面向管道安全監測的R-OTDR分布式光纖測溫系統*

佟敬闊,靳寶全,2*,王 東,王 宇,余 輝,白 亮

(1.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室,太原 030024;2.煤與煤層氣共采國家重點實驗室,山西 晉城 048012)

實際工程應用中油氣輸送管道的鋪設距離長且大多埋藏在地下,特別是油氣開采地大多數處在山區,地質環境比較復雜。管道長期埋藏在復雜的環境中會因腐蝕、地質沉降等原因造成泄漏事故。此外還有人為破壞、管道自身缺陷等原因都可能引起管道泄漏事故[1]。目前油氣管道泄漏是輸送線運行的主要故障,因此,對油氣管道泄露監測系統的研究及應用成為確保輸送管道安全運行急需解決的問題[2]。

早期主要采用人工巡檢方式對管道安全進行監測,隨后逐步采用在線監測技術,其方法主要有平衡法、負壓波法和應力波法等[3]。近年來以光纖為傳感元件及傳光介質的新型傳感技術為管道安全監測提供了一種新思路。光纖傳感器本身具有重量輕、體積小、方便鋪設、靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、不產生電火花以及可以實現分布式、實時在線監測等特點,可以替代傳統的電學傳感器完成強電磁干擾、腐蝕性強、長距離環境下分布式、實時在線溫度、振動[4]等信號檢測。近年來,光纖傳感檢測技術已經廣泛應用于煤礦火災監測[5]、隧道火災監測[6]、輸氣管道泄漏檢測[7-8]等領域,基于這些研究成果,將分布式光纖測溫技術應用于管道安全監測方面將會有極好的前景。

1 技術原理

管道發生泄漏后,泄露處附近的溫度會發生變化。原油需要加熱輸送,若輸送管道發生泄漏,泄漏點周圍溫度會升高;對于輸氣管道,由于焦耳-湯姆遜效應,輸氣管道泄露點周圍溫度會下降[3]。為此本文提出一種基于自發拉曼散射效應和光時域反射原理(R-OTDR)的分布式光纖溫度檢測方法用于管道安全的分布式、實時在線監測,依據管道泄漏點溫度的變化來判斷管道是否泄漏。R-OTDR分布式光纖測溫系統的技術原理如圖1所示。

圖1 R-OTDR分布式光纖測溫系統技術原理圖

微處理器通過串口控制脈沖激光器,脈沖激光器輸出的脈沖光通過1×3波分復用器(WDM)耦合進入傳感光纖中,光纖中產生的多種微弱后向散射光經波分復用器分離后得到對溫度敏感的拉曼反斯托克斯光信號(Anti-Stokes)和對溫度不敏感的拉曼斯托克斯光信號(Stokes)[9],雙通道光電探測器將接收兩種散射光信號轉換為電信號并放大,脈沖激光器在發出脈沖光的同時觸發雙通道數據采集卡進行信號采集,采集卡將采集到的兩路電信號傳輸至微處理器進行定標和解調運算;R-OTDR分布式光纖測溫系統能夠同時實現溫度測量和空間定位,其中溫度測量采用光纖中產生的拉曼斯托克斯散射光通道作為參考通道,用拉曼反斯托克斯后向散射信號與斯托克斯后向散射信號的光強比值來解調溫度信息,參考光纖段對應的光強比值和溫度值作為標準,用于溫度的標定。傳感光纖距離L處的反斯托克斯和斯托克斯拉曼后向散射信號的光強比值可以表示為[10]:

(1)

內置參考光纖溫度T0對應的反斯托克斯和斯托克斯拉曼后向散射信號的光強比值可以表示為:

(2)

式(1)與式(2)的比值可以表示為:

(3)

對式(3)中等式兩邊同時取對數可得:

(4)

最后可得傳感光纖沿線L環境溫度值為:

(5)

式中:φa和φs分別為反斯托克斯和斯托克斯拉曼后向散射信號的光強,Va和Vs分別為反斯托克斯和斯托克斯散射光的頻率,h為普朗克常量,c為光速,k為玻爾茲曼常量,Δv為拉曼聲子頻率。T和T0都是開爾文絕對溫度。可見,傳感光纖距離L處的環境溫度值T可以通過探測到的R(T)、R(T0)、T0和Δv計算得出,上述即為拉曼散射測溫原理[11]。R-OTDR分布式光纖測溫系統利用光時域反射(OTDR)技術實現空間定位功能,與傳統的光時域反射儀相似,即通過在光纖注入端探測脈沖光在光纖中傳輸過程中產生的后向散射信號,兩者對比計算得到從發出脈沖光到接收到后向散射光信號所用的時間t,根據公式:L=ct/2n,實現光纖沿線定位功能,n為傳感光纖折射率。

2 系統結構設計

整個系統包括硬件和軟件兩大部分,其總體結構框圖如圖2所示。下面分別對硬件系統結構和軟件系統功能進行詳細描述。

圖2 R-OTDR分布式光纖測溫系統總體結構框圖

2.1 硬件系統結構及組成介紹

硬件系統主要包括高功率脈沖激光器、1×3波分復用器、光接收系統、數據采集系統、信號處理及存儲器以及顯示和聲光報警等部分。選用中心波長為1 550 nm,脈沖寬度5 ns～100 ns可調,重復頻率0.01 kHz～100 kHz可調的高功率脈沖激光器發出脈沖光;選用工作波長為1 450 nm、1 550 nm和1 660 nm,透射隔離度>35 dB,插入損耗<1.5 dB的1×3波分復用器用于耦合濾波;選用帶寬120 MHz,光譜響應范圍900 nm～1 700 nm雙通道光電探測器作為光接收系統將散射光信號轉換為電信號,經前置放大器放大后傳輸至數據采集系統;數據采集系統選擇雙通道12 bit A/D,100 MS/s采樣率的高速數據采集卡;選用工控機為中央處理器控制激光器驅動及監控系統、數據采集系統以及顯示和聲光報警系統;數據采集卡將采集到的數據輸入內部存儲器,中央處理器讀取內存數據進行溫度信息的解調運算,溫度解調結果通過便于操作的8.9寸液晶觸摸屏顯示,通過聲光報警系統實現報警。選用62.5/125 μm漸變型多模光纖作為傳感光纖。

2.2 軟件系統設計

R-OTDR軟件系統的設計采用LabVIEW圖形化編程軟件進行界面的開發及相應功能的實現,該系統主要包括激光器監控、數據采集和信號處理溫度解調顯示三大部分。激光器監控部分通過調用激光器軟件設置激光器重復頻率和脈沖寬度等參數并監控其工作溫度和輸出功率;數據采集部分通過調用數據采集卡的動態鏈接庫文件設置采集卡采樣長度和觸發方式等參數,利用激光器同步觸發采集卡的方式在激光器發出脈沖光的同時開始采集數據,實現散射點的精確定位;信號處理及溫度解調和顯示部分采用循環的方式實現采集數據的累加平均,同時結合小波降噪的方法使系統信噪比得到顯著提高,采用雙路信號解調方法獲得溫度曲線,設置溫度報警閾值,溫度數據的存儲和歷史數據的查詢、顯示。軟件系統流程如圖3所示。

圖3 系統軟件流程圖

3 系統性能測試及現場實驗

3.1 系統測溫精度及響應時間

在24 ℃環境溫度下,將總長10.35 km的傳感光纖置于環境中,并將光纖一端連接到該系統的探測端口,采用數字累加平均融合小波降噪的方法[12-13]進行對比實驗,結果如圖4所示。圖4(a)為1 000次累加平均結果,單次測量時間為1.09 s,圖4(b)為1 000次累加平均加小波降噪結果,單次測量時間為1.16 s,圖4(c)為10 000次累加平均結果,單次測量時間為2.64 s,圖4(d)為10 000次累加平均加小波降噪結果,單次測量時間為2.65 s。從圖4(a)和圖4(c)對比可以看出,在10 km監測距離內10 000次累加平均結果相比1 000次累加平均結果,測溫精度提升了2.7倍,從圖4(b)和圖4(d)對比可以看出,在10 km監測距離內10 000次累加平均加小波降噪結果相比1 000次累加平均加小波降噪結果,測溫精度提升了3倍。采用數字累加平均融合小波降噪的方法時系統的動態響應時間小于3 s,同時使系統在10 km距離內測溫精度提高到±1 ℃,具備檢測由于管道泄漏造成的微小溫度變化的能力。

圖4 不同累加平均次數及小波降噪效果

3.2 系統溫度監測距離

在22 ℃環境溫度下,將總長10.2 km的傳感光纖置于環境中,光纖一端連接到該系統的探測端口,并將986 m處一段探測光纖和9 215 m處一段探測光纖放入同一恒溫槽中,恒溫槽溫度為44.6 ℃,使用該系統進行分布式光纖測溫實驗。10 km的光纖溫度檢測結果如圖5所示,圖中有兩個溫度峰值位置分別為986 m處和9 215 m處,兩個溫度峰值與恒溫槽溫度值一致,表明系統在10 km監測距離內溫度傳感檢測效果一致,能夠實現首尾變化同時監測。

圖5 10 km的光纖溫度檢測結果

3.3 系統測溫量程

在24 ℃環境溫度下,將總長10 km的傳感光纖置于環境中,將光纖一端連接到該系統的探測端口,并將8 550 m處一段探測光纖放入恒溫槽中,以酒精為降溫介質,使用該系統進行分布式光纖低溫實驗。在同樣的環境溫度下,將同一探測光纖放入高溫烘箱中進行分布式光纖高溫測量實驗。測溫結果整體分布如圖6所示,圖中從上到下的溫度為+200 ℃～-25 ℃。系統測溫范圍寬,能夠滿足管道沿線火災引起的大幅度溫度變化監測能力。將普通傳感光纖更換為耐高溫光纖,可以實現更高的測溫量程[14]。

圖6 測溫結果整體分布

3.4 系統定位精度

實驗中對該系統進行定位精度測試,測量8組光纖的已知標定位置,標定位置與該系統測量結果如表1所示。將系統測量結果和標定位置相比較可以看出8組測量結果中最大誤差為2 m,因此可知該系統在10 km監測范圍內定位精度≤2 m。

表1 系統定位測量結果表 單位:m

3.5 現場實驗

在山西省沁水縣煤層氣集輸管道鋪設現場進行測試。傳感光纜緊貼管道鋪設,監測管道沿線溫度分布情況。該系統現場測試如圖7所示。

圖7 R-OTDR系統現場測試圖

實驗中在沿線隨機選取一處位置模擬管道發生泄漏引起的升溫現象,使用該系統進行測量。測試結果如圖8所示。測試結果表明,該系統能夠提供管道沿線溫度分布信息,快速定位在1 920 m處有明顯的溫度變化并做出報警提示。

圖8 現場測試結果

4 結束語

本文提出了面向管道安全監測的R-OTDR分布式光纖測溫系統,基于對管道沿線溫度的檢測來監測管道的安全狀況。針對長距離管道沿線泄漏引起的微小溫度變化或火災引起的大幅溫度變化的檢測需求,通過實驗論證了該系統可以實現在10 km溫度監測距離內測溫精度±1 ℃,測溫量程為-25 ℃～+200 ℃,定位精度≤2 m,系統動態響應時間<3 s。并經過現場實驗驗證了該系統能夠快速判斷和精確定位管道泄露點或火災發生的位置。該系統的提出可以為長距離管道的分布式、實時在線安全監測與預警提供借鑒和參考的方案,在管道安全監測方面將會有很好的應用前景。

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