面向管道安全監(jiān)測的R-OTDR分布式光纖測溫系統(tǒng)*

佟敬闊,靳寶全,2*,王 東,王 宇,余 輝,白 亮

(1.太原理工大學(xué)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(yīng)用中油氣輸送管道的鋪設(shè)距離長且大多埋藏在地下,特別是油氣開采地大多數(shù)處在山區(qū),地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜。管道長期埋藏在復(fù)雜的環(huán)境中會因腐蝕、地質(zhì)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(jiān)測系統(tǒng)的研究及應(yīng)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(jiān)測,隨后逐步采用在線監(jiān)測技術(shù),其方法主要有平衡法、負壓波法和應(yīng)力波法等[3]。近年來以光纖為傳感元件及傳光介質(zhì)的新型傳感技術(shù)為管道安全監(jiān)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(shè)、靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、不產(chǎn)生電火花以及可以實現(xiàn)分布式、實時在線監(jiān)測等特點,可以替代傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器完成強電磁干擾、腐蝕性強、長距離環(huán)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(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤礦火災(zāi)監(jiān)測[5]、隧道火災(zāi)監(jiān)測[6]、輸氣管道泄漏檢測[7-8]等領(lǐng)域,基于這些研究成果,將分布式光纖測溫技術(shù)應(yīng)用于管道安全監(jiān)測方面將會有極好的前景。

1 技術(shù)原理

管道發(fā)生泄漏后,泄露處附近的溫度會發(fā)生變化。原油需要加熱輸送,若輸送管道發(fā)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(yīng),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(fā)拉曼散射效應(yīng)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(jiān)測,依據(jù)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(tǒng)的技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 R-OTDR分布式光纖測溫系統(tǒng)技術(shù)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(fù)用器(WDM)耦合進入傳感光纖中,光纖中產(chǎn)生的多種微弱后向散射光經(jīng)波分復(fù)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(zhuǎn)換為電信號并放大,脈沖激光器在發(fā)出脈沖光的同時觸發(fā)雙通道數(shù)據(jù)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(biāo)和解調(diào)運算;R-OTDR分布式光纖測溫系統(tǒng)能夠同時實現(xiàn)溫度測量和空間定位,其中溫度測量采用光纖中產(chǎn)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(diào)溫度信息,參考光纖段對應(yīng)的光強比值和溫度值作為標(biāo)準,用于溫度的標(biāo)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(nèi)置參考光纖溫度T0對應(yīng)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(shù)可得:

(4)

最后可得傳感光纖沿線L環(huán)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?？梢?傳感光纖距離L處的環(huán)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(tǒng)利用光時域反射(OTDR)技術(shù)實現(xiàn)空間定位功能,與傳統(tǒng)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(chǎn)生的后向散射信號,兩者對比計算得到從發(fā)出脈沖光到接收到后向散射光信號所用的時間t,根據(jù)公式:L=ct/2n,實現(xiàn)光纖沿線定位功能,n為傳感光纖折射率。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分,其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。下面分別對硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)功能進行詳細描述。

圖2 R-OTDR分布式光纖測溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成介紹

硬件系統(tǒng)主要包括高功率脈沖激光器、1×3波分復(fù)用器、光接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、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(diào),重復(fù)頻率0.01 kHz～100 kHz可調(diào)的高功率脈沖激光器發(fā)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(fù)用器用于耦合濾波;選用帶寬120 MHz,光譜響應(yīng)范圍900 nm～1 700 nm雙通道光電探測器作為光接收系統(tǒng)將散射光信號轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)前置放大器放大后傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選擇雙通道12 bit A/D,100 MS/s采樣率的高速數(shù)據(jù)采集卡;選用工控機為中央處理器控制激光器驅(qū)動及監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及顯示和聲光報警系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集卡將采集到的數(shù)據(jù)輸入內(nèi)部存儲器,中央處理器讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)進行溫度信息的解調(diào)運算,溫度解調(diào)結(jié)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(tǒng)實現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計

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

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

3 系統(tǒng)性能測試及現(xiàn)場實驗

3.1 系統(tǒng)測溫精度及響應(yīng)時間

在24 ℃環(huán)境溫度下,將總長10.35 km的傳感光纖置于環(huán)境中,并將光纖一端連接到該系統(tǒng)的探測端口,采用數(shù)字累加平均融合小波降噪的方法[12-13]進行對比實驗,結(jié)果如圖4所示。圖4(a)為1 000次累加平均結(jié)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(jié)果,單次測量時間為1.16 s,圖4(c)為10 000次累加平均結(jié)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(jié)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(jiān)測距離內(nèi)10 000次累加平均結(jié)果相比1 000次累加平均結(jié)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(jiān)測距離內(nèi)10 000次累加平均加小波降噪結(jié)果相比1 000次累加平均加小波降噪結(jié)果,測溫精度提升了3倍。采用數(shù)字累加平均融合小波降噪的方法時系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)時間小于3 s,同時使系統(tǒng)在10 km距離內(nèi)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(shù)及小波降噪效果

3.2 系統(tǒng)溫度監(jiān)測距離

在22 ℃環(huán)境溫度下,將總長10.2 km的傳感光纖置于環(huán)境中,光纖一端連接到該系統(tǒng)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(tǒng)進行分布式光纖測溫實驗。10 km的光纖溫度檢測結(jié)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(tǒng)在10 km監(jiān)測距離內(nèi)溫度傳感檢測效果一致,能夠?qū)崿F(xiàn)首尾變化同時監(jiān)測。

圖5 10 km的光纖溫度檢測結(jié)果

3.3 系統(tǒng)測溫量程

在24 ℃環(huán)境溫度下,將總長10 km的傳感光纖置于環(huán)境中,將光纖一端連接到該系統(tǒng)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(zhì),使用該系統(tǒng)進行分布式光纖低溫實驗。在同樣的環(huán)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(jié)果整體分布如圖6所示,圖中從上到下的溫度為+200 ℃～-25 ℃。系統(tǒng)測溫范圍寬,能夠滿足管道沿線火災(zāi)引起的大幅度溫度變化監(jiān)測能力。將普通傳感光纖更換為耐高溫光纖,可以實現(xiàn)更高的測溫量程[14]。

圖6 測溫結(jié)果整體分布

3.4 系統(tǒng)定位精度

實驗中對該系統(tǒng)進行定位精度測試,測量8組光纖的已知標(biāo)定位置,標(biāo)定位置與該系統(tǒng)測量結(jié)果如表1所示。將系統(tǒng)測量結(jié)果和標(biāo)定位置相比較可以看出8組測量結(jié)果中最大誤差為2 m,因此可知該系統(tǒng)在10 km監(jiān)測范圍內(nèi)定位精度≤2 m。

表1 系統(tǒng)定位測量結(jié)果表 單位:m

3.5 現(xiàn)場實驗

在山西省沁水縣煤層氣集輸管道鋪設(shè)現(xiàn)場進行測試。傳感光纜緊貼管道鋪設(shè),監(jiān)測管道沿線溫度分布情況。該系統(tǒng)現(xiàn)場測試如圖7所示。

圖7 R-OTDR系統(tǒng)現(xiàn)場測試圖

實驗中在沿線隨機選取一處位置模擬管道發(fā)生泄漏引起的升溫現(xiàn)象,使用該系統(tǒng)進行測量。測試結(jié)果如圖8所示。測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)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(xiàn)場測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文提出了面向管道安全監(jiān)測的R-OTDR分布式光纖測溫系統(tǒng),基于對管道沿線溫度的檢測來監(jiān)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(zāi)引起的大幅溫度變化的檢測需求,通過實驗論證了該系統(tǒng)可以實現(xiàn)在10 km溫度監(jiān)測距離內(nèi)測溫精度±1 ℃,測溫量程為-25 ℃～+200 ℃,定位精度≤2 m,系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)時間<3 s。并經(jīng)過現(xiàn)場實驗驗證了該系統(tǒng)能夠快速判斷和精確定位管道泄露點或火災(zāi)發(fā)生的位置。該系統(tǒng)的提出可以為長距離管道的分布式、實時在線安全監(jiān)測與預(yù)警提供借鑒和參考的方案,在管道安全監(jiān)測方面將會有很好的應(yīng)用前景。

[1] 黃程,翟富超,范高. 輸氣管道泄漏與防治方法研究[J]. 化學(xué)工程與裝備,2016,10:67-68,189.

[2] 胡炎興. 輸油管線泄漏監(jiān)測技術(shù)研究[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備,2011(3):19-21,47.

[3] 涂勤昌,韋波,張真毅,等. OTDR型分布式光纖傳感器在油氣管道監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備,2015(3):28-31.

[4] 吳瑞東,王宇,王東,等. 光纖振動傳感系統(tǒng)相位調(diào)制模塊的嵌入式設(shè)計[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2017,30(2):200-205.

[5] 單亞鋒,馬艷娟,付華,等. 分布式光纖測溫系統(tǒng)在煤礦火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2014,27(5):704-708.

[6] 付華,謝森,徐耀松,等. 光纖布拉格光柵傳感技術(shù)在隧道火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2013,26(1):133-137.

[7] 韓玲娟,王強,楊其華,等. 基于分布式光纖傳感的水下輸氣管道泄漏檢測與定位分析[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2015,28(7):1097-1102.

[8] 余輝,靳寶全,王云才,等. 用于煤層氣管道泄漏檢測的R-OTDR技術(shù)[J]. 煤炭技術(shù),2016(8):181-183.

[9] 張明江,李健,劉毅,等. 面向分布式光纖拉曼測溫的新型溫度解調(diào)方法[J]. 中國激光,2017(3):219-226.

[10] Fukuzawa T,Shida H,Oishi K,et al. Performance Improvements in Raman Distributed Temperature Sensor[J]. Photonic Sensors,2013,3(4):314.

[11] 朱海鵬,金鐘燮. 基于多模光纖的分布式喇曼測溫系統(tǒng)[J]. 光子學(xué)報,2015(1):75-79.

[12] Saxena M K,Raju S,Arya R,et al. Raman Optical Fiber Distributed Temperature Sensor Using Wavelet Transform Based Simplified Signal Processing of Raman Backscattered Signals[J]. Optics and Laser Technology,2015,65:14-24.

[13] 呂媛,秦祖軍,梁國令,等. 融合數(shù)字累加平均和小波變換的信號降噪測試[J]. 微型機與應(yīng)用,2015,34(7):13-15.

[14] 佟顯義,宋麗萍. 光纖高溫傳感器研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J]. 光通信技術(shù),2014,10:8-10.