專利名稱:應力波與光纖傳感復式管道安全預警系統的制作方法
技術領域:
本實用新型是一種應力波與光纖傳感復式管道安全預警系統。涉及測量應 力、機械振動的測量、沖擊的測量和管道系統技術領域。
背景技術:
油氣管道作為工業經濟的命脈,在國民經濟中居于重要位置。近年來,隨 著我國長輸管道的迅猛發展,因非法施工、打孔盜油等第三方破壞事件和自然 災害所造成的管道安全事故時有發生,嚴重的影響著管道的安全運行。早在上 世紀,國內外很多科技人員就致力于油氣管道的安全運營防護技術的研究和應 用。目前,國內外所釆用的方法主要是在管線上安裝利用監測流量、壓力等物 理參數發生變化的泄漏監測系統,常用的方法有壓力波法、統計分析法、模型 法等。這些方法雖然也能夠盡快發現管道泄漏,但只能是管線發生泄漏后才能 進行報警和定位,管道安全事故已經發生。那么,如何利用各種相關的新技術, 研究出一種經濟可行的管道安全預警技術,使得管道在遭受打孔盜油、非法機 械開挖等第三方破壞之前能夠迅速報警并準確定位,并及時通知相關管理人員, 為阻止管道破壞事件的發生贏得寶貴時間,從而避免環境污染、人員傷亡等次 生災害,有著十分重要的意義。
管道安全預警技術是超前研究領域,國外發達國家主要針對意外過失損壞, 國內還存在人為故意破壞,目前,國內外所釆用的方法還是以人防為主的飛機、 汽車巡線、電話報警、設置崗哨等,還都沒有經濟可行的技術手段。近年出現 一種基于對管道破壞所產生的聲音和振動信號進行檢測和定位的技術,中國實
用新型專利號200320100537.2、 200720103693.2等對此類技術做了詳細的描 述,這一技術的原理是依靠實時監測管道上的微振動信號來進行分析和判斷, 然后遠傳到報警中心進行綜合判斷,這些方法雖然也有一定的預警能力,而且 報警較為準確,但由于受制于系統的通信和供電等問題而存在很大的局限性。
隨著光纖技術的發展,光纖傳感也開始應用于安全預警領域,主要有干涉 型分布式光纖傳感技術以及后向散射型分布式光纖傳感技術,干涉型主要代表 為中國發明專利申請號200410020046.6, 200410016038及專利號ZL 99814375.8,散射型主要代表為中國發明專利申請號02145502. 3。這些系統雖 然可以利用光纜來檢測管道埋設周邊土壤的振動信號,但這些方法所使用光纜都是利用特制的傳感光纜進行試驗的。實際上目前與管道同溝鋪設的通訊光纜 為了保證本身的埋設安全, 一方面在成纜形式上釆用光纜懸浮于油膏的方式, 降低了光纖對外界微振動的敏感性能,另一方面,通訊光纜在埋設過程中,光 纜外部都釆用金屬鎧裝及穿套硅芯管保護等方式,進一步隔離了外界的振動信 號,因此這些依靠光纜進行管道安全預警的系統目前只停留在試驗階段,無法 在工業管道現場應用。
實用新型內容
本實用新型的目的是設計一種經濟實用、性能穩定、靈敏度高的應力波與 光纖傳感復式管道安全預警系統。
本實用新型的構成如圖l所示,它由光纖傳感管道安全預警系統的管道同
溝光纜22、外卡式光纜振動裝置23、振動信號釆集及處理裝置25、傳感器及 固定裝置27、信號線組成。安裝在埋于地表21下管道28外的傳感器及固定裝 置27之輸出由信號線26接振動信號釆集及處理裝置25的輸入,接振動信號釆 集及處理裝置25的輸出由信號線24連接卡在管道同溝光纜22上的外卡式光纜 振動裝置23的輸入。由傳感器及固定裝置27將測得的振動信號經信號線26 送入振動信號采集及處理裝置25,經處理后的信號由信號線24輸到外卡式光 纜振動裝置23的輸入,外卡式光纜振動裝置23將振動信號作用于光纖傳感管 道安全預警系統,由光纖傳感管道安全預警系統定位并給出報警信息。
其中振動信號釆集及處理裝置25的電原理如圖3所示,它由傳感器、信號 調理電路、光纜信號調制模塊、單片機、數據存儲器、數字信號處理單元、JTAG 口及電源模塊組成。傳感器輸出接信號調理電路,信號調理電路輸出接單片機 的輸入;光纜信號調制模塊與單片機有輸入和輸出連接;有JTAG 口的數字信號 處理單元與數據存儲器有輸入和輸出連接,而數據存儲器與單片機也有輸入和
輸出連接;電源模塊為單片機、數字信號處理單元供電。 其中
信號調理電路由電荷放大器、可編程放大器、帶通濾波器、A/D轉換和單 片機組成;
電荷放大器如圖4所示,是由運算放大器構成的放大器; 帶通濾波器如圖5所示,也是由運算放大器構成的; 可編程放大器、A/D轉換和單片機選巿銷產品;數字信號處理單元包括低功耗的進行系統邏輯控制及初步運算的單片機和 實現數字信號處理的DSP處理器組成,單片機和處理器均有巿銷產品可供選擇。
當傳感器釆集到由于探管、剝離防腐層、敲擊、鉆孔等破壞事件所導致的 信號時,首先進行信號的放大、濾波、整形等處理,然后進行模數轉換,進入 到單片機進行基本的邏輯判斷和處理,如果認為異常,就激活高速度數字信號
處理器(DSP)進行精確的分析和判別,當確認是管道威脅信號時便根據所預設
的程序控制振動馬達,通過專有的裝置對傳感光纜進行激勵。
外卡式光纜振動裝置23由振動馬達和光纜信號調制模塊組成。單片機輸出 接光纜信號調制模塊的EN端,光纜信號調制模塊的Vout端接振動馬達的電源 端。受單片機輸出控制的光纜信號調制模塊控制加于振動馬達的電源通斷。
傳感器輸出信號經信號調理電路處理后輸入單片機,單片機、數據存儲器 及數字信號處理單元將釆集的振動信號經處理, 一方面存儲,另一方面輸至光 纜信號調制模塊,加在光纜上。
傳感器及固定裝置27按常規振動傳感器的安裝方式安裝固定。
管道安全預警系統的光纖傳感部分原理圖如圖2所示,這是本公司于2007 年6月27曰申請的"基于相位干涉的分布式光纖管道安全預警系統"的技術。 加在傳感光纜上的振動信號由光纖傳感傳回光信號解調系統20,通過光電探測 器12c和光電探測器12d兩個光電探測器轉換為電信號,通過信號調理單元 14c、信號調理單元14d的信號調理模塊差動輸入模數轉換模塊16b,數字信號 輸入計算機19進行數字信號處理及分析。
當長輸管道上發生打孔盜油事件時,本實用新型利用聲音振動預警方法通 過在管壁上固定的振動傳感器檢測管道遭到破壞時的應力波信號,并通過特別 設計的數據釆集和分析處理單元對信號進行綜合處理,當確定是破壞信號時, 通過輸出接口激勵外卡式振動裝置產生特定頻率和幅度的微振動,并把這一振 動信息利用物理接口傳遞給通訊光纜,光纜釆集這一振動信號后,利用光的干 涉原理,經過特定的光路結構及設計的分布式光纖微振動檢測系統,進行事件 的報警和定位。
該技術在重點區域利用管道微振動檢測技術進行打孔盜油等危機管道安全 事故的預警,在整個干線區域利用管道通訊光纜進行重型機械開挖的預警以及 對振動預警系統的傳遞和事件定位,從而更好的結合兩種方法的優點,既解決 振動傳感方法中的通信和供電問題,又解決了利用通訊光纜進行分布式光纖傳感的靈敏度不足問題。整個系統具有監控距離長、靈敏度高、性能穩定的特點, 可實現埋地管道沿線的打孔盜油、機械開挖、等威脅事件的檢測和預警。
本實用新型很好的結合了光纖傳感和振動傳感的優點,既發揮了光纖傳感 無源、無中繼、單套設備可以實現長達幾十公里距離的監控,又彌補了由于鎧 裝、硅管等做了特殊保護的光纜作為光纖傳感對于人工挖掘等低強度管道威脅 事件的探測所存在的一些問題。本系統可利用分布式光纖技術實現管道沿線的 機械開挖預警,又可以利用固定在管道上的振動傳感器接收來自管道破壞的聲 波信號進行預警,然后通過光纜進行定位,從而實現對管道重點區域的監控。
本實用新型將管道同溝鋪設的光纜傳感到的管道沿線的土壤振動和緊貼管 道的振動傳感器釆集的管道遭到破壞時的振動結合起來進行綜合判斷,既可以 實現利用分布式光纖系統進行的管道干線的機械開挖預警,又可以對重點管段 的打孔盜油等管道威脅事故進行預警,實現了雙重預警功能,從而實現在管道 遭到實質性破壞之前的開挖和打孔進行提前預警。是一種經濟實用、性能穩定、 靈敏度高的管道安全預警系統。
圖1振動與光纖傳感相結合的管道安全預警系統 圖2光纖傳感的管道安全預警系統原理框圖
圖3振動預警系統電路原理圖
圖4電荷放大器電路原理圖
圖5帶通濾波器電路原理圖
其中1~6—光纖解調系統的接入端口
la 6a—引導光纖
lb 3b—干線光纜9中的纖芯
7—干線光纜9中的纖芯 8—干線光纜9中的纖芯 9一干線光纜 IO—末端控制器 ll一首端控制盒 12a-12d—光電探測器 13a 13b—光的偏振態控制器 14a 14d—信號調理單元 15—光纖耦合器 16a ~ 16b—模數轉換模塊
17—光隔離器 18—激光光源19一信號處理計算機 21—地表
23—外卡式光纜振動裝置
25—振動信號釆集及處理裝置
27—傳感器及固定裝置
20—光信號解調系統 22—管道同溝光纜
24—信號線 26—信號線 28—管道
具體實施方式
實施例.本例是一實驗樣機,其構成如圖1-圖5所示。
本例中使用的光纖傳感系統對傳統的Mach—Zhender光纖干涉儀進行了改 進,如圖3所示,只需要在光纜的一端放置光信號解調設備,另一端為一特殊 設計的無源的末端控制器。通過光在光纖中兩路傳播的時間差進行定位,實現 了對外界威脅事件的實時定位。
本例的構成如圖l所示,它由光纖傳感管道安全預警系統的管道同溝光纜 22、外卡式光纜振動裝置23、振動信號釆集及處理裝置25、傳感器及固定裝置 27、信號線組成。安裝在埋于地表21下管道28外的傳感器及固定裝置27之輸 出由信號線26接振動信號釆集及處理裝置25的輸入,接振動信號釆集及處理 裝置25的輸出由信號線24連接卡在管道同溝光纜22上的外卡式光纜振動裝置 23的輸入。由傳感器及固定裝置27將測得的振動信號經信號線26送入振動信 號釆集及處理裝置25,經處理后的信號由信號線24輸到外卡式光纜振動裝置 23的輸入,外卡式光纜振動裝置23將振動信號作用于光纖傳感管道安全預警 系統,由光纖傳感管道安全預警系統定位并給出報警信息。
本例使用的振動檢測系統的電原理如圖3所示,它由傳感器、信號調理電 路、光纜信號調制模塊、單片機、數據存儲器、數字信號處理單元、JTAG口及 電源模塊組成。傳感器輸出接信號調理電路,信號調理電路輸出接單片機的輸 入;光纜信號調制模塊與單片機有輸入和輸出連接;有JTAG口的數字信號處理 單元與數據存儲器有輸入和輸出連接,而數據存儲器與單片機也有輸入和輸出 連接;電源模塊為單片機、數字信號處理單元供電。
信號調理電路由電荷放大器、可編程放大器、帶通濾波器、A/D轉換和單 片機組成;數字信號處理單元包括包括低功耗的進行系統邏輯控制及初步運算 的單片機和實現數字信號處理的DSP組成。INV9818傳感器的輸出端Q接電荷放大器的Q端,電荷放大器的Vo端的輸 入端,電荷放大器的增益控制端接單片機MSP430F149的Pi. 1、 Pi. 2,輸出端 Vout接帶通濾波器的Vi端,Vo端接有電壓基準REF3325的A/D轉換ADS8325, A/D轉換ADS8325的CS、 Dclk端分別接單片機MSP430F149的Pi. 3、 UCLKO端, A/D轉換ADS8325的Dout通過SPI接口接SOMIO端;單片機MSP430F149的P2. 6 接馬達電源TPS62110的EN端,馬達電源TPS62110的Vout端接振動馬達 YDM04-CX電源端;單片機MSP430F149的TMS端接JTAG接口 ;單片機MSP430F149 的UTXD1、 URXD1分別接DSP處理器TMS320F2812的SCIRXDA、 SCITXDA端;單 片機MSP430F149的P5. 7、P6[0.. 7] 、P4[0.. 7]分別接FIFO數據交換器IDT72V85 的WR、DA[0.. 7]、DB[0.. 7]端,數據交換器IDT72V85的RD、QA[0. 7]、QB[0.. 7] 端分別接DSP處理器TMS320F2812的XRD、 XD[O.. 7] 、 XD[8.. 15]端,數據 交換器IDT72V85的QA[O.. 7] 、 QB[O.. 7]端分別接存儲器CY711041V33的 D[O.. 7]、 D[8. 15]端,并存儲器CY711041V33的A[O.. 17] 、 WE端分別接 DSP處理器TMS320F2812的XA[0.. 17] 、 XWE端;DSP處理器TMS320F2812的 TDI端接JTAG接口 ; 12V蓄電池輸出經LM2574 、 LM2574和TPS62110分別產生 3. 3VA模擬電源、3. 3VD數字電源和馬達電源。
電荷放大器如圖4所示,是由運算放大器構成的放大器;運算放大器TL081 的輸入端Q接由輸出端Vo經電容Cf的反饋后,接電容Ci后接輸出端Vo經電阻 Rf的反饋,并經并聯的電阻Ri、 C2接運算放大器TL081的"-"輸入端;運 算放大器TL081的"+ ,,輸入端經電阻R2接地。
帶通濾波器如圖5所示,也是由運算放大器構成的;輸入端Vi經電阻R3 接有電阻R4和電容C3并聯負反饋第一運算放大器LM358的"-"輸入端,第 一運算放大器"+ "輸入端接地,輸出經電阻R7接有電阻Rs負反饋的第二運 算放大器LM358的"-"輸入端,第二運算放大器"+ "輸入端接地;第二運 算放大器輸出端Vo經電阻Re接"+ "輸入端接地并有電容C4負反饋的第三運 算放大器LM358的"-"輸入端,第三運算放大器LM358輸出經電阻Rs至第一 運算放大器LM358的"-"輸入端。
這里
傳感器選INV9818; 可編程放大器選PGA202; A/D轉換選ADS8325;
8數據存儲器選CY711041V33;
FIFO數據交換器選IDT72V85;
光纜信號調制模塊選TPS62110;
單片機選低功耗MSP430F149;
DSP處理器選TMS320F2812;
電池組選用N70ZMF-1-1 12V 75Ah蓄電池;
Ri為2kQ;
R2為2kD;
R3為7. 5kQ;
R4為20kQ;
R5為10kD;
Re為20kQ;
R7為15kD;
R8為15kQ';
Rf為100MQ;
Ci為0. luF;
C2為20pF;
C3為0. luF;
C4為0. luF;
Cf為lnF。
圖2是管道安全預警系統的光纖傳感部分原理圖。
圖中1 6為光纖解調系統的接入端口, la 6a為引導光纖,lb, 2b, 3b, 7和8為干線光纜9中的纖芯。IO為末端控制盒,ll為首端控制盒,12a~12d 為光電探測器,13a和13b為光的偏振態控制器,14a 14d為信號調理單元, 15為光纖耦合器,16a和16b為模數轉換器,17光隔離器,18為激光光源,19 為信號處理計算機,20為光信號解調系統。
系統的具體實施過程為,激光光源18發出的光,經過光隔離器17被光纖 耦合器15分成兩束,經過兩個偏振態控制器13a和13b轉換為同一偏振態,然 后分別從光纖解調系統的接入端口 3和4進入引導光纖3a和4a。引導光纖4a(以下簡稱I路)中的光在首端控制器ll按功率l: l被分成相等的兩束分別 進入7、 8兩條單模光纖構成Mach—Zehnder干涉儀的兩臂,在兩束光的傳輸過 程中,當發生管道泄漏、管道周圍施工、打孔盜油等第三方破壞以及自然災害
(如地震、洪水、泥石流、崩塌以及山體滑坡)等外界信號擾動時,兩束光 的光程發生變化,當兩束光在末端控制器10匯合時發生干涉,千涉信號通過l, 6兩條光纖傳回光信號解調系統的1、 2兩個端口被光電探測器12a、 12d將光 信號轉換為電信號。電信號在信號調理單元14a和14d差動輸入模數轉換模塊 16a,數字信號輸入計算機18進行數字信號處理和事件分析。與此同時引導光 纖3a中的光(以下簡稱II路)進入干線光纜9的干線光纜9中的纖芯3b在末 端控制器10被分成兩東進入7、 8兩根單模光纖,在首端控制器11進行干涉, 干涉信號通過引導光纖5a、 6a傳回光信號解調系統20的5、 6兩個端口,通過 光電探測器12c和12d轉換為電信號,通過信號調理單元14c、 14d差動輸入模 數轉換模塊16b,數字信號輸入計算機19進行數字信號處理及分析。
使用計算機對I路或n路信號運用數字信號處理理論進行特征分析,可以
將不同的破壞、威脅事件進行分類,有效的避免虛警和誤報。同時通過I路和 II路兩路光信號傳播到光信號解調系統20的時間差,可以實現對威脅事件的有 效定位。光在光纖中的傳播速度高達2.0xl()8km/S,因此系統的響應時間極短, 在數毫秒內即可實現對威脅事件的定位。
傳感器輸出信號經信號調理電路處理后輸入單片機,單片機、數據存儲器 及數字信號處理單元將釆集的振動信號經處理, 一方面存儲,另一方面輸至光 纜信號調制模塊,加在光纜上。光纖傳感部分原理圖如圖2所示,加在傳感光 纜上的振動信號由光纖傳感傳回光信號解調系統20,通過光電探測器12c和光 電探測器12d兩個光電探測器轉換為電信號,通過信號調理單元14c、信號調 理單元14d的信號調理模塊差動輸入模數轉換模塊16b,數字信號輸入計算機 19進行數字信號處理及分析。
本例使用經過防水處理的振動傳感器固定在管道上,接收管道遭遇破壞時 的振動信號,通過信號調理和AM)轉換后將模擬信號轉化為數字信號送入單片 機進行初步判斷,對于異常信號發給數字信號處理單元進行二次判斷,當發現 信號為針對管道破壞事件時激活后級的光纜外卡式單元,通過光纜將報警信息 發回監控中心。
本系統可以適合于鎧裝、硅管等任意光纜特性,系統具有雙重保護功能,配置靈活,報警準確率高等特點,可廣泛應用于油氣管道的安全預警領域'
權利要求1. 一種應力波與光纖傳感復式管道安全預警系統,其特征是它由光纖傳感管道安全預警系統的管道同溝光纜(22)、外卡式光纜振動裝置(23)、振動信號采集及處理裝置(25)、傳感器及固定裝置(27)、信號線組成;安裝在埋于地表(21)下管道(28)外的光纖傳感器及固定裝置(27)之輸出由信號線(26)接振動信號采集及處理裝置(25)的輸入,接振動信號采集及處理裝置(25)的輸出由信號線(24)連接卡在管道同溝光纜(22)上的外卡式光纜振動裝置(23)的輸入;由光纖傳感器及固定裝置(27)將測得的振動信號經信號線(26)送入振動信號采集及處理裝置(25),經處理后的信號由信號線(24)輸到外卡式光纜振動裝置(23)的輸入,外卡式光纜振動裝置(23)將振動信號作用于光纖傳感管道安全預警系統,由光纖傳感管道安全預警系統定位并給出報警信息。
2. 根據權利要求l所述的應力波與光纖傳感復式管道安全預警系統,其特征是所述振動信號釆集及處理裝置(25)由傳感器、信號調理電路、光纜信號調制模塊、單片機、數據存儲器、數字信號處理單元、JTAG口及電源模塊組成;傳感器輸出接信號調理電路,信號調理電路輸出接單片機的輸入;光纜信號調制模塊與單片機有輸入和輸出連接;有JTAG 口的數字信號處理單元與數據存儲器有輸入和輸出連接,而數據存儲器與單片機也有輸入和輸出連接;電源模塊為單片機、數字信號處理單元供電;傳感器采集管道(28)上的微震動信號通過電荷放大轉換為電壓信號,再經過信號調理電路進行信號處理后輸入單片機,單片機、數據存儲器及數字信號處理單元將釆集的振動信號經處理, 一方面存儲,另一方面輸至光纜信號調制模塊,加在光纜上;如果檢測到信號異常,就激活數字信號處理單元的后級信號處理單元進行進一步的分析處理;當確認為管道威脅事件則激活振動馬達,給傳感光纜施加一振動激勵。
3. 根據權利要求2所述的應力波與光纖傳感復式管道安全預警系統,其特征是所述信號調理電路由電荷放大器、可編程放大器、帶通濾波器、A/D轉換和單片機組成;數字信號處理單元包括單片機和數字信號處理器。
4. 根據權利要求l所述的應力波與光纖傳感復式管道安全預警系統,其特征是所述外卡式光纜振動裝置(23)是由振動馬達和光纜信號調制模塊組成;單片機輸出接光纜信號調制模塊的EN端,光纜信號調制模塊的Vout端接振動馬達的電源端;受單片機輸出控制的光纜信號調制模塊控制加于振動馬達的電源通斷。
專利摘要本實用新型是一種應力波與光纖傳感復式管道安全預警系統。安裝在埋于地表(21)下管道(28)外的光纖傳感器及固定裝置(27)之輸出由信號線(26)接振動信號采集及處理裝置(25)的輸入,接振動信號采集及處理裝置(25)的輸出由信號線(24)連接卡在管道同溝光纜(22)上的外卡式光纜振動裝置(23)的輸入;由光纖傳感器將測得的振動信號經信號線(26)送入振動信號采集及處理裝置(25),經處理后的信號由信號線(24)輸到外卡式光纜振動裝置(23)的輸入,外卡式光纜振動裝置(23)將振動信號作用于光纖傳感管道安全預警系統,由光纖傳感管道安全預警系統定位并給出報警信息。
文檔編號F17D5/00GK201273456SQ20082012292
公開日2009年7月15日 申請日期2008年9月27日 優先權日2008年9月27日
發明者俊 李, 艾慕陽, 譚東杰, 邱紅輝, 娟 鄭, 陳朋超 申請人:中國石油天然氣股份有限公司