为有效，但为了提高对泄漏监测的实时性和漏点定位的准确性，必须在管线上加大传感器的布设密度，同时增加相应的供电、通信设备，造成系统成本以及安装维护费用高昂。随着传感技术的发展国外如美国CS1、ATM0S1、欧洲TER等公司开展了 SCADA泄漏监测系统研究，Sensornet公司也开发了基于分布式光纤温度传感器的泄漏监测系统，部分产品在国内也申请了专利保护；国内天津大学、清华大学、中国人民解放军后勤工程学院等单位也对管道的泄漏监测方法做了深入研究。专利CN200410020046. 6公开了一种基于干涉原理的分布式光纤油气管道泄漏监测方法及监测装置。该监测系统要求在管道附近沿管道并排铺设一根光缆，利用光缆中的光纤组成一个光纤微振动传感器。专利CN200620119429、CN200610113044. O均为基于Sagnac光纤干涉仪的管道泄漏监测装置，专利CN200610072879. 6是一种基于分布式光纤声学传感技术的管道泄漏监测装置及方法。《传感器与微系统》第26卷第7期的“基于分布式光纤传感器的输气管道泄漏检测方法”公开了一种基于分布式光纤传感器的输气管道泄漏检测装置和方法，它是在具有一定间隔的管道本体上安装光纤传感器，连续实时监测沿管道本体传播的振动波信号，对采集的振动波信号进行分析处理，包括类型识别和振动源定位，其中类型识别为通过对振动波特征的提取分析判别其是否属于泄漏类型，同时根据振动波传播到相邻几个光纤传感器的时间延迟结合振动波在管道本体上的传播速度确定振动波源所在的位置，传感器输出的光强信号经光电转换后实现泄漏点的位置的确定。CN1837674A公开了一种基于分布式光纤声学传感技术的管道泄漏检测装置及方法。US2006/0225507A1公开了一种基于分布式光纤传感器的管道泄漏检测装置及方法。上述技术均属于分布式光纤传感监测方法。但该类技术监测泄漏时受到管道周围所发生的干扰事件的影响，具有很高的系统虚警率，抗干扰能力较差。
技术实现思路
本专利技术的目的是专利技术一种灵敏度和准确度高、虚警率低、不易受环境因素影响的基于光纤传感的天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落系统。鉴于上述几类泄漏检测、监测技术存在的灵敏度低、虚警率高、易受环境因素影响等问题，本专利技术是提供一种基于光纤传感的高灵敏度准分布式泄漏振动监测方法和系统，采用高灵敏度传感器使得可以在当管道发生微漏、渗漏等泄漏初级阶段时被及时监测到，并结合泄漏事件的时域、频域特征有效降低了干扰引发的系统虚警率，该技术方案克服了此前监测技术中的准确性差和安装工艺复杂的不足，使得相关维护人员能够及时采取应对措施，避免造成更大的安全事件。具有较高泄漏振动传感灵敏度的天然气管道泄漏监测系统是通过增加干涉仪两传感臂的长度和空间距离从而实现了干涉仪对振动信号的感应灵敏度的提高，在对环境随机振动干扰的抑制方面采用了泄漏信号的智能识别技术，有效区分了随机偶发振动和突发性、持续性泄漏信号，并且结合相邻的多个传感器同时获取的泄漏信号时延，更加准确的实现了泄漏点的定位。利用与油气管道同沟敷设的普通通信光缆中的光纤作为发射和回传光纤，将管道泄露光纤传感器通过光复用技术相互并联接在收发传输光纤之间，形成光回路，管道泄露光纤传感器安装在管道上，形成可监测管道声震动的光纤传感系统。利用光源对各个管道泄露光纤传感器扫描，根据管道泄露光纤传感器的分布情况对采集的光电转换信号解调、提取，实现各个管道泄露光纤传感器的振动信息获取，检测分析管道泄露光纤传感器信号判断是否有管道泄露事件发生，依据相邻的管道泄露光纤传感器检测到信号的到达时间延迟实现对泄露点的定位。管道泄漏后会产生各频段的声波，波长比较短的超声波在距离声源不太远的位置就逐渐被介质吸收了，而且波长越短，吸收衰减的也越快，只有低频声波和次声波传播的距离较远，能传播几千米至几十千米。目前采用在较长管道两端安装次声波传感器的系统由于可用信号频段较窄，对泄漏信号的定位准确性效果还不够。天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落方法是在管道本体上每隔一定距离安装一个迈克耳逊干涉仪结构的传感器，由若干个迈克耳逊干涉仪结构的传感器通过光分束器和合束器并联接在发射光纤和回传光纤之间；迈克耳逊干涉仪的两臂不等长，每个迈克耳逊干涉仪使用两个法拉第旋转镜作为反射镜，旋转角度为45度，使反射光的偏振态变化正好抵消入射光的偏振态变化，从而使干涉仪的可视度保持为最大。采用光纤迈克耳逊干涉仪作为泄漏声波检测传感器，其输出的光强信号经光电转换后可以写成V0 1+νοο8(Φ ,+ Φη+Φ0)+νη(1)其中，Vtl是输出的电压信号，V是干涉仪的可视度，Vn是电路附加噪声，为由泄漏振动波引起的相差信号，即为要探测的泄漏振动波信号，Φο为干涉仪的初始相位，是个常量，φη为位相差的低频漂移，是一个不确定量，随温度和外界环境影响而变化。通过与光源调制方式相匹配的解复用技术能够实现泄漏振动波信号的获取，并对该信号到达相应的传感器的时间延迟进行估计，结合振动波沿管道传播的速度V实现了对振动波源即泄漏点位置的确定。实际上，迈克耳逊干涉仪光纤中与两偏振模相应的折射率ηχ和ny不相等，同时由于光纤的微弯、扭曲、环境温度的变化使nx和ny随机变化，导致光纤输出偏振态随机变化，反映在干涉信号可视度V在O I之间随机变化，此现象即干涉仪的偏振诱导信号衰落现象。此现象将导致传感器检测灵敏度和信噪比的降低和不稳定，为消除偏振衰落，采用法拉第旋转镜法，即在普通迈克耳逊干涉仪的两个反射镜前各加一个法拉第旋转器构成法拉第旋转镜，旋转角度为45度，使反射光的偏振态变化正好抵消入射光的偏振态变化,从而使干涉仪的可视度保持为I。 式(I)中，由于低频干扰(^随机变化，且幅度大，受小“变化影响，系统输出的信噪比在变化，且当8 ιΦη = O时，信号完全消隐，此即称为干涉仪的相位衰落现象。为了消除偏振衰落现象，采用相位载波技术来检测泄漏声波信号。具体如下制作迈克耳逊干涉仪时，使干涉仪两臂不等长，两臂长差为AL;将锯齿波信号作为调制信号，频率为泄漏声波频带宽度的两倍，作用到光频可调的激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种天然气管道泄漏检测传感器组的抗偏振衰落系统，其特征是它包括光源、光路系统和电路部分；在管道本体上每隔一定距离安装一个光纤传感器，多个光纤传感器构成一个光纤传感器组，各光纤传感器组共用一根发射光纤与光源连接，每个光纤传感器组使用一根回传光纤与光电探测器连接；光电探测器输出接信号采集与处理模块，信号采集与处理模块输出通过外部接口接微机；由光源发出激光，经传输光路实现分束后，部分光被传输到安装在管道壁上的光纤传感器组，光纤传感器组拾取沿管道传播的泄漏振动信号以及噪声后，再次经传输光路传回至系统的光电探测器，由信号采集与处理模块进行泄漏信号解调与识别分析，并对泄漏信号进行时延估计实现对泄漏点的定位。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张金权，王小军，李东，焦书浩，侯志相，刘素杰，闫会朋，李维，张浩，厉宇，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油天然气管道局，
类型：发明
国别省市：