專利名稱：壓力管道的fbg在線監(jiān)測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種壓力管道的在線監(jiān)測技術，具體涉及一種壓力管道的光纖Bragg 光柵在線監(jiān)測技術。屬光電子測量技術領域。
背景技術：
《特種設備安全監(jiān)察條例》(國務院令第373號)中定義壓力管道是指利用一定 的壓力，用于輸送氣體或者液體的管狀設備，其范圍規(guī)定為最高工作壓力大于或者等于 0. lMPa(表壓)的氣體、液化氣體、蒸汽介質(zhì)或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度 高于或者等于標準沸點的液體介質(zhì)、且公稱直徑大于25mm的管道。壓力管道作為一種特殊 設備，其安全性越來越受到關注，作為壓力管道安全運行的重要參量，管道壓力和溫度沿管 線變化的實時在線監(jiān)測就顯得至關重要。 與本發(fā)明最接近的文獻是《長輸管道應力應變自動化監(jiān)測系統(tǒng)研究》(馬延霞、陳 浩，《石油機械》2008， VOL. 36， No. 4)。該文采用電阻應變片采集管道在某一測點的三向應 力狀態(tài)，屬于一種相對測量方式，無法實現(xiàn)對管道壓力與溫度的長期在線監(jiān)測。另外一篇與 本發(fā)明專利相近的文獻是《分布式FBG傳感器在管道檢測中的應用》(李靖、劉微，《石家莊 鐵路職業(yè)技術學院學報》，2008 (3) ， VOL. 7， No. 1)。該文設計了一種用于檢測管道泄露的分 布式FBG傳感器，但并未提及實現(xiàn)對管道的壓力和溫度的在線監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決提供一種壓力管道的FBG在線監(jiān)測方法，可同時實現(xiàn)對壓 力管道的環(huán)向和軸向的壓應力、以及溫度的在線監(jiān)測。 實現(xiàn)本發(fā)明上述的目采取的技術方案是將兩光纖Bragg光柵分別沿管道的環(huán)向 和軸向粘貼在管道外壁上，兩光纖Bragg光柵成垂直布置，再分別通過輸入輸出光纖將兩 光纖Bragg光柵與信號處理裝置連接，利用解調(diào)儀得到的光纖Bragg光柵中心波長的移位 值，將管道壓力和溫度值反算出來，從而對管道壓力以及溫度在線監(jiān)測。
管道在受內(nèi)壓作用下，其沿管線環(huán)向和軸向?qū)a(chǎn)生壓應力，通過粘貼在管道上的 環(huán)向和軸向光纖Bragg光柵，可將管道環(huán)向和軸向上的線應變轉(zhuǎn)換成光纖Bragg光柵的中 心波長移位，兩光纖Bragg光柵分別通過光纖與信號處理裝置連接，可得到的光纖Bragg光 柵中心波長的移位值，將管道壓力和溫度值反算出來，實現(xiàn)波長與管道壓力以及溫度的對 應關系。 根據(jù)厚壁圓筒中的應力分布，當管道受到內(nèi)壓P作用時，管道外壁沿管線環(huán)向應 力o e和軸向應力o 2可表示為
3<formula>formula see original document page 4</formula>
式中^=7為外徑跟內(nèi)徑的比值；E為管材的Yoimg's?！?br> 凡
;v為泊松比；a為平
均熱膨脹系數(shù)；AT為內(nèi)外壁溫差；
根據(jù)廣義Hooke定理
<formula>formula see original document page 4</formula>
把式(1)代入式(2)，則出管道外壁沿管線環(huán)向應變e e和軸向應變、可表示 ' 2-v 「 12 )"Ar
<formula>formula see original document page 4</formula> 光纖Bragg光柵均勻軸向應變引起的波長移位為
A AB = AB(l-pe) e (4) 式中，AB為光纖Bragg光柵中心波長，A "為波長移位量，pe為有效彈-光系
數(shù)，e為沿光纖軸向的應變，將兩支中心波長為;ii^和/b2的光柵沿管線環(huán)向和軸向粘貼在
管道外壁，式(3)分別代入式(4)，則管道沿管線環(huán)向和軸向受壓跟光纖Bragg光柵波長移
位的關系
<formula>formula see original document page 4</formula>
通過求解方程組(5)，則管道受內(nèi)壓P以及內(nèi)外壁溫差AT與光纖Bragg光柵波長
移位的關系為
<formula>formula see original document page 5</formula> 本發(fā)明的有益效果是 實現(xiàn)了壓力管道的壓力和溫度的在線監(jiān)測。本發(fā)明直接將光纖Bragg光柵沿管線 環(huán)向和軸向粘貼在管道外壁上，壓力管道受內(nèi)壓情況下沿管線環(huán)向和軸向的壓應力轉(zhuǎn)換成 對光纖Bragg光柵的中心波長移位，并根據(jù)粘貼在環(huán)向和軸向的光柵對管道壓力和溫度響 應的差異性來實現(xiàn)管道壓力和溫度情況的在線監(jiān)測。


圖1為本發(fā)明的傳感器布置及受力分析圖。 圖中管道1、輸入輸出光纖2和5、光纖Bragg光柵3和4、信號處理裝置6。
具體實施例方式
參見圖1，將兩光纖Bragg光柵3和4分別沿管道1的環(huán)向和軸向粘貼在管道1外 壁上，兩光纖Bragg光柵成垂直布置，再分別通過輸入輸出光纖2和5將兩光纖Bragg光柵 3和4與信號處理裝置6連接，利用解調(diào)儀得到的光纖Bragg光柵中心波長的移位值，將管 道壓力和溫度值反算出來，從而對管道壓力以及溫度在線監(jiān)測，具體選擇參數(shù)如下
1.壓力管道選用奧氏體不銹鋼(至Cr25Ni20)無縫鋼管； 2.壓力管道材料相關參數(shù)公稱直徑DN50(小60. 3X5.6)，外徑與內(nèi)徑比值K二 1. 23 ;Young， s模量為E = 195GPa ;泊松比v = 0. 3 ;20。C禾口 100。C之間奧氏體不銹鋼的平 均線膨脹系數(shù)a = 16.84X10—6mm/(mm°C ); 3.光纖Bragg光柵的技術參數(shù)為中心波長As, = 1547.000 nm， ;b2=l550.000 nm，有效彈-光系數(shù)Pe = 0. 22 ; 4.按圖1配置實驗； 5.用光纖光柵分析儀獲取光纖Bragg光柵的Bragg波長； 6.將已知量代入式(6)，管道壓力和溫差與沿管線軸向和環(huán)向粘貼在管道外壁的 光纖Bragg光柵的中心波長移位的關系為P = 0.063 8A;U — 0.0636A/U2
AT = 0.13 8A;Is2 —0.0325A義a。
權利要求
一種壓力管道的FBG在線監(jiān)測方法，其特征是將兩光纖Bragg光柵分別沿管道的環(huán)向和軸向粘貼在管道外壁上，兩光纖Bragg光柵成垂直布置，再分別通過輸入輸出光纖將兩光纖Bragg光柵與信號處理裝置連接，利用解調(diào)儀得到的光纖Bragg光柵中心波長的移位值，將管道壓力和溫度值反算出來，從而對管道壓力以及溫度在線監(jiān)測。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓力管道的在線監(jiān)測技術，具體涉及一種壓力管道的光纖Bragg光柵在線監(jiān)測技術。屬光電子測量技術領域。本方法是將兩光纖Bragg光柵分別沿管道的環(huán)向和軸向粘貼在管道外壁上，兩光纖Bragg光柵成垂直布置，再分別通過輸入輸出光纖將兩光纖Bragg光柵與信號處理裝置連接，利用解調(diào)儀得到的光纖Bragg光柵中心波長的移位值，將管道壓力和溫度值反算出來，從而對管道壓力以及溫度在線監(jiān)測。本發(fā)明的方法簡便易行，可同時實現(xiàn)對壓力管道的環(huán)向和軸向的壓應力、以及溫度的在線監(jiān)測。
文檔編號G01L1/24GK101793573SQ20101013251
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月26日 優(yōu)先權日2010年3月26日
發(fā)明者曹敏, 李川, 楊晴, 羅勇 申請人:昆明理工大學;云南電力試驗研究院(集團)有限公司