基于光纤传感器的输气管线检测技术研究
发布时间：2021-04-15 05:29
天然气管道是当前天然气主要的输送方式,光纤传感器作为一种高效的检测手段在天然气管道检测上具有广阔的应用前景。论文分析了分布式光纤测温系统的测温原理、研究了由激光光源、耦合器、数据采集卡、测试主机和测试光纤组成的测温系统,根据各部分功能确定其相应的光源波长、雪崩二极管类型、采样频率及传感光纤类型等参数;输气管道发生泄漏时,管内高压气体快速流失造成泄漏点附近环境温度的变化,该系统通过对输气管线周围环境温度的监测,进而实现对泄漏的检测。通过对现场实验环境的勘查,根据实际情况设置多组对比实验,利用分布式光纤测温系统记录各种工况下的温度信号。对于管道泄漏时的测温信号,采用累加平均法、小波消噪法、经验模态法和小波奇异值分析法等多种方法对其进行去噪处理,提高信噪比,最终达到提高系统故障诊断精准度的目的。分析发现小波奇异值分析法是小波阈值消噪的基础上进行奇异值分解、阈值重构去噪效果相较于小波消噪有所提高。利用分布式光纤测温系统检测管道泄漏时温度的变化,进而实现对输气管线泄漏的检测。多种方法对测温信号的消噪处理,提高了系统的检测精确度,可以诊断管道细微泄漏,进而避免事故的发生。
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光纤散射频谱图
其间释放mhv 的能量，此过程称为反斯托克斯散射[33]，其光子跃迁过程如图如图2-2(b)。这两种散射的频移量绝对值相等，所以在入射光的散射频谱中可以看出 Stokes光、Anti-stokes 光对称的分布在入射光的两侧。散射光频移量的大小属于材质的固有属性，只与介质的材料有关。(a)Stokes 的能级跃迁图 (b)Anti-St1okes 的能级跃迁图图 2-2 能级跃迁图Stokes 光的频率与 Anti-stokes 光的频率分别为[34]：hEEvvs210 = (2-1)hEEvvas210 = (2-2)介质分子从最初能级 最终跃迁到能级 时产生 Stokes 光；介质分子从最初能级最终跃迁到能级 时产生 Anti-stokes 光，高能级上粒子的分布随能量增加呈现指数减少，因此 Stokes 光比 Anti-stokes 光光强要高处 1-2 个数量级。2.1.2 拉曼散射光谱特征由于产生机理的不同，每种光谱都具有其特点。拉曼散射也有别与其他光谱的特征。1.频率特征(1)当介质材料一定时，散射光频率 跟着确定，不随其他条件改变；(2)Stokes 与 Anti-stokes 光的散射频率绝对值相等，表示为：
、 —拉曼散射的 Stokes 光波长与 Anti-stokes 光波长，nm；h—普朗克常量，J·s；c—光速，m/s；—拉曼散射频移波数；k—玻尔兹曼常量，J/K；T—绝对温度，K；从公式中可以看出，拉曼散射光谱的 Anti-stokes 光光强与 Stokes 光光强的比值与温度存在直接的关系。2.2 光时域反射原理光时域反射(Optical Time Domain Reflection，OTDR)是：将一束激光脉冲注入到光纤中，光脉冲信号在向前传播的过程中会产生菲涅尔散射信号和瑞利散射信号，为了降低信号噪声，采用多次连续发射光脉冲，在注入端检测到的光信号求 0 平均，最后通过传输距离和传输时间的对应公式就能得到光纤中光功率衰减在长度方向上的分布，进而可以判断出光纤长度方向个点的状态[36]。如图 2-3 为系统原理框图。
【参考文献】：
期刊论文
[1]连续可微阈值函数与尺度阈值的小波去噪[J]. 陈家益,战荫伟,曹会英,吴兴达,李小飞. 电子测量与仪器学报. 2018(10)
[2]分布式光纤测温系统的自校准技术研究[J]. 申剑光. 计量与测试技术. 2018(08)
[3]基于变分模态分解和蝙蝠算法-相关向量机的短期风速区间预测[J]. 范磊,卫志农,李慧杰,Kwok W Cheung,孙国强,孙永辉. 电力自动化设备. 2017(01)
[4]基于改进LLE算法的机械故障特征压缩与诊断[J]. 王江萍,崔锦. 科学技术与工程. 2016(13)
[5]基于分布式光纤光栅传感温度测量系统的开发与实现[J]. 陆建国. 通信电源技术. 2015(05)
[6]油气集输管道内腐蚀及内防腐[J]. 聂永臣,何敏,苏继祖,胡炎兴,张海健,李亮. 油气田地面工程. 2015(01)
[7]沥青路面用光纤光栅温度传感器校准方法研究[J]. 谭忆秋,王海朋,马韶军,董泽蛟,邵显智,陈凤晨. 建筑材料学报. 2013(05)
[8]基于分布式光纤测温的电力电缆在线监测技术研究[J]. 何炜斌,廖维君,薛志亚,章晓满. 广东电力. 2013(05)
[9]基于EMD和小波包的轴承故障特征提取[J]. 张毅. 信息与电子工程. 2012(03)
[10]改进小波阈值去噪法的对比性仿真实验与分析[J]. 王拴中,朱玉田. 噪声与振动控制. 2012(01)
博士论文
[1]EMD算法研究及其在信号去噪中的应用[D]. 王婷.哈尔滨工程大学 2010
硕士论文
[1]分布式光纤围栏防护系统中偏振控制技术研究[D]. 黄微卫.西南交通大学 2016
[2]时频分析在MZ干涉与Φ-OTDR分布式光纤传感中的应用研究[D]. 管国光.西南交通大学 2016
[3]基于小波分析和经验模态分解的探针信号去噪研究[D]. 韩军朝.燕山大学 2012
[4]基于分布式光纤的电缆温度监测系统及其数据处理研究[D]. 贺伟.长沙理工大学 2011
[5]基于经验模态分解的小波阈值信号去噪研究[D]. 张永德.昆明理工大学 2011
[6]基于奇异值分解的状态监测与故障诊断方法研究[D]. 关晓勇.大连理工大学 2005
本文编号：3138733
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光纤散射频谱图
其间释放mhv 的能量，此过程称为反斯托克斯散射[33]，其光子跃迁过程如图如图2-2(b)。这两种散射的频移量绝对值相等，所以在入射光的散射频谱中可以看出 Stokes光、Anti-stokes 光对称的分布在入射光的两侧。散射光频移量的大小属于材质的固有属性，只与介质的材料有关。(a)Stokes 的能级跃迁图 (b)Anti-St1okes 的能级跃迁图图 2-2 能级跃迁图Stokes 光的频率与 Anti-stokes 光的频率分别为[34]：hEEvvs210 = (2-1)hEEvvas210 = (2-2)介质分子从最初能级 最终跃迁到能级 时产生 Stokes 光；介质分子从最初能级最终跃迁到能级 时产生 Anti-stokes 光，高能级上粒子的分布随能量增加呈现指数减少，因此 Stokes 光比 Anti-stokes 光光强要高处 1-2 个数量级。2.1.2 拉曼散射光谱特征由于产生机理的不同，每种光谱都具有其特点。拉曼散射也有别与其他光谱的特征。1.频率特征(1)当介质材料一定时，散射光频率 跟着确定，不随其他条件改变；(2)Stokes 与 Anti-stokes 光的散射频率绝对值相等，表示为：
、 —拉曼散射的 Stokes 光波长与 Anti-stokes 光波长，nm；h—普朗克常量，J·s；c—光速，m/s；—拉曼散射频移波数；k—玻尔兹曼常量，J/K；T—绝对温度，K；从公式中可以看出，拉曼散射光谱的 Anti-stokes 光光强与 Stokes 光光强的比值与温度存在直接的关系。2.2 光时域反射原理光时域反射(Optical Time Domain Reflection，OTDR)是：将一束激光脉冲注入到光纤中，光脉冲信号在向前传播的过程中会产生菲涅尔散射信号和瑞利散射信号，为了降低信号噪声，采用多次连续发射光脉冲，在注入端检测到的光信号求 0 平均，最后通过传输距离和传输时间的对应公式就能得到光纤中光功率衰减在长度方向上的分布，进而可以判断出光纤长度方向个点的状态[36]。如图 2-3 为系统原理框图。
【参考文献】：
期刊论文
[1]连续可微阈值函数与尺度阈值的小波去噪[J]. 陈家益,战荫伟,曹会英,吴兴达,李小飞. 电子测量与仪器学报. 2018(10)
[2]分布式光纤测温系统的自校准技术研究[J]. 申剑光. 计量与测试技术. 2018(08)
[3]基于变分模态分解和蝙蝠算法-相关向量机的短期风速区间预测[J]. 范磊,卫志农,李慧杰,Kwok W Cheung,孙国强,孙永辉. 电力自动化设备. 2017(01)
[4]基于改进LLE算法的机械故障特征压缩与诊断[J]. 王江萍,崔锦. 科学技术与工程. 2016(13)
[5]基于分布式光纤光栅传感温度测量系统的开发与实现[J]. 陆建国. 通信电源技术. 2015(05)
[6]油气集输管道内腐蚀及内防腐[J]. 聂永臣,何敏,苏继祖,胡炎兴,张海健,李亮. 油气田地面工程. 2015(01)
[7]沥青路面用光纤光栅温度传感器校准方法研究[J]. 谭忆秋,王海朋,马韶军,董泽蛟,邵显智,陈凤晨. 建筑材料学报. 2013(05)
[8]基于分布式光纤测温的电力电缆在线监测技术研究[J]. 何炜斌,廖维君,薛志亚,章晓满. 广东电力. 2013(05)
[9]基于EMD和小波包的轴承故障特征提取[J]. 张毅. 信息与电子工程. 2012(03)
[10]改进小波阈值去噪法的对比性仿真实验与分析[J]. 王拴中,朱玉田. 噪声与振动控制. 2012(01)
博士论文
[1]EMD算法研究及其在信号去噪中的应用[D]. 王婷.哈尔滨工程大学 2010
硕士论文
[1]分布式光纤围栏防护系统中偏振控制技术研究[D]. 黄微卫.西南交通大学 2016
[2]时频分析在MZ干涉与Φ-OTDR分布式光纤传感中的应用研究[D]. 管国光.西南交通大学 2016
[3]基于小波分析和经验模态分解的探针信号去噪研究[D]. 韩军朝.燕山大学 2012
[4]基于分布式光纤的电缆温度监测系统及其数据处理研究[D]. 贺伟.长沙理工大学 2011
[5]基于经验模态分解的小波阈值信号去噪研究[D]. 张永德.昆明理工大学 2011
[6]基于奇异值分解的状态监测与故障诊断方法研究[D]. 关晓勇.大连理工大学 2005
本文编号：3138733
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