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光纤布拉格光栅传感器应用压缩机轴瓦温度监测解决方案

十字头轴瓦的磨损是导致压缩机无法正常使用的重要原因之一,实时检测轴瓦处的温度进而来判断轴瓦的磨损情况是确保压缩机安全、高效生产的重要检测手段。传统的电类传感器因存在组网困难、不防爆等问题无法满足石化复杂工况应用的需要,而一般的光纤传感器会因轴瓦的高速运动产生光纤缠绕等问题。针对此,提出并设计制备了无线耦合光纤布拉格光栅(FBG)传感器进行光信号的空间传输实现轴瓦处温度信号的提取。针对动态测量过程中产生的 U 型中心波长信号引起的解调温度差值过大的问题,提出利用插入损耗阈值,将一次动态运行过程中的温度的改变量从 4℃控制到 0.1℃以内,提高了温度解调的准确度,实现了温度的无线监测。

温度检测与大家的日常生活息息相关,例如太阳能温度显示仪、温度计等等。尤其是对于工业领域而言,温度检测有着更加重大的意义。压缩机是石化生产过程中的重要设备,保证压缩机的正常运行是石化生产安全有效进行的重要基础保障,而压缩机损坏的重要原因往往是由于轴瓦的磨损导致的。轴瓦是滑动轴承和轴颈接触的部分,与轴承之间采用间隙配合,一般不随轴转动。滑动轴承工作时,轴瓦与转轴之间靠着一层很薄的油膜起着润滑和支撑的作用。如果润滑不良,轴瓦与转轴之间就会直接接触,发生干摩擦,进一步导致轴瓦温度升高,甚至烧坏轴瓦。轴瓦磨损之后,压缩机的效率会下降,进而导致轴瓦磨损加剧,并形成一种恶性循环,最终导致压缩机无法正常使用。所以,对轴瓦处的温度进行监测是保证压缩机安全生产的重要保障。

压缩机轴瓦

传统的温度传感器通常是将温度转换成电信号的,如热释电探测器、热电偶、热电阻等这些技术已经发展的十分成熟了。但对于石化这种易燃易爆的工作环境而言,传统的电类传感器存在组网困难、本征不防爆等问题,这使得传统的温度传感器在石化工业的应用存在一定的局限性。在这种技术背景下,人们开始寻求新的解决方案。

自上世纪 70 年代以来,光纤传感技术发展迅速,光纤布拉格光栅(FBG)传感器因其独特的优点成为一些特殊环境下传统电类传感器的替代品。将光纤光栅动态传感监测系统应用到石化设备中,实现了对轴承座振动、往复式压缩机的气阀温度等情况的监测,实验结果验证了光纤光栅动态监测系统在石化设备中应用的可行性和优越性;利用光纤传感器设计石化企业油库火灾报警系统,并在现场对罐体上的光纤光栅温度传感器进行了测试,达到了设计预期的要求。利用 FBG 研制了一种液位传感器,所提出的装置能够实行实时和连续的液位测量,并通过实验证明了该装置在 25cm 范围内的灵敏度为 27pm/cm,分辨率为 0.04cm,重复性误差为满量程读数的 0.1%。

与传统的传感器相比,FBG 传感器结构简单、易于安装,且用于制作光纤的材料耐腐蚀、耐高温,还不受电磁干扰的影响,并能进行多点测量。这些优点使得 FBG 传感器在石化环境有着巨大的应用潜力。

光纤传感系统一般均采用有线连接进行光信号的传输,但对于压缩机轴瓦处的温度监测而言,由于压缩机轴瓦处于压缩机机体内部,安装空间有限,且轴瓦会随着十字头进行高速往复运动,若采用传统的有线传输方式进行光信号的传输,有可能导致光栅在机体内部的缠绕甚至是断裂。为了解决光纤缠绕的问题,利用准直器进行光信号的空间耦合实现轴瓦温度的无线原位监测。并针对由于轴瓦往复运动造成的 FBG 中心波长 U 型漂移的现象提出插入损耗阈值的概念,以实现精确的温度解调。

光纤光栅传感器测温原理

光纤光栅是利用光纤的光敏性,通过深紫外照射等方式在纤芯上制备出折射率周期性变化的光栅结构,这相当于在光纤的纤芯内部制作了一个光学滤波器。这种纤芯周期性变化的结构使得 FBG 只会对满足特定反射条件的入射光进行反射,其余的将被透射过去。

对于特定的 FBG 而言,光纤的热光系数和热膨胀系数是一定的,在应力变化不大或者应力恒定的情况下,反射光的波长偏移量跟光栅所处温度场的温度变化成一定的线性关系,线性比例系数和光纤的热光系数和热膨胀系数有关。但当应变的影响无法忽略时,会引起温度和应变的交叉敏感,严重影响传感器的测量精度。因此在实际应用中,要尽量避免温度和应变的交叉敏感。

FBG 传感器的封装和标定

传感器的封装为了解决在测温过程中温度和应变的交叉敏感,对光纤光栅做了封装处理,将光纤光栅(裸光纤光栅的直径为 125μm)放入金属套管内,使光栅处于套管的中间部位。采用双组份树脂胶将光纤的两端固定,并且使中间的光栅不要受到任何的拉力即处于松弛状态。两端的胶水将光栅固定在了套管的中间部位,避免受到外界温度变化导致金属套管拉伸变形以及金属套管扭转等带来的应力的影响,从而实现光栅对温度单变量的测量。

其中,套管采用不锈钢毛细金属管,其具有良好的柔软性、抗拉性、防水性,且耐蚀性、耐高温、耐磨损,非常适合在石化这种恶劣环境下使用。另外,套管外径为 0.8mm,内径为 0.4mm。所用 FBG 传感器的有效光栅长度为 10mm,为了不影响到光栅的结构,毛细管两凹槽之间的间距应该大于 10mm,此处两凹槽之间的间距设为 28mm,凹槽长度为 8mm,套管总长度为 64mm。这样的设计也使得 FBG 传感器自身的固有频率较低,避免了轴瓦高速往复式运动时两者产生共振。

传感器的标定

现场实验将无线耦合系统用于石化压缩机现场对轴瓦处的温度进行监测,其中,准直器 1 固定于机体内部的十字头部位,FBG 传感器嵌入十字头轴瓦部位,使光纤光栅跟着十字头作来 X 轴方向的来回往复运动。准直器 2(两准直器间的轴向间距为 7mm)固定于基座的盖板上,并通过光纤连接上解调仪,并在计算机上实时显示出轴瓦的温度,从而实现轴瓦温度的无线 FBG 测量。

采用准直器无线耦合的方案解决光纤传感系统测量轴瓦温度时的光纤缠绕问题,并对光纤光栅传感器进行封装,使其能对温度进行单变量监测。封装过后的传感器线性相关系数在 0.999 以上,方差在 0.5 以下,均表现出比较良好的线性度。针对准直器空间耦合过程中产生的 U 型中心波长的现象,提出了插入损耗阈值的概念,通过限制插入损耗的大小来筛选出更加准确的中心波长值。实验表明,该方法将一次动态测量过程中的温度变化量从 4℃控制到了 0.1℃以内,大大提高了温度监测的准确性。

当然,这种现象不仅仅存在于温度解调系统中,对于利用光纤无线耦合的方法来测量运动部件物理参量的系统都可能会存在这样的问题。只是,对于不同的准直器而言,插入损耗的阈值可能不同,这还有待进一步的研究。

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