光纤分布式温度检测在火灾报警系统中的应用

1、光纤分布式温度检测在火灾报警系统中的应用陈琨 舒慧慧摘 要：本文叙述了光纤分布式温度检测系统的工作原理，介绍了光纤分布式火灾报警系统（DTS）的组成及主要性能、使用方法及注意事项。关键词：光纤 温度 火灾 报警分布式光纤感温技术是近年来发展起来的一种实时、在线、多点的温度传感技术，可用于实时测量温度场。在分布式光纤温度传感系统中，光纤既是传感器又是信号传输通道，系统利用光纤所处空间温度场对光纤中的向后散射光信号进行调研，再经过信号调解、采集和处理将温度信息实时显示出来。在时间上，利用光纤中光波的传输速度和后向光回波的时间差，结合OTDR技术对所测温度点进行准确定位。分布式光纤感温系统中的检测光

2、纤不带电、抗射频和电磁干扰，防燃、防爆、抗腐蚀、耐高压和强电磁场、耐电离辐射，能在有害的环境中安全运行，在很多高温、高热等恶劣环境下具有特殊优势，近年来已广泛应用于煤矿、隧道的火灾自动报警系统，也可用于油库、危险品库、军火库、工矿企业的生产车间、智能大厦、民用建筑屋内的温度检测和火灾报警系统。一、工作原理光纤用作温度探测器的主要依据是其光时域反射（OTDR：optical time domain reflectome-try）原理及背向拉曼散射（Raman Scat-foring）温度效应。DTS系统根据ORDR原理进行分布式温度探测和跟踪，系统工作原理为：光纤温度激光雷达中采用雷达技术，激光

3、光源沿光纤注入光脉冲，脉冲大部分能传到光纤末端并消失，但一小部分拉曼散射光会沿光纤反射回来，对这一后向散射光进行信号采集并在光电装置中进行分析，从而提供温度信息。当频率为V0（假定中心波长为1300nm）的激光入射光纤中，光纤中的分子会对入射光产生散射。散射光谱中，除与入射光频率V0相同的中心谱线外，其两侧还存在（V0-v）及（V0+v）两条谱线。中心谱线为瑞利散射谱线，低频一侧频率（V0-v）波长为s的谱线称为斯托克斯线（Stokes），高频一侧频率（VV0-v）波长为as的谱线称为反斯托克斯线（Anti-stokes），跟据拉曼散射理论，在自然拉曼条件下，反斯托克斯光强Ias与斯托克斯光强

4、Is之比为：R（T）=Ias/Is=（s/as）exp（-hcv/KT）（1）式中：as=1229nm，为反斯托克斯光中心波长s=1378nm为斯托克斯光中心波长H=6.62×10-34J.sec,为普郎克常量C=3.0×108m/s为真空中光速V:440cm-1,为喇曼频移波数K=1.38×10-23J.K-1,为玻尔兹曼常数T,为绝对温度从式(1)看出,比值R(T)仅与温度T有关而与光强、入射条件、光纤弯曲、压力变化及光纤几何尺寸等无关。因此可借助探测反斯托克斯及斯托克斯后向拉曼散射光强之比值R（T）实现温度绝对测量，再利用光时域反射计（OTDR）实现对温度场

5、空间分布及时间变化信息的探测。二、基本构成及主要性能1、系统基本构成（1）火灾报警控制主机：内置继电器、RS232接口、LED、MODBUS、DRUT（2）探测光纤及光纤接线盒（3）智能型反馈/控制模块（4）火灾报警计算机（5）声光报警器（6）智能型手动报警按钮火灾报警系统主机放置在管理中心的控制室内，与火灾报警控制器相连，将报警信号通过继电器输出上传给火灾报警器，从而实现联动控制。同时，火灾报警系统主机通过与一台专用的控制电脑（火灾报警计算机）相配接，将所测环境内任何一点的实时温度通过分布曲线直观的显示出来。2系统主要性能（1）温度实时监控应用光纤分布式感温火灾报警系统，无论平时还是灾时，所

6、测的煤矿、隧道或其他环境温度都可用图形或温度数字筐形式实时显示在本地CRT上，并在报警时使软件界面自动弹开，强制以最高优先级显示给操作人员，做到早期预警，误报率极低。（2）分布式DTS系统为分布式测温，连续监测信号，任意温度点报警。即时显示最长可达4-12KM范围内每隔1M各点的温度变化。（3）先进性DTS光纤分布式温度检测系统是在线监测的最有效手段，技术非常成熟完善，在国外已取代传统的线性感温材料。通过采用不同的外护套材料，DTS监测系统可适应各种环境。发生火灾时现场操作人员可根据实时温度曲线变化及文本记录温度表的温度值来评估火灾现场情况，判断火灾蔓延趋势，为现场人员及时拯救、灭火及相关控制

7、操作提供依据和数据。（4）准确性DTS系统可在终端上清晰显示所测线路内部第一点的温度变化，进行精确的温度数值输出与空间空位。终端机内的激光发射装置每秒钟会发射上万次光脉冲，并将取样温度平均值输出到显示系统，基本消除误差。DTS可根据用户设定的每个防火分区的平均温度值、最高温度值、温升速率报警，且每秒报警都有预报警，在预报警后可由人工手动确认报警，系统也可自动在预报警后3s再次核实温度而自动报警，避免了误报的可能性。（5）灵活性DTS监测系统是一个连续的监测信号，可设置多个定温报警值，如：30初报警，40预报警，50采取措施等，并可根据不同环境进行修正。为避免误报，在定温报警的同时，可就温升速度

8、进行测量，并提供相应多级报警信号输出。报警控制区可编程，并可按照用户要求进行设计，针对环境变化设置200个不同报警控制区域。（6）扩展性在精度允许范围内，可对标准测量距离进行扩充（降低部分技术指标）。（7）兼容性系统可通过RS232标准接口及继电器输出与其他控制设备进行互连，在消防应用中可与任何消防报警控制主机连接，提供信号进行声光报警，信号输出准确、完整。光缆分布式温度监测系统可根据不同报警区分段、分级输出信号，以适应不同控制盘的需要。（8）安全性光缆分布式温度监测系统具备安全记录功能，可储存一年以内的历史数据，并可进行有效审核；可通过调制解调器由专门工程师提供最低限度的系统远程诊断：DTS

9、系统可随时进行对主机与光缆本身安全性与有效性的自检，任何因连接、熔接及外部受损引起的系统功能损伤，都能被主机探测到，并精确定位事故点、判断事故原因，且可以方便地利用外部设备对系统进行修复，不影响系统正常工作：DTS系统的光缆探测器采用光信号传输，无电气特性，本质安全。三、使用方法及注意事项1、使用方法光纤分布式温度检测火灾报警是集传感、数据采集与处理、显示于一体的智能化高科技产品。因主机和被测对象之间只用光缆相连，可延伸至几公里范围，实现不带电的远距离监控，又因主机可智能化自动工作，可在安装完成并进行系统初始化处理后实现自动温度测量、记录和异常温度报警等功能，实现无人值守，提高效率。光纤分布式

10、温度传感系统的使用大致分为：（1）安装主机：要求放置在温度为10-35、湿度低于70%的环境中，如果在此环境外使用则需要重新定标。主机上配有FC活动光纤插座，与测温光纤近端的FC/APC活动插头匹配。探测光缆：系统的安装实际上是测温光缆的安装，即如何把测温光纤敷设在被测温对象上，实现最准确、有效的测量，保证所要求的测温精度和空间分辨率。在实际应用中，需要分布式测温的场合是多样的，因此测温光纤的安装方法也多样。A.管状被测温对象（如电缆、管道、隧道）：直接把光纤铺设到被测对象外表面，并加以固定，有条件的地方，可将光纤装入套管嵌入测温对象保护套内，实现一体化。B.面状被测温对象（如油罐、锅炉等）：

11、可依照其外部形状和定位要求把光纤紧贴其表面并加以固定，或将光纤装入套管直接埋入其结构内部。C.立体被测温对象（如仓库等）：可以把测温光纤立地吊装在仓库的不同位置。（2）系统初始化在系统安装后，开始测温前，或在系统定期定标前，需使测温光纤处于常温下，运行系统初始化程序，记录一条测温光纤的传输曲线作为参考背景。（3）温度测量、显示与存储运行系统的测温程序，根据主机所在环境温度及测温精度要求，在程序菜单中输入环境温度和数据平均次数，之后系统便自动进行温度测量、显示和存储。典型的显示方式是在计算机屏幕上显示一条温度随距离的分布曲线；也可根据用户需要，把光纤长度按所在区域分段，以直观图形界面显示特定被测

12、温对象的温度；也可在程序菜单中根据实际物理环境设置预警、报警温度值，一旦发现所测值超过标准设定报警值时，测温光缆将向光纤测温控制主机发出火灾报警信号，光纤测温主机输出继电器动作，消防报警主机通过模块收到继电器动作监视信号，系统确认为火警。在监控中心，可通过火灾监控计算机观察检测环境内的火情发生位置、所影响区域、火势蔓延方向及现场信息。检测对象划分为几个火灾报警区段，由于区段划分与中央闭路电视摄像机的监控范围相匹配，在接收火灾信息后，可联动火灾发生区域的摄像机进一步确认并自动录像，并且火灾情况可在对应闭路电视监视器中直观显示。测温程序根据菜单设定的时间间隔定时保存温度分布曲线，曲线的文件名以当时

13、时间命名。（4）历史记录查询运行历史记录查询程序后，系统能够显示测温光纤的特定距离点或该点的特定设备温度在设定时间段内的温度变化曲线，以便对设备的运行状态进行监视，有利于设备的维护和检修。2注意事项因为测温光纤不但是信号载体，还是温度传感器，测温主机及其它设备都是精密仪器，安装质量直接关系到测量的准确性，因此，应特别注意以下几个方面：（1）托运主机：注意防潮、防雨、防震。光缆：符合通信光缆的托运要求。（2）安装光缆：尾端应密封，一者避免光线伤害眼睛，二者防止水气进入光缆内部，影响其性质，三者保证光纤清洁度，减少其反射；不能过力拉光缆，应在允许最大拉力范围之内；光缆的弯曲半径不小于最大允许值；光纤接头必须保持清洁，为此可先铺设光纤，再安装接头。主机：环境应符合安装要求；与光缆连接应用密封连接盒，避免水气进入，同时可防止雷击；严格记录光缆所走路径坐标，以便准确定位；安装避雷针措施。（3）运行运行前检查系统各处情况，完全确认正常后才能打开主机；运行中不能拔下光源连接头，不能用眼睛看，以免损伤。（4）维修发现光缆断裂时应停机、更换光纤段，应采用相同型号的光纤，并详细记录光纤段的位置和长度。四、结束语光纤分布式温度检测系统在火灾报警系统中的应用，代表着火灾报警系统的革新，该系统安装方便、反应灵敏、数据可靠、报警位置准确。分布式光