往復式壓縮機十字頭軸瓦溫度無線光纖傳感在線監測機理

曹 馳 童杏林 陳 亮 鄧承偉 郭 倩 周超然 張寶林

武漢理工大學光纖傳感國家工程實驗室，武漢,430070

往復式壓縮機十字頭軸瓦溫度無線光纖傳感在線監測機理

曹 馳 童杏林 陳 亮 鄧承偉 郭 倩 周超然 張寶林

武漢理工大學光纖傳感國家工程實驗室，武漢,430070

針對石化行業往復式壓縮機十字頭軸瓦溫度在運動過程中難以監測的技術難題，結合往復式壓縮機十字頭往復運動的特點，提出了一種往復式壓縮機十字頭軸瓦溫度無線光纖傳感在線監測方法，研究了它的無線監測機理、方法及無線信號輸出特性，結果顯示采用該方法在20%的能量耦合效率時仍可以進行溫度監測，表明該監測機理具有可行性。

往復式壓縮機 ；十字頭軸瓦；無線光纖傳感；溫度監測

0 引言

往復式壓縮機被稱為石化等生產領域的心臟，是一種重要的增壓設備，十字頭是連接壓縮機連桿和活塞桿的部件，它在滑道上做往復運動，起導向作用，在運動過程中，十字頭軸瓦的摩擦、磨損大，工作條件惡劣，很容易因摩擦熱積聚導致溫度過高而出現損壞[1]，軸瓦損壞維修費用昂貴，并且機器的損壞還會影響整個生產的進度，造成極大的經濟損失，更嚴重的是溫度過高還存在爆炸的危險，因此監測往復式壓縮機十字頭軸瓦溫度對保證往復式壓縮機正常安全運行具有極其重要的意義。目前對于往復式壓縮機的在線監測多是采用電類傳感器[2]，但電類傳感器采用電輸入，容易因受到電磁干擾而影響測量精度，特別是石化生產裝置大多數在高溫、高壓、易燃、易爆、腐蝕等條件下長期連續生產，對傳感器的防爆要求特別高，因此電類傳感器很難滿足實際生產的需要。另外對于十字頭軸瓦溫度的監測，需要將傳感探頭嵌入到設備內部，這就要求傳感探頭體積小、輕巧柔軟，傳統傳感器很難滿足上述要求。

光纖光柵傳感器具有體積小、絕緣性好、能夠抗電磁干擾、靈敏度高及頻率響應范圍大等優點[3]，并且可以在單根光纖上布設多個傳感器形成分布式傳感網絡，實現多點測量，因此可以很好地適用于壓縮機等化工設備的健康監測。光纖傳感技術已經在機械設備狀態監測方面取得了很多成果，如佟慶彬等[4]設計了用于高速旋轉機械徑向振動檢測的反射式光強調制型非接觸式光纖傳感系統；曹靳等[5]提出了一種基于布拉格光纖光柵傳感器的故障狀態監測方法；朱曉明等[6]對往復式壓縮機的光纖光柵振動監測系統進行了研究。

目前利用光纖光柵對機械設備結構監測多采用有線光纖傳輸信號，鑒于十字頭的運動特點，若采用光纖傳輸引出信號，則會造成傳輸線與連桿和十字頭纏繞，因此如何將信號導出并且對十字頭軸瓦進行實時監測一直是一個技術難題。針對此，本文提出了一種無線光纖傳感在線監測方法，并通過實驗驗證了該監測方法在實際十字頭軸瓦溫度監測中應用的可行性。

1 實驗原理、裝置與方法

1.1 光纖光柵傳感原理

光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，FBG)傳感器采用波長編碼技術，消除了光源功率波動及系統損耗對它的影響，適用于長期監測。如圖1所示，當一束寬帶光入射到光纖布拉格光柵時，經過光柵的調制，波長滿足下式的光波會被光柵耦合到反向傳輸，形成反射波，其反射峰值波長稱為Bragg波長，記為λB:

λB=2neffΛ

(1)

式中，neff為光纖的有效折射率；Λ為光柵周期。

圖1 Bragg光纖光柵傳感器的工作原理 Fig.1 Operating principle of fiber Bragg grating sensor

應變和溫度的改變會同時影響光纖的有效折射率neff以及光柵周期Λ，從而導致光柵反射光波波長的改變。光纖布拉格光柵反射波長隨應變和溫度的改變發生改變，這樣就會存在溫度和應變之間的交叉敏感[7]，因此在實際應用中采用特定的封裝結構充分消除外界應力對光纖光柵溫度傳感器的影響，這里我們只考慮光纖光柵的溫度傳感效應。

光纖光柵溫度傳感特性是由光纖光柵的熱光效應和熱膨脹效應引起的，熱光效應引起光纖光柵的有效折射率的變化，熱膨脹效應引起光柵的柵格周期變化。當傳感器所處溫度場溫度變化時，溫度與光纖光柵波長變化的關系為

(2)

式中，ΔλB為布拉格波長隨溫度的變化量；α為光纖的熱膨脹系數；ξ為光纖的熱光系數；ΔΤ為溫度變化量。

1.2 光纖無線傳輸機理

1.氣缸 2.活塞 3.活塞桿 4.十字頭 5.連桿 6.曲柄圖2 往復式壓縮機十字頭運動示意圖Fig.2 Schematic diagram of the crosshead motion of reciprocating compressor

1.光源 2.信號解調單元 3.耦合器 4.光信號無線傳輸單元5.準直陣列支撐基座 6.十字頭準直器安裝基座 7.十字頭 8.FBG溫度探測單元 9.連桿圖3 往復式壓縮機十字頭軸瓦溫度無線光纖傳感在線監測系統簡圖Fig.3 Schematic of wireless fiber sensing online-monitoring system for crosshead bearings of reciprocating compressors

往復式壓縮機的十字頭是連接做搖擺運動的連桿和做往復運動的活塞桿的部件，如圖2所示，它可以直接把曲軸的旋轉運動轉化為活塞的直線往復運動，并在滑道上起導向作用，因此若采用光纖有線傳輸引出信號，則會造成傳輸線和連桿十字頭纏繞。為了解決這個難題，本文提出了一種往復式壓縮機十字頭軸瓦溫度無線光纖傳感在線監測方法，如圖3所示。將上述光纖布拉格光柵(FBG)傳感器安裝在往復式壓縮機十字頭軸瓦上，探測所在溫度場不同溫度工作狀態下光信號的變化，由固定在十字頭上的耐高溫/高功率光纖準直器和固定于調節支撐基座上的準直透鏡陣列進行光源信號和傳感信號的無線傳輸，用耦合器將所測得的傳感光信號變化傳輸到高速信號解調單元，通過信號處理，獲得十字頭與連桿溫度實時變化量。上述光信號無線傳輸單元由固定于準直陣列支撐基座上的準直透鏡陣列和固定于十字頭前端的耐高溫/高功率光纖準直器構成，準直器隨十字頭沿十字頭滑道做往復式運動，十字頭運動軌跡在準直透鏡陣列空間范圍內，通過調節支撐基座，使運動狀態下的準直器與準直透鏡陣列耦合，達到光源信號和傳感信號的短距離無線傳輸和接收的目的，解決常規儀表無法檢測運動狀態下設備溫度的問題。

1.3 無線傳輸耦合誤差分析

由前述光纖無線傳輸系統機理可知，該無線傳輸系統的核心器件是光纖準直器，光纖準直器是一種重要的光無源器件，在光通信系統中有著非常重要的應用，它由光纖和聚焦透鏡組成，可以將光纖輸出的光變成平行光，也可將外界的平行光耦合進光纖內，因此成對的準直器可以用于自由空間光的傳輸。兩準直器在相對運動過程中進行光信號傳輸必然會導致耦合耗損，過大的耦合耗損將導致兩準直器耦合效率過低，過低的耦合效率將導致較大的信號傳輸誤差，因此必須對光纖無線傳輸系統的耦合誤差與耦合耗損之間的關系進行研究。

光纖準直器間的耦合損耗主要來源于如圖4所示的三個方面[8]：①軸向間距Z0；②橫向錯位X0；③兩準直器的角度偏差θ。

(a)軸向間距Z0

(c)角度偏差θ圖4 兩準直器間的耦合示意圖Fig.4 Schematic of the coupling between two collimators

光纖端面出射光束近似為束腰直徑等于模場直徑的高斯光束[9]，多模光纖中傳輸模式很多，這里為了簡化分析，假設各模式的振幅相同，則耦合能量正比于兩相同準直器光束的重合面積，即耦合效率為重合面積與總面積之比，若兩準直器的相對偏差尺寸為Δ，則以dB為單位的耦合耗損L的計算公式為[10-11]

L=-10lg(2sin-1(1-Δ2)1/2/π-2Δ(1-Δ2)1/2/π)

(3)

其中，Δ≤1，對于圖4b所示橫向錯位的情況，假設D0為準直器光束直徑，X0為偏移量，則有

Δ=X0/D0

(4)

將式(4)代入式(3)即可得到橫向錯位帶來的耦合耗損。

目前在3dB的耦合耗損下TEC(theramlly expanded core)光纖準直器的最大軸向間距可以達到1517 mm[12],國外更先進的甚至可以達到數十米，因此其軸向間距完全可以滿足實際監測需要，不再贅述。根據往復式壓縮機的運動特點，其角度偏差極小，且可以轉化為橫向偏差進行計算，不在考慮范圍之內，因此我們只對橫向錯位偏差進行分析。為了更加直觀清晰地分析不同耦合耗損下的橫向偏差，我們用MATLAB繪制了耦合耗損與橫向偏差的關系曲線，如圖5所示。通過該耦合曲線，我們可以根據傳輸過程中信號的耦合耗損，計算出兩準直器之間的橫向耦合偏差。

圖5 橫向偏差引起的耦合耗損Fig.5 Coupling loss due to lateral misalignment

2 實驗及分析

為了驗證該無線傳感機理的可行性，需要對比系統有效工作時的耦合偏差與十字頭和滑道的間隙，因此必須確定在傳感系統能夠正常工作下的最小耦合效率，以及在該耦合效率下的耦合偏差。

實驗裝置如圖6所示，將一對光纖準直器固定在五維調整架上，通過調節五維調整架調節準直器的耦合效率，在不同的耦合效率下測量傳感器的測量誤差。此外采用標準光源和光功率計作為耦合效率測量工具，其測量裝置結構如圖7所示。

圖6 信號測量誤差與耦合效率的實驗裝置圖Fig.6 Experimental device of the signal measurement error versus coupling efficiency

圖7 耦合效率測量實驗裝置圖Fig.7 Experimental device of coupling efficiency measurement

實驗中，將高穩定標準FBG溫度傳感器(該傳感器已經過標定校準，分辨能力為0.0001 ℃)放入恒溫箱中。將光纖準直器的耦合效率按照圖7所示裝置從90%按照10%的步長依次減小，在每個耦合效率下，進行溫度測量(溫度恒定在40 ℃)，每個耦合效率點測量5 min，將5 min內溫度測量值的平均值作為溫度測量值。根據實驗所測數據，得出光纖無線傳輸系統耦合效率與溫度測量誤差如表1所示。

表1 光纖無線傳輸系統耦合效率與溫度測量誤差Tab.1 Measurement error of the temperature versus coupling efficiency of wireless optical fiber sensing system

由表1可知要保證溫度無線光纖傳感在線監測系統能夠正常工作，必須保證光纖準直器的耦合效率最低在20%，用dB單位表示就是約7dB，因此根據圖5中耦合耗損與橫向偏差的關系曲線所標識的在7dB耦合耗損下的橫向偏差Δ≈0.69，Microlaser公司生產的大孔徑光纖準直器，孔徑可達46 mm，光束直徑可達33 mm，因此由式(4)可知此時的絕對橫向偏差為22.7 mm，即在絕對橫向偏差不大于22.7 mm時，都可以正常工作，而十字頭在十字頭滑道徑向跳動間隙值在0.14～0.42 mm之間[13]，因此完全滿足實際測量需要。

為了進一步驗證該無線光纖傳感系統的信號傳輸特性，仍然采用圖6所示裝置，將光纖準直器的耦合效率調到20%。實驗過程中，把標準光纖光柵溫度傳感器放在恒溫箱中，將恒溫箱從低溫25 ℃升溫到高溫85 ℃，再從高溫85 ℃降溫到低溫25 ℃，每5 ℃為一個步長，為了保證測量數據的準確性，在每個測量點保持至少20 min之后再保存測量數據，為了減小隨機誤差，至少保持測量時間為5 min，數據處理時，將這5 min的測量數據求平均值，作為該測量點的實驗數據。將實驗數據進行線性擬合，得到該無線光纖傳感系統的信號傳輸特性曲線如圖8所示。為了和有線條件下進行對比，采用同樣的實驗方法，把有線條件下測量的同一傳感器的溫度-波長曲線放在同一個坐標系中。其中直線A和直線B為無線傳感條件下測量的溫度正反行程的溫度-波長曲線。C為有線條件下測量的溫度-波長曲線，根據圖8所示無線傳輸系統輸出曲線，在保證系統正常工作的最低耦合效率20%下，所測得的FBG溫度傳感器的回程誤差和線性誤差都很小，即基本誤差很小且線性度R2接近1。這表明無線光纖傳感系統在保證耦合效率不低于20%時，能夠正常地進行溫度監測和數據傳輸，有力地驗證了該無線光纖傳感在線監測機理在往復式壓縮機十字頭軸瓦溫度監測中應用的可行性。

圖8 無線光纖傳感系統信號輸出特性曲線Fig.8 Plot of signal output characteristic of wireless optical fiber sensing system

3 結語

利用光纖準直器的光學特性，結合往復式壓縮機十字頭軸瓦的運動特點，提出了一種用于往復式壓縮機十字頭軸瓦溫度在線監測方法的無線光纖傳感機理與方法。在一定溫度下，通過檢測無線傳感系統不同耦合效率下的溫度測量誤差，得出無線傳感系統至少應在20%耦合效率條件下工作，在該耦合效率下，進一步通過耦合耗損與橫向偏差的關系曲線，求得此耦合效率下的橫向偏差，將該橫向偏差和十字頭與滑道間隙值進行對比，驗證該機理的可行性，為了進一步研究在該耦合效率下的系統的信號輸出特性，測試了該傳感監測系統的信號輸出特性曲線，結果顯示在20%耦合效率下，系統仍然能夠保證良好的輸出特性，從而最終驗證了該無線光纖傳感在線監測機理能夠應用在對往復式壓縮機十字頭軸瓦溫度的監測中。

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(編輯 王艷麗)

Wireless Fiber Sensing Online-monitoring Mechanism for Crosshead Bearings of Reciprocating Compressor

CAO Chi TONG Xinglin CHEN Liang DENG Chengwei GUO Qian ZHOU Chaoran ZHANG Baolin

National Engineering Laboratory for Fiber Optic Sensing Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan, 430070

According to the technical problems of the moving crosshead bearing temperature monitoring problems of a reciprocating compressor in petrochemical industry, combined with the characteristics of reciprocating compressor crosshead reciprocating motions, an wireless optical fiber sensing online-monitoring method for crosshead bearings of reciprocating compressors was presented. The wireless mechanism, monitoring method and the characteristics of wireless fiber sensing output were studied. The results show that the method may still monitor temperature with the 20% energy transfer efficiency, which shows the feasibity of the wireless fiber sensing online-monitoring method.

reciprocating compressor; crosshead bearing; wireless optical fiber sensing; temperature monitoring

2016-05-06

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2015AA043505)；國家自然科學基金資助項目(51275373，61575148)；湖北省自然科學基金資助重點項目(2014CFA056)

TP212；TN929.11

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.04.008

曹 馳，男，1990年生。武漢理工大學光纖傳感國家工程實驗室碩士研究生。研究方向為光纖傳感技術。童杏林(通信作者)，男，1964年生。武漢理工大學光纖傳感國家工程實驗室教授、博士研究生導師。E-mail：tongxinglin@whut.edu.cn。 陳 亮，男，1992年生。武漢理工大學光纖傳感國家工程實驗室碩士研究生。鄧承偉，男，1962年生。武漢理工大學光纖傳感國家工程實驗室副教授。郭 倩，女，1984年生。武漢理工大學光纖傳感國家工程實驗室博士研究生。周超然，男，1983年生。武漢理工大學光纖傳感國家工程實驗室博士研究生。張寶林，男，1992年生。武漢理工大學光纖傳感國家工程實驗室碩士研究生。