CN202533197U - 转炉/高炉炉壳外表面温度在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及转炉/高炉炉壳外表面温度在线监测装置，包括分布式光纤温度传感器、光纤旋转接头，在转炉/高炉外壳表面垂直或水平安装多根中空的钢管或铜管，分布式光纤温度传感器的光纤通过一光纤旋转接头穿入转炉/高炉上的中空的钢管或铜管中，并依次穿入转炉/高炉上所有中空的钢管或铜管中，穿完所有中空的钢管或铜管后的光纤通过另一光纤旋转接头引出与分布式光纤温度传感器的输出端相连，所述的光纤旋转接头为一端固定，另一端自由旋转。本实用新型利用光纤作为传感器，对转炉/高炉的炉壳表面温度进行实时监测。
Description
技术领域
本实用新型属于信号检测和分析技术领域，涉及利用光纤拉曼散射原理与光时域反射技术相结合，沿光纤长度进行温度测量的分布式光纤温度传感器，特别涉及一种基于分布式光纤温度传感器的转炉/高炉炉壳外表面温度在线监测装置。
背景技术
转炉/高炉炉体包括炉壳和炉壳内的耐火材料炉衬，炉壳用钢板焊成。炉衬包括工作层、永久层及填充层三部分。工作层由于直接与炉内液体金属、炉渣和炉体接触，易受浸蚀，国内通用沥青白云石砖或沥青镁砖砌成。永久层紧贴炉壳，用于保护炉壳钢板。转炉炉衬的耐火材料达到其使用寿命，由于机械冲击和磨损，耐火材料高温溶解和高温溶液渗透将导致危险，炉壳的温度会逐渐升高。一旦工作层和永久层发生故障，高温钢水和铁水将击穿炉壳，造成钢水铁水溢出事故，更严重的是，如果击穿托圈，托圈中的高压水将喷入炉内，发生气爆。而这个过程中只能停炉检修时肉眼观察工作层的状态，以人工确认的方式避免事故。所以对转炉表面温度进行在线的监测变得十分必要。
目前，用于转炉/高炉炉壳外表面温度的监测方法有2种：一种是用红外测温仪和红外热像仪进行离线式测量；一种是用热电偶进行点式测量。红外测温仪和红外热像仪只能进行离线式测量，而且由于托圈遮挡，托圈相对位置的炉壳温度无法监测。焊接开路热电偶在炉壳表面，只能进行点式监测，如果要全面监测整个炉壳，技术难度大，工程复杂。
光纤本身不带电，抗电磁、耐辐射、耐高电压、不产生电火花并且绝缘性能良好等特点，使得光纤传感系统将成为传感器系统的主流，并逐步替代传统的传感器系统。光纤上的物理量诸如：压力、温度、湿度、电场、磁场等发生变化时，会引起光纤的物理特性发生变化，从而使光纤中传导的光波产生各种光学效应，如：散射、偏振、强度改变等等。通过检测光纤中光波的变化，实现对温度、压力、形变、水位等物理量的检测。近年光电子器件的迅猛发展，特别是半导体激光器、波分复用和光耦合技术、光电信号的探测与处理等等技术的发展，使光纤用来做分布式传感器系统成为了现实。
利用光时域反射(OTDR)原理和光纤的背向拉曼散射温度效应，来实现对空间分布的温度的测量。当窄带光脉冲被注入到纤维波导中去时，利用光雷达原理，该系统通过测后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰减。
发明内容
本实用新型的目的为克服上述现有技术存在的问题，而提供一种基于分布式光纤温度传感器的转炉/高炉炉壳外表面温度在线监测装置，本实用新型利用分布式光纤温度传感器对转炉/高炉的炉壳表面温度进行实时监测。
本实用新型的技术方案为：
转炉/高炉炉壳外表面温度在线监测装置，包括分布式光纤温度传感器、光纤旋转接头，其特征在于：在转炉/高炉外壳表面垂直或水平安装多根中空的钢管或铜管，分布式光纤温度传感器的光纤通过一光纤旋转接头穿入转炉/高炉上的中空的钢管或铜管中，并依次穿入转炉/高炉上所有中空的钢管或铜管中，穿完所有中空的钢管或铜管后的光纤通过另一光纤旋转接头引出与分布式光纤温度传感器的输出端相连，所述的光纤旋转接头为一端固定，另一端自由旋转。
所述的光纤旋转接头安装在转炉的转动轴的中心，光纤旋转接头的一端随着转炉转动轴转动，而另一端固定不动。
本实用新型的采用双端测量模式，两个通道形成一个环，增加光纤冗余度，一根光纤即使断裂，不会影响全部的监测。
当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利(Rayleigh)散射。入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L＝vt。v为光在光纤中传播的速度，v＝c/n，c为真空中的光速，n为光纤的折射率。在t时刻测量到的是离光纤入射端距离为L处局域的背向瑞利(Rayleigh)散射光。用光时域反射(OTDR)技术，可以确定光纤处的损耗，光纤故障点、断点的位置，因此也可称为光纤激光雷达。拉曼散射是由于光纤分子的热振动，产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯(Stokes)光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯(Anti-Stokes)光。利用改进的光时域反射(OTDR)技术探测喇曼散射，可以确定沿光纤长度上的温度分布。
本实用新型所采用的分布式光纤温度传感器为本公司以明申请专利，专利号为201020604172.7。工作过程可简单表述为：激光光源发出的激光脉冲；激光脉冲进入带双向耦合器的光纤，沿着测温用光纤传播，其一路经光波分复用器光学滤波，分离出带有温度信息的反斯托克斯拉曼背向散射光，再进入光雪崩管将光信号转换成电信号，该信号又由放大器放大后输入信号采集卡，这是拉曼通道；另一路作为瑞利背向散射光进入另一光雪崩管，进行光电转换后的输出信号输入另一放大器，放大器和另一放大器的输出端与信号采集卡的输入端相连，这是瑞利通道。信号采集卡的输出端与计算机相连。由计算机软件对采集到的数据进行运算处理，即可得到光纤上任一点的温度和转炉/高炉空间温度场的分布。
当炉体内有工作层和永久层组成的耐火材料发生故障，钢水铁水会渗透到炉壳，使炉壳的温度升高。产生的温度变化将改变光纤的拉曼背向散射光的强度。通过对光纤拉曼背向散射光功率的测量，完成光纤上个点的静态和动态温度的测量和定位功能，通过对数据进行分析，迅速判断并准确定位炉壳泄露等事件的发生。
由于转炉工作时存在大量转动运动，为了确保在转炉转动过程中不会拉断光纤，光纤出线端敷设方法如下：采用光纤旋转接头的方式，光纤旋转接头为一端固定，一端可以自由旋转的光纤接头，通过改造实现在转动轴的中心安装光纤旋转接头，转炉转动工作时，光纤旋转接头的一端随着转炉转动轴转动，而另一端固定不动，转炉的旋转并不会对测温光纤产生任何拉力，整个监测稳定可靠。
附图说明
图1是本实用新型的系统连接示意图。
图2是本实用新型采用的分布式光纤温度传感器的框图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行详细的说明：
如图1所示，本实用新型包括分布式光纤温度传感器2、光纤旋转接头3，在转炉/高炉4外壳表面垂直或水平安装多根中空的钢管或铜管，分布式光纤温度传感器的光纤1通过一光纤旋转接头3穿入转炉/高炉4上的中空的钢管或铜管中，并依次穿入转炉/高炉上所有中空的钢管或铜管中，穿完所有中空的钢管或铜管后的光纤1通过另一光纤旋转接头3引出与分布式光纤温度传感器的输出端相连，所述的光纤旋转接头3安装在转炉的转动轴的中心，光纤旋转接头的一端随着转炉转动轴转动，而另一端固定不动。
本实用新型的采用双端测量模式，两个通道形成一个环，增加光纤冗余度，一根光纤即使断裂，不会影响全部的监测。
本实用新型的分布式光纤温度传感器如图2所示，专利号为201020604172.7，包括一个激光光源901、带双向耦合器905的光纤910、一个光波分复用器903、光雪崩管941、和另一光雪崩管942、一个放大器961和另一放大器962、信号采集卡907和计算机909，激光光源901发出的光脉冲进入带双向耦合器905的光纤910，光纤910输出的背向散射光的回波通道分二路，其一路经光波分复用器903分离出喇曼背向散射光再进入光雪崩管941，另一路作为瑞利背向散射光进入另一光雪崩管942，上述两个光雪崩管各自对拉曼散射光和瑞利散射光进行光电转换后的输出信号分别输入器放大器961和另一放大器962，上述两个放大器的输出端与信号采集卡907的输入端相连，信号采集卡907的输出端与计算机909相连。
光纤敷设完毕后，可以在其上方安装钢板防护罩，防止钢渣掉下，导致光纤受到损伤。
用钢管或铜管敷设的目的：
1、全面的监测，面式的敷设方式能够全面的覆盖整个最需要监测的区域，不存在测量死角，能够为炉体表面温度分析提供详细的数据，同时全面监测泄漏隐患；
2、钢管固定在转炉表面，而光纤并没有固定，防止温度过高或突然的温度上升导致的热胀冷缩损伤光纤；
3、全面保护传感光纤，确保正常情况下光纤不受到损伤，实现免维护；
由于转炉工作时存在大量转动运动，为了确保在转炉转动过程中不会拉断光纤，光纤出线端敷设方法如下：采用光纤旋转接头的方式，光纤旋转接头为一端固定，一端可以自由旋转的光纤接头，通过改造实现在转动轴的中心安装光纤旋转接头，转炉转动工作时，光纤旋转接头的一端随着转炉转动轴转动，而另一端固定不动，转炉的旋转并不会对测温光纤产生任何拉力，整个监测稳定可靠。
本实用新型的分布光纤温度传感器的工作过程可简单表述为：激光光源901发出的激光脉冲；激光脉冲进入带双向耦合器905的光纤910，沿着测温用光纤910传播，其一路经光波分复用器903光学滤波，分离出带有温度信息的反斯托克斯拉曼背向散射光，再进入光雪崩管941将光信号转换成电信号，该信号又由放大器961放大后输入信号采集卡907，这是拉曼通道；另一路作为瑞利背向散射光进入另一光雪崩管942，进行光电转换后的输出信号输入另一放大器962，放大器961和另一放大器962的输出端与信号采集卡907的输入端相连，这是瑞利通道。信号采集卡907的输出端与计算机909相连。由计算机软件对采集到的数据进行运算处理，即可得到光纤上任一点的温度和转炉/高炉空间温度场的分布，并以图形或表格形式显示出来。
Claims (2)
1.转炉/高炉炉壳外表面温度在线监测装置，包括分布式光纤温度传感器、光纤旋转接头，其特征在于：在转炉/高炉外壳表面垂直或水平安装多根中空的钢管或铜管，分布式光纤温度传感器的光纤通过一光纤旋转接头穿入转炉/高炉上的中空的钢管或铜管中，并依次穿入转炉/高炉上所有中空的钢管或铜管中，穿完所有中空的钢管或铜管后的光纤通过另一光纤旋转接头引出与分布式光纤温度传感器的输出端相连，所述的光纤旋转接头为一端固定，另一端自由旋转。
2.如权利要求1所述的转炉/高炉炉壳外表面温度在线监测装置，所述的光纤旋转接头安装在转炉的转动轴的中心，光纤旋转接头的一端随着转炉转动轴转动，而另一端固定不动。
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