時(shí)培源 鄧高鵬

（河南能源化工集團(tuán)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(huì)導(dǎo)致瓦斯放散量增加，容易發(fā)生瓦斯爆炸，導(dǎo)致安全系數(shù)降低，嚴(yán)重危及煤礦作業(yè)人員的生命安全。因此，監(jiān)測(cè)井下溫度是煤礦安全作業(yè)的必備工作之一?；诎踩O(jiān)測(cè)考慮，煤礦安全作業(yè)應(yīng)采用智能監(jiān)測(cè)技術(shù)，包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、地面監(jiān)測(cè)、井下監(jiān)測(cè)及控制等。該技術(shù)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制煤礦的環(huán)境條件，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決安全隱患，確保煤礦安全作業(yè)。光纖測(cè)溫是一種采用光纖傳感器來進(jìn)行溫度測(cè)量的技術(shù)，利用光纖表面溫度的變化來測(cè)量物體溫度。利用光纖熱擴(kuò)散與溫度變化對(duì)光纖中的光信號(hào)產(chǎn)生影響，從而可實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，將光纖作為數(shù)據(jù)傳輸媒介，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高精度、高可靠性的溫度測(cè)量［1］。光纖測(cè)溫技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用前景廣闊。這種技術(shù)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化，提高安全監(jiān)控能力，讓煤礦的安全生產(chǎn)更加精準(zhǔn)和高效。此外，光纖測(cè)溫技術(shù)還可提供更精確的數(shù)據(jù)，幫助煤礦管理者更好地對(duì)煤礦井下環(huán)境情況進(jìn)行控制和調(diào)整。煤礦井下光纖測(cè)溫的研究受到廣泛關(guān)注，現(xiàn)有文獻(xiàn)表明，在節(jié)能和易用性方面，光纖測(cè)溫技術(shù)是一種高效、安全的溫度測(cè)量方法。近年來，已開發(fā)出多種類型的光纖傳感器，可適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景的要求。作為煤礦井下溫度測(cè)量的重要手段，光纖測(cè)溫技術(shù)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)煤礦井下的溫度情況。

1 系統(tǒng)組成及原理

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)主要由光纖傳感器、光纖儀表、可調(diào)諧噪聲抑制裝置、數(shù)據(jù)傳輸裝置及遠(yuǎn)程服務(wù)器組成。光纖傳感器可用來測(cè)量環(huán)境溫度，光纖儀表用于采集測(cè)量數(shù)據(jù)，可調(diào)諧噪聲抑制裝置能有效抑制受干擾的信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸裝置用于將測(cè)量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器上，遠(yuǎn)程服務(wù)器可實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制煤礦的安全生產(chǎn)狀態(tài)［2］。陳四樓煤礦所使用的是基于后向拉曼（Raman）散射效應(yīng)的KJ1266-Z（A）礦用隔爆兼本安型分布式光纖測(cè)溫主機(jī)，采用光纖作為溫度傳感和信號(hào)傳輸?shù)妮d體。激光脈沖從光纖的一端進(jìn)入，在向前傳播的過程中，光纖分子相互作用，發(fā)生多種類型的散射。其中，拉曼散射是由光纖分子的熱振動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)比光源波長(zhǎng)長(zhǎng)的光（斯托克斯光）和一個(gè)比光源波長(zhǎng)短的光（反斯托克斯光），反斯托克斯光信號(hào)的強(qiáng)度對(duì)溫度影響比較敏感。從光波導(dǎo)內(nèi)任何一點(diǎn)的反斯托克斯光信號(hào)和斯托克斯光信號(hào)強(qiáng)度的比例中，可得到該點(diǎn)的溫度信息。利用光時(shí)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(shí)間來實(shí)現(xiàn)對(duì)熱點(diǎn)進(jìn)行定位。利用上述技術(shù)原理即可實(shí)現(xiàn)對(duì)沿光纖溫度場(chǎng)的分布式測(cè)量［3］。其主機(jī)原理如圖1所示。

圖1 分布式光纖測(cè)溫主機(jī)原理

分布式光纖測(cè)溫主機(jī)由激光器、變壓器、光電轉(zhuǎn)換板、主板、液晶屏等組成，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將井下測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)上傳到地面上位機(jī)，再利用上位機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下環(huán)境溫度，上位機(jī)能直觀展示系統(tǒng)所有分區(qū)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)，并可生成溫度數(shù)據(jù)曲線，顯示保存歷史溫度數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)的實(shí)施方法

2.1 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)施內(nèi)容

首先，根據(jù)煤礦的布局和安全要求，確定光纖測(cè)溫傳感器的擺放位置，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。其次，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況，對(duì)中央服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)及傳感器、數(shù)據(jù)采集器及儀表進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，完成對(duì)分布式測(cè)溫裝置的接入。再次，在分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)安裝完成后，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。最后，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施測(cè)溫的應(yīng)用［4］。

2.2 光纖測(cè)溫傳感器擺放位置

根據(jù)煤礦的布局及安全要求確定，將光纖測(cè)溫傳感器分散擺放到不同的深度，使檢測(cè)精度更加可靠，避免出現(xiàn)因熱膨脹或降溫回縮對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大影響。此外，還要將光纖測(cè)溫傳感器擺放在安全位置，避免爆炸物品或其他危險(xiǎn)因素破壞設(shè)備。

2.3 中央服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)及傳感器、數(shù)據(jù)采集器及儀表進(jìn)行選型設(shè)計(jì)

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的實(shí)際情況出發(fā)，根據(jù)實(shí)際監(jiān)控要求，考慮電氣性能、壽命、精度及使用環(huán)境等對(duì)設(shè)備的影響，綜合選擇與之配套的中央服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)、傳感器、數(shù)據(jù)采集器及儀表，從而保證安全有效地實(shí)施分布式光纖測(cè)溫技術(shù)［5］。

2.4 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)調(diào)試

在正確安裝好系統(tǒng)各部件后，確保各部件之間的連接正確無誤。接著進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、設(shè)備診斷、性能測(cè)試等，確保所有傳感器都能正常工作，最終完成調(diào)試。調(diào)試包括溫度標(biāo)定、位置標(biāo)定和溫度偏移標(biāo)定［6］。每臺(tái)主機(jī)在出廠前都要經(jīng)過系統(tǒng)測(cè)試，只有測(cè)試合格的產(chǎn)品才交付用戶使用。為確保測(cè)溫主機(jī)的精確性，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)應(yīng)用的具體測(cè)溫光纖，還要進(jìn)行溫度校正，具體步驟如下。

2.4.1 一致性標(biāo)定。一致性是指光纖所有位置的測(cè)溫一致，將光纖置于溫度相對(duì)恒定的環(huán)境中，恒定1 h 以上。因光纖成卷，圈數(shù)較多，熱平衡需要時(shí)間，調(diào)整前后如圖2所示。

圖2 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)一致性標(biāo)定

2.4.2 靈敏度標(biāo)定。當(dāng)實(shí)際溫度升高10 ℃，測(cè)量值升高8 ℃，需要增大靈敏度，才能使兩者保持一致，測(cè)溫才準(zhǔn)確。同時(shí)設(shè)定恒溫水槽，選取一段長(zhǎng)度至少為5 m 的光纖，放入均勻、穩(wěn)定的溫度環(huán)境中，平衡5 min。然后用高精度溫度計(jì)測(cè)量水槽溫度和環(huán)境溫度，并從光纖測(cè)溫軟件上讀取兩者測(cè)量值，調(diào)整靈敏度參數(shù)，使二者差值一致，如圖3所示。

圖3 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)靈敏度標(biāo)定

2.4.3 溫度偏移標(biāo)定。該標(biāo)定主要解決絕對(duì)溫度差異，相當(dāng)于把溫度整體上下平移，用高精度溫度計(jì)測(cè)量水槽溫度，讀取光纖測(cè)溫主機(jī)測(cè)量值，調(diào)整溫度偏移參數(shù)，使二者保持一致，如圖4所示。

圖4 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)位置偏移標(biāo)定

2.4.4 位置標(biāo)定。為進(jìn)一步降低光纖米標(biāo)誤差，對(duì)區(qū)域交界點(diǎn)、測(cè)量起始點(diǎn)、測(cè)量結(jié)束點(diǎn)、電纜接頭等關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行定位。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(cè)溫主機(jī)，該裝置是基于光纖光學(xué)、光電子學(xué)、小信號(hào)處理技術(shù)、高速信號(hào)采集處理等技術(shù)開發(fā)的光纖測(cè)溫設(shè)備，其采用嵌入式軟硬件系統(tǒng)、光纖傳感技術(shù)，不受電磁干擾，本征安全，使用壽命長(zhǎng)，可在各種惡劣環(huán)境中運(yùn)行。井下測(cè)溫光纖敷設(shè)到大巷、電纜溝及電纜處，在地面調(diào)度室安裝上位機(jī)顯示系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)測(cè)量顯示大巷和變電所、電纜溝環(huán)境溫度及電纜溫度。

4 結(jié)語

本研究提出一種新型的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，通過試驗(yàn)證明該系統(tǒng)能有效測(cè)量溫度，誤差小。從應(yīng)用范圍來看，該系統(tǒng)可用于煤礦井下各種精確測(cè)溫任務(wù)，如變電所電纜溫度、機(jī)房硐室環(huán)境溫度、大巷溫度等，同時(shí)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)和使用也非常方便。