基于分布式光纖測溫技術的礦用測溫系統設計

天地（常州）自動化股份有限公司 譚長森

0 概述

煤礦高壓長輸供電線路、采空區等區域為煤礦火災的高發地域，一旦發生火災其影響、損失將無法估量，如何準確預測其內部工作狀態從而預防火災的發生，是煤礦安全生產的重要環節，一般采用測量其溫度來間接判斷火災是否有發生趨勢或已經發生[1]。

鑒于傳統溫度測量存在的缺點，本文提出了一種基于分布式光纖測溫技術的煤礦測溫系統，光纖測溫是基于拉曼散射中反斯托克斯光對溫度的敏感性，采用斯托克斯光作為溫度信號，用反斯托克斯光解調出溫度表達式，并根據光時域反射原理對溫度信號與空間位置對應原理，從而實現對整條光纜沿線溫度的測量，將測溫光纜沿采空區或者動力供電線路敷設，就可以感知整個采空區線路或線路的溫度，從而為預測火災的發生提供了重要依據。

1 分布式光纖測溫系統基本理論

分布式光纖測溫系統是基于將反斯托克斯光射入光纖中，光在傳輸時產生拉曼散射溫度效應[2]，依據光時域反射理論來獲取定位信息和溫度分布信息的監控系統。

1.1 光時域反射原理

分布式光纖測溫系統對空間各處的溫度進行空間測量的理論基礎是光時域反射原理，其基本原理是通過分析光纖中背向散射光和菲涅爾反射光的方法，測量由于在光纖中散射或被分子吸收等原因產生的傳輸損耗和由于結構缺陷而引起的結構性損耗，在此系統中只考慮背向散射光而不需要考慮菲涅爾反射光。當光纖某一點受到干擾，比如應力作用或溫度的影響時，該點的散射特性會發生變化從而引起光纖上損耗信息發生變化，我們通過這種變化通過相應的分析，能夠得出某個地點所對應的溫度值。

1.2 拉曼散射基本原理

拉曼散射為光在散射現象中部分散射光的光頻率與入射光頻率不同的物理效應。當一定頻率的激光照射到物質表面時，造成散射的分子吸收(或釋放)能量發生不同方式和程度的振動，然后散射出較低(高)頻率的光。在分布式光纖測溫系統中，當光波從一端發射進入光纖中并向前傳播，光纖分子與光波作用發生瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射，其中拉曼散射只受溫度的影響，而且相比較而言較為容易捕捉和解析。

拉曼散射溫度效應：入射光與分子相互作用時，散射分子吸收了一部分能量由低能態向高能態躍遷，此時散射出的是Stocks光；同時散射分子釋放出一部分能量使分子由低能態向低能態躍遷，此時散射出的是Anti-Stocks光。區別與Stock光，Anti-Stocks光的幅度強烈依賴于溫度。

在分布式光纖測溫系統中，用反斯托克斯光產生Stocks散射光和Anti-Stocks散射光，測得Stocks光和Anti-Stocks光的光強后經過一定的運算，可得到整條光纜沿線各個點的溫度信息，即整體的溫度分布情況。

2 系統硬件設計[3]

礦用分布式光纖測溫系統主要有防爆測溫主機、阻燃感溫光纜及相關附件組成。

2.1 防爆測溫主機

防爆測溫主機主要由防爆殼、DTS400型測溫主機、電源模塊、信號隔離模塊、開關量輸出隔離模塊、VGA信號隔離模塊等組成，其原理框圖如圖1。

1)DTS400型測溫主機：DTS400型光纖測溫主機主要由光波發射單元、光波接收單元、光波分復用單元、數字信號處理單元和標校溫度處理單元組成，是分布式光纖測溫系統的核心單元。

2)電源轉換模塊：煤礦井下供設備的電壓只有AC127V/660V，而光纖測溫主機的工作電壓為DC24V或者AC127V，所以需要有電源轉換模塊將井下電壓轉換為測溫主機能夠工作的電壓。

3)網絡接口轉換/開關量輸出隔離模塊：由于DTS400型測溫主機為非防爆產品，以太網接口、開關量輸出模塊也為非防爆形式，煤礦井下信號連接通常采用本安型，因此需要將網絡接口和開關量輸出通過隔離成本安接口對外輸出；開關量輸出接口主要接各種形式的報警器或者執行機構，當測溫光纜某點的溫度達到設定值時，該節點閉合，則產生報警或者驅動執行機構動作。

圖1 防爆測溫主機硬件組成原理圖

2.2 阻燃感溫光纜

DTS測溫系統采用的感溫光纜是一種阻燃鎧裝光纜，由光纖、光纖膏、松套管、細鋼絲鋼帶及阻燃護套組,是一種中心束管式結構的光纜。這種測溫具有光纜質量輕、初性好等優點；同時這種結構對熱量阻隔效果較小，同時對溫度感應性強、響應時間短，在測溫工程中有比較好的工業效果。

3 系統軟件設計[4]

DTS光纖測溫系統軟件主要為信號接收模塊、信號處理模塊和信號輸出模塊組成：

1)信號接收模塊：信號接收模塊測溫光纖將入射光反射過來的光信號經過AD轉換模塊轉換為數字量送入核心處理器；

2)信號處理模塊：信號處理模塊的主要作用是將信號接收模塊接收過來的信號進行分類處理、進行各類運算；

3)信號輸出模塊：信號輸出模塊的作用為將信號處理模塊處理后的各類數據分別轉換為各種輸出形式，比如處理為適合網絡接口輸出的信號形式，和預設的溫度信號進行對比，超過限值進行開關量信號輸出等。

4 結語

基于分布式光纖測溫技術的煤礦測溫系統克服了傳統分點布置溫度傳感器測溫的缺點，具有安全可靠、故障率低、實時性好、準確率高等特點，可對煤礦采空區、主要高壓電纜等重要的場所實現全線覆蓋，極大降低了火災發生的概率，為煤礦的安全生產提供了有力的保證。