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基于光纤传感及小波分析的管道泄漏检测与定位技术

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第21卷第1期 传感技术 学报 CHINESE JOURNAL OF SEN9]RS AND u c强 V01.21 No.1 2008年1月 JAN.2008 The Technology of Pipeline Leak age Detection and Location Based on Optical Fiber Se nsing and Wavelet ZHANGShu—qing ,LIEr-wei , JNShi-jiu ,ZHANGLi—guo ,ZHANGKe-xin 、 /1.Electrical Engineering Institute,Yanshan University,Qinhuangdao Hebei 066004,China; 2.Precision Instrument and photoelectric engineering Institute,Tianjin University,Tia in 300072, , Abstract:This measuring sensor of distributed optical fiber is composed of one high birefringence signal mode optical fiber.The oil leakage can be detected by the sensor in real—time by measuring leaked informa— tion along pipeline,and the position of leaking point can be obtained by confirming the time delay between the two measuring signals with the wavelet analysis which is capable to represent the 1ocal characteristics of the signal in the time and frequency field.The measuring principle and the leaking point location method for this technology are described.The principle and the result of simulation test showed that this technolo— gy can greatly improve the measuring sensitivity and detecting precision of leakage location on pipeline,and the method is very applicable to detect the minimal leakage point on pipeline. Key words:pipeline leakage detection and location distributed optical fiber s wavelet transforms EEACC:7230E 基于光纤传感及小波分析的管道泄漏检测与定位技术 * 张淑清 ,李二伟 ,靳世久 ,张立国 ,张克欣 (1.燕山大学电气工程学院,河北秦皇岛066004;2.天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072) 摘 要:利用一条高双折射单模光纤和一根普通单模光纤构成分布式光纤传感器,通过检测管道沿途发生的泄漏信息,可以 实时地监测管道沿途发生的泄漏情况;用在时频域中具有表征信号局部特征能力的小波分析的方法确定光纤两端两个测试 信号的时延,进而即可确定泄漏点的位置。文中阐述了其测试原理和泄漏点定位方法,理论分析和仿真试验结果表明,该方 法可以有效提高管道泄漏测试的灵敏度和定位精度,非常适用于管道小泄漏点的检测。 关键词:管道泄漏检测与定位;分布式光纤;小波分析 中图分类号:TP206.1 文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2008)01-0192-o3 管道泄漏的及时发现和定位具有重要的现实 漏进行实时在线监测。 意义。目前国内外管道在线泄漏检测系统多数是基 于瞬变流模型、压力点分析法、压力梯度法等建立 的[ ,由于测试方法、测试原理和仪器本身等因素的 1泄漏检测原理分析 分布式光纤传感器是一种传感型光纤传感器, 能够获得被测物理场沿空间和时间上的连续分布的 信息[2]。光波在光纤中传播时,其特征参量(如振 幅、相位、偏振态、波长等)在外界因素(如压力、振 制约,这些在线方法很难同时满足高泄漏灵敏度、精 度定位和低误报率等多项要求。 本文提出一种基于单光纤偏振型干涉仪原理的 分布式光纤管道泄漏检测技术,利用光纤作为传感 器拾取管道沿途泄漏信息,通过对检测信号的处理 和分析,可以有效地检测到管道泄漏情况,对管道泄 动、位移、温度等)的作用下会发生一定变化,当管道 发生泄漏时,泄漏的高温、高压介质会对敷设在管道 附近的光纤产生冲击,并使局部温度升高。利用这 基金项目:国家基金资助项目(60102002);河北博士基金资助项目(132OO4522) 收稿日期-2007—06—03 修改日期:2007—07—19 维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 张淑清,李二伟等:基于光纤传感及小波分析的管道泄漏检测与定位技术 193 些特点,基于高双折射单模光纤的二正交偏振模式, 线偏振光{, }的输出光强,经电子线路处理后,可以 得到一个与偏振光总功率,。无关的信号, : r r 在外界因素影响下相移不同的原理,用两条单膜光 纤构成光纤分布式传感器,拾取管道沿途的泄漏信 息,确定泄漏的发生并定位泄漏点的位置。测试原 理图如下图1所示。 ttt泄漏A ==[二 图1测试系统原理图 当管道泄漏时,在温度、振动等作用下,光纤的 长度、纤芯的直径和折射率都将发生变化,因此光纤 中传播的光波产生相位延迟 3 ]。 1)温度作用产生的相位延迟为: 忽略半径变化的影响,认为 不变, 血一 f )+2n72f—OL): r + dT aT 。 aT OT。 ( )] (1) 2)振动作用产生的相位延迟为: d —d +d +d似一_glrLn{£g一等[(P11-I- P12)e +P e ]}+ 。L[ ( 一等(P +P )]e + {£ 一等[(P +P )£ +P12 ̄1]} (2) (1)~(2)式中:光纤长L,纤芯折射率”,纤芯直径 n,介质中的光波长 ,光纤弹光系数P P 轴向、 径向应变£,,£ ,波导波长 ,是。一竽,B一 。 由He—Ne激光器发出的光束经起偏器和A/4 波片后变为圆偏振光,对高双折射单模光纤的两个 正交偏振态均匀激励。由于在外界因素作用下,它们 的相移不同,输出光的合成偏振态可以在左旋圆偏 振光一45。线偏振光一右旋圆偏振光一135。线偏 振光之间输出,如果输出端只检测45。或135。线偏 振分量,则光强变为 ,1一・1o[1-F cos ̄(t)] r (3) ,2一等[1一cos (r)] 式中 (f)——外界温度引起两正交偏振态之间的 相移角,,。为光纤初始入射光强,, 、, 分别为检测 45。、35。线偏振分量时的光强。 为抵消光源光强和环境变化的影响,用 Wollaston棱镜同时检测45。线偏振光(,1)和135。 , 一 _孚一cos』1十』2  ̄(。 t) (4) 由于测试光纤受到外界因素的影响,因而在传 感光纤中传播的光波产生相位变化,cos ̄(t)为一变 量。通过实时监测输出光信号的变化,就可以检测出 光纤传感器沿途管道泄漏信息,实现管道泄漏的实 时检测。 2泄漏定位原理 设光纤总长度为2R,其中光纤一半被屏蔽;泄 漏点距离光纤首端的距离为L,激光器发出的光波 经1:1分束后分别进入光纤,用两个光电检测器检 测光纤两端出射的光波信号,即可确定两个测试信 号的时间差,进而定位泄漏点。定位原理图如图2 所示。 同一光源—— 的婀束光波 。 }..————一R——一l 图2定位系统原理图 光波沿光纤传播一周延所用时间r为: 2nR (5) r一‘  C ~ 在距离光纤端点L处发生泄漏,光纤内两束相 向传播的光波从泄漏点传播到端点所产生的延时时 间差 为: Ld 一 (6)…  由式(6)可以导出 L一 n (7)\I, (5)一(6)式中:C为光在真空中的传播速度(3×1O。 m/s),”为光纤的折射率。 从式(7)可以看出,当系统确定时,仅有 与泄 漏距离L有关,因此可以通过确定 获得泄漏事件 的具体位置。 3仿真试验分析 在管道泄漏检测仿真实验中,作为传感器的光 纤全长为2 000 m,折射率为1.458,光波在光纤中 的传播速度为2.057 6×10。m/s,光纤与管道平行 敷设,间距为500 mm。测试系统的采样频率为8× 1O ,管道首端与测试光纤首端对齐。管道全长300 维普资讯 http://www.cqvip.com

l94 传感技术学报 2008正 m,泄漏点距离管道首端200 m,该点对应的测试光 纤首端的位置为200m。图3所示是管内压力为 从仿真结果可以看出,分布式光纤管道泄漏检 测技术可以获得较高的泄漏定位精度。由于泄漏定 位绝对误差与采样频率有关,因此泄漏定位的绝对 误差不随检测距离的增加而增加。 甚 0.7 MPa、泄漏点孔径为5 mm所检测到的泄漏信 号。在泄漏定位仿真中,利用小波变换的多分辨率 特性和时频局部化的特点,可有效的提取出信号的 突变信息[5]。测得的原始信号波形如图3所示,图 5是六层小波分解采用Daubechies2级小波,d4、 d5、d6分别为分解后高频段信号的重构信号。信号 经六层小波分解后,在频段d4、d5、d6上可明显看到 信号的突变信息。两端突变点分别出现在8.069 4 ×l0 和8.007 9×10 处,时间差 : 一堡 6 上掣 U 一7.688×l s(8) 根据式(7)可以获得泄漏点到首端的距离为209.1 m,绝对误差为9.1 m,相对误差为0.455 。 > \ 0 j!!垦 .5 时问/s 图3管道泄漏检测信号 l 二 二二 两路原始信 806 8 065 8 07 [=== 8 075 8 08 图4测得的两路原始信号波形 图5 两端测试信号小波分解图 4结论 本文将光纤传感和小波变换方法应用到管道泄 漏检测中,提高了测量精度。对泄漏孔径较小的管 道泄漏情况,也有很好的检测效果。仿真试验结果 表明此方法可实现输油管道泄漏点的及时发现和精 确定位,误报率低。 该项技术可以对气体、液体输送管道的泄漏进 行实时监测,并且可以在恶劣的环境中正常工作,对 人为破坏或自然灾害等可能造成的管道泄漏故障进 行报警。缺点是不能判断泄漏故障类型;在泄漏定 位时光纤一半部分需做屏蔽处理,增加了成本。 参考文献: E13 Zhou Yan,Jin Shi jiu,Zhang Yun chao,Sun I i ying.Distrib— uted Optical Fiber Sensing Technology for Pipeline Leakage Detection and Location E J].ACTA PETEROI EI SINICA. 2006,2(27):121—124. E2]Kurmer J P,Kingsley S A。Laudo J S,et a1.Distributed Fiber Optic Acoustic Sensor for Leak Detection EJ].SHE 1991, 1586:117—127. E31 Tan Jing,Chen Weimin,etc.The Monitoring System and the Analysis of Locating Theory for Pipeline Leakage Detection Based on Single Distributed Optical Fiber Sensor[J].ACTA PH0T0NIC sINIC八2006,2(35):228-231. E41 Hu Zhi xin,Zhang Gui lian,He ju,Zhang Ling,Zhou Jin xiong.Leak eDtection on Gas Pipeline with the Distributed Fi— bet-Optic Sensing Technology[J].Journal of Transducer Technokgy.2003,10(22):48—53. [51胡昌华等.基于MATI AB的系统分析与设计——小波分析 EM].1999. 张淑清(196&),女,教授,博士学位。研究 课题10余项,获省部级科技进步奖5项。 发表论文30余篇。主要研究方向为信号 检测理论和方法、故障诊断及数据处理、 智能仪器等,Zhshq—yd@163.com 

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