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面向拉曼測溫儀的智能溫度預警方法與流程

文檔序號:12591833閱讀:398來源:國知局
面向拉曼測溫儀的智能溫度預警方法與流程

本發(fā)明涉及分布式光纖傳感系統(tǒng)中的溫度預警方法,具體是一種面向分布式光纖拉曼測溫儀的智能溫度預警方法。



背景技術(shù):

分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)是利用光纖中的自發(fā)拉曼散射效應,結(jié)合光時域反射技術(shù)(Optical Time Domain Reflectometry,OTDR)實現(xiàn)的可用于分布式、連續(xù)式、實時測量空間溫度場分布的一種新型傳感系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的電子溫度傳感器相比,分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)具有抗電磁干擾、耐高壓、精度高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,所以被廣泛應用于電力電纜溫度監(jiān)測、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、大壩泄漏監(jiān)測等領(lǐng)域。

在面向分布式光纖拉曼測溫儀的預警方法中,國內(nèi)廠商大多選擇的是一種固定閾值的預警方式。即操作人員選擇好一個固定的預警溫度,一旦測溫系統(tǒng)監(jiān)測到的溫度超過所選擇的溫度,報警系統(tǒng)就會工作,如威海北洋集團和寧波振東光電有限公司所生產(chǎn)的分布式光纖測溫系統(tǒng)采用的就是固定閾值預警方式。這種預警方式的報警速度往往比較依賴于拉曼測溫儀中采集卡的采集速度和溫度解調(diào)程序處理的快慢,例如上海華魏光纖傳感有限公司的分布式光纖測溫系統(tǒng)(DTS600)在保證測量精度的前提下測量時間會達到30s,即外界溫度達到報警閾值溫度時,拉曼測溫儀30s后才能檢測到報警信息。由于缺乏高效快速響應的預警方法,很多工程事故未能做到“防患于未然”。對于一些對預警時間有著高要求的工業(yè)場所,如森林防火現(xiàn)場、航空航天等測溫現(xiàn)場,這種響應時間較慢和預警方法單一的預警系統(tǒng)對于消防安全是極其不利的。

綜上所述,現(xiàn)有的分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)中的固定閾值預警方法由于其自身采集卡的采集速率所限,設計的預警程序存在報警時間響應太慢,及無法對未來溫度進行預測預警的問題。為此有必要發(fā)明一種全新的面向拉曼測溫儀的報警方法,以解決現(xiàn)有的拉曼測溫儀存在的上述問題,為保障重大工程項目提供可靠的監(jiān)測保障。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)中預警方法單一、報警時間響應太慢且無法對未來溫度進行預測預警的問題,提供了一種面向拉曼測溫儀的新型智能溫度預警方法。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:

一種面向分布式光纖拉曼測溫的智能溫度預警方法,包括如下步驟:

步驟一:搭建分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng);

分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)包括拉曼測溫儀、第一高精度恒溫槽、第二高精度恒溫槽、待測光纖、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器;

所述拉曼測溫儀包括脈沖激光器、WDM、第一APD、第二APD、第一LNA、第二LNA、數(shù)據(jù)采集卡、計算機;其中,脈沖激光器的輸出端與WDM的輸入端連接;WDM的兩個輸出端分別與第一APD的輸入端和第二APD的輸入端連接;第一APD的輸出端與第一LNA的輸入端連接;第二APD的輸出端與第二LNA的輸入端連接;第一LNA的輸出端和第二LNA的輸出端均與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端連接;數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與計算機的輸入端連接;計算機與脈沖激光器雙向連接;

待測光纖的前端與WDM的公共端連接;待測光纖的中間部分分別繞制有第一參考光纖環(huán)和第二參考光纖環(huán);第一參考光纖環(huán)放置于第一高精度恒溫槽中;第二參考光纖環(huán)放置于第二高精度恒溫槽中;第一溫度傳感器安裝于第一高精度恒溫槽上;第二溫度傳感器安裝于第二高精度恒溫槽上;第一溫度傳感器和第二溫度傳感器均與計算機雙向連接;

步驟二:將第一高精度恒溫槽的溫度值設置為T1,將第二高精度恒溫槽的溫度值設置為T2;然后,啟動拉曼測溫儀,脈沖激光器發(fā)出的激光脈沖經(jīng)WDM入射到待測光纖;激光脈沖在待測光纖中傳播時發(fā)生自發(fā)拉曼散射,由此使得待測光纖的各個位置均產(chǎn)生背向傳輸?shù)腟tokes光和anti-Stokes光;

Stokes光依次經(jīng)WDM、第一APD、第一LNA入射到數(shù)據(jù)采集卡,數(shù)據(jù)采集卡對Stokes光進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,由此得到Stokes光的光強曲線。

anti-Stokes光依次經(jīng)WDM、第二APD、第二LNA入射到數(shù)據(jù)采集卡,數(shù)據(jù)采集卡對anti-Stokes光進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,由此得到anti-Stokes光的光強曲線。

步驟三:拉曼測溫儀根據(jù)采集得到Stokes光的光強數(shù)據(jù)和anti-Stokes光的光強數(shù)據(jù)解調(diào)沿光纖分布的溫度數(shù)據(jù)。

步驟四:分別啟動固定閾值預警、溫差預警和全光纖溫度預測預警這三種預警方法,并輸入系統(tǒng)固定報警閾值、溫差報警閾值和預測報警時間;

步驟五:固定閾值報警方法:解調(diào)的溫度信息與固定報警閾值比較,若超過報警閾值,報警程序啟動;

步驟六:溫差報警方法:解調(diào)的前一次溫度數(shù)據(jù)與后一次溫度數(shù)據(jù)作差并取絕對值,若大于溫差報警閾值,則報警程序啟動。

步驟七:全光纖溫度預測報警方法:逐次比較連續(xù)時間內(nèi)解調(diào)的5次溫度數(shù)據(jù)是否逐次遞增,若符合條件,開啟全光纖溫度預測方法二,若不符合條件,開啟全光纖溫度預測方法一。根據(jù)輸入的預測報警時間和上述的溫度預測方法預測全光纖溫度數(shù)據(jù),并判斷預測溫度是否超過固定報警閾值。

步驟八:溫度解調(diào)算法和三種預警程序重新啟動,開始新一輪的溫度解調(diào)和溫度預測。

上述步驟七中的全光纖溫度預測方法一和二是用最近的實際數(shù)值來預測未來數(shù)值的一種方法。在全光纖溫度預測方法一中,參加計算的一組歷史數(shù)據(jù)是隨著預測期的向前推進而不斷更新的,每當吸收一個新的歷史數(shù)據(jù)參加預測計算的同時,就剔除原來一組歷史數(shù)據(jù)離預測期最遠的那個歷史數(shù)據(jù)。全光纖預測方法二是在全光纖預測方法一計算的平均數(shù)再進行一次算法平均,再以這兩次的預測計算值為基礎(chǔ)建立預測模型,計算預測值的方法。

與現(xiàn)有分布式光纖拉曼測溫中的溫度預警方法相比,本發(fā)明所述的面向分布式光纖拉曼測溫的溫度預警方法具有如下優(yōu)點:

其一,本發(fā)明的預警方法包括固定閾值報警、溫差閾值報警和全光纖溫度預測報警這三種方法循環(huán)工作,除了可以實時進行溫度監(jiān)控外還可以利用預測預警程序?qū)ξ磥淼臏囟冗M行溫度監(jiān)控,使安全監(jiān)控達到“無死角”狀態(tài)。

其二,本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)中的溫度預警方法依賴于采集卡采樣速率和溫度解調(diào)程序快慢的問題,適用于分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)。

附圖說明

圖1表示本發(fā)明中分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2表示本發(fā)明中分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)的預警程序流程圖。

圖中:1-脈沖激光器,2-WDM(波分復用器),3-第一APD(雪崩光電二極管),4-第二APD(崩光電二極管),5-第一LNA(低噪放大器),6-第二LNA(低噪放大器),7-數(shù)據(jù)采集卡,8-計算機,9-第一高精度恒溫槽,10-第二高精度恒溫槽,11-待測光纖,12-第一溫度傳感器,13-第二溫度傳感器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例進行詳細說明。

一種面向分布式光纖拉曼測溫的新型智能溫度預警方法,該方法如圖2所示,包括如下步驟:

步驟一:搭建分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng),如圖1所示;

分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)包括拉曼測溫儀、第一高精度恒溫槽9、第二高精度恒溫槽10、待測光纖11、第一溫度傳感器12、第二溫度傳感器13;

所述拉曼測溫儀包括脈沖激光器1、WDM2、第一APD3、第二APD4、第一LNA5、第二LNA6、數(shù)據(jù)采集卡7、計算機8;其中,脈沖激光器1的輸出端與WDM2的輸入端連接;WDM2的兩個輸出端分別與第一APD3的輸入端和第二APD4的輸入端連接;第一APD3的輸出端與第一LNA5的輸入端連接;第二APD4的輸出端與第二LNA6的輸入端連接;第一LNA5的輸出端和第二LNA6的輸出端均與數(shù)據(jù)采集卡7的輸入端連接;數(shù)據(jù)采集卡7的輸出端與計算機8的輸入端連接;計算機8與脈沖激光器1雙向連接;

待測光纖11的前端與WDM2的公共端連接;待測光纖11的中間部分分別繞制有第一參考光纖環(huán)和第二參考光纖環(huán);第一參考光纖環(huán)放置于第一高精度恒溫槽9中;第二參考光纖環(huán)放置于第二高精度恒溫槽10中;第一溫度傳感器12安裝于第一高精度恒溫槽9上;第二溫度傳感器13安裝于第二高精度恒溫槽10上;第一溫度傳感器12和第二溫度傳感器13均與計算機8雙向連接;

步驟二:將第一高精度恒溫槽9的溫度值設置為T1,將第二高精度恒溫槽10的溫度值設置為T2;然后,啟動拉曼測溫儀,脈沖激光器1發(fā)出的激光脈沖經(jīng)WDM2入射到待測光纖11;激光脈沖在待測光纖11中傳播時發(fā)生自發(fā)拉曼散射,由此使得待測光纖11的各個位置均產(chǎn)生背向傳輸?shù)腟tokes光和anti-Stokes光;

Stokes光依次經(jīng)WDM2、第一APD3、第一LNA5入射到數(shù)據(jù)采集卡7,數(shù)據(jù)采集卡7對Stokes光進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,由此得到Stokes光的光強曲線。

anti-Stokes光依次經(jīng)WDM2、第二APD4、第二LNA6入射到數(shù)據(jù)采集卡7,數(shù)據(jù)采集卡7對anti-Stokes光進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,由此得到anti-Stokes光的光強曲線。

步驟三:拉曼測溫儀根據(jù)采集得到Stokes光的光強數(shù)據(jù)和anti-Stokes光的光強數(shù)據(jù)解調(diào)沿光纖分布的溫度數(shù)據(jù)。

具體溫度解調(diào)公式如下:

公式中:T表示待測光纖11的某一位置的溫度值;φs表示該位置產(chǎn)生的Stokes光的光強值;φa表示該位置產(chǎn)生的anti-Stokes光的光強值;L表示該位置與待測光纖11的前端之間的距離;φs1表示第一參考光纖環(huán)的位置產(chǎn)生的Stokes光的光強值;φa1表示第一參考光纖環(huán)的位置產(chǎn)生的anti-Stokes光的光強值;φs2表示第二參考光纖環(huán)的位置產(chǎn)生的Stokes光的光強值;φa2表示第二參考光纖環(huán)的位置產(chǎn)生的anti-Stokes光的光強值;L1表示第一參考光纖環(huán)的位置與待測光纖11的前端之間的距離;L2表示第二參考光纖環(huán)的位置與待測光纖11的前端之間的距離;h表示普朗克常數(shù);Δv表示光纖的拉曼頻移量;K表示玻爾茲曼常數(shù)。

具體實施時,脈沖激光器的波長為1550.1nm、脈寬為10ns、重復頻率為8KHz。

WDM的工作波長為1550nm/1450nm/1663nm。

第一APD的帶寬為80MHz、光譜響應范圍為900~1700nm。

第二APD的帶寬為80MHz、光譜響應范圍為900~1700nm。

第一LNA的帶寬為100MHz。

第二LNA的帶寬為100MHz。

數(shù)據(jù)采集卡的通道數(shù)為4、采樣率為100M/s、帶寬為100MHz。

待測光纖為普通多模光纖。

步驟四:輸入固定報警閾值Th、溫差報警閾值Td和預測報警時間TY,在溫度解調(diào)程序啟動的同時,三種溫度預警程序(包括固定閾值報警、溫差閾值報警、全光纖溫度預測報警)也同時開啟。

步驟五:固定閾值報警程序:若拉曼測溫儀沿光纖各點解調(diào)的溫度信息T≥Th,則固定閾值報警程序啟動,報警指示燈亮,系統(tǒng)顯示出報警點位置。

步驟六:溫差報警程序:連續(xù)時間內(nèi)拉曼測溫儀解調(diào)同一位置的前一次溫度數(shù)據(jù)T1與后一次測量的溫度數(shù)據(jù)T2作差并取絕對值,得:Ta=|T1-T2|,若Ta≥Td,則溫差閾值報警程序啟動,報警指示燈亮,系統(tǒng)顯示出報警點位置。

步驟七:全光纖溫度預測程序:連續(xù)時間內(nèi)拉曼測溫儀測量同一位置的五次溫度數(shù)據(jù)分別設為Tt-4、Tt-3、Tt-2、Tt-1、Tt(Tt為時間為t時,拉曼測溫儀解調(diào)的溫度信息。Tt-n為時間為t時的前n次拉曼測溫儀解調(diào)的溫度信息),逐次比較這5組溫度數(shù)據(jù)是否逐次遞增,即是否符合條件Tt-4<Tt-3<Tt-2<Tt-1<Tt,若符合條件則進入全光纖溫度預測程序二,否則進入全光纖溫度預測程序一。

全光纖溫度預測程序一的預測方法:(Tt代表時間為t時的測量溫度數(shù)據(jù),Tt-n代表時間為t時的前n次解調(diào)的溫度數(shù)據(jù)),Tpr為自定義預測時間的溫度數(shù)值。且參加平均的一種歷史數(shù)據(jù)是隨著時間的向前推進而不斷更新的,每當拉曼測溫儀解調(diào)一個新的歷史數(shù)據(jù)同時,就剔除原來一組歷史數(shù)據(jù)中里預測期最遠的那個歷史數(shù)據(jù)。

全光纖溫度預測程序二的預測方法:Tpr=at+bt[(TY-TN)/t1],(TY為用戶自定義的預測時間,TN為當前時間,t1為拉曼測溫儀解調(diào)一次溫度數(shù)據(jù)所需要的時間,且TN、TY與t1的時間單位必須保持一致)。其中at=2T(1)t-T(2)t,且

系統(tǒng)根據(jù)上述計算的全光纖預測溫度數(shù)據(jù)Tpr與輸入的固定報警閾值Th比較,若Tpr>Th,則報警程序啟動,報警指示燈亮,系統(tǒng)顯示出報警點位置。

步驟八:溫度解調(diào)算法和報警預測程序重新啟動,開始新一輪的溫度解調(diào)和溫度預測。

如上述步驟七所述,運用全光纖溫度預測法一求得的溫度預測值,適用于連續(xù)時間內(nèi)溫度隨機起伏的溫度場中,一般存在滯后偏差,特別是拉曼測溫儀解調(diào)的連續(xù)溫度數(shù)值呈現(xiàn)線性趨勢時,全光纖溫度預測法一計算預測的數(shù)值總是落后于顯示測量值的變化。全光纖溫度預測法二正是可以糾正這一滯后誤差,建立預測溫度的線性時間關(guān)系數(shù)學模型,求得預測值。全光纖溫度預測法二解決了預測值滯后于實際觀察值的矛盾,適用于明顯于趨勢變動的溫度現(xiàn)場預測。所以將全光纖溫度預測法一和全光纖溫度預測法二有效地結(jié)合起來建立一套溫度預測模型,可以解決現(xiàn)有分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)中的溫度預警方法依賴于采集卡采樣速率和溫度解調(diào)程序快慢的問題,適用于分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)。

以上所述僅是對本發(fā)明的較佳實施例而已,并非對本發(fā)明作任何形式上的限制,凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改,等同變化,均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。

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