光纤温度传感系统在掘采装备测试中的应用研究

2022-01-04张礼才杨小凤

机电产品开发与创新 2021年6期

张礼才，杨小凤

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

掘采装备工作环境恶劣、结构复杂，传统的温度传感器受到尺寸、安装方式以及测量方式限制，无法实现掘采装备温升全面检测需求，光纤传感技术本征绝缘、抗电磁干扰、传感器体积小巧，为此应用光纤传感技术监测掘采装备温升，对于提升掘采装备可靠性具有重要意义[1]。

1 光纤温度传感原理

当光纤光栅处于自由状态时，或其均匀压力场和轴向应力场恒定时，温度引起的热膨胀效应和热光效应会共同导致布拉格光纤光栅波长的变化[2]。其中，热膨胀效应改变光栅周期，热光效应使光栅区域的折射率发生改变[3]。当温度变化△T 时，光栅周期因热膨胀效应而改变，其关系表达式为

2 掘采装备温度检测难点及解决措施

2.1 掘采装备温度监测难点分析

掘采装备体积庞大、结构复杂、控制精度要求高，全满精确的检测掘采装备温升，是诊断设备故障，提高设备工作可靠性的基础，传统的温度传感器不能实现全满精确检测掘采装备温度目标，具体表现为：

（1）传统的温度传感器测点少，仅能检测液压油温度、电机绕组温度等，无法实现全面监测掘采装备关键部件温升需求。

（2）传统的温度传感器测量精度低，不能实现精密监测温度敏感元件温升需求，因而当系统受到过载、强电流冲击时，保护电机等部件的可靠性较低。

（3）传统的温度传感器基于电信号，容易受到外场干扰，布置在高压、强磁场部位，会显著减低测量精度。

（4）传统的温度传感器尺寸较大，掘采装备内部空间狭窄，无法布置传统的温度传感器监测装备内部关键运动副温升。

2.2 解决措施

光纤温度传感技术具有传统的测温传感器无法企及的优势，比如光纤温度传感技术适于集成多点，形成分布式测温缆，实现多点监测，本征无源，抗电磁干扰，传感器体积小巧、测量精度高。因此，采用光纤温度传感技术可以解决掘采装备温度监测难题。

3 光纤测温系统构建

光纤测温系统包括光纤温度传感器、信号线、光纤信号解调分析仪、数据线、工控机[4]。光纤温度传感测试系统模型，见图1。

图1 光纤温度传感测试系统模型

光纤温度传感器布置在掘采装备电机、减速器、油泵等部件测温点上，温度变化引起的热膨胀效应，引起布拉格光纤光栅波长的变化，其中，热膨胀效应改变光栅周期，热光效应使光栅折射率发生改变，光纤解调仪分析光纤波长、周期的变化，解算得到被测温度参量[5]。光纤解调仪通过数据线与工控机连接，完成被测温度参量的存储、显示、数据处理[6]。

4 掘采装备油泵温升测试

4.1 测点布置

掘采装备液压泵包括主泵、辅泵，主泵完成装备液压系统核心功能，温度较高。为此，选择主泵为测试对象。测点布置在油泵轴承座附近的壳体上，见图2。

图2 油泵温度测点布置

4.2 温升测试

设置采样频率为0.5Hz，启动泵站电机，执行元件不动作，采集2.5min 温升数据，然后，动作稳定支撑，将设备撑起，继续采集2.5min 温升数据。油泵壳体温升随时间变化曲线，见图3。

图3 油泵壳体温升曲线

分析油泵温升测试数据得知，09：54：09 泵站电机启动，油泵初始温度为24.8℃，09：59：09 油泵壳体温度为30℃，油泵温度升高了5.2℃，其中泵站电机运行的前2.5min，油泵壳体温度基本无升高，这是由于泵站空载运行，执行元件无动作。泵站电机运行的后2.5min，油泵壳体温度升高了5℃，温升速率为2℃/min。这是由于执行元件动作，液压系统做功，油泵发热量增加。