光纤光栅分布式传感系统及其输气管道泄漏检测


光纤光栅分布式传感系统及其输气管道泄漏检测  陈富强,等

光纤光栅分布式传感系统及其输气管道泄漏检测
陈富强1 ,李  霞2 (1 煤炭科学研究总院重庆研究院  重庆,400037) (2 重庆慧都科技有限公司  重庆,400014) 摘   要 : 针对传统方法难以精确诊断输气管道泄漏的难题,提出采用分布式光纤光栅( F B G ) 传感技术实现天 然气管道泄漏的在线监测技术。利用光纤光栅温度传感器和分布式光纤温度传感器的温度特性,结合天然气管道 泄漏处的温度场变化规律,进行了光纤光栅分布式检测系统和分布式光纤泄漏检测系统研究。着重分析了光纤光 栅分布式传感系统的构成及其原理,介绍其具有其它传感系统无法比拟的优越性及应用领域,并初步建立了光纤 检测系统实施方案。 关 键 词 : 光纤布喇格光栅;分布式;管道;泄漏检测 Abstract: This article provided a techniche of using Fiber Bragg Grating (FBG) sensors to mornitor natural gas pipeline leak in real time, which sovled the promblem that traditional methods can't diagnose the gas pipeline leak in high precision. It discussed FBG system and distributed optical fiber leak detection system based on their temperature features and the temperature change rules of natural gas pipeline leak.It analysed the principle and structure of FBG system and distributed optical fiber leak detection system, and introduced the advantages of the systems. finally, a project using this techniche was
showed.

Key words: Fiber bragg grating FBG ; Distributed ; Conduit ; Leakage-detect 中图分类号:T P 2 1 6            文献标识码:B            文章编号:1 0 0 1 - 9 2 2 7 ( 2 0 0 9 ) 0 3 - 0 1 3 6 - 0 2

0  引 言 管道运输已经成为继铁路、公路、水路、航空运输 以后的第五大运输工具,它是石油和天然气最经济的长 距离输送方式。随着长时间的运行磨损、设备的老化、 地理和气候环境的变化以及人为损坏等原因,故障经常 发生,甚至会造成火灾、爆炸、中毒、上网等恶性事 故。管道的泄漏不仅给生产、运营单位造成巨大的经济 损失,而且会对环境造成破坏,严重影响沿线居民的身 体健康和生命安全。因此,建立管道监测系统有着重要 的意义。 管道检测技术的传统方法主要有:热红外成像、探 地雷达(G P R )、气体成像、探测球法、半渗透检测管 法、泄露检测电缆法、放射性示踪剂检测法、负压波 法、压力梯度法、体积或质量平衡法、压力点分析法 (P P A )、压力梯度法、小波变换法、互相关分析法、实 时模型法、统计决策法、基于系统辨识法、基于神经网 络法、声波法等。这些方法在实际应用中遇到很大的困 难。而光纤光栅具有感知和传输双重功能,具有直径 小、柔韧性好、质量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、传输频
收稿日期: 2 0 0 9 - 0 4 - 1 0 作者简介: 陈富强(1 9 8 0 - ) ,重庆万州人、大学本科,助工, 主要从事工业安全监控及系统研发。

带宽、便于波分和时分复用,可进行分布式传感。当今 智能材料传感器被广泛应用于管道检测。 1  基 本 理 论 连续分布式光纤光栅测温系统,采用先进的高频脉 冲激光技术、光纤喇曼光谱技术、光波分复用技术、光 时域反射技术、高频信号采集技术以及微弱信号处理技 术,实现了长距离敷设光纤上各点温度的实时监测。本 系统由布设在监测现场的光纤或光缆感温,具有在高电 压、强腐蚀、核辐射和强电磁干扰等恶劣环境下工作、 可进行连续空间测温等显著优点。测量光缆按温度监测 需求布设于待测温的混凝土内,可轴向布设,也可沿横 断面方向布设,同时也可以根据温度监测范围的需要扩 大或缩小光缆的布设范围。可实时动态捕获光缆所经区 域任意位置的温度情况。光纤温度的分布式测量,采用 的是连续分布式R OT D R 测温技术( 即拉曼光时域反射技 术,图1 ) ,其基本测量原理在于光纤内传输的光在光纤 沿程各点存在后向散射,这一后向散射信号特性部分依 赖于散射位置光纤的温度。尽管因温度引起的散射光强 度变化很少,但利用先进的光信号频谱处理分析技术, 可准确确定后向散射各点的位置和与之相对应的温度,

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《自动化与仪器仪表》2009 年第 3 期(总第 143 期) 最后获得光纤沿程各点温度的分布测量,目前分布式光 纤温度测量系统对温度的分辨率可达0 . 1 ℃,空间定位精 度可达1m。 本系统采用分布式光纤感温方式:当在光纤中注入 一定能量和宽度的激光脉冲时,它在光纤中向前传输的 同时不断产生后向喇曼散射光,这些后向喇曼散射光的 强度受所在光纤散射点的温度影响而有所改变,散射回 来的后向喇曼光经过光学滤波、光电转换、放大、模- 数 转换后,送入信号处理器,便可将温度信息实时计算出 来,同时根据光纤中光的传输速度和后向光回波的时间 对温度信息定位。由于后向喇曼散射光的强度非常微 弱,因此测温系统需要非常高的处理增益、非常低的噪 声电平才能检测到该信号;同时为了实现足够高的空间 定位精度,系统必须具有足够高的时间分辨率,即带宽 和采样频率。 图2 是连续分布全光纤测温主机的原理框图。 质活跃区,较易发生气体泄漏,感温光缆可埋设在管道 一侧靠下的部位,也可在两侧布设感温光缆,增加感温 区域,系统工作时,给光纤中注入一定能量和宽度的激 光脉冲,光缆加热4 ℃~5 ℃( 加热温度主要依据光缆所处 部位的温度梯度和泄漏浓度而定)即可。图5 ( a ) 及图5 ( b ) 为某实测光缆加热前后的温度沿程分布情况,从图中可 以看出,对光缆加热后,整条光缆的平均温度上升幅度 为4 ~5 ℃左右,然而,由于光缆所处的某些部位存在泄 漏,加热后的光缆温度沿程分布明显地出现了3 个温度极 小值,即光纤所处部位的温度没有出现上升的现象,3 个 温度极小值出现部位所对应的光缆刻度分别为9 0 m 、 4 5 1 m、1 3 0 4 m ,这也就是可能出现泄漏的部位。

图5(a)  感温光缆加热前

图1   分布式光纤测温系统工作原理示意图

图5(b)  感温光缆加热后

3    结束语 光纤光栅分布式传感系统应用于管道检测是近年发 展的热点,它在实现物理量测量的同时可以实现信号的 传输,在解决信号衰减和抗干扰方面有着无法比拟的优 势。同时将流量、压力、密度、粘度等管道和流体信息
图2  连续分布全光纤测温主机原理框图

进行采集和处理, 通过建立数学模型或通过信号处理, 或 通过神经网络的模式分类,或通过模糊理论对检测区域 和信号进行模糊划分, 利用粗糙集理论简约模糊规则, 从 而提取故障特征等基于知识的方法进行检测和定位。另 外本系统还可应用于电力、冶金、石油、化工、煤矿等 领域的温度监测以及应用于消防火灾报警领域。他的推 广应用,为实现自动化集中控制与检测奠定了基础。 参考文献

2    系统组成及应用 系统由分布式光纤测温系统、感温光缆、数据采集 分析、数据通信接口、上位机软件等组成。

图3  分布式传感系统



姜德生,何 伟.光纤光栅传感器的应用概况[J].激光技术,2000 年,第24卷第3期



舒军星.输油管道泄漏监测技术及在胜利油田中的应用[J].管 道技术与设备,2005.6

图4  分布式传感系统



杨  杰,王桂增.输气管道泄漏诊断技术综述[J].化工自动化及 仪表,2004,31(3):1~5

应用示例:某天然气管道全长约2 0 k m ,多处处于地

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