CN108982516A - 一种分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置及其方法，包括：单频激光光源，为光纤传感器提供相干光能量；脉冲调制器，用于将单频激光光源输出的连续光转化成一定脉冲宽度和重复频率的脉冲光；将光纤传感器以螺旋形悬垂放置在每个布袋中，光纤传感器底部打成麻花结，测量并记录未运行下的背景噪声。本发明还公开了一种分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置及其方法的定位检测方法。本发明采用通信光缆的两根纤芯集传感和传输于一体，使用相干瑞利噪声实现布袋破损后，气流对光缆微振动探测，同时结合拉曼测温原理，实现泄漏出温度异常检测，同时采用该光缆实现信号传输，适用于空间有限、环境恶劣的工业现场的应用。

Description

一种分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及布袋除尘系统技术领域，尤其是一种分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置及其方法。

背景技术

近年来，我国大气环境污染十分严重，因各种废气污染导致雾霾天气频繁出现，已严重影响人们的生活和工作。在水泥行业，袋式除尘器技术是一种传统的除尘技术，但也存在一些不足之处：一是滤袋的破损，且破损始终伴随其整个生命周期；二是袋式除尘器相对电除尘器的阻力大，系统风机电耗高，环保装备也要节能降耗。

为了解决因除尘器整体换袋导致的运行成本升高的问题，最开始采用人工检漏的方法来代替定期更换布袋，可是这种方法却在无形之中增加了工人的劳动量。为了减少工人的工作量，后来渐渐地研究出了各种布袋检漏的方法，主要包括光传感法、电荷感应法、荧光粉检漏法等，但这些方法都存在着各自的不足之处。其中，光传感法的传感探头要伸入管道内部，容易导致传感探头因粘灰而被污染，进而造成检漏误报；电荷感应法主要是通过测量电荷量的大小变化来反映布袋除尘器中净烟气中的含尘量，容易受外部条件影响，对粉尘浓度的测量只能做定性的判断，无法做定量分析；荧光粉检漏法，可以对狭小空间及隐蔽的区域进行检漏，能够对漏点进行准确定位，且直观明显，很容易分辨出袋口未压紧或滤袋破损造成的泄漏，但这种方法荧光粉用量较大，检测费高，同时需要人工查检，对于布袋除尘系统上千条布袋的定位显得非常耗时，无法实现全自动化实时监测。

光纤测温系统使用一个特定频率的光脉冲照射光纤内的玻璃芯。当光脉冲沿着光纤玻璃芯下移时，会产生多种类型的辐射散射。如瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等。其中拉曼散射是对温度最为敏感的一种。光纤中光传输的每一点都会产生拉曼散射，并且产生的拉曼散射光是均匀分布在整个空间角内的。

拉曼散射是由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的，具体地说，如果一部分光能转换成为热振动，那么将发出一个比光源波长更长的光，称为斯托克斯光(Stokes光)，如果一部分热振动转换成为光能，那么将发出一个比光源波长更短的光，称为反斯托克斯光(Anti-Stokes光)。其中Stokes光强度受温度的影响很小，可忽略不计，而Anti-Stokes光的强度随温度的变化而变化。Anti-Stokes光与Stokes光的强度之比提供了一个关于温度的函数关系式，检测定位的结果更加精确。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种对袋式除尘过程中的破袋位置进行智能化检测定位，成本低、安装简单、工作量小、安全可靠的分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置及其方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置及其方法，包括：

单频激光光源，为光纤传感器提供相干光能量；

脉冲调制器，用于将单频激光光源输出的连续光转化成一定脉冲宽度和重复频率的脉冲光；

EDFA放大器，用于将一定脉冲宽度和重复频率的脉冲光进行放大；

窄带光学滤波器，在光纤通信系统中，只允许窄带窄线宽激光通过；

APD光电探测器，光电探测器电路用于对光电转换器件输出的微弱电压或电流信号进行放大、处理和整形输出；

光纤传感器，为一根普通通信光缆，用于检测由于布袋破损导致的气流变化；

DAQ数据采集单元，对光电探测模块收集到的电压信号进行模数转化，送信号处理分析单元进行信号处理；

光学滤波器，在光纤通信系统中，只允许一定波长的光信号通过；

脉冲激光光源，为光纤传感器提供相干光能量；

信号处理分析单元，采用滑动平均滤波及光学干涉相位解调算法对包含布袋破损气流信号进行解调，提取气流的压力变化信息，判断除尘系统是否正常运转。

优选的，所述脉冲调制器的信号输入端接收单频激光光源发出的激光，脉冲调制器的信号输出端通过EDFA放大器和通信光缆与光纤传感器的信号输入端相连，光纤传感器的信号输出端通过通信光缆和光学滤波器与APD光电探测器的信号输入端相连，APD光电探测器的信号输出端与DAQ数据采集单元的信号输入端相连，DAQ数据采集单元的信号输出端与信号处理分析单元的信号输入端相连；

所述脉冲激光光源发出的激光通过通信光缆与光纤传感器的信号输入端相连，光纤传感器的信号输出端通过通信光缆与窄带光学滤波器的信号输入端相连，窄带光学滤波器的信号输出端与APD光电探测器的信号输入端相连，APD光电探测器的信号输出端与DAQ数据采集单元的信号输入端相连，DAQ数据采集单元的信号输出端与信号处理分析单元的信号输入端相连。

优选的，所述脉冲光的脉宽为50ns，重复频率为1-2KHz。

优选的，所述光纤传感器采用标准的通信光纤或多模光纤，所述光纤传感器外设护套构成光缆，所述光缆里内部设置有两根光纤。

本发明还提供一种分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置及其方法的定位检测方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)将光纤传感器以螺旋形悬垂放置在每个布袋中，光纤传感器底部打成麻花结，每个布袋中光缆长度为10米，两个布袋之间的光缆长度为10米，测量并记录分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置未运行下的背景噪声；

(2)运行除尘器，数据采集单元测量记录机器运行下的信号，和完好布袋情况下除尘器的脉冲喷气信号，在分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置的显示终端上观察解调得到的波形信号的衰减变化；

(3)在布袋上人为划口，开口为多个且由小至大，在光电探测模块、数据采集单元和信号处理分析单元中分别记录这些漏袋情况下的脉冲喷气信号衰减变化，每种情况记录3组数据；

(4)数据采集单元采集光纤传感器得到的光学干涉信号，通过光学干涉相位解调算法反算出气流对光缆扰动的变化大小；

(5)信号处理分析单元通过时频信号处理对漏袋进行检测，信号处理分析单元通过光纤传感器中反射脉冲波雷达的原理，对有气流变化的漏袋进行定位；

(6)测温精确定位，光在光纤中传输时一部分拉曼散射光沿光纤原路返回，被光纤探测单元接收。DTS通过测量背向拉曼散射光中Anti-Stokes光与Stokes光的强度比值的变化实现对外部温度变化的监测。在时域中，利用OTDR技术，根据光在光纤中的传输速率和入射光与后向拉曼散射光之间的时间差，可以对不同的温度点进行定位，这样就可以得到整根光纤沿线上的温度并精确定位。

优选的，在步骤(5)中所述时频信号处理是指进行短时傅里叶分析处理。

由上述技术方案可知，由上述技术方案可知，本发明采用一根光纤集传感和传输于一体，实现布袋破损气流压力变化信号探测，传输，适用于空间有限复杂工业现场的应用；通过光缆可实现对布袋漏袋的检测，同时精确定位具体发生泄漏破损的布袋；可实现光纤组网，检测多区域的布袋破袋，在保障生产运行的同时，实现在线封堵；通信光缆本身是传感器，全光探测，本质安全，环保；分布式光纤传感器是真正的分布式测量，可以连续得到沿着感温光缆几十千米的测量信息，误报和漏报率大大降低，同时实现实时监测，光纤本身是由石英材料组成的，完全的电绝缘；可以抵抗高电压和高电流的冲击，理论上大多数光纤传感器的灵敏度和测量精度都优于一般的传感器，光纤的材料为石英玻璃，其具有不腐蚀、耐火、耐水及寿命长的特性，综合考虑传感器的自身成本以及以后的维护费用，使用光纤传感器可以大大降低整个工程的最终经营成本，采用一根光缆两根光纤芯，实现信号传输，适用于空间有限复杂工业现场的应用，如图12所述，在布袋上开设有a、b和c三个开口，在风速相同情况下，光纤越靠下摆动量越大，摆动量大导致光纤振动量大，从而振动传感器输出光的强度越大。

附图说明

图1为本发明的电路结构框图；

图2为本发明光纤测振动和测温的演示图；

图3为本发明的方法流程图；

图4为典型布袋除尘系统的俯视图；

图5、图6均为光纤传感器在布袋上的布设示意图；

图7为布袋泄漏时的功率谱信号和时域原始信号示意图；

图8为光纤传感器监测到的完好布袋时频信号分析曲线图；

图9为有2公分小孔的漏袋的时频信号分析曲线图；

图10为本发明光纤测温原理介绍图；

图11为本发明2个点同时测温的曲线示意图；

图12为本发明划口数据采集分析曲线图。

具体实施方式

如图1所示，一种分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置及其方法，包括：单频激光光源，为光纤传感器提供相干光能量；脉冲调制器，用于将单频激光光源输出的连续光转化成一定脉冲宽度和重复频率的脉冲光；EDFA放大器，用于将一定脉冲宽度和重复频率的脉冲光进行放大；窄带光学滤波器，在光纤通信系统中，只允许窄带窄线宽激光通过；APD光电探测器，光电探测器电路用于对光电转换器件输出的微弱电压或电流信号进行放大、处理和整形输出；光纤传感器，为一根普通通信光缆，用于检测由于布袋破损导致的气流变化；DAQ数据采集单元，对光电探测模块收集到的电压信号进行模数转化，送信号处理分析单元进行信号处理；光学滤波器，在光纤通信系统中，只允许一定波长的光信号通过；脉冲激光光源，为光纤传感器提供相干光能量；信号处理分析单元，采用滑动平均滤波及光学干涉相位解调算法对包含布袋破损气流对光缆扰动的信号进行解调，提取气流的压力变化信息，判断除尘系统是否正常运转。所述脉冲光的脉宽为50ns，重复频率为1-2KHz。

所述脉冲调制器的信号输入端接收单频激光光源发出的激光，脉冲调制器的信号输出端通过EDFA放大器和通信光缆与光纤传感器1的信号输入端相连，光纤传感器1的信号输出端通过通信光缆和光学滤波器与APD光电探测器的信号输入端相连，APD光电探测器的信号输出端与DAQ数据采集单元的信号输入端相连，DAQ数据采集单元的信号输出端与信号处理分析单元的信号输入端相连；所述脉冲激光光源发出的激光通过通信光缆与光纤传感器1的信号输入端相连，光纤传感器1的信号输出端通过通信光缆与窄带光学滤波器的信号输入端相连，窄带光学滤波器的信号输出端与APD光电探测器的信号输入端相连，APD光电探测器的信号输出端与DAQ数据采集单元的信号输入端相连，DAQ数据采集单元的信号输出端与信号处理分析单元的信号输入端相连。所述光纤传感器采用标准的通信光纤或多模光纤，所述光纤传感器1外设护套，所述光缆里内部设置有两根光纤。

如图3所示，本方法包括下列顺序的步骤：

(1)将光纤传感器以螺旋形悬垂放置在每个布袋中，光纤传感器底部打成麻花结，每个布袋中光缆长度为10米，两个布袋之间的光缆长度为10米，测量并记录分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置未运行下的背景噪声；

(2)运行除尘器，数据采集单元测量记录机器运行下的信号，和完好布袋情况下除尘器的脉冲喷气信号，在分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置的显示终端上观察解调得到的波形信号的衰减变化；

(3)在布袋上人为划口，开口为多个且由小至大，在光电探测模块、数据采集单元和信号处理分析单元中分别记录这些漏袋情况下的脉冲喷气信号衰减变化，每种情况记录3组数据；

(4)数据采集单元采集光纤传感器得到的光学干涉信号，通过光学干涉相位解调算法反算出布袋内外气流压力的变化；

(5)信号处理分析单元通过时频信号处理对漏袋进行检测，信号处理分析单元通过光纤传感器中反射脉冲波雷达的原理，对有气流变化的漏袋进行定位；

(6)测温精确定位，光在光纤中传输时一部分拉曼散射光(背向拉曼散射光)沿光纤原路返回，被光纤探测单元接收。DTS通过测量背向拉曼散射光中Anti-Stokes光与Stokes光的强度比值的变化实现对外部温度变化的监测。在时域中，利用OTDR技术，根据光在光纤中的传输速率和入射光与后向拉曼散射光之间的时间差，可以对不同的温度点进行定位，这样就可以得到整根光纤沿线上的温度并精确定位。在步骤(5)中所述时频信号处理是指进行短时傅里叶分析处理。

在工作时，单频激光光源经过脉冲调制器调制成一定脉冲间隔的脉冲光；脉冲光重复频率1-2kHz，脉宽50ns；该脉冲光进入光纤传感器1后，产生瑞利散射光，采用光电探测模块将光纤传感器1背向瑞利散射信号接收，并转化成电信号送到DAQ数据采集单元最终由信号处理分析单元对散射光产生的干涉信号进行解调，还原成外界空气流的压强变化，脉冲激光光源发出脉冲光，该脉冲光进入光纤传感器1后，产生瑞利散射光，采用光电探测模块将光纤传感器1背向瑞利散射信号接收，并转化成电信号送到DAQ数据采集单元最终由信号处理分析单元对散射光产生的干涉信号进行解调，还原成外界空气流的压强变化，光在光纤中传输时一部分拉曼散射光(背向拉曼散射光)沿光纤原路返回，被光纤探测单元接收。DTS通过测量背向拉曼散射光中Anti-Stokes光与Stokes光的强度比值的变化实现对外部温度变化的监测。在时域中，利用OTDR技术，根据光在光纤中的传输速率和入射光与后向拉曼散射光之间的时间差，可以对不同的温度点进行定位，这样就可以得到整根光纤沿线上的温度并精确定位。

本装置的检测原理是：由强相干的窄线宽激光光源发出脉冲光沿着光纤传感器1向前传播，由于光纤传感器1中存在的杂质使得光纤上的每个点都会向后发出散射；散射光的光强或相位会随着外界振动发生变化，从而发生多光束干涉形成一个增强的干涉信号，而当外界扰动发生时，由于弹光效应，导致扰动位置处的后向瑞利散射光的相位发生漂移，干涉光光强也随之发生变化。如图2所示即为外界扰动(Disturbance)发生时的后向瑞利散射光信号。由通信光纤中的1芯光纤构成分布式振动传感器，对监测对象沿光纤任意位置的振动情况进行监测，通过检测背向散射光的变化即可获得外界振动信号的信息。此外，再结合传统的OTDR定位原理：光在光纤传感器1中的传导速度约为20万千米每秒结合激光脉冲发射后的散射信号返回时间，就可以推算其发生距离x＝c*t/2，其中，c为光纤中的光速，t是激光脉冲发射后的散射信号返回时间，例如，对于10us后返回的背向散射光：距离X＝200,000km/s*10us/2(双程)＝1000m，距离X是光纤传感器1的长度。

如图4所示，本装置右方的布袋2除尘系统的由若干排列规则的布袋2构成长方形阵列，每个布袋2之间间距为20cm，布袋2的直径为15cm左右。

将外设护套的光纤传感器1依次放入每一个布袋2中，另一端返回检测装置。光纤传感器1的布置方式由图5、图6种给出，其中，图5是密集缠绕在布袋2架上面，图6是将光纤传感器1来回折叠以螺旋方式敷设，并将两端扎紧，直接塞入布袋2中。在水泥除尘现场可以根据实际情况进行选择。

如图7所示，当布袋2破损造成泄漏时，气流对光纤传感器1产生的压力信号频率会有所改变。如图8所示，光纤传感器1获取到的气流频率范围较宽，在气流作用的时间内，频率没有太大的衰减。从图9中可看出，当布袋2有一定破损时，光纤传感器1获取到的气流频率随时间程指数衰减，在很短的时间内，高频信号迅速衰减。

如图12所示，在布袋2上开设有a、b和c三个开口，在风速相同情况下，光纤1越靠下摆动量越大，摆动量大导致光纤振动量大，从而振动传感器输出光的强度越大。

综上所述，本发明采用一根光纤集传感和传输于一体，实现布袋2破损气流压力变化信号探测，传输，适用于空间有限复杂工业现场的应用；通过光缆可实现对布袋2漏袋的检测，同时精确定位具体发生泄漏破损的布袋2；可实现光纤组网，检测多区域的布袋2破袋，在保障生产运行的同时，实现在线封堵；通信光缆本身是传感器，全光探测，本质安全，环保。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置，其特征在于：包括：

单频激光光源，为光纤传感器提供相干光能量；

脉冲调制器，用于将单频激光光源输出的连续光转化成一定脉冲宽度和重复频率的脉冲光；

EDFA放大器，用于将一定脉冲宽度和重复频率的脉冲光进行放大；

窄带光学滤波器，在光纤通信系统中，只允许窄线宽激光通过；

APD光电探测器，光电探测器电路用于对光电转换器件输出的微弱电压或电流信号进行放大、处理和整形输出；

光纤传感器，为一根普通通信光缆，用于检测由于布袋破损导致的气流变化；

DAQ数据采集单元，对光电探测模块收集到的电压信号进行模数转化，送信号处理分析单元进行信号处理；

光学滤波器，在光纤通信系统中，只允许一定波长的光信号通过；

脉冲激光光源，为光纤传感器提供相干光能量；

信号处理分析单元，采用滑动平均滤波及光学干涉相位解调算法对包含布袋破损气流信号进行解调，提取气流的压力变化信息，判断除尘系统是否正常运转。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置，其特征在于：所述脉冲调制器的信号输入端接收单频激光光源发出的激光，脉冲调制器的信号输出端通过EDFA放大器和通信光缆与光纤传感器的信号输入端相连，光纤传感器的信号输出端通过通信光缆和光学滤波器与APD光电探测器的信号输入端相连，APD光电探测器的信号输出端与DAQ数据采集单元的信号输入端相连，DAQ数据采集单元的信号输出端与信号处理分析单元的信号输入端相连；

所述脉冲激光光源发出的激光通过通信光缆与光纤传感器的信号输入端相连，光纤传感器的信号输出端通过通信光缆与窄带光学滤波器的信号输入端相连，窄带光学滤波器的信号输出端与APD光电探测器的信号输入端相连，APD光电探测器的信号输出端与DAQ数据采集单元的信号输入端相连，DAQ数据采集单元的信号输出端与信号处理分析单元的信号输入端相连。

3.根据权利要求1所述的一种分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置，其特征在于：所述脉冲光的脉宽为50ns，重复频率为1-2KHz。

4.根据权利要求1所述的一种分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置，其特征在于：所述光纤传感器采用标准的通信光纤，所述光纤传感器外设护套构成光缆，所述光缆里内部设置有两根光纤。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置的定位检测方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)将光纤传感器以螺旋形悬垂放置在每个布袋中，光纤传感器底部打成麻花结，每个布袋中光缆长度为10米，两个布袋之间的光缆长度为10米，测量并记录分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置未运行下的背景噪声；

(2)运行除尘器，数据采集单元测量记录机器运行下的信号，和完好布袋情况下除尘器的脉冲喷气信号，在分布式光纤袋式除尘器漏袋定位检测装置的显示终端上观察解调得到的波形信号的衰减变化；

(3)在布袋上人为划口，开口为多个且由小至大，在光电探测模块、数据采集单元和信号处理分析单元中分别记录这些漏袋情况下的脉冲喷气信号衰减变化，每种情况记录3组数据；

(4)数据采集单元采集光纤传感器得到的光学干涉信号，通过光学干涉相位解调算法反算出布袋内外气流压力的变化；

(5)信号处理分析单元通过时频信号处理对漏袋进行检测，信号处理分析单元通过光纤传感器中反射脉冲波雷达的原理，对有气流变化的漏袋进行定位；

(6)测温精确定位，光在光纤中传输时一部分拉曼散射光沿光纤原路返回，被光纤探测单元接收。DTS通过测量背向拉曼散射光中Anti-Stokes光与Stokes光的强度比值的变化实现对外部温度变化的监测。在时域中，利用OTDR技术，根据光在光纤中的传输速率和入射光与后向拉曼散射光之间的时间差，可以对不同的温度点进行定位，这样就可以得到整根光纤沿线上的温度并精确定位。

6.根据权利要求5所述的定位检测方法，其特征在于：在步骤(5)中所述时频信号处理是指进行短时傅里叶分析处理。