光纖測溫系統(tǒng)在散糧測溫中的選擇及優(yōu)化應用

劉同姓 高紹和 梁明陽

[摘要]本文分析了光纖測溫系統(tǒng)在散糧儲藏時內(nèi)部溫度檢測及報警領域的應用原理和特性，并針對散糧儲藏的特殊性提出了光纖測溫系統(tǒng)的優(yōu)化設計方案。通過對比各類測溫方式的優(yōu)劣勢，從多方面綜合分析，選定使用分布式光纖測溫技術(shù)進行散糧儲藏測溫，特別針對糧倉測溫的現(xiàn)行標準、布置方法、線纜安裝、通信方法及系統(tǒng)軟件進行設計、開發(fā)，極大地提高了系統(tǒng)在糧倉使用的合規(guī)性、可靠性和易用性。光纖測溫系統(tǒng)具備快速響應、穩(wěn)定可靠、連續(xù)測溫、定位準確以及三維立體的系統(tǒng)展示界面，與傳統(tǒng)測溫系統(tǒng)相比取得了質(zhì)的飛躍，能夠更好地滿足糧食行業(yè)的專業(yè)需求。

[關鍵詞]分布式光纖測溫;糧食測溫;測溫系統(tǒng);優(yōu)化

中圖分類號：U653.92 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202008

隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，目前光纖測溫具有非常好的穩(wěn)定性，不會因為電磁輻射、腐蝕氣體等環(huán)境因素的變化而發(fā)生性能改變，且測量迅速，縮短了測溫周期。但是光纖測溫技術(shù)尚未在糧食行業(yè)得到實際應用，究其原因，是糧食行業(yè)的特殊性決定了光纖測溫無法被直接應用，需要對其進行優(yōu)化設計。

1 光纖測溫原理及選擇

目前主流的光纖測溫主要分為以光纖光柵作為傳感器的光線光柵測溫和以光纖作為傳感器的分布式光纖測溫。

光纖光柵測溫方式，是利用光纖材料的光敏性，在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的濾波器或反射鏡。當一束寬光譜光經(jīng)過光纖光柵時，滿足光纖光柵布拉格條件的波長將產(chǎn)生反射，其余的波長透過光纖光柵繼續(xù)傳輸，通過對布拉格波長的調(diào)制來獲取傳感信息。

分布式光纖測溫技術(shù)，是使用同一根光纜進行溫度監(jiān)測和溫度數(shù)據(jù)的傳輸，綜合利用光纖拉曼散射效應進行溫度測量，利用光時域反射測量技術(shù)進行溫度定位。

通過對比光纖光柵測溫與分布式光纖測溫兩種方式，發(fā)現(xiàn)分布式光纖測溫在測溫連續(xù)性、穩(wěn)定性、安裝便捷性、耐腐蝕性、擴展性、維護性、經(jīng)濟性等方面具有優(yōu)勢，因此選擇將分布式光纖測溫應用于散糧測溫[1-2]。

2 分布式光纖測溫系統(tǒng)的組成

分布式光纖測溫系統(tǒng)由測溫軟件、糧倉專用光纖測溫主機、糧倉專用分布式感溫光纖、安裝固定支架和安裝附件組成。利用光纖實現(xiàn)測量和信號傳輸于一體的特性，將一根光纖自光纖測溫主機引出，串聯(lián)連接到多個倉，光纖測溫主機將所有采集到的溫度數(shù)據(jù)進行集中存儲、管理。測溫軟件部署在服務器上，可以通過庫區(qū)網(wǎng)絡在任意一臺計算機上查看。體系架構(gòu)如圖1所示。

3 光纖散糧測溫系統(tǒng)優(yōu)化設計

目前散糧測溫基本采用DS18B20傳感器進行離散式點位布置，在每一根測溫電纜內(nèi)，每間隔2m嵌入一個測溫傳感器，此方式造價比較低廉，但是也存在很多問題。將分布式光纖測溫與傳統(tǒng)測溫兩種方式進行對比，發(fā)現(xiàn)分布式光纖測溫具有測溫連續(xù)、穩(wěn)定性好、抗熏蒸能力強、檢測速度快等優(yōu)點，但是目前基本上是在管廊、皮帶、豎井等場景使用，在散糧糧倉的使用上還存在一些問題，另外其成本過高也不利于推廣。因此，通過對現(xiàn)有光纖測溫系統(tǒng)在電力、煤炭、隧道、軌道交通、管廊等場景應用的研究，又針對散糧儲藏的特點，對現(xiàn)有分布式光纖測溫系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，以適應糧庫應用的要求。

3.1 系統(tǒng)精度參數(shù)

光纖測溫目前主要用于溫度超限預警，防止設備過熱引起風險，其測溫精度為1℃、溫度分辨率為0.5℃，均低于糧食行業(yè)要求。為此，在研制光纖測溫主機時對主機元器件選擇及處理器算法進行了優(yōu)化。

在元器件選擇方面，激光器及控制模塊、光開關及控制模塊、雪崩光電二極管、波分等均采用國外知名品牌，設備的精度及質(zhì)量較高，同時又優(yōu)化設計了激光濾波器、信號采集板。

在激光光源方面，在采用大功率超短脈沖激光和1Gsps高速采集電路板的同時，加入ns級可編程脈沖生成功能模塊。通過耦合波理論建模分析，提高受激拉曼散射閾值，從而提高入纖功率;研究激光器的濾波技術(shù)，抑制ASE噪聲，從而提高溫度測量精度[3-4]。

在微弱信號處理方面，使用高性能TEC、高效率導熱材料、高性能保溫材料和合適的封裝結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高靈敏的APD溫度控制。

在高速信號采集方面，采用多ADC的精確定時控制技術(shù)，利用高速信號源及高速示波器不斷測試來校正數(shù)據(jù)，以滿足精度要求。

3.2 線纜布置方式

根據(jù)傳統(tǒng)散糧糧情檢測要求，按照不同倉型，可按以下要求布置糧溫傳感器：

（1）平房倉水平方向測溫電纜行列間距不大于5m，垂直方向糧溫傳感器間距不大于2m，距糧面、倉底、倉壁0.3～0.5m。

（2）淺圓倉、立筒倉測溫電纜按環(huán)形布置，水平方向相鄰電纜間距不大于5m，垂直方向間距不大于3m，距糧面、倉底、簡壁0.3～0.5m。

因此，在光纖測溫中按照傳統(tǒng)糧情距離糧面、倉底、倉壁的要求進行布置，優(yōu)化行列間距為2.5m。光纖測溫在理論上可以實現(xiàn)連續(xù)測溫，但因數(shù)據(jù)量及建設成本的原因，布置垂直方向測溫點間隔為1m。以此方式布置后，光纖測溫測量點的密度遠遠大于傳統(tǒng)糧情，其測量樣本將比傳統(tǒng)糧情更加準確和真實。

線纜敷設區(qū)分平房倉和淺圓倉兩種倉型。平房倉下線采用對折下線方式，折彎處配置輔助下線安裝固定支架和安裝附件;淺圓倉采用入糧前提前下線的方式，采用保護管保護形式，在保護管外側(cè)預留導熱孔，在空倉狀態(tài)下安裝并固定保護管，同時進行測溫光纖的布線，布線完成后，倉方可進糧[5]。

3.3 測溫光纖設計

測溫光纖應用于散糧儲藏時，需要滿足防熏蒸、抗拉能力強、材料為食品級等多方面的要求。

首先，進行測溫光纖材料的選型。對石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖和氟化物光纖等材質(zhì)進行考察，最終確定使用石英系材料（SiO2），其具有非常好的穩(wěn)定性，可抗電磁輻射、腐蝕氣體熏蒸等。

其次，對各類形式的光纖進行選擇。分布式光纖測溫與傳輸均為同一根光纜，傳輸和感溫合一，光纜經(jīng)過特殊設計可快速進行導溫。光纜設計除考慮導溫性能和傳輸性能外，還需要考慮測溫電纜在糧倉內(nèi)承受的拉力，其中平房倉的最小破斷拉力不小于1.9kN，淺圓倉的最小破斷拉力根據(jù)不同高度需要分別作要求。通過對比各類光纖，決定選用高導熱型鎧裝感測光纜，并對此類光纜進行了改造，增加其抗拉力。

3.4 系統(tǒng)布置

測溫系統(tǒng)軟件部署在服務器端、服務器與各測溫主機之間使用光纖網(wǎng)絡、無線局域網(wǎng)絡或4G/5G方式通信。系統(tǒng)采用多個倉共用一個測溫主機的控制方式，各倉之間光纖采用串聯(lián)方式。目前該系統(tǒng)最大可支持16個通道，每個通道可連接10km光纖，以此計算，一個主機最多可連接80個30m×60m的平房倉。

3.5 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計適用于糧倉散糧儲藏，具備三溫圖展示、3D倉房及布線展示、點位狀態(tài)展示、行列層溫度數(shù)據(jù)展示、圈徑層溫度數(shù)據(jù)展示、房式倉云圖展示、筒倉云圖展示等功能。

4 結(jié) 論

通過本文闡述不難發(fā)現(xiàn)，光纖測溫與傳統(tǒng)測溫相比具有較多優(yōu)點，但是在成本上還無法與傳統(tǒng)糧情檢測方法相比，同時在糧食行業(yè)應用存在一些限制和問題，因此在元器件選擇、算法編寫、光纖選擇、線纜布置方式、系統(tǒng)架構(gòu)等方面做了優(yōu)化。隨著光纖測溫技術(shù)的不斷發(fā)展和優(yōu)化，在不久的將來光纖測溫一定會被大范圍應用。

參考文獻

[1]劉芬，孫世嶺，張遠征.基于拉曼散射的分布式光纖測溫主機設計與應用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2015（3）：28-30.

[2]李志鵬.分布式光纖測溫系統(tǒng)的研究與進展[J].電氣應用，2015， 34（1）：57-59+63.

[3]聶朱佳.探頭預埋式倉儲散糧測水測溫儀的研制[J].糧油倉儲科技通訊，2002（4）：40-41.

[4]李瑋敏，王亞寧，李杰，等.高大平房倉空調(diào)控溫儲糧技術(shù)試驗[J].糧食科技與經(jīng)濟，2020，45（3）：65-66.

[5]孟昭玉，趙杰.嵌入式測溫系統(tǒng)在散糧筒倉輸送系統(tǒng)中的開發(fā)及應用[J].糧食流通技術(shù)，2011（5）：15-17.