一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统技术方案

本发明专利技术提供了一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，包括上位机、数据传输线、脉冲光源、波分复用器件、光电探测器、高速采集卡、传感测温光纤；其特征在于：所述高速采集卡外部时钟输入端连接射频信号源输出端，射频信号源发出周期脉冲信号与设定为外触发方式的所述脉冲光源的触发脉冲同步；所述射频信号源可编程，由所述上位机控制射频信号源输出信号的频率；本发明专利技术在原有的分布式测温系统硬件结构上，添加了射频信号源，通过调节采集卡采样频率，获取多次采样结果，缩短采样点之间的间隔，重构高空间分辨率温度曲线，实现空间分辨率的提高。提高。提高。

【技术实现步骤摘要】
一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统


[0001]本专利技术涉及光纤信号检测
，具体涉及一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统。

技术介绍

[0002]在传统火电行业的未来发展中，新时代大数据处理技术、网络通讯技术、先进检测技术等将扮演重要角色。基于先进检测技术的燃烧优化技术是火电厂锅炉燃烧优化的主要方式，也是智慧电厂建设的重要内容之一。针对火力发电厂高温平行管路这一应用场景下的分布式监测系统为锅炉中主蒸汽的全覆盖式温度监测提供了可能性，对火电厂过热器和再热器的健康运行起到了重要的指导作用。过热器由大量平行管路组成，在火电厂锅炉系统中的作用是吸收烟气的热量，使管路内的水蒸气升温。研究表明，积灰将会导致传热过程中的热阻增加，阻碍烟气流动；受热面金属会出现腐蚀现象，致使管壁变得脆弱。当主蒸汽温度达到650℃以上时，较长时间的运行将发生严重的高温积灰和腐蚀。维持水蒸气的温度在540℃左右，可明显抑制过热器和再热器的管外腐蚀和高温积灰。
[0003]目前存在的高温测量手段主要有热电偶传感器、光学辐射法、蓝宝石光纤测温等。光学辐射法能够采集不同波长的能量，以比色法计算温度。该测温方式采用红外光学系统，结构较为复杂，需要花费大量的时间来搭建合理的计算模型；针对大量的平行高温管路，光学系统安装的工作量极为庞大，长距离传输光信号困难。蓝宝石测温光纤采用了蓝宝石单晶光纤作为传感头，采集光纤中的辐射信号实现对温度的测量。蓝宝石测温光纤技术目前有多种发展方向，但是高昂的成本，较大的传感器体积，测量值为环境平均温度等缺点限制了它的应用场景。
[0004]现有对火力发电厂中高温换热器和过热器的蒸汽管路的检测通常采用热电偶这种单点式测量技术。热电偶测量高温管路温度的方式存在着缺陷，由于热电偶测温设备的制作材料多为铂、铑等贵金属，造成大范围温度监测的成本较高。复杂环境下，热电偶不具备较好的抗腐蚀、抗电磁干扰性能。对于大量的平行高温管路这一应用场景，存在接线复杂，长距离电信号传输成本高的问题。因检测对象为大量平行管路，管路间隔窄，需求密集的测温点，热电偶测温由于其高昂的成本和复杂的排线技术，致使检测点数量有限，不能表征局部管路的温度变化，影响检测效果。
[0005]基于拉曼散射的光纤测温系统，具有分布式测温的优势，可对待测蒸汽管路实现全覆盖式测温，对火电厂的健康运行起到重要的指导作用。系统利用了脉冲光在多模光纤中通过沿线产生的拉曼散射，实现对光纤全长的温度场的在线监测。拉曼散射是光子与分子相互作用引起入射光频率两边出现新的频谱的现象，分别称为斯托克斯光和反斯托克斯光。利用光时域反射原理结合拉曼散射的温敏效应，可以实现分布式光纤测温。国外针对分布式光纤测温系统的研究起步较早，目前英国的Sensonet处于该技术的领先水平，例如该公司研发的Halo
‑
DTS分布式测温系统，在60km的测温距离上，能够实现1m的空间分辨率和0.01℃的温度精度。另外日本的藤仓公司、德国的CESO、美国的Agilent等也都有成熟的产
品问世。国内的研究开始于上世纪80年代，中国计量大学、重庆大学等相继开始相关的科研工作。近年来随着该技术的成熟，国内有厂家开始生产相关商品。例如上海森首科技的DTS系统，能够在4km的测量距离上，保证
±
1℃的测温精度和
±
1m的定位精度。华光天锐的DTS系统能够达到30km的测量，测温范围在
‑
40℃
‑
120℃。
[0006]但是，目前已有的光纤测温技术，因为技术指标中的空间分辨率过宽，即测量单根管路需要的传感光纤段长，无法适应大量高温平行管路温度监测这类特殊应用场景。火电厂中过热器和换热器的大量高温平行管路，由于固有的安装结构及环境限制，单根管路可安装传感光纤的部分长度往往不到1m，且按照区域划分，排布紧凑密集，为了实现精确到每一根管路的温度检测，保证分布式测温系统的全覆盖，需要进一步提高分布式测温系统的空间分辨率，来适应火电厂这一特殊的应用场景。目前提高空间分辨率的方法大多集中在两个角度，提高硬件指标和使用软件算法改善信噪比；直接限制分布式测温系统的空间分辨率的硬件因素有采集卡采样频率，脉冲光源信号脉冲宽度，光电转换电路带宽，这些指标的改善往往需要硬件升级换代，带来巨大的成本；软件算法目前已有较多的研究，但最终效果只能是使分布式测温系统的空间分辨率无限接近硬件限制的理论值，不能有进一步的突破。

技术实现思路

[0007]为了克服现有技术中高温平行管路检测过程中光纤空间分辨率低，测量单根管路需要的传感光纤段长度无法适应安装环境的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，在原有的分布式测温系统硬件结构上，添加了射频信号源，通过调节采集卡采样频率，获取多次采样结果，缩短采样点之间的间隔，重构高空间分辨率温度曲线，实现空间分辨率的提高。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术通过下述技术方案实现：
[0009]一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，其特征在于：包括上位机、数据传输线、脉冲光源、波分复用器件、光电探测器、高速采集卡、传感测温光纤；其特征在于：所述高速采集卡外部时钟输入端连接射频信号源输出端，射频信号源发出周期脉冲信号与设定为外触发方式的所述脉冲光源的触发脉冲同步；所述射频信号源可编程，由所述上位机控制射频信号源输出信号的频率；所述高速采集卡通过射频信号源提供可变的外部时钟信号实现对光纤拉曼背向散射光信号进行变频采样，由此获得不同采样频率下的光纤拉曼背向散射光信号；
[0010]所述上位机管理所述高速采集卡与所述射频信号源之间的时序配合，系统工作时：首先，上位机发送一组控制信号，控制射频信号源输出脉冲信号的频率，此时完成一次频率设定；在当前频率下，所述高速采集卡完成数据采集并上传给上位机后，上位机保存该组采集的数据；
[0011]然后，上位机发送下一组控制信号，控制射频信号源调整频率输出，由此改变高速采集卡的采样频率，进行下一组数据采集及数据保存；通过多次频率设定，上位机完成了多组不同采样频率下所采集的光信号数据；
[0012]利用光时域反射原理，将采集信号的时间信息转换为空间上的位置信息，同时采集卡的采样间隔也从固定的时间间隔转换为空间上基于不同采样频率的固定间隔分布的
排列情况，不同采样频率下采样间隔变化导致采样点密集分布；利用重构算法，将分布式测温系统的空间分辨率按照适当的期望值进行设计，寻找到与理想采样点空间距离最近的采样点，并计算获得该点的温度值。
[0013]利用重构算法选择各个采样频率下合适位置的采样点重构高空间分辨率信号；根据拉曼散射温敏原理解调出温度信号。
[0014]所述测温光纤为带有金属涂覆层的多模光纤，纤芯直径为62.5μm，包层外径125μm，可在高温环境中长时间工作；所述测温光纤通过不锈钢套管固定在高温平行管路上，通过高温胶固定。
[0015]所述光时域反射原理即光在光纤中的传播速度为真空本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，包括上位机、数据传输线、脉冲光源、波分复用器件、光电探测器、高速采集卡、传感测温光纤；其特征在于：所述高速采集卡外部时钟输入端连接射频信号源输出端，射频信号源发出周期脉冲信号与设定为外触发方式的所述脉冲光源的触发脉冲同步；所述射频信号源可编程，由所述上位机控制射频信号源输出信号的频率；所述高速采集卡通过射频信号源提供可变的外部时钟信号实现对光纤拉曼背向散射光信号进行变频采样，由此获得不同采样频率下的光纤拉曼背向散射光信号；所述上位机管理所述高速采集卡与所述射频信号源之间的时序配合，系统工作时：首先，上位机发送一组控制信号，控制射频信号源输出脉冲信号的频率，此时完成一次频率设定；在当前频率下，所述高速采集卡完成数据采集并上传给上位机后，上位机保存该组采集的数据；然后，上位机发送下一组控制信号，控制射频信号源调整频率输出，由此改变高速采集卡的采样频率，进行下一组数据采集及数据保存；通过多次频率设定，上位机完成了多组不同采样频率下所采集的光信号数据；利用光时域反射原理，将采集信号的时间信息转换为空间上的位置信息，同时采集卡的采样间隔也从固定的时间间隔转换为空间上基于不同采样频率的固定间隔分布的排列情况，不同采样频率下采样间隔变化导致采样点密集分布；利用重构算法，将分布式测温系统的空间分辨率按照适当的期望值进行设计，寻找到与理想采样点空间距离最近的采样点，并计算获得该点的温度值。2.根据权利要求1所述的一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，其特征在于：所述脉冲光源周期地发出波长为纳秒级脉宽的脉冲光，通过波分复用器射入传感测温光纤，传感测温光纤沿线产生光纤拉曼背向散射光信号回到波分复用器，波分复用器将光纤拉曼背向散射光信号分为斯托克斯光和反斯托克斯光两路，两路散射光信号经过光电转换器被转换成电信号，由高速采集卡上传到上位机。3.根据权利要求2所述的一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，其特征在于：所述拉曼斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号在光纤中传输存在不同的衰减，为保证测温精度添加衰减补偿算法；首先将测温光纤放置在恒温环境采集拉曼散射正常的衰减信号，利用最小二乘法拟合出衰减曲线多项式，再在实际测量时按照拟合曲线对温度信号进行补偿。4.根据权利要求1所述的一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，其特征在于：所述射频信号源通过串口实现与上位机的通讯，高速采集卡通过USB3.0实现与上位机的通讯；在变频过程中，射频信号源根据上位机指令发出的控制信号调整输出频率，当输出频率稳定后，射频信号源返回上位机携带频率信息的数据，保证输出信号的准确性。5.根据权利要求1所述的一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，其特征在于：所述变频采样可以获得多个不同的采样频率下的光纤拉曼背向散射光信号数据组，在光时域反射原理的基础上，不同的采样间隔转换为不同的空间间隔；由于传感测温光纤被固定在所需测温的物体上，即采样信号初始位置固定，可按照位置关系重新排列采样点序列；当所设定的采样频率变化不大的情况下，采样点序列在特定区间内呈现密集分布的现象；根据采样点的分布情况，选择特定位置的采样点集组成理想采样点集，可避免采集卡采样频率对空间分辨率的限制；采样点的选取方式有多种：(1)选取不同频率下采样点的实际位置来确立理想采样点
集；(2)按照固定间隔的期望空间分辨率选取理想采样点集；(3)根据分布式测温系统测温光纤实际测量的位置选择相应的采样点。6.根据权利要求5所述的一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，其特征在于：所述重构算法用于确立特定位置采样点集按照固定间隔...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐正国，凌佳木，叶炜，周柯江，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：