利用分布式光纖檢測罐體泄漏的監測系統的制作方法

本發明涉及罐體泄漏檢測領域，具體涉及一種利用分布式光纖檢測罐體泄漏的監測系統。

背景技術：

大型的LNG(液化天然氣)罐體、原油罐體一旦罐體發生破壞或泄漏，極易引發火災、爆炸及中毒事故，造成人民生命和國家財產的重大損失。因此，對大型的LNG(液化天然氣)罐體、原油罐體進行日常監測和預警是非常必要的。

由于LNG(液化天然氣)罐體、原油罐體所處的環境易燃易爆，電類傳感器因其易于產生電火花會引入新的不安全因素，不適合使用。目前最廣泛采用的是聲發射檢測技術，它利用聲發射儀采集信號，從而了解液化氣儲罐的裂紋和缺陷，顯然這種方法難以達到人們對大型液化氣儲罐泄露的長時期、實時在線監測和預警的要求。還有一種方法是，使用光纖光柵溫度傳感探頭進行泄露檢測，但由于罐體龐大的表面積，以及損傷點和泄露點的不確定性，要達到有效監測需要大量的傳感探頭。

目前，6mm孔徑罐體泄漏是世界難題，顯然，聲發射檢測技術和光纖光柵溫度傳感技術都無法滿足如此高精度的定位檢測，如何檢測如此微小孔徑的泄漏是油氣儲運急需解決問題。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明提供的利用分布式光纖檢測罐體泄漏的監測系統，利用光學時域反射技術，能夠對罐體氣體的泄漏點進行快速定位，避免重大事故發生。

本發明提供的一種利用分布式光纖檢測罐體泄漏的監測系統，包括：激光器、波分復用器、纏繞在罐體外的感應光纖、光電轉換模塊、信號處理模塊和報警模塊；所述激光器與所述波分復用器的第一解復用端口連接，所述感應光纖與所述波分復用器的復用端口連接，所述光電轉換模塊與所述波分復用器的第二解復用端口和第三解復用端口連接，所述光電轉換模塊與所述信號處理模塊連接，所述報警模塊與所述信號處理模塊連接；所述激光器用于產生脈沖激光；所述波分復用器用于從所述感應光纖反射回的光中分離出斯托克斯光和反斯托克斯光；所述光電轉換模塊用于將所述波分復用器分離出的斯托克斯光和反斯托克斯光轉換為第一電信號和第二電信號；所述信號處理模塊用于根據所述第一電信號和所述第二電信號，計算得到溫度值和泄漏點的位置信息；所述報警模塊用于若信號處理模塊檢測到泄露，則進行報警。

優選地，所述信號處理模塊具體用于：將所述第一電信號和第二電信號進行模數轉換得到第一數據和第二數據，所述第一數據對應斯托克斯光的強度，所述第二數據對應反斯托克斯光的強度；根據所述第一數據和所述第二數據的比值，得到溫度檢測值；將所述溫度檢測值與溫度標準值進行比較，若溫度檢測值與溫度標準值的差值大于溫度誤差閾值，則根據時間信息，得到泄漏點的位置信息。

優選地，所述根據所述第一數據和所述第二數據的比值，得到溫度檢測值，包括：根據時間信息計算第一數據對應的第一位置信息，存儲在第一位置序列中；根據時間信息計算第二數據對應的第二位置信息；在所述第一位置序列中查找與所述第二位置信息最接近的第一位置信息；根據查找到的第一位置信息和所述第二位置信息的比值，得到溫度檢測值。

優選地，所述根據時間信息，得到泄漏點的位置信息，包括：根據時間信息從坐標數據庫中獲取泄漏點的位置信息，所述坐標數據庫中預先存儲有時間信息與位置信息的關系對應表。

優選地，還包括三維模型匹配模塊，所述三維模型匹配模塊與所述信號處理模塊連接，所述三維模型匹配模塊用于在三維模型中找到與所述位置信息匹配的點，標注匹配到的點，通過顯示器顯示所述三維模型，其中，所述三維模型為根據檢測區域預先構建的。

優選地，所述信號處理模塊具體用于：若所述第一電信號和第二電信號進行模數轉換得到第一數據和第二數據，所述第一數據對應斯托克斯光的強度，所述第二數據對應反斯托克斯光的強度；將所述第一數據偏離第一標準值，且所述第二數偏離第二標準值，則根據時間信息，得到泄漏點的位置信息。

優選地，所述激光器采用光纖激光器。

優選地，所述激光器采用1550納米激光器。

優選地，所述感應光纖的內層涂層為鍍鎳層，外層涂層為SiO₂/EA/PUA雜化材料。

優選地，所述光電轉換模塊包括兩個APD雪崩光電二極管和兩路放大電路。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的利用分布式光纖檢測罐體泄漏的監測系統的結構框圖；

圖2為Raman散射原理圖；

圖3為Raman散射中入射光、反斯托克斯光與斯托克斯光之間的頻率關系圖；

圖4為本發明實施例提供的信號處理模塊中一種信號處理方法的流程示意圖；

圖5為本發明實施例提供的信號處理模塊中另一種信號處理方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明技術方案的實施例進行詳細的描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明的技術方案，因此只是作為示例，而不能以此來限制本發明的保護范圍。

需要注意的是，除非另有說明，本申請使用的技術術語或者科學術語應當為本發明所屬領域技術人員所理解的通常意義。

如圖1所示，本發明實施例提供的利用分布式光纖檢測罐體泄漏的監測系統，包括：激光器、波分復用器、纏繞在罐體外的感應光纖、光電轉換模塊、信號處理模塊和報警模塊。激光器與波分復用器的第一解復用端口連接，感應光纖與波分復用器的復用端口連接，光電轉換模塊與波分復用器的第二解復用端口和第三解復用端口連接，確保斯托克斯光與反斯托克斯光可以分別從第二解復用端口和第三解復用端口輸出，其中，第一解復用端口對應的脈沖激光的工作波長位于斯托克斯光和反斯托克斯光波長的中間。光電轉換模塊與信號處理模塊連接，報警模塊與信號處理模塊連接。激光器用于產生脈沖激光；波分復用器用于從感應光纖反射回的光中分離出斯托克斯光和反斯托克斯光；光電轉換模塊用于將波分復用器分離出的斯托克斯光和反斯托克斯光轉換為第一電信號和第二電信號；信號處理模塊用于根據第一電信號和第二電信號，計算得到溫度值和泄漏點的位置信息；報警模塊用于若信號處理模塊檢測到泄露，則進行報警。

其中，感應光纖纏繞的密度根據檢測的精度而定，纏繞密度越大，檢測精度越高。

光學時域反射技術(OTDR)最初用于評價通信光纖、光纜和耦合器的性能，是檢驗光纖損耗、光纖故障的手段，其工作機理是向被測光纖發射光脈沖，發生拉曼散射現象，在光纖中形成背向散射光和前向散射光，如圖2所示。其中，背向散射光向后傳播至光纖的起始端(也就是激光脈沖的注入端)，由于每一個背向傳播的散射光都對應光纖上的一個散射點，因此，根據背向散射光的行進時間便可判斷出光纖上發生散射點的位置，

其中，c是光在感應光纖中的速度，而t是信號發射后到接收到信號的總時間，IOR是光纖折射率。

本實施例主要利用光在光纖中的Raman(拉曼)散射信號，進行溫度和位置的測量。Raman散射信號的變化與溫度有關，而且Raman散射信號相對容易獲取和分析，如圖3所示，Raman散射會產生兩個不同頻率的信號：斯托克斯光(Stokes)和反斯托克斯光(Anti-Stokes)，斯托克斯光的波長比光源波長長，反斯托克斯光的波長為比光源波長短，例如，如果作為光源的激光器發出的光為1550nm，那么斯托克斯光的波長為1663nm，反斯托克斯光的波長為1450nm。感應光纖受外部溫度的調制使光纖中的反斯托克斯光強發生變化，而斯托克斯光受溫度的影響較小，所以反斯托克斯光與斯托克斯光的比值提供了溫度的絕對指示，利用這一原理可以實現對沿光纖溫度場的分布式測量。通過采集和分析入射光脈沖從光纖的一端(注入端)注入后在光纖內傳播時產生的Raman背向反射光的時間和強度信息得到相應的位置和溫度信息，在得知每一點的溫度和位置信息后，就可以得到一個關于整根光纖的不同位置的溫度曲線。

工作原理如下：監控系統以一個同步信號為起始點，開始工作，激光器接收到同步信號后發射一個脈沖激光，同時，信號處理模塊接收到同步信號后開始計時；脈沖激光經波分復用器進入感應光纖后，產生斯托克斯光和反斯托克斯光，斯托克斯光和反斯托克斯光在傳播過程中發生反射，反射回的斯托克斯光和反斯托克斯光從波分復用器的復用端口進入后被分離，分別從波分復用器的第二解復用端口和第三解復用端口輸出，經光電轉換模塊轉換為電信號后輸入信號處理模塊，進行模數轉換后，根據光學時域反射技術，得到光反射點的溫度值和位置信息；當接收到下一個同步信號即開始下一輪的檢測。一旦罐體內的氣體泄漏，會立刻引起泄漏點溫度的變化，引起光纖中的反斯托克斯光的變化，通過光反射點的溫度值的變化即可確定是否發生泄漏，再根據采集光的時間(以同步信號為起始時間)和光在光纖中的速度即可得到泄漏點的位置信息。

本實施例的監測系統，利用光學時域反射技術對泄漏點進行定位，使得工作人員能夠迅速找到泄漏點進行維修，避免重大事故發生，有效保護人民生命財產安全；發射一次脈沖激光，可同時監測幾十公里光纖覆蓋的監測點，監測面積廣；由于使用光進行檢測，不包含任何用電設備，更加安全，可靠性更高，適用于檢測LNG(液化天然氣)罐體、原油罐體等危險品的泄露。監控中心通過網絡與多臺監測系統連接，將多臺監測系統的數據匯總到監控中心，監控中心即可遠程監控多個區域，節省了人員的投入。

其中，如圖4所示，信號處理模塊中處理信號的步驟具體包括：

步驟S1，將第一電信號和第二電信號進行模數轉換得到第一數據和第二數據，第一數據對應斯托克斯光的強度，第二數據對應反斯托克斯光的強度。

步驟S2，根據第一數據和第二數據的比值，得到溫度檢測值。

其中，計算溫度的公式為：

其中，k為玻爾茲曼常數，h為普朗克常數；c為真空中的光速；ν為入射光頻；T為監測點溫度；T₀為參考溫度；P_as(T)/P_s(T)為溫度T下的兩路信號強度的比值；P_as(T₀)/P_s(T₀)為溫度T₀下的兩路信號強度的比值。

步驟S3，將溫度檢測值與溫度標準值進行比較，若溫度檢測值與溫度標準值的差值大于溫度誤差閾值，則根據時間信息，得到泄漏點的位置信息。

其中，時間信息是以同步信號為起始時間，接收到反射回的斯托克斯光和反斯托克斯光的時間。

其中，溫度標準值為正常狀態下光纖的溫度，溫度標準值可以通過對之前檢測的溫度值進行統計計算得到。

采用閾值來判斷溫度的變化，容易受外界環境溫度的干擾，為了降低外界環境對監測結果的影響，提高檢測精度，步驟S3的優選實施例方式為：記錄一段時間內的溫度檢測值，若單位時間內溫度檢測值發生突變，則認定為發生泄漏，根據時間信息，得到泄漏點的位置信息。外界引起的溫度比較平緩，而泄漏引起的溫度變化較為劇烈，因此，根據溫度突變來判斷泄漏事故的方法抗干擾能力強，有助于降低誤警率。

在利用分布式光纖檢測罐體泄漏的監測系統中，空間分辨率極其重要，它反映著系統最小能分辨的空間單位，直接決定著系統的空間定位的準確度。空間分辨率越高，空間定位精度就越高。此項指標在實際應用中有重要的意義，比如，在石油管道泄漏監測中，如果泄漏區域比較小，只有小范圍的感應光纖能夠感應到，如果系統空間分辨率比較低，就不能及時發現泄漏，即使發現也只能確定到一個比較大的范圍，増加了維修的難度。同樣，在煤礦中也是如此，不能對濕度發生變化的事件位置做出準確的定位和準確預警。因此，提高系統空間分辨率尤為重要。

由于反斯托克斯光和斯托克斯光的波長不同，這會導致在光纖中兩束光的傳播速度不同。由于模數轉換時兩路光的采樣率相同，反斯托克斯光和斯托克斯光的傳播速度不同，那么相同時刻采集的數據將對應著不同光纖位置，這樣就降低了系統的空間分辨率，減小了定位精度。隨著光纖長度的增加，反斯托克斯光和斯托克斯光的光纖位置差也逐漸增大，當光纖長度為10km時，反斯托克斯光和斯托克斯光的光纖位置差可達到10-20m。為了而解決上述問題，提高定位精度，信號處理模塊中的步驟S2進行了優化，如圖5所示，具體實現方式為包括：

步驟S21，根據時間信息計算第一數據對應的第一位置信息，存儲在第一位置序列中。

其中，第一位置信息為當前時刻采集到的斯托克斯光在光纖中的反射點的位置，第一位置序列存儲所有采集到的斯托克斯光對應的第一位置信息。

步驟S22，根據時間信息計算第二數據對應的第二位置信息。

其中，第二位置信息為當前時刻采集到的反斯托克斯光在光纖中的反射點的位置。

步驟S23，在第一位置序列中查找與第二位置信息最接近的第一位置信息。

其中，由于斯托克斯光傳播速度快，同一時刻采集到的斯托克斯光的光纖位置要比反斯托克斯光的光纖位置遠，比如某一時刻，采集到的反斯托克斯光的光纖位置為9.98km，那么此時采集到的斯托克斯光的光纖位置就可能為10km，因此，選擇存儲斯托克斯光對應的第一位置信息，可以實時的在第一位置序列中匹配到與第二位置信息最接近的第一位置信息。

步驟S24，根據查找到的第一位置信息和第二位置信息的比值，得到溫度檢測值。

然后，將溫度檢測值與溫度標準值進行比較，若溫度檢測值與溫度標準值的差值大于溫度誤差閾值，則第二位置信息對應的點即為泄漏點。

本實施例提供的檢測系統能夠檢測0.5℃的溫度變化，空間最小分辨率為0.25米，真正實現分布式監測。

為了快速地得到泄漏點的具體位置，預先構建好時間軸中時間信息與實際物理位置之間的對應關系存儲在坐標數據庫中，實際物理位置的位置信息包括監測點所處的區域、幾號罐體以及罐體的哪個部位，方便監控人員定位，因此，步驟S3具體包括：根據時間信息從坐標數據庫中獲取泄漏點的位置信息。

由于感應光纖分布的范圍比較廣，為了更加直觀地獲得泄露點的具體位置，在安裝整個監測設備時，會根據實際監測的區域預先構建三維模型，并根據光纖的分布情況，在三維模型中標注出來。因此，本實施例的監測系統還包括三維模型匹配模塊，三維模型匹配模塊與信號處理模塊連接，三維模型匹配模塊用于在三維模型中找到與信號處理模塊解算出的位置信息匹配的點，并標注匹配到的點，三維模型通過顯示器顯示。報警模塊發出警報后，顯示器中的三維模型會高亮顯示檢測到的泄漏點，監控人員可以通過顯示器快速地獲取泄漏點所處的區域，在哪個罐體的具體哪個位置。

由于罐體內外較大的壓差，從罐體內泄漏的氣體對感應光纖造成擾動，因此，還可以通過檢測反射光中是否存在幅值較大的擾動信號來檢測泄漏點，其具體檢測方法包括：

步驟S10，將第一電信號和第二電信號進行模數轉換得到第一數據和第二數據，第一數據對應斯托克斯光的強度，第二數據對應反斯托克斯光的強度。

步驟S20，將第一數據偏離第一標準值，且第二數據偏離第二標準值，則根據時間信息，得到泄漏點的位置信息。

其中，第一標準值為正常情況下斯托克斯光的強度，第二標準值為正常情況下反斯托克斯光的強度。

當然，還可以將擾動信號檢測和溫度檢測結合起來，以提高檢測的準確率。

另外，為了提高光纖感應能力，感應光纖采用特殊處理的涂層。感應光纖采用雙層涂層工藝，優選地內層涂層為鍍鎳層，外層涂層為SiO2/EA/PUA(二氧化硅/環氧丙稀酸酯/聚氨酯丙烯酸酯)雜化材料。這種雙涂層，使得感應光纖溫度靈敏度系數高，對溫度具有較好的穩定性，應力靈敏度系數高，提高了溫度的測量精度和準確度。

激光器容易受工作溫暖和工作電流的影響，導致功率和輸出的波長發生改變。當激光器的中心波長發生變化時，在光纖傳播時的衰減也會發生變化，在光纖中自發拉曼散射產生的兩路散射光的波長也會發生改變，同時導致光纖中的損耗系數會發生變化，由于波分復用器中濾波器的帶寬的影響，會使兩路光在波分復用器的損耗也會發生變化，這些因素都會使最終的解調的溫度產生誤差。因此，激光器的輸出光的穩定性一定要高。本實施例中的激光器采用光纖激光器。光纖激光器輸出的光束質量好、穩定性好、結構簡單、體積小、成本低，直接通過光纖輸出脈沖激光，減少了輸出過程中的光能量的損失。

激光器的波長與Raman散射的強度有一定關系，理論表明：激光器的波長與自發拉曼散射光強度成反比，如果要獲得強的自發拉曼散射光的強度可降低激光器的波長，但是波長不是越低越好，波長較低的光在光纖中傳輸損耗較大，傳播距離不是很遠，系統的信噪比得不到保證。激光器波長一般選擇980nm，1310nm或1550nm，其中，1550nm的激光在光纖的傳輸距離比較大，傳輸損耗比較小，本實施例的監測系統中激光器的波長優選為1550nm。

光電探測器在系統主要負責光電信號的轉化，其性能的好壞直接與系統信號的信噪比，穩定性有關。分布式光纖拉曼傳感系統中的需要檢測的斯托克斯光和反斯托克斯光比較微弱，因此需要選用響應度大，增益大的光電探測器。常用的光電探測器主要是PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管。其中，APD雪崩光電二極管具有高靈敏度、噪聲等效功率低的特點，適合微弱信號的檢測。由于斯托克斯光和反斯托克斯光經過光電轉化后，電信號還是比較小，還需要添加放大電路，放大器也要滿足低噪聲、高增益、高帶寬和高轉換速率的特點。為了提高監測系統的靈敏度和監測距離，本實施例中的光電轉換模塊采用兩個響應度大高增益的APD雪崩光電二極管來分別檢測斯托克斯光和反斯托克斯光，并為配有兩路放大電路，用于放大APD雪崩光電二極管采集到的信號，放大電路中的放大器優選具備低噪聲、高增益、高帶寬和高轉換速率的放大器。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求和說明書的范圍當中。