CN108132109A - 一种分布式光纤测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式光纤测温系统，包括综合监控系统、工作站、火灾报警控制器、光纤测温主机、综合监控骨干网络，其中工作站和综合监控系统分别与综合监控骨干网络相连，火灾报警控制器的输入端与光纤测温主机相连，输出端与综合监控骨干网络相连，光线测温主机的输入端与感温光纤连接，输出端与综合监控骨干网络连接，工作站设置有上位机监控软件和显示屏。本发明提供的分布式光纤测温系统测温精度高、响应快，能够实现精确的空间定位和灵活的分区报警控制，并且具有完善的自我诊断功能，适用于各种大中小型变电站。

Description

一种分布式光纤测温系统

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种高精度分布式光纤测温系统。

背景技术

温度是工程技术和科研中十分重要的物理量，因此测温技术一直在不断研究和发展。传统测温多用热敏电阻、光学高温计等温度传感器。但对于某些特殊的工业环境(如易燃易爆、高电压、大电流、强电磁干扰等)，以电信号为工作基础的温度传感器通常在安全性、信号的稳定性方面受到很大的限制，因此为了在各种场合都可以安全有效的测温，开发新型测温系统成为必然趋势。光纤本身的电绝缘性，几何易变性及其固有的大的信号传输带宽等优点，以及光栅传感器的发展，使得光纤温度传感器突破了传统温度传感器的限制，为存在强电磁场干扰等恶劣环境下的温度测量提供了非常有效的手段，同时光纤测温系统能够克服传统的点式传感器的限制，能够测量沿光纤分布的温度场信息。

分布式光纤测温系统能够对测量对象进行实时温度监测，不仅能够即时的探测到火灾事件的发生，同时还能给出准确的火灾发生地点，为即时扑救赢得时间，尽可能减小事故损失。该系统采用了全光纤传感无源测温方式，消除了监测系统自身的安全隐患，极大提高了监测系统对测温对象温度监测的可用性。该分布式光纤测温系统被很多大型建筑公司和地铁公司使用，大大降低了各种火灾事故的发生。此外，在地热开发与应用、石油和天然气开采、化工生产等领域中，分布式光纤测温系统也有重要而广泛的应用前景。

中国发明专利(201310695223.X：分布式光纤测温系统)公开了一种分布式光纤测温系统，包括WDM光器件和APD多级放大模块，被测光缆连接于该WDM光器件，脉冲光源的输出端与WDM光器件连接，APD多级放大模块用于接收WDM光器件发送的光信号，并将模拟信号分段输出至多通道采集板卡，该多通道采集板卡与软件平台相连接，用于接收多通道采集板卡发送的模拟信号，处理后合成一路信号。采用该结构的分布式光纤测温系统，可有效延长单通道的光纤探测距离，减少设备数量；降低长距离传输测量所需要的设备级联所引入的信号传输、设备供电、设备维护等问题；提高产品的测量距离，降低测温成本；提高测温精度；每段测量信号的信噪比都处于较高的水平，提高了测温精度，但是该系统没有公开温度测量精度的具体数值，并且不能实现灵活的分区报警控制和完善的自我诊断功能。

发明内容

本发明旨在克服现有技术中分布式光纤测温系统存在的稳定性差、可靠性低、精确度不足的缺陷，并提供一种新的分布式光纤测温系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：本发明提供一种分布式光纤测温系统，包括综合监控系统、工作站、火灾报警控制器、光纤测温主机、综合监控骨干网络和感温光纤，其特征在于，

所述工作站和综合监控系统分别与综合监控骨干网络相连；

火灾报警控制器的输入端与光纤测温主机相连，输出端与综合监控骨干网络相连；

所述光纤测温主机的输入端与感温光纤连接，输出端与综合监控骨干网络和综合监控主干网络连接；

所述工作站设置有显示屏；

所述工作站还设置有上位机监控软件，用于监控和控制整个分布式光纤测温系统，通过上位机监控软件精确定位发生报警的光纤位置；

所述光纤测温系统每进行一次温度测量的同时还进行系统的自我检测与诊断，实时发现系统故障，可通过上位机监测软件实现自我检测与诊断。

优选地，所述光纤测温主机包括脉冲激光器、波分复用器、感温光纤、光电二极管、数据采集卡和计算机，所述脉冲激光器发出的光经过波分复用器耦合进感温光纤中，在感温光纤中传输时不断产生背向拉曼散射光，背向拉曼散射光再经过波分复用器进入光电二极管中，将光信号转化为电信号；脉冲激光器触发数据采集卡，用于对信号进行实时采集；计算机用于对信号进行解调、分析、显示和存储。

优选地，所述测温光纤由内至外依次包括纤芯、涂覆层和光纤护套，所述光纤护套由内至外依次包括PVC护套、芳纶纱、螺旋金属护套、钢丝编织护套和无卤阻燃PVC护套。

优选地，所述感温光纤为高拉曼散射效应多模光纤。

每根光纤所铺设的地方的温度都是可以测量的，所以称为分布式光纤测温系统。

优选地，所述上位机监控软件用于根据用户需求对不同的测温点进行分区管理，对每个测温点设置不同的报警参数，并至少用以实现，

每个测温点设置多级报警条件，包括温度预警、温升预警、温度报警和温升报警，所述上位机监控软件可结合实测温度和温度变化情况，甄别出真正事故和虚假事故，消除误报漏报；

以及，用户在工作站通过所述上位机检测软件查询历史温度数据和报警记录，所述上位机检测软件还可生成安全运行报表。

优选地，所述上位机监测软件通过网络与光纤测温主机进行通信，在所述显示屏上实时显示每个测温点的位置、温度值和温度变化情况；

至少用以实现，

当测量温度大于预设报警温度时，光纤测温主机触发所述火灾报警控制器动作，启动通风降温装置或灭火装置；同时上位机监控软件触发软件界面的声光报警。

优选地，所述火灾报警控制器还包括短信报警模块，当测量温度大于预设报警温度时，所述短信报警模块用于向用户发出短信报警。

优选地，所述光纤测温主机使用激光雷达器件，并使用FPGA数据处理技术和WCM光学波分复用技术及卫星拍照数字处理技术，实现测量精度正负0.5摄氏度，温度分辨率0.1摄氏度，定位精度正负0.5米。

优选地，所述光纤测温主机还采用高速数据总线和处理系统进行高速数据处理，测温速度快，响应快。

本发明中所用感温光纤优选主要由高纯度的石英绝缘材料制成，具有较好的机械和环境性能，不受电磁干扰、抗机械冲击、抗腐蚀、不受环境温度剧烈变化的影响、不受大气压变化的影响、不受活塞风的影响。本发明中感温光纤是利用光纤中传输的高功率光脉冲与光纤分子作用产生自发拉曼散射光谱信号，散射光谱信号携带散射区温度信息，运用光时域反射技术，对沿光纤传输路径的空间分布和随时间变化的温度信息进行测量和监控，从而实现分布式的光纤测温。

优选地，所述光纤护套外层采用无卤阻燃PVC材料，由含阻燃剂的聚烯烃热塑性复合材料制成，不释放卤酸，具有自熄特点，可大量减少有毒腐蚀性气体的排放和烟雾的产生，并且大大提高感温光纤的阻燃性能；

优选地，光纤护套内层采用不锈钢螺纹铠装护套，能够有效提升感温光纤的抗腐蚀性能；

优选地，所述光纤护套中钢丝编织护套选用6股乘以6腚的编织方法；

本发明中所用光纤护套柔软、灵活、接续方便，其机械物理性能均满足相关标准的要求。

所述的波分复用器能够分光出我们需要的anti-stokes光和stokes光；

所述anti-stokes光和stokes光进入数据采集卡转换成电信号传入信号解调得到温度信号，并实时显示出温度信息。

光纤测温的原理是利用OTDR光时域反射原理和拉曼散射原理设计而成。测温主机在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，它在光纤中传输的同时不断产生背向散射光波，这些背向散射光波的状态受到所在光纤散射点的温度影响而有所政变，将散射回来的光波经波分复用、检测解调后，送入信号处理系统便可讲温度信号实时显示出来。

由于激光的光在光纤中传输速度是己知的常数：3*10⁸m/s。激光的光波在光纤中输出后反射回来并被光纤测温主机捕捉到的时间可以通过测温主机的计算来确定。那么根据我们己知的距离＝速度*时间(L＝C*T)公式即可确定光纤的传输距离，因为激光的光波在光纤中传输是一个来回，除以2后即是单向的距离，由于我们采用的是非常高的频率时钟品振，因此可以实现距离信息的高精确定位。因此本发明提供的光纤测温系统，能准确及时判断温度变化的类型，显示事故点温度读数及位置。

本发明提供的光纤测温系统可以用一根光缆完成检测10公里或者以上距离，(测温长度是激光器的功率有关)，利用软件分区，简单方便。

每个测温点设置多级温度报警、温升速率、温升趋势来进行连续监测，用以实现在任何时间准确显示任何一测温点的温度状态，在火灾发生早期进行预警。

与现有技术相比，本发明产生的有益效果是：

(1)本发明提供了一种长距离、大范围、多点温度测量等优点的分布式光纤测温系统，可以用一根光缆完成检测10公里或者以上距离，测温光纤检测点分布连续，可以全面实时检测被监视对象各点的情况，检测范围大。

(2)本发明所用感温光纤主要由高纯度的石英绝缘材料制成，具有较好的机械和环境性能，不受电磁干扰、抗机械冲击、抗腐蚀、不受环境温度剧烈变化的影响、不受大气压变化的影响、不受活塞风的影响，因此本发明提供的光纤测温系统具有防燃、防爆、防辐射等性能。测温部分采用全光纤结构，真正实现了无源温度监测，自身不带电，不发热，不会因为传感系统的铺设带来安全隐患。

(3)测温精度高，响应快。本系统可实现测温精度正负0.5摄氏度，温度分辨率0.1摄氏度。本发明提供的光纤测温系统中任何一个地点的故障都可以通过上位机监控软件进行精确定位，定位精度可达到正负0.5米。另外，该光纤测温主机还采用高速数据总线和处理系统进行高速数据处理，测温速度快，响应快。

(4)本系统能够对开关柜所有测点的温度进行7x24小时不间断监测，并且可根据需要定时保存温度测量数据，为以后进一步研究测量对象提供数据支撑。

(5)可实现精确的空间定位。本发明提供的系统通过上位机监控软件可以精确定位发生报警的位置，能准确及时判断温度变化的类型，显示事故点温度读数及位置。

(6)灵活的分区报警控制，通过上位机监控软件，可以对不同的测温点可以根据客户需求进行分区管理，对每个测温点设置不同的报警参数，设置多级报警条件，结合实测温度和温度变化情况，甄别出真正事故和虚假事故，消除误报相漏报，可在任何时间准确显示任何一点的温度状态，在火灾发生早期预警。

(7)本发明提供的系统每进行一次温度测量的同时进行系统的自我检测与诊断，实时发现系统故障，以便及时的维修与维护，具有完善的自我诊断功能。

(8)本发明提供的系统中上位机监测软件通过网络与光纤测温主机进行通信，可以实时显示每个监测区域的位置、温度值和温度变化情况，出现异常状况时测温主机会触发火灾报警控制器动作，启动通风降温装置或灭火装置，并且上位机监控软件同时触发软件界面的声光报警，提醒值班人员尽快处理。

附图说明

图1为本发明提供的分布式光纤测温系统结构示意图。

图2为本发明提供的光纤测温主机结构示意图。

图3为本发明提供的感温光纤结构示意图。

附图中标记的具体含义如下：

1：综合监控系统；2：工作站；3：显示屏；4：火灾报警控制器；5：综合监控主干网络；6：光纤测温助剂；7：感温光纤；8：脉冲激光器；9：波分复用器；10：光电二极管；11：数据采集卡；12：计算机；13：纤芯；14：涂覆层；15：PVC护套；16：芳纶纱；17：螺旋金属护套；18：钢丝编织护套；19：无卤阻燃PVC护套。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

参照图1，一种分布式光纤测温系统，包含有综合监控系统(1)，其特征在于综合监控系统(1)与综合监控主干网络(5)相连，工作站(2)和显示屏(3)相连，所述显示屏(3)为液晶显示屏，工作站(2)与综合监控主干网络(5)相连，火灾报警控制器(4)也与综合监控主干网络(5)相连，同时火灾报警控制器(4)也与光纤测温主机(6)相连，光纤测温主机(6)与综合监控主干网络(5)相连，感温光纤(7)与光纤测温主机(6)相连。

本发明提供的分布式光纤测温系统工作时，光纤测温主机的输出信号经过网线送到综合骨干网，工作站从综合骨干网接收信号进行显示，火灾报警控制器与测温主机相连，可以实时获取温度信息，实现实时监控报警功能，报警器与综合监控骨干网相连，有异常情况可以及时发送报警信息到工作站，并把信息送到综合监控系统从而集成电气火灾综合联动功能。

光纤测温主机通过RS485接口与火灾报警输出设备相连，报警输出设备接收来自光纤测温主机的报警指令，对指令进行解码后控制相应的继电器动作；继电器输出信号经报警协议转换模块转化为二总线接口，再连接到火灾报警控制器。火灾报警控制器可以发出声光报警，同时可对多个不同类型的设备如通风、喷淋等进行联动控制，实现自动消防灭火。火灾报警控制器和光纤测温主机一起安装在变电站设备机架上，采用220V交流供电。

上位机监测软件通过网络与光纤测温主机进行通信，在所述显示屏上实时显示每个测温点的位置、温度值和温度变化情况；当测量温度大于预设报警温度时，光纤测温主机触发所述火灾报警控制器动作，启动通风降温装置或灭火装置；上位机监控软件同时触发软件界面的声光报警，提醒值班人员尽快处理。

参照图2，本发明提供的光纤测温主机包括感温光纤7、脉冲激光器8、波分复用器9、光电二极管10、数据采集卡11和计算机12。

本发明提供的光纤测温主机工作时，脉冲激光器8发出的光经过波分复用器9耦合进感温光纤7中，在感温光纤7中传输时不断的产生背向拉曼散射光，背向散射光再通过波分复用器9进入光电二极管10中将光信号转化为电信号，脉冲激光器8外触发数据采集卡11，实时对信号的采集，计算机12进行信号解调、分析、显示和存储。

光纤测温主机测温范围是负40摄氏度到800摄氏度。光纤测温主机采用业界领先的光谱分析技术，可以实现40纳米带宽的光谱扫描，波长探测精度可达0.1纳米，温度分辨率可以达到0.1摄氏度。

参照图3，本发明提供的感温光纤7结构由内至外依次包括纤芯13、涂覆层14和光纤护套，光纤护套由内至外依次包括PVC护套15、芳纶纱16、螺旋金属护套17、钢丝编织护套18、无卤阻燃PVC护套19七部分。

本发明中所用感温光纤为高拉曼散射效应多模光纤，该多模光纤采用16芯电力传输电缆。光纤护套外层采用无卤阻燃PVC材料，具体为含阻燃剂的聚烯烃热塑性复合材料，不释放卤酸，具有自熄特点，可大量减少有毒腐蚀性气体的排放和烟雾的产生，并且大大提高感温光纤的阻燃性能；光纤护套内层采用不锈钢螺纹铠装护套，能够有效提升感温光纤的抗腐蚀性能；光纤护套中使用芳纶纱16可提高拉伸性、抗腐蚀性和绝缘性，同时具有耐高温性；光纤护套中钢丝编织护套18选用6股乘以6腚的编织方法。最终制得的光纤护套柔软、灵活、接续方便，其机械物理性能均满足相关标准的要求。

本发明提供的系统适用于各种大型或小型变电站，火灾报警控制器和报警协议转换模块可根据实际需求进行选择，适用于各种大型或小型变电站，也可根据需要加装短信报警模块。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种分布式光纤测温系统，包括综合监控系统、工作站、火灾报警控制器、光纤测温主机、综合监控骨干网络和感温光纤，其特征在于，

所述工作站和综合监控系统分别与综合监控骨干网络相连；

火灾报警控制器的输入端与光纤测温主机相连，输出端与综合监控骨干网络相连；

所述光纤测温主机的输入端与感温光纤连接，输出端与综合监控骨干网络和综合监控主干网络连接；

所述工作站设置有上位机监控软件，用于监控和控制整个分布式光纤测温系统，通过上位机监控软件精确定位发生报警的光纤位置；

所述工作站还设置有显示屏；

所述光纤测温系统每进行一次温度测量的同时还进行系统的自我检测与诊断，实时发现系统故障。

2.如权利要求1所述的分布式光纤测温系统，其特征在于，所述光纤测温主机包括脉冲激光器、波分复用器、感温光纤、光电二极管、数据采集卡和计算机，所述脉冲激光器发出的光经过波分复用器耦合进感温光纤中，在感温光纤中传输时不断产生背向拉曼散射光，背向拉曼散射光再经过波分复用器进入光电二极管中，将光信号转化为电信号；脉冲激光器触发数据采集卡，用于对信号进行实时采集；计算机用于对信号进行解调、分析、显示和存储。

3.如权利要求1所述的分布式光纤测温系统，其特征在于，所述测温光纤由内至外依次包括纤芯、涂覆层和光纤护套，所述光纤护套由内至外依次包括PVC护套、芳纶纱、螺旋金属护套、钢丝编织护套和无卤阻燃PVC护套。

4.如权利要求1所述的一种分布式光纤测温系统，其特征在于，所述感温光纤为高拉曼散射效应多模光纤。

5.如权利要求1所述的分布式光纤测温系统，其特征在于，所述上位机监控软件用于根据用户需求对不同的测温点进行分区管理，对每个测温点设置不同的报警参数，并至少用以实现，每个测温点设置多级报警条件，包括温度预警、温升预警、温度报警和温升报警，所述上位机监控软件可结合实测温度和温度变化情况，甄别出真正事故和虚假事故，消除误报漏报。

6.如权利要求5所述的分布式光纤测温系统，其特征在于，所述上位机监控软件至少用以实现，用户在工作站通过所述上位机检测软件查询历史温度数据和报警记录，所述上位机检测软件还可生成安全运行报表。

7.如权利要求6所述的分布式光纤测温系统，其特征在于，所述上位机监测软件通过网络与光纤测温主机进行通信，在所述显示屏上实时显示每个测温点的位置、温度值和温度变化情况；

所述上位机监测软件至少用以实现，当测量温度大于预设报警温度时，光纤测温主机触发所述火灾报警控制器动作，启动通风降温装置或灭火装置；同时上位机监控软件触发软件界面的声光报警。

8.如权利要求7所述的一种分布式光纤测温系统，其特征在于，所述火灾报警控制器还包括短信报警模块，当测量温度大于预设报警温度时，所述短信报警模块用于向用户发出短信报警。

9.如权利要求1所述的一种分布式光纤测温系统，其特征在于，所述光纤测温主机使用激光雷达器件，并使用FPGA数据处理技术和WCM光学波分复用技术及卫星拍照数字处理技术，实现测量精度正负0.5摄氏度，温度分辨率0.1摄氏度，定位精度正负0.5米。

10.如权利要求9所述的一种分布式光纤测温系统，其特征在于，所述光纤测温主机还采用高速数据总线和处理系统进行高速数据处理。