一种基于分布式光纤的高炉热风炉温度监测系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高炉热风炉温度检测技术领域，特别涉及基于分布式光纤传感技术和 热风炉温度检测技术，主要完成高炉热风炉炉体温度信号测量与传输的监测系统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国节能减排政策的推进及落后产能淘汰进程的加快，高炉大型化及其冶炼 强度的提高是现代化高炉发展的主要趋势，热风炉为高炉加热鼓风的设备，是现代高炉不 可缺少的重要组成部分。按热风炉内部的蓄热体分球式热风炉和采用格子砖的热风炉，按 燃烧方式可以分为顶燃式，内燃式，外燃式等几种。提高热风炉热风温度是高炉强化冶炼的 关键技术，而热风炉炉体状态的好坏直接影响着热风温度和热风炉的加热及送风制度，进 而会制约高炉的运行、焦比指标和生铁产量等。
[0003] 马钢三铁总厂A炉自2005年投产以来，热风炉外壳及管道系统从未更换。长期高 温运行，使炉壳填料损坏，易发生窜火，炉壳烧红、漏风，甚至出现炉壳烧穿的情况。这不仅 会严重影响生产，而且会造成严重的经济损失。
[0004] 目前，普遍采用红外热成像法对热风炉炉体热状态进行监测，红外热成像法存在 以下无法克服的缺陷：
[0005] (1)测量结果容易受空气能见度、被测目标与物镜的距离、电磁干扰等因素影响： 采用红外热成像法对热风炉炉体热状态进行监测，从其输出电压与被测温度场的函数关系 可看出，含有距离d，目标发射率B等影响因素。高炉热风炉处在高炉炉体附近，空气粉尘浓 度高且粉尘浓度随天气的变化而变化，物镜易遭粉尘遮盖而无法准确测量。因而采用红外 热成像法对热风炉炉体热状态进行监测的结果不准确，极有可能造成误诊断。
[0006] (2)测量成本高：一般一座高炉配3~4座热风炉且高炉热风炉的体积庞大（大 于1000立方米），所以需选用高分辨率的红外热像仪，此类红外热成像仪机芯价格昂贵，仅 一片640 X 480的FILR红外非制冷焦平面机芯T610的市场价就高达3万美元，再加上配套 的分布式光纤传感器、嵌入式设备以及上位机等，所有的成本加起来近30万元，如此高昂 的成本，很不利于红外热成像测温技术的推广。
[0007] (3)无法在线测量：高炉热风炉处在高炉炉体附近，处在强磁场、腐蚀性气体、粉 尘浓度大的环境中，并且长期日晒雨淋。在如此恶劣的环境中，红外热成像系统无法长期 稳定工作，济南钢铁厂炼铁分厂3#高炉10号热风炉、8号热风炉在1985年3月份安装了 AGA680热像仪，仅10天，热像仪的目镜就覆盖了很厚的粉尘，导致系统可视区域一片漆黑。 因而采用红外热成像法对热风炉炉体热状态只能进行一次性监测，无法长期在线监测。
[0008] 光纤温度传感与测量技术是仪器仪表领域重要的发展方向之一。由于光纤具有体 积小、重量轻、可挠、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、测量范围大、灵敏度高等特点，对传统 的传感器特别是温度传感器能起到扩展提高的作用，完成前者很难完成甚至不能完成的任 务。除了以上特点外，与传统的温度测量仪器相比，光纤传感技术用于温度测量还具有响应 快、频带宽、防爆、防燃、抗电磁干扰等特点。因此，光纤温度传感技术受到各国科技人员的 高度重视并进行了深入研宄，广泛用于冶金、化工、电力、建材等领域，解决电磁干扰大、环 境恶劣场合的温度测量与控制问题。
[0009] 经检索，利用光纤测量高炉热风炉炉壳温度的方案已有公开，如中国专利号 ZL201420450077. 4,授权公告日为2014年12月31日，发明创造名称为：一种应用于高炉 热风炉的光纤测温装置；该申请案包括光缆，具有双向耦合器；测温处理器，包括波分复用 器、激光器、探测器、信号放大器、数据采集器、第一处理芯片、数字量输出电路和数模转换 器，其中，所述波分复用器的第一端分别连接所述光缆的两端，第二端电性连接所述激光 器，以及第三端电性连接所述探测器的输入端，所述探测器的输出端与所述信号放大器的 输入端电性连接，所述信号放大器的输出端与所述数据采集器的输入端电性连接，所述数 据采集器的输出端电性连接所述第一处理芯片，所述第一处理芯片分别电性连接所述数模 转换器和所述数字量输出电路。该申请案能够连续测量高炉热风炉壳体温度，但该申请案 存在：1)光纤远距离测温区失真严重，测量稳定性差；2)光纤互换性差；3)外界环境温度、 空气对流、热风炉面积及热风炉壁导热系数易对测量结果造成影响等问题，仍需进一步改 进。
【发明内容】
[0010] 1.发明要解决的技术问题
[0011] 本发明为实现对高炉热风炉运行状态的有效、全面、在线监测，提供了一种基于分 布式光纤的高炉热风炉温度监测系统及方法；本发明通过环绕在热风炉炉壳表面的分布式 光纤对高炉热风炉表面温度进行多点测量，由于光纤与热风炉壳体直接紧密接触，其温度 测量结果能够反映真实的热风炉炉体温度，便于对炉壳损坏情况进行科学的早期预报，有 助于提高高炉热风炉使用寿命、降低焦比、提高高炉生产率、提高风温、预防高炉热风炉烧 穿等情况的发生。
[0012] 2?技术方案
[0013] 为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
[0014] 本发明的一种基于分布式光纤的高炉热风炉温度监测系统，包括上位机、ARM处理 器、显不及报警模块、分布式光纤传感器和分布式光纤，所述的分布式光纤横向缠绕于热风 炉炉顶部位，该分布式光纤的始端和末端均与分布式光纤传感器相连，所述的分布式光纤 传感器通过并行数据线与ARM处理器相连，分布式光纤传感器接收分布式光纤产生的背向 散射信号，进行解调提取分布式光纤上各测量点的温度值发送至ARM处理器；所述的ARM处 理器通过工业以太网接口与上位机相连，该ARM处理器还与显示及报警模块电连接。
[0015] 更进一步地，所述的分布式光纤传感器包括激光发射源、光脉冲调制器、光脉冲同 步驱动电路、光纤耦合器、光路选择开关、分光器、2个光滤波器、2个光电转换和放大器、高 速数据采集卡和DSP单元；所述的DSP单元经光脉冲同步驱动电路控制光脉冲调制器，光脉 冲调制器调制激光发射源发出的激光并输送给光纤耦合器；所述的光纤耦合器与光路选择