一种基于分布式光纤的热风管温度检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分布式光纤的热风管温度检测方法，属于高炉热风管温度检测技术领域。本发明专利技术包括分布式光纤传感器和分布式光纤，分布式光纤缠绕于热风管上；分布式光纤传感器接收分布式光纤产生的背向散射信号，通过Rayleigh频率跟踪法对激光发射源发出的光源进行中心频率补偿；同时通过双端单路解调法对接收信号进行解调，提取分布式光纤上各测量点的温度值，并输送至处理器对温度数据进行补偿修正。本发明专利技术通过环绕在热风管表面的分布式光纤对其表面温度进行多点测量，并采用Rayleigh频率跟踪法补偿光源中心频率漂移，温度测量结果能够真实反应热风管表面温度，有助于提到热风管使用寿命、提高高炉生产率、预防高炉热风管烧穿。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高炉热风管温度检测
，特别涉及一种融合分布式光纤传感技 术和温度检测技术，主要完成高炉热风管炉体温度信号的测量与传输的检测系统及方法。
技术介绍
随着我国节能减排政策的推进，为了优化钢厂生产流程，高炉大型化是一种明显 的趋势。热风炉是为高炉炼铁加热鼓风的设备，是炼铁生产过程中的重要设备之一。其中热 风管与热风炉的连接部分，及其与热风主管的连接部分容易掉砖，烧红管壳。长期以来，热 风管发红一直是影响高炉安全生产的问题之一，国内各炼铁厂都普遍存在类似问题。对热 风管表面温度的前期测量，可有效预知热风管运行状况，再通过采取一定措施（强制冷却、 休风换管等）即可避免上述问题的发生。 目前，主要采用红外热成像法对热风管表面温度进行测量，但红外热成像法存在 测量结果容易受环境因素（温湿度、能见度）影响，成本高，无法在线测量等缺点。光纤温度 传感与测量技术是仪器仪表领域重要的发展方向之一，分布式光纤具有柔性弯曲、耐腐蚀、 不存在电磁干扰、测温范围宽、灵敏度高等特点，而热风管处在强磁场、腐蚀性气体、粉尘浓 度大的环境中。基于分布式光纤的上述特点和热风炉的现场情况，将分布式光纤运用于热 风管温度检测是一种理想的选择。 然而，分布式光纤温度传感器系统集光、机、电、计算机于一体，涉及到的因素极为 广泛，任何一个环节出问题都会导致整个系统的不稳定。作为一个光电子系统，光源的稳定 性首当其冲，传感器系统所处环境温度的变化是造成光源不稳定的主要因素，因为环境温 度的变化会导致中心频率的漂移和光源功率的变化，而光源的光谱要涉及到滤波器、探测 器和光纤的损耗曲线，如果光源的光谱发生了漂移，轻则将影响到测温的准确性，严重的甚 至无法探测到信号，造成系统瘫痪。 又由于分布式光纤温度传感器系统必须安装在热风管所处的现场环境中才能体 现出其测温优势，而热风管所处的现场环境受季节、昼夜、高炉工况的影响，温度变化较大。 特别是在高炉出铁和正常情况下，环境温度相差高达20°C。所以分布式光纤温度传感器系 统要对热风管的表面温度进行准确测量，必须采取措施来补偿光源中心频率的漂移。 现有的技术常采用恒温控制法和温度补偿法来对减小环境温度变化对系统稳定 性造成的影响。 (1)所谓恒温控制法将系统的主要部件安装在恒温箱内，使它们在恒温下工作，稳 定了电源的输出电压、半导体激光器的波长和输出功率以及放大器的放大倍数，消除了雪 崩管增益变化的诱因，从而大大地提高了系统工作的稳定性。而且，恒温箱的箱体材料里层 为铜板，外层为不锈钢板，中间为绝热保温层，使得恒温箱具有双层屏蔽，提高了整个系统 抗电磁干扰的能力。 (2)所谓温度补偿法是在光纤温度传感器硬件系统内安装一测温传感器，实时测 量光纤温度传感器所处的环境温度，用事先设计好的拟合系数对测量结果进行补偿。 拟合系数确定的方法如下：将光纤温度传感器系统放入恒温箱，从0°C开始将恒 温箱每隔5°C调整一次温度，直到75°C，分别记录相应的恒温箱的温度数据和分布式光纤 传感器测得的Anti-Stokes和Stokes散射光强度比数据，并做最小二乘法拟合，便可得到 温度补偿法的拟合系数。 但上述两种方法存在以下缺陷： 1)恒温控制法使系统工作在恒温环境内，对提高系统稳定性具有重要作用，但增 加的恒温箱使整个系统结构变复杂、体积变庞大、成本提高。 2)温度补偿法通过拟合系数对测量结果进行修正，对减小环境温度变化对测温结 果造成的影响有一定的作用，但当系统更换光纤、光纤耦合器、光滤波器等部件时，事先设 计好的拟合系数需要重新标定。所以采用温度补偿法具有光纤互换性差，部件兼容性差等 缺点。
技术实现思路
1.专利技术要解决的技术问题 本专利技术为实现对热风管温度的有效监测，提供了一种基于分布式光纤的热风管温 度检测系统及方法；本专利技术通过环绕在热风管表面的分布式光纤对其表面温度进行多点测 量，并创新的采用Rayleigh频率跟踪法对光源中心频率漂移进行补偿，温度测量结果能够 准确、真实的反应热风管表面温度，有助于提到热风管使用寿命、降低焦比、提高高炉生产 率、提高风温、预防高炉热风管烧穿。 2.技术方案 为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为： 本专利技术的一种基于分布式光纤的热风管温度检测系统，包括分布式光纤传感器和 分布式光纤，所述的分布式光纤缠绕于热风管上；分布式光纤传感器包括激光发射源、脉冲 驱动电路、光纤耦合器、光路选择开关、2个光滤波器、3个光电探测器、高速比较放大器、鉴 频器、高速数据采集卡和DSP单元；DSP单元经脉冲驱动电路控制激光发射源发出激光并输 送给光纤耦合器；光纤耦合器与光路选择开关电连接，分布式光纤的始端和末端均与光路 选择开关相连；所述的光纤耦合器的输出端还连接有第一光滤波器、第二光滤波器和第三 光电探测器，第三光电探测器经高速比较放大器与鉴频器相连，鉴频器的输出端分别与第 一光滤波器和第二光滤波器的控制端相连；所述的第一光滤波器和第二光滤波器均通过高 速数据采集卡与DSP单元连接。 更进一步地，所述的光滤波器采用FP光滤波器。 本专利技术的一种基于分布式光纤的热风管温度检测方法，分布式光纤传感器接收分 布式光纤产生的背向散射信号，通过Rayleigh频率跟踪法对激光发射源发出的光源进行 中心频率补偿；同时通过双端单路解调法对接收信号进行解调，提取分布式光纤上各测量 点的温度值，并输送至处理器对温度数据进行补偿修正。 更进一步地，利用Rayleigh频率跟踪法对光源进行中心频率补偿的过程为： 背向散射信号通过第三光电探测器转换为光电流信号，光电流信号通过高速比较 放大器处理后，输出Rayleigh散射光频率的电压信号，将此电压信号输入到鉴频器中，鉴 频器输出电压至第一光滤波器和第二光滤波器的控制端，调整第一光滤波器和第二光滤波 器的带宽，达到使光滤波器带宽与光源中心频率相匹配的目的。 更进一步地，所述的双端单路解调法具体过程为： 1)控制分布式光纤传感器中的光路选择开关，使入射光从分布式光纤的始端进 入，末端射出，得分布式光纤上各测量点的温度矩阵： 2)控制分布式光纤传感器中的光路选择开关，使入射光从分布式光纤的末端进 入，始端射出，得分布式光纤上各测量点的温度矩阵： 上述两式中，m为光纤感温系数，ε为光纤长度修正系数，V为光在光纤中的传播 速度，A T为光探测脉冲的宽度，r 〇〇为距始端位移为Xn米处的反斯托克斯光和斯托克斯 光强度比，a为常数； 3)对步骤1)和2)所得温度矩阵求算数平均值，得： 该温度矩阵为经过双端单路解调后得到的温度矩阵。 3.有益效果 采用本专利技术提供的技术方案，与已有的公知技术相比，当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于分布式光纤的热风管温度检测系统，其特征在于：包括分布式光纤传感器和分布式光纤，所述的分布式光纤缠绕于热风管上；分布式光纤传感器包括激光发射源、脉冲驱动电路、光纤耦合器、光路选择开关、2个光滤波器、3个光电探测器、高速比较放大器、鉴频器、高速数据采集卡和DSP单元；DSP单元经脉冲驱动电路控制激光发射源发出激光并输送给光纤耦合器；光纤耦合器与光路选择开关电连接，分布式光纤的始端和末端均与光路选择开关相连；所述的光纤耦合器的输出端还连接有第一光滤波器、第二光滤波器和第三光电探测器，第三光电探测器经高速比较放大器与鉴频器相连，鉴频器的输出端分别与第一光滤波器和第二光滤波器的控制端相连；所述的第一光滤波器和第二光滤波器均通过高速数据采集卡与DSP单元连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：方挺，欧阳强强，张建军，
申请(专利权)人：马鞍山市安工大工业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34