分布式光纖測溫系統(tǒng)分析

1、分布式光纖測溫系統(tǒng)一、興安礦現(xiàn)狀興安礦井煤系地層厚1120米，有煤層41個，其中可采和局部可采煤層23個，煤層總厚度為75.99米，2006年10月26日黑龍江省煤田地質(zhì)研究所對興安礦煤層自然傾向性分類和自然發(fā)火期核定說明：11、12、17-1、17-2、18、21、22、27、30號層9個煤層屬容易自然發(fā)火煤層。各煤層自然發(fā)火期：11 號層自然發(fā)火期：4個月；17-1號層、17-2號層自然發(fā)火期： 8個月；18號層自然發(fā)火期：6個月；21號層自然發(fā)火期： 10 個月、12、27、30號煤層自然發(fā)火期12個月屬自然發(fā)火煤層， 23、24、28、33等煤層自然發(fā)火期12 個月以上，屬不易自然發(fā)火

2、煤層。由于煤層自燃發(fā)火期短，在對煤層自然發(fā)火潛伏期溫度的變化進行觀測時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的觀測技術(shù)落后。二、強化溫度觀測技術(shù)興安礦煤層自燃發(fā)火的預(yù)測預(yù)報工作主要以人工觀測采空區(qū)后部鉆孔為主，這種方法在技術(shù)上限制了觀測的連續(xù)性和準確性，為改變現(xiàn)有的觀測技術(shù)，興安礦引進了山東微感光電子有限公司研發(fā)的分布式光纖測溫監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)。三、分布式光纖測溫監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)原理及系統(tǒng)軟硬件設(shè)備1、原理分布式光纖測溫監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)采用分布式光纖測溫技術(shù)，該技術(shù)為拉曼散射和光時域反射技術(shù)，可以實現(xiàn)溫度和距離的測定。拉曼散射是依據(jù)光在光纖中傳播過程中，產(chǎn)生后向拉曼散射光譜的溫度效應(yīng)。當入射的光量子與光纖物質(zhì)分子產(chǎn)生碰撞時，產(chǎn)生彈性碰

3、撞和非彈性碰撞。彈性碰撞時，光量子和物質(zhì)分子之間沒有能量交換，光量子的頻率不發(fā)生任何改變，表現(xiàn)為瑞利散射光保持與入射光相同的波長；在非彈性碰撞時，發(fā)生能量交換，光量子可以釋放或吸收聲子，表現(xiàn)為產(chǎn)生一個波長較長的斯托克斯光和一個波長較短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受溫度影響比較敏感，系統(tǒng)采用以斯托克斯光通道作為參考通道，反斯托克斯光通道作為信號通道，有兩者的比值可以消除光源信號波動、光纖彎曲等非溫度因素，實現(xiàn)對溫度信息的采集，光纖測溫的原理是依據(jù)后向拉曼（Raman）散射效應(yīng)。圖3-1 激光散射光譜分析光時域反射技術(shù)（即OTDR原理）是對空間分布的溫度實現(xiàn)空間測量的理論基礎(chǔ)。激光脈沖在光纖中

4、傳輸時，在時域里，入射光經(jīng)過背向散射返回到光纖入射端所需時間為t，激光脈沖在光纖中所走過的路程為2L，有： (3-1) (3-2)V為光在光纖中傳輸速度；C為真空中的光速；n為光纖折射率。圖3-2 光纖后向散射原理示意圖2、系統(tǒng)軟硬件設(shè)備分布式光纖測溫系統(tǒng)集光纖通訊、光纖傳感、信號解調(diào)、報警控制等功能于一體。系統(tǒng)可分為五大組成部分：光信號發(fā)射模塊、光信號接收模塊、光波分復(fù)用模塊、DSP數(shù)據(jù)處理模塊以及定標控溫模塊。系統(tǒng)利用半導體激光器產(chǎn)生窄脈寬光脈沖信號進入光纖，經(jīng)過光波分復(fù)用裝置，將產(chǎn)生的拉曼散射光耦合至光電探測模塊，由于受溫度影響的反斯托克斯光信號很弱，采用雙路微信號光電探測APD以及信號

5、放大電路進行光信號和電信號之間的轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后相應(yīng)的電壓值經(jīng)DSP高速處理芯片進行數(shù)據(jù)采集以及初步解調(diào)。 (3-3)其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，h為普朗克常數(shù)；c為真空中的光速；k為波爾茲曼常數(shù)；V0為入射光頻度；T為絕對溫度。由上式可以看出，要得知光纖所處環(huán)境的實時溫度T，必須知道T0，所以系統(tǒng)中引入一段定標光纖，對于固定的溫度（控溫模塊定標溫度）有： (3-4)所以有以上各式可以看出，溫度信息T只是與光纖固定參數(shù)以及定標溫度有關(guān)的量。對溫度測量點的空間定位是通過光時域反射（OTDR）技術(shù)實現(xiàn)的，當激光脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，會產(chǎn)生后向散射。入射光經(jīng)過光纖中散射點

6、返回到光纖入射端所需時間為t，則光纖中散射點與光纖入射端的距離L（如圖3-6所示）為： (3-5) (3-6)式中，V為光在光纖中傳輸速度；c為真空中的光速；n為光纖折射率。因此利用光時域反射技術(shù)可以確定沿光纖溫度場中每個溫度采集點的位置及異常溫度點、光纖故障點、斷點的距離定位信息。激光源信號處理模塊OTDR定位距離入射光反射光反（散）射現(xiàn)象圖3-3 分布式光纖測溫原理圖圖3-4 礦用分布式溫度檢測儀（1）儀器的研制及集成儀器由礦用光纖分布式溫度監(jiān)測裝置、工控機、顯示器及礦用感溫光纜組成。系統(tǒng)主機實現(xiàn)光信號發(fā)生、背向散射信號的光譜分析、光電轉(zhuǎn)換、信號放大和信號處理的功能，采用電源和數(shù)據(jù)總線的模

7、塊化結(jié)構(gòu)，包含以下A、B模塊：A、開關(guān)電源模塊:把交流220V電源轉(zhuǎn)換為直流電源。B、模擬電源模塊:產(chǎn)生供光電探測器和放大器用的高精度直流電源。光電轉(zhuǎn)換和放大器模塊:內(nèi)置高速高增益光電探測器和放大器、光電探測器的溫度監(jiān)測和控制部件。其功能是把輸入的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并放大到適當?shù)碾妷核健Ｄ?shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)字信號處理模塊:內(nèi)置高性能單片機、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理器。其功能是把輸入的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并根據(jù)上位機的命令換算為原始數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)或背景數(shù)據(jù)。激光二極管和控制模塊:內(nèi)置高功率半導體激光器及其驅(qū)動電路、光電探測器的溫度監(jiān)測和控制電路。其功能是實現(xiàn)光信號的發(fā)生和光電探測器的閉環(huán)程

8、序溫度控制。光纖器件模塊:內(nèi)置光纖濾波器和定標光纖段。光纖濾波器的功能是從背散射光信號中提取與溫度有關(guān)的感溫信號和與溫度無關(guān)的參考信號；定標光纖段的長度在100米左右，其溫度由內(nèi)置精密測溫芯片實時監(jiān)測，通過定標光纖段測量到的溫度與測溫芯片測量的溫度的比較，來消除系統(tǒng)光源起伏、光電探測器及放大器增益的起伏的影響。光開關(guān)模塊（適用于感溫光纖路數(shù)大于1的機型）：內(nèi)置光開關(guān)，在多條感溫光纖之間巡回切換，實現(xiàn)一臺主機監(jiān)測多路感溫光纖。（2）儀器測試通過試驗測試，進行光纖和儀器通道的溫度校正，得到擬合參數(shù)用于校準感溫光纖對實際溫度的響應(yīng)。在感溫光纖中取出6米（選取整段光纜的前端位置），將此段光纜盤成圈；纏

9、繞半徑盡量大并且正好可以放入恒溫槽水域內(nèi)。在恒溫水槽出水口處接上膠管，打開存液容器的蓋子，往槽內(nèi)加入工作介質(zhì)（0100用水作為工作介質(zhì),0以下用酒精作為工作介質(zhì)）。插上恒溫槽電源，開啟“電源”和“循環(huán)”開關(guān)，將溫度設(shè)定到指定溫度放入之前盤好的待測光纜待溫度穩(wěn)定；在測溫范圍內(nèi)，平均選擇范圍內(nèi)至少6個溫度點，將恒溫水域控制在這幾個恒溫點處穩(wěn)定一段時間，記錄下此時溫度計的實際值以及軟件的測量值。記錄軟件測量值時，取溫度峰值最高點為測量值。將把上面的記錄的溫度數(shù)據(jù)和實際溫度逐一記錄輸入EXCEL表格中，X值對應(yīng)“溫度數(shù)據(jù)”，Y值對應(yīng)“實際溫度”，然后根據(jù)公式進行擬合趨勢線及趨勢公式的顯示，得出“斜率值

10、”、“截距值”和“平方根”，并輸入到系統(tǒng)軟件的光纖參數(shù)設(shè)置中。擬合系數(shù)的驗證：將標定光纖的溫度升溫到不同標定的另幾個溫度點，查看測量溫度和真實溫度是否滿足±1指標。圖3-5 實驗測試示意圖圖3-6 環(huán)境溫度-傳感器溫度擬合分布式光纖測溫監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)整體框圖如圖3-7所示。采空區(qū)光纖多種氣體監(jiān)測系統(tǒng)主要由微型計算機、傳輸電纜、連接光纜、光端機和探測器等組成。光纖溫度在線檢測系統(tǒng)采空區(qū)監(jiān)測點采空區(qū)溫度火災(zāi)預(yù)測預(yù)報專家分析系統(tǒng)顯示與報警圖3-7系統(tǒng)整體檢測方案四、分布式光纖測溫監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)安裝情況監(jiān)測分站放置于三水平南一石門變電所內(nèi)，對采空區(qū)環(huán)境溫度進行實時監(jiān)測。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用網(wǎng)口，遵

11、循TCP/IP協(xié)議，將儀器采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳于井下網(wǎng)絡(luò)交換機，通過煤礦井下環(huán)網(wǎng)上傳于井上調(diào)度室進行數(shù)據(jù)分析，以及各種預(yù)警報警的判斷和輸出。測溫光纜從主機出來后，用兩條900米雙芯主光纜敷設(shè)至四水平11層中部區(qū)二段底板層綜采一隊和四水平南17-1層2-4區(qū)一段二分層綜采二隊采空區(qū)。光纜的彎曲部分應(yīng)小于光纜直徑的20倍，為確保不增加光纜的損耗。光纜的敷設(shè)可使用扎帶進行捆綁，測溫光纖綁扎采用可拆卸式，每0.5米1米捆扎一次。后臺主機井上交換機井下交換機分布式測溫主機采面測溫光纜井上井下通訊光纜三水平南一石門變電所監(jiān)控室二隊一隊圖4-1 光纜敷設(shè)走向光纜與光纜之間的連接使用光纜接續(xù)盒將兩斷光纜連接在一

12、起，光纜接續(xù)盒的作用是保護熔接點，接續(xù)盒可采取壁掛式放置，如圖所示：圖4-2 接續(xù)盒懸掛圖光纖鋪設(shè)路線：A、三水平南一石門變電所三水平南一石門三水平中部區(qū)下山四水平11層中部區(qū)二段總軌道軌道采空區(qū)B、水平南一石門變電所三水平南一石門四水平南17-1層2-4區(qū)一段二分層軌道采空區(qū)五、分布式光纖測溫監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)的調(diào)試、運行情況2013年2月份廠家將分布式光纖測溫監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)系統(tǒng)安裝并進行調(diào)試，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)運行時頻繁掉線、軟件無故退出，無法正常使用，現(xiàn)場分析為硬件設(shè)施不配套。5月份廠家將該系統(tǒng)的硬件配套設(shè)施更換后，并派一名工程師前來指導，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行正常但是頻繁掉線。經(jīng)井下現(xiàn)場檢查交換機時

13、,發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)IP地址與瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)IP地址沖突。將分布式光纖測溫監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)的IP地址更換后，再次檢驗系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行時無法接收到井下搜集的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)仍就無法正常使用。再次進行系統(tǒng)分析，原因為井下交換機設(shè)備硬件與瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分不兼容。拆除系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換卡（信號卡為瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換卡）后，系統(tǒng)可正常運行，經(jīng)過48小時的連續(xù)觀測分布式光纖測溫監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)沒有出現(xiàn)掉線或不穩(wěn)定狀況，該系統(tǒng)現(xiàn)已正常運行。六、分布式光纖測溫監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)的優(yōu)點和存在問題1、優(yōu)點：（1）對工作面采空區(qū)內(nèi)溫度進行實時在線監(jiān)測。（2）通過該系統(tǒng)搜集的數(shù)據(jù)分析，可對煤的氧化性、放熱性、煤自燃的影響因素及煤自燃過程的特性進行研究，并能估算煤的氧化放熱強度，形成數(shù)值模擬采空區(qū)自燃溫度場、煤自燃危險區(qū)域判定等。（3）該系統(tǒng)可以對存在煤炭自燃危險性的停采、緩采工作面實現(xiàn)煤層發(fā)火時的實時、準確、定位、監(jiān)測預(yù)