摘要：粮食仓储对于我国粮食安全至关重要,近年来数字信号、光电信号技术、精确传感器技术等现代电子应用技术的飞速发展和广泛应用为粮食仓储智能化、信息化、现代化发展明确了方向。传统的粮情检测系统是检查粮仓储粮温度的重要技术手段,一直以来都是粮食仓储建设的重中之重。本文主要介绍了光纤测温传感器技术在粮食仓储中粮情监测方面的应用,光纤测温传感器将有效地反映粮堆内部不同深度带的温度变化规律,能够节省空间、提升测量精度、加强系统可靠性,为未来粮食仓储安全提供新的技术手段,具有广阔的市场应用前景及推广价值。
关键词：光纤测温传感器; 粮情测温; 粮食安全; 传感器技术;
1 光纤测温传感器原理
分布式光纤温度传感器是一种用于实时测量粮堆空间内温度的传感系统,并以普通的测温光纤作为传输信息的媒介。测温主机中光源脉冲发生器发出的脉冲经过波分复用器(WDM)进入测温光纤,在光纤中激发光子与光纤分子发生非弹性碰撞,产生高频移的反斯托克斯光和低频移的斯托克斯光,背向散射的反斯托克斯光和斯托克斯光再经由WDM到达光电探测器进行光电转换,最后进入测温主机的信号处理系统进行分析[1,2]。
由于测温光纤在仓房粮堆内是连续布置没有断点,因此测温装置沿着光缆发出的检测信号也具有连续性,通过测温装置对光纤信号进行采集,进而测量出射光和拉曼散射光之间的时间间隔,就可得到拉曼散射光发生的具体位置。由于系统使用的拉曼散射光对温度具有很好的敏感度,因此信号可以沿着所敷设测温光缆测量到相应的温度分布。
2 光纤测温传感装置在粮情监测中的应用
2.1 系统组成
光纤测温传感器主要是由光纤测温主机、光纤测温传感器、上位机软件组成。光纤测温主机获取光纤测温传感器数据、将数据上传至软件平台以及接受上位软件操控指令;光纤测温传感器通过铠装光缆埋入粮堆,感知周围粮堆温度;上位软件对获取到的数据进行处理分析以及下达相关操控指令。
2.1.1 测温主机
光纤测温主机由电源、主控制板、信号采集板、激光器、恒温箱和温控板组成,包括温度信号采集装置、数据信号处理模块、数据分析与管理模块、温度超限报警装置等。测温光纤通过熔接与测温主机(DTS)通道连接,每个通道最大探测距离可达2.5km,实现0.1m的精确定位,利用测温光缆将测量操作和信号传输集于一体,将一根测温光纤从测温主机引出,串联连接到多个仓[3]。
光纤测温主机可以设置各测温点间隔距离并设置温度报警信息,测温主机兼备冗余设计,每台主机可以扩容至最大8通道并设有报警输出通道,用于控制相关设备,并且光纤测温主机还具备断点自动诊断功能,能够判断断点位置信息,方便检修人员检查。测温装置电子器件基本组成如图2所示。
图2 测温装置电子器件基本组成
2.1.2 测温光纤
测温传感器依附于测温光纤作为数据传输介质,其介质选用抗电磁辐射、防腐蚀气体熏蒸性能非常好的石英系材料(SiO2)。测温传感器需要敷设在粮堆内部,需承载抗压重力以及下线缆时承受的巨大拉力,需要增加测温光纤的抗压耐拉力,因此测温光纤采用带铠装保护层且具有抗拉、抗压功能的光纤;光缆内部采用不锈钢丝保护管和抗拉钢丝网保护光纤内部的传感器不受损害;外护套为低烟无卤素阻燃热塑型材料,具有抗水性和阻燃性,且质地坚固,具有较好的柔韧性、抗拉抗压性和抗腐蚀性,便于安装和维护。并且,测温传感器依托感温光纤还具备空间定位性好、可实时探测报警、稳定性强等优点。测温电缆内部结构防护如图3所示。
图3 测温光缆内部结构防护
(1)空间定位性好。
测温传感器采用了测温光纤电缆做测温敏感器件,能够通过光信号感知温度变化从而准确定位。
(2)可实时探测报警。
采用测温主机装置与测温电缆通过快速连接件相连接,整个仓房测温点最小检测周期能达到50ms,快速的响应能够充分保证预警信息的准确性和时效性,当温度超过预警指标时,可以在最短的时间内获取信息并传送给测温装置,提高了报警的可靠性和前瞻性。
(3)稳定性强。
本系统采用的测温传感器与已经成熟的18B20测温传感器检测方式相比,具有连续性、时效性较强的特点,光纤测温传感器充分利用了光纤对温度的敏感度较高的特点,在粮堆内部可以连续地感应到空间的温度变化。同时,该测温系统基于绝对量测量原理,产品首次测量完成后具有非常好的稳定性,不会发生零点漂移现象,除非测温电缆被破坏否则不会产生零点漂移,因此该测温系统不需要定期对测温系统和测温电缆进行零点标定,从而节约了系统的维护成本。
(4)技术特性。
感温光纤测温范围在-20℃～120℃,适用于目前粮库所处条件下的粮温检测,并且线缆具备5mm的弯曲半径,可以有效防止测温光纤敷设断裂。测温光纤需要的抗张强度为工作时不小于600N,敷设时不小于1 000N;抗压强度为工作时不小于300N/10cm,敷设时不小于3 000N/10cm,只有这样才能保证测温光缆的正常使用[4]。
2.1.3 上位软件
上位机软件通过网络访问光纤测温主机获取相关数据并在软件平台上以图形、报表的方式展示粮堆温度分布情况,可进行报警温度设置,超过报警温度时,会进行报警提示。上位机软件将获取到的数据经库区网络上传至软件平台进行数据处理分析,通过图形报表、3D模型等方式进行展示,不仅可以通过软件平台对光纤测温主机发送操控指令及接受返回数据,还能够通过平台设置高温预警机制发出警示信息,有利于仓储保管人员对光纤传感器敷设沿线粮堆温度进行查看[5]。
2.2 光纤传感器布置
根据传统粮情监测传感器在粮仓内的布点原则,高大平房仓水平方向测温电缆行列间距不大于5m,垂直方向粮温传感器间距不大于2m,距粮面、仓底、仓壁0.3～0.5m;根据光线测温技术特性布点原则,在综合利用光纤传感器特性的基础上,布点方式采用双股方式,并且为防止在下线过程中测温光缆损伤,采用双股线折弯进行保护原则,光纤到达粮食底部,成一定角度弯曲再返回粮面,返回粮面后进行下一个点下线,以手拉手原则进行布线。
3 结 论
粮食储藏安全是粮食安全的重要内容,因此需定期监测粮仓内粮堆温度,以防止因温度过高而导致的粮食品质发生霉变事故。本文针对目前粮仓传统嵌入温湿度传感器监测温度技术存在的弊端,探索分布式光纤测温传感器技术在粮库测温中的应用,为粮库提供了一种全新的检测手段。通过对比发现,感温光纤传感器能够有效地反映粮堆内部不同深度温度带的变化规律,有效弥补了传统粮情监测只能监测固定位置粮温,温度数据时效差、准确性差的问题,并且光纤测温传感器具有探测距离超长、系统本征安全、抗干扰性强、使用寿命长等优势,作为一种新型粮温测温手段,对当前比较陈旧的粮食测温方式具有很好的弥补作用,具有较高的市场推广价值。
参考文献
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[2]刘畅,李惠强,吴水荣,等.分布式光纤传感测温系统在电抗器中的应用探讨[J].现代传输,2020(6):46-49.
[3]陈晴川,王剑锋,刘红林,等.基于分布式拉曼光纤传感的粮食测温系统研究[J].中国粮油学报,2019,34(S2):16-20.
[4]董林翰.分布式光纤测温系统及其温漂研究[D].杭州:中国计量大学,2017.
[5]艾幕.基于拉曼散射的光纤测温系统的改进与优化[D].大连:大连海事大学,2017.
