炼焦塔水力除焦在线监测的Y型双FBG光纤振动传感器

摘要

本发明炼焦塔水力除焦在线监测的Y型双FBG光纤振动传感器包括振动导杆(2)、散热结构(3)、Y型振动件(4)、密封壳(5)、配重体(6)和光纤光栅，以及支撑整个传感器的连接基座(1)，其中：振动导杆左端的接触探头(10)与焦炭塔塔壁紧密接触，散热结构固定在振动导杆上，密封壳通过螺口装配在振动导杆右端的固定件(11)上，配重体和Y型振动件位于密封壳中，第一光纤光栅经过Y型振动件的一端引出后固定在密封壳上，第二光纤光栅从Y型振动件的另一端引出和预拉伸后固定在密封壳上。本发明具有响应频率高，测量范围较大，本质安全等优点，其能够拾取水力除焦过程中高压水打击塔壁所产生的高频振动信号，以此获得水力除焦进程。

说明书

技术领域

本发明涉及传感技术领域，特别是一种石化行业炼焦塔水力除焦在线监测的Y型双FBG 光纤振动传感器。

背景技术

炼焦塔是炼油工业中延迟焦化装置的重要设备之一，其主要用在石化炼油企业生产的最 后一个环节,水力除焦的原理是利用由从水力切焦器喷嘴出来的高压水射流的强大冲击力将 焦炭切割下来,水力切焦器喷嘴在塔内升降和转动,使塔内的焦碳脱落,直到把炼焦塔内的焦炭 全部除净为止。目前，国内在石化行业的生产过程中，几乎都靠操作人员通过观察塔底部溜 槽中的焦炭水混浊程度和聆听切焦过程的声音,依据工作经验来判断炼焦塔内的焦炭是否除 净。工人无法准确定位焦层厚度的变化和切焦器喷嘴的位置，使得重复切焦操作频率高，工 作效率相对较低，并且溜槽与观测窗的距离较远，受天气条件与昼夜视线的影响较大，比如 在大雨或大雾的天气，操作人员就无法准确观察下面溜槽的情况，这就对切焦工作造成了较 大的麻烦，影响到切焦的效率和安全性，造成巨大的电能损失，增大工人劳动强度。

在水力除焦进程在线监测方面，目前国外有采用石英音叉测量炼焦塔内高压水击打塔壁 所产生声音来判断水力除焦进程的报道，该系统可监测除焦的干净程度，不能监测水力除焦 过程中焦层厚度的变化和切焦器喷嘴的位置。近年来，国内外一些单位开始研究在线监测水 力除焦进程的传感测量方法，华东理工大学的王涛等人使用石英晶体传感器对水力除焦过程 中的振动信号进行了相关的检测。类似的如洛阳涧光石化设备有限公司也采用压电振动传感 器监测塔壁上焦炭清除状态。由于他们的监测方法主要采用压电晶体传感器测量塔壁振动信 号，所用传感器主要为电类传感器，受电磁干扰与温度的影响，测量精度不高，而且传感器 布点受限(一般在8点以下)，从实验效果上只能够监测从切焦器喷嘴出来的高压水是打到焦 层上还是打在已除净焦炭的炼焦塔内壁，不能够真正监测到水力除焦过程中焦层厚度的变化 和切焦器喷嘴的较准确位置。在技术手段方面，由于电类传感器放置于集成了多类电器设备 的炼焦塔上，电磁干扰不可避免，加之炼焦塔的较高的温度，不可避免的会大大降低其测量 精度；另外，电类传感器要采取防爆和降低温度影响的封装措施，造成体积大与成本高，加 之电类传感器的复用特性等限制了其在塔壁上的布点数，不能真正反映焦层厚度变化规律与 切焦器喷嘴的较准确位置。

自1989年Morey首次将光纤布拉格光栅(FBG)用作传感元件以来，光纤传感技术受到了 广泛重视，得到了迅速的发展。与传统传感器相比FBG传感器有本质防爆、抗电磁干扰和信 号可远距离传输等诸多优点。但是，至今还未见将光纤光栅振动传感器运用于水力除焦进程 的监测，主要归结于现有光纤振动传感器的响应频率较低这一局限性。

为了提高光纤光栅振动传感器的响应频率和工作稳定性，张东生等提出了一种竖直推挽 式结构传感器；徐刚等也设计了一种新型的高频传感器。但是，这两种传感器响应频率依然 偏低(3000Hz以下，有效响应频率2000Hz以下)，不能满足水力除焦进程监测对传感器响应 频率的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有技术的缺陷，提供一种炼焦塔水力除焦在 线监测的Y型双FBG光纤振动传感器，该传感器通过对塔壁高频法向振动信号的采集解决 炼焦塔水力除焦的监测系统中焦层厚度难以判别的问题，同时光纤传感器可以不受温度、电 磁干扰等影响，使用起来更加安全与方便。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的炼焦塔水力除焦在线监测的Y型双FBG光纤振动传感器，包括振动导杆、 散热结构、Y型振动件、密封壳、配重体和光纤光栅，以及支撑整个传感器的连接基座，其 中：振动导杆左端的接触探头与焦炭塔塔壁紧密接触，散热结构固定在振动导杆上，密封壳 通过螺口装配在振动导杆右端的固定件上，密封壳装有配重体和Y型振动件，第一光纤光栅 经过Y型振动件的一端引出后固定在密封壳上，第二光纤光栅从Y型振动件的另一端引出和 预拉伸后固定在密封壳上。

所述Y型振动件由支杆和与该支杆上端固定相连的呈叉形布置的两个臂组成，该支杆的 下端固定在密封壳的底部上。

所述Y型振动件位于振动导杆上的散热结构所在位置后方150mm±5mm处，其能够消 除塔壁传导出的复杂运动，只保留其法向振动。

所述振动导杆由接触探头和不锈钢圆管组成，其中：接触探头带有弧形，该弧形按照塔 壁弧度加工而成；接触探头的弧形中部通过激光焊接与不锈钢圆管相连接。

所述散热结构由若干片的圆环形金属片组成，这些圆环形金属片通过螺纹固定在振动导 杆上。

所述散热结构将焦炭塔传递出的温度降低，使所述光纤FBG振动传感器的工作温度不 超过100℃。

本发明炼焦塔水力除焦在线监测的Y型双FBG光纤振动传感器，其响应频率与配重体 的质量m成反比，与配重体的振动位矢成正比。

本发明可以通过调节配重体的质量和振动位矢，使本发明光纤FBG振动传感器的响应频 率提高到3000～5000Hz。

本发明与现有技术相比具有以下的技术优势：

1.Y型振动件响应频率高，测量范围较大，并消除温度对实验结果的影响；通过Y型振 动件的设计消除其他方向的振动干扰，只保留法向振动，因此能够精准确定焦层厚度的变化；

2.通过调节Y型双FBG光纤传感器中配重体的质量和Y型振动件的振动位矢，能获得高 灵敏度和高响应频率；

3.振动导杆与炼焦塔壁密实接触，便于振动的精准传播；

4.散热结构消除了炼焦塔壁温度对传感器的影响；

5.通过测量光纤光栅光学信号改变量可获得水力除焦的状态，操作更加方便；

附图说明

图1为炼焦塔水力除焦状况监测的Y型双FBG光纤振动传感器的整体结构。

图中：1.连接基座；2.振动导杆；3.散热结构；4.Y型振动件；5.密封壳；6.配重体； 7.光纤光栅；8.光纤光栅；9.尾纤；10.接触探头；11.固定件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的传感器结构和实现原理做进一步描述。

本发明提供的炼焦塔水力除焦在线监测的Y型双FBG光纤振动传感器(以下简称传感 器)，其结构如图1所示，包括连接基座1、振动导杆2、散热结构3、Y型振动件4、密封壳 5、配重体6、光纤光栅7、光纤光栅8、尾纤9、接触探头10、固定件11组成，其中：连接 基座1用于整个传感器的安装固定，该连接基座1将振动导杆2左端的接触探头10与焦炭塔 塔壁紧密接触。散热结构3固定在振动导杆2上。密封壳5通过螺口装配在振动导杆2右端 的固定件11上。带有配重体6的Y型振动件4固定在传感器的密封壳5上，光纤光栅8经 过Y型振动件4的一端固定在密封壳5上。光纤光栅7从Y型振动件4的另一端引出，在密 封壳5上固定光纤光栅7，并做一定程度的预拉伸，然后依次将各元件进行封装，制备工作 完成。

所述连接基座1是一种由依次相连的底盘、支架、环形固定件组成，其中：底盘与地面 相连接，环形固定件穿入振动导杆2上且通过振动导杆的侧翼固定相连，支架两端通过焊接 分别与底盘和环形固件相连。

所述振动导杆2是一种由接触探头10和不锈钢圆管组成，其中：接触探头10的一端(左 面)带有弧形，该弧形按照塔壁弧度加工而成；接触探头10的另一端通过激光焊接与不锈钢 圆管相连接，以减小振动在传导中的失真，提高测量的精度。振动导杆2的杆体穿过连接基 座1的环形固定件，该杆体的右端尾端的固定件11与密封壳5通过螺口相连。

所述散热结构3通过螺纹与振动导杆2的杆体固定相连。该散热结构3是由若干片的圆 环形金属片组成，这些圆环形金属片通过螺纹固定在振动导杆上。

所述密封壳5内设有配重体6和Y型振动件4。

所述Y型振动件4由支杆和与该支杆上端固定相连的呈叉形布置的两个臂组成，该支杆 的下端固定在密封壳5的底部上。

所述配重体6为Y型振动件4的一部分，Y型振动件4的两个臂增加光纤光栅受迫振动 时的臂长，增强了传感器灵敏度，但随之响应频率降低，通过配重体降低Y型振动件4的重 心以增强其响应频率，从而达到传感器响应频率高、灵敏度高的高技术指标。

所述光纤光栅包括光纤光栅7和光纤光栅8，其中：光纤光栅7从Y型振动件4的一个 臂的端头引出后，其下端固定在密封壳5上，并做一定程度的预拉伸。光纤光栅8经过Y型 振动件4的另一个臂的端头引出后，其下部固定在密封壳5上，其尾纤9穿出密封壳5的底 部。该尾纤9通过通过外界接线盒与解调系统相连。

本发明根据弹性力学及光纤传感理论，设计了一种如图1所示的Y型双FBG光纤振动 传感器，对该传感器进行结构上的灵巧设计以及结构材料和光栅长度的选择，根据振动模型 推导出光纤光栅振动传感器的振动频率、振幅与光纤两点固定的长度、配重体的质量、Y型 灵敏度补偿结构的角度和尺寸以及光纤的张力等关系，实现高频振动和高灵敏度的双优选择， 由于传感器的本身性质与振子的质量和弹性结构的弹性模量密切相关。随着配重体6的振动， 光纤光栅7和光纤光栅8的波长随之漂移，反射光强度随着光栅反射波长差的变化而变化， 在一定范围内呈线性关系，并与物体振动变化规律一致。配重体6固定以后，能够消除振动 导杆竖直方向的振动，保留由高速水射流击打塔壁所产生的法向的高频振动。随着配重体6 水平方向上的摆动，光纤光栅波长漂移，反射光强度随着波长漂移的变化而变化，在一定范 围内呈线性关系，并与炉壁的振动规律一致。

本发明工作的原理是：前面带有弧形接触探头的振动导杆2与炼焦塔壁密实接触，在高 压水射流冲击下，炼焦塔壁产生局部振动，炼焦塔的振动信号将通过振动导杆作用于光纤光 栅，从而改变光纤光栅高频振动传感器反射回来的光学信号，通过测量该信号的改变量判断 水力除焦的状态。