光纤测温监测预警系统在带式输送机上的开发

光纤测温监测预警系统在带式输送机上的开发
边丽颖
【摘要】针对煤矿带式输送机运输线路长、监测点多、工作环境恶劣的现状,利用光纤自身优良特性,研发了带式输送机全程光纤测温无缝监测火灾预警系统,采用分布式光纤测温技术对煤矿带式输送机运行中主要摩擦部位的温度变化进行实时在线监测,对带式输送机因各种故障引起的温度异常进行诊断,准确终止故障的带式输送机运转,确保带式输送机的高效运行,有效规避事故发生和人员财产损失.
【期刊名称】《选煤技术》
【年(卷),期】2019(000)003
【总页数】5页(P111-115)
【关键词】光纤测温;带式输送机;火灾预警系统;传感器
【作者】边丽颖
【作者单位】天地科技股份有限公司,北京100013
【正文语种】中文
【中图分类】TD948.9;TD61
带式输送机是当今煤矿企业最常用的煤炭远距离传输工具，具有连续、大容量、作业时间长等特点，频繁出现负载超限、皮带撕裂、横纵向打滑、堆煤、温度超高、电机异常等各类异常现象和机械间超长时间的摩擦导致温度升高，将引起火灾等各类危险事故的发生，造成难以估量的重大经济与人员损失[1-2]。

因此，需要提高
对带式输送机各种温升故障的有效检测,实现输送线温度的实时在线监测，完成对
故障的有效预警，把故障控制消灭在萌芽状态，对于煤矿的安全生产具有重要意义。

针对煤矿带式输送机运输线路长、监测点多、工作环境恶劣的特点[3]，以及利用
光纤本身具有电绝缘性、抗电磁干扰、耐高温、耐水浸、耐酸碱腐蚀、可弯曲、韧性好、不易折断、方便施工、抗震、防爆等特性[4-5]，研发了带式输送机全程光
纤测温无缝监测火灾预警系统。

光纤本身即为传感器,可沿着光纤大范围地覆盖监
测目标的温度，系统具有传统的温度传感器无可比拟的优势。

系统采用分布式光纤测温技术实时监测带式输送机主摩擦部件的温升情况，诊断出由各种故障引起的带式输送机的异常温升，发出光声警报信号，准确关停故障带式输送机，确保带式输送机的高效运行，规避人员事故和经济损失。

1 工作原理
分布式光纤温度传感是以整个传输光纤为传感器，光纤中的每一点，都具有“传输”和“感知”功能。

在分布式光纤温度监测系统中，当在光纤中传输强脉冲激光信号时，光纤中的每一点都会对激光信号产生极弱的散射。

散射光信号的特性与监测点的位置和温度有关[6-8]。

通过对每个点检测散射光信号的光学特性，获得被测点
的温度数据，然后获得整个光纤上的温度分布。

光纤工作原理图如图1所示，根据被测反射光信号的原理不同，分布式光纤温度
监测系统可分为拉曼散射系统、瑞利散射系统和布里渊散射系统[9]。

当脉冲激光
信号在光纤中传播时，激光在光纤材料表面，发生3种不同类型的散射光现象：
拉曼散射、瑞利散射和布里渊散射，其中布里渊散射光对温度和应变灵敏度较高，瑞利散射光对温升浮动灵敏度较弱，拉曼散射光对温升浮动非常灵敏，因此布里渊和拉曼散射均可用来测量温升[10-11]。

此外，基于频谱分析原理[12-13]，布里渊和瑞利散射的频谱值上接近，应用滤波器难以有效区分，且布里渊散射在受应力作用情况下，具有较大的应变效应，因此，在分布式光纤温度监测系统中拉曼散射应
用最为广泛。

光纤散射光谱图如图2所示。

图1 光纤工作原理图Fig.1 Working principle of the fiber optical system
图2 光纤散射光谱图Fig.2 The fiber optical scattering spectrum
在对拉曼散射光的光谱分析中，短波段和长波段的反射光分别称为反斯托克斯光和斯托克斯光，两者具有对称的频谱分布特性[14]。

斯托克斯光对温升的灵敏度要大大弱于反斯托克斯光，所以，在一般应用中，将反斯托克斯光作为监测系统的信号光，是对温升进行计算的主要数据依托。

同时，将斯托克斯光作为监测系统的主要参考值，以抵消由应力和应变所导致的光纤主体损耗等因素的干扰作用。

理论研究表明，反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比值为：
(1)
式中：λas是反斯托克斯的波长；λs是斯托克斯光的波长，二者数值的大小取决于光纤材料的光学特性和入射激光的中心波长[15-16]。

当检测系统的光纤材质和入射光确定后，斯托克斯和反斯托克斯的波长为常数；k为波尔兹曼常数，h是普朗克常数，c是在真空中的光速，Δν是拉曼位移。

由式(1)可得，通过计算反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比，得到系统检测的温升值。

脉冲激光在t1时刻，从温升监测传感器发射，沿光纤传播，在距离L处完成温度检测，随后，反射光进入光电探测，标记时刻为t2，得：
2L=(t2-t1)×c÷n。

(2)
式中：c是光速；n是光纤的纤芯介质本身的折射率。

通过计算脉冲信号由介质返回到光电探测器的时间t，得到测温点在光纤中的精确位置，分布式光纤测温系统如图3所示。

2 系统架构
分布式光纤测温及预警系统主要包括，温升检测光纤、温升检测监控器和系统软件设计等部分组成，系统架构图如图4所示。

图3 分布式光纤传感系统Fig.3 The distributed fiber optical sensing system 图4 分布式光纤测温及预警系统架构图Fig.4 Framework of the distributed fire optical temperate measuring and fire prewarning system
2.1 温升检测光纤
温升检测光纤采用50.0/125 μm或62.5/125 μm内芯的多模光纤，应用铠装护套，外套材料为低卤PVC，具有高阻燃特性。

光纤的整体结构，使温升检测光纤具有温升响应速度快、抗拉性强、抗应变强、耐高温和高阻燃能力，温升检测光纤的结构如图5所示。

图5 测温光缆结构示意图Fig.5 Schematic diagram showing the structure of the temperature measuring optical fiber cable
2.2 温升检测监控器
温升检测监控器包括脉冲激光源、模数信号传感器、多通道复用/解复用模块、数字信号处理单元和通信单元等部分构成。

脉冲激光源发射脉冲光信号，进入温升检测光纤后，进行前向传播，由于受到光纤的纤芯材料的影响，发生散射现象，一部分散射光会通过光纤返回到WDM单元，WDM单元按照波长不同将散射光信号分成两路，分别进入光探测器。

通过对光电探测器的输出信号进行调理、模数转换以及数字信号处理，得到光纤线路上中各检测点的温升值；如果检测的温升值高于温度上限，则系统通过RS485通信单元发送报警信号，并触发控制器做出报警动作；主机具有对上级网络命令或请求的实时响应能力，将实时温升数据，通过通信网络发送到各级的监控中心。

2.3 系统软件
在中央调度中心的各工作站中，人机交互监测软件应用TCP/IP协议，通过工业以
太网网络与分布式光纤测温主机完成基础数据交互工作，获得温升检测监控器实时采集的全部监测点的温升数据源值；借助人机交互界面，操作人员可实时对系统中各个分区的每个监测点的温升上限值等参数进行设置，系统软件设置页面如图6所示。

图6 系统软件设置页面Fig.6 The system′ software set-up page
当设备温度出现异常时，系统发出警报信号，同时相应位置的颜色也会发生变化。

输煤带式输送机的温度情况如图7所示。

图7 输煤带式输送机的温度情况Fig.7 Variation of temperature at different points of belt conveyor
3 试验测试与分析
3.1 带式输送机测试
本系统对带式输送机机头、机尾的滚筒、CST 减速箱、驱动电机等关键设备进行实时在线的温度检测。

3.1.1 带式输送机的测温光缆铺设
将感温光缆安装在托辊下面的位置，通过监测托辊附近的温度变化来控制托辊的表面温度，以防温度升高的托辊烤燃胶带，带式输送机温度监测光缆铺设如图8所示，输煤带式输送机的感温光缆安装位置如图9所示。

图8 带式输送机温度监测的光缆铺设Fig.8 Laying of the temperature monitoring optical fiber cables
图9 输煤带式输送机的感温光缆安装位置Fig.9 Laying position of the temperature sensing cable
3.1.2 监测驱动装置等特殊位置的光缆铺设
定点探测盘用于驱动电机部位的温度监测，在电动机上安装光纤定点探测盘，可以进行多个精确定点的温度测量，以便及时发现电动机温度的异常变化，电动机专用
锚件固定定点探测盘如图10所示。

图10 电动机专用锚件固定定点探测盘Fig.10 The special fasteners for mounting the fixed-point temperature sensing tray on motor
定点探测盘就是在100 mm×100 mm的热传导性良好的金属块体内装10～15 m 长的光纤线圈，可以监测出该范围内的平均温度。

定点探测盘安装设计图如图11所示。

图11 定点探测盘安装设计图Fig.11 Mounting of the temperature sensing tray
3.1.3 测温光缆选择
输煤带式输送机托辊的温度监测宜采用直径为 3 mm的绝缘护套螺旋钢管形铠装感温光缆。

系统测温部分采用全光纤结构，真正实现了无源温度监测，自身不带电，不发热，不会因为传感系统的布设带来安全隐患。

3.2 测温系统实验效果
整个温度传感系统的温度分辨率为0.1℃，温度测量精度为±1℃，测温精度高；系统采用高速数据总线和FPGA进行高速数据处理，对8 km测温光缆的温度检测时间不超过4 s，响应时间短；本系统具有实时在线监测功能，能够对所有测点的温度进行7 d×24 h小时不间断监测，并且可根据需要定时保存温度测量数据。

在分布式光纤温度测量系统中,温度测量光缆中的每个点都相当于温度传感器,从而完成温度升高的实时监测。

测量光纤的布局范围,消除了盲区的影响,原则上,有效避免了漏报火灾的可能性。

用户可以直接远程登录主机或通过远程监测软件，设置整个监测系统的温度参数，根据测温光纤的具体位置，对各测温点的温升上限值进行设置，也可通过设置温升预警、温度预警、温度报警和温升报警等，完成多级报警，结合实测温度和实际温
升,筛选出火灾风险等级,基本消除了虚警和漏报。

分布式光纤温度测量系统具有完善的自我诊断功能，在借助测温光纤进行温升检测的同时，实时对每条测温光纤的工作状态进行巡检并精确定位异常工作点，如光纤的破损和折弯等。

系统的温升检测与自我诊断同步发生，以及时对系统进行维护。

4 结语
带式输送机全程光纤测温监测预警系统在煤矿企业中的应用，充分利用了光纤本身非带电体的优越特性，对运行中的带式输送机进行实时的温度检测，意在把故障源充分控制在萌芽状态。

分布式光纤测温技术极大提升了矿用带式输送机运输系统的在线综合监控、利用和管理等方面的能力，大幅度降低了事故发生率，提高了科学判断水平，有效地提高了矿井生产的稳定性，保障了职工的生命安全。

分布式光纤测温系统在矿井带式输送机运输系统应用的基础上，也可推广到煤矿空区自然发火监测、矿井光纤瓦斯传感监测、矿压矿震光纤传感监测和矿井供电系统主要部位温升监测等方面，对提高矿山安全技术水平，减少各类事故的发生，推进谐社会建设，具有重要的社会意义。

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