分布式光纤测温系统在热风炉监测中的优化与应用

侯恩华 方挺 印华

安徽工业大学电气与信息工程学院 安徽 马鞍山 243032

引言

分布式光纤测温系统（DTS）是以分布式光纤传感技术为基础。基于光纤绝缘性好、信号传输带宽等自身特性，DTS系统可以较为精准的大范围测温，实时测温，安装简便，使用寿命长。越来越多的高校、研究所、科技企业致力于发展DTS技术，探究测温领域，并且有良好的应用效果，对于热风炉的监测也尤为适合。而设计一个优良的DTS系统还需要提高分布式光纤的测量精度，创新性地使用光纤色散修正算法对测温精度进行补偿，使得测温结果更加准确。

1 分布式光纤测温系统的结构与设计

1.1 系统总体结构

本文采用的DTS系统主要是由4个子模块构成的：分别是激光器模块、信号分离模块、光电检测模块和信号采集处理模块[1]。

激光器模块是由发射源发射激光，经过调制耦合后，发射到传感光纤中。信号分离模块是通过波分复用器将传输来的光信号分离成温度解调所需的斯托克斯（Stokes）光信号和反斯托克斯（Anti-Stokes）光信号。光电检测模块主要用来将经上述分离后的两束光信号转为方便识别处理的电信号，并通过信号放大器进行信号放大。本系统选用雪崩光电二极管作为光电检测模块。信号采集处理模块是本系统的重中之重，将通过信号放大器增大后的电信号传入高速数据采集卡再经过数字信号处理（DSP）单元，对传输过来的电信号通过多次累加降噪，用来提升DTS系统的信噪比[2]。之后才可用于解调，得到所需的温度信号。

1.2 测温流程设计

分布式光纤采用环绕式，环绕至顶燃式热风炉外侧，以1m的间隔进行信号的采集，相邻测温位置的高度差为0.5m。由DTS系统采集温度信号，然后经由RTU串口将信号传递给上位机，实时绘制出温度变化曲线图，同时以列表形式表明时间、位置、温度值等信息，一键存储数据于数据库。当炉体内壁经受热风流的冲击导致被侵蚀严重后，温度会有明显变化[3]。DTS系统通过预设的高低温报警值进行判断能实时捕获上述温度点，在上位机上显示这些异常日志并进行存储，提高生产效率。

2 分布式光纤测温系统的优化

2.1 光纤色散修正算法

不同波长λ的光与相对折射率n存在如下关系公式：

由于Stokes和Anti-Stokes散射光波长不同，导致了两者在光纤中的折射率也不同，从而使得两束光传播速率也会有所不同，最终在接收端同一时刻采集的信号将会来自光纤不同位置，拉曼散射信号中Anti-Stokes光信号会出现在Stokes信号后[4]。如图1所示。图中是Stokes和Anti-Stokes光信号在光纤中分布，可以看出，随着光纤测量距离的增长，光纤色散效应越发明显，最终会出现降低系统测温精度的问题，十分影响测温结果。

图1 光纤尾端菲涅尔反射峰

由于这两束光的色散程度是随着光纤距离的变化发生线性波动变化的，所以可以对Stokes信号进行平移算法处理。该算法基本步骤：

（1）通过软件获得Stokes和Anti-Stokes光信号出现光纤色散现象的最高峰位置，分别计为D1max和D2max；

（2）计算两信号差值的绝对值L；

（3）最后利用公式将Stokes信号点平移，高峰位置与Anti-Stokes光信号在同一条直线上。公式如下：

如图2所示，在经过光纤色散补偿算法处理过后，两信号反射峰的位置在一条垂直线上下，而且两信号的波形图没有出现明显异变。

图2 光纤色散补偿之后的实验图

3 测验与精度对比分析

为了检验光纤色散修正算法对本DTS系统测温精度的提升效果。取DTS传感光纤的300m、600m、900m测温节点依次放入恒温水箱中，将恒温水箱设置50℃，温度值较为切合热风炉炉体实际值。每个设定温度独立重复测试3次。进行优化系统前后的对比分析，实验结果如表1所示。

表1 优化前与优化后温度数据分析对比

由表1可知3个测温节点在设定温度值50℃下的平均误差绝对值为1.12℃，且测得的最大误差能达到2.25℃。可以看出优化前系统的误差较大，测温精度较低。而经过两个算法优化后，系统测温的总平均误差下降到了0.35℃，最大误差也降为0.79℃。较系统优化前，测温精度有了很大的提升，完全可以满足热风炉日常温度监测的需求，为测温系统投入实际使用提供了强大的实验基础。

4 结论

本文以某钢铁公司3000m3外燃式热风炉为研究对象，针对传统的热风炉测温检测系统测量范围小、精度较差等问题，设计了基于分布式光纤的热风炉测温系统。利用光纤色散修正算法进行光纤色散补偿，用以优化系统，提高测温精度。通过优化实验的实验数据，将原本的系统平均误差1.12℃下降到了0.35℃，最大误差由2.25℃下降为0.79℃。实验结果表明优化后的系统能有效降低测温误差，提高测温精度。已在某钢厂热风炉上安装运行应并得到认可，满足现场测温需求，为远程实时监测热风炉的工况状态提供了强有力的保障。