基于光纤光栅传感的主井提升系统高压供电设备温度监测研

摘要：本文针对主井提升系统的高压供电设备中存在的安全隐患，尤其在设备长期运行时因高压开关柜、接触器及变压器的触头等接触不良，会出现触头温度过高，产生过热现象。由于电压过高和电磁干扰等因素难以用常规的测温方法来监测其温度，本文利用光纤的抗电磁干扰、电气绝缘、耐腐蚀和本质安全的特性，采用分布式光纤光栅传感测温，同时结合小波神经网络和互相关过程对信号进行调制、去噪的技术，实现对其温度的安全、准确测量，结果表明，该系统能较好、准确地反映提升系统的高压供电设备中的温度监测。

关键词：光纤光栅 主井提升机 温度监测 去噪算法

中图分类号：TP212.11；TN911.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）05-0076-02

众所周知，在煤矿的生产中主井提升系统有要较大的供电负荷，因此对其高压供电设备运行的稳定性和安全性要求较高，其提升设备的安全运行直接影响着煤矿的安全生产。由于负载过大，许多高压设备在连续运行过程中常常出现过热现象，高压开关柜、接触器及变压器的触头接触不好，在负载电流流过时，会出现触头温度升高，也会产生过热现象，这些过热会引起绝缘老化甚至击穿，从而引发短路，对整个煤矿的运行将造成大的损失。针对以往对高压供电环节的温度监测方法的不足，本文利用光纤传感器防电磁干扰、体积小、耐腐蚀、电绝缘、本质安全等优点对各高压部分的触点进行温度进行动态监测，正确得到各部件的真实温度状态，避免和减少事故的发生，从而可以提高煤矿安全高效生产作业。

1 系统硬件

从系统设计的性能指标、经济指标以及厂家要求等各个方面综合考虑，使用西门子公司的中型系列S7-300PLC用作主控和信号采集系统，对于温度采集采用的是OPTIC3000光纤式温度传感器，该温度传感探头具有标准的SC光纤接口，测温范围在-40℃～+125℃，精度在±0.5℃。

监控装置的基本原理：由光纤温度传感器把温度信号转换成跟随式的光信号，再经过多模光纤传输到PLC控制柜的温度变送器，温度变送器将光信号转换成4-20mA的电流信号，然后再将电流信号传输到PLC控制柜中的PLC模拟量模块；由PLC的CPU控制A/D的采集和数据的读取，最后把采集的数据进行处理，以求得所需温度参数，由此判断主井高压供电设备运行的安全状况，同时通过安全运行状态的判断，系统将产生继电输出信号并入到煤矿立井提升电控系统的安全回路，达到在出现温度异常时及时断开安全回路，停机检修，并与煤矿信息中心进行通讯，接收中心下达的控制命令，传送中心所需的安全运行状态参数，达到实时监控的目的。

2 光纤光栅传感测温原理

2.1 光纤光栅温度传感器

光纤光栅（FBG）一般是一种反射式的光纤滤波器件，通常是对一段10mm长的裸纤进行紫外线曝光写入干涉条纹，因此会产生特定的空间折射率调制纤芯，经过反射耦合，形成了布拉格反射。根据这个原理，经过一定的工艺加工设计，可使FBG对外界相应的温度量敏感，从而可以对温度进行测量。

2.2 温度传感信息的解调

根据FBG的特点，一般我们会选择利用反斯托克斯光与瑞利后向散射比的方法用来作为温度信息的解调，可使得测量的灵敏度和精度相对提高，系统能够更加的稳定，从而使系统的测量结果而与其他散射因子或损耗因子等等并无什么关系，仅与温度有关。光纤光栅传感器的解调是关键，下图1中使用的光纤光栅解调仪就是根据上述原理所制成的，该仪器的主要功能就是将光纤测出的温度信号转换为能够被PLC所采样的标准的4-20ma电流信号，进而能够组成分布式光纤光栅测温系统。

3 光纤温度弱信号的去噪算法

为了使分布式光纤测温系统达到有效的时间分辨率、空间分辨率和温度分辨率，采取一定的方法放大信号消除噪声是必要的。由瑞利散射产生的包含有温度相关信息的反斯托克斯光信号十分微弱，它是影响系统温度分辨率的主要因素。

3.1 小波神经网路去噪方法

小波神经网络是一种新型算法，是对神经网络与小波分析的优势的结合：一方面小波变换对于信号的局部信息能够有效的提取；另一方面神经网络具有自学习、自适应和容错能力等特点，并且是一类通用的函数逼近器。基于小波神经网络的这些特性，使得小波神经网络在处理有着极大的数据量且难以有效提取、处理速度慢、精度和可靠性难以保证的分布式光纤光栅测温的信号时有着极大的优势。

3.2 相关性原理检测技术

信号和噪声是有本质区别，任何把信号从噪声中提取出来都是利用了它们的各种区别。相关检测技术的原理是从信号与噪声的规律性不同进而去除噪声的。一般噪声是无规律的没有周期性的无法用确定的时间函数来描述的一种信号，它是随机的且无法被重复；相反的温度传感信号会包含一定量的信息，因此自身是存在一定规律性的，我们可以利用信号自身的关联，既后续的信号与之前信号的关联，我们称之为自相关检测，或是利用两组具有相似规律的信号间的相互关联，称之为互相关检测，从而达到检测出被测信号去除噪声的目的。该方法一般也适用于微弱信号量的检测。

考虑这两种方法与待测量信号的特点，最终在本设计当中采用小波神经网络和互相关过程相结合的方式来消除噪声，通过仿真实验可以看出去噪的效果是比较理想的。结果如下图所示。

4 结语

采用基于光纤光栅传感的主井提升系统高压供电设备温度监测系统，可以实现准确地对提升系统的高压供电设备的温度进行监测，保证其安全运行。研究结果表明对提高煤矿的立井提升的安全生产起着极其重要的作用，可节省大量的人力物力，能有效解决煤矿立井提升系统高压供电设备温度的实时监测的问题，具有很大的经济效益和社会效益。

参考文献

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