一种基于光纤技术的带式输送机故障在线监测装置及方法

摘要

本发明涉及一种基于光纤技术的带式输送机故障在线监测装置，包括监测主机、光缆和传感单元；所述光缆自监测主机引出，沿皮带走向敷设；所述光缆上设置传感单元；所述传感单元设置在导辊处；所述传感单元内包含感测光纤。本发明还提供了一种根据所述的在线监测装置对带式输送机故障进行在线监测的方法。本发明具有实用性强、漏报率低、报警及时、施工简单、寿命长等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种带式输送机故障在线监测装置及方法，尤其是一种采用光纤技术对带式输送机导辊故障进行在线监测的装置及方法。

背景技术

带式输送机最常见的故障是导辊卡死，而导辊卡死后，很容易造成大规模的火灾事故。其事故机理往往如下所述：

由于带式输送机运输距离很长，其导辊数量众多，很难保障全部导辊均具有良好的质量和寿命，在运行中个别导辊会快速损耗而导致轴承卡死；

同时，带式输送机所处环境较差，导辊轴承内很容易进入粉尘，也会导致导辊轴承卡死；

一旦导辊轴承损坏卡死后，皮带将在导辊表面持续摩擦，使导辊积累大量的热量，导辊温度升至很高，如半小时内温度可达到几百度；停车后，静止不动的皮带与卡死的高温导辊持续接触而被烤燃，并进一步点燃皮带机上的货物，比如煤粉、木片等，火势迅速扩大。

导辊轴承卡死将导致导辊温度上升，通过监测导辊温度，可以判断导辊的工作状态是否正常，从而判断是否存在火灾隐患，进而实现带式输送机火灾预警。现有技术一般采用红外测温枪对导辊温度进行巡检：

巡检工定时巡视带式输送机的相关设备，用红外测温枪检测设备的温度，对温度异常的导辊，排查其原因。采用红外测温枪人工巡检的方式能够发现带式输送机存在的火灾隐患，但还存在以下问题：

1、人力成本高

带式输送机运输距离很长，其导辊数量众多，采用巡检员对带式输送机设备进行巡检，将耗费大量的人力，人力成本高；

2、实时性差

人工手持红外测温枪对带式输送机进行巡检，巡检员根据经验及红外测温枪的实测温度，判断带式输送机的设备运行是否正常；

带式输送机设备的某处导辊被巡检员检到时刻的状态能够被巡检员检测到；但巡检员离开后，其状态可能发生改变，而一旦其状态改变，就有可能存在火灾隐患，但巡检员却不知晓该状态变化，直至再次巡检到该处导辊；

导辊卡死后温度上升速度很快，由于未对该处的异常状态及时检测并采取相应措施，可能已经引起火灾等情况；人工巡检对设备检查的实时性较差；

同时，人工巡检可能存在漏检的情况。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种基于光纤技术的带式输送机故障在线监测装置及方法。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于光纤技术的带式输送机故障在线监测装置，包括监测主机、光缆和传感单元；

所述光缆自监测主机引出，沿皮带走向敷设；

所述光缆上设置传感单元；所述传感单元设置在导辊处；

所述传感单元内包含感测光纤；

所述监测主机用于处理沿光缆传输的分布式温度信号及传感单元的点式温度信号。

根据所述的在线监测装置，进一步，所述感测光纤的长度l不小于在线监测装置空间分辨率L的30％或感测光纤包含至少一个光纤布喇格光栅。

根据所述的在线监测装置，进一步，所述光缆和/或传感单元敷设在导辊支架或导辊轴上。

根据所述的在线监测装置，作为优选，所述传感单元与导辊支架或导辊轴的接触面为金属材料，非接触面为非金属材料。

根据所述的在线监测装置，作为优选，所述传感单元具有铁磁性。

根据所述的在线监测装置，作为优选，所述传感单元内部填充导热物质。

根据所述的在线监测装置，作为优选，所述传感单元内设置有凸台，将对折的感测光纤撑开。

本发明还提供了一种根据所述的在线监测装置对带式输送机故障进行在线监测的方法，包括以下步骤：

a、在导辊处设置与光缆相连的传感单元，所述光缆自监测主机引出，沿皮带走向敷设；

b、处理沿光缆传输的分布式温度信号及传感单元的点式温度信号，并根据处理结果生成报警信息。

根据所述的在线监测方法，进一步，在步骤b中，根据分布式及点式温度信息得出温度或升温速率实测值；将实测值与报警预设值进行比较，若实测值达到预设值，则发出预警信号；若未达到，则对导辊温度继续监测。

根据所述的在线监测方法，进一步，若环境温度为T₀，感测光纤的温度测量值为T₁，则感测光纤对应的实际温度T为：

$T=\left(\begin{array}{c}\frac{T_1-T_0}{l/L}+T_0,l\le L\\ T_1,l>L\end{array}\right).$

根据所述的在线监测方法，作为优选，所述感测光纤在传感单元内部对折后盘绕，感测光纤对折处通过设置于传感单元内的凸台撑开。

将传感单元设置在导辊轴上，传感单元所感受的热量经由多个环节：即导辊表面、导辊轴和传感单元；若传感单元设置在导辊支架上，传感单元感受的热量经由的环节为：导辊表面、导辊轴、导辊支架和传感单元；温度传递均经历了多个环节，每一个环节都存在一定的温度梯度，为此，在实验室中做了导辊的传热试验。

试验是在室温环境下，用电炉加热导辊表面，模拟导辊被煤粉包围的散热条件，然后分别测量导辊表面温度，导辊轴温度(和导辊支架温度)及传感单元处的温度。测试结果如下：

1)传感单元设置在导辊轴上：

  导辊表面温度  导辊轴的温度  传感单元感受温度  290℃～300℃  200℃～210℃  70℃～80℃

导辊温度290℃～300℃介于皮带冒烟温度与着火温度之间，应属危险温度，此时传感单元感受温度为70℃～80℃，因此，我们可以设定60℃为传感单元的报警温度；单次测量结果与前次测量结果相比，其升温速率的报警阈值为：2℃/min。

2)传感单元设置在导辊支架上

  导辊表面温度  导辊轴的温度  导辊支架温度  传感单元感受温度  290℃～300℃  200℃～210℃  100℃～110℃  60℃～70℃

根据上述结果，设定50℃为传感单元的报警温度，其升温速率的报警阈值为：1.7℃/min。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、布线方便

由于现场具有上千个导辊，相应的导辊支架或导辊轴也有上千个，导辊支架及导辊轴为金属材质，一般为不锈钢，本发明采用具有铁磁性的传感单元对带式输送机导辊温度进行监测，布线方便，能够保证传感单元快速安装；

2、成本低、安全系数高

由于传感单元是由一定长度的传感光纤组成，布线成本较低；因此，监测内容可以是靠近机尾处的下导辊，也可以是所有的下导辊，或是所有的导辊，因为成本较低，也不会耗费更多的资源，从而使监测内容不仅仅是靠近机尾处的部分下导辊，而对带式输送机导辊有更全面的监测，大大提高了预防火灾的力度，安全系数高。

附图说明

图1为实施例1中带式输送机故障在线监测装置结构示意图；

图2为实施例1中传感单元的结构示意图；

图3为实施例4中三段式槽型导辊火灾预警装置横向剖面示意图；

图4为实施例4中传感单元内传感光纤缠绕方式示意图；

图5为实施例4中传感单元内部结构立体图。

具体实施方式

实施例1

请参见图1、图2，一种基于光纤技术的带式输送机故障在线监测装置，包括监测主机、光缆110和传感单元161，光缆110上设置有传感单元161；其中，带式输送机的导辊为平型导辊，导辊安装在导辊支架151上；

所述光缆110自监测主机引出，沿皮带走向敷设，皮带由设置在导辊支架151上的导辊带动而运动，为了监测导辊的温度，将光缆设置在导辊支架151上，对带式输送机导辊进行分布式温度监测；

传感单元161也设置在导辊支架151上；本实施例中，对靠近机尾的100组下导辊温度进行重点点式温度监测，将传感单元161设置在靠近机尾的100组下导辊支架151上；传感单元161以螺钉或槽固定在导辊支架151上；由于导辊支架151通常不更换，且支架上空间充足，将传感单元161固定在导辊支架151上比较方便；且温度的传递虽然经过了导辊表面、导辊轴至导辊支架等几个环节，但根据经验，由带式输送机导辊卡死到温度升高至足以引发火灾的过程较为缓慢，利用设置在导辊支架上的传感单元监测导辊的温度足可以对火灾情况进行预警；

所述传感单元161包括光缆111、光缆121、金属盒131和感测光纤141；

感测光纤141采用盘绕的方式安装于金属盒131内；光缆111和光缆121穿过金属盒131的外壁与盘绕在金属盒131内的感测光纤141以熔接的方式相连接；光缆111和光缆121露出金属盒131的部分固定在金属盒131的外壁上；

光缆111和光缆121与传感单元161两边的光缆110之间采用熔接的方式连接；

金属盒131采用导热性好的金属材料制成，如不锈钢、铝、钛合金等，只要是该金属具有一定的刚性，且能使金属盒具有一定的抗压性能即可；本实施例金属盒材料选用不锈钢；

由于金属盒131采用导热性好的不锈钢制作，能够将导辊支架151的温度信息快速传至内部感测光纤141，使系统及时响应导辊温度的变化，缩短了光纤温度传感系统的温度响应时间；同时当有外界冲力或压力作用在传感单元161时，由于不锈钢材料具有一定的刚性，能够及时保护内部的感测光纤141，免受损坏；

由于光缆111和光缆121固定在金属盒131的外壁上，并同时和盘绕在金属盒131内部的感测光纤141相连接，当有外界拉力作用在光缆110上时，在光缆110与金属盒131之间存在张力，不会影响到盘绕在金属盒131内部的感测光纤141；这样就保证了光缆110与感测光纤141之间不会轻易发生断裂，从而能够保证对待监测导辊温度的连续测量；

分布式温度监测一般基于光纤拉曼散射、布里渊散射或光纤布喇格光栅原理；空间分辨率是能够准确感温的最小受热光纤长度；基于光纤拉曼散射或布里渊散射原理时，传感单元内感测光纤的长度不小于空间分辨率的30％，即能够响应温度的变化，进而达到可靠报警的目的；基于光纤布喇格光栅原理时，传感单元内的感测光纤包含至少一个光纤布喇格光栅，可实现对温度的监测；

在本实施例中，在线监测系统是基于光纤拉曼散射原理；传感单元161内包含一段感测光纤141，感测光纤141的长度不小于空间分辨率的30％，即可在传感单元161感受外界温度响应后将热量传递给内部的感测光纤141时，感测光纤141能够感知温度变化，进而能实现对短受热区域的温度监测；

传感单元161之外的光缆110本身也是传感器，能实现分布式温度监测，不漏点，提高火灾预警装置的可靠性；

所述监测主机用于处理沿光缆传输的分布式温度信号及传感单元的点式温度信号；

本实施例以缠绕光纤的方式增加光纤的物理长度，以提高温度点式测量的精度；若系统的空间分辨率为1m，取感测光纤的长度不小于0.5m；

所述带式输送机故障在线监测装置包含多个传感单元，每个传感单元内部感测光纤的长度可以相同，也可以不同，但感测光纤的长度都至少为0.5m；

若感测光纤的长度l均为0.5m，而系统的空间分辨率L为1m；则若环境温度为T₀，感测光纤的温度测量值为T₁，则感测光纤对应的实际温度T为：

$T=\frac{T_1-T_0}{l/L}+T_0.$

本实施例还提供了一种基于光纤技术的带式输送机故障在线监测方法，包括以下步骤：

a、提供本实施例所述的带式输送机故障在线监测装置；

将光缆110自监测主机引出，沿皮带走向在带式输送机导辊支架151上敷设，对带式输送机导辊进行分布式温度监测；

在重点监测导辊对应的导辊支架151上设置传感单元161；本实施例重点监测导辊为沿靠近机尾处的100组下导辊，使靠近机尾处的100组下导辊受到点式温度监测；

b、对沿光缆110传输的信号进行处理，并根据分析结果进行预警，具体如下：

测量主机对沿光缆110传输的光缆的分布式温度信号进行处理，得到沿光缆敷设区内光缆110感受到的温度，作为分布式温度实测值T′₁；

测量主机根据传感单元161内的感测光纤141传输的点式温度信号得出相应的传感单元161感受到的温度，作为点式温度测量值T₁；则感测光纤对应的实际点式温度实测值T为：

$T=\frac{T_1-T_0}{l/L}+T_0;$

本实施例中，感测光纤的长度l均为0.5m，系统的空间分辨率L为1m；环境温度T₀为25℃；

测量主机将分布式温度实测值T′₁与光缆设置在导辊支架上时的分布式温度预设值90℃进行比较；将感测光纤对应的实际点式温度实测值T与传感单元设置在导辊支架上时的温度预设值50℃进行比较并生成报警信息；

若温度实测值达到温度预设值，则发出预警信号，提示工作人员相应导辊处的温度已达到预警阈值，该处的导辊可能已经卡死，需要工作人员查看情况并进行处理；

若温度实测值未达到温度预设值，则不发出预警信号，对带式输送机导辊继续监测。

采用基于光纤技术的测温系统对带式输送机故障进行在线监测，不仅能够对所有的导辊进行分布式温度监测，以便于对整个带式输送机进行全面的温度监测；还可以通过在需要重点监测的导辊处设置传感单元的方式，对重点监测导辊进行点式准确测温；

传感单元是由一定长度的传感光纤组成，布线成本较低；因此，重点监测内容可以是靠近机尾处的下导辊，也可以是所有的下导辊，或是所有的导辊，因为成本较低，也不会耗费更多的资源，从而使重点监测内容不仅仅是靠近机尾处的部分下导辊，而对带式输送机导辊有更全面的监测，大大提高了预防火灾的力度，安全系数高。

实施例2

一种基于光纤技术的带式输送机故障在线监测装置，与实施例1所述带式输送机故障在线监测装置不同的是：

本实施例的在线监测系统是基于布里渊散射原理；

在传感单元金属盒的内部填充导热介质；导热介质可以为硅脂或硅油等能够传导热的材料即可；本实施例选用硅脂；

传感单元金属盒感知的外界温度通过硅脂快速传给盘绕在金属盒内部的感测光纤，进一步提高感测光纤的热响应效率；

所述光缆自监测主机引出，沿皮带走向敷设，皮带由导辊带动而运动，为了监测导辊的温度，将光缆设置在导辊轴的端面上；

传感单元设置在重点监测导辊轴的端面上；本实施例中，重点监测导辊为所有下导辊；

将传感单元设置在导辊轴的端面上，温度的传递经过导辊表面直接传递给导辊轴，进而传递给传感单元对导辊温度的监测更为直接；

传感单元具有铁磁性，吸附在导辊轴上；传感单元内部感测光纤的长度不小于1m；

传感单元具有铁磁性，若现场具有上千个需重点监测的导辊，采用具有铁磁性的传感单元对带式输送机导辊温度进行监测，布线方便，能够保证传感单元快速安装；

同时，对多组导辊进行重点监测，不会耗费太多的资源，从而使重点监测内容不仅仅是靠近机尾处的部分下导辊，而对皮带导辊有更全面的监测，大大提高预防火灾的力度，安全系数高。

本实施例还提供了一种基于光纤技术的带式输送机故障在线监测方法，与实施例1所述的带式输送机故障在线监测方法不同的是：

在步骤a中，提供本实施例所述的带式输送机故障在线监测装置；

将光缆自监测主机引出，沿皮带走向在带式输送机导辊轴的端面上敷设，对带式输送机导辊进行分布式温度监测；将传感单元分别吸附在各下导辊轴上，使所有下导辊轴均受到点式温度监测；

在步骤b中，对沿光缆传输的信号进行处理，并根据分析结果判断是否报警，具体如下：

对沿光缆传输的光缆的分布式温度信号进行处理，得到沿光缆敷设区内光缆感受到的温度，作为温度实测值；

根据传感单元内的感测光纤传输的点式温度信号，得出所有传感单元感受到的温度，也作为温度实测值；

分布式温度测量的单次测量时间为30s，即每30s进行一次测量；每次测量完毕，将测量结果与最临近在先测量结果进行比较，得出升温速率；如对于某一组导辊轴，本次测量得到温度实测值为T₁，相应最邻近在先测量温度为T′₁，则升温速率为其中，Δt为两次测量间隔时间，在本实施例中，两次测量间隔时间与单次测量时间相同，均为30s；

按照上述方法得到单次测量时的升温速率实测值；

本实施例中光缆与传感单元均设置在导辊轴端时，升温速率预设值均为2℃/min，将所有升温速率实测值与升温速率预设值进行比较并生成报警信息；若升温速率实测值达到升温速率预设值，则发出预警信号，提示工作人员相应导辊的温度已达到预警阈值，需要工作人员查看情况并进行处理；

若升温速率实测值未达到升温速率预设值，则不发出预警信号，对带式输送机导辊继续监测。

实施例3

一种基于光纤技术的带式输送机故障在线监测装置，与实施例2所述带式输送机故障在线监测装置不同的是：

在线监测系统是基于光纤布喇格光栅原理，传感单元内的光纤包含至少一个光纤布喇格光栅；本实施例中，对靠近机尾的200组上下导辊进行重点监测，即将传感单元设置在靠近机尾的200组上下导辊的导辊轴的端面上；

所述带式输送机故障在线监测装置包含多个传感单元，每个传感单元内部光纤的长度可以相同，也可以不同，但光纤的长度都包含至少一个光纤布喇格光栅；

为了保证传感单元感受到的导辊传来的热量不易散发出去，在传感单元的金属盒未与导辊轴接触的面设置非金属材料，使所述传感单元与导辊轴的接触面为金属材料，传感单元与周围空气的接触面为非金属材料。

本实施例还提供了一种基于光纤技术的带式输送机故障在线监测方法，与实施例2所述的带式输送机故障在线监测方法不同的是：

在步骤a中，提供本实施例所述的带式输送机故障在线监测装置；

将光缆自监测主机引出，沿皮带走向在带式输送机导辊轴的端面上敷设，对带式输送机导辊进行分布式温度监测；将传感单元分别吸附在靠近机尾的200组上下导辊轴的端面上，使靠近机尾的200组上下导辊轴均受到点式温度监测；

在步骤b中，根据沿光缆传输的信号，得出所有导辊轴端对应的光缆或传感单元感受到的温度实测值；将温度实测值与温度预设值进行比较并生成报警信息；根据报警信息判断是否发出预警信号；本实施例中，光缆设置在导辊轴端时的温度预设值为190℃，传感单元设置在导辊轴端时的温度预设值为60℃。

实施例4

请参阅图3、图4、图5，一种基于光纤技术的带式输送机故障在线监测装置，与实施例2所述带式输送机故障在线监测装置不同的是：所述导辊结构为三段式槽型导辊；光缆210沿皮带走向敷设在导辊200的支架251上；具有铁磁性的传感单元201吸附在三段式槽型导辊支架251上；由于导辊200两侧均有支架，可以在所有支架上与导辊相对应的位置均设置传感单元，也可以只是在中间导辊的两侧支架上设置传感单元；本实施例中，在中间导辊200的两侧支架上设置传感单元231；

传感单元201包括金属盒231、感测光纤241和设置在传感单元201两端与光缆110相连的光缆；所述金属盒231的一个内壁上设置凸台211，本实施例中凸台211为圆柱，圆柱的半径大于感测光纤241的最小弯曲半径，以避免感测光纤241弯曲过于严重导致损耗增加；所述凸台211的结构不限于上述方式；

感测光纤241在传感单元内部对折后盘绕，感测光纤241对折处通过设置于传感单元201内的凸台211撑开；

感测光纤241缠绕方式可以有多种，将感测光纤241套在金属盒231上的一个凸台211上，沿两个凸台211外沿呈8字缠绕或沿两个凸台211外沿呈O字缠绕，只要能将感测光纤稳定地缠绕在凸台211上，以免感测光纤241散开即可；本实施例感测光纤的长度为1.5m，在线监测系统的空间分辨率为1m；

传感单元201金属盒231内部填充导热物质；本实施例选用硅油；

传感单元金属盒感知的外界温度通过硅油快速传给盘绕在金属盒内部的感测光纤，进一步提高感测光纤的热响应效率；

本实施例中，为了保证传感单元感受到的导辊传来的热量不易散发出去，在传感单元的金属盒未与导辊支架接触的面设置非金属材料。

本实施例还提供了一种基于光纤技术的带式输送机故障在线监测方法，与实施例2所述的带式输送机故障在线监测方法不同的是：

在步骤a中，提供本实施例所述的带式输送机故障在线监测装置；

将光缆210自监测主机引出，沿皮带走向在带式输送机中间导辊200两侧的导辊支架251上敷设，将传感单元201分别吸附在中间导辊两侧支架251上，使所有导辊200均受到点式温度监测；

在步骤b中，根据传感单元内感测光纤241传输的点式温度信号，得出传感单元201感受到的所有导辊支架251的温度，作为温度实测值；

将温度实测值与最邻近在先测量结果进行比较，得出升温速率实测值，再将升温速率实测值与升温速率预设值进行比较并生成报警信息，并根据报警信息判断是否发出预警信号；本实施例中，传感单元设置在导辊支架上时的升温速率预设值为1.7℃/min；

或将温度实测值与温度预设值进行比较并生成报警信息，并根据报警信息判断是否发出预警信号；本实施例中，传感单元设置在导辊支架上时的温度预设值为50℃。

上述实施方式不应理解为对本发明保护范围的限制。本发明的关键是：利用光纤技术对带式输送机故障进行在线监测；在对温度监测时，采用一定长度的感测光纤形成传感单元对部分或全部导辊进行点式精确测温，从而使对导辊的温度监测更到位。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明做出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围之内。