往复式压缩机十字头轴瓦温度无线光纤传感在线监测机理

曹 驰 童杏林 陈 亮 邓承伟 郭 倩 周超然 张宝林

武汉理工大学光纤传感国家工程实验室，武汉,430070

往复式压缩机十字头轴瓦温度无线光纤传感在线监测机理

曹 驰 童杏林 陈 亮 邓承伟 郭 倩 周超然 张宝林

武汉理工大学光纤传感国家工程实验室，武汉,430070

针对石化行业往复式压缩机十字头轴瓦温度在运动过程中难以监测的技术难题，结合往复式压缩机十字头往复运动的特点，提出了一种往复式压缩机十字头轴瓦温度无线光纤传感在线监测方法，研究了它的无线监测机理、方法及无线信号输出特性，结果显示采用该方法在20%的能量耦合效率时仍可以进行温度监测，表明该监测机理具有可行性。

往复式压缩机 ；十字头轴瓦；无线光纤传感；温度监测

0 引言

往复式压缩机被称为石化等生产领域的心脏，是一种重要的增压设备，十字头是连接压缩机连杆和活塞杆的部件，它在滑道上做往复运动，起导向作用，在运动过程中，十字头轴瓦的摩擦、磨损大，工作条件恶劣，很容易因摩擦热积聚导致温度过高而出现损坏[1]，轴瓦损坏维修费用昂贵，并且机器的损坏还会影响整个生产的进度，造成极大的经济损失，更严重的是温度过高还存在爆炸的危险，因此监测往复式压缩机十字头轴瓦温度对保证往复式压缩机正常安全运行具有极其重要的意义。目前对于往复式压缩机的在线监测多是采用电类传感器[2]，但电类传感器采用电输入，容易因受到电磁干扰而影响测量精度，特别是石化生产装置大多数在高温、高压、易燃、易爆、腐蚀等条件下长期连续生产，对传感器的防爆要求特别高，因此电类传感器很难满足实际生产的需要。另外对于十字头轴瓦温度的监测，需要将传感探头嵌入到设备内部，这就要求传感探头体积小、轻巧柔软，传统传感器很难满足上述要求。

光纤光栅传感器具有体积小、绝缘性好、能够抗电磁干扰、灵敏度高及频率响应范围大等优点[3]，并且可以在单根光纤上布设多个传感器形成分布式传感网络，实现多点测量，因此可以很好地适用于压缩机等化工设备的健康监测。光纤传感技术已经在机械设备状态监测方面取得了很多成果，如佟庆彬等[4]设计了用于高速旋转机械径向振动检测的反射式光强调制型非接触式光纤传感系统；曹靳等[5]提出了一种基于布拉格光纤光栅传感器的故障状态监测方法；朱晓明等[6]对往复式压缩机的光纤光栅振动监测系统进行了研究。

目前利用光纤光栅对机械设备结构监测多采用有线光纤传输信号，鉴于十字头的运动特点，若采用光纤传输引出信号，则会造成传输线与连杆和十字头缠绕，因此如何将信号导出并且对十字头轴瓦进行实时监测一直是一个技术难题。针对此，本文提出了一种无线光纤传感在线监测方法，并通过实验验证了该监测方法在实际十字头轴瓦温度监测中应用的可行性。

1 实验原理、装置与方法

1.1 光纤光栅传感原理

光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，FBG)传感器采用波长编码技术，消除了光源功率波动及系统损耗对它的影响，适用于长期监测。如图1所示，当一束宽带光入射到光纤布拉格光栅时，经过光栅的调制，波长满足下式的光波会被光栅耦合到反向传输，形成反射波，其反射峰值波长称为Bragg波长，记为λB:

λB=2neffΛ

(1)

式中，neff为光纤的有效折射率；Λ为光栅周期。

图1 Bragg光纤光栅传感器的工作原理 Fig.1 Operating principle of fiber Bragg grating sensor

应变和温度的改变会同时影响光纤的有效折射率neff以及光栅周期Λ，从而导致光栅反射光波波长的改变。光纤布拉格光栅反射波长随应变和温度的改变发生改变，这样就会存在温度和应变之间的交叉敏感[7]，因此在实际应用中采用特定的封装结构充分消除外界应力对光纤光栅温度传感器的影响，这里我们只考虑光纤光栅的温度传感效应。

光纤光栅温度传感特性是由光纤光栅的热光效应和热膨胀效应引起的，热光效应引起光纤光栅的有效折射率的变化，热膨胀效应引起光栅的栅格周期变化。当传感器所处温度场温度变化时，温度与光纤光栅波长变化的关系为

(2)

式中，ΔλB为布拉格波长随温度的变化量；α为光纤的热膨胀系数；ξ为光纤的热光系数；ΔΤ为温度变化量。

1.2 光纤无线传输机理

1.气缸 2.活塞 3.活塞杆 4.十字头 5.连杆 6.曲柄图2 往复式压缩机十字头运动示意图Fig.2 Schematic diagram of the crosshead motion of reciprocating compressor

1.光源 2.信号解调单元 3.耦合器 4.光信号无线传输单元5.准直阵列支撑基座 6.十字头准直器安装基座 7.十字头 8.FBG温度探测单元 9.连杆图3 往复式压缩机十字头轴瓦温度无线光纤传感在线监测系统简图Fig.3 Schematic of wireless fiber sensing online-monitoring system for crosshead bearings of reciprocating compressors

往复式压缩机的十字头是连接做摇摆运动的连杆和做往复运动的活塞杆的部件，如图2所示，它可以直接把曲轴的旋转运动转化为活塞的直线往复运动，并在滑道上起导向作用，因此若采用光纤有线传输引出信号，则会造成传输线和连杆十字头缠绕。为了解决这个难题，本文提出了一种往复式压缩机十字头轴瓦温度无线光纤传感在线监测方法，如图3所示。将上述光纤布拉格光栅(FBG)传感器安装在往复式压缩机十字头轴瓦上，探测所在温度场不同温度工作状态下光信号的变化，由固定在十字头上的耐高温/高功率光纤准直器和固定于调节支撑基座上的准直透镜阵列进行光源信号和传感信号的无线传输，用耦合器将所测得的传感光信号变化传输到高速信号解调单元，通过信号处理，获得十字头与连杆温度实时变化量。上述光信号无线传输单元由固定于准直阵列支撑基座上的准直透镜阵列和固定于十字头前端的耐高温/高功率光纤准直器构成，准直器随十字头沿十字头滑道做往复式运动，十字头运动轨迹在准直透镜阵列空间范围内，通过调节支撑基座，使运动状态下的准直器与准直透镜阵列耦合，达到光源信号和传感信号的短距离无线传输和接收的目的，解决常规仪表无法检测运动状态下设备温度的问题。

1.3 无线传输耦合误差分析

由前述光纤无线传输系统机理可知，该无线传输系统的核心器件是光纤准直器，光纤准直器是一种重要的光无源器件，在光通信系统中有着非常重要的应用，它由光纤和聚焦透镜组成，可以将光纤输出的光变成平行光，也可将外界的平行光耦合进光纤内，因此成对的准直器可以用于自由空间光的传输。两准直器在相对运动过程中进行光信号传输必然会导致耦合耗损，过大的耦合耗损将导致两准直器耦合效率过低，过低的耦合效率将导致较大的信号传输误差，因此必须对光纤无线传输系统的耦合误差与耦合耗损之间的关系进行研究。

光纤准直器间的耦合损耗主要来源于如图4所示的三个方面[8]：①轴向间距Z0；②横向错位X0；③两准直器的角度偏差θ。

(a)轴向间距Z0

(c)角度偏差θ图4 两准直器间的耦合示意图Fig.4 Schematic of the coupling between two collimators

光纤端面出射光束近似为束腰直径等于模场直径的高斯光束[9]，多模光纤中传输模式很多，这里为了简化分析，假设各模式的振幅相同，则耦合能量正比于两相同准直器光束的重合面积，即耦合效率为重合面积与总面积之比，若两准直器的相对偏差尺寸为Δ，则以dB为单位的耦合耗损L的计算公式为[10-11]

L=-10lg(2sin-1(1-Δ2)1/2/π-2Δ(1-Δ2)1/2/π)

(3)

其中，Δ≤1，对于图4b所示横向错位的情况，假设D0为准直器光束直径，X0为偏移量，则有

Δ=X0/D0

(4)

将式(4)代入式(3)即可得到横向错位带来的耦合耗损。

目前在3dB的耦合耗损下TEC(theramlly expanded core)光纤准直器的最大轴向间距可以达到1517 mm[12],国外更先进的甚至可以达到数十米，因此其轴向间距完全可以满足实际监测需要，不再赘述。根据往复式压缩机的运动特点，其角度偏差极小，且可以转化为横向偏差进行计算，不在考虑范围之内，因此我们只对横向错位偏差进行分析。为了更加直观清晰地分析不同耦合耗损下的横向偏差，我们用MATLAB绘制了耦合耗损与横向偏差的关系曲线，如图5所示。通过该耦合曲线，我们可以根据传输过程中信号的耦合耗损，计算出两准直器之间的横向耦合偏差。

图5 横向偏差引起的耦合耗损Fig.5 Coupling loss due to lateral misalignment

2 实验及分析

为了验证该无线传感机理的可行性，需要对比系统有效工作时的耦合偏差与十字头和滑道的间隙，因此必须确定在传感系统能够正常工作下的最小耦合效率，以及在该耦合效率下的耦合偏差。

实验装置如图6所示，将一对光纤准直器固定在五维调整架上，通过调节五维调整架调节准直器的耦合效率，在不同的耦合效率下测量传感器的测量误差。此外采用标准光源和光功率计作为耦合效率测量工具，其测量装置结构如图7所示。

图6 信号测量误差与耦合效率的实验装置图Fig.6 Experimental device of the signal measurement error versus coupling efficiency

图7 耦合效率测量实验装置图Fig.7 Experimental device of coupling efficiency measurement

实验中，将高稳定标准FBG温度传感器(该传感器已经过标定校准，分辨能力为0.0001 ℃)放入恒温箱中。将光纤准直器的耦合效率按照图7所示装置从90%按照10%的步长依次减小，在每个耦合效率下，进行温度测量(温度恒定在40 ℃)，每个耦合效率点测量5 min，将5 min内温度测量值的平均值作为温度测量值。根据实验所测数据，得出光纤无线传输系统耦合效率与温度测量误差如表1所示。

表1 光纤无线传输系统耦合效率与温度测量误差Tab.1 Measurement error of the temperature versus coupling efficiency of wireless optical fiber sensing system

由表1可知要保证温度无线光纤传感在线监测系统能够正常工作，必须保证光纤准直器的耦合效率最低在20%，用dB单位表示就是约7dB，因此根据图5中耦合耗损与横向偏差的关系曲线所标识的在7dB耦合耗损下的横向偏差Δ≈0.69，Microlaser公司生产的大孔径光纤准直器，孔径可达46 mm，光束直径可达33 mm，因此由式(4)可知此时的绝对横向偏差为22.7 mm，即在绝对横向偏差不大于22.7 mm时，都可以正常工作，而十字头在十字头滑道径向跳动间隙值在0.14～0.42 mm之间[13]，因此完全满足实际测量需要。

为了进一步验证该无线光纤传感系统的信号传输特性，仍然采用图6所示装置，将光纤准直器的耦合效率调到20%。实验过程中，把标准光纤光栅温度传感器放在恒温箱中，将恒温箱从低温25 ℃升温到高温85 ℃，再从高温85 ℃降温到低温25 ℃，每5 ℃为一个步长，为了保证测量数据的准确性，在每个测量点保持至少20 min之后再保存测量数据，为了减小随机误差，至少保持测量时间为5 min，数据处理时，将这5 min的测量数据求平均值，作为该测量点的实验数据。将实验数据进行线性拟合，得到该无线光纤传感系统的信号传输特性曲线如图8所示。为了和有线条件下进行对比，采用同样的实验方法，把有线条件下测量的同一传感器的温度-波长曲线放在同一个坐标系中。其中直线A和直线B为无线传感条件下测量的温度正反行程的温度-波长曲线。C为有线条件下测量的温度-波长曲线，根据图8所示无线传输系统输出曲线，在保证系统正常工作的最低耦合效率20%下，所测得的FBG温度传感器的回程误差和线性误差都很小，即基本误差很小且线性度R2接近1。这表明无线光纤传感系统在保证耦合效率不低于20%时，能够正常地进行温度监测和数据传输，有力地验证了该无线光纤传感在线监测机理在往复式压缩机十字头轴瓦温度监测中应用的可行性。

图8 无线光纤传感系统信号输出特性曲线Fig.8 Plot of signal output characteristic of wireless optical fiber sensing system

3 结语

利用光纤准直器的光学特性，结合往复式压缩机十字头轴瓦的运动特点，提出了一种用于往复式压缩机十字头轴瓦温度在线监测方法的无线光纤传感机理与方法。在一定温度下，通过检测无线传感系统不同耦合效率下的温度测量误差，得出无线传感系统至少应在20%耦合效率条件下工作，在该耦合效率下，进一步通过耦合耗损与横向偏差的关系曲线，求得此耦合效率下的横向偏差，将该横向偏差和十字头与滑道间隙值进行对比，验证该机理的可行性，为了进一步研究在该耦合效率下的系统的信号输出特性，测试了该传感监测系统的信号输出特性曲线，结果显示在20%耦合效率下，系统仍然能够保证良好的输出特性，从而最终验证了该无线光纤传感在线监测机理能够应用在对往复式压缩机十字头轴瓦温度的监测中。

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(编辑 王艳丽)

Wireless Fiber Sensing Online-monitoring Mechanism for Crosshead Bearings of Reciprocating Compressor

CAO Chi TONG Xinglin CHEN Liang DENG Chengwei GUO Qian ZHOU Chaoran ZHANG Baolin

National Engineering Laboratory for Fiber Optic Sensing Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan, 430070

According to the technical problems of the moving crosshead bearing temperature monitoring problems of a reciprocating compressor in petrochemical industry, combined with the characteristics of reciprocating compressor crosshead reciprocating motions, an wireless optical fiber sensing online-monitoring method for crosshead bearings of reciprocating compressors was presented. The wireless mechanism, monitoring method and the characteristics of wireless fiber sensing output were studied. The results show that the method may still monitor temperature with the 20% energy transfer efficiency, which shows the feasibity of the wireless fiber sensing online-monitoring method.

reciprocating compressor; crosshead bearing; wireless optical fiber sensing; temperature monitoring

2016-05-06

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2015AA043505)；国家自然科学基金资助项目(51275373，61575148)；湖北省自然科学基金资助重点项目(2014CFA056)

TP212；TN929.11

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.04.008

曹 驰，男，1990年生。武汉理工大学光纤传感国家工程实验室硕士研究生。研究方向为光纤传感技术。童杏林(通信作者)，男，1964年生。武汉理工大学光纤传感国家工程实验室教授、博士研究生导师。E-mail：tongxinglin@whut.edu.cn。 陈 亮，男，1992年生。武汉理工大学光纤传感国家工程实验室硕士研究生。邓承伟，男，1962年生。武汉理工大学光纤传感国家工程实验室副教授。郭 倩，女，1984年生。武汉理工大学光纤传感国家工程实验室博士研究生。周超然，男，1983年生。武汉理工大学光纤传感国家工程实验室博士研究生。张宝林，男，1992年生。武汉理工大学光纤传感国家工程实验室硕士研究生。