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井下带式输送机火灾监测与优化方案设计

作者:四川天屿翔机械设备有限公司 浏览: 发表时间:2024-01-06 10:40:21

带式输送机的规模逐年趋于大型化大型带式输送机的工作距离更长,载运的煤炭更多,在长时间的不间断工作过程中,不可避免的会出现摩擦生热的现象,因此,在复杂的矿井环境下,如对带式输送机的火灾监测不到位,极易出现严重事故,对煤矿安全造成影响,甚至危及井下人员生命安全。带式输送机火灾监测也从最初的烟雾、一氧化碳浓度监测到红外热成像技术以及热敏电缆等技术的应用,但这些技术都存在不同的缺点。随着智能化的发展,对火灾监测提出了更高的要求,光纤作为一种无源的信号传输以及传感介质,具有很好的抗干扰性,具备安装便捷、监测精度高的特点可满足企业对带式输送机火灾监测的高效和自动要求,对优化带式输送机火灾监测性能,实现火灾早期预测具有良好的效果。

 

1     带式输送机火灾光纤传感系统

 

光纤传感主要原理是光在光纤中传播时具备拉曼散射光的温度特性,存在光的时域反射,因此可在带式输送机上布置光纤,利用沿线的温度分布来监测火灾发生的可能性,根据光在光纤中的传播时间也可计算出各个位置距离初始参考位置的距离,以此达到温度监测与定位的目的。


 

如图 1 所示为带式输送机火灾光纤传感系统,系统要实现现场脉冲信号的发出、信号的传播、收集、整理,多个信号相互融合的功能,信号需便于识别和监控。因此该系统主要由光路部分和电路部分组成,光路部分主要由脉冲激光器、波分复用耦合滤波模块、温度传感器、参考光纤和传感光纤组成,电路部分主要由光电探测模块、FPGA 高速数据采集模块、信号处理模块组成。其中脉冲激光器的主要作用是输出有区别的脉冲,通过串口与控制设备联接,输出不同功率和不同宽度的脉冲,这些被输出的光脉冲在传感光纤中经过色散,经过滤波模块处理后分别输出温敏特性不同的拉曼anti-Stokes 散射光信号以及拉曼Stokes 散射光信号,其中拉曼 anti-Stokes 散射光信号对温度敏感特性优于拉曼Stokes 散射光信号。拉曼anti-Stokes散射光信号以及拉曼Stokes 散射光信号需要被转化为相应的电信号后才能被识别,该系统是通过光电探测放大并转化,得到电信号后由FPGA 高速数据采集卡进行电信号采集,其中采集卡的触发信号由脉冲激光器模块提供,且与光脉冲在时序上同步。最后采集到的两路电信号传输至上位机进行标定和温度解调运算。与参考光纤的比对,通过检测传感光纤的温度来实现对带式输送机火灾监测,所得到的信号通过处理传输给监控室。

 

2     井下带式输送机火灾监测信号处理

 

虽然应用光纤技术对带式输送机可能导致的火灾进行监测具有连续性且监测范围广的特点,但采集到的散射光信号微弱,单独一个信号必须在降噪效果较好的情况下才能被更好的识别,因此提出采用多次测量累加后平均的方法,边采集边累加边平均,增强有效信号,降低无效信号的干扰,同时也加快分析速度,另外结合空白数据去除背景的降噪方法来提高数据的可靠性,通过分解和重构得到最终信号,如图2 所示。


 

从图 3a) 和 3b)中能够直观看到,10000次测量数据累加平均后的色散曲线较1000 次测量数据累加平均后的色散曲线更平滑,数据波动幅度更小,数据集中,如此得出的测量结果精度更高,因此温度监测也就更加准确。对比图3c)和 3d)可见,经过累加平均后再进行小波降噪处理的数据温度解调结果曲线明显平滑,降噪处理效果较好。

 

3     井下带式输送机火灾监测有效性验证

 

井下带式输送机火灾监测需要具备及时、定位准确的特点,故需设计试验,对该方案的有效性进行验证。采用局部加热的方式作为传感光纤上的火灾模拟点,选择能够控温的保温箱热源,由表1 可见,随着距离的增加,传感器的响应时间加长,但在12km 的距离仍不超过2s,可见使用传感光纤的系统,具有响应时间短的优点。另外,为了验证多点检测的可能性,模拟了对同一段光纤在不同点加热的试验,经试验,多点加热,不影响相应时间。

 

对带式输送机上异常温度点的位置定位,依据的是光时域反射技术,测量到返回信号和入射信号的时间差,结合光脉冲在光纤中的传播速度即可计算出温度点与参考点 的距离。另外,光纤本身的材质、连接部分及弯曲程度会产生不同的反射和散射现在,因此,可利用这一特点对光纤的本身好坏情况及磨损程度进行监督。

 

另外,针对传感光纤的定位准确性进行验证,分别在10km 长的传感光纤上对已知的8个不同的位置进行监测,结果表明定标结果与监测定位的误差都未超过2m,可见该系统的预警和定位准确,为现场排查提供了方便。

 

4     结论

 

光纤传感技术在带式输送机上的应用,可有效监测连续工作且距离较长的带式输送机存在的火灾隐患:①采用多次测量累加后平均和降噪的方法,增强有效信号,降低干扰信号,另外结合空白数据去除背景的降噪方法来提高数据的可靠性,通过分解和重构得到最终信号,分析速度快,结果可靠;②该技术可同时检测多点温度变化,温度检测范围最高可达180监测长度不超过 2km 的范围内监测判定时间不超过1s;监测长度不超过10km 的范围内监测判定时间不超过2s 定位误差绝对值小于2m,经验证,预警和定位准确;③该技术优化了井下带式输送机不连续监测的缺点,实现监测实时、快速、连续且定位准的目标,便于监测人员及时排查,对带式输送机发生火灾预测提供有效监测。


 

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