分布式光纤测温系统在陈四楼煤矿的应用

时培源 邓高鹏

（河南能源化工集团永煤公司陈四楼煤矿，河南 商丘 476600）

0 引言

煤矿井下温度过高，会导致瓦斯放散量增加，容易发生瓦斯爆炸，导致安全系数降低，严重危及煤矿作业人员的生命安全。因此，监测井下温度是煤矿安全作业的必备工作之一。基于安全监测考虑，煤矿安全作业应采用智能监测技术，包括环境监测、地面监测、井下监测及控制等。该技术能实时监测和控制煤矿的环境条件，及时发现和解决安全隐患，确保煤矿安全作业。光纤测温是一种采用光纤传感器来进行温度测量的技术，利用光纤表面温度的变化来测量物体温度。利用光纤热扩散与温度变化对光纤中的光信号产生影响，从而可实现温度的测量，将光纤作为数据传输媒介，可实现长距离、高精度、高可靠性的温度测量［1］。光纤测温技术在煤矿安全生产中的应用前景广阔。这种技术可实时监测温度变化，提高安全监控能力，让煤矿的安全生产更加精准和高效。此外，光纤测温技术还可提供更精确的数据，帮助煤矿管理者更好地对煤矿井下环境情况进行控制和调整。煤矿井下光纤测温的研究受到广泛关注，现有文献表明，在节能和易用性方面，光纤测温技术是一种高效、安全的温度测量方法。近年来，已开发出多种类型的光纤传感器，可适应不同应用场景的要求。作为煤矿井下温度测量的重要手段，光纤测温技术具有很强的适应性，且可实现远程控制和监测煤矿井下的温度情况。

1 系统组成及原理

分布式光纤测温系统主要由光纤传感器、光纤仪表、可调谐噪声抑制装置、数据传输装置及远程服务器组成。光纤传感器可用来测量环境温度，光纤仪表用于采集测量数据，可调谐噪声抑制装置能有效抑制受干扰的信号，数据传输装置用于将测量数据通过网络传输到远程服务器上，远程服务器可实时监控和控制煤矿的安全生产状态［2］。陈四楼煤矿所使用的是基于后向拉曼（Raman）散射效应的KJ1266-Z（A）矿用隔爆兼本安型分布式光纤测温主机，采用光纤作为温度传感和信号传输的载体。激光脉冲从光纤的一端进入，在向前传播的过程中，光纤分子相互作用，发生多种类型的散射。其中，拉曼散射是由光纤分子的热振动产生一个比光源波长长的光（斯托克斯光）和一个比光源波长短的光（反斯托克斯光），反斯托克斯光信号的强度对温度影响比较敏感。从光波导内任何一点的反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号强度的比例中，可得到该点的温度信息。利用光时域反射（OTDR）原理，即通过光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间来实现对热点进行定位。利用上述技术原理即可实现对沿光纤温度场的分布式测量［3］。其主机原理如图1所示。

图1 分布式光纤测温主机原理

分布式光纤测温主机由激光器、变压器、光电转换板、主板、液晶屏等组成，通过网络交换机将井下测温数据上传到地面上位机，再利用上位机可实时监测井下环境温度，上位机能直观展示系统所有分区实时数据、运行状态，并可生成温度数据曲线，显示保存历史温度数据。

2 系统的实施方法

2.1 分布式光纤测温系统实施内容

首先，根据煤矿的布局和安全要求，确定光纤测温传感器的摆放位置，进行现场测量。其次，根据现场测量情况，对中央服务器网络及传感器、数据采集器及仪表进行选型设计，完成对分布式测温装置的接入。再次，在分布式光纤测温系统安装完成后，要对系统进行调试。最后，在现场实施测温的应用［4］。

2.2 光纤测温传感器摆放位置

根据煤矿的布局及安全要求确定，将光纤测温传感器分散摆放到不同的深度，使检测精度更加可靠，避免出现因热膨胀或降温回缩对测量结果产生较大影响。此外，还要将光纤测温传感器摆放在安全位置，避免爆炸物品或其他危险因素破坏设备。

2.3 中央服务器网络及传感器、数据采集器及仪表进行选型设计

从现场测量的实际情况出发，根据实际监控要求，考虑电气性能、寿命、精度及使用环境等对设备的影响，综合选择与之配套的中央服务器网络、传感器、数据采集器及仪表，从而保证安全有效地实施分布式光纤测温技术［5］。

2.4 分布式光纤测温系统调试

在正确安装好系统各部件后，确保各部件之间的连接正确无误。接着进行数据采集、设备诊断、性能测试等，确保所有传感器都能正常工作，最终完成调试。调试包括温度标定、位置标定和温度偏移标定［6］。每台主机在出厂前都要经过系统测试，只有测试合格的产品才交付用户使用。为确保测温主机的精确性，在实际应用时，根据应用的具体测温光纤，还要进行温度校正，具体步骤如下。

2.4.1 一致性标定。一致性是指光纤所有位置的测温一致，将光纤置于温度相对恒定的环境中，恒定1 h 以上。因光纤成卷，圈数较多，热平衡需要时间，调整前后如图2所示。

图2 分布式光纤测温系统一致性标定

2.4.2 灵敏度标定。当实际温度升高10 ℃，测量值升高8 ℃，需要增大灵敏度，才能使两者保持一致，测温才准确。同时设定恒温水槽，选取一段长度至少为5 m 的光纤，放入均匀、稳定的温度环境中，平衡5 min。然后用高精度温度计测量水槽温度和环境温度，并从光纤测温软件上读取两者测量值，调整灵敏度参数，使二者差值一致，如图3所示。

图3 分布式光纤测温系统灵敏度标定

2.4.3 温度偏移标定。该标定主要解决绝对温度差异，相当于把温度整体上下平移，用高精度温度计测量水槽温度，读取光纤测温主机测量值，调整温度偏移参数，使二者保持一致，如图4所示。

图4 分布式光纤测温系统位置偏移标定

2.4.4 位置标定。为进一步降低光纤米标误差，对区域交界点、测量起始点、测量结束点、电缆接头等关键点进行定位。

3 现场应用效果

陈四楼煤矿井下中央变电所安装了KJ1266-Z（A）矿用隔爆兼本安型分布式光纤测温主机，该装置是基于光纤光学、光电子学、小信号处理技术、高速信号采集处理等技术开发的光纤测温设备，其采用嵌入式软硬件系统、光纤传感技术，不受电磁干扰，本征安全，使用寿命长，可在各种恶劣环境中运行。井下测温光纤敷设到大巷、电缆沟及电缆处，在地面调度室安装上位机显示系统，可实时测量显示大巷和变电所、电缆沟环境温度及电缆温度。

4 结语

本研究提出一种新型的分布式光纤测温系统，通过试验证明该系统能有效测量温度，误差小。从应用范围来看，该系统可用于煤矿井下各种精确测温任务，如变电所电缆温度、机房硐室环境温度、大巷温度等，同时该系统结构简单，维护和使用也非常方便。