分布式光纖測溫系統在熱風爐監測中的優化與應用

侯恩華 方挺 印華

安徽工業大學電氣與信息工程學院 安徽 馬鞍山 243032

引言

分布式光纖測溫系統（DTS）是以分布式光纖傳感技術為基礎。基于光纖絕緣性好、信號傳輸帶寬等自身特性，DTS系統可以較為精準的大范圍測溫，實時測溫，安裝簡便，使用壽命長。越來越多的高校、研究所、科技企業致力于發展DTS技術，探究測溫領域，并且有良好的應用效果，對于熱風爐的監測也尤為適合。而設計一個優良的DTS系統還需要提高分布式光纖的測量精度，創新性地使用光纖色散修正算法對測溫精度進行補償，使得測溫結果更加準確。

1 分布式光纖測溫系統的結構與設計

1.1 系統總體結構

本文采用的DTS系統主要是由4個子模塊構成的：分別是激光器模塊、信號分離模塊、光電檢測模塊和信號采集處理模塊[1]。

激光器模塊是由發射源發射激光，經過調制耦合后，發射到傳感光纖中。信號分離模塊是通過波分復用器將傳輸來的光信號分離成溫度解調所需的斯托克斯（Stokes）光信號和反斯托克斯（Anti-Stokes）光信號。光電檢測模塊主要用來將經上述分離后的兩束光信號轉為方便識別處理的電信號，并通過信號放大器進行信號放大。本系統選用雪崩光電二極管作為光電檢測模塊。信號采集處理模塊是本系統的重中之重，將通過信號放大器增大后的電信號傳入高速數據采集卡再經過數字信號處理（DSP）單元，對傳輸過來的電信號通過多次累加降噪，用來提升DTS系統的信噪比[2]。之后才可用于解調，得到所需的溫度信號。

1.2 測溫流程設計

分布式光纖采用環繞式，環繞至頂燃式熱風爐外側，以1m的間隔進行信號的采集，相鄰測溫位置的高度差為0.5m。由DTS系統采集溫度信號，然后經由RTU串口將信號傳遞給上位機，實時繪制出溫度變化曲線圖，同時以列表形式表明時間、位置、溫度值等信息，一鍵存儲數據于數據庫。當爐體內壁經受熱風流的沖擊導致被侵蝕嚴重后，溫度會有明顯變化[3]。DTS系統通過預設的高低溫報警值進行判斷能實時捕獲上述溫度點，在上位機上顯示這些異常日志并進行存儲，提高生產效率。

2 分布式光纖測溫系統的優化

2.1 光纖色散修正算法

不同波長λ的光與相對折射率n存在如下關系公式：

由于Stokes和Anti-Stokes散射光波長不同，導致了兩者在光纖中的折射率也不同，從而使得兩束光傳播速率也會有所不同，最終在接收端同一時刻采集的信號將會來自光纖不同位置，拉曼散射信號中Anti-Stokes光信號會出現在Stokes信號后[4]。如圖1所示。圖中是Stokes和Anti-Stokes光信號在光纖中分布，可以看出，隨著光纖測量距離的增長，光纖色散效應越發明顯，最終會出現降低系統測溫精度的問題，十分影響測溫結果。

圖1 光纖尾端菲涅爾反射峰

由于這兩束光的色散程度是隨著光纖距離的變化發生線性波動變化的，所以可以對Stokes信號進行平移算法處理。該算法基本步驟：

（1）通過軟件獲得Stokes和Anti-Stokes光信號出現光纖色散現象的最高峰位置，分別計為D1max和D2max；

（2）計算兩信號差值的絕對值L；

（3）最后利用公式將Stokes信號點平移，高峰位置與Anti-Stokes光信號在同一條直線上。公式如下：

如圖2所示，在經過光纖色散補償算法處理過后，兩信號反射峰的位置在一條垂直線上下，而且兩信號的波形圖沒有出現明顯異變。

圖2 光纖色散補償之后的實驗圖

3 測驗與精度對比分析

為了檢驗光纖色散修正算法對本DTS系統測溫精度的提升效果。取DTS傳感光纖的300m、600m、900m測溫節點依次放入恒溫水箱中，將恒溫水箱設置50℃，溫度值較為切合熱風爐爐體實際值。每個設定溫度獨立重復測試3次。進行優化系統前后的對比分析，實驗結果如表1所示。

表1 優化前與優化后溫度數據分析對比

由表1可知3個測溫節點在設定溫度值50℃下的平均誤差絕對值為1.12℃，且測得的最大誤差能達到2.25℃。可以看出優化前系統的誤差較大，測溫精度較低。而經過兩個算法優化后，系統測溫的總平均誤差下降到了0.35℃，最大誤差也降為0.79℃。較系統優化前，測溫精度有了很大的提升，完全可以滿足熱風爐日常溫度監測的需求，為測溫系統投入實際使用提供了強大的實驗基礎。

4 結論

本文以某鋼鐵公司3000m3外燃式熱風爐為研究對象，針對傳統的熱風爐測溫檢測系統測量范圍小、精度較差等問題，設計了基于分布式光纖的熱風爐測溫系統。利用光纖色散修正算法進行光纖色散補償，用以優化系統，提高測溫精度。通過優化實驗的實驗數據，將原本的系統平均誤差1.12℃下降到了0.35℃，最大誤差由2.25℃下降為0.79℃。實驗結果表明優化后的系統能有效降低測溫誤差，提高測溫精度。已在某鋼廠熱風爐上安裝運行應并得到認可，滿足現場測溫需求，為遠程實時監測熱風爐的工況狀態提供了強有力的保障。