光纤测温系统在散粮测温中的选择及优化应用

刘同姓 高绍和 梁明阳

[摘要]本文分析了光纤测温系统在散粮储藏时内部温度检测及报警领域的应用原理和特性，并针对散粮储藏的特殊性提出了光纤测温系统的优化设计方案。通过对比各类测温方式的优劣势，从多方面综合分析，选定使用分布式光纤测温技术进行散粮储藏测温，特别针对粮仓测温的现行标准、布置方法、线缆安装、通信方法及系统软件进行设计、开发，极大地提高了系统在粮仓使用的合规性、可靠性和易用性。光纤测温系统具备快速响应、稳定可靠、连续测温、定位准确以及三维立体的系统展示界面，与传统测温系统相比取得了质的飞跃，能够更好地满足粮食行业的专业需求。

[关键词]分布式光纤测温;粮食测温;测温系统;优化

中图分类号：U653.92 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202008

随着光纤技术的不断发展，目前光纤测温具有非常好的稳定性，不会因为电磁辐射、腐蚀气体等环境因素的变化而发生性能改变，且测量迅速，缩短了测温周期。但是光纤测温技术尚未在粮食行业得到实际应用，究其原因，是粮食行业的特殊性决定了光纤测温无法被直接应用，需要对其进行优化设计。

1 光纤测温原理及选择

目前主流的光纤测温主要分为以光纤光栅作为传感器的光线光栅测温和以光纤作为传感器的分布式光纤测温。

光纤光栅测温方式，是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输，通过对布拉格波长的调制来获取传感信息。

分布式光纤测温技术，是使用同一根光缆进行温度监测和温度数据的传输，综合利用光纤拉曼散射效应进行温度测量，利用光时域反射测量技术进行温度定位。

通过对比光纤光栅测温与分布式光纤测温两种方式，发现分布式光纤测温在测温连续性、稳定性、安装便捷性、耐腐蚀性、扩展性、维护性、经济性等方面具有优势，因此选择将分布式光纤测温应用于散粮测温[1-2]。

2 分布式光纤测温系统的组成

分布式光纤测温系统由测温软件、粮仓专用光纤测温主机、粮仓专用分布式感温光纤、安装固定支架和安装附件组成。利用光纤实现测量和信号传输于一体的特性，将一根光纤自光纤测温主机引出，串联连接到多个仓，光纤测温主机将所有采集到的温度数据进行集中存储、管理。测温软件部署在服务器上，可以通过库区网络在任意一台计算机上查看。体系架构如图1所示。

3 光纤散粮测温系统优化设计

目前散粮测温基本采用DS18B20传感器进行离散式点位布置，在每一根测温电缆内，每间隔2m嵌入一个测温传感器，此方式造价比较低廉，但是也存在很多问题。将分布式光纤测温与传统测温两种方式进行对比，发现分布式光纤测温具有测温连续、稳定性好、抗熏蒸能力强、检测速度快等优点，但是目前基本上是在管廊、皮带、竖井等场景使用，在散粮粮仓的使用上还存在一些问题，另外其成本过高也不利于推广。因此，通过对现有光纤测温系统在电力、煤炭、隧道、轨道交通、管廊等场景应用的研究，又针对散粮储藏的特点，对现有分布式光纤测温系统进行了优化设计，以适应粮库应用的要求。

3.1 系统精度参数

光纤测温目前主要用于温度超限预警，防止设备过热引起风险，其测温精度为1℃、温度分辨率为0.5℃，均低于粮食行业要求。为此，在研制光纤测温主机时对主机元器件选择及处理器算法进行了优化。

在元器件选择方面，激光器及控制模块、光开关及控制模块、雪崩光电二极管、波分等均采用国外知名品牌，设备的精度及质量较高，同时又优化设计了激光滤波器、信号采集板。

在激光光源方面，在采用大功率超短脉冲激光和1Gsps高速采集电路板的同时，加入ns级可编程脉冲生成功能模块。通过耦合波理论建模分析，提高受激拉曼散射阈值，从而提高入纤功率;研究激光器的滤波技术，抑制ASE噪声，从而提高温度测量精度[3-4]。

在微弱信号处理方面，使用高性能TEC、高效率导热材料、高性能保温材料和合适的封装结构实现高灵敏的APD温度控制。

在高速信号采集方面，采用多ADC的精确定时控制技术，利用高速信号源及高速示波器不断测试来校正数据，以满足精度要求。

3.2 线缆布置方式

根据传统散粮粮情检测要求，按照不同仓型，可按以下要求布置粮温传感器：

（1）平房仓水平方向测温电缆行列间距不大于5m，垂直方向粮温传感器间距不大于2m，距粮面、仓底、仓壁0.3～0.5m。

（2）浅圆仓、立筒仓测温电缆按环形布置，水平方向相邻电缆间距不大于5m，垂直方向间距不大于3m，距粮面、仓底、简壁0.3～0.5m。

因此，在光纤测温中按照传统粮情距离粮面、仓底、仓壁的要求进行布置，优化行列间距为2.5m。光纤测温在理论上可以实现连续测温，但因数据量及建设成本的原因，布置垂直方向测温点间隔为1m。以此方式布置后，光纤测温测量点的密度远远大于传统粮情，其测量样本将比传统粮情更加准确和真实。

线缆敷设区分平房仓和浅圆仓两种仓型。平房仓下线采用对折下线方式，折弯处配置辅助下线安装固定支架和安装附件;浅圆仓采用入粮前提前下线的方式，采用保护管保护形式，在保护管外侧预留导热孔，在空仓状态下安装并固定保护管，同时进行测温光纤的布线，布线完成后，仓方可进粮[5]。

3.3 测温光纤设计

测温光纤应用于散粮储藏时，需要满足防熏蒸、抗拉能力强、材料为食品级等多方面的要求。

首先，进行测温光纤材料的选型。对石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包層石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤等材质进行考察，最终确定使用石英系材料（SiO2），其具有非常好的稳定性，可抗电磁辐射、腐蚀气体熏蒸等。

其次，对各类形式的光纤进行选择。分布式光纤测温与传输均为同一根光缆，传输和感温合一，光缆经过特殊设计可快速进行导温。光缆设计除考虑导温性能和传输性能外，还需要考虑测温电缆在粮仓内承受的拉力，其中平房仓的最小破断拉力不小于1.9kN，浅圆仓的最小破断拉力根据不同高度需要分别作要求。通过对比各类光纤，决定选用高导热型铠装感测光缆，并对此类光缆进行了改造，增加其抗拉力。

3.4 系统布置

测温系统软件部署在服务器端、服务器与各测温主机之间使用光纤网络、无线局域网络或4G/5G方式通信。系统采用多个仓共用一个测温主机的控制方式，各仓之间光纤采用串联方式。目前该系统最大可支持16个通道，每个通道可连接10km光纤，以此计算，一个主机最多可连接80个30m×60m的平房仓。

3.5 系统软件设计

系统软件设计适用于粮仓散粮储藏，具备三温图展示、3D仓房及布线展示、点位状态展示、行列层温度数据展示、圈径层温度数据展示、房式仓云图展示、筒仓云图展示等功能。

4 结 论

通过本文阐述不难发现，光纤测温与传统测温相比具有较多优点，但是在成本上还无法与传统粮情检测方法相比，同时在粮食行业应用存在一些限制和问题，因此在元器件选择、算法编写、光纤选择、线缆布置方式、系统架构等方面做了优化。随着光纤测温技术的不断发展和优化，在不久的将来光纤测温一定会被大范围应用。

参考文献

[1]刘芬，孙世岭，张远征.基于拉曼散射的分布式光纤测温主机设计与应用[J].矿业安全与环保，2015（3）：28-30.

[2]李志鹏.分布式光纤测温系统的研究与进展[J].电气应用，2015， 34（1）：57-59+63.

[3]聂朱佳.探头预埋式仓储散粮测水测温仪的研制[J].粮油仓储科技通讯，2002（4）：40-41.

[4]李玮敏，王亚宁，李杰，等.高大平房仓空调控温储粮技术试验[J].粮食科技与经济，2020，45（3）：65-66.

[5]孟昭玉，赵杰.嵌入式测温系统在散粮筒仓输送系统中的开发及应用[J].粮食流通技术，2011（5）：15-17.