劉維華

（營口港務股份有限公司糧食分公司，遼寧 營口 115007）

長期以來我國對港口碼頭皮帶機、滾筒、電機等各種設備缺乏有效的長期實時監(jiān)測設備與監(jiān)測手段，出現(xiàn)很多起嚴重的火災事故，給國家和人民的生命財產(chǎn)造成重大損失。

溫度場的分布測量是工程中溫度測量的重要內(nèi)容。在許多場合，傳統(tǒng)的溫度傳感器或是因為不能工作在強電磁場環(huán)境中，或是因為多點測量的成本過高，或是因為存在傳感器的安裝等問題不能完成分布式溫度測量[1]。而分布式溫度傳感技術具有使用安全、抗電磁干擾能力強、易于安裝等特點，在實時檢測溫度場的控件連續(xù)分布的應用中以其獨特的優(yōu)點而受到重視。

近幾年，隨著光纖測溫技術在港口領域的應用，利用光纖對港口領域的溫度實時檢測已經(jīng)實現(xiàn)。然而還有很多重要的問題沒有得到完全解決[2-4]。有鑒于此，本文針對分布式光纖測溫技術在港口的應用，提出了一系列集可視化、智能化、無人化于一身的數(shù)字化在線監(jiān)測方案，為全面提升港口的生產(chǎn)安全能力打下堅實的基礎。

1 分布式光纖測溫技術簡介

1.1 拉曼散射

光通過介質時由于入射光與分子運動相互作用而引起的頻率發(fā)生變化的散射稱為拉曼散射（Raman scattering），又稱拉曼效應。1923 年 A·G·S 斯梅卡爾從理論上預言了頻率發(fā)生改變的散射。1928年，印度物理學家C·V·拉曼在氣體和液體中觀察到散射光頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。拉曼散射遵守如下規(guī)律：散射光中在每條原始入射譜線(頻率為ν0)兩側對稱地伴有頻率為 ν0±νi(i=1，2，3，…）的譜線，長波一側的譜線稱紅伴線或斯托克斯線，短波一側的譜線稱紫伴線或反斯托克斯線；頻率差νi與入射光頻率ν0無關，由散射物質的性質決定，每種散射物質都有自己特定的頻率差，其中有些與介質的紅外吸收頻率相一致。拉曼散射的強度比瑞利散射（可見光的散射）要弱得多。拉曼光如圖1。

圖1 拉曼光

1.2 探測光纖

探測光纖（見圖2）表層采用可觸變的芳綸纖維加以保護，外護套為高性能的阻燃PVC材料，光纖被很好地密封以保證不受外界環(huán)境的影響和破壞，同時光纜具有優(yōu)良的熱傳導特性、機械性能、防水性能及抗腐蝕特性，可以在惡劣的環(huán)境中長期使用。

圖2 探測光纖

1.3 分布式光纖測溫原理

分布式光纖傳感系統(tǒng)工作依據(jù)是光時域反射原理（OTDR）和光纖的背向拉曼散射(RAMAN SCATFORING)溫度效應。系統(tǒng)利用先進的OTDR技術進行定位，利用拉曼散射效應進行測溫。當光源向光纖注入光脈沖后，會產(chǎn)生自發(fā)拉曼散射光，自發(fā)拉曼散射光包括斯托克斯光和反斯托克斯光，其中部分自發(fā)拉曼散射光會沿光纖反射回來，這部分自發(fā)拉曼散射光與溫度有著密切的關系，經(jīng)算法分析得出光纖測量溫度，其測溫原理如圖3所示。

圖3 分布式光纖測溫原理

2 分布式光纖測溫系統(tǒng)

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的組成如圖4所示，系統(tǒng)由光學模塊、分光模塊、傳感光纖、APD模塊、放大器模塊、信號處理及電源模塊等部分組成。

圖4 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)

2.1 分布式光纖測溫系統(tǒng)工作過程

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)工作時，脈沖驅動電路產(chǎn)生一電流脈沖，驅動半導體激光二極管產(chǎn)生的光脈沖注入到激光器尾纖中，從激光器尾纖輸出的光脈沖經(jīng)過光路WDM再進入傳感光纖。光在光纖中發(fā)生散射后，其攜帶有溫度信息的拉曼光向后散射返回到WDM，WDM不但可以將發(fā)射的光直接耦合進光纖，而且可以將散射回的不同于發(fā)射波長的斯托克斯和反斯托克斯光分離后送入兩個APD。APD將光信號轉換成電流信號，電流信號再被放大電路轉換成電壓信號并且放大后送入采集卡。采集卡將信號數(shù)字化后送入PC機，經(jīng)特定的算法計算出溫度信息。

2.1.1 斯托克斯光強和反斯托克斯光強

測溫算法理論依據(jù)是反斯托克斯光強和斯托克斯光強的比值是和溫度有關的函數(shù)，利用該函數(shù)來解調實際溫度值。實際應用中是光信號經(jīng)光電轉換器件轉換為電信號（正比關系）來進行計算的。其中反斯托克斯光纖光強理論公式為：

斯托克斯光強理論公式為：

K1、K2與光纖所處環(huán)境溫度無關，取決于光纖結構和物理特性入射光強等，k為波爾茲曼常數(shù)，h為普朗克常數(shù)，ν為聲子頻移。

γAS、γS分別為反斯托克斯與斯托克斯光的波數(shù)，αAS是反斯托克斯光纖傳輸衰減系數(shù)，αS是斯托克斯光纖傳輸衰減系數(shù)，L為光纖長度。

2.1.2 拉曼光強轉化成電壓

光信號經(jīng)光電轉換器轉化為電信號，且電信號正比于光信號，即

則反斯托克斯光強與斯托克斯光強比為：

此外，分布式光纖測溫繼續(xù)需要一個定標溫度，需要由定標光纖進行計算。

2.1.3 根據(jù)定標溫度計算實測溫度

將未知溫度為T的傳感光纖反斯托克斯和斯托克斯的比值按照公式（3）計算，再將溫度為已知的定標光纖反斯托克斯和斯托克斯的比值按照公式（4）計算，最后將兩個比值做比率，即

上式中等式左邊數(shù)值可通過分布式光纖測溫系統(tǒng)測量，等式右邊定標溫度，T0由溫度探頭讀取，即可得到傳感光纖任意位置的溫度。

2.2 分布式光纖測溫系統(tǒng)硬件

2.2.1 激光器

光纖激光器是以摻雜光纖本身為工作物質，而該光纖本身又是起到導波作用的固體激光器。由工作物質、諧振腔、泵浦源三個基本部分組成。

波長選擇,工作波長與測量距離的關系：

根據(jù)系統(tǒng)原理，背向拉曼散射信號的信噪比和散射點的位置有關，散射點離光源越遠，信噪比越小，所以選擇最佳工作波長的原則是：使傳感光纖尾端返回的反斯托克斯信號最強。

式中：Z為 測量點的距離；P0為 光纖始端光源光功率；Pas（Z）為 光纖末端返回光纖始端的反斯托克斯光功率；Kas為 與拉曼散射截面、拉曼頻移處光纖原件的耦合效率及光纖背向散射因子等有關的系數(shù)；Ras（T）為下能級的布局數(shù)；λas為 反斯托克斯散射光波長；λ0為 系統(tǒng)中心波長；α0、 αas為 在光源中心波長和反斯托克斯散射光波長處光纖的損耗。

根據(jù)拉曼光譜學，系統(tǒng)中心波長越短，自發(fā)拉曼散射信號強度越大，但相應傳感光纖的損耗也越大，因此，測量點最佳中心波長與系統(tǒng)選用的傳感光纖的損耗分布密切相關。

吸收損耗主要來自三個方面：光纖材料的本征吸收、材料中雜質吸收和結構中原子缺陷吸收。附加損耗是光纖成纜后產(chǎn)生的損耗。散射損耗主要是指瑞利散射，它屬于固有散射，由于光纖材料中折射率不均勻造成。瑞利散射損耗與波長四次方成反比：

式中:A為比例系數(shù)，由具體光纖決定，本文記作光纖損耗常數(shù)。

在現(xiàn)有的工藝條件下，某種程度上可以把光纖的損耗看作是光纖的吸收損耗和瑞利散射損耗之和。對于硅光纖，在0.6～1.6 μm范圍內(nèi)，瑞利散射是損耗的主要本征源。在此條件下，下式成立：

式中:λas=λ0/（1+λ0·Δν），Δν為波數(shù)移動。代入公式（7），并令，得到

式（8）是測量點中心波長優(yōu)化方法的基礎，由其可知測量點最佳中心波長與測量距離密切相關。

1990年英國的PJ．Samson討論了分布式光纖拉曼溫度傳感器系統(tǒng)的測量長度LD與波長的依賴關系計算公式：

式中：σ是一個不依賴于波長的系數(shù)，與光纖的損耗有關；Δν是系統(tǒng)所選的光譜帶寬。表1給出了不同激光波長和不同光纖長度條件下，背向反斯托克斯拉曼散射的信號電壓與激光波長和光纖長度的關系。

表1 背向反斯托克斯拉曼散射的信號電壓與激光波長和光纖長度的關系

波長選擇結論：

根據(jù)拉曼光譜學，系統(tǒng)中心波長越短，自發(fā)拉曼散射信號強度越大，但相應傳感光纖的損耗也越大，因此，測量點最佳中心波長與系統(tǒng)選用的傳感光纖的損耗分布密切相關。

4 km選擇半導體激光器，波長980 nm，拉曼效應強，保證近距離有更高的信噪比。但由于980 nm在光纖中的損耗大，所以無法做遠距離測量。

10 km選擇光纖激光器，波長1 550 nm,拉曼效應弱，在近距離時信噪比不如980 nm,但是由于1550 nm光纖中的損耗低，在遠距離端信噪比要高于980 nm光源，所以可以測量更遠的距離。

2.2.2 溫度敏感元件NTC

NTC（負溫度系數(shù)）熱敏電阻是一個溫度敏感的元件。其電阻隨溫度增加而減小，有很多種NTC元件可供使用，其中用陶瓷粉工藝制作的NTC元件對溫度的微小變化有最大的電阻變化，更重要的是某些陶瓷NTC在其壽命內(nèi)，經(jīng)適當老化，具有0.05℃穩(wěn)定度，并且與其它溫度傳感相比，陶瓷NTC的尺寸特別小。

用在恒溫控制器中的NTC能提供高靈敏度，對于0.75 mV的放大器失調電壓所產(chǎn)生的絕對誤差接近0.03℃，而NTC自熱引起的誤差為0.06℃（大氣條件下）。

2.2.3 PWM控制器

溫度控制的核心是PWM控制器。圖5是PWM控制器電路。

圖5 PWM H橋和TEC電流檢測電路

2.2.4 光路器件

系統(tǒng)用到的光路器件主要是分光系統(tǒng)用的光纖耦合器、光濾波器和防止反射光影響的光隔離器，光功率放大器EDFA以及光路轉換用的光開關等等。

耦合器的光學性能主要有附加損耗、方向性、均勻性等指標見圖6。

圖6 光纖耦合器示意圖

2.2.5 光濾波器

光濾波器是一種波長選擇器件，實現(xiàn)波長選擇的方法主要有干涉濾波法、棱鏡和光柵的色散分光法、光纖布拉格光柵(FBG)光譜濾波法、聲光濾波法、集成波導濾波法等。對于我們這個系統(tǒng)，可選擇帶通濾波法，如圖7所示：

圖7 帶通濾波器原理圖

2.2.6 光功率放大器

光纖放大器主要有半導體光纖放大器、非線性光纖放大器 （受激拉曼散射光纖放大器和受激布里淵散射光纖放大器）、摻雜光纖放大器(包括EDFA、摻鐠光纖放大器等)。其中非線性光纖放大器由于利用的是受激散射放大原理，不適用于本系統(tǒng)。

2.3 系統(tǒng)的關鍵指標

空間分辨率——把一段光纖放入已知溫度恒溫箱內(nèi)加熱至恒定，探測光纖溫度從10%變化為90%所需的距離。例如室溫溫度為T1，恒溫箱溫度為T2，溫度變化量 ΔL=L2-L1，L1對應溫度 T1+ΔT 位置，L2對應溫度T2-ΔT位置，ΔT=T2-T1即為空間分辨率。如圖8所示：

圖8 空間分辨率曲線

溫度精度——在監(jiān)測距離內(nèi)將任意一段光纖放入已知溫度恒溫箱內(nèi)，光纖長度大于40 m，恒溫箱溫度不超過測溫范圍，在同一溫度下對該段光纖連續(xù)20次測量求出這段光纖每個測量點20次測量溫度的標準偏差，最大的標準偏差即為溫度精度。

溫度精度σ1的計算公式：

式中：xi為感溫光纖每次測量溫度值；n為試驗重復次數(shù)；M(x)為xi的算術平均值。

溫度分辨率——將一段光纖（約40 m）放入恒溫箱內(nèi)，恒溫箱溫度設為測溫范圍區(qū)間內(nèi)的固定值，對該溫度進行連續(xù)20次測量，求出該段光纖每次測量平均值及各次平均值的標準偏差，最大的標準偏差即為溫度分辨率。

溫度分辨率σ2的計算公式：

式中：xi為感溫光纖每次測量溫度平均值；n為試驗重復次數(shù)；M(x)為xi的算術平均值。

定位精度——將1 m光纖圈放入高溫箱中加熱，穩(wěn)定10 min，記錄高溫點長度指示值，連續(xù)測量20次，求20次測量長度指示值的標準偏差，標準偏差即為定位精度。

式中：xi為感溫光纖每次測量長度指示值；n為試驗重復次數(shù)；M(x)為xi的算術平均值。

3 分布式光纖測溫技術在皮帶輸送機及相關設備溫度監(jiān)測的應用

隨著港口儲運能力的提升，大型皮帶機運作時可能產(chǎn)生的安全隱患也隨之上升。只憑傳統(tǒng)的人力巡檢無法及時地發(fā)現(xiàn)和解決問題。

通過實驗驗證，分布式光纖測溫技術可以實時在線監(jiān)測皮帶機電機、滾筒及托輥軸承等設備的溫度，達到提前預警的效果。由于這些設備的特殊結構，直接敷設光纜無法達到預期的測溫效果。實驗證明，可以通過特制的夾具實現(xiàn)溫度檢測，當設備出現(xiàn)故障時，表面溫度上升，熱量傳到探測光纜后進行測溫及定位，可通過相應的軟件界面，提醒工作人員及時檢修，避免皮帶過度磨損、增加皮帶壽命、防止火災事故的發(fā)生。

3.1 皮帶機滾筒溫度監(jiān)測

在皮帶機運轉過程中，主從動滾筒經(jīng)常發(fā)生打滑現(xiàn)象，一旦發(fā)生打滑，就會使?jié)L筒表面溫度升高。根據(jù)徐州礦務局試驗站試驗，皮帶打滑40 min滾筒表面溫度就可達到320℃。根據(jù)試驗，該溫度已是著火溫度。長時間打滑就可導致皮帶著火。因此對皮帶機滾筒進行實時的火災預警，對港口的安全生產(chǎn)有著重要的實際意義。

滾筒為圓柱體，如圖9所示，光纖無法直接纏繞，需要特制的夾具敷設其上。

圖9 滾筒示意圖

用特制的夾具將探測光纜固定在皮帶機滾筒、電機、減速器端蓋上，一旦皮帶打滑其表面溫度必然上升，熱量傳遞到夾具處，系統(tǒng)即可監(jiān)測到溫升，準確發(fā)出預警信號，避免火災事故。

適用設備：皮帶機滾筒、電機、減速器等。

3.2 承載托輥溫度監(jiān)測

托輥不轉及皮帶在托輥表面滑動容易磨損皮帶甚至引起火災。托輥軸承內(nèi)部容易進入灰塵，導致托輥軸承壽命較短，軸承卡死后，皮帶將在托輥表面摩擦，托輥溫升很高。托輥摩擦引起皮帶著火主要發(fā)生在停機之后。

基于托輥的特殊結構，需要針對托輥特制一種夾具實現(xiàn)溫度在線監(jiān)測。

將探測光纜繞入夾具，將夾具固定于托輥支架處使夾具與托輥軸緊密接觸，達到測溫目的。測溫夾具與皮帶機承載托輥軸承緊密接觸，探測光纜能夠準確的感知每組托輥軸實時的溫度變化情況，做到防患于未然。

可通過軟件圖形數(shù)據(jù)實時連續(xù)顯示線路上的溫度分布曲線、各點溫度隨時間變化曲線。溫度曲線示意圖如圖10所示：

圖10 溫度曲線示意圖

4 分布式光纖測溫技術在港口其它領域的應用

4.1 分布式光纖測溫技術在港口變電站的應用

分布式光纖測溫技術可針對港口內(nèi)的電力電纜、變壓器、開關柜等設備進行在線溫度可視化監(jiān)測，從而為變電站管理部門提供實際運行的狀態(tài)信息。變電站探測光纜鋪設示意圖見圖11。

圖11 電纜橋架光纜敷設

（1）電纜橋架光纜敷設。光纜安裝采用正弦曲線方式鋪設，實時監(jiān)測電纜橋架電纜溫度。探測光纜要緊緊貼裝在電纜的表面，每隔0.5 m通過扎線將光纜固定在電纜表面，同時要確保光纜不能承受比較大的應力。

（2）電纜接頭光纜敷設。采用跳線方式，即光纜直接跳過電纜接頭，并在此處留出3倍電纜接頭長度的光纜，然后光纜繼續(xù)向前敷設。留出的光纜以雙股形式纏繞于電纜接頭處。見圖12。

圖12 光纜敷設示意圖

4.2 筒倉

糧食筒倉作為港口裝卸主要設施，因其自動化、專業(yè)化、連續(xù)化、大運量的作業(yè)方式，在自動連續(xù)裝卸過程中發(fā)揮了極其重要的作用。實時對糧食筒倉內(nèi)的溫度進行監(jiān)測，對確保港口、碼頭的正常運營、保障國家財產(chǎn)和生命安全有著重要的現(xiàn)實意義。

探測光纜敷設方案：

可以將探測光纜置于光纜組件內(nèi)部，組件兩側為鋼纜，內(nèi)置探測光纜，外護套采用高密度聚乙烯材料，整個組件保證足夠的抗拉性與耐磨性，可在糧食筒倉內(nèi)長期使用，若光纜有異?？蓪⒐饫|直接抽出維修后重新敷設。見圖13。

圖13 筒倉光纖敷設示意圖

4.3 分布式光纖測溫技術在儲油罐罐頂溫度監(jiān)測方面的應用

目前油罐罐體大多在油罐底部裝有溫度測量裝置，只能測量到油罐罐底或幾個離散點的溫度數(shù)據(jù)，很多時候罐底溫度已經(jīng)達到輸送溫度，但是罐頂溫度未達到輸送溫度，這樣容易造成油料掛壁，再次注油會降低油品的品質。

通過對罐頂溫度的監(jiān)測可以更全面的監(jiān)測罐內(nèi)各點溫度，以達到合理輸送的效果。見圖14。

圖14 罐頂溫度監(jiān)測安裝效果圖

4.4 分布式光纖測溫技術在儲油罐和輸油管線防凝防漏方面的應用

隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大,重大災難性工業(yè)事故時有發(fā)生,特別是易燃、易爆重大事故更是人們關注的焦點。溫度對油罐區(qū)的生產(chǎn)安全具有重要的指標作用，而目前油罐罐體大多在油罐底部裝有溫度測量裝置，只能測量到油罐罐底或幾個離散點的溫度數(shù)據(jù)，對罐體大部分的溫度具有不可預見性?；诖?，我們可以采用分布式光纖測溫技術針對油罐進行全方位的分布式溫度測量，減少油料掛壁及凝堵現(xiàn)象的發(fā)生。見圖15、圖16。

圖15 儲油罐布線示意圖

圖16 輸油管線布線方法

5 結論

隨著港口吞吐量的上升，集可視化、智能化、無人化于一身的數(shù)字化港口儲運及裝卸設備狀態(tài)在線監(jiān)測技術的研發(fā)已經(jīng)刻不容緩。先進的分布式光纖測溫技術將為港口的生產(chǎn)安全提供更多方面的技術支持和保障，因此，全面發(fā)展分布式測溫技術在港口各個領域的應用勢在必行、意義重大。