專利名稱：基于Sagnac光纖干涉儀的管道泄漏監測裝置的制作方法
技術領域：
本發明是一種基于Sagnac光纖干涉儀的管道泄漏監測裝置，屬于管道泄漏監測領域。
背景技術：
管道是現行的五大運輸工具之一，在運送液體、氣體、漿液等方面具有成本低，節省能源，安全性高及供給穩定的優勢，在石油、化工、天然氣及城市供水等行業中有著不可替代的作用。隨著管道運輸業的不斷發展，為了維護管道的安全運行，管道運行監測技術也在不斷發展。
現有長距離管道泄漏檢測技術主要有負壓波法、模型法等，存在靈敏度低、響應慢、定位精度差等缺點，在實際應用中難以滿足快速、準確的檢測管道泄漏的要求。近年來，隨著光纖傳感技術的發展，長距離分布式光纖傳感技術也開始應用于管道泄漏檢測，由于光纖傳感器的靈敏度高、動態范圍大、響應快、傳輸距離長，可滿足長距離、小泄漏管道檢測要求。中國發明專利申請200410020046.6采用干涉型分布式光纖微振動傳感器進行管道泄漏檢測，此傳感器是由管道附近沿管道并排鋪設的一根三芯單模光纜及相應的光學元件構成，當管道發生泄漏時，產生的泄漏噪聲使光纖中傳輸的光相位被調制，引起干涉光的輸出發生變化，進而判斷有無泄漏的發生。由于這種傳感技術僅用一根單模光纜，當管道直徑較大，特別是泄漏口背離光纜方向(即泄漏口所在的管道母線與光纜所在的管道母線沿圓周方向相差180度)，時，很難檢測到泄漏發生，因此漏報警率高。
發明內容
本發明的目的在于克服了以上所述缺陷，提出了一種基于分布式光纖傳感技術的雙直線型管道泄漏監測裝置，該裝置的優點是通過一套裝置形成兩個Sagnac干涉儀，可同時將兩個干涉儀的傳感光纖布放于管道的不同母線上，實現沿管道周向的泄漏監測，且此裝置的檢測靈敏度高、漏報率低、光功率損耗小、能實現管道長距離小泄漏檢測與定位。
為了達到上述目的，本發明采用的如下技術方案。本裝置主要包括有信號發射與處理系統1、分布式光纖傳感系統2、信號分析系統3，信號發射與處理系統1又包括有寬帶連續光源A1、第一耦合器A3、第五耦合器B2、第二耦合器C2、第一光電轉換器C9、第二光電轉換器B9、第一A/D轉換器C10、第二A/D轉換器B10組成；分布式光纖傳感系統2包括有第三耦合器C4、第四耦合器C6、第六耦合器B4、第七耦合器B6、第八耦合器A4、第九耦合器A7、相位調制器A5、延遲線圈A6、第一法拉第旋轉鏡C8、第二法拉第旋轉鏡B8；信號分析系統3包括有計算機A8；其中，信號發射與處理系統1的寬帶連續光源A1通過第一單模光纖A2與第一耦合器A3的輸入端連接，第一耦合器A3兩個輸出端分別通過第二單模光纖C1、第三單模光纖B1與第二耦合器C2的一個輸出端、第五耦合器B2的一個輸出端連接；第二耦合器C2的輸入端通過第一引導光纖C3與第三耦合器C4的輸入端連接，第二耦合器C2的另一個輸出端依次通過第一光電轉換器C9、第一A/D轉換器C10與計算機A8連接；第五耦合器B2的輸入端通過第二引導光纖B3與第六耦合器B4的輸入端連接，另一個輸出端依次通過第二光電轉換器B9、第二A/D轉換器B10與計算機A8連接；第三耦合器C4的一個輸出端通過第四單模光纖C5與第四耦合器C6的輸出端口G連接，另一個輸出端與第八耦合器A4的輸出端口E連接；第四耦合器C6的輸入端與第一傳感光纖C7連接，第一傳感光纖C7的末端連接第一法拉第旋轉鏡C8；第六耦合器B4的一個輸出端通過第五單模光纖B5與第七耦合器B6的輸出端口N連接，另一個輸出端與第八耦合器A4的輸出端口F連接，第七耦合器B6的輸入端與第二傳感光纖B7連接，第二傳感光纖B7的末端連接第二法拉第旋轉鏡B8；第八耦合器A4的輸入端依次通過相位調制器A5、延遲線圈A6與第九耦合器A7的輸入端連接，第九耦合器A7的兩個輸出端分別與第四耦合器C6的輸出端口H、第七耦合器B6的輸出端口M連接。
分布式光纖傳感系統2中由第一傳感光纖C7、第一法拉第旋轉鏡C8和第二傳感光纖B7、第二法拉第旋轉鏡B8形成兩個Sagnac干涉儀，且這兩個干涉儀共用同一延遲線圈和相位調制器。
本發明的工作原理由寬帶連續光源A1發出的光在本裝置的傳播過程，具體參見圖1，由寬帶連續光源A1發出的光經第一單模光纖A2進入第一耦合器A3，第一耦合器A3輸出的光按功率1∶1分成兩路(形成兩個干涉儀)，其中第一路光經第二單模光纖C1進入第二耦合器C2，又經第一引導光纖C3進入第三耦合器C4，第三耦合器C4輸出的光按功率1∶1分成兩束，其中一束光經第四單模光纖C5和第四耦合器C6傳輸進入第一傳感光纖C7，第一傳感光纖C7中傳輸的光到達第一法拉第旋轉鏡C8，經第一法拉第旋轉鏡C8反射后，又沿第一傳感光纖C7反向傳播到第四耦合器C6，第四耦合器C6的輸出按功率1∶1分成兩束，其中只有傳輸到第九耦合器A7的光符合干涉條件(其它光不予考慮)，然后經延遲線圈A6、相位調制器A5傳播到第八耦合器A4，同樣第八耦合器A4輸出的光按功率1∶1分成兩束，一束進入第四耦合器C4，另一束進入第六耦合器B4(這束光不符合干涉條件，不予考慮)。另外從第一引導光纖C3進入第三耦合器C4的光被分成兩束，其中另一束經第八耦合器A4、相位調制器A5、延遲線圈A6進入第九耦合器A7，第九耦合器A7輸出的光按功率1∶1分成兩束，一束光進入第七耦合器B6(不符合干涉條件，不予考慮)，另一束光經第四耦合器C6、第一傳感光纖C7進入第一法拉第旋轉鏡C8，經第一法拉第旋轉鏡C8反射后又沿第一傳感光纖C7進入第四耦合器C6，第四耦合器C6輸出的光按功率1∶1分成兩束，其中進入第九耦合器A7的光不符合干涉條件，因此不予考慮，而另一束光進入第四單模光纖C5并與上述從第一法拉第旋轉鏡C8反射后回到第三耦合器C4的光在第三耦合器C4處匯合干涉，干涉光經第一引導光纖C3進入第二耦合器C2，第二耦合器C2輸出的光經第一光電轉換器C9后將光信號轉換為電信號，此電信號經第一A/D轉換器C10最后進入信號分析系統A8。最后在計算機A8中對采集信號進行解調，并做FFT變換，通過分析信號頻譜，可實現泄漏報警和定位。
第二路光經第三單模光纖B1進入第五耦合器B2，經第二引導光纖B3進入第六耦合器B4，第六耦合器B4輸出的光按功率1∶1分成兩束，其中一束光經第五單模光纖B5和第七耦合器B6傳輸進入第二傳感光纖B7，第二傳感光纖B7中傳輸的光到達第二法拉第旋轉鏡B8，經第二法拉第旋轉鏡B8反射后又沿第二傳感光纖B7反向傳播到第七耦合器B6，第七耦合器B6輸出的光按功率1∶1分成兩束，其中只有傳輸到第九耦合器A7的光符合干涉條件(其它光不予考慮)，然后經延遲線圈A6、相位調制器A5傳播到第八耦合器A4，同樣第八耦合器A4輸出的光按功率1∶1分成兩束，一束進入第六耦合器B4，另一束進入第四耦合器C4(這束光不符合干涉條件，不予考慮)。另外從第二引導光纖B3進入第六耦合器B4的光被分成兩束，其中另一束經第八耦合器A4、相位調制器A5、延遲線圈A6進入第九耦合器A7，第九耦合器A7輸出的光按功率1∶1分成兩束，一束光進入第四耦合器C6(不符合干涉條件，不予考慮)，另一束光經第七耦合器B6、第二傳感光纖B7進入第二法拉第旋轉鏡B8，經第二法拉第旋轉鏡B8反射后又沿第二傳感光纖B7進入第七耦合器B6，第七耦合器B6輸出的光按功率1∶1分成兩束，其中進入第九耦合器A7的光不符合干涉條件，因此不予考慮，而另一束光進入第五單模光纖B5并與上述從第二法拉第旋轉鏡B8反射后回到第六耦合器B4的光在第六耦合器B4處匯合干涉，干涉光經第二引導光纖B3進入第五耦合器B2，第五耦合器B2輸出的光經第二光電轉換器B9后將光信號轉換為電信號，此電信號經第二A/D轉換器B10最后進入信號分析系統A8。同樣在計算機A8中對采集信號進行解調，并做FFT變換，通過分析信號頻譜，可實現泄漏報警和定位。
該系統的管道泄漏監測原理是當管道某處有泄漏發生時，泄漏流體與泄漏孔壁產生摩擦，在管壁上激發出應力波(即泄漏聲發射信號)，此應力波作用到干涉儀的傳感光纖上并對傳感光纖中傳輸的光相位進行調制，由于存在延遲線圈，使干涉儀中的兩束干涉光經過泄漏點D的時間不同，泄漏聲發射信號對兩束光的相位調制也不同，兩束光間產生相位差，因此兩束光發生干涉(無泄漏發生時，兩束光相位一致，不產生干涉)。通過實時檢測干涉光信號的變化，可實現管道泄漏監測。
泄漏聲發射信號對干涉儀中兩束干涉光相位調制產生的相位差可表示為φs(t)=4Δφcosωst·sinωs(τd2)·cos(ωsτs)···(1)]]>此相位差包含了時間信息和泄漏聲發射信號的頻率信息，其中ωs為泄漏聲發射信號的角頻率，τd為光經過延遲線圈時間，τs為光從泄漏位置傳播到法拉第旋轉鏡所需時間從式(1)中求出時間τs就可根據光在光纖中傳播的速度得到泄漏點距法拉第旋轉鏡的距離。式(1)中，4Δφsinωs(τd2)cos(ωsτs)]]>與信號的頻域幅值成比例，在泄漏聲發射信號的寬頻范圍內總有一頻率使4Δφsinωs(τd2)cos(ωsτs)=0,]]>而sinωs(τd2)]]>與泄漏位置無關，因此確定延遲線圈長度，保證在泄漏信號的寬頻范圍內sinωs(τd2)]]>不等于零，這樣就有cos(ωsτs)＝0(即ωsτs=π(1+n)2,]]>n為偶數)，因此在頻域中會出現幅值為零的點，此點對應的頻率稱為零點頻率。在頻譜圖上找到零點頻率后根據ωsτs=π(1+n)2]]>(n為偶數)，計算出光從泄漏點傳播到法拉第旋轉鏡所需時間τs。求得τs后，根據公式s＝vτs(v為光在光纖中的傳播速度)計算出泄漏位置到反射鏡的距離s。
該系統的優點是本系統采用了雙直線型分布式光纖聲學傳感技術對管道進行實時監測，整個傳感部分由二根獨立的光纖構成(形成兩個干涉儀)，可分別布放于管道上相距180度的兩條母線位置，解決了使用單根光纖時當管徑較大或泄漏口背離光纖方向時，很難檢測到泄漏信號的問題，因此不存在漏報警現象。同時由于光纖的低損耗以及對聲信號的高敏感性，因此可實現長距離管道的小泄漏檢測。另外改變此系統中耦合器的分光數量，可以將此結構發展成多條管道同時監測的系統。
圖1本發明系統結構2泄漏信號時域波形圖3零點頻率1中A1、寬帶連續光源，A2、第一單模光纖，A3、第一耦合器，A4、第八耦合器，A5、相位調制器，A6、延遲線圈，A7、第九耦合器，A8、計算機，B1、第三單模光纖，B2、第五耦合器，B3、第二引導光纖，B4、第六耦合器，B5、第五單模光纖，B6、第七耦合器，B7、第二傳感光纖，B8、第二法拉第旋轉鏡，B9、第二光電轉換器，B10、第二A/D轉換器，C1、第二單模光纖，C2、第二耦合器，C3、第一引導光纖，C4、第三耦合器，C5、第四單模光纖，C6、第四耦合器，C7、第一傳感光纖，C8、第一法拉第旋轉鏡，C9、第一光電轉換器，C10、第一A/D轉換器，P、管道，1、信號發射與處理系統，2、分布式光纖傳感系統，3、信號分析系統。
具體實施例方式
本實施方式的具體結構，參見圖1，本實施例主要包括有信號發射與處理系統1、分布式光纖傳感系統2、信號分析系統3，信號發射與處理系統1又包括有寬帶連續光源A1、第一耦合器A3、第五耦合器B2、第二耦合器C2、第一光電轉換器C9、第二光電轉換器B9、第一A/D轉換器C10、第二A/D轉換器B10組成；分布式光纖傳感系統2包括有第三耦合器C4、第四耦合器C6、第六耦合器B4、第七耦合器B6、第八耦合器A4、第九耦合器A7、相位調制器A5、延遲線圈A6、第一法拉第旋轉鏡C8、第二法拉第旋轉鏡B8；信號分析系統3包括有計算機A8；其中，信號發射與處理系統1的寬帶連續光源A1通過第一單模光纖A2與第一耦合器A3的輸入端連接，第一耦合器A3兩個輸出端分別通過第二單模光纖C1、第三單模光纖B1與第二耦合器C2的一個輸出端、第五耦合器B2的一個輸出端連接；第二耦合器C2的輸入端通過第一引導光纖C3與第三耦合器C4的輸入端連接，另一個輸出端依次通過第一光電轉換器C9、第一A/D轉換器C10與計算機A8連接；第五耦合器B2的輸入端通過第二引導光纖B3與第六耦合器B4的輸入端連接，另一個輸出端依次通過第二光電轉換器B9、第二A/D轉換器B10與計算機A8連接；第三耦合器C4的一個輸出端通過第四單模光纖C5與第四耦合器C6的輸出端口G連接，另一個輸出端與第八耦合器A4的輸出端口E連接；第四耦合器C6的輸入端與第一傳感光纖C7連接，第一傳感光纖C7的末端連接第一法拉第旋轉鏡C8；第六耦合器B4的一個輸出端通過第五單模光纖B5與第七耦合器B6的輸出端口N連接，另一個輸出端與第八耦合器A4的輸出端口F連接，第七耦合器B6的輸入端與第二傳感光纖B7連接，第二傳感光纖B7的末端連接第二法拉第旋轉鏡B8；第八耦合器A4的輸入端依次通過相位調制器A5、延遲線圈A6與第九耦合器A7的輸入端連接，第九耦合器A7的兩個輸出端分別與第四耦合器C6的輸出端口H、第七耦合器B6的輸出端M連接。本實施例中的耦合器均為1×2耦合器。
如圖1所示，本實施方案中管道外徑174mm，管道泄漏孔徑為3mm，管內水壓為0.35MPa，泄漏孔距法拉第旋轉鏡距離S為4km，傳感光纖為康寧單模光纖(SMF-28)，延遲線圈為4km，光源功率20mw，各耦合器分光比均為1∶1。本實施例中測試時泄漏點與第二傳感光纖B7在管道的同一母線上，所以只有第二傳感光纖B7能感應到泄漏信號，第一傳感光纖C7背離泄漏點位置，感應不到泄漏點信號。
圖2為經過信號分析系統處理后得到的泄漏信號調制光相位得到的時域波形，圖3為經過信號分析系統處理后顯示出的泄漏信號頻譜圖，圖中有一明顯的波谷，光標顯示此處的最低點頻率為12.451kHz，根據公式ωsτs=π(1+n)2]]>(取n＝1)可確定光波從泄漏點傳播到法拉第旋轉鏡所用時間為2.008×10-5s，光在光纖中傳播的速度為2×108m/s，兩者相乘就可得到從泄漏點傳到法拉第旋轉鏡的距離為4.016km。絕對誤差為16m，相對誤差為0.4％。
權利要求
1.一種基于Sagnac光纖干涉儀的管道泄漏監測裝置，其特征在于本裝置主要包括有信號發射與處理系統(1)、分布式光纖傳感系統(2)、信號分析系統(3)，信號發射與處理系統(1)又包括有寬帶連續光源(A1)、第一耦合器(A3)、第五耦合器(B2)、第二耦合器(C2)、第一光電轉換器(C9)、第二光電轉換器(B9)、第一A/D轉換器(C10)、第二A/D轉換器(B10)組成；分布式光纖傳感系統(2)包括有第三耦合器(C4)、第四耦合器(C6)、第六耦合器(B4)、第七耦合器(B6)、第八耦合器(A4)、第九耦合器(A7)、相位調制器(A5)、延遲線圈(A6)、第一法拉第旋轉鏡(C8)、第二法拉第旋轉鏡(B8)；信號分析系統(3)包括有計算機(A8)；其中，信號發射與處理系統(1)的寬帶連續光源(A1)通過第一單模光纖(A2)與第一耦合器(A3)的輸入端連接，第一耦合器(A3)的兩個輸出端分別通過第二單模光纖(C1)、第三單模光纖(B1)與第二耦合器(C2)的一個輸出端、第五耦合器(B2)的一個輸出端連接；第二耦合器(C2)的輸入端通過第一引導光纖(C3)與第三耦合器(C4)的輸入端連接，第二耦合器(C2)的另一個輸出端依次通過第一光電轉換器(C9)、第一A/D轉換器(C10)與計算機(A8)連接；第五耦合器(B2)的輸入端通過第二引導光纖(B3)與第六耦合器(B4)的輸入端連接，第五耦合器(B2)的另一個輸出端依次通過第二光電轉換器(B9)、第二A/D轉換器(B10)與計算機(A8)連接；第三耦合器(C4)的一個輸出端通過第四單模光纖(C5)與第四耦合器(C6)的輸出端口G連接，另一個輸出端與第八耦合器(A4)的輸出端口E連接，第四耦合器(C6)的輸入端與第一傳感光纖(C7)連接，第一傳感光纖(C7)的末端連接第一法拉第旋轉鏡(C8)；第六耦合器(B4)的一個輸出端通過第五單模光纖(B5)與第七耦合器(B6)的輸出端口N連接，另一個輸出端與第八耦合器(A4)的輸出端口F連接，第七耦合器(B6)的輸入端與第二傳感光纖(B7)連接，第二傳感光纖(B7)的末端連接第二法拉第旋轉鏡(B8)；第八耦合器(A4)的輸入端依次通過相位調制器(A5)、延遲線圈(A6)與第九耦合器(A7)的輸入端連接，第九耦合器(A7)的兩個輸出端分別與第四耦合器(C6)的輸出端口H、第七耦合器(B6)的輸出端口M連接。
全文摘要
本發明是一種基于Sagnac光纖干涉儀的管道泄漏監測裝置，屬于管道泄漏監測領域。本裝置主要有信號發射與處理系統(1)、分布式光纖傳感系統(2)、信號分析系統(3)。分布式光纖傳感系統2中的第一傳感光纖(C7)、第一法拉第旋轉鏡(C8)和第二傳感光纖(B7)、第二法拉第旋轉鏡(B8)形成兩個干涉儀。信號發射與處理系統1中的寬帶連續光源(A1)發出的光經第一耦合器(A3)分成兩路，分別進入分布式光纖傳感系統2中的兩個Sagnac干涉儀，這兩個干涉儀輸出的干涉光經信號發射與處理系統1傳輸至信號分析系統3中進行處理，確定泄漏點。本系統可實時檢測管道沿線泄漏情況，具有很高的靈敏度和定位精度，運行可靠。
文檔編號F17D5/02GK1932369SQ20061011304
公開日2007年3月21日 申請日期2006年9月8日 優先權日2006年9月8日
發明者何存富, 杭利軍, 吳斌 申請人:北京工業大學