分布式光纤拉曼温度传感器的运用

分布式光纤拉曼温度传感器的运用近年来我国的山体自然滑坡事故频发，对国家及社会造成重大影响。随着新高速、高铁建成，各种边坡的监测成了当务之急。我国是一个多山的国家，山地约占全国总面积的2／3，是世界上滑坡频繁的国家之一。滑坡活动与滑坡体的组成物质、力学性能、形态、层状、软弱面、结构面等因素有关，机制较为复杂。边坡内部位移监测一直是岩土工程界关注的重要课题。传统的移动式、固定式测斜仪、GPS决定位移检测等已经广泛应用于边坡内部位移的监测中，但传统测斜仪存在较大的不足，如数据采集仪器会出现漂移误差，测斜仪导轮磨损、偏移等会带来误差。光纤传感技术作为传感技术的新阶段，它满足了测量的高精度、远距离和长期性要求，为解决上述关键问题提供了良好的技术手段。系统特点：1.1.现场无需电源，施工简单，系统可靠;2.2.传感器不受电磁干扰、不受雷电打击;3.3.系统耐温范围大，适合恶劣环境;4.4.光缆既是传感又是传输信号，传感器可以串接一起，安装方便。几种边坡测量法的比较测量方法传感原理抗干扰能力现场供电设备维护精度长期可靠性价格光纤光栅法光波长绝对测量最强不需要不需要最高10年以上较高电测法电信号相对测量较差需要维护困难一般临时测试最低GPS法卫星通讯较强需要维护困难较低3年以内最高图像法图像设备差需要需要底2-3年中等桥梁健康在线监测系统桥梁健康监测的基本内涵即是通过对桥梁结构状况的监控与评估，为桥梁在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况异常严重时发出预警信号，为桥梁的维护维修和管理决策提供依据与指导。然而，桥梁结构健康监测不仅是为了结构状态监控和评估，其信息反馈于结构设计的更深远的意义在于，结构设计方法与相应的规范标准等可能得到改进。同时，桥梁健康监测得到是数据还可以用为桥梁设计的提供反思，为桥梁研究提供“现场实验室”。珏光桥梁健康在线监测系统主要采用光纤光栅传感器作为支撑传感器件,光纤传感器可以波分复用，串联连接，减少布线，同时采用自主研发的MEMS式加速度计等作为物联网感知层，系统可靠性高、施工简单、防雷击等优点，可长期在线运行。采用阿里云作为数据处理中心，数据可靠、系统可扩展性强。针对不同的客户系统，可灵活组合。对于业主单位的一群组桥梁，可实现统一软件管理。桥梁健康在线监测系统框图成功案例1.嘉善七星大桥健康检查系统2.杭州京江大桥健康监测系统监测内容传感器及型号布设方法和目的混凝土结构受力与变形JPFBGS-200,埋入式应变计JPFBGS-110，表面式应变计JPFBGS-300；铜片表面式应变计桥墩、桥桩、横梁及桥面等混凝土结构浇筑时，截断主筋安装钢筋应力计,绑扎埋入式混凝土应变计,成型结构可表面安装表面应变计,进行结构体受力和变形监测。钢结构变化JPFBGS-100；钢表面应变计在钢结构体上焊接FBG应变片,监测钢结构体的受力及变形。桥梁结构振动JPSC-100AMEMS加速度计；JPDAQ-1000；多功能数据采集仪将MEMS加速度传感器安装梁、桥面等下面,监测此类结构体振动频率、振幅及最大加速度等。裂纹及接缝宽度监测JPFBGD-300；裂缝计利用小量程位移传感器可对裂缝宽度高精监测。桥梁扰度JPFBGD-200；静力水准仪安装于桥扰度最大处和另外一个参考点，用通液管连接在一起，测量静力水准仪液位的变化环境变量JPFBGT-300；温度传感器、温湿度传感器、风速传感器等测环境温度和结构本身温度、环境湿度等安装在桥面上,监测桥面过风荷载。结构安全监测光纤传感系统(光纤光栅方案)结构健康监测与安全评估系统主要用来监测和评估建筑物的安全，如机场、体育馆、大桥、隧道等，测量其位移、应变、振动等力学参数的变化，定期历史数据、设定测点报警阈值等。结构健康监测与安全评估系统一般分成数据测量系统和数据管理与分析两大子系统，现场只作数据测量，数据管理和分析一般在远程机房进行，这可有效避免现场测量环境恶劣的问题。数据测量系统由传感器子系统和数据采集与传输子系统有机组成；数据管理与分析系统包括监测数据管理子系统和数据分析处理子系统。珏光科技可根据工程的实际需要，定制适合于工程特点的结构健康监测与安全评估系统，其网络服务器和数据服务器系统可根据本公司已有产品进行定制：光纤传感系统采用珏光琥珀系列光纤光栅解调仪，结合珏光纤光栅温度计、光纤光栅应变计、光纤光栅渗压/压力计、光纤加速度计等组成系统。本方案适用的场合：机场体育馆大桥隧道城市轨道交通（地铁）珏光的解决方案如下：1.1.采用的设备a.珏光琥珀™（Copal）网络一体机一台b.珏光琥珀™（Copal）FBGS珏光纤光栅温度计、光纤光栅应变计、光纤光栅渗压/压力计、光纤加速度计等（视工程的具体情况而定）c.网络服务器、数据服务器、防火墙等d.视频监控系统（根据实际需求而定）e.光纤接线盒、分路器等若干个f.多芯无金属光缆2.2.采用的软件架构a.采用微软的Sliverlight作为网络应用程序的架构b.采用微软的SQL服务器作为数据服务器3.3.工程实施的详细办法如图所示，系统以珏光琥珀系列光纤光栅解调仪为核心，由光纤接线盒和光纤分路器配合构架，系统采用3G/GPRS或其他网络方式和数据管理子系统连接，数据子系统由防火墙、路由器和服务器组成。光纤分路器可以将多个光纤光栅传感器汇集到一个光栅上，而各传感器之间彼此互不影响。与光纤光栅串接的情况相比，通过分路器连接的光纤光栅，可以避免在某个光纤光栅断接时，连接在该光纤光栅传感器后面的传感器也与系统相断接，因而有效提高了系统的可靠性；分路器的采用是有限制的，因为每次分光，光强就会减少一半，太多的分光，就会导致光强变弱；光纤光栅的埋设可根据工程实际需要实施。珏光琥珀系列光纤光栅解调仪的独特网络配置功能大大提高了监测效率，系统管理人员可通过远程控制系统随时改变系统的设置。此外，我们也提供利用非光纤传感器的解决方案：由一台类似的光纤光栅解调仪利用3G/GPRS网络将数据发送到数据管理子系统中。典型案例与业绩诸永高速公路隧道工程；温岭市石塘跨海大桥监控；电力开关柜在线测温报警系统（光纤光栅方案）在大电流情况下，高压开关柜的动、静触点及电气设备的连接头是最易出故障的薄弱环节，这些连接点如果接触不良，就会严重发热，其结果是加剧接触面氧化，使得接触电阻进一步增大，形成恶性循环；发展到一定阶段后，则会造成严重的故障，破坏供电的安全可靠。动静触点接头、高压电缆接头、连接器导体部分接触不良引起异常过热，加速绝缘老化导致击穿，这是高压开关柜的主要故障形式。电力工业中的设备大多处在强电磁场中，一般电器类传感器无法使用。高压开关的在线监测，高压变压器绕组、发电机定子等地方的温度和位移等参数的实时检测都需要绝缘性能好、体积小的传感器，而光纤光栅具有的抗电磁干扰和独特的安全性能恰恰能满足在这种环境条件下的使用。采用光纤光栅温度传感器可以将其直接粘贴在接头等易发热部位上，实时监测测点温度的变化，从而实现故障的早期预测和报警。当故障发生时，它能提供报警并迅速准确确定故障点位置，并按相应预案采取安全处理措施。珏光科技的解决方案如下：1.1.采用的设备a.珏光琥珀™（Copal）网络一体机一台b.珏光琥珀™（Copal）FBGS绝缘光纤光栅传感器若干个（视开关柜数目而定）c.光纤分路器（1×6，1×2）若干个d.多芯无金属光缆e.数据服务器（可选）2.2.工程实施的详细办法如图所示，每个开关柜需要检测的点，都需要安装光纤光栅传感器，一般我们采用单端的光纤光栅传感器，通过一个1×6的光分路器和一个1×2的光分路器将光纤光栅传感器12个探头汇聚在多芯光缆的一根光纤里，这主要也是因为珏光琥珀系列光纤光栅解调仪每通道最多可接20个传感器，而有多个开关柜就可重复这样的单元。考虑到系统往往是集成到电力系统的消防系统中，珏光琥珀系列光纤光栅解调仪提供相应的软硬件接口，以实现声光报警；同时也可选用数据服务器输出测温数据，作为历史记录。3.3.不同实际情况的可能调整如果需要增加短信报警功能，珏光琥珀系列光纤光栅解调仪也可提供相应功能；不同的电力开关柜系统可能有不同的需求，我们可以考虑增加新的功能以满足实际需求。系统特点1.无电监测、安全性好;光纤光栅温度传感器本征绝缘、监测现场无需供电，安全可靠；2.测量准确、稳定性好;测温准确性达到±0.5℃；不受电磁干扰，传感器无零漂移，长期使用无需校正；3.实时在线、24小时守护；全天候值守，杜绝人为疏忽；4.扩展性强：系统可以采用单通道至24通道，可最多测量432个点，可方便和电力内部网络联系，现已支持IEC60870-5-104规范；5.测量速度快，采用同步扫描、并行探测技术，数秒钟内可以完成温度数据采集与传输；6.可实现温升速率的测量，为温度监测提供强有力的技术支持；7.远程传输，距离可达数公里至数十公里，易于组网。系统监测内容序号监测项目安装位置1开关柜动静触头上、下ABC三项静触头铜排2母线接头接头部位3电缆接头接头部位4易过热点易过热点部位采用光纤测温的必要性1.提高设备安全保障，及时、持续、准确反映设备运行状态下的健康程度，降低设备事故率，符合“无人职守变电站”目标；2.提供运行设备的在线监测，降低人力成本，自动化程度高，减少停电检修的盲目性，为设备维护提供科学的依据，符合设备“状态检修”目标；3.在电力系统向着500kV及以上超高压、大容量发展中，绝缘、实时、在线的监测手段具有重要的意义，使得监测无盲区，符合电力发展趋势；4.在事故酝酿期发现隐患并及时报警，防患于未然，具有重大的经济效益和社会效益；5.中高压开关柜目前都为密封状态，运行状态下进行人工巡检几乎不可能，因此，柜内设备的运行状态的信息就成为监测盲区；6.红外测温在开关柜运行状态下无法获得内部设备的温度信息，不能及时发现故障并预警，造成损失。技术比较红外测温光纤光栅测温非接触式测温接触式测温，温度真实可靠所测为柜体温度，无法测得内部触点温度所测温度为内部各触点、连接点温度人工巡检形式，人为误差大，现场操作频繁全自动、每时每刻在线监控若需要监控多面开关柜，则需要多台设备或不同时间监控分布式监控、一套设备可实现64面开关柜的同时监控自动化程度低，无法接入DCS，ESC，SIS，MIS等系统自动化程度高，可接入DCS，ESC，SIS，MIS等系统系统性能指标测温范围-40℃-120℃测温精度±0.5℃测温分辨率0.1℃响应时间50s报警触发条件温度超过75℃（可设定）温升速度超过8℃/Min超过区域平均温度传输光纤类型单模绝缘耐高温光纤感温传感器接口FC/APC通讯接口以太网，RS232，GPRS短信报警内置可选模块地热电厂地热电厂历来仅限于构造板块的边缘，但在增强型地热系统（EGS）的最新进展中它展示了可以开拓更大地域范围的能力。EGS井在这些扩展领域上往往比传统的井更为复杂，因此需要更多的主动监测。行业专家们一致认为改善地下可视化对于成功和可靠的开发EGS是至关重要的。基于光纤的分布式温度传感（DTS）技术，使压裂作业和生产期间实时地可视化地下裂缝分布成为现实。DTS技术已被证明在石油和天然气行业中对其地下监测极具价值。自20世纪90年代中期以来，DTS系统已被广泛使用。地热井的地下条件与SAGD井非常相似。珏光科技的分布式温度传感（DTS）系统可以满足各种地热应用的监测。以下是一些DTS数据可视化地下条件的途径：通过测量分布式温度及某些点的压力，估算一个新井的生产潜力。通过对多口井的测试运行压力积聚与压力监测,确定不同井之间的连接。在裂缝的激励和压裂过程中，监视压裂裂缝的发展。在压裂过程或结束后，监控化学注射。监控化学药品清洗出钻井过程中产生的泥饼。监视注水过程，DTS会追踪和重点显示哪个区域或裂层注入了液体。监视生产井，以确定哪些区域和裂层产生了液体。检测短路，从而规划备用方案及计划。监视套管和油管泄漏，避免污染地下水和地下蓄水层。另外可以附加DTS通道/传感光缆，还可监视表面管道，以最小的额外成本获取更多的收获。安装DTS在现场的另外一个好处是