基于光纤Bragg光栅的管道压力在线监测.pdf

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1、第5期罗勇等．基于光纤Bragg光栅的管道压力在线监测533基于光纤Bragg光栅的管道压力在线监测罗勇李川杨华陈尔阔(昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明650500)摘要介绍了基于光纤Bmgg光栅的管道压力测量方法。液压实验结果表明，沿环向粘贴在管道外壁的光纤Bragg光栅的实验灵敏度为188．1pm／MPa，非线性误差为4．89％Fs；沿轴向粘贴在管道外壁的光纤Bragg光栅的实验灵敏度为26．7pm／MPa，非线性误差为6．25％FS。传感器适用于设计压力低于lOMPa的中低压管道的在线监测。关键词管道光纤Bmgg光栅手动试压泵在线监测中图分类号TP212

2、文献标识码B文章编号1000—3932(201I)05．0533_03压力管道是指在一定的压力条件下，用于输送气体或液体的管状设备，它是输送最高工作压力不小于0．1MPa(表压)的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度不低于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25mm的管道⋯一。在管道输送过程中，流体的腐蚀、压力控制引起的液压冲击、温度变化以及人为破坏等因素使得管道的抗压强度降低，进而造成管道失效，导致资源损失，同时污染环境。传统的介入式压力检测法适用于测压点固定的场合，会破坏管道系统的整体特性，特别是在高压下易造成事故，并且无法对管道内

3、压进行实时在线监测。将光纤光栅缠绕成线圈，围绕在管道外壁用于测量管道内压的方法可测量与不稳定压力相关的管道内容物的参数(或特性)旧’，但并没有考虑环境温度变化对光纤Bragg光栅中心波长移位的影响。而笔者介绍的基于管道形变的测量方法，即在内压作用下，管道环向和轴向将产生一定的形变，从而导致粘贴在其表面的光纤Bragg光栅产生波长移位，进而实现管道压力的在线监测。1监测原理将光纤Bragg光栅分别沿管道的环向和轴向粘贴在其外壁上，两光纤Bragg光栅垂直布置(图1)，并通过输入、输出光纤与系统处理装置连接，利用解调仪得到光纤Bragg光栅的中心波长移位值，反算出管道压

4、力，从而实现对管道压力的在线监测。根据厚壁圆筒的弹性分析，即Lam爸公式p1进行计算。当管道承受内压p作用时，假定材料是均一的，变形前后的横截面保持平面，管道外壁P(志)+耥(去一志)㈩kp(志)+寿尚(去一志){i(2)k2音(叮t—r盯。’r字击+(志毒)㈣k宁击+(志一志)收稿日期：2010-12一14基金项目：云南省自然科学基金(2007F18lM)；昆明理工大学住处检测与处理创新团队专项经费化工自动化及仪表第38卷△A为旧1：△A；A(1一P。)占(4)式中A——中心波长；P，——有效弹光系数。将两支中心波长分别为A。．和A。：的光栅沿管线环向和轴向粘贴在

5、管道外壁，式(3)代入式(4)，则管道沿管线环向和轴向受压跟光纤Bragg光栅波长移位的关系为：『△ABl‰一～。)【宇志+(志一志)半】I△AB2‰：”P。“字志+(志一击)期(5)通过求解方程(5)，可知管道所受内压p与光纤Bragg光栅波长移位的关系为：p：ilj端△JjL。。一i_i—!赫△A。：(6)当ABI=】55】n脚，AB2=1539玎m，Pe=O．22，K=1．03，l，=0．3，E=192GPa时，可得：

6、D=0．0074△A叭一0．0075△AB2(7)2液压测量实验液压实验中，采用长度为500mm、外径×厚度为114mm×2mm的用于输送低压

7、流体的碳素结构钢(GB／700—1999)Q195焊管作为压力管道，其尺寸参照GB／T17395。管道两端用法兰焊接封闭，其中一端在法兰中心车出一个直径为20mm的螺纹，用于与加压设备(手动试压泵)连接。液压实验系统图如图2所示。加、卸压实验中，采用型号为sB一4．0MPa的手动试压泵对压力管道试件进行加、卸压。加压前先往管道试件中灌入纯净水，再将管道试件通过特制高压喷雾管与手动试压泵相连，完成上述步骤后检查系统中是否有渗水、漏水现象，确定管道系统密闭性良好后用手动试压泵缓慢、平稳地对管道试件进行加压。两个光纤Bragg光栅分别沿管线环向和轴向图2液压实验系统示意图

8、粘贴在管道外壁上，通过输入、输出光纤与解调仪连接，两根传感光栅的波峰值采用可调谐光纤Fabry—Pemt滤波器(FFP)进行解调，利用峰值检测法由光电探测器确定反射光的波长o¨。每次加压0．2MPa直至1．2MPa为止，然后开始卸压，每次卸压0．2MPa，加、卸压过程一般持压20一30min，稳定后记录下光纤Bragg光栅的中心波长值，如此反复试验3次。沿管道环向粘贴的光栅l的中心波长移位与荷载的关系如图3所示，重复性实验表明，该测点的灵敏度为188．1pm／MPa；光纤Bragg光栅测量的非线性误差为4．89％Fs；重复性误差为4．44％FS。沿管道轴向粘贴的