分布式光纤测温技术在煤仓温度监测系统的应用_白永强

（３）分布式光纤感温热点探测系统可以探测分 布式光纤感温传感器沿线上热点的温度、位置和热
点区域大小。每个热点探测系统可配备 ８ 个温度报 警点，用户可按需要设置报警温度值。 ３．３ 中文操作软件
温度监测软件具有友好的中文操作界面，强大 的数据处理和管理功能，具有以下特点：
（１）可显示全程分区图及其温度分布曲线；可显 示系统监测曲线、系统参数；可显示重点监测点的温 度随时间变化曲线；
图 １ 分布式光纤测温系统示意图
２．２ 分布式光纤拉曼散射测温原理［６，７］ 分布式光纤传感系统原理是同时利用光纤作为
传感敏感元件和传输信号介质，采用先进的 ＯＴＤＲ 技术，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变 化，实现真正分布式的测量。
当主处理机中的激光光源向光纤注入 ９０５ｎｍ 的 光脉冲后，由于光的散射会引起能量的损耗，脉冲大 部分能传到光纤末端并消失，但一小部分（携带了有 用信息）后向散射光会沿着光纤反射回来，对这一后 向散射光进行过滤， 很容易将拉曼散射光与其他后向 散射光区分开，由于拉曼散射光与温度有着密切的关 系，对这部分拉曼散射光进行 ＤＳＰ （Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）处理，从而提供给用户有关温度的信息， 实质上输出的就是整条光纤（最长 ３０ｋｍ）上的温度分 布图。
（２） 具有定温报警 （设定最大温度 ／ 最低温度 值）、差温报警（实时温度与平均温度差别过大，用于 判别局部过热点）、温升过快报警、光纤破坏报警、装 置异常等报警功能；可手机短消息报警，报警分工作 级和管理级两层，按照事件的重要级别发送到工作层 人员和管理层人员；
（３）分区测量 、查 询 功 能 、分 析 功 能 、报 表 功 、 ＴＣＰ／ＩＰ 接入等功能。 ３．４ 系统特性优点
（收稿日期：２０１３－４－２１）
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（２）随着工作面向前推进，地表下沉值、水平移 动值等不断增大，地表影响范围不断扩大。当达到充 分采动后，地表影响范围仍然继续增大，但下沉盆地 会出现平底，并随着工作面向前推进而增大，地表最 大下沉值达到最大值不再增加。
参考文献：
（ｃ）工作面推进 ３００ｍ
（ｄ）工作面推进 ４００ｍ
图 ９ 随工作面推进地表移动变形图
［Ｄ］． 西南交通大学硕士学位论文， ２０１０． ［７］ 刘扬， 侯思祖． 基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的分
析研究［Ｊ］． 电子设计工程， ２００９， １７（１）：２３－２５．
作者简介：
白永强：（１９８３ 年－）男，河南省武陟县，硕士研究生，主要 研究方向：２Ｄ 与 ３Ｄ 视频编码与传输、智能仪器设计。
［２］ 李东印，任耀，姜敏．ＭＳＤＦＶＳ 系统在开采沉陷预测中的应用 ［Ｊ］．煤矿安全，２０１２，４３（７）：１１３－１１５．
［３］ 孙祥畅，栾元重，颜世英，等． 曲线拟合与插值模型在矿区变 形预测中的应用 ［Ｊ］． 有色金属 （矿山部分），２０１２，６４（１）： ６６－６９．
［４］ 任耀，李晓辉，姜敏．特厚煤层综放开采地表移动规律实测 研究［Ｊ］．采矿技术，２０１２，１２（３）：６５－６８．
罐壁测温保护装置可使用线性分布式光纤感温 探测器，系统安装方式如图 ３ 所示：
图 ３ 感温光缆安装示意图
（１）分布式光纤感温传感器沿与槽仓侧面的两 斜面的夹角处向下安装到底部，底部做弯头过渡到 另外两斜面的夹角至斜槽顶部再连接至另外一个斜 槽，传感光纤外套用 ５０ 的镀锌钢管保护，镀锌钢管 用螺纹连接，用来保护传感光缆，传感光缆选用防水 和防冲击光缆。
本 系 统 采 用 ＤＴＳ （Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ）系统，对煤矿煤仓火情进行温度实时在线监 测，做到早期预警，具有如下特点： ３．４．１ 分布式高精度
分布式光纤温度测量传感系统可以连续实时测 量光纤沿线几公里内各点的温度，定位精度可以达 到米的量级，实现连续监测信号，任意温度点报警。 同时测温精度可达 １℃，非常适合用于大范围多点测 温的场合。 ３．４．２ 先进性
通过采用不同的外护套材料的光缆，ＤＴＳ 监测 系统可以适应各种环境，如采用合金材料外护套光 缆可以在 ５５０℃高温下生存 ３ｈ 以上，同时光缆的抗 压性、抗冲击性和抗破坏性的保护大大提高； ３．４．３ 准确性
激光发射装置每秒钟会发射上万次的光脉冲， 并将取样温度值进行用数学统计方法计算的的平均 值输出到显示系统，基本消除误差；ＤＴＳ 监测系统是 一个连续的监测信号，可设置多级定温报警，如 ３０℃ 初报警，４０℃预报警，５０℃采取措施等，并且可以根 据环境不同进行修正；为避免误报发生，定温报警的 同时，还可以设定差温报警，或是两者的结合，基本 消除误报。 ３．４．４ 抗干扰性
式就可表示为时间函数，即（公式），其中 Ｓ 为后向散 射因子；为单位长度上的光后向散射系数；为入射 光的单位长度上的损耗系数。时间的不同又对应着光 纤位置的不同，这就意味着光电探测器探测到的光功 率为光纤位置的函数，那么不同光纤位置 Ｌ 处的光 功率均可被探测器探测到。随着 Ｌ 的逐渐增加，探测 器就实现了对沿光纤分布待测温度场的空间分布式 测量。故利用光时域反射技术，可确定光纤处的损耗、 光纤故障点、断点的位置，对温度测量点进行定位。
［５］ 黄福昌，倪兴华，等．厚煤层综放开采沉陷与治理技术［Ｍ］．北 京：煤炭工业出版社，２００７．
３ 结论
（收稿日期：２０１３－５－２８）
（上接第 ８６ 页）
４ 结束语
基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器是具有 广阔应用前景的新型传感技术。它利用光纤作为信 号的传输和传感媒质，可以测量光纤沿线的温度分 布信息，它对于电力自动化的推广起到了不可估量 的促进作用。本文利用该技术的长距离和精确的测 温优势，成功地给出了煤仓多点温度在线实时监测 这一难题的解决办法，具有本质绝缘、耐高压、不受 电磁干扰、防爆、防燃、抗腐蚀、不怕水淹、不怕水浸、 本质安全、长期可靠、易扩展等特点，监测方式更安 全、更可靠、更方便，可以为整个仓储系统的安全运 行提供了强有力的保障。
由图 ９ 可以看出，在工作面实际回采过程中，随
着工作面不断向前推进，地表受采动影响的范围也
逐渐扩大，地表下沉值从工作面推进 １００ｍ 时的
１．４ｍ 到推进 ５００ｍ 时的 ４．６ｍ，采空区范围也由小到
大，达到充分采动时形成“碗”状下沉盆地，其地表发
育情况符合一般规律。
［１］ 栾元重，等．动态变形观测与预报［Ｍ］．北京：北京中国农业科 学技术出版社，２００７．
激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折 射率的微观不均匀性，会产生瑞利散射，在时域里， 入射光经背向散射返回到光纤入射端所需时间为 ｔ ， 激光脉冲在光纤中所走过的路程为 ２Ｌ，２Ｌ＝ｖｔ，ｖ 为光 在光纤中传播速度；ｖ＝Ｃ／ｎ 。Ｃ 为真空中的光速，ｎ 为 光纤折射率。在 ｔ 时刻测量到的就是离光纤入射端距 离为 Ｌ 处局域的背向瑞利散射光。而接收光功率公
２ 分布式光纤测温原理
本系统采用分布式光纤测温系统，其主要工作 依 据 是 光 时 域 反 射 计 原 理 （ＯＴＤＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ） 和 光 纤 的 后 向 拉 曼 散 射 （Ｒａｍａｎ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｒｉｎｇ）温度效应［３］。分布式光纤测温系 统利用先进的 ＯＴＤＲ 技术进行定位，利用拉曼散射 效应进行测温。 ２．１ 光纤光时域反射（ＯＴＤＲ）原理［４，５］
１ 引言
随着煤矿现代化生产水平的日益提高，煤仓在 煤炭生产系统中的重要地位日益凸显，特别是当煤 铁路外运中断时，可以长时间存储产品煤，以保证矿 井生产的连续性。但当煤仓中堆积的煤与空气接触 时，会产生氧化现象放出大量的热，在一定外界条件 下，局部热量积聚，加速其氧化速度，可能会自燃引发 火灾，因此实时监控煤场的温度数据可作为煤堆火 灾预防报警的一个重要手段。
（２）分布式光纤感温传感器可以沿着内壁，通过 走线槽，连接到现场信号控制柜中。信号控制柜中有 光纤分布式温度探测主机，通过对信号的处理，得出 煤仓煤堆热点的温度、位置和热点区域大小等。这些 信 息 可 通 过 ＲＳ４８５ 总 线 （Ｍｏｄｂｕｓ／ＲＴＵ 协 议）或 Ｅｔｈｅｒｎｅ（ＲＪ４５ 接口）远传到控制室去。
现在常用的温度监测系统，一般有常规感温电缆 探测系统和光纤分布式温度探测系统两种。常规感温 电缆探测系统功能比较简单，只能够在特定的温度点 进行报警，误差较大，也不能够确定热点位置；光纤分 布式温度探测系统功能较为强大，能够提供实时的温 度监测和确定热点位置，精度也较高［１，２］。
本文针对煤矿的煤场分布特征，提出了一种采 用分布式光纤温度传感系统的煤场温度智能测量的 应用方案，该方案解决了对煤场温度实时连续检测 的问题。
煤矿现代化
２０１３ 年第 ５ 期
总第 １１６ 期
分布式光纤测温技术在煤仓温度监测系统的应用
白永强
（义煤集团千秋煤矿，河南 义马 ４７２３００）
摘 要 本文重点介绍了应用最为广泛的分布式光纤测温技术的基本原理，并针对煤矿的煤场分布特 征，提出了一种煤仓温度智能监测应用方案，该方案有效的解决了对煤场温度实时连续检测的问题。 关键词 分布式光纤测温技术；煤仓；拉曼散射 中图分类号：ＴＰ２１２．１＋ ４ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００９－０７９７（２０１３）０５－００８５－０３
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煤矿现代化
２０１３ 年第 ５ 期
总第 １１６ 期
３ 分布式光纤测温系统架构
３．１ 系统架构 煤仓温度监测系统由探测主机、感温光缆以及
光纤连接器件等构成，如图 ２ 所示。
图 ２ 煤仓温度监测系统示意图
３．２ 感温光缆的安装 探测光缆是测量现场环境温度的探测器。考虑
到实际使用环境的需求，感温探测光缆应具备良好 的耐高温、抗啮咬、抗震特性。本系统用来连接 ＤＴＳ 控制器的光纤为耐高温传感光缆。该探测光缆采用 铠装单芯光缆结构，由耐高温光纤、铠装层、耐高温 护套层构成。具备坚固的护套，提供良好的防护特 性，但同时也可以提供良好的温度传导性能，保证快 速的火灾探测。