光纤传感技术在长输管道的泄漏检测与定位中的应用图文精.docx
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光纤传感技术在长输管道的泄漏检测与定位中的应用图文精
北京工业大学
硕士学位论文
光纤传感技术在长输管道的泄漏检测与定位中的应用
姓名:
孙文韬
申请学位级别:
硕士
专业:
光学
指导教师:
宋晏蓉
20070501
摘要
由于自然腐蚀、老化以及人为破坏等原因,长输管道泄漏时有发生,造成了巨大的经济损失、环境破坏甚至人员伤亡。
因此对于管道泄漏的检测与定位技术的研究就具有重大意义.目前,分布式光纤传感器的研究是国内外无损检测领域的一个热点,但是,虽然国内外针对用于大型结构健康监测的分布式光纤温度、应变传感器进行了许多卓有成效的研究工作,但这些传感器一般用以检测静态损耗和变化缓慢扰动,不适合管道泄漏实时检测,并且对小泄漏不敏感。
迄今为止,国内外还没有形成一套完善的、有效的用于长距离管道泄漏实时监测的分布式光纤传感系统。
本课题特点在于,采用基于Sagnac效应的分布式光纤声学传感器对管道泄漏进行检测和定位。
综述了管道泄漏监测的现状和使用的传统方法,以及分布式光纤传感技术的历史、现状和发展方向等内容。
理论上研究了泄漏声发射信号对光信号的相位调制机理和泄漏声信号的光学参数表征;讨论了Sagnac非互易相位调制的干涉原理,并用此原理设计了分布式光纤声学传感器:
从理论上讨论了压电陶瓷(PZT)模拟声发射信号的机理,并设计了用于模拟泄漏信号的PZT相位调制器。
阐述了偏振控制器的工作原理,比较了几种常用的偏振控制器,给出了描述传
输光偏振态的方法及偏振角的计算方法。
。
将分布式光纤声学传感器应用到管道泄漏检测系统中,首先判断是否有泄漏发生,并对泄漏点进行定位。
在实验室条件下进行了实验研究。
采用环形结构,当系统总长10.044kin时,测量结果与实际泄漏点相对误差为0.44%;采用直线型结构,在系统总长为14.59kin时,测量结果与实际泄漏点相对误差为3.8,6.关键词:
Sagnac效应:
分布式光纤传感;泄漏检测:
偏振
Abstract
’Long-distancepipeleakageisaseriousproble∞aber..allseoftheirrust,aging锄dman-mad屺aestroyedwlfiehcouldresultsinhugeee,onomiclosses,environmentpollution,钾饥peopledeatlLItisveryimportanttod0SoI'nCresearchonpipeleakagedeteelingandpositioning.Distrib/ltedfiberflensol"¥ystemsateresearelaedrecently.Althoughtheream
manyfi'uitfulproduetiom
Ondistributedfibertemperature鲥矗Iso幅andothersensors,tlaesc3aⅪ娜air'e:
designedto
detectsmilestatewastageorslowclmage,couldnottodealwithlittleleakageeffectively.Sofar,thereisnotasuitofpI矧融吒effectivedistributed
fibers即_sofsy吐锄usedinlong-distancepipeleakagedetecting.
,Here,OUI"maintaskistodetectandpositionleakage
po缸using¥agmc-baseddistributedfiber剐m剐璃.
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part,胛SUmuptheactualityofpipeleakagedetectingandsonictraditiomImethodswhiela蹴alreadyⅨist.Summarizetlxclais:
lory,aet越ty。
fatttrcdevelopmentandotheraspectsofthedistributedfiberSCI强OI'S.
Theprinciplesoffibersa坫。
幅.especiallytheprinciplesofphasemodulationa托expatiated.Theinllueneesofthemodulationofthelightsi掣1alOIltheleakagesignalw骶diseu∞cdtheoretically.Accordingtotheno--reciprocitytheory,develol蜮l¥agnae-baseddistributedfiberSallSOI'.Intkispaper,WcdiscussedthemechanismofPZT
phasemodulatorandusedit
tosimulatetransmitacousticsig.a1.Theprincipleofthepolarizationeonlrollerwasillustratedand
SOIllCcommonpolarizationeonlrollers帐compared.Some
methodstodescribelightpolarizationandhowtoaeeolmtpolarizedangle、Ⅳe佗discussed.Long-distancepipeleakagedetectionusingdistributedfiberaeottstieIBCIfltl01曙w罄researelaed.Withtheloop刚卫北:
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linestructure,therelativedifferencebetweentherealleakagepositionandthecalculatedomwas3.8%whenthesystemis14.59kin—long.
Keywords:
¥agmeEtl'ect;DismlmtedFiber∞'liJOg;1月ka.gcl蒯ou;PolarizationⅡ
独创性声明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
签名:
硷垒捡日期:
2212:
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关于论文使用授权的说明
本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即:
学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
(保密的论文在解密后应遵守此规定)
签名:
豳!
盘拯导师签名:
燧日期:
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1.1引言
第1章绪论
现代管道运输起始于19世纪中叶,自1865年SamuelVanSychel在美国宾夕法尼亚洲泰特期绍尔油田内建成世界上第一条输油管道(管径50mm,长8km)至今,管道运输业已有近140年的历史。
管道具有特殊优势,尤其是在输送气体、液体等物质的时候其优势就更加明显,因此,管道运输业已经成为与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输手段之一..
1958年,我国在克拉玛依油田建成了第一条长距离输油管道【11;此后,随着大庆、辽河、胜利等油田的开发,我国的长输管道建设进入了一个新的发展时期。
截至2004年底,我国已经建成天然气管道总长度2.2万余公里。
其中,陆上管道已超过2万公里,海洋管道达2000多公里,目前在建和拟建的管道总里程也有2万多公里,城市天然气管网也以前所未有的速度在发展【2埘。
城市供水系统也是极为庞大的管道网络。
2002年底,仅北京市区供水管线总长度就达到6417公里【..”。
管道运输主要用于能源输送,普遍用于石油、天然气、液化石油气,化工原料等的输送。
在全球已建成的230多万公里管道中,输气管道占近60%,原油管道和成品油管道各占15%多,化工和其他管道不足10%。
目前,世界管道总长度已超过了世界铁路总里程,成为能源运输的主要方式,世界上100%的天然气、85%以上的原油的运输是通过管道输送实现的。
在发达国家,成品油的远距离运输主要靠管道。
欧美发达国家和中东产油区的油品运输现已全部实现了管道化【‘】。
但是,由于老化、腐蚀、人为损坏等原因,管道泄漏事件频频发生。
总的来说,我国的大型油气管网敷设技术己达到或接近国际先进水平,能够成功地在各种地质条件复杂、地理环境特殊的地区建设油气管道。
但是,管网运行安全检测技术相当落后,而且由于管道所传输的介质的危险性和污染性,一旦发生事故将会造成巨大的生命财产损失和环境污染。
,
因此,对长输管道泄漏检测和定位技术的研究具有很高的学术和工程实用价值,可为流体管网泄漏的测定、评估和安全管理提供科学对策和方法。
1.2管道泄漏检测
、
1.2.1管道泄漏检测的现状国内外对管道泄漏检测方法的研究已经有几十年的历史了,但是由于管道泄漏检测的复杂性,管道输送介质的多样性、管道所处环境的多样性、泄漏形式的多样性等等,现在没有一种简单、可靠、通用的方法能够很好地解决管网的各种泄漏的检测问题。
1.2.2管道泄漏检测的传统方法
管道泄漏检测技术从不同的侧重点出发有不同的分类方法:
按采用的技术不同可分为基于硬件的方法和基于软件的方法;按检测方式不同可分为外部检测法和内部检测法;按是否依赖管网流体力学参数可分为依赖管网流体力学参数的方法和不依赖管网流体力学参数的方法。
虽然检测技术的分类各不相同,但总结起来,国内外管道泄漏检测的传统方法主要有:
(1)负压波法当管道泄漏时,泄漏点的压力会突然下降,因此在流体中会产生一个瞬态负压波,负压波沿管道向上下游传播。
由于管道的波导作用,负压波可传播数十公里的距离。
根据负压波向上下游传播的时间差和负压波的传播速度即可以对泄漏进行定位l”】.负压波检漏法的特点是能迅速地检测出大的泄漏,对于检测过程中突然爆发的泄漏检测效果好,但对于比较小的泄漏或者缓慢泄漏效果不佳.特别是,当泄漏已经发生,负压波法将失去检测能力.
(2)管道爬机法将管道爬机从一端放入管道,顺流而下,利用超声波、涡流、录像等技术采集有关管道内流动和管壁完好程度的信息【l“”。
在国外,这项技术已经比较成熟,并己用于各种管道检测中,该方法检测准确,精度较高;但是,对管道要求严格,只适用于没有太多接头和转弯的管道。
(3)声发射技术(AcousticEmission。
简称AE)利用流体泄漏时引发的沿管壁传播的应力波来判断泄漏和定位。
作为一种动态无损检测方法,声发射技术可以实现对结构区域或整体的大范围检测,检测效率较高,因此该方法对于管道的泄漏监测具有潜在的特殊优势【14J”.但是,由于泄漏声发射信号及影响其传播因素的复杂性,使得泄漏声发射检测技术推广应用于工业管道泄漏检测面临一些亟待解决的问题,如信号解释问题、定位问题和噪声剔除问题等【l“.
(4)流量平衡法基于管道流体流动的质量守恒关系,根据管道进出口的流量测量值,结合管道中流体的流量分析,确定管道是否发生泄漏【l”.该方法简单直观,2
但是不能定位,而且对任何一个扰动都很敏感,易造成误检。
(5)压力坡降检测法基于正常输送时站间管道的压力波降呈斜线,当泄漏发生时,漏点前的流量变大,坡降变陡,而漏点后流量变小,坡降变平,因此,沿管线的压力坡降呈折线状。
折点即为泄漏点,据此可算出实际泄漏位置‘”1.
1.2.3光纤传感器检测管道泄漏
目前,光纤因其抗电磁干扰能力强、电绝缘、耐腐蚀、重量轻、灵敏度高,测量对象广泛等优点已经开始取代一些传统的传感技术,并且应用于各种外界物理量的测量中121]。
目前广泛应用于长输管道的泄漏检测中。
光纤传感器的基本原理是m】:
光波在光纤中传播时表征光波的特征参量(强度、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力.应变、磁场、电场、位移、转动等)的作用而间接或直接的发生变化,从而可使光纤用作传感元件来探测各种物理量。
与传统传感器相比,光纤传感器具有其独特的优势:
1.灵敏度高。
光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。
尤其是在测量一些特殊物理量的时候,如加速度、磁场、水声等,光纤传感器的灵敏度显著要高于一般传感器。
2.重量轻、体积小。
光纤除了具有重量轻、体积小的优点外还可绕曲,这对于制作不同外型和尺寸的传感器提供了很大的方便和可能。
3.抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀.由于光纤传感器是利用光波传输信息,而且光纤又是耐腐蚀、电绝缘的传输煤质,因此光纤传感器安全可靠,尤其适用于检测石油化工等强电磁干扰和易燃易爆的恶劣环境中。
4.对被测介质影响小、成本低、易于复用。
此外,由于同时获得的信息量大,单位时间所需的费用大大降低,性价比很高,所以很适合长距离管道泄漏的实施监测。
光纤传感器按传感原理可分为非功能型和功能型。
非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量变化,而光纤仅作为传输煤质,所以又称作传光型传感器。
功能型光纤传感(分布式光纤传感)系统原理则是同时利用光纤做为传感敏感元件和传输信号介质,采用先进的OTDR技术,探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化,实现真正分布式的测量。
本文中采用分布式光纤传感技术,以下所说的光纤传感即为分布式光纤传感。
3
I.3分布式光纤传感技术
1.3.1分布式光纤传感技术的研究历史
在光通信系统中,光纤被用做远距离传输光波信号的媒质。
显然,在这类应用中,光纤传输的光信号受外界干扰越小越好.但是,在实际的光传输过程中,光纤易受外界环境因素影响,如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变化。
因此,人们发现如果能测出光波参数的变化,就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小,于是产生了光纤传感的构想..
上世纪70年代,科学家首次将低损耗光纤用于传感而非通讯目的的实验[191.但是受到光源光功率特别是光纤传输损耗的限制,光纤传感器诞生之初,主要进行单点测量,还不能实现长距离分布式测量。
然而随着大功率光源和低传输损耗光纤的出现,使长距离分布式光纤传感成为可能。
自从上个世纪80年代首个分布式光纤传感原理被提出以来嗍,随着研究的深入,光纤传感在多个领域得到了广泛运用.由于它具有可以获得被测量信息在时间上和空问上连续分布的特点,以及光纤作为传感元件的诸多优点,非常适用于工程结构监测。
1976年Barnoski提出了光时域反射(0TDR)技术,这是实现分布式光纤传感的关键技术。
J.P.DaMn等m1在1987年提出了一种基于Sagnac和Nach-Zehnder干涉仪组合的新型分布式光纤传感系统对沿光纤长度上的扰动进行检测和定位。
1991年Kllrma"等开发了基于sa弘∽效应的分布式光纤声学传感器[55蚓。
来检测用以保护地下电缆的管道内绝缘液的泄漏。
根据检测空间范围的不同,分布式光纤传感器可以分为全分布式光纤传感器和准分布式光纤传感器.下面我们主要介绍全分布式传感技术.
1.3.2全分布式光纤传感技术
全分布式光纤传感技术使利用一根光纤作为延伸的敏感元件,光纤上的任意一段既是敏感单元又是其它敏感单元的信息传输通道,因而可获得被测量的沿此光纤空间和时间变化的分布信息。
它消除了传统传感器存在的“盲区”,从根本上突破了传统的单点测量限制,是真正意义上的分布式光纤传感器。
另外,由于全分布光纤传感器利用一根光纤取代大量的分立传感器,大大降低了造价,可以获得较高的性价比,因此在检测中越来越广泛应用.
全分布式光纤传感技术的方法主要有光时域反射法(唧dcal
Domain‘
Reflectometry-OTDR)和干涉法。
1.3.2.1光时域反射法光时域反射(OTDR)技术是由Barnoski“1在1976年提出的,是实现分布式传感的关键技术。
它的基本原理是光源发出的光在沿光纤向前传输的过程中产生后向散射,后向散射光强在向后传播过程中随着距离增长而按一定规律衰减,在光速不变的情况下,距离与时间成正比;因此根据探测器探测到的后向散射光强及其到达探测器的时间,就可以知道沿光纤路径上任一点的初始后向散射光强。
图1-1是基于后向散射的光纤分布式传感器的测量原理图:
图卜1后向散射光纤传感器原理(驯
Fig1-1Backscatterflbefsensorprinciple
当光通过被测物理场时,光的能量一部分沿着光纤传输通道继续传播:
一部分在传输过程中被吸收损耗或是散射至光纤外;一部分被耦合至接收通道,被光电探测器探测。
后向散射光强的数学表达式为:
P(f)=鲁晶s(f)q(咖xp[—缸(f)]
(1—1)
式中尸r砂一一t时刻后向反射到光纤入射端的光功率;
c。
一一光脉冲在光纤中传播速度;
尼一—输入光功率:
S俐一一后向反射因子:
口.(t)一一单位散射系数;
口(t)一—光散射和光吸收系数沿光程上积分和的一半.
光的后向散射包括瑞利散射(RayleighSca士Ie*ring)、拉曼散射(RamanScattering)和布里渊散射(BdllouinScattering)三种形式。
(1)基于瑞利散射的分布式光纤传感技术瑞利散射是由光纤材料不均匀导致光纤的折射率不均匀所引起的,它是光与物质之间发生的弹性散射,在散射过程中
不发生频移。
光的后向散射中,瑞利散射的光功率比拉曼散射和布里渊散射的光功率大很多,因此,主要通过测量瑞利后向散射光强的变化来进行扰动定位.当窄带光脉冲被注入到光纤中时,系统通过测后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰减。
瑞利散射的光功率为:
足(Z)=%syo'eoexp(-2CtoZ)
(1-2)
式中z一一距光纤注入端的距离;
%一一光纤的衰减系数;
.B一一光纤注入端的脉冲功率;
S一一后向散射系数;如一一与光纤瑞利散射截面有关的系数。
当激光脉冲在光纤中传输时,在光纤中产生瑞利散射。
利散射光返回到光纤入射端所需的时间为t,则有:
’~三:
三w
,.
2,距入射端L处的局域瑞(I-3)式中’,一一光在光纤中的速度,且y=二
刀
C一一真空中的光速:
矗一一光纤折射率.
在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中,一般采用光时域反射(OTD鼬结构来实现被测量的空间定位.OTDR技术可以确定光纤的损耗,光纤故障点、断点的位置.因此,根据OTDR技术的特性可以将其应用到分布式光纤传感技术中,用以进行沿光纤长度上的扰动定位。
(2)基于拉曼背向散射的分布式光纤传感技术激光脉冲注入光纤,由于非弹性散射而产生拉曼散射,其中背向拉曼散射中因分子能级间的转换,包含有高于入射光频率的斯托克斯光(Stokes)和低于入射光频率的反斯托克斯光(anti.Stokes).斯托克斯光和反斯托克斯光的光强表达式分别为:
B(z)=K—s嵋晶oxp[(一口。
一口s)ZqR,CT)
,.、只(z):
K。
Sv麓exp[(一%一%)z]凡(r)
‘1—4’式中
%,髟一一与光纤斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射截面有关的系数;
S一一光纤的背向散射因子:
6
略,屹一一斯托克斯和反斯托克斯散射光子频率;
‰一一入射光光纤传输损耗;
%一一斯托克斯散射光光纤传输损耗:
%一一反斯托克斯散射光光纤传输损耗;.
Z一一光纤待测局域处长度;
B(r),兄(r)一一与光纤分子低能级和高能级上布居数有关的系数。
由于反斯托克斯光强大于斯托克斯光强,且对温度敏感,因此可通过光时域反射技术测量背向散射的反斯托克斯光强,得到沿光纤长度各点的温度分布。
但由于拉曼散射光强较弱,且存在环境噪音影响,所以用这种方法测量温度分布,距离短、信号弱、空间分辨力低.因此我们采用双通道双波长比较的方法来提高测温精度。
以光强较大的反斯托克斯光作为信号通道,斯托克斯光作为参考通道,通过两者比较解调温度㈣。
(3)基于布里渊散射的分布式光纤传感技术布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程,在不同的条件下,布里渊散射又分别以自发散射和受激散射两种形式表现出来。
利用布里渊散射技术测量温度和应变较拉曼散射有更多的优点:
其信号较强(约比拉曼散射大lOdBt纠)。
如果用单模光纤作为传感光纤,其工作波长可为1550nm和1330rim。
特别地,1550nm是光纤的第三个窗口波长,光信号的衰减和色散都很小,适用于长距离测试。
因此,基于布里渊散射的分布式光纤传感器较基于拉曼散射的分布式光纤传感器有更好的发展潜力。
基于布里渊散射的分布式光纤传感技术主要有布里渊时域分析法(BrillouinopficMfibertimedomain
analysis-BOTDA)和布里渊时域反射计法(BrilloaiaopdcalfibertimedomainReflectome:
try-BOTDR).其主要区别在于BOTDR利用自发布里渊散射,只需要单端测量,实际使用方便;而BOTDA则需要两个光源,系统较复杂,但是精度要高一些。
1.3.2.2干涉法光纤干涉型传感器主要是利用被测对象对敏感元件的作用,使敏感元件的折射率或传播常数发生变化,而导致光的相位变化,使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化,通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量,从而得到被测对象的信息【200】。
干涉式光纤传感器以其具有的高灵敏度、大动态范围等特点[3tl,近年来得到了快速发展,且一些传感器已经得到了广泛应用,如光纤陀螺、水听器等等。
随着光纤传感技术的快速发展,越来越多的人开始着手研究用于长时间、大面积、实时监测的传感器,而分布式传感技术恰能满足这一要求。
干涉型传感器是我们所研究的7
重点,其原理将在下一章详细分析.
1.3.3分布式光纤传感技术的发展方向
虽然,这二三十年来,随着光电子技术突飞猛进的发展,光纤传感技术也有了长足的进步,但是,光纤传感技术的现状仍然远远不能满足实际需要,还有许多有待解决的问题。
近些年来,虽然世界各国科研人员对各种各样的光纤传感机理进行了大量的研究和开发,但是,被人们寄予厚望的光纤传感器始终没有成为主导传感技术.还有很多问题需要研究解决.为了实现高效、精确的测量,今后还有在以下几个方面继续努力:
1.传感器的实用化研究,提高测量系统的测量范围,减少测量时间,提高传感系统,尤其是传感器的性价比.
2.新传感机理的研究,开拓新型光纤传感器。
3.将新型光纤材料(如,增敏和去敏光纤、荧光光纤、电极化光纤等)用于传感系统,以适用于不同的测量要求。
,
4.充分发挥微处理技术和计算机软件功能以改善和补偿光纤传感器的性能。
形成数字化、集成化、自动化的光纤传感系统.
1.4本文的主要研究内容
分布式光纤传感器的研究是国内外无损检测领域的一个热点,但是,虽然目前国内外针对用于大型结构健康监测的分布式光纤温度、应变传感器进行了许多卓有成效的研究工作,但这些传感器一般用以检测静态损耗和变化缓慢扰动,不适合管道泄漏实时检测,并且对小泄漏不敏感。
迄今为止,国内外还没有形成一套完善的、有效的用于长距离管道泄漏实时监测的分布式光纤传感系统.
本课题特点在于,采用基于Sagnac效应的分布式光纤声学传感器对管道泄漏进行检测和定位。
文章结构如下:
第一章绪论,综述了管道泄漏监测的现状和使用的传统方法,以及分布式光纤传感技术的历史、现状和发展方向等内容.
第二章介绍了光纤传感原理,主要对相位型光纤传感理论进行了阐述.理论上研究了泄漏声发射信号对光信号的相位调制机理;研制了基于Sagnac非互易相位调制干涉原理的
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