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新型分布式光纤管道泄漏检测技术及定位方法研究概要

第28卷第1期

2008年1月

光学学报

ACTA0PTICASINICA

V01.28,No.1

January,2008

文章编号:

0253—2239(2008)O卜0123一05

新型分布式光纤管道泄漏检测技术及定位方法研究

杭利军1何存富1

吴斌1蔡栋生1宋晏蓉2

,1北京工业大学机械工程与应用电子技术学院,北京100022、

2北京工业大学应用数理学院,北京100022

摘要介绍了一种基于萨尼亚克(Sagnac)干涉仪的直线型分布式光纤管道泄漏监测系统,实时进行管道泄漏监测和定位。

此系统有两条传感光纤,可有效提高管道监测距离。

推导了泄漏信号引起的光信号相位变化表达式;分析了该干涉仪应用于泄漏检测的原理及其泄漏源定位方法,并在分别距两传感光纤末端的法拉第旋转镜为3.990

km和4.024km处进行了泄漏检测实验。

管道泄漏实验结果表明,该系统较准确地确定了泄漏源位置且定位误差小于1.05%.关键词

光纤光学;萨尼亚克干涉仪;分布式光纤传感器;泄漏检测;管道

中图分类号TN247

文献标识码A

Research

on

NovelDistributed0pticalFiberPipelineLeakage

DetectionTechnologyandLocation

Method

Hang

Lijunl

HeCunfulWuBinlCaiDongshen91

SongYanron92

flCollegeofMechanical

EngineeringandAppliedElectronicsTechnology,

Beijing

University

ofTechnology,Bering

100022,China

2College

ofAppliedScience,BeOing

University

ofTechnology,BeUing

100022,China

Abstract

Anin.1inedistributedopticalfibet

sensor

arraybasedOilSagnacinterferometeriSdeveloped,anditisused

to

monitorandlocateleakagetorthefluid—filled(orgas-filled)pipelinesinreal—time.Theadvantageofthe

sensor

is

thatitcan

mcreasemonitoringdistance

byusingtwosensingfibers.Therepresentationofphasechangeforoptic

signal

causedbyleakageisformulated;themonitorprincipleandtheleakage

source

locationmethodforthedetection

systemare

analyzed.TheexperimentiScarried

outat3.990kmand4.024

kmfromFaraday

rotator

mirrorland

Faradayrotatormirror2.respectively.Theresultsverifythatthesystemcan

realizeleakagedetectionandlocate

leakage

source

accurately.andthe

error

islessthan1.05%.

Keywords

fiberoptics;Sagnacinterferometer;distributedopticalfiber

sensor

leakagedetection}pipeline

引言

管道传输具有经济、高效、安全、稳定等诸多优点,因此被广泛应用于石油、天然气、水等流体的运输。

但管道常年埋于地下,容易发生腐蚀、疲劳破损,或泄漏,这不仅带来重大的经济损失而且污染环境,因此研究有效的管道泄漏检测技术,对于保证管

道安全运输极为重要。

分布式光纤传感技术是近年来发展起来的新技术[1 ̄4],具有耐腐蚀、灵敏度高、动态范围大[5],可长距离连续监测的特点。

这类传感器只需一个光源和一条传感线路,集传感和传输于一体,可对沿光纤传输路径上长达数千米甚至数十千米的信息进行测

收稿日期:

2007-03-07;收到修改藕日期:

2007—06-22基金项目:

国家自然科学基金(10572009)资助课题。

作者简介:

杭利军(1979一),男,蒙古族,内蒙古赤峰市人,博士研究生,主要从事光纤传感技术、现代测控技术与方法、无损检测与健康评价、智能仪器与虚拟仪器技术等方面的研究。

E-mail:

hlj@emails.bjut.edu.cn

导师简介:

何存富(1958一),男,山西大同人,教授,博士生导师,主要从事现代测控技术与方法、无损检测与健康评价、智能仪器与虚拟仪器技术等方面的研究。

E-mail:

hecunfu@bjut.edu.cn

 

学学报28卷

量。

因此适合于长输管道的泄漏监测。

2管道泄漏检测原理

图1是将传统的萨尼亚克(Sagnac)干涉仪应用于管道泄漏检测[6],由于系统是环形对称结构,则传感系统会以对称形式感受到物理场,顺时针和逆时针传输的光受到相同的相位调制,导致信号相互抵消,产生互易效应,无干涉信号输出。

因此需要将环状结构的一半光纤设计为非传感光纤与声场隔离(图1中的参考光纤与声场隔离),以避免干涉仪的互易效应。

在工程应用中,此种传感结构将有一半光纤与声场隔离,施工难度和传感器成本都难以接受。

鉴于这种情况,我国台湾学者Wutl-WenLinr71提出了基于萨尼亚克干涉仪的直线形分布式管道泄漏监测系统,但这种直线形结构也有其不足,由于灵敏度的限制,其监测的管道长度受到一定限制,因此有待进一步改进。

Refereneefiber

图1萨尼亚克干涉型管道泄漏检测系统

Fig.1

Pipelineleakagedetectionsystembased

on

Sagnacinterferometer

本文研究的基于萨尼亚克干涉仪的直线型分布式光纤传感器,它可以实现管道泄漏监测与泄漏点定位。

如图2所示,此分布式光纤传感器有两个传感光纤,它们分别与法拉第旋转镜FRMl和FRM2组合,将传统的环形萨尼亚克干涉仪转换成两个直线形萨尼亚克干涉仪,适于复杂管道布放,且保持了传统萨尼亚克干涉仪的零光程差特点。

传感光纤末端的法拉第旋转镜(FRM)不但具有将光按原路反射形成萨尼亚克环的功能,而且可以补偿由于传感光纤双折射引起的“偏振诱导信号衰落阳”’。

相位调制器用来产生高频载波,光电转换器(PDl、PD2)将光信号转换为电信号。

耦合器(图2中1~9)用作分光器,延迟线圈用来调节萨尼亚克干涉仪中顺逆两束光的相位差,避免干涉仪的互易效应。

其中延

迟线圈和相位调制器被两个传感光纤构成的干涉仪共享。

图2直线型分布式光纤管道泄漏监测系统

Fig.2

In-linedistributedopticalfibersensingsystem

forpipelineleakagedectection

光源发出的低相于宽带光,在耦合器1中被分成两束,分别进入耦合器2和耦合器3,耦合器2中输出光的传播路径分别是

1)A—B—C—FRMl一C—H—G—A2)A—G—H—C—FRMl一C—B—A

由于存在延迟线圈,这两条路径传播的光经过泄漏点的时间不同,但在光路中传播经过的路径长度却是相同的,符合萨尼亚克干涉仪零光程差特点,因此形成一萨尼亚克干涉仪。

耦合器3中输出光的传播路径分别是:

3)D—E—F—FRM2一F—H—G—D4)D—G—H—F—FRM2一F—E—D

同样,这两条路径传播的光也符合零光程差特

点,形成萨尼亚克干涉仪。

除了上面提到的两组干涉光外,还有其它光束,但它们都不满足萨尼亚克干涉仪零光程差的特点,因此不会发生干涉。

因此,该分布式光纤管道泄漏监测系统可形成两个独立的萨尼亚克干涉仪,将两条传感光纤沿管道两侧布放,可监测的管道长度为两条传感光纤长度之和。

利用此系统进行管道泄漏检测的原理是,当流体泄漏后,流体与漏孔壁会产生摩擦,从而在管壁激发出应力波(即泄漏声发射信号),使管道振动,同时会有部分声波在空气中传播,这两部分信号作用到光纤上,使光纤的长度和折射率都发生变化,导致光纤中传播的导光相位被调制,其表达式为

△乒=flaL+Lag,

(1)

式中△声为光波的相位变化幅值,口为光波在光纤中的传播常量,L为受到管道泄漏噪音作用的光纤长度。

 

1期杭利军等:

新型分布式光纤管道泄漏检测技术及定位方法研究

125

泄漏信号是宽频信号[9],其作用到传感光纤上,对光纤中传播的光相位调制,光波经泄漏信号调制的相位变化表达式可写为哺j

乒=乒。

sin∞。

t,

(2)

庐。

为光波被调制后相位变化的幅值,叫。

为泄漏信号的角频率。

由于传感光纤形成的两个萨尼亚克干涉仪具有相同的传感原理,因此这里仅分析由路径1和路径2形成的萨尼亚克干涉仪进行管道泄漏监测的原理。

传感光纤l组成的干涉仪中路径1和路径2传输光经泄漏信号调制后的电场表达式分别为

E1=Eloexp{jEco。

t+庐。

sin(c,;(£一r1)+

声。

sinccJ;(z—r2)+妒1]),

(3)

E2一E20exp{j[c£,。

t+≯。

sin叫。

(f—r3)+

j&。

sin(cJ。

(£一“)+钆]),

(4)

式中E,。

和E。

分别为两束光的振幅(由于所用耦合器均为3dB耦合器,故E。

=E。

);垆。

,伫分别为两束光的初相位;甜。

为光的频率;式中r。

为光从A点经B、C第一次传播到泄漏点的时间,rz为光从A点经B、C传播到法拉第旋转镜l,又经法拉第旋转镜1反射后,传播到泄漏点的时间,功为光从A点经G、H、C第一次传播到泄漏点的时间,r。

光从A点经G、H、C传播到法拉第旋转镜l,又经法拉第旋转镜1反射后,传播到泄漏点的时间。

两束光输出的光强为

J=(El+E2)・(E1+E2)’,

(5)

其中干涉项为

J12一Re(ElE2")=

2E20cosF拳。

sin叫。

(f—r1)+≠。

sin叫。

(f—r2)一

拳。

sinCO。

(z一功)一声。

sin09。

(£一/'4)+(卯一妒2)],

(6)

令rd=E(r。

+r。

)一(r。

+r。

)]/2为光传播经过延迟光纤所用时间。

玩一[(r。

一功)+(r2一r1)]/4=掰/c为光从泄漏点传播到法拉第旋转镜FRMl所需时间(s为泄漏点距法拉第旋转镜的距离,f为光在空气中的传播速度,行为光纤的折射率)。

rT=r2+r。

=r,+r4为光传播经过整个萨尼亚克环所用的时间。

由于耦合器均为3dB耦合器,故9。

一妒z=0,因此(6)式可表示为

J12—2E扎cosr4庐。

COS∞。

(f—rT/z)×

sin甜。

(rd/z)cos(co。

矗)].

(7)

通过信号解调技术[10’¨]可将相位差4≠。

COS∞。

(£一rT/2)sin叫。

(rd/2)cos(w^)从干涉信

号中解调出来。

(7)式中,sincc,,(动/2)项将影响传感器的信噪

比,如果sincc,。

(rd/2)值较小,相位差也较小,即信号较弱,容易淹没于噪音中。

因此研制传感器时,要选择合适的延迟光纤长度,使sin∞。

(动/2)在泄漏信号的宽频范围内保持较大值,可提高系统的信噪比。

定位方法

对泄漏信号引起的相位差进行频域分析,当泄

漏发生后,在泄漏信号的宽频范围内会出现某些频率使cosGo。

瓦)一0称为零点频率),即

∞。

r。

=N兀/2,

(8)

式中N为奇数。

对于确定的r。

将有一个或多个0.1。

使(tJ。

r。

.=N,r/2,取N=1。

由(8)式求得L后,再根据L=ns/c可得

S=生=击,

(9)

,2

4nJ

,s为泄漏信号频率,计算出泄漏位置到法拉第旋转镜的距离S,即确定泄漏位置。

灵敏度

根据灵敏度的定义,系统输出变化量与输入增

量之间的比值即为灵敏度。

本系统的灵敏度是指泄漏位置变化As引起零点频率发生相应的变化△厂。

对(9)式取距离的微分,可以得到下式:

df击=赤.(10)击

4珊2。

…7

从(10)式可知,系统的灵敏度是泄漏位置s的函数,并非定值.随着泄漏位置5的增大,df/ds迅速减小。

以泄漏位置s为2.5km和25km为例,其对应的灵敏度分别为df/ds=8Hz/m和df/ds一

0.08

Hz/m,泄漏位置S从2.5km增大到25

km,

灵敏度减小100倍。

随着灵敏度的降低,系统定位误差也会相应增大,为了保证此系统的灵敏度能满足实际要求,则监测距离不能无限长,因此监测距离与系统灵敏度是一对矛盾体。

本文设计的传感器由于同时使用两条传感光纤,而每条传感光纤可单独形成一个传感器,因此在与文献r7-]灵敏度相同的情况下,可实现管道监测距离增加一倍。

实验研究

在实验室条件下进行了管道泄漏实验。

实验装置如图3所示。

管道长700mm,外径74mm,壁厚

mnl,管道上开有一直径为2.5mm的泄漏孔,通

过水泵给管道加入一定压力的水。

使用康宁

 

光学学报

(Corning)单模光纤作为传感光纤,纤芯折射率以一1.5。

传感器中的两个传感光纤均布放于管道外壁,传感光纤1中泄漏点距法拉第旋转镜1的距离为

3.990

km,传感光纤2中泄漏点距法拉第旋转镜2

的距离为4。

024km。

延迟线圈长4km,施加于相位调制器的载波信号频率为96kHz,幅值为2.5

V。

图3管道泄漏检测装置不意图

Fig.3

Diagramofpipelineleakagedetectionequipment

检测系统的宽带光源中心波长1550I]m,带宽

30

nm,功率20mW。

光电转换器为美国NEW

FOCUS公司的1811型光电转换器。

利用NI的数据采集卡和LabVIEW软件对检测信号进行采集和分析‘1

0|。

在管道压力为0.3MPa下,通过传感光纤1和传感光纤2测得的定位结果分别如图4和图5所示。

从图4中可以发现,在12.5kHz附近有明显的波谷,此波谷对应的最低点即为所求的零点频率,数值为12.664kHz。

根据(9)式,可以获得泄漏点至法拉第旋转镜1的距离为3.9482km,绝对误差为

--41.8m,相对误差为1.05%。

图5中零点频率处

显示的数值为12.359kHz。

根据(9)式,可以获得泄漏点至法拉第旋转镜2的距离为4.4563km,绝对误差为21.6m,相对误差为0.54%。

l‘

j滁

~仇

I.,帆j~

’V

11’’1

”卅

‘嘞

lO

15

20

25

30

Frequency/kHz

图4泄漏位置为3990m处的零点频率图

Fig.4

Nullspectrumwithleakposition

at

3990m

为了验证传感系统的稳定性,在泄漏点距法拉第旋转镜2的距离为4024m处进行了15次重复实验,测试数据如图6所示,从图中可以发现,15次测得的数据都在4024m附近,与实际泄漏位置较

吻合。

量I

图5泄漏位置为4024m处的零点频率图

Fig.5

Nullspectrumwithleakpositionat

4024m

+Measured

leakposition

--#--ActuMleakposition

一.八..。

...。

....。

..

l?

'、■—-~、jf一÷\,声‘o声。

、.

35

79

111315

Testtime

图6泄漏位置为4024m处的15次测试数据

Fig.6

Testdata

withleakposition

at

4024m

结论

基于萨尼亚克干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏监测系统,能快速、有效地实现管道泄漏检测,而且在与文献[7]具有相同灵敏度的情况下,通过使用两个传感光纤使系统的监测距离提高一倍。

多次重复实验结果表明,测量的泄漏点定位结果均在实际值4024m附近波动,且最大定位误差在百米左右,因此系统的稳定性及定位精度均可满足实际工程需

要。

但此系统也存在着不足:

实验中发现,测试信号

具有很强的背景噪音,将来可通过信号处理技术(如小波去噪),来改善零点频率的可辨识性,以便进一步提高系统的定位精度。

考文献

SongMuping,ZhaoBin,ZhangXianmin.Brillouinopticalt。

imedomain

analysis

distributedoptic-fiber

sensor

based

on

microwave

electroopticmodulationS-J].ActaOpticaSinica,2005,25(8):

1053~1056

宋牟平.赵斌,章献民.基于微波电光调制的布里渊光时域分

析传感器[J].光学学报,2005,25(8):

1053~1056

JianzhongGao,ZhuangdeJiang,Yulong

Zhao

a1..Full

2lO98765

4444433333∞

{;弓

∞∞∞铀跚

 

杭利军等:

新型分布式光纤管道泄漏检测技术及定位方法研究

127

distributed

fiber

optical

sensor

forintrusion

detection

in

application

tO

buried

pipelines[J].Chin.Opt.Lett.,2005,

3(11):

633~635

SunAn。

ChenJialin,Li

Guoyangd

a1..Detection

of

spontaneous

Brillouin

backscattered

powerindistributedopticalfiber

seiLc,or

system

based

on

high

frequencymicrowavetechnology[J].(^抽.J.Lasers,

2007,34(4):

503~506孙安,陈嘉琳,李国扬等.基于高频微波技术的分布式光纤传感器布里渊散射信号检测[J]。

中国激光。

2007。

34(4):

503~506

Song

Muping,MaZhigang.Optical

signalprocessingin

Brillouin

opticaltime

domainreflector

basedmorletwavelet

transform[J].

Acta

OpticaSinica,2007,27(S):

819~823

宋牟平。

马志刚.基于经典小波变换的布里渊光时域反射计光信号处理[j].光学学报.2007,27(5):

819~823

T.G.Giallorenzi,J.A.Buearo。

A.Dandridged

a1..0pticalfiber

sensor

technology[J].IEEEJ.Quant.Electron.,1982。

QE-18(4):

626~665

J.P.Kurmer。

S.A.Kingsley,J.S.Laudoet

a1..Distributedfiber

optic

acoustic

sensor

forleak

detection[c].Proc.SPIE,

1991,1586:

117~128目7WuuwenLin.Novel

distributedfiberoptic

leakdetection

system

LJ].J.Opt.Engng.,2004,43(2):

278~279

Li

Zhineng,Shen

Liang。

YeXianfeng.Study

of

polarization-

insensitive

fiber

optic

Michelsoninterferometricsensors[J].-,.

动巧iangUniversity(EngineeringScience),2002,36(1):

44~

46

李志能,沈梁,叶险峰.偏振无关的Michelson光纤传感器的

研究[J].浙江大学学报(工学版),2002,36(1):

44~46

W.A.Wassef。

MN.Bassim,№Houssny-Emamd

a1..Acoustie

emission

spectradue

to

1eaksfromcircularholesand

rectangular

slits

[J].J.Acous.Soc.Am.,1985。

77(3):

916~923

10

He

Cunfu.Hang

I。

ijun.WuBin.Applicationof

homodyne

demodulationsystemforfiber

optic

sensors

usingphasegenerated

carrierbased

on

LabVIEW

inpipelineleak

detection[c].P,-DC.

SPJE,2006,6150:

61502Gl~61502G6

11

Kuang

Wu,ZhangMin,Wang

Liweid

a1..Data

acquisition

methodfordigitalphasegeneratedcarrierdemodulationsystem

of

optical

fiber

inerferometers[J].Chin..,.Lasers,2005,32(8):

1086~1090

匡武。

张敏,王利威等.光纤干涉仪数字相位生成载波解调系统数据采集单元设计[J].中国激光,2005。

32(8);1086~1090

 

新型分布式光纤管道泄漏检测技术及定位方法研究作者:

作者单位:

杭利军,何存富,吴斌,蔡栋生,宋晏蓉,HangLijun,HeCunfu,WuBin,CaiDongsheng,SongYanrong杭利军,何存富,吴斌,蔡栋生,HangLijun,HeCunfu,WuBin,CaiDongsheng(北京工业大学机械工程与应用电子技术学院,北京,100022,宋晏蓉,SongYanrong(北京工业大学应用数理学院,北京,100022光学学报ACTAOPTICASINICA2008,28(14次刊名:

英文刊名:

年,卷(期:

被引用次数:

参考文献(11条1.宋牟平.赵斌.章献民基于微波电光调制的布里渊光时域分析传感器[期刊论文]-光学学报2005(082.JianzhongGao.ZhuangdeJiang.YulongZhaoFulldistributedfiberopticalsensorforintrusiondetectioninapplicationtoburiedpipelines[期刊论文]-ChineseOpticsofLetters2005(113.孙安.陈嘉琳.李国扬基于高频微波技术的分布式光纤传感器布里渊散射信号检测[期刊论文]

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