新型分布式光纤管道泄漏检测技术及定位方法研究

介绍了一种基于萨尼亚克(Sagnac)干涉仪的直线型分布式光纤管道泄漏监测系统,实时进行管道泄漏监测和定位。此系统有两条传感光纤,可有效提高管道监测距离。推导了泄漏信号引起的光信号相位变化表达式;分析了该干涉仪应用于泄漏检测的原理及其泄漏源定位方法,并在分别距两传感光纤末端的法拉第旋转镜为3.990km和4.024 km处进行了泄漏检测实验。管道泄漏实验结果表明,该系统较准确地确定了泄漏源位置且定位误差小于1.05%.     

混合干涉型分布式光纤传感器PGC信号解调设计与实验分析

对一种基于马赫-曾德尔和萨格纳克混合干涉仪原理的分布式光纤泄漏检测系统调制解调技术进行研究,对PGC解调技术进行理论分析。针对所选泄漏分布式光纤传感特点设计了PGC解调硬件电路,并对PGC解调电路进行了测试。实验中待测信号为0~50 kHz,载波频率为300 kHz,截止频率为50 kHz, 移相后与待测信号的相关系数达到0.95,谐波失真小于3%,泄漏源位置为7.865 km,泄漏检测定位系统绝对定位误差为235 m,相对定位误差为2.35%。本解调定位系统具有稳定性和抗干扰性。     

光纤式输油管道安全预警系统

提出了一种基于光时域反射原理(Optical Time Domain Reflectometer,ODTR)和分布式光纤传感器的输油管道泄漏实时监测技术。当输油管道发生泄漏时,光纤所处的温度场发生变化,利用光纤后向拉曼散射的温度效应,通过测量该处的温度变化来判断管道泄漏;当发生人为破坏(盗油)事件时,所产生的振动、压力等扰动信号使在光纤中传输的后向瑞利散射光产生明显的损耗特征,通过测量其光强的变化来检测管道是否受到扰动或破坏。用ODTR技术实现对光纤测量点的定位。实验结果表明,光纤长度5km(可延长),测温范围0～90℃(可扩展),温度测量偏差小于+ 5℃,对扰动外力和温度的定位偏差小于15m。该检测技术可以有效地提高输油管道泄漏监测的水平和油的防盗水平。     

偏振态对光纤传感系统检测泄漏点灵敏度的影响

采用一种基于Sagnac干涉仪原理的分布式光纤声学传感系统对长距离管道泄漏进行检测,主要分析和研究了不同的输入偏振态对输出光功率的影响.当信号光场与本振光场的偏转态一致时,可得到高灵敏度接收;当信号光场和本振光场的偏振态正交时,检测不到泄漏信号.在系统长度10.044 km时,测得的零点频率是在20 kHz,根据理论公式计算的泄漏点位置在5 km处,与实际的泄漏点的位置5.022 km处,比较相近,相对误差为0.44%.     

基于经验模态分解消噪的光纤光栅解调系统

为了提高光纤Bragg光栅解调系统的解调准确度,提出利用经验模态分解对信号进行滤波分析和降噪处理的方法.该方法将经验模态分解得到的固有模态函数,分为信号分量起主导作用模态与噪音分量起主导作用模态,并利用反映信号主要结构的模态对信号进行重构实现去噪.实验表明,解调系统输出信号能够识别出中心波长的位置,精确得到Bragg波长的漂移量,输出谱失真小、信噪比高.对温度实验数据进行曲线拟合,拟合线性度为0.998,提高了系统的解调准确度.     

基于全相位滤波技术的FBG降噪解调算法

提出一种基于全相位滤波技术的光纤布喇格光栅降噪解调算法,该算法根据信号的数字频率特征快速配置适应于该信号的滤波器系数,由传感信号的数字截止频率控制滤波器边界,有效滤除混杂在光纤布喇格光栅信号中的高频分量.推导了滤波器解析表达式,结合光纤布喇格光栅信号的数字频率特征分析了滤波器幅频特性.实验结果表明,该算法对不同采样间隔下的传感信号能够实现适应性降噪;与高斯拟合法相比,解调波长稳定性相近,但平均解调时间缩短了10倍,与质心法相比,解调波长稳定性提高了30%.     

光纤中拉曼散射回波超高灵敏度探测技术研究

与布里渊散射不同,石英光纤中斯托克斯拉曼散射与光纤所受应力无关,只是绝对温度的函数,而且其拉曼频移为1.395×1013 Hz, 比布里渊散射易于提取,作为分布式光纤温度传感器的传感信号有一定的优势,但斯托克斯拉曼散射信号比布里渊弱,其峰值功率在APD中产生的光电流在nA级,低于APD的噪声电流,经光电转换后信号的信噪比小于1,傅里叶变换以及小波变换都无法有效地处理这类信号。通过对斯托克斯拉曼散射信号进行特征分析后,采用累加与小波降噪的综合方法提取该信号,实现在APD噪声电流以下的超灵敏度探测,达到每度0.104 nA的温度灵敏度,低于本系统所有APD噪声电流2.3 nA的1个数量级。     

基于小波降噪的偏振耦合检测分析

理论分析了基于白光干涉的保偏光纤偏振模式耦合检测原理,并以迈克尔逊干涉仪对保偏光纤的偏振耦合的耦合强度和耦合点的位置进行了测试.由于机械式扫描干涉仪和信号处理电路会受到环境干扰和各种噪声的影响,限制了系统偏振耦合检测的灵敏度,应用小波变换对检测信号进行了分析,采用软阈值方法降噪处理,有效地去除了各种干扰和噪声,提高了干...     

基于小波包能量谱的分布式光纤燃气管道泄漏监测及实验分析

基于Mach-Zehnder/Sagnac混合干涉仪原理,利用分布式光纤对城市燃气管道进行泄漏监测模拟实验研究。对测量光纤长4 km和6 km时的干涉信号利用小波包能量谱提取法和绝对距离法相结合的方法诊断管道泄漏与否,再结合频谱图进行泄漏定位,最后对系统的虚警率(false alarm rate,FAR)进行了分析。结果表明,与传统直接通过频谱图识别零点频率的方法相比,虚警率降低了8.475%,能够更准确地识别燃气管道泄漏与否,从而提高系统监测及定位的可靠性。     

基于倏逝波的光纤生物传感器研究

构建了一种以光纤束作为激发光信号和荧光信号传输通道的光纤生物传感器结构.根据光纤探针的倏逝波理论和模式匹配理论对光纤探针的几何形状进行了设计,制作了数组光纤探针并根据需要对其中一部分进行荧光标记.选择了光纤探针置于空气中和水溶液中两种情况,对光纤传感器系统进行了信号检测实验,对比标记了的和未标记的相同几何结构参数的光纤探针两者在系统中被探测的信号差异.从二者的差别区分出系统所探测的倏逝波激发的荧光信号,证明了该光纤传感器系统的可行性.     

一种新颖的供热管网隐性气体泄漏检测系统设计

供热管网由于管线距离长、高空架设结构不统一,导致其隐性热量泄露严重且很难发现。设计了一种新颖的供热管网隐性泄漏检测系统。采用光离子传感器PID-A1, 通过热电偶的阻值随燃烧热量来影响初始电压的变化进而对管线隐性泄露气体进行反映并检测,采用HUAWEI CM无线模块,完成全部PID-A1检测数据的无线接收、发射、基带信号处理和音频信号处理并传递数据到OPA4340数据采集模块,采用高速数字信号处理MCU芯片AT89C58实时处理采集到的数据,最终实现了供热管网隐性气体泄漏的检测。软件设计通过直接焓值法优化数据MCU处理模块的中央控制器运算性能,采用最小二乘法增强热量采集温度的效率和精度,确保检测系统的低功耗和高效率。最后进行仿真实验,实验结果表明: 本文系统的节能量比传统系统平均节能120J,并且本文系统的运算效率优于传统系统,提高22%左右,检测误差在2%以内,说明本系统的具用很强的可用性和推广价值。     

输气管道声波法泄漏检测技术的理论与实验研究

为探究输气管道声波法泄漏检测技术的基本原理和研究方法,建立了输气管道泄漏仿真模型和实验模型。首先,研究输气管道发生泄漏时声波产生机理,从而明确声波法泄漏检测技术的工作原理;其次根据声波法泄漏检测的原理建立Fluent仿真模型,通过CFD软件模拟输气管道泄漏得到流场和声场,得到声波信号特征;再次根据声波法泄漏检测的原理搭建实验管道,设计完成声波信号数据采集终端,并在仿真结果指导下完成输气管道泄漏检测实验,采集得到实验数据并进行分析,得到泄漏时声波信号特征并对仿真结果进行验证;最后对比多工况条件下的实验结果和仿真结果,分析不同工况条件对压力波动值的影响规律,从而总结输气管道声波法泄漏检测的仿真与实验研究方法,为声波法泄漏检测的实际工程应用提供理论基础。研究结果表明:输气管道泄漏产生的声波来源于泄漏时气体不稳定流动产生的偶极子声源和四极子声源;仿真模拟和实验研究的方法都可以完成声波法泄漏检测技术的研究,可以对声波法泄漏检测技术的推广和工程应用提供强大的理论支持和可行性保证。结论是:声波法泄漏检测技术可以很好的检测输气管道泄漏,是一种灵敏度高,检测时间短,值得推广的方法。      

基于Sagnac光纤干涉仪的管道泄漏检测和定位技术

研制了一种基于Sagnac干涉仪的分布式光纤传感器,可实时进行管道泄漏检测与定位.阐述了该传感技术的工作原理和泄漏点定位方法,并推导了泄漏引起的光信号相位变化表达式。管道泄漏实验结果表明,水压为0.3MPa时,该技术能有效地检测到管道泄漏的发生并准确定位。     

基于声发射和GAN-CNN的铝合金管道法兰 连接松动泄漏检测*

面向管道法兰连接松动引起的泄漏检测需求,为解决数据样本不足和减少特征指标手动选取的繁琐环节。本文,考虑到生成性对抗网络（GAN）作为数据扩充工具,已被证明能够生成与真实数据相似的样本数据。同时,卷积神经网络（CNN）作为一种深度学习方法,为自动提取数据的特征提供了一种有效的方法。开展了基于GAN和CNN的铝合金管道法兰连接松动泄漏检测研究。首先,搭建管道泄漏标定和数据采集实验台,利用声发射技术获取不同等级的原始泄漏信号。其次,采用GAN生成样本数据扩充原始数据。同时,为了评估生成模型的性能,引入统计特评估生成质量。最后,将生成的样本数据与原始数据设置为不同训练集,基于卷积神经网络构建智能分类检测模型,应用于管道泄漏检测。同时,分类检测结果与小样本智能分类方法SVM进行了比较,实验结果表明,基于GAN和CNN构建的智能分类模型可显著提高管道法兰连接松动泄漏检测精度。     

基于ASDX/ASCX的火电厂电站管线漏电无损检测系统设计

为了提高火电厂电站管线漏电检测的准确性和实时性,并最大程度降低对管线的损坏,设计并实现了一种基于ASDX/ASCX的火电厂电站管线漏电无损检测系统。采用ASDX/ASCX传感器完成对电站管线漏电信号传播速度数据以及电站管线漏电信号所在管线高度数据等的采集,基于可编程逻辑控制器PLC(Program Logic Control,PLC),对采用传感器采集管线中的数据过程进行实时控制,通过实时分析采集的数据,进而实时的对管线进行无损检测,系统硬件设计给出了基于ASDX/ASCX三轴加速度传感器、ARM微处理器以及USB2085数据采集卡等硬件的设计原理,软件设计中,对PLC控制的软件平台选择及运行流程进行了详细设计,并给出了无损检测漏电信号TMS320VC5509A DSP处理流程。实验结果表明,系统控制误差在2%以内,比传统系统平均节能120J,运算效率提高22%左右。系统控制精度高,响应速度快,可靠性强,满足用户使用要求。     

Theoretical and Experimental Investigation of Flexural Vibration Transfer Properties of High-Pressure Periodic Pipe

According to the theory of phononic crystals,the hydraulic pipeline is designed to be a periodic structure composed of steel pipes and hoses to suppress the vibration of the hydraulic system with band gaps.We present theoretical and experimental investigations into the flexural vibration transfer properties of a high-pressure periodic pipe with the force on the inner pipe wall by oil pressure taken into consideration.The results show that the vibration attenuation of periodic pipe decreases along with the elevation of working pressure for the hydraulic system,and the band gaps in low frequency ranges move towards high frequency ranges.The periodic pipe has good vibration attenuation performance in the frequency range below 1000 Hz and the vibration of the hydrauhc system is effectively suppressed.All the results are validated by experiment.The experimental results show a good agreement with the numerical calculations,thus the flexural vibration transfer properties of the highpressure periodic pipe can be precisely calculated by taking the Quid structure interaction between the pipe and oil into consideration.This study provides an effective way for the vibration control of the hydraulic system.     

偏振态对分布式光纤泄漏检测系统的影响研究

研制了一种基于Sagnac干涉仪的直线型分布式光纤传感器,可实时进行管道泄漏检测与定位。分析和研究了该干涉仪的泄漏检测原理、泄漏源定位方法以及光偏振态对传感器性能的影响。当两束光偏振态相同时,系统具有最佳的性能;当两束光正交时,无法实现信号检测。管道泄漏的实验结果表明,该系统能较准确地确定泄漏源位置,且定位误差为0.69%。     

集输-S型立管内气液两相流流型的PSD特征

在集输-S型柔性立管系统中实验研究了空气-水两相流的流型,研究了不同流型下立管段压差波动信号的频域特征,分析了压差波动信号的功率谱特性(PSD)。结果表明,随着流型由严重段塞流向稳定流动的转变,立管压差波动信号的能量值逐渐降低,能量值的频率范围逐渐升高。不同流型的功率谱能量值及主峰所在频率存在很大差别,压差信号的功率谱密度函数可作为识别S型柔性立管系统中流型的有效手段。     

基于神经免疫生长可免域网络的红外光谱图像分割算法

管道运输对远距离输送石油天然气有着较大优势,而与之伴随的管道安全问题使得管道安全检测至关重要。为确保任何时间下管道状况的有效检测,红外成像技术由于其根据对象的热辐射信息反映目标特征的特殊性,能够忽视可见光的影响检测管道状态,因而在管道检测领域有重要意义。但由于户外环境的多样性,交错的管道和复杂环境使得采集的红外管道图像具有目标特征分布不均匀,目标遮挡和背景类目标干扰等问题。这些问题增加了提取管道目标的难度,不利于管道的分割和检测。生物免疫系统在抗原检测、提取和消除上表现出识别、学习、记忆、耐受和协调配合等目前复杂系统优化策略所缺乏的优异特性,借鉴生物神经系统调控免疫系统的机理,设计一种基于神经免疫网络的复杂背景下红外管道目标的检测与提取算法。根据生物神经网络在免疫系统中的调控机制,利用基础管道形状特征模型构建用于红外管道目标定位的神经网络,并将最优神经免疫可免域和区域种子生长结合,解决管道遮挡影响提取目标完整性的问题。选择三种典型的红外管道图像,将传统目标检测算法与基于神经免疫网络的算法进行了效果对比分析。结果表明,传统算法的平均真阳性率为40.56%,Jaccard相似性指数为27.18%,绝对误差率为11.75%,而基于神经免疫网络算法的真阳性率为98.05%,Jaccard相似性指数为94.44%,绝对误差率为1.18%。对比可知,神经免疫网络算法的真阳性率比传统方法高57.49%,绝对误差率则低10.57%,验证了复杂背景下,本文算法相比传统方法能够更加准确地提取完整的红外管道目标,这对管道安全检测效率的提高有着重要意义。     

Numerical Simulation Study on Flow Laws and Heat Transfer of Gas Hydrate in the Spiral Flow Pipeline with Long Twisted Band

The natural gas hydrate plugging problems in the mixed pipeline are becoming more and more serious. The hydrate plugging has gradually become an important problem to ensure the safety of pipeline operation. The deposition and heat transfer characteristics of natural gas hydrate particles in the spiral flow pipeline have been studied. The DPM model (discrete phase model) was used to simulate the motion of solid particles, which was used to simulate the complex spiral flow characteristics of hydrate in the pipeline with a long twisted band. The deposition and heat transfer characteristics of gas hydrate particles in the spiral flow pipeline were studied. The velocity distribution, pressure drop distribution, heat transfer characteristics, and particle settling characteristics in the pipeline were investigated. The numerical results showed that compared with the straight flow without a long twisted band, two obvious eddies are formed in the flow field with a long twisted band, and the velocities are maximum at the center of the vortices. Along the direction of the pipeline, the two vortices move toward the pipe wall from near the twisted band, which can effectively carry the hydrate particles deposited on the wall. With the same Reynolds number, the twisted rate was greater, the spiral strength was weaker, the tangential velocity was smaller, and the pressure drop was smaller. Therefore, the pressure loss can be reduced as much as possible with effect of the spiral flow. In a straight light flow, the Nusselt number is in a parabolic shape with the opening downwards. At the center of the pipe, the Nusselt number gradually decreased toward the pipe wall at the maximum, and at the near wall, the attenuation gradient of the Nu number was large. For spiral flow, the curve presented by the Nusselt number was a trough at the center of the pipe and a peak at 1/2 of the pipe diameter. With the reduction of twist rate, the Nusselt number becomes larger. Therefore, the spiral flow can make the temperature distribution more even and prevent the large temperature difference, resulting in the mass formation of hydrate particles in the pipeline wall. Spiral flow has a good carrying effect. Under the same condition, the spiral flow carried hydrate particles at a distance about 3–4 times farther than that of the straight flow.