一種基于分布式光纖的高爐熱風爐溫度監測系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于高爐熱風爐溫度檢測技術領域，特別涉及基于分布式光纖傳感技術和 熱風爐溫度檢測技術，主要完成高爐熱風爐爐體溫度信號測量與傳輸的監測系統及方法。
【背景技術】
[0002] 隨著我國節能減排政策的推進及落后產能淘汰進程的加快，高爐大型化及其冶煉 強度的提高是現代化高爐發展的主要趨勢，熱風爐為高爐加熱鼓風的設備，是現代高爐不 可缺少的重要組成部分。按熱風爐內部的蓄熱體分球式熱風爐和采用格子磚的熱風爐，按 燃燒方式可以分為頂燃式，內燃式，外燃式等幾種。提高熱風爐熱風溫度是高爐強化冶煉的 關鍵技術，而熱風爐爐體狀態的好壞直接影響著熱風溫度和熱風爐的加熱及送風制度，進 而會制約高爐的運行、焦比指標和生鐵產量等。
[0003] 馬鋼三鐵總廠A爐自2005年投產以來，熱風爐外殼及管道系統從未更換。長期高 溫運行，使爐殼填料損壞，易發生竄火，爐殼燒紅、漏風，甚至出現爐殼燒穿的情況。這不僅 會嚴重影響生產，而且會造成嚴重的經濟損失。
[0004] 目前，普遍采用紅外熱成像法對熱風爐爐體熱狀態進行監測，紅外熱成像法存在 以下無法克服的缺陷：
[0005] (1)測量結果容易受空氣能見度、被測目標與物鏡的距離、電磁干擾等因素影響： 采用紅外熱成像法對熱風爐爐體熱狀態進行監測，從其輸出電壓與被測溫度場的函數關系 可看出，含有距離d，目標發射率B等影響因素。高爐熱風爐處在高爐爐體附近，空氣粉塵濃 度高且粉塵濃度隨天氣的變化而變化，物鏡易遭粉塵遮蓋而無法準確測量。因而采用紅外 熱成像法對熱風爐爐體熱狀態進行監測的結果不準確，極有可能造成誤診斷。
[0006] (2)測量成本高：一般一座高爐配3~4座熱風爐且高爐熱風爐的體積龐大（大 于1000立方米），所以需選用高分辨率的紅外熱像儀，此類紅外熱成像儀機芯價格昂貴，僅 一片640 X 480的FILR紅外非制冷焦平面機芯T610的市場價就高達3萬美元，再加上配套 的分布式光纖傳感器、嵌入式設備以及上位機等，所有的成本加起來近30萬元，如此高昂 的成本，很不利于紅外熱成像測溫技術的推廣。
[0007] (3)無法在線測量：高爐熱風爐處在高爐爐體附近，處在強磁場、腐蝕性氣體、粉 塵濃度大的環境中，并且長期日曬雨淋。在如此惡劣的環境中，紅外熱成像系統無法長期 穩定工作，濟南鋼鐵廠煉鐵分廠3#高爐10號熱風爐、8號熱風爐在1985年3月份安裝了 AGA680熱像儀，僅10天，熱像儀的目鏡就覆蓋了很厚的粉塵，導致系統可視區域一片漆黑。 因而采用紅外熱成像法對熱風爐爐體熱狀態只能進行一次性監測，無法長期在線監測。
[0008] 光纖溫度傳感與測量技術是儀器儀表領域重要的發展方向之一。由于光纖具有體 積小、重量輕、可撓、電絕緣性好、柔性彎曲、耐腐蝕、測量范圍大、靈敏度高等特點，對傳統 的傳感器特別是溫度傳感器能起到擴展提高的作用，完成前者很難完成甚至不能完成的任 務。除了以上特點外，與傳統的溫度測量儀器相比，光纖傳感技術用于溫度測量還具有響應 快、頻帶寬、防爆、防燃、抗電磁干擾等特點。因此，光纖溫度傳感技術受到各國科技人員的 高度重視并進行了深入研宄，廣泛用于冶金、化工、電力、建材等領域，解決電磁干擾大、環 境惡劣場合的溫度測量與控制問題。
[0009] 經檢索，利用光纖測量高爐熱風爐爐殼溫度的方案已有公開，如中國專利號 ZL201420450077. 4,授權公告日為2014年12月31日，發明創造名稱為：一種應用于高爐 熱風爐的光纖測溫裝置；該申請案包括光纜，具有雙向耦合器；測溫處理器，包括波分復用 器、激光器、探測器、信號放大器、數據采集器、第一處理芯片、數字量輸出電路和數模轉換 器，其中，所述波分復用器的第一端分別連接所述光纜的兩端，第二端電性連接所述激光 器，以及第三端電性連接所述探測器的輸入端，所述探測器的輸出端與所述信號放大器的 輸入端電性連接，所述信號放大器的輸出端與所述數據采集器的輸入端電性連接，所述數 據采集器的輸出端電性連接所述第一處理芯片，所述第一處理芯片分別電性連接所述數模 轉換器和所述數字量輸出電路。該申請案能夠連續測量高爐熱風爐殼體溫度，但該申請案 存在：1)光纖遠距離測溫區失真嚴重，測量穩定性差；2)光纖互換性差；3)外界環境溫度、 空氣對流、熱風爐面積及熱風爐壁導熱系數易對測量結果造成影響等問題，仍需進一步改 進。

【發明內容】

[0010] 1.發明要解決的技術問題
[0011] 本發明為實現對高爐熱風爐運行狀態的有效、全面、在線監測，提供了一種基于分 布式光纖的高爐熱風爐溫度監測系統及方法；本發明通過環繞在熱風爐爐殼表面的分布式 光纖對高爐熱風爐表面溫度進行多點測量，由于光纖與熱風爐殼體直接緊密接觸，其溫度 測量結果能夠反映真實的熱風爐爐體溫度，便于對爐殼損壞情況進行科學的早期預報，有 助于提高高爐熱風爐使用壽命、降低焦比、提高高爐生產率、提高風溫、預防高爐熱風爐燒 穿等情況的發生。
[0012] 2?技術方案
[0013] 為達到上述目的，本發明提供的技術方案為：
[0014] 本發明的一種基于分布式光纖的高爐熱風爐溫度監測系統，包括上位機、ARM處理 器、顯不及報警模塊、分布式光纖傳感器和分布式光纖，所述的分布式光纖橫向纏繞于熱風 爐爐頂部位，該分布式光纖的始端和末端均與分布式光纖傳感器相連，所述的分布式光纖 傳感器通過并行數據線與ARM處理器相連，分布式光纖傳感器接收分布式光纖產生的背向 散射信號，進行解調提取分布式光纖上各測量點的溫度值發送至ARM處理器；所述的ARM處 理器通過工業以太網接口與上位機相連，該ARM處理器還與顯示及報警模塊電連接。
[0015] 更進一步地，所述的分布式光纖傳感器包括激光發射源、光脈沖調制器、光脈沖同 步驅動電路、光纖耦合器、光路選擇開關、分光器、2個光濾波器、2個光電轉換和放大器、高 速數據采集卡和DSP單元；所述的DSP單元經光脈沖同步驅動電路控制光脈沖調制器，光脈 沖調制器調制激光發射源發出的激光并輸送給光纖耦合器；所述的光纖耦合器與光路選擇