分布式光纤管道安全检测技术研究

论文摘要

针对现有的石油、天然气管道安全检测技术存在的问题,探索不依赖于管道流体输送参数变化的管道安全检测技术。因此,本文首次提出了一种基于Mach-Zehnder光纤干涉仪原理的分布式光纤管道安全检测技术,其主要研究内容是根据相位调制型光纤传感机理研制一套具有很高的检测灵敏度和定位精度,结构简单,容易实现的分布式光纤管道安全检测系统。该项研究内容得到了国家自然科学基金重点项目“流体管网泄漏检测的新方法与关键技术研究”（60534050）资助。本文提出了一种新型的管道安全分布式光纤检测方法,采用光纤干涉仪原理设计了分布式光纤传感器。对传感器的检测灵敏度的影响因素进行了分析和研究,提出了一种简单、实用的抑制温度漂移对检测灵敏度影响的方案。根据光纤的各种护套对检测系统灵敏度的影响,设计了高灵敏度传感光缆结构。研制了一套分布式光纤管道安全检测系统,对检测系统的各个组成器件的工作原理进行了详细的分析和研究。采用虚拟仪器技术设计了一套管道安全分布式光纤检测系统软件系统,完成了信号采集、存储和信号处理以及相关计算等功能。分析了小波阈值消噪的原理和方法,采用小波软阈值消噪对在实际现场条件下的检测信号进行了处理,获得了良好的消噪效果,有效地提高了检测系统的检测灵敏度。提出了基于小波包分析的“频带-能量”特征向量提取方法用于管道安全分布式光纤检测系统的检测信号的特征提取。通过对实验室管道泄漏信号和现场实际管道检测的三种不同事件的信号特征提取,分析和研究了各种检测信号的特征向量分布情况。根据分布式光纤管道安全检测原理,提出了一种新的分布式光纤检测系统定位方法,利用分布式光纤传感器两端检测信号的时间差确定管道沿线所发生事件位置,采用相关函数计算传感器两端检测信号的时间差。通过定位试验,分析了检测系统的定位误差。提出了极性相关时差测量法和互功率谱时差测量法,从而可以有效地减少检测信号时差的计算量,提高了检测系统的定位实时性。试验结果表明,本论文提出的分布式光纤管道安全检测技术不仅可以检测管道的泄漏,而且还可以对管道周围所发生的危害管道安全的事件进行预警。另外,分布式光纤管道安全检测系统具有电绝缘性好、本质安全可靠、耐腐蚀等特点,这使它在石油化工等强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀等环境中具有更广泛的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 中国管道运输建设与发展概况
• 1.3 我国管道安全存在的主要问题
• 1.4 管道安全检测方法综述
• 1.5 管道安全检测方法综合评定及发展趋势
• 1.6 本课题研究的意义及主要研究内容
• 第二章 分布式光纤管道安全传感技术研究
• 2.1 引言
• 2.2 检测原理
• 2.3 检测系统灵敏度分析
• 2.4 检测系统灵敏度影响因素的研究
• 2.5 气体管道泄漏检测灵敏度试验及分析
• 2.6 小结
• 第三章 分布式光纤管道安全检测系统设计
• 3.1 分布式光纤管道安全检测系统组成
• 3.2 分布式光纤管道安全检测系统设计
• 3.3 信号调理器的设计
• 3.4 基于虚拟仪器的检测系统软件设计
• 3.5 小结
• 第四章 检测信号特性分析及处理技术的研究
• 4.1 引言
• 4.2 气体管道泄漏噪声特性的分析和研究
• 4.3 小波阈值消噪方法的研究
• 4.4 小波包分析特征提取技术的研究
• 4.5 小结
• 第五章 分布式光纤管道安全检测系统定位技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 分布光纤管道安全检测定位技术的研究
• 5.3 信号特征点时间差的测量
• 5.4 时间差的相关分析测量技术研究
• 5.5 相关分析时差测量改进技术的研究
• 5.6 小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 本论文的创新之处
• 6.3 分布式光纤管道安全检测技术展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和参加的科研项目
• 致谢