光纖光柵感溫火災探測技術在油庫的應用研究

文/謝飛 陳雁 何少煒

前言

光纖光柵傳感技術是隨光纖通信技術發(fā)展而迅速發(fā)展起來的嶄新技術，光纖光柵傳感器可以用于測量溫度、壓力、應力、地震波以及聲波等參量，在電力、石油、航空航天、生物、國防、環(huán)境保護等領域得到了廣泛的應用，目前研究開發(fā)的傳感器達到百種[1～3]。光纖光柵傳感是以光信號的形式在光纖中傳輸，具有抗電磁干擾、耐腐蝕、長期穩(wěn)定、復用能力等優(yōu)勢，特別適用于易燃易爆等惡劣環(huán)境，因此在石油行業(yè)應用尤其廣泛，如液位測量、管道泄漏檢測等[4～5]。油庫是高危場所，決定了其火災報警設施要求安全程度高、性能可靠、測量準確、安裝簡便，基于光纖光柵感溫探測技術上的火災報警系統(tǒng)能夠很好地滿足油庫的需求。

1.光纖光柵感溫探測技術分析

1.1 光纖光柵感溫原理

光纖布拉格光柵是利用紫外光通過相位模板對光敏光纖曝光，使光纖中折射率周期分部，形成光柵。當外界寬光譜光源射入光纖光柵時，則光纖光柵將反射回一個中心波長為布拉格波長的窄帶光波，其布拉格波長為：

其中，λB是反射光波的布拉格波長，neff是光纖芯的有效折射率，Λ是光柵周期。neff和Λ對外界環(huán)境的變化非常敏感，當光柵受到熱負荷、外界力等外界激勵的時候，neff和Λ隨之發(fā)生變化，從而導致λB的變化。因此通過檢測受外界激勵后光柵的反射光譜的布拉格波長的變化，即可以測定光柵受激勵影響的程度[6]。

當外界環(huán)境的溫度變化時，布拉格波長的變化為：

基于彈光效應和波導效應導致的光纖光柵漂移系數(shù)，以及溫度導致的應變，得到光纖光柵溫度靈敏度系數(shù)為：

其中，P11和P12為光纖光柵材料的彈光系數(shù)，Kwg為波導效應引起的波長漂移靈敏度系數(shù)。由此可知，KT取決于材料本身。

實驗表明，當溫度T變化不大時，KT基本上可以確定為一與材料系數(shù)相關的常數(shù)[7]。經(jīng)過特殊工藝設計，溫度傳感器可以有效避免溫度變化導致的應變等其他外界激勵的干擾，因此，布拉格波長的變化與環(huán)境溫度的變化呈線性關系。通過測量光纖光柵反射波長的偏移，并對其進行解調(diào)，即可比較容易地得到環(huán)境溫度的變化。

1.2 光纖光柵火災探測原理

光纖光柵火災探測原理如圖1所示。寬帶光源通過Y型分路器入射到光纖光柵感溫探測器中，光纖光柵選擇性地反射回一窄帶光波，窄帶光波經(jīng)Y型分路器進入可調(diào)濾波器。可調(diào)濾波器采用光纖F-P可調(diào)濾波技術解調(diào)反射光波，得到窄帶光波的布拉格波長[8]。

圖1

根據(jù)火災探測報警溫度的需求，可調(diào)濾波器可設置報警濾波波長。當環(huán)境溫度低于報警溫度時，反射光的布拉格波長小于可調(diào)濾波器設置的報警濾波波長，可調(diào)濾波器的輸出端口無光輸出；當發(fā)生火災，環(huán)境溫度達到報警溫度時，反射光的布拉格波長與可調(diào)濾波器設置的報警濾波波長重合，可調(diào)濾波器的輸出端口有光輸出，探測器探測到光信號，則觸發(fā)火災報警。

2.光纖光柵感溫火災報警系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

光纖光柵感溫火災報警系統(tǒng)主體由感溫探測器、感溫火災信號處理器、火災監(jiān)控報警系統(tǒng)組成，還包括起串聯(lián)作用的連接光纜、光纜接續(xù)盒、傳輸光纜等結構，見圖2。

圖2

感溫探測器是火災報警系統(tǒng)的核心測量組件，其結構簡圖如圖3所示，主要由測量光柵、導熱感溫材料等部分組成，光柵兩端通過不銹鋼管連接光纜。

圖3

感溫火災信號處理器包括光纖光柵解調(diào)器、信號處理器和外接端子分配器三部分組合。解調(diào)器為感溫探測器提供寬帶光源，并對反射光進行調(diào)制解調(diào)，將解調(diào)數(shù)據(jù)輸送到信號處理器進行處理。信號處理器接收來自解調(diào)器解調(diào)后的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析和計算得到每個感溫探測器檢測到的實時溫度，指揮報警系統(tǒng)的控制與輸出信號，當現(xiàn)場溫度發(fā)生異常時發(fā)出預警、報警。外接端子分配器是外接多路輸出設備，可連接至火災監(jiān)控報警系統(tǒng)。

圖4

2.2 系統(tǒng)特性

光纖光柵感溫火災報警系統(tǒng)應用于油庫具有顯著優(yōu)勢：

（1）電絕緣性能好。現(xiàn)場安裝時，可以不動火不用電，帶油安裝，不影響油罐的正常生產(chǎn)運行；系統(tǒng)運行時，傳感器利用光波傳輸信息，儲油罐區(qū)可實現(xiàn)無電檢測，本質(zhì)安全。

（2）抗干擾能力強。光強起伏、電磁輻射、雷擊等因素不會影響傳感信號的波長特性，系統(tǒng)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。

（3）系統(tǒng)可靠性好。系統(tǒng)可實時顯示現(xiàn)場溫度，報警溫度可以根據(jù)現(xiàn)場需要進行設置或變更，且具有可靠的故障自檢功能

（4）監(jiān)測區(qū)域廣。采用波分復用技術的光纖光柵便于構成分布式傳感陣列，非常適合在儲油區(qū)進行大面積的多點測量。

3.火災報警系統(tǒng)在油庫的應用

某部隊后方油庫地處西北地區(qū)，夏季高溫干燥，易發(fā)生火災，油庫原有的油氣濃度火災報警器敏感度不高、穩(wěn)定性差，無法滿足火災監(jiān)測和報警要求，因此采用光纖光柵火災感溫報警系統(tǒng)。

油庫儲油罐區(qū)內(nèi)26座立式內(nèi)浮頂儲油罐、6座臥式埋地回空罐安裝光纖光柵感溫探測器，消防值班室安裝感溫火災信號處理器對系統(tǒng)進行管理和設置，并通過網(wǎng)絡將系統(tǒng)信息傳送至辦公樓火災監(jiān)控報警系統(tǒng)。

以2萬方儲油罐區(qū)為例，8座2萬方儲罐配置一臺24通道光纖光柵感溫火災信號處理器，每座2萬方儲油罐安裝42只光纖光柵感溫探測器。感溫探測器采用分布式結構單回路連接，按3串鋪設，每串13只。感溫探測器用固定卡固定在儲罐罐頂護欄底板，固定間距不大于1米，采用圓周鋪設。

火災監(jiān)控報警系統(tǒng)可以實時跟蹤和探測儲油罐區(qū)32座油罐的現(xiàn)場溫度，系統(tǒng)運行界面如圖4所示。當現(xiàn)場溫度達到65℃或升溫速度超過5℃/min時，系統(tǒng)將發(fā)出報警信號。

安裝完成后的光纖光柵火災報警系統(tǒng)主要有以下技術指標：

（1）感溫探測器

測溫范圍：－30℃～120℃

測量精度：±2℃

溫度分辨率：0.1℃

響應時間：＜ 2s

（2）感溫火災信號處理器

報警溫度設定范圍：65℃～105℃

每通道最大傳感器點數(shù)：20個/通道

信號處理器每一通道響應時間：＜ 0.38s

該光柵光纖火災報警系統(tǒng)2017年在油庫建成并投入使用，通過實測證明，報警系統(tǒng)運行狀況良好。

4.結束語

光纖光柵感溫火災探測技術具有眾多天然的優(yōu)勢，是目前應用于油庫火災報警的最佳技術之一。基于該技術的油庫火災報警系統(tǒng)在儲油罐區(qū)內(nèi)的成功應用證明該技術能夠很好地解決油庫火災監(jiān)測和預警的難題。根據(jù)它的技術特點及實際應用情況，該系統(tǒng)可以進一步在油庫其他易燃易爆等高危場所推廣應用，比如變電站、泵站等場所。