面向管道安全监测的R-OTDR分布式光纤测温系统*

佟敬阔,靳宝全,2*,王 东,王 宇,余 辉,白 亮

(1.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,太原 030024;2.煤与煤层气共采国家重点实验室,山西 晋城 048012)

实际工程应用中油气输送管道的铺设距离长且大多埋藏在地下,特别是油气开采地大多数处在山区,地质环境比较复杂。管道长期埋藏在复杂的环境中会因腐蚀、地质沉降等原因造成泄漏事故。此外还有人为破坏、管道自身缺陷等原因都可能引起管道泄漏事故[1]。目前油气管道泄漏是输送线运行的主要故障,因此,对油气管道泄露监测系统的研究及应用成为确保输送管道安全运行急需解决的问题[2]。

早期主要采用人工巡检方式对管道安全进行监测,随后逐步采用在线监测技术,其方法主要有平衡法、负压波法和应力波法等[3]。近年来以光纤为传感元件及传光介质的新型传感技术为管道安全监测提供了一种新思路。光纤传感器本身具有重量轻、体积小、方便铺设、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、不产生电火花以及可以实现分布式、实时在线监测等特点,可以替代传统的电学传感器完成强电磁干扰、腐蚀性强、长距离环境下分布式、实时在线温度、振动[4]等信号检测。近年来,光纤传感检测技术已经广泛应用于煤矿火灾监测[5]、隧道火灾监测[6]、输气管道泄漏检测[7-8]等领域,基于这些研究成果,将分布式光纤测温技术应用于管道安全监测方面将会有极好的前景。

1 技术原理

管道发生泄漏后,泄露处附近的温度会发生变化。原油需要加热输送,若输送管道发生泄漏,泄漏点周围温度会升高;对于输气管道,由于焦耳-汤姆逊效应,输气管道泄露点周围温度会下降[3]。为此本文提出一种基于自发拉曼散射效应和光时域反射原理(R-OTDR)的分布式光纤温度检测方法用于管道安全的分布式、实时在线监测,依据管道泄漏点温度的变化来判断管道是否泄漏。R-OTDR分布式光纤测温系统的技术原理如图1所示。

图1 R-OTDR分布式光纤测温系统技术原理图

微处理器通过串口控制脉冲激光器,脉冲激光器输出的脉冲光通过1×3波分复用器(WDM)耦合进入传感光纤中,光纤中产生的多种微弱后向散射光经波分复用器分离后得到对温度敏感的拉曼反斯托克斯光信号(Anti-Stokes)和对温度不敏感的拉曼斯托克斯光信号(Stokes)[9],双通道光电探测器将接收两种散射光信号转换为电信号并放大,脉冲激光器在发出脉冲光的同时触发双通道数据采集卡进行信号采集,采集卡将采集到的两路电信号传输至微处理器进行定标和解调运算;R-OTDR分布式光纤测温系统能够同时实现温度测量和空间定位,其中温度测量采用光纤中产生的拉曼斯托克斯散射光通道作为参考通道,用拉曼反斯托克斯后向散射信号与斯托克斯后向散射信号的光强比值来解调温度信息,参考光纤段对应的光强比值和温度值作为标准,用于温度的标定。传感光纤距离L处的反斯托克斯和斯托克斯拉曼后向散射信号的光强比值可以表示为[10]:

(1)

内置参考光纤温度T0对应的反斯托克斯和斯托克斯拉曼后向散射信号的光强比值可以表示为:

(2)

式(1)与式(2)的比值可以表示为:

(3)

对式(3)中等式两边同时取对数可得:

(4)

最后可得传感光纤沿线L环境温度值为:

(5)

式中:φa和φs分别为反斯托克斯和斯托克斯拉曼后向散射信号的光强,Va和Vs分别为反斯托克斯和斯托克斯散射光的频率,h为普朗克常量,c为光速,k为玻尔兹曼常量,Δv为拉曼声子频率。T和T0都是开尔文绝对温度。可见,传感光纤距离L处的环境温度值T可以通过探测到的R(T)、R(T0)、T0和Δv计算得出,上述即为拉曼散射测温原理[11]。R-OTDR分布式光纤测温系统利用光时域反射(OTDR)技术实现空间定位功能,与传统的光时域反射仪相似,即通过在光纤注入端探测脉冲光在光纤中传输过程中产生的后向散射信号,两者对比计算得到从发出脉冲光到接收到后向散射光信号所用的时间t,根据公式:L=ct/2n,实现光纤沿线定位功能,n为传感光纤折射率。

2 系统结构设计

整个系统包括硬件和软件两大部分,其总体结构框图如图2所示。下面分别对硬件系统结构和软件系统功能进行详细描述。

图2 R-OTDR分布式光纤测温系统总体结构框图

2.1 硬件系统结构及组成介绍

硬件系统主要包括高功率脉冲激光器、1×3波分复用器、光接收系统、数据采集系统、信号处理及存储器以及显示和声光报警等部分。选用中心波长为1 550 nm,脉冲宽度5 ns～100 ns可调,重复频率0.01 kHz～100 kHz可调的高功率脉冲激光器发出脉冲光;选用工作波长为1 450 nm、1 550 nm和1 660 nm,透射隔离度>35 dB,插入损耗<1.5 dB的1×3波分复用器用于耦合滤波;选用带宽120 MHz,光谱响应范围900 nm～1 700 nm双通道光电探测器作为光接收系统将散射光信号转换为电信号,经前置放大器放大后传输至数据采集系统;数据采集系统选择双通道12 bit A/D,100 MS/s采样率的高速数据采集卡;选用工控机为中央处理器控制激光器驱动及监控系统、数据采集系统以及显示和声光报警系统;数据采集卡将采集到的数据输入内部存储器,中央处理器读取内存数据进行温度信息的解调运算,温度解调结果通过便于操作的8.9寸液晶触摸屏显示,通过声光报警系统实现报警。选用62.5/125 μm渐变型多模光纤作为传感光纤。

2.2 软件系统设计

R-OTDR软件系统的设计采用LabVIEW图形化编程软件进行界面的开发及相应功能的实现,该系统主要包括激光器监控、数据采集和信号处理温度解调显示三大部分。激光器监控部分通过调用激光器软件设置激光器重复频率和脉冲宽度等参数并监控其工作温度和输出功率;数据采集部分通过调用数据采集卡的动态链接库文件设置采集卡采样长度和触发方式等参数,利用激光器同步触发采集卡的方式在激光器发出脉冲光的同时开始采集数据,实现散射点的精确定位;信号处理及温度解调和显示部分采用循环的方式实现采集数据的累加平均,同时结合小波降噪的方法使系统信噪比得到显著提高,采用双路信号解调方法获得温度曲线,设置温度报警阈值,温度数据的存储和历史数据的查询、显示。软件系统流程如图3所示。

图3 系统软件流程图

3 系统性能测试及现场实验

3.1 系统测温精度及响应时间

在24 ℃环境温度下,将总长10.35 km的传感光纤置于环境中,并将光纤一端连接到该系统的探测端口,采用数字累加平均融合小波降噪的方法[12-13]进行对比实验,结果如图4所示。图4(a)为1 000次累加平均结果,单次测量时间为1.09 s,图4(b)为1 000次累加平均加小波降噪结果,单次测量时间为1.16 s,图4(c)为10 000次累加平均结果,单次测量时间为2.64 s,图4(d)为10 000次累加平均加小波降噪结果,单次测量时间为2.65 s。从图4(a)和图4(c)对比可以看出,在10 km监测距离内10 000次累加平均结果相比1 000次累加平均结果,测温精度提升了2.7倍,从图4(b)和图4(d)对比可以看出,在10 km监测距离内10 000次累加平均加小波降噪结果相比1 000次累加平均加小波降噪结果,测温精度提升了3倍。采用数字累加平均融合小波降噪的方法时系统的动态响应时间小于3 s,同时使系统在10 km距离内测温精度提高到±1 ℃,具备检测由于管道泄漏造成的微小温度变化的能力。

图4 不同累加平均次数及小波降噪效果

3.2 系统温度监测距离

在22 ℃环境温度下,将总长10.2 km的传感光纤置于环境中,光纤一端连接到该系统的探测端口,并将986 m处一段探测光纤和9 215 m处一段探测光纤放入同一恒温槽中,恒温槽温度为44.6 ℃,使用该系统进行分布式光纤测温实验。10 km的光纤温度检测结果如图5所示,图中有两个温度峰值位置分别为986 m处和9 215 m处,两个温度峰值与恒温槽温度值一致,表明系统在10 km监测距离内温度传感检测效果一致,能够实现首尾变化同时监测。

图5 10 km的光纤温度检测结果

3.3 系统测温量程

在24 ℃环境温度下,将总长10 km的传感光纤置于环境中,将光纤一端连接到该系统的探测端口,并将8 550 m处一段探测光纤放入恒温槽中,以酒精为降温介质,使用该系统进行分布式光纤低温实验。在同样的环境温度下,将同一探测光纤放入高温烘箱中进行分布式光纤高温测量实验。测温结果整体分布如图6所示,图中从上到下的温度为+200 ℃～-25 ℃。系统测温范围宽,能够满足管道沿线火灾引起的大幅度温度变化监测能力。将普通传感光纤更换为耐高温光纤,可以实现更高的测温量程[14]。

图6 测温结果整体分布

3.4 系统定位精度

实验中对该系统进行定位精度测试,测量8组光纤的已知标定位置,标定位置与该系统测量结果如表1所示。将系统测量结果和标定位置相比较可以看出8组测量结果中最大误差为2 m,因此可知该系统在10 km监测范围内定位精度≤2 m。

表1 系统定位测量结果表 单位:m

3.5 现场实验

在山西省沁水县煤层气集输管道铺设现场进行测试。传感光缆紧贴管道铺设,监测管道沿线温度分布情况。该系统现场测试如图7所示。

图7 R-OTDR系统现场测试图

实验中在沿线随机选取一处位置模拟管道发生泄漏引起的升温现象,使用该系统进行测量。测试结果如图8所示。测试结果表明,该系统能够提供管道沿线温度分布信息,快速定位在1 920 m处有明显的温度变化并做出报警提示。

图8 现场测试结果

4 结束语

本文提出了面向管道安全监测的R-OTDR分布式光纤测温系统,基于对管道沿线温度的检测来监测管道的安全状况。针对长距离管道沿线泄漏引起的微小温度变化或火灾引起的大幅温度变化的检测需求,通过实验论证了该系统可以实现在10 km温度监测距离内测温精度±1 ℃,测温量程为-25 ℃～+200 ℃,定位精度≤2 m,系统动态响应时间<3 s。并经过现场实验验证了该系统能够快速判断和精确定位管道泄露点或火灾发生的位置。该系统的提出可以为长距离管道的分布式、实时在线安全监测与预警提供借鉴和参考的方案,在管道安全监测方面将会有很好的应用前景。

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