CN114353996A - 一种光纤分布式温度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤分布式温度控制系统。包括分布式光纤温度传感设备、分布式光纤温度控制设备、N路管道、分别缠绕包裹于各个管道外壁的加热带、以及分别缠绕于各管道外壁加热带表面的测温光纤，各个管道上的加热带、测温光纤分别与分布式光纤温度控制系统连接，分布式光纤温度控制设备与分布式光纤温度传感设备连接，所述分布式光纤温度传感设备具有信息传送功能，且通过网络连接的方式与远程控制中心服务器连接，所述远程控制中心对分布式传感设备进行远程操控。结合温度自动控制、光纤/加热带一体化设计、低温预警、自动加热管控等技术和手段，实现对管道温度的自动化、智能化管理，在保障安全作业、提升生产效率等方面提供智能化手段。

Description

一种光纤分布式温度控制系统

技术领域

本发明涉及光纤测温领域，具体而言涉及一种光纤分布式温度控制系统。

背景技术

在城市科技的迅速发展过程中，各种管线设施如石油、天然气管道，水管，电厂冷水管道等，已遍布城市的各处，并不断密集化往外扩展，但由于检测成本高、检测手段缺乏、检测难度大，造成管道大都缺乏监测，或者检测面不够，导致事故频发，给城市经济、社会稳定和公共安全造成了重大的损失。

为保障电厂正常生产经营，需要对蒸汽管道温度进行准确测量和实时监控，传统方法是安排工作人员定期用温度计查看各处管道温度是否正常，凭肉眼和经验判断用于加热管道的加热带是否损坏，不仅费时费力，还带有很强的主观性，在一定程度上存在较大的安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤分布式温度控制系统，它能够连续测量光纤沿线所在处的温度，是一种实时测量空间温度场分布的传感系统，其原理是在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，在光纤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改变，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将温度信号实时显示出来，并且由光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间对这些信息进行定位。并且结合温度自动控制、光纤/加热带一体化设计、低温预警、自动加热管控等技术和手段，实现对电厂内冷水管道温度的自动化、智能化管理，为电厂在保障安全作业、提升生产效率等方面提供智能化手段。目前系统最多能同时监测32个管道的温度，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种光纤分布式温度控制系统，包括分布式光纤温度传感设备、分布式光纤温度控制设备、N路管道、分别缠绕包裹于各个管道外壁的加热带、以及分别缠绕于各管道外壁加热带表面的测温光纤，各个管道上的加热带、测温光纤分别与分布式光纤温度控制系统连接；所述分布式光纤温度控制设备与分布式光纤温度传感设备连接，并实现光信号双向传送；所述分布式光纤温度传感设备具有信息传送功能，且通过网络连接的方式与远程控制中心服务器连接，所述远程控制中心对分布式传感设备进行远程操控；所述加热带用于给各自缠绕包裹的管道加温，所述测温光纤用于管道和分布式光纤温度控制系统之间光纤传输光信号；所述N的取值范围是1至32。

进一步地，所述分布式光纤温度控制设备包括滤波模块、开关、B1主控模块，以及与所述B1主控模块分别相连的光切换模块、电切换模块、电源模块和光电转换模块；所述滤波模块用于外接电源并且经开关与电源模块相连，电源模块经B1主控模块为所连各个模块进行供电；所述B1主控模块用于对其所连各模块进行调度控制，所述光切换模块用于接收和发送光信号，其中，光切换模块分别与各管道上的测温光纤相连，同时，光切换模块通过传感光纤与所述分布式光纤温度传感设备相连；光电转换模块通过通信光纤与分布式光纤温度传感设备相连；所述电切换模块分别与各管道上的加热带相连，电切换模块用于控制加热带的工作。

进一步地，所述分布式光纤温度传感设备包括A1主控模块、A2电源模块、A3光模块、A4电模块、A5显控模块、电转换模块；所述电转换模块、A3光模块、A4电模块、A5显控模块分别与A1主控模块相连，所述A3光模块与A4电模块相连；所述电转换模块通过其所设光接口经通信光纤与分布式光纤温度控制设备连接，所述A3光模块通过其所设光接口经传感光纤与分布式光纤温度控制设备连接， 所述A1主控模块用于对其所连各个模块进行调度管理；所述A2电源模块具有变压功能，用于外接电源，并为所述分布式光纤温度传感设备内各个模块供电，所述A3光模块用于产生和接收光信号及光电转化，所述A4电模块用于接收A3光模块的光信号进行数字信号转化，并转发A1主控模块；所述A5显控模块用于显示和信息输入。

进一步地，所述A1主控模块包括中央处理器、以及分别与中央处理器相连的内存条、电源模块、具有接口及信号传送功能的载板模块，所述中央处理器通过串口连接A3光模块，并且通过USB接口连接A4电模块；所述中央处理器分别通过LVDS接口和USB接口与A5显控模块连接；所述中央处理器通过网络接口分别连接电转换模块和外部设备。

进一步地，所述A3光模块包括激光器、探测器、耦合器、转换器A、CPCI连接器A、光连接器、光模块射频口RF1、光模块射频口RF2、光模块射频口RF3，所述CPCI连接器A与转换器A通过多路连接；所述激光器分别与耦合器、转换器A、光模块射频口RF1相连；所述耦合器与光连接器相连，所述转换器A、耦合器、光模块射频口RF2、射频口RF3分别与探测器相连，所述光模块射频口RF1、射频口RF2、射频口RF3作为连接端与A4电模块相连；所述CPCI连接器A与A1主控模块相连，光连接器构成A3光模块的光接口，并通过传感光纤与分布式光纤温度控制设备相连。

进一步地，所述A4电模块包括均衡器、CPCI连接器B、转换器B、信号采集器、时序控制器、电模块射频口RF1、电模块射频口RF2、电模块射频口RF3；所述转换器B、电模块射频口RF1、电模块射频口RF2、信号采集器分别与均衡器相连；所述电模块射频口RF3、时序控制器、转换器B分别与信号采集器相连；所述转换器B与CPCI连接器B相连接，所述电模块射频口RF1、电模块射频口RF2、电模块射频口RF3作为连接端与A3光模块对应连接，所述CPCI连接器B与A1主控模块相连。

进一步地，所述B1主控模块包括MCU、以及与MCU分别相连接的串行FLASH存储器、晶振1、网络交换器，所述网络交换器连接晶振2，所述MCU与电切换模块、光切换模块分别连接，所述网络交换模块以多路连接的方式与MCU连接，所述网路交换器的输入端与分布式光纤温度控制设备的光电转换模块输出端相连。

进一步地，所述的分布式光纤温度传感设备的A2电源模块为A1主控模块提供12V电压，所述A2电源模块输出5V和3.3V电压为分布式光纤温度传感设备内其他模块提供电压， 所述A5显控模块包括显示屏和键盘，所述显示屏连接A1主控模块的LVDS接口，键盘连接A1主控模块USB接口。

进一步地，所述的电切换模块为32路串口继电器。

进一步地，所述A1主控模块具有接口热插拔和显示工作状态功能，并且用于外接设备。

本发明所述一种光纤分布式温度控制系统 ，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：分布式光纤传感技术是近年来兴起的一种先进的无损检测技术。它以光纤作为信息的感应介质和传输介质，利用终端传感设备发送和接收光信号，实现对整个光纤沿线所有位置的传感和测量。具有自身不带电、本质安全、传感距离长、测量速度快、耐腐蚀、光缆铺设适应性强等多种优势，相较于人工定期用温度计查看各路管道温度是否正常，不仅排除了人工测温主观错误判断事件，并且能够实现实时测温，测温效率得到提高，还排除了多重安全隐患。

附图说明

图1为本发明的光纤分布式温度控制系统组成示意图；

图2为本发明分布式光纤温度传感设备外观示意图；

图3为本发明的分布式光纤温度控制设备外观图示意图；

图4为本发明的分布式光纤温度传感设备硬件原理示意图；

图5为本发明的A1主控模块原理框示意图；

图6为本发明的光模块硬件架构示意图；

图7为本发明的电模块硬件架构示意图；

图8为本发明的分布式光纤温度控制设备原理示意图；

图9为本发明的B1主控模块硬件架构原理示意图；

图10为本发明的光模块示意图；

图11为本发明的电切换模块示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下：

在本发明中参照附图来描述本发明的各方面，本发明的实施例不局限于附图所示。应当理解，本发明通过上面介绍的构思和实施例，以及下面详细描述的构思和实施方式中的任意一种来实现，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

如图1所示，一种光纤分布式温度控制系统，该系统主体由两型设备组成，为分布式光纤温度传感设备和分布式光纤温度控制设备。系统还包括N路管道、分别缠绕包裹于各个管道外壁的加热带、以及分别缠绕于各管道外壁加热带表面的测温光纤，各个管道上的加热带、测温光纤分别与分布式光纤温度控制系统连接；分布式光纤温度控制设备与分布式光纤温度传感设备连接，并实现光信号双向传送；分布式光纤温度传感设备相当于系统中的大脑，具有信息传送功能，且通过网络连接的方式与远程控制中心服务器连接，接收远程控制中心服务器传来的控制信号，并且远程控制中心对分布式传感设备进行远程操控；加热带用于给各自缠绕包裹的管道加温，测温光纤用于管道和分布式光纤温度控制系统之间光纤传输光信号；N的取值范围是1至32，可以接32根测温光纤，接32路加热带。

分布式光纤温度控制设备的外观如图3所示，其原理图如图8所示，分布式光纤温度控制设备包括滤波模块、开关、B1主控模块,B1主控模块是系统软件的硬件载体，提供对设备各模块的调度控制、信息流程的管理等功能，光切换模块、电切换模块、电源模块和光电转换模块与B1主控模块分别相连；滤波模块用于外接电源并且经开关与电源模块相连，电源模块经B1主控模块为所连各个模块进行供电；所述B1主控模块用于对其所连各模块进行调度控制，所述光切换模块用于在各光纤通路之间进行切换，并且接收和发送光信号。光切换模块分别与各管道上的测温光纤相连，同时，光切换模块通过传感光纤与所述分布式光纤温度传感设备相连；光电转换模块通过通信光纤与分布式光纤温度传感设备相连，将电信号和光信号相互转换。所述电切换模块分别与各管道上的加热带相连，电切换模块用于控制电信号的开开启与关闭，从而实现控制加热带的工作。滤波器由电容电阻和电感组成，使电源输出更加稳定。分布式光纤温度控制设备还具备丰富的对外接口，可以实现与其他系统设备进行连接。其中，电切换模块如图11所示，采用型号为JY-DAM3200，是一款通信端口RS232加隔离RS485的串口继电器。有32路输出，采用DC5V供电，继电器输出触点隔离。具有闪开，闪断功能，可以在指令里面带参数，操作继电器开断一段时间自动关闭，具有频闪功能，可以控制继电器周期性开关。

分布式光纤温度传感设备的外观图如图2所示。其硬件设备原理图如图4所示，分布式光纤温度传感设备包括A1主控模块，其A2电源模块、A3光模块、A4电模块、A5显控模块、电转换模块；电转换模块、A3光模块、A4电模块、A5显控模块分别与A1主控模块相连，A3光模块与A4电模块相连；电转换模块通过其所设光接口经通信光纤与分布式光纤温度控制设备连接，A3光模块通过其所设光接口经传感光纤与分布式光纤温度控制设备连接。A1主控模块为系统软件的硬件载体，用于对其所连各个模块进行调度管理，实现信息流程的管理和人机交互等功能。所述A2电源模块具有变压功能，用于外接电源，并为所述分布式光纤温度传感设备内各个模块供电，所述A3光模块用于产生和接收光信号及光电转化并输出电信号，所述A4电模块用于接收A3光模块的光信号进行数字信号转化，并转发A1主控模块；所述A5显控模块用于显示和信息输入，显控模块由7寸显示屏、专用键盘组成，主要实现模块状态、工作状态的实时显示以及本地报文输入等功能。同时，分布式光纤温度传感设备还具备丰富的对外接口，可以实现与其他系统/设备进行连接。

分布式光纤温度传感设备的主控模块主要实现分布式光纤温度传感设备内各功能模块的控制、管理，各接口数据收发、处理，人机接口数据收发、显示，以及对各业务流程、通信流程的综合管理等功能。如图5所示，A1主控模块包括中央处理器、以及分别与中央处理器相连的内存条、电源模块、具有接口及信号传送功能的载板模块，所述中央处理器通过串口连接A3光模块，并且通过USB接口连接A4电模块；所述中央处理器分别通过LVDS接口和USB接口与A5显控模块连接；所述中央处理器通过网络接口分别连接电转换模块和外部设备。主控板卡由MA3-N2930核心模块和载板模块组成外配2G DDR3内存；将PCIe总线转为PCI总线对外通信。本板对外提供2路RS232串口，1路VGA接口，6路USB2.0接口，2路SATA接口，3路10/100/1000M网络，其中一路为处理器自带网络，另2路则是在处理器PCIe总线上外扩的i210网络接口；处理器通过LPC总线与CPLD互连实现数据交互，CPLD对外提供4路IRQ接口；此外板卡还采用电源模块供电，并提供热插拔及状态指示。

A3光模块主要为设备测温系统的光单元，用于产生探测光、接收光信号，并将之转换为电信号输出。探测光通过光连接器注入与主机连接的测温光缆中，并在光缆中产生光信号。光信号从同一端口返回后，再次进入光模块进行一级信号分离和光电转换，将与光缆温度状态相关的光信号转换成电信号输出。光模块硬件设计架构如图10所示，A3光模块包括激光器、探测器、耦合器、A、CPCI连接器A、光连接器、光模块射频口RF1、光模块射频口RF2、光模块射频口RF3，所述CPCI连接器A与转换器A通过多路连接；所述激光器分别与耦合器、转换器A、光模块射频口RF1相连；所述耦合器与光连接器A相连，所述转换器A、耦合器、光模块射频口RF2、射频口RF3分别与探测器相连，所述光模块射频口RF1、射频口RF2、射频口RF3作为连接端与A4电模块相连；所述CPCI连接器A与A1主控模块相连，光连接器构成A3光模块的光接口，并通过传感光纤与分布式光纤温度控制设备相连。

如图7所示，A4电模块用于接收光模块输出的电信号，并将之转换为数字信号输出。A4电模块包括均衡器、CPCI连接器B、转换器B、信号采集器、时序控制器、电模块射频口RF1、电模块射频口RF2、电模块射频口RF3；转换器B、电模块射频口RF1、电模块射频口RF2、信号采集器分别与均衡器相连；电模块射频口RF3、时序控制器、转换器B分别与信号采集器相连；所述转换器B与CPCI连接器B相连接，所述电模块射频口RF1、电模块射频口RF2、电模块射频口RF3作为连接端与A3光模块对应连接，A3光模块产生的电信号通过电模块射频口RF1、电模块射频口RF2、电模块射频口RF3进入A4电模块后，首先转换为电压适中的电信号，再经过模数转换，转换成数字信号。经过二级信号分离、整形、滤波和平均处理，通过CPCI连接器B的端口输出到A1主控模块，等待进一步主控算法处理。

分布式光纤温度控制设备的B1主控模块的硬件架构如图9所示，B1主控模块包括MCU、以及与MCU分别相连接的串行FLASH存储器、晶振1、网络交换器，网络交换器连接晶振2，MCU通过DB9 RS232串口线连与电切换模块连接，通过DB25并口与光切换模块连接，所述网络交换模块以多路连接的方式与MCU连接，所述网路交换器的输入端与分布式光纤温度控制设备的光电转换模块输出端相连。B1主控模块用于分布式光纤温度控制设备内各功能模块的控制、管理，各接口数据收发、处理，人机接口数据收发、显示，以及对各业务流程、通信流程的综合管理等功能。

分布式光纤温度传感设备的A2电源模块为A1主控模块提供12V电压，A2电源模块输出5V和3.3V电压为分布式光纤温度传感设备内其他模块提供电压， 所述A5显控模块包括显示屏和键盘，所述显示屏连接A1主控模块的LVDS接口，键盘连接A1主控模块USB接口。A1主控模块具有接口热插拔和显示工作状态功能，并且用于外接设备。

本发明所述一种光纤分布式温度控制系统 ，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：分布式光纤传感技术是近年来兴起的一种先进的无损检测技术。它以光纤作为信息的感应介质和传输介质，利用终端传感设备发送和接收光信号，实现对整个光纤沿线所有位置的传感和测量。具有自身不带电、本质安全、传感距离长、测量速度快、耐腐蚀、光缆铺设适应性强等多种优势，相较于人工定期用温度计查看各路管道温度是否正常，不仅排除了人工测温主观错误判断事件，并且能够实现实时测温，测温效率得到提高，还排除了多重安全隐患。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种光纤分布式温度控制系统，其特征在于，包括分布式光纤温度传感设备、分布式光纤温度控制设备、N路管道、分别缠绕包裹于各个管道外壁的加热带、以及分别缠绕于各管道外壁加热带表面的测温光纤，各个管道上的加热带、测温光纤分别与分布式光纤温度控制系统连接；所述分布式光纤温度控制设备与分布式光纤温度传感设备连接，并实现光信号双向传送；所述分布式光纤温度传感设备具有信息传送功能，且通过网络连接的方式与远程控制中心服务器连接，所述远程控制中心对分布式传感设备进行远程操控；所述加热带用于给各自缠绕包裹的管道加温，所述测温光纤用于管道和分布式光纤温度控制系统之间光纤传输光信号；所述N的取值范围是1至32。

2.根据权利要求1所述的一种光纤分布式温度控制系统，其特征在于，所述分布式光纤温度控制设备包括滤波模块、开关、B1主控模块，以及与所述B1主控模块分别相连的光切换模块、电切换模块、电源模块和光电转换模块；所述滤波模块用于外接电源并且经开关与电源模块相连，电源模块经B1主控模块为所连各个模块进行供电；所述B1主控模块用于对其所连各模块进行调度控制，所述光切换模块用于接收和发送光信号，其中，光切换模块分别与各管道上的测温光纤相连，同时，光切换模块通过传感光纤与所述分布式光纤温度传感设备相连；光电转换模块通过通信光纤与分布式光纤温度传感设备相连；所述电切换模块分别与各管道上的加热带相连，电切换模块用于控制加热带的工作。

3.根据权利要求2所述的一种光纤分布式温度控制系统，其特征在于，所述分布式光纤温度传感设备包括A1主控模块、A2电源模块、A3光模块、A4电模块、A5显控模块、电转换模块；所述电转换模块、A3光模块、A4电模块、A5显控模块分别与A1主控模块相连，所述A3光模块与A4电模块相连；所述电转换模块通过其所设光接口经通信光纤与分布式光纤温度控制设备连接，所述A3光模块通过其所设光接口经传感光纤与分布式光纤温度控制设备连接，所述A1主控模块用于对其所连各个模块进行调度管理；所述A2电源模块具有变压功能，用于外接电源，并为所述分布式光纤温度传感设备内各个模块供电，所述A3光模块用于产生和接收光信号及光电转化，所述A4电模块用于接收A3光模块的光信号进行数字信号转化，并转发A1主控模块；所述A5显控模块用于显示和信息输入。

4.根据权利要求3所述的一种光纤分布式温度控制系统，其特征在于，所述A1主控模块包括中央处理器、以及分别与中央处理器相连的内存条、电源模块、具有接口及信号传送功能的载板模块，所述中央处理器通过串口连接A3光模块，并且通过USB接口连接A4电模块；所述中央处理器分别通过LVDS接口和USB接口与A5显控模块连接；所述中央处理器通过网络接口分别连接电转换模块和外部设备。

5.根据权利要求3所述的一种光纤分布式温度控制系统，其特征在于，所述A3光模块包括激光器、探测器、耦合器、转换器A、CPCI连接器A、光连接器、光模块射频口RF1、光模块射频口RF2、光模块射频口RF3，所述CPCI连接器A与转换器A通过多路连接；所述激光器分别与耦合器、转换器A、光模块射频口RF1相连；所述耦合器与光连接器相连，所述转换器A、耦合器、光模块射频口RF2、射频口RF3分别与探测器相连，所述光模块射频口RF1、射频口RF2、射频口RF3作为连接端与A4电模块相连；所述CPCI连接器A与A1主控模块相连，光连接器构成A3光模块的光接口，并通过传感光纤与分布式光纤温度控制设备相连。

6.根据权利要求5所述的一种光纤分布式温度控制系统，其特征在于，所述A4电模块包括均衡器、CPCI连接器B、转换器B、信号采集器、时序控制器、电模块射频口RF1、电模块射频口RF2、电模块射频口RF3；所述转换器B、电模块射频口RF1、电模块射频口RF2、信号采集器分别与均衡器相连；所述电模块射频口RF3、时序控制器、转换器B分别与信号采集器相连；所述转换器B与CPCI连接器B相连接，所述电模块射频口RF1、电模块射频口RF2、电模块射频口RF3作为连接端与A3光模块对应连接，所述CPCI连接器B与A1主控模块相连。

7.根据权利要求2所述的一种光纤分布式温度控制系统，其特征在于，所述B1主控模块包括MCU、以及与MCU分别相连接的串行FLASH存储器、晶振1、网络交换器，所述网络交换器连接晶振2，所述MCU与电切换模块、光切换模块分别连接，所述网络交换模块以多路连接的方式与MCU连接，所述网路交换器的输入端与分布式光纤温度控制设备的光电转换模块输出端相连。

8.根据权利要求3所述的一种光纤分布式温度控制系统，其特征在于，分布式光纤温度传感设备的A2电源模块为A1主控模块提供12V电压，所述A2电源模块输出5V和3.3V电压为分布式光纤温度传感设备内其他模块提供电压， 所述A5显控模块包括显示屏和键盘，所述显示屏连接A1主控模块的LVDS接口，键盘连接A1主控模块USB接口。

9.根据权利要求2所述的一种光纤分布式温度控制系统，其特征在于所述电切换模块为32路串口继电器。

10.根据权利要求3所述的一种光纤分布式温度控制系统，其特征在于，A1主控模块具有接口热插拔和显示工作状态功能，并且用于外接设备。

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