检测石油管道冰堵与定位的光纤传感器的研究.pdf

3 0 传感器与微系统 T r a n s d u c e r and Mi c ms y s t e m T e c h n o l o g i e s 2 0 1 0 年 第 2 9卷 第 9期 检测石油管道冰堵与定位的光纤传感器的研究 赵乃卓， 郭光朝 辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院。 辽宁 葫芦岛 1 2 5 1 0 5 摘要寒冷地区成品油管道冰堵现象时有发生。利用分布式光纤传感器检测管道沿途发生的冰堵信 息； 利用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2个测试信号的时延， 进而即可确定 冰堵点的位置。阐述了其测试原理和堵塞点定位方法， 理论分析和仿真实验结果表明 该方法可以有效提 高管道冰堵测试的灵敏度和定位精度。 关键词管道冰堵检测与定位；分布式光纤 ； 光纤传感器； 小波变换 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 - 9 7 8 7 2 0 1 0 0 9 - 0 0 3 0 - 0 3 S t ud y 0 n o p t i c a l fib e r s e ns o r n ●l ● ● ● 01 0l l Dl DeI l ne f o r de t e c t i o n a n d p o s i t i o n i ng i c e b l o c k i n g ZHAO Na i z h u o，GUO Gu a n g c h a o S c h o o l o f E l e c t r i c a l a n d C o n t r o l E n g i n e e rin g ， L i a o n i n g T ech n i c a l U n i v e r s i t y ， Hu l u d a o 1 2 5 1 0 5 ， C h i n a Ab s t r a c t r h e p h e n o me n a o f p i p e l i n e i c e b l o c k i n g o c c u r s f r o m t i me t o t i me i n c o l d r e g i o n s ． D i s t ri b u t e d fi b e r - o p t i c s e n s o r i s u s e d t o d e t e c t t h e i n f o r ma t i o n o f i c e b l o c k i n g o c c u r r e d Mo n g t h e p i p e l i n e ． 1 1h e me t h o d o f w a v e l e t a n a l y s i s w h i c h h a s t h e c a p a c i t y o f l o c a l s i g n a l c h a r a c t e ri s t i c s i s u s e d t o d e t e rm i n e t h e t i me d e l a y o f t w o t e s t s i gnals a t b o t h e n d s o f t h e o p t i c a l fi b e r ． T h e n t h e l o c a t i o n o f t h e p o i n t o f i c e b l o c k i n g c a n b e d e t e rm i n e d ． 1 1 1 e t e s t i n g p rin c i p l e an d t h e me t h o d o f p l u g g i n g po i n t po s i t i o n i n g i s d e s c ri b e d ． T h e o r e t i c al a n a l y s i s a n d s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w s t h a t t h i s me t h o d c a n e ff e c t i v e l y i mp r o v e t h e s e n s i t i v i t y a n d p o s i t i o n i n g p r e c i s i o n o f p i p e l i n e i c e - b l o c k i n g t e s t ． Ke y wo r d s d e t e c t i o n a n d p o s i t i o n i n g o f p i pe l i n e i c e b l o c k i n g；d i s t ri b u t e d o p t i c al fi b e r ；o p t i c al fi b e r s e n s o r ； w a v e l e t t r a n s f o rm 0 引 言 我国北方冬季气温较低， 在冰冻期内， 脱水不完全或者 蜡质过高的石油在输送过程 中， 部分水或蜡质会在输油管 线内壁凝聚， 造成管内介质流动孔径变小， 严重时会造成管 道冰堵现象， 从而导致全线停输， 若不能及时处理将会造成 巨大的经济损失。因此， 管道冰堵的及时发现和定位具有 重要的现实意义。目前国内外管道冰堵检测多数是采用注 油试压法、 压力点分析法、 声波测量法等， 由于测试方法 、 测 试原理和仪器本身等因素的制约， 这些方法很难同时满足 高泄漏灵敏度、 精度定位和低误报率等多项要求 。本文 提出的分布式光纤管道冰堵检测技术， 利用光纤作为传感 器拾取管道沿途堵塞信息， 通过对检测信号的处理和分析， 可以有效地检测到管道冰堵情 况。 1 分布式光纤传感器冰堵测量原理分析 分布式光纤传感器是一种传感型光纤传感器， 它具有 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 5 - 0 6 基金项 目 辽宁省教育厅高等学校科研计划资助项 目 2 0 0 8 S l 1 6 同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分 布信息的能力。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、 振动、 位 移 、 温度等 的作用下会发生变化， 而且 ， 分布式光纤传感 系统具有测量准确度高、 抗电磁干扰、 耐腐蚀、 可实现远距 离传输等优点， 利用这些特性， 在油气管线铺设的同时， 在 管道内壁铺设 1条或几条光缆， 利用光纤作为传感器， 拾取 管线周围的压力和温度信号。通过对信号的分析和处理， 不仅能检测管线的冰堵情况， 还能对管线油气泄漏 、 管线附 近的机械施工和人为破坏等事件进行迅速判断和准确定 位 。 ‘ 当输油管线发生冰堵时， 水汽因结冰而膨胀会对沿管 线的光纤施加作用力， 使光纤的损耗和输出光功率发生变 化。利用这一特性， 通过对光纤特征参量变化的分析， 检测 输油管道冰堵事件的发生与冰堵点的定位。输油管道冰堵 第 9 期 赵乃卓， 等 检测石油管道冰堵与定位的光纤传感器的研究 3 l 感器测试管道沿途的冰堵情况； 光缆 中的2条光纤构成传 感器的2个测试光臂 ， 而第 3条光纤用于信号传输。半导 体激光器 L D 发出的连续光波在分布式光纤传感器的一 端分为光强度为 1 1的两束光， 分别进入 2条光纤， 使用同 一 光源发出的连续光波在 2条测试光纤中同时传播。光波 沿光纤传播到光纤的另一端， 在光纤传感器另一端汇合而 形成干涉信号。再由第 3条光纤将干涉信号传输到光电检 测器 P D ， 并将光信号转换成电信号， 通过放大和滤波电 路对信号进行处理， 再经过 A ／ D转换并传输到计算机中进 行进一步信号处理和分析 ， 如图 1 。当测试光缆受到压力作 用时， 光缆中的2条测试光纤都会产生应力应变 ， 因此， 2条 传感光纤中传播的2束相干光波会分别产生相位变化 ， 其表达式为 △ 卢 A l Z △ 卢 ， 1 式中△ 为光波的相位变化； 卢为光波在光纤中的传播常 数； z 为管道冰堵的光纤长度； △ 口为光波的传播常数在受到 管道冰堵影响的光纤 中产生 的变化量 。 f卜_ [ 卜 _ _ 卜 圈匦 l I卜 亘 至 耍 口 [ 竺 竺 墨 竺l ⋯ 詈 L 口 ～ ⋯ 唧 j L -L _ 、 一～ 口 管 道 图 1 输油管道冰堵检测系统图 F i g 1 Di a g r a m o f d e t e c t i o n s y s t e m f o r pi p e li n e i c e b l o c k 2 冰堵定位原理 管道冰堵定位技术是管道冰堵检测关键技术之一 ， 分 布式光纤管道冰堵检测技术采用在传感光纤中同时传播方 向相反的两组光波， 因此 ， 在传感器的两端均可产生干涉信 号。当管道发生冰堵时， 引起管道冰堵点的测试光纤产生 应力应变， 从而造成该处光波相位调制。产生相位调制的 光波沿光纤分别向传感器的两端传播。用 2个光电检测器 检测传感器两端干涉信号发生变化的时间差， 即可精确地 计算出冰堵发生的位置 ， 其定位公式可表示为 X 寺[ 一 t 2 -- t l 一 ]， 2 式 中 为冰堵点 至首 端 的距 离 ； L为 检测 的管道 长度 ； t ． 为传感器首端的光电探测器检测到管道冰堵信号的时间； f 为传感器末端光电探测器检测到管道冰堵信号的时间； 为 光波在光纤中的传播速度 c ／ n ， 其中， c为光在真空中 的传播速度 3 x l O 。 m ／ s ， n为光纤的折射率 ] 。 同一光源发出的两组光波通过同一应力应变的光纤所 产生的相位调制信号也是相同的， 因而， 在分布式光纤两端 检测到的干涉信号具有很强的相关性， 所以， 采用相关运算 可以获得非常精确的2个测试信号的时间差。分布式光纤 传感器两端的测试信号可分别表示为 l ￡ S t n l ￡ ， 2 t K S t r 0 n 2 t ， 3 式中 。 t 和 t 分别为 2个探测器检测到的信号 ； S t 为管道冰堵信号； n t 和 n 。 t 为干扰信号； ， c 为比例 系数 ； r 。 为2个测试信号之间的时延。通常 S t ， n 。 t 和 n t 是互不相关的平稳随机过程， 因此， t 和 2 t 的 互相关函数为 R 2 ￡ 。 2 ￡ - d t． 4 在式 4 所示的互相关函数中， 当 r r 。 时， 有峰值， 因 此， 获得最大值所对应的 r值即可确定 2个测试信号之间 的时间差。在实际检测过程中， 2个测试信号经 A ／ D转换 后为离散信号， 若选定采样周期为 ， 传感器两端的测试信 号可分别表示为离散的 。 n 和 n ， 其 中， n为整 数。取 2个测试信号相同时段采样点为 Ⅳ的有限数据段进 行相关运算， 其互相关函数可表示为 ．N一1 R x m T s 1 ∑ X l n T s X 2 n m ， 5 ‘’ U 式中m为整数。计算出R取得最大值的点 m 。 ， 即可得到 2个测试信号的时间差 m 0 。 3 仿真 实验 与小 波变换 的应用 3 ． 1 仿真实验分析 在管道冰堵检测仿真实验中， 作为传感器的光纤全长 为6 0 0 0 m， 折射率为 1 ． 4 6， 光波在 光纤 中的传播速度为 2 ． 0 5 7 6 X 1 0 m ／ s 。测试系统的采样频率为 8 1 0 H z 。管道 全长5 0 0 1 T I ， 冰堵点距离管道首端 2 0 0 m， 该点对应的测试光 纤首端的位置为2 0 0 i n 。图2为管道发生冰堵时检测到的 信号。 之 5 Ⅱ 妲0 5 时间 ／ s 图 2管道 冰堵检测信号 Fi g 2 P i p e l i n e i c e - b l o c k i n g d e t e c t i o n s i g n a l 3 ． 2小波 变换 的 应 用 小 波 变 换 的 基 本 概 念 将 满 足 条 件 篙 幽 的平方可积函数 t 即 t E L 2 一a 。， 称 为小波母函数。由函数 t 经伸缩和平移得到的一族函 数 ， 3 2 传 感 器 与 微 系 统 第2 9 卷 式中a为伸缩因子； b为平移因子； 称为小波函数族或依 赖于a ， b的连续小波， a ， b为实数， 且 a ≠ 0 。任意函数 ， t ∈L 2 一。 o， 的小波变换为 ’6 ， f 在仿真实验中， 小波变换用于信号去噪， 要根据信号和 噪声的不同特性进行非线性滤波， 改善了信号信噪比， 提高 了采样数据的可靠性， 特别适于时变信号和突变信号的噪 声滤波。仿真结果进一步表明 利用小波变换原理进行采 样信号滤波是十分有效的。这对提高系统的控制精度是有 利的 J 。 在冰堵 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 ， 可有效地提取出信号的突变信息。测 得的原始信号波形如图3所示，图4是小波分解图， 利用小 波分解后得到高频段信号的重构信号。信号经小波分解 后， 可明显看到信号的突变信息。两端突变点分别出现在 8 ． 0 6 9 4 1 0 和 8 ． 0 0 7 9 1 0 处 ， 时间差 d r 盟 6 ．5 7 5 1 0 一 ． 6 81 0 ‘ 一 ‘ 、 根据式 6 可以获得 冰堵点 到首端 的距 离为 2 0 7 ． 9 m， 绝对误差为 7 ． 9m， 相对误差 为 0 ． 4 6 8％。 1 ． 5 之 1 ． 0 心0 ． 5 逛0 -0． 5 8 ． 0 o 0 8 ． o o 5 80 1 0 8 ．0 1 5 8 0 2 0 时间 ／ s 1 ． 5 之 1 ． 0 Ⅱ 0． 5 坦0 -0 ． 5 8 ． 0 6 0 8 ．0 6 5 8 ．0 7 0 8 ．0 7 5 8 ．0 8 0 时间 ／ s 图 3 测得的原始信号波形 Fi g 3 M e a s u r e d o r i g i na l s i g n a l wa v e f o r m 、 上接第 2 9页 曩 一 0 E三三王三三j 卜 一 _ _ _ ．- _一t一 _ -__ - - _ 一 一0 ．5 L j ． ． - J 时 间 ／ s 囊 0 - 1 E三三三E 卜． _ - - _ _ ．_ _ _ _ 叫 _ _ _ _ _ ’ _ I 迎 L．．．． 。．．．．．．．．． ． ．．．．．．． ．．． ．．．．． ．．．． ．．．．．J 时 间 ／ s 图 4 小波分解图 Fi g 4 Di a g r a m o f wa v e l e t d e c o m p o s i t i o n 4结论 本文将光纤传感和小波变换方法应用到管道冰堵检测 中， 提高了测量精度。仿真实验结果表明 此方法可实现输 油管道冰堵点 的精确定位 ， 能够快速地 找到冰堵 点 ， 对管道 进行开挖维修， 保证管道的正常运行， 此外， 光纤传感技术 的应用还能够实现对管道的实时监测， 对输油管道的安全 运行和维修具有重要 的作用 。 参考文献 [ 1 ] 蒋仕章 ． 管道顺序输送分 析计算与运行优 化研究 [ D] ． 重庆 中国人 民解放军后勤工程学院 ， 2 0 0 3 4 8--5 2 ． [ 2 ] 王惠文． 光纤传感技术与应用[ M] ． 北京 国防工业出版社， 2 0 0 1 4 9--5 3． [ 3 ] 曲志刚， 靳世久， 周琰． 油气管道安全分布式光纤预警系统 研究[ J ] ． 压电与声光， 2 0 0 6， 2 8 6 6 4 06 4 2 ． [ 4 ] 陈宝忠 ， 王克 勇． 管道中流体结冰位 置的快速检 测方法 [ J ] ． 管道技术与设备 ， 2 0 0 2 6 4 0- 4 2 ． [ 5 ] T a n J i n g ， C h e n We i m i n ． T h e m o n it o r i n g s y s t e m a n d t h e a n a l y s i s o f l o c a t i n g t h e o r y f o r p i p e l i n e l e a k a g e d e t e c t i o n b a s e d o n s i n g l e d i s - t r l b u t e d o p t i c a l fi b e r s e n s o r [ J ] ． A C T A P h o t o n i c S i n i c a ， 2 0 0 6 ， 3 5 2 2 2 8--2 3 1 ． [ 6 ] Z h o u Y a n ， J in S h ij i u ， Z h a n g Y u n e h a o ， e t a1． D i s t r i b u t e d o p t i c a l fi b e t s e n s i n g t e c h n o l o g y for p i p e l i n e l e a k a g e d e t e c t i o n a n d l o c a t i o n [ J ] ． A C T A P e t e r o l e i S i n i e a ， 2 0 0 6 ， 2 7 2 1 2 1 --1 2 4 ． 作者简介 赵乃卓 1 9 7 0 一 ， 女， 辽宁阜新人， 副教授， 硕士生导师， 研究 方向为智能控制理论与计算机测控技术及应用 。 像测量方法， 结合角点检测， 实现了对蜂窝芯层的应变测 量。本方法为铝蜂窝夹芯结构中的芯层分析提供了重要的 力学性能参数 ， 也 为进 一步 了解 铝蜂窝 芯层 和整个 夹芯结 构的力学性能打下了基础。 参考文献 [ 1 ] G i b s o n L J ， A s h b y M F， S c h a j e r G S ． T h e me c h a n i c s o f t w o - 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