基于PGC解調(diào)的光纖傳感器天然氣管道泄漏檢測裝置設(shè)計

【摘要】：隨著環(huán)境保護和清潔能源使用的倡導，天然氣的運用越來越廣泛，而管道運輸作為天然氣的主要輸送方式，卻經(jīng)常存在著泄漏的風險。因此，對于天然氣管道運行的實時監(jiān)測是一個非常有意義并富有挑戰(zhàn)性的研究。本文以天然氣管道為檢測對象，運用光纖傳感器的干涉型分布式光纖傳感技術(shù)，選擇合適的信號解調(diào)方法，對光纖傳感器天然氣管道泄漏檢測系統(tǒng)與檢測裝置設(shè)計進行了研究。 （1）研究了光纖傳感器的干涉測量技術(shù)，搭建了基于Mach-Zehnder和Sagnac混合干涉原理的光路測量架構(gòu)，并通過數(shù)學公式推導出檢測系統(tǒng)的干涉測量原理，根據(jù)仿真分析了光路測量架構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇。 （2）對比分析了光纖干涉儀的信號解調(diào)方法，研究了基于PGC解調(diào)的實現(xiàn)原理，并對PGC解調(diào)模型進行數(shù)學分析，設(shè)計并制作了PGC解調(diào)電路模塊，通過將高頻載波生成模塊、信號調(diào)理模塊和PGC解調(diào)模塊集成設(shè)計，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并提高了解調(diào)電路性能。 （3）根據(jù)天然氣管道泄漏檢測方法和定位原理，搭建了管道泄漏檢測實驗平臺，優(yōu)化實驗架構(gòu)環(huán)境，并提出了天然氣管道泄漏檢測實驗系統(tǒng)技術(shù)指標。 （4）設(shè)計并制作了基于LabVIEW系統(tǒng)開發(fā)平臺的數(shù)據(jù)采集模塊，并研究了基于小波變換的檢測信號消噪處理方式，完成了對檢測信號的消噪處理。 （5）利用研制的天然氣管道泄漏檢測系統(tǒng)，在管道泄漏檢測實驗平臺上，進行了一系列針對檢測系統(tǒng)性能的實驗，根據(jù)實驗中存在的問題，分析研究了影響檢測系統(tǒng)性能和定位精度的因素，并提出了改善檢測系統(tǒng)性能和定位精度的方法。 通過實驗分析可知，本文設(shè)計的基于PGC解調(diào)的光纖傳感器天然氣管道泄漏檢測裝置，能夠?qū)π孤┛讖溅怠?.5mm，管道內(nèi)氣壓P≥0.2MPa的管道泄漏進行有效檢測。在泄漏點位置分別為8.045km和10.058km處進行了天然氣管道泄漏檢測實驗并重復做了20次試驗，實驗結(jié)果表明，檢測系統(tǒng)對管道泄漏檢測的平均定位誤差不超過150m，相對定位誤差不大于1.5%。 【關(guān)鍵詞】：天然氣管道 光纖傳感器 PGC解調(diào) 檢測系統(tǒng) 泄漏檢測
【學位授予單位】：中國計量學院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TE973.6
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 目次9-12
• 圖清單12-14
• 表清單14-15
• 1 緒論15-30
• 1.1 課題背景、研究目的及意義15-17
• 1.1.1 課題背景15-16
• 1.1.2 課題研究目的及意義16-17
• 1.2 光纖傳感器的國內(nèi)外應(yīng)用研究17-21
• 1.2.1 基于光背向散射的分布式光纖傳感技術(shù)18-19
• 1.2.2 干涉型分布式光纖傳感技術(shù)19-21
• 1.3 光纖干涉儀解調(diào)方法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21-27
• 1.4 論文的主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)框架27-29
• 1.4.1 論文的主要研究內(nèi)容27
• 1.4.2 論文的結(jié)構(gòu)框架27-29
• 1.5 本章小結(jié)29-30
• 2 光纖傳感器檢測系統(tǒng)理論分析30-45
• 2.1 光纖檢測原理30-32
• 2.1.1 光纖感測效應(yīng)30-31
• 2.1.2 光波干涉測量技術(shù)31-32
• 2.2 光纖傳感器檢測系統(tǒng)原理32-38
• 2.2.1 光路測量架構(gòu)33-34
• 2.2.2 系統(tǒng)檢測原理數(shù)學分析34-38
• 2.3 檢測系統(tǒng)信號解調(diào)技術(shù)38-40
• 2.3.1 PGC解調(diào)實現(xiàn)原理38
• 2.3.2 PGC解調(diào)模型數(shù)學分析38-40
• 2.4 檢測系統(tǒng)性能參數(shù)研究40-44
• 2.4.1 延遲光纖長度的選擇40-42
• 2.4.2 調(diào)制器光纖長度的選擇42
• 2.4.3 系統(tǒng)檢測范圍的確定42-43
• 2.4.4 檢測系統(tǒng)靈敏度分析43-44
• 2.5 本章小結(jié)44-45
• 3 PGC 解調(diào)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)研究45-62
• 3.1 解調(diào)電路的電源設(shè)計46-47
• 3.2 高頻載波信號生成模塊設(shè)計47-48
• 3.3 信號解調(diào)電路模塊設(shè)計48-58
• 3.3.1 運算放大器設(shè)計48-50
• 3.3.2 乘法器設(shè)計50-52
• 3.3.3 低通濾波器設(shè)計52-54
• 3.3.4 微分器設(shè)計54-56
• 3.3.5 減法器設(shè)計56-57
• 3.3.6 積分器設(shè)計57-58
• 3.4 PGC 解調(diào)電路模塊性能提升58-61
• 3.5 本章小節(jié)61-62
• 4 天然氣管道泄漏檢測實驗系統(tǒng)設(shè)計62-74
• 4.1 管道泄漏檢測實驗系統(tǒng)技術(shù)指標62
• 4.2 天然氣管道泄漏檢測系統(tǒng)定位技術(shù)62-63
• 4.3 天然氣管道泄漏檢測實驗平臺63-66
• 4.3.1 天然氣管道泄漏檢測實驗平臺63-65
• 4.3.2 實驗架構(gòu)環(huán)境優(yōu)化65
• 4.3.3 實驗儀器性能參數(shù)65-66
• 4.4 基于 LabVIEW 系統(tǒng)開發(fā)平臺的數(shù)據(jù)采集模塊66-68
• 4.5 檢測信號的消噪研究68-73
• 4.5.1 基于小波變換的信號消噪69-72
• 4.5.2 檢測信號的小波消噪72-73
• 4.6 本章小節(jié)73-74
• 5 實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析74-86
• 5.1 管道泄漏檢測實驗設(shè)計74-80
• 5.1.1 不同實驗環(huán)境測量74-75
• 5.1.2 不同延遲光纖長度測量75-76
• 5.1.3 不同光偏振態(tài)測量76-77
• 5.1.4 管道內(nèi)氣體不同傳輸壓力測量77-78
• 5.1.5 布放光纖與泄漏點不同夾角測量78-79
• 5.1.6 不同泄漏點位置測量79-80
• 5.2 實驗結(jié)果與分析80-83
• 5.3 實驗問題探討83-85
• 5.3.1 信號強度問題探討83-84
• 5.3.2 信號衰減問題探討84
• 5.3.3 實驗環(huán)境問題探討84
• 5.3.4 檢測系統(tǒng)定位精度問題探討84-85
• 5.4 本章小節(jié)85-86
• 6 結(jié)論與展望86-89
• 6.1 論文總結(jié)86-87
• 6.2 未來展望87-89
• 參考文獻89-94
• 附錄 A 管道泄漏檢測裝置實物圖94-95
• 附錄 B 檢測系統(tǒng)實驗平臺實物圖95-96
• 附錄 C PGC 解調(diào)模塊實物圖96-97
• 附錄 D DDS 波形產(chǎn)生模塊程序配置97-100
• 作者簡歷100

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