光纖F－P聲發射傳感器在水力除焦監測系統中的應用研究

陳春，鐘東

(湖北科技學院，湖北咸寧437100)

水力除焦監測系統在延遲焦化系統裝置中起著相當重要的作用。水力除焦系統的基本原理是由高壓水泵輸送的高壓水，經上水線，水龍帶，鉆桿到水力切焦器噴嘴，由切焦器噴嘴噴出的高壓水，形成高壓射流，利用高壓射流強大的沖擊力，將石油焦切割下來。鉆桿不斷地升降和轉動，直到把焦除完為止。當前我國許多石化公司還是憑借工人師傅的相關工作經驗來判斷焦炭塔內的焦炭是否被清除干凈，易受諸多因素的影響，工人師傅有時不能及時準確的判斷除焦的狀態，因此提高水力除焦監測系統的自動化水平勢在必行。

光纖傳感技術作為一種研究光纖與外界環境變化的關系的一門新技術，是伴隨著光纖及光通信技術的發展而逐步形成的，已經成為現代信息科學的一個極為重要的組成部分。光纖傳感是以光波為信息載體，光纖為傳輸介質，感知和傳輸外界被測量的新型傳感技術。由于光纖不僅可以作為光波的傳輸介質，而且光波在光纖中傳播的特征參量(振幅、相位、偏振態、波長等)會因外界因素(如溫度、壓力、磁場等)的作用而發生變化，利用并分析這些變化就可以得外界作用的某些性質，從而可以將光纖用作傳感器元件來探測各種物理量、化學量和生物量，這就是光纖傳感器的基本原理。通過中石化武漢分公司的現場實驗研究表明將聲發射傳感器應用到水力除焦監測系統中，可以極大的提高水力除焦的自動化監測能力，實時有效的進行系統的監測。

一、聲發射傳感器及其在水力除焦監測系統中的應用

1．聲發射傳感器的基本原理

聲發射傳感器的基本原理是當外界條件改變引起FP傳感器腔長變化，導致F－P腔反射或透射干涉光束的光程差改變，通過光電探測器所探測到的干涉光的透射或反射信號的變化便可得知外界的變化情況，如圖1所示:

圖1聲發射傳感器的原理圖

2．聲發射傳感系統在水力除焦監測系統中的應用

聲發射是由局域能量快速釋放而發射的瞬態彈性波的現象，常伴隨材料的變形、斷裂、流體泄露、磨擦、撞擊、放電等現象發生。聲發射傳感系統檢測:通過探測、記錄、分析缺陷或者故障本身的聲發射信號，實現水力除焦過程的實時監測，并通過合理布置傳感器實現水力除焦的狀態。為了檢測水力除焦過程中的聲發射信號，我們采用如下檢測系統，設計制備了相應光源驅動電路，光電轉換電路，配以相應的數據采集卡對數據進行采集，搭建了如下圖所示的測量系統，并以此系統測試了鋼板的聲發射信號，結果表明，該系統可檢測到相應的聲發射信號，如下圖2所示，給出了聲發射傳感系統的監測原理框圖。在武漢石化的實驗中，如圖3所示，進行水力除焦整個系統監測方案:主要是通過在焦炭塔外壁高度方向上安裝的3－4個聲發射傳感器，獲取水力除焦過程中的聲音信號并送入示波器進行分析，同時通過數據采集裝置進行相關數據的采集，通過采集的數據和信號，就可以判斷出水力除焦進行的階段和狀態。圖4是現場采集到的信號。

圖2聲發射傳感監測系統原理圖

圖3武漢石化焦炭塔實驗安裝的聲發射傳感器圖

圖4現場采集的信號頻譜圖

二、水力除焦監測系統采集的數據分析

通過生發射傳感系統對水力除焦過程中采集的數據進行處理和分析，由于在水力除焦過程中，鉆頭工作過程一般分為下降，上升，再下降幾個階段，循環往復直到焦炭除盡，因此為了便于分析可以將采集到的數據按照鉆頭進焦前后進行分析，然后編寫程序在MATLAB中對數據FFT處理，然后對比分析鉆頭進焦前后的圖形，如圖5所示。

圖5鉆頭進焦前聲信號的頻譜分析圖

從圖5來看，鉆頭在進焦前后聲信號的頻率變化很大，進焦前的頻率很高，超過了1000Hz，而進焦后頻率最大值只有258Hz。說明隨著除焦過程中，聲傳感器可以探測除焦的行程，除焦的狀態，可有效的指導生產，實現自動化除焦。

三、小結

本文采用的將聲發射傳感器應用到水力除焦監測系統中，能較好的實現除焦狀態的實時控制，可以有效的實現水力除焦狀態監測的自動化。

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