专利名称：压力管道的fbg在线监测方法
技术领域：
本发明涉及一种压力管道的在线监测技术，具体涉及一种压力管道的光纤Bragg 光栅在线监测技术。属光电子测量技术领域。
背景技术：
《特种设备安全监察条例》(国务院令第373号)中定义压力管道是指利用一定 的压力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于 0. lMPa(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 高于或者等于标准沸点的液体介质、且公称直径大于25mm的管道。压力管道作为一种特殊 设备，其安全性越来越受到关注，作为压力管道安全运行的重要参量，管道压力和温度沿管 线变化的实时在线监测就显得至关重要。 与本发明最接近的文献是《长输管道应力应变自动化监测系统研究》(马延霞、陈 浩，《石油机械》2008， VOL. 36， No. 4)。该文采用电阻应变片采集管道在某一测点的三向应 力状态，属于一种相对测量方式，无法实现对管道压力与温度的长期在线监测。另外一篇与 本发明专利相近的文献是《分布式FBG传感器在管道检测中的应用》(李靖、刘微，《石家庄 铁路职业技术学院学报》，2008 (3) ， VOL. 7， No. 1)。该文设计了一种用于检测管道泄露的分 布式FBG传感器，但并未提及实现对管道的压力和温度的在线监测。

发明内容
本发明的目的在于解决提供一种压力管道的FBG在线监测方法，可同时实现对压 力管道的环向和轴向的压应力、以及温度的在线监测。 实现本发明上述的目采取的技术方案是将两光纤Bragg光栅分别沿管道的环向 和轴向粘贴在管道外壁上，两光纤Bragg光栅成垂直布置，再分别通过输入输出光纤将两 光纤Bragg光栅与信号处理装置连接，利用解调仪得到的光纤Bragg光栅中心波长的移位 值，将管道压力和温度值反算出来，从而对管道压力以及温度在线监测。
管道在受内压作用下，其沿管线环向和轴向将产生压应力，通过粘贴在管道上的 环向和轴向光纤Bragg光栅，可将管道环向和轴向上的线应变转换成光纤Bragg光栅的中 心波长移位，两光纤Bragg光栅分别通过光纤与信号处理装置连接，可得到的光纤Bragg光 栅中心波长的移位值，将管道压力和温度值反算出来，实现波长与管道压力以及温度的对 应关系。 根据厚壁圆筒中的应力分布，当管道受到内压P作用时，管道外壁沿管线环向应 力o e和轴向应力o 2可表示为
3<formula>formula see original document page 4</formula>
式中^=7为外径跟内径的比值；E为管材的Yoimg's模〗
凡
;v为泊松比；a为平
均热膨胀系数；AT为内外壁温差；
根据广义Hooke定理
<formula>formula see original document page 4</formula>
把式(1)代入式(2)，则出管道外壁沿管线环向应变e e和轴向应变、可表示 ' 2-v 「 12 )"Ar
<formula>formula see original document page 4</formula> 光纤Bragg光栅均匀轴向应变引起的波长移位为
A AB = AB(l-pe) e (4) 式中，AB为光纤Bragg光栅中心波长，A "为波长移位量，pe为有效弹-光系
数，e为沿光纤轴向的应变，将两支中心波长为;ii^和/b2的光栅沿管线环向和轴向粘贴在
管道外壁，式(3)分别代入式(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
<formula>formula see original document page 4</formula>
通过求解方程组(5)，则管道受内压P以及内外壁温差AT与光纤Bragg光栅波长
移位的关系为
<formula>formula see original document page 5</formula> 本发明的有益效果是 实现了压力管道的压力和温度的在线监测。本发明直接将光纤Bragg光栅沿管线 环向和轴向粘贴在管道外壁上，压力管道受内压情况下沿管线环向和轴向的压应力转换成 对光纤Bragg光栅的中心波长移位，并根据粘贴在环向和轴向的光栅对管道压力和温度响 应的差异性来实现管道压力和温度情况的在线监测。


图1为本发明的传感器布置及受力分析图。 图中管道1、输入输出光纤2和5、光纤Bragg光栅3和4、信号处理装置6。
具体实施例方式
参见图1，将两光纤Bragg光栅3和4分别沿管道1的环向和轴向粘贴在管道1外 壁上，两光纤Bragg光栅成垂直布置，再分别通过输入输出光纤2和5将两光纤Bragg光栅 3和4与信号处理装置6连接，利用解调仪得到的光纤Bragg光栅中心波长的移位值，将管 道压力和温度值反算出来，从而对管道压力以及温度在线监测，具体选择参数如下
1.压力管道选用奥氏体不锈钢(至Cr25Ni20)无缝钢管； 2.压力管道材料相关参数公称直径DN50(小60. 3X5.6)，外径与内径比值K二 1. 23 ;Young， s模量为E = 195GPa ;泊松比v = 0. 3 ;20。C禾口 100。C之间奥氏体不锈钢的平 均线膨胀系数a = 16.84X10—6mm/(mm°C ); 3.光纤Bragg光栅的技术参数为中心波长As, = 1547.000 nm， ;b2=l550.000 nm，有效弹-光系数Pe = 0. 22 ; 4.按图1配置实验； 5.用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长； 6.将已知量代入式(6)，管道压力和温差与沿管线轴向和环向粘贴在管道外壁的 光纤Bragg光栅的中心波长移位的关系为P = 0.063 8A;U — 0.0636A/U2
AT = 0.13 8A;Is2 —0.0325A义a。
权利要求
一种压力管道的FBG在线监测方法，其特征是将两光纤Bragg光栅分别沿管道的环向和轴向粘贴在管道外壁上，两光纤Bragg光栅成垂直布置，再分别通过输入输出光纤将两光纤Bragg光栅与信号处理装置连接，利用解调仪得到的光纤Bragg光栅中心波长的移位值，将管道压力和温度值反算出来，从而对管道压力以及温度在线监测。
全文摘要
本发明涉及一种压力管道的在线监测技术，具体涉及一种压力管道的光纤Bragg光栅在线监测技术。属光电子测量技术领域。本方法是将两光纤Bragg光栅分别沿管道的环向和轴向粘贴在管道外壁上，两光纤Bragg光栅成垂直布置，再分别通过输入输出光纤将两光纤Bragg光栅与信号处理装置连接，利用解调仪得到的光纤Bragg光栅中心波长的移位值，将管道压力和温度值反算出来，从而对管道压力以及温度在线监测。本发明的方法简便易行，可同时实现对压力管道的环向和轴向的压应力、以及温度的在线监测。
文档编号G01L1/24GK101793573SQ20101013251
公开日2010年8月4日 申请日期2010年3月26日 优先权日2010年3月26日
发明者曹敏, 李川, 杨晴, 罗勇 申请人:昆明理工大学;云南电力试验研究院(集团)有限公司