專利名稱：管道滲漏定位分布式光纖溫度傳感監測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及管道工程滲漏安全防范設備領域，是一種管道滲漏定位分布式光纖溫度傳感監測裝置。
背景技術：
管道是能源工業地下運輸的重要組成部分，它廣泛用于液體和氣體的運輸。根據實際應用的不同，其技術標準、安全技術的要求和測得的數據也有很大的不同。滲漏檢測系統對于防止造成經濟損失和環境污染是非常有必需的，當管線中的油氣發生泄漏或在管線附近有機械施工和人為破壞等事件發生時，產生的應力或沖擊力將改變光纖的特征與損耗，通過對光纖背向散射光功率和光纖輸出光功率的測量，對損耗大小和頻率的分析，發現并確定位油氣管線泄漏和外部可能對管線造成破壞的事件，提高油氣管線的監測水平。而近年的管道泄漏災害，直接威脅著人民的生命和安全，且缺乏有效、科學的監測方法和手段。
發明內容
本實用新型的目的是向本領域提供一種管道滲漏定位分布式光纖溫度傳感監測裝置，使其可以解決傳感器的油氣管線泄漏智能在線監測方法尚未完善的技術問題。即在油氣管線附近與油氣管線并行鋪設一條或幾條光纜，利用光纖作為傳感器，對油氣管線進行實時監測；在光纖的一端(油氣管線的輸入端或輸出端)，設置一套DTS主機，并和計算機連接，利用計算機對數據進行分析和融合，獲得管線周圍的溫度變化的特征信息。當管線中的油氣發生泄漏時，泄漏點的溫度與該處未泄漏時的溫度不一樣，沿管道鋪設的光纜溫度信息就發生了變化，通過DTS主機對光纜中光纖的背向散射光大小的測量和定位，可以得到整條光纜(被光纜監測管道)的溫度分布曲線，通過對整條光纜溫度分布曲線分析或者泄漏前后光纜溫度分布曲線的對比，可以發現并確定油氣管線泄漏所處的位置，從而提高油氣管線的監測水平。這種實時監測技術是將光纖傳感器應用于油氣管線的領域，為及時排除故障提供了科學依據。本實用新型的監測裝置是采用如下設計方案實現的
一種管道滲漏定位分布式光纖溫度傳感裝置，所述的分布式光纖溫度傳感器監測裝置簡稱為DTS，根據溫度探測的滲漏定位DTS裝置，它是由雙向耦合器(BDC)、波分復用器(OWDD)、光電二極管(SPD)和(AMP)、放大器、采樣平均累加器(SP)、計算機(COMPUTER)、驅動器(DRIVER)、激光二極管組件(LD)和傳感光纜所組成，其特征是雙向耦合器(BDC)的一端連接傳感光纜；雙向耦合器(BDC)另一端與波分復用器(OWDD)、光電二極管、放大器與采樣平均累加器(SP)連接；驅動器(DRIVER)與激光二極管組件(LD)連接，激光二極管組件再與雙向耦合器(BDC)耦合連接。
所述的傳感光纜設有兩種結構，其一是一般傳感光纜(圖1)，芯部是光纖3，光纖的外層是金屬中心保護套管4，金屬中心保護套管的外層是防水絕緣層5，防水絕緣層的外層是芳綸纖維2，芳綸纖維的外層是外保護層1；其二是加熱傳感光纜(圖2)，在圖1的結構中，即在芳綸纖維2的載體或者中心套管中增設至少一條的絕緣加熱導電體6。
傳感光纜沿著管線鋪設，這樣就為長久監控整條管線和管線周邊的溫度提供了科學依據。監控長度將長達25公里以上。一旦發生絕緣層損壞或管線泄漏，溫度將明顯變化，這種變化帶動了鋪設在管道周圍光纜的溫度變化，用DTS測量，準確定位管道滲漏位置(圖7)，定位誤差在3m以內，圖中的a、b、c、d分別為四條測得的溫度與距離的曲線。由于根據焦耳-湯姆生(絕熱膨脹)效應，在氣體管道中高壓氣體在泄漏時，體積擴大，溫度降低，產生局部冷卻，這樣，沿著管路一個被DTS系統探測到的局部冷卻點表明存在泄漏。DTS系統探測液體管道滲漏方法由于管道中流動的液體(例如石油)溫度相對于周圍溫度較高，滲漏到溫度較低的光纜上，沿著管路一個被DTS系統探測到的局部熱點表明存在泄漏；如果管道中液體溫度與鋪設光纜的溫度一樣或者接近，可以利用加熱光纜，把光纜溫度升高，滲漏處的溫度比較低，這樣，沿著管路一個被DTS系統探測到的局部冷卻點表明存在泄漏。DTS系統測量技術不僅能識別泄漏存在，而且能準確定位。利用DTS分析工具，可以從明顯的溫度變化中識別局部泄漏，提供完整的溫度分布曲線圖，而且通過設定來提供沿探測光纜用戶定義區域的實時數據分析。這些區域根據最高溫度，最低溫度，平均溫度及溫升/降速率，分別設置不同的報警級別。DTS系統的嵌入式軟件使其能夠獨立運行，通過預先編程到DTS中，或在現場連接到一臺PC機上，通過工程師來設置，或通過調制解調器連接來遠程設置作為選擇。
當管線直埋在地下時，為了得到較好的結果，而不產生誤報，光纜應安裝在管線附近對氣體管線來說，光纜的最好位置是管線的上面10cm處(光纜鋪設示意圖A見圖3)，由于氣體一般比空氣輕，滲漏氣體向上擴散(如圖8、圖9所示)，光纜一般鋪設在管道上方；在特殊情況下，光纜亦可穿進高壓氣體管線中。對液體管線來說，光纜的最好位置是管線的下面10cm左右處(光纜鋪設示意圖B見圖4)，由于液體一般比空氣重，滲漏液體向下流動，光纜一般鋪設在管道下面。如果光纜中還包括通訊光纖，多模光纖應放在分開的管中，并賦予各自的顏色，為了得到較好的結果，而不產生誤報，光纜應安裝在管線附近，對氣體管線來說，光纜的最好位置是管線(12點鐘位置)的上面10cm處和日溫浮動的滲透深度以下，在特殊情況下，光纜亦可穿進高壓氣體管線中。同時，為了不產生監測盲點，光纜不希望緊貼管道鋪設，否則管道側面的滲漏有可能監測不到或者影響監測的靈敏度。光纜的最大輸送長度通常可長達25KM。光纜連接應用高質量的連接器連接，連接點放在管線的控制范圍內。對那些連接器不能放在可以使用的探孔中，連接處和電纜末段應放在一個特制的連接盒中，以免受到機械損傷和濕氣。沿著管線的每段光纜的位置和長度，所有連接點以及光纜與地面的距離都應準確地記錄在案。管道也需要有同樣的說明，指出正確的位置。
當液體管線在坑道線里，光纜可安裝在坑道底部的混凝板的上面(光纜鋪設示意圖C見圖5)。
通過DTS主機對光纜中光纖的背向散射光大小的測量和定位，可以得到整條光纜(被光纜監測管道)的溫度分布曲線，通過對整條光纜溫度分布曲線分析或者泄漏前后光纜溫度分布曲線的對比，可以發現并確定液體/油(圖10)、氣(圖8)管線泄漏所處的位置，從而提高油(液體)氣管線的監測水平。
圖7中a曲線為用DTS系統監測到的某一段距離的地面溫度，光纜鋪設在其地下；b曲線為用DTS系統監測到的鋪設在地下同一段距離光纜未滲漏的正常溫度，由于天氣較冷，地下的溫度比地面高；c和d等曲線為用DTS系統監測到的同一段光纜不同滲漏時間的滲漏溫度曲線，隨著滲漏時間的增加，滲漏溫度和變化范圍也增加。這是滲漏體溫度比光纜鋪設環境溫度高的監測曲線，如果滲漏體溫度比光纜鋪設環境溫度低，那么c和d等曲線波峰形狀是向下的。
當管道滲漏的液體與鋪設光纜的環境溫度相同或者接近時，采用加熱裝置對加熱光纜加熱，該方法不受溫度差的條件限制，對光纖金屬套或特別設置的導體通電加熱，使光纖周圍溫度升高，而滲漏液體的溫度較低，從而產生與其他部位溫度偏差，達到判斷滲漏位置的效果。加熱導線見(圖2)中的6。
本監測裝置解決了管道泄漏前兆預測的技術問題，設計方案具有突出的進步。
圖1是一般傳感光纜結構示意圖。
圖2是加熱傳感光纜結構示意圖。
圖3是光纜鋪設示意圖A。
圖4是光纜鋪設示意圖B。
圖5是光纜鋪設示意圖C。
圖6是傳感光纜組合設備方框圖。
圖7是監測到光纖溫度變化曲線其中a地面溫度；b未滲漏的正常溫度；c、d滲漏時的溫度。
圖8、圖9是管道中氣體滲漏原理。
圖10、圖11是管道中液體滲漏原理。
以上附圖的序號及名稱1、外保護層，2、芳綸纖維，3、光纖，4、金屬中心保護套管，5、防水絕緣層，6、加熱導電體，7、光纜，8、管道，9、孔。
具體實施方式
實施方式以本監測裝置的基本原理為例。分布光纖溫度傳感器(DTS)系統是由主機、傳感光纜及其他配置組合而成。主要依據光纖的光時域反射(OTDR)和光纖的背向喇曼散射溫度效應，一條數公里乃至數十公里長的光纖(光纖或光纜既是傳輸媒體，又是傳感媒體)鋪設待測空間，可連續測量、準確定位整條光纖所處空間的溫度，并可通過光纖上的溫度的變化(圖7)，檢測出光纖所處環境中氣體(圖8、圖9)和液體(圖10、圖11)的泄露，因此拓展了其應用的領域。
光纖不帶電，抗射頻和電磁干擾，防燃，防爆，抗腐蝕，耐高溫和強電磁場，耐電離輻射，能在有害環境中安全運行。系統具有自標定、自校準和自檢功能，其運行和控制是通過計算機實現的。將報警區域、光纖配置圖等事先輸入計算機，自動或手動實時顯示、并結合到自動控制和遠程控制系統中進行運行。
本實用新型主要依據光纖的光時域反射(OTDR)和光纖的背向喇曼散射溫度效應。激光脈沖射入光纖內部，光子與光纖材料分子在內部相互作用，一部分光被反射回來，反射光攜帶著被散射光子運動的熱信息。因此，被反射回來光的光譜攜帶了光纖的溫度信息，測量沿光纖每一點的溫度。
光譜的分析包括激光在光纖中的傳播速率，通常(像雷達原理)和光的速度一樣，用很短的時間間隔(比如1米)去掃描整個光纖的長度，根據這樣沿光纖的溫度分布就可以決定了。需要提出的是所測得的每一點溫度是一段光纖上的平均溫度。由于光的速度很快，因此一條數千米長的光纖即在不到一秒的時間內掃描完畢。
分布光纖溫度傳感技術設備包括兩部分傳感光纜和主機。光纜里面通常有若干根光纖組成，光纖是溫度敏感材料，因此沿著光纖(光纜)將連續測量任意一點的溫度。這就是一種研究溫度變化的設備。
有關配套附件作如下描述1)加熱傳感光纜選用一條或數條光纖(作為傳輸和傳感之用)，外包金屬中心保護套管(保護光纖不受損壞，同時也可以作為輔助加熱導體)，金屬中心保護套管外(內)至少有一條低阻抗的金屬導體(作為加熱導體的電流進出回路，相互絕緣)，再外包PE或其他材料作為外保護層，外徑控制在20mm之內。
2)加熱裝置提供給光纜金屬導體功率，使光纜加熱到一定程度和可調，功率過大將把光纜燒壞，功率過小，則達不到加熱要求。
3)軟件測量滲漏專用軟件。
4)其他配套設備如報警器、打印機、機柜等。
本監測裝置是基于光時域反射(OTDR)和背向喇曼散射效應應用于滲漏監測。半導體激光器發出的激光脈沖在沿光纖傳輸的過程中，時刻產生各種散射，其中的自發喇曼散射的強度依賴于該處光纖的溫度。利用背向喇曼散射的兩個分量便可以解調處該處光纖的溫度；另一個特點就是利用光雷達的原理，通過計算光返回的時間，就能夠知道產生散射的具體位置。可以同時獲得光纖的溫度和位置信息，也就是說采用這種沿光纖長度分布的溫度曲線，通過對整條光纜溫度分布曲線分析或者泄漏前后光纜溫度分布曲線的對比，發現并確定液體/油、氣管線泄漏所處的位置，從而提高液體/油、氣管線的監測水平。
權利要求1.一種管道滲漏定位分布式光纖溫度傳感器監測裝置，所述的分布式光纖溫度傳感器監測裝置簡稱為DTS，它是由雙向耦合器(BDC)、波分復用器(OWDD)、光電二極管(SPD)和(AMP)、放大器、采樣平均累加器(SP)、計算機(COMPUTER)、驅動器(DRIVER)、激光二極管組件(LD)和光纜所組成，其特征是雙向耦合器(BDC)的一端連接光纜；雙向耦合器(BDC)另一端與波分復用器(OWDD)、光電二極管、放大器與采樣平均累加器(SP)連接；驅動器(DRIVER)與激光二極管組件(LD)連接，激光二極管組件再與雙向耦合器(BDC)耦合連接。
2.根據權利要求1所述的管道滲漏定位分布式光纖溫度傳感器監測裝置，其特征是管道滲漏定位DTS的傳感光纜設有兩種結構，其一是一般傳感光纜芯部是光纖(3)，光纖的外層是金屬中心保護套管(4)，金屬中心保護套管的外層是防水絕緣層(5)，防水絕緣層的外層是芳綸纖維(2)，芳綸纖維的外層是外保護層(1)。
3.根據權利要求1所述的管道滲漏定位分布式光纖溫度傳感器監測裝置，其特征是管道滲漏定位DTS的傳感光纜第二結構是加熱傳感光纜是在其一的結構中，即在芳綸纖維(2)的載體中或金屬中心保護套管(4)內至少增設一條絕緣加熱導電體(6)。
專利摘要本實用新型涉及管道工程安全防范設備領域，是一種管道滲漏定位分布式光纖溫度傳感器監測裝置。該裝置的要點是將雙向耦合器、波分復用器、光電二極管、放大器、采樣平均累加器、計算機、驅動器、激光二極管主組件和傳感光纜所連接而構成。傳感光纜設有兩種結構，其一是傳感光纜芯部是光纖，光纖的外層是金屬中心保護套管、防水絕緣層、芳綸纖維、外保護層；其二是加熱傳感光纜，在其一的結構中增設絕緣加熱導電體。它至少一根傳感光纜設置在平行安裝的管道附近，檢測光纜溫度分布曲線，判斷管道滲漏位置。該裝置解決了只能實施離散點監測和目測滲漏的技術問題，確保管道內油或氣安全輸送。
文檔編號G01K11/00GK2809618SQ20052001296
公開日2006年8月23日 申請日期2005年7月4日 優先權日2005年7月4日
發明者秦一濤 申請人:秦一濤
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
