分布式光纖測溫系統在陳四樓煤礦的應用

時培源 鄧高鵬

（河南能源化工集團永煤公司陳四樓煤礦，河南 商丘 476600）

0 引言

煤礦井下溫度過高，會導致瓦斯放散量增加，容易發生瓦斯爆炸，導致安全系數降低，嚴重危及煤礦作業人員的生命安全。因此，監測井下溫度是煤礦安全作業的必備工作之一。基于安全監測考慮，煤礦安全作業應采用智能監測技術，包括環境監測、地面監測、井下監測及控制等。該技術能實時監測和控制煤礦的環境條件，及時發現和解決安全隱患，確保煤礦安全作業。光纖測溫是一種采用光纖傳感器來進行溫度測量的技術，利用光纖表面溫度的變化來測量物體溫度。利用光纖熱擴散與溫度變化對光纖中的光信號產生影響，從而可實現溫度的測量，將光纖作為數據傳輸媒介，可實現長距離、高精度、高可靠性的溫度測量［1］。光纖測溫技術在煤礦安全生產中的應用前景廣闊。這種技術可實時監測溫度變化，提高安全監控能力，讓煤礦的安全生產更加精準和高效。此外，光纖測溫技術還可提供更精確的數據，幫助煤礦管理者更好地對煤礦井下環境情況進行控制和調整。煤礦井下光纖測溫的研究受到廣泛關注，現有文獻表明，在節能和易用性方面，光纖測溫技術是一種高效、安全的溫度測量方法。近年來，已開發出多種類型的光纖傳感器，可適應不同應用場景的要求。作為煤礦井下溫度測量的重要手段，光纖測溫技術具有很強的適應性，且可實現遠程控制和監測煤礦井下的溫度情況。

1 系統組成及原理

分布式光纖測溫系統主要由光纖傳感器、光纖儀表、可調諧噪聲抑制裝置、數據傳輸裝置及遠程服務器組成。光纖傳感器可用來測量環境溫度，光纖儀表用于采集測量數據，可調諧噪聲抑制裝置能有效抑制受干擾的信號，數據傳輸裝置用于將測量數據通過網絡傳輸到遠程服務器上，遠程服務器可實時監控和控制煤礦的安全生產狀態［2］。陳四樓煤礦所使用的是基于后向拉曼（Raman）散射效應的KJ1266-Z（A）礦用隔爆兼本安型分布式光纖測溫主機，采用光纖作為溫度傳感和信號傳輸的載體。激光脈沖從光纖的一端進入，在向前傳播的過程中，光纖分子相互作用，發生多種類型的散射。其中，拉曼散射是由光纖分子的熱振動產生一個比光源波長長的光（斯托克斯光）和一個比光源波長短的光（反斯托克斯光），反斯托克斯光信號的強度對溫度影響比較敏感。從光波導內任何一點的反斯托克斯光信號和斯托克斯光信號強度的比例中，可得到該點的溫度信息。利用光時域反射（OTDR）原理，即通過光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時間來實現對熱點進行定位。利用上述技術原理即可實現對沿光纖溫度場的分布式測量［3］。其主機原理如圖1所示。

圖1 分布式光纖測溫主機原理

分布式光纖測溫主機由激光器、變壓器、光電轉換板、主板、液晶屏等組成，通過網絡交換機將井下測溫數據上傳到地面上位機，再利用上位機可實時監測井下環境溫度，上位機能直觀展示系統所有分區實時數據、運行狀態，并可生成溫度數據曲線，顯示保存歷史溫度數據。

2 系統的實施方法

2.1 分布式光纖測溫系統實施內容

首先，根據煤礦的布局和安全要求，確定光纖測溫傳感器的擺放位置，進行現場測量。其次，根據現場測量情況，對中央服務器網絡及傳感器、數據采集器及儀表進行選型設計，完成對分布式測溫裝置的接入。再次，在分布式光纖測溫系統安裝完成后，要對系統進行調試。最后，在現場實施測溫的應用［4］。

2.2 光纖測溫傳感器擺放位置

根據煤礦的布局及安全要求確定，將光纖測溫傳感器分散擺放到不同的深度，使檢測精度更加可靠，避免出現因熱膨脹或降溫回縮對測量結果產生較大影響。此外，還要將光纖測溫傳感器擺放在安全位置，避免爆炸物品或其他危險因素破壞設備。

2.3 中央服務器網絡及傳感器、數據采集器及儀表進行選型設計

從現場測量的實際情況出發，根據實際監控要求，考慮電氣性能、壽命、精度及使用環境等對設備的影響，綜合選擇與之配套的中央服務器網絡、傳感器、數據采集器及儀表，從而保證安全有效地實施分布式光纖測溫技術［5］。

2.4 分布式光纖測溫系統調試

在正確安裝好系統各部件后，確保各部件之間的連接正確無誤。接著進行數據采集、設備診斷、性能測試等，確保所有傳感器都能正常工作，最終完成調試。調試包括溫度標定、位置標定和溫度偏移標定［6］。每臺主機在出廠前都要經過系統測試，只有測試合格的產品才交付用戶使用。為確保測溫主機的精確性，在實際應用時，根據應用的具體測溫光纖，還要進行溫度校正，具體步驟如下。

2.4.1 一致性標定。一致性是指光纖所有位置的測溫一致，將光纖置于溫度相對恒定的環境中，恒定1 h 以上。因光纖成卷，圈數較多，熱平衡需要時間，調整前后如圖2所示。

圖2 分布式光纖測溫系統一致性標定

2.4.2 靈敏度標定。當實際溫度升高10 ℃，測量值升高8 ℃，需要增大靈敏度，才能使兩者保持一致，測溫才準確。同時設定恒溫水槽，選取一段長度至少為5 m 的光纖，放入均勻、穩定的溫度環境中，平衡5 min。然后用高精度溫度計測量水槽溫度和環境溫度，并從光纖測溫軟件上讀取兩者測量值，調整靈敏度參數，使二者差值一致，如圖3所示。

圖3 分布式光纖測溫系統靈敏度標定

2.4.3 溫度偏移標定。該標定主要解決絕對溫度差異，相當于把溫度整體上下平移，用高精度溫度計測量水槽溫度，讀取光纖測溫主機測量值，調整溫度偏移參數，使二者保持一致，如圖4所示。

圖4 分布式光纖測溫系統位置偏移標定

2.4.4 位置標定。為進一步降低光纖米標誤差，對區域交界點、測量起始點、測量結束點、電纜接頭等關鍵點進行定位。

3 現場應用效果

陳四樓煤礦井下中央變電所安裝了KJ1266-Z（A）礦用隔爆兼本安型分布式光纖測溫主機，該裝置是基于光纖光學、光電子學、小信號處理技術、高速信號采集處理等技術開發的光纖測溫設備，其采用嵌入式軟硬件系統、光纖傳感技術，不受電磁干擾，本征安全，使用壽命長，可在各種惡劣環境中運行。井下測溫光纖敷設到大巷、電纜溝及電纜處，在地面調度室安裝上位機顯示系統，可實時測量顯示大巷和變電所、電纜溝環境溫度及電纜溫度。

4 結語

本研究提出一種新型的分布式光纖測溫系統，通過試驗證明該系統能有效測量溫度，誤差小。從應用范圍來看，該系統可用于煤礦井下各種精確測溫任務，如變電所電纜溫度、機房硐室環境溫度、大巷溫度等，同時該系統結構簡單，維護和使用也非常方便。