CQUTS-2000井下輸電線路超溫監(jiān)測系統(tǒng)簡介
井下輸電線路超溫監(jiān)測系統(tǒng)（Underground transmission line temperature monitoring system）（CQUTS）技術(shù)示范成功是在1981年，Southampton大學(xué)在通訊光纖上測試成功。CQUTS系統(tǒng)于1986年正式投入商業(yè)化運(yùn)作，在隨后的時(shí)間里，伴隨著光纖通訊的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器等一系列新技術(shù)、新產(chǎn)品的使用使得光纖傳感行業(yè)也經(jīng)歷了的發(fā)展，光纖的本征特性和越來越多成功的案例充分證明光纖分布式測溫系統(tǒng)已成為解決越來越多溫度監(jiān)測難題、火情預(yù)警與探測方面解決方案。
1.1 CQUTS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
Cakj CQUTS 系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成：分布式光纖測溫主機(jī)和線性多模感溫光纜。分布式光纖測溫主機(jī)內(nèi)部封裝光器件、激光器、數(shù)據(jù)處理等部分組成，主要用于整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)配置、信號采集、信號分析和分析結(jié)果輸出等功能。多模感溫光纜作為線型傳感器，光纜內(nèi)含2根光纖，一根光纜可以長至數(shù)公里，甚至數(shù)十公里，通過分析光纜內(nèi)不同位置上的光散射信號得到相應(yīng)的溫度信息。CQUTS 系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地測量整根光纖上成千上萬位置點(diǎn)溫度信息，光纖固有的優(yōu)良特性使得CQUTS系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
n 在分布式光纖測溫系統(tǒng)中，光纜既是溫度傳感器又是信號傳輸通道，不再需要其它的測量或傳輸裝置；
n 一根光纜能夠提供上萬個(gè)測量點(diǎn)的信息，安裝快捷簡便且成本低廉，安裝后長期使用且免維護(hù)；
n 光纖具有耐高溫（能夠承受超過1000℃的高溫）、抗腐蝕、抗雷擊和長壽命的特質(zhì)，適用于各種復(fù)雜、有害或惡劣環(huán)境；
n 光纖具有抗射頻和抗電磁干擾的特質(zhì)，適用于高壓場合；
n 光纖具有無靜電、的特質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生電火花，適用于易燃易爆環(huán)境；
n 光纖本身輕細(xì)纖柔，體積小，重量輕，不僅便于布設(shè)安裝，而且對埋設(shè)部位的材料性能和力學(xué)參數(shù)影響甚小，能實(shí)現(xiàn)無損埋設(shè)等。
1.2 CQUTS系統(tǒng)應(yīng)用
n 高壓電纜溫度監(jiān)測；
n 大型變壓器的溫度監(jiān)測；
n 油田和天然氣豎井的溫度檢測；
n 各種管道（天然氣、石油等）泄漏監(jiān)測；
n 建筑物防火監(jiān)測；
n 大型工廠（化工廠電廠）重點(diǎn)設(shè)備（煉爐、煤炭傳送）溫度監(jiān)測，或生產(chǎn)過程的溫度監(jiān)測；
n 各種遂道（高速公路、地鐵、鐵路等）防火監(jiān)測；
n 大壩的泄漏和溫度檢測；
2 CQUTS系統(tǒng)的工作原理
CQUTS系統(tǒng)同時(shí)利用單根光纜實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測和信號傳輸，綜合利用光纖拉曼散射效應(yīng)（Raman scattering）和光時(shí)域反射測量技術(shù)（Optical Time-Domain Reflectometry，簡稱OTDR）來獲取空間溫度分布信息。
其中光纖拉曼散射效應(yīng)（Raman scattering）用于實(shí)現(xiàn)溫度測量，光時(shí)域反射測量技術(shù)（Optical Time Domain Reflectometer）用于實(shí)現(xiàn)溫度定位，是近幾年發(fā)展起來的一種用于實(shí)時(shí)測量空間溫度場分布的高科技技術(shù)，它能夠連續(xù)測量光纖沿線的溫度分布情況，測量距離在可達(dá)30公里，空間定位精度達(dá)到米的數(shù)量級，能夠進(jìn)行不間斷的自動(dòng)測量，特別適宜于需要長距離、大范圍多點(diǎn)測量的應(yīng)用場合。
2.1 CQUTS測溫原理—拉曼散射
激光光脈沖射入傳感用的光纖之中，在光脈沖向前的傳播過程中，由于光纖的密度、應(yīng)力、材料組成、溫度和彎曲變形等原因發(fā)生散射現(xiàn)象，有一部分的散射光會(huì)按照入射光相反的方向傳播，稱之為背向散射光，返回的背向散射光包括：
n 瑞利（RayLeigh）散射，由光纖折射率的微小變化引起，其頻率與入射光脈沖一致；
n 拉曼（Raman）散射，由光子與光聲子相互作用引起，其頻率與入射光脈沖相差幾十太赫茲；
n 布里淵（Brillouin）散射，由光子與光纖內(nèi)彈性聲波場低頻聲子相互作用引起。其頻率與入射光脈沖相差幾十吉赫茲；
針對溫度檢測需求，Rayleigh 散射信號對溫度變化不敏感；Brillouin 散射信號的變化與溫度和應(yīng)力有關(guān)，但信號剝離難度大；Raman 散射信號的變化與
溫度有關(guān)，而且 Raman 散射信號相對容易獲取和分析，因此工業(yè)應(yīng)用主要采集Raman 散射信號進(jìn)行溫度分析。Raman散射會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的信號：斯托克斯(Stokes)光（比光源波長長的光）和反斯托克斯(Anti-Stokes)光（比光源波長短的光），光纖受外部溫度的調(diào)制使光纖中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光強(qiáng)發(fā)生變化，Anti-Stokes與Stokes的比值提供了溫度的指示，利用這一原理可以實(shí)現(xiàn)對沿光纖溫度場的分布式測量。
2.2 CQUTS定位原理—光時(shí)域反射
光學(xué)時(shí)域反射技術(shù)（OTDR）最初用于評價(jià)通信光纖、光纜和耦合器的性能，是用于檢驗(yàn)光纖損耗、光纖故障的手段。一般將CQDTS測溫原理和定位原理稱為ROTDR，其工作機(jī)理是向被測光纖發(fā)射光脈沖，發(fā)生拉曼散射現(xiàn)象，在光纖中形成背向散射光和前向散射光。其中，背向散射光向后傳播至光纖的起始端（也就是光脈沖的注入端），由于每一個(gè)背向傳播的散射光都對應(yīng)光纖上的一個(gè)散射點(diǎn)，因此，根據(jù)背向散射光的行進(jìn)時(shí)間便可判斷出光纖上發(fā)生散射點(diǎn)的位置。
d=(c×t) / 2 × (IOR)
其中，c是光在真空中的速度，而t是信號發(fā)射后到接收到信號（雙程）的總時(shí)間，IOR是光纖折射率。
通過采集和分析入射光脈沖從光纖的一端（注入端）注入后在光纖內(nèi)傳播時(shí)產(chǎn)生的 Raman 背向反射光的時(shí)間和強(qiáng)度信息得到相應(yīng)的位置和溫度信息，在得知每一點(diǎn)的溫度和位置信息后，就可以得到一個(gè)關(guān)于整根光纖的不同位置的溫度曲線。
3 CQUTS系統(tǒng)
CQUTS具有自主知識產(chǎn)權(quán)，是國內(nèi)一家能實(shí)現(xiàn)30Km長距離監(jiān)測的高科技企業(yè)，可以實(shí)現(xiàn)30Km無中繼的連續(xù)式溫度監(jiān)測和火災(zāi)報(bào)警，打破了國外光纖拉曼技術(shù)在長距離監(jiān)測領(lǐng)域的長期技術(shù)壟斷。 圖a 分布式光纖測溫主機(jī)
有別于國內(nèi)其他廠商的設(shè)計(jì)水平， CQUTS沿用國際設(shè)計(jì)理念，根據(jù)不同的測量距離定制不同的產(chǎn)品，在充分考慮到可擴(kuò)展性、設(shè)備間的互換性、性價(jià)比等基礎(chǔ)上，為不同的客戶量身定制不同的解決方案。
3.1 組成及主要功能
CQUTS提供了一個(gè)實(shí)時(shí)、多對象、多監(jiān)測點(diǎn)、高精度、高可靠性、費(fèi)用低廉的解決方案。將光纜直接敷設(shè)在待測物表面，在不影響待測物溫度場的情況下，使光纜能直接感觸待測物溫度信息。
標(biāo)準(zhǔn)的分布式光纖測溫系統(tǒng)包括如下組件：
n 多模感溫光纜 ：與分布式光纖測溫主機(jī)采用E2000或者FC/APC相連，根據(jù)測溫要求和測溫環(huán)境具體定制光纜長度、規(guī)格；
n 分布式光纖測溫主機(jī)：2U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，機(jī)柜式；
n 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)：多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的型號以通道數(shù)目來劃分，最少2個(gè)通道，最多16個(gè)通道，每個(gè)通道接1根光纜；
n 測溫軟件
n 繼電器輸出模塊
n 液晶顯示器
3.2 軟件功能
光纖多點(diǎn)測溫應(yīng)用軟件提供以下主要功能：
n 報(bào)警模式：異常溫度變化報(bào)警。觸發(fā)報(bào)警的事件分為以下三種類型：
A) 定溫報(bào)警：設(shè)定報(bào)警閾值，當(dāng)實(shí)測溫度值超過閾值啟動(dòng)報(bào)警；
B) 溫差報(bào)警：某個(gè)區(qū)域溫度與溫度之間的溫度差值，閾值可設(shè)定；
C) 溫差速率報(bào)警(基于時(shí)間)：報(bào)警閾值可設(shè)定；
n 報(bào)警功能和設(shè)置：用戶可以定制報(bào)警參數(shù)和報(bào)警模式，三種報(bào)警模式可以單獨(dú)或組合使用；
n 系統(tǒng)故障報(bào)警：系統(tǒng)自行監(jiān)視激光強(qiáng)度、檢測光纖健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自我診斷和測試，并及時(shí)提示系統(tǒng)故障事件；
n 報(bào)警與確認(rèn)：當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)軟件報(bào)警，可外接聲光報(bào)警器，軟件報(bào)警和聲光報(bào)警均支持人工復(fù)位，報(bào)警信息將被自動(dòng)存作歷史資料。報(bào)警信息將按順序顯示，不會(huì)被覆蓋或取消，并記錄警報(bào)是否已被確認(rèn)，報(bào)警音響可定制。
n 周期性報(bào)表：系統(tǒng)將提供自動(dòng)和手動(dòng)報(bào)表（日/周/月），并允許使用者按具體日期生成報(bào)表。具體功能如下：
A) 系統(tǒng)將按照所設(shè)定的參數(shù)收集和儲存數(shù)據(jù)。報(bào)表將由軟件編輯工具（諸如Excel）生成并自動(dòng)存檔，使用者還可透過該軟件來定義報(bào)表格式；
B) 報(bào)表自動(dòng)生成并自動(dòng)存檔。報(bào)表也可以在時(shí)段的時(shí)間自動(dòng)生成；
C) 所有的報(bào)表可自動(dòng)做成備份至硬盤；
D) 日期和修改將被記錄在所有報(bào)表上。
n 2D/3D 曲線圖：系統(tǒng)具有溫度曲線圖顯示功能，可以顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)。趨勢圖將提供以下功能：
A) 某時(shí)段監(jiān)測對象不同位置的溫度分布曲線；
B) 某天監(jiān)測對象某點(diǎn)的溫度變化曲線；
C) 某時(shí)段監(jiān)測對象某點(diǎn)的溫度變化曲線；
D) 某天溫度變化曲線。
3.3 系統(tǒng)參數(shù)介紹
| 參數(shù) / Parameter | 規(guī)格 / Specifications | |||
| 單通道測量距離 | 2Km | 4Km | 15Km | 30Km |
| 溫度精度 | 0.5℃ | 1℃ | ||
| 光纖類型 | 62.5/125um多模光纖 | 50/125um多模光纖 | ||
| 溫度分辨率 | 0.1℃ | |||
| 測溫范圍 | -200℃ ~ +450℃ 【取決于光纖的涂覆材料】 | |||
| 光通道數(shù)量 | 1-16 | |||
| 空間分辨率 | 1m | |||
| 空間采樣分辨率 | 0.25m | |||
| 定位精度 | 1m | |||
| 響應(yīng)時(shí)間 | ≥16s | |||
| 光纖接口 | FC/APC E2000 | |||
| 工作溫度 | 0℃~70℃ | |||
| 工作濕度 | 0％RH~95％RH | |||
| 功耗 | <> | |||
| 電源 | 220VAC，50Hz | |||
| 通訊接口 | Ethernet、 USB、RS232、RS485 | |||
| 數(shù)據(jù)存儲 | 160G硬盤（可擴(kuò)展），512M內(nèi)存 | |||
| 自我診斷 / 遠(yuǎn)程控制 | 內(nèi)置自我診斷模塊，防止硬件和軟件死機(jī)； 內(nèi)置遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和遙測； | |||
4. 主要設(shè)備介紹
4.1.1 光纖測溫主機(jī)CQUTS
光纖測溫主機(jī)是光纖分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)的核心設(shè)備，一方面為現(xiàn)場多模感溫光纜提供激光脈沖信號，另一方面采集散射光信號進(jìn)行分析，輸出光纜沿線的溫度數(shù)據(jù)和位置信息。與感溫光纜通過E2000，8°傾角法蘭或者FC/APC法蘭相連，AC 220V供電。
產(chǎn)品特點(diǎn)
n 1M激光等級，光源符合人眼安全標(biāo)準(zhǔn)，避免給操作人員在操作過程中帶來安全隱患；
n 光學(xué)器件集成在一個(gè)高度集成的光學(xué)構(gòu)件中，該光學(xué)構(gòu)件全面密封，有效防止光學(xué)器件出現(xiàn)凝結(jié)和灰塵現(xiàn)象，避免光器件出現(xiàn)過早老化，延長系統(tǒng)壽命；
n 溫度測量精度可達(dá)到±0.5℃，定位精度可達(dá)到1米，溫度分辨率可達(dá)到0.1℃；
n 光學(xué)通道數(shù)固定為1通道，可通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)擴(kuò)展到16通道；
n 使用國際互聯(lián)網(wǎng)通信接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和系統(tǒng)維護(hù)升級，使得維護(hù)方便，節(jié)約維護(hù)成本；
n 適應(yīng)各種傳感光纖，對光纖的適應(yīng)性較強(qiáng)；
n 火災(zāi)報(bào)警、系統(tǒng)故障報(bào)警具有聲、光及圖文界面報(bào)警功能，且火災(zāi)報(bào)警信息和故障信息有明顯區(qū)別，報(bào)警時(shí)能明確指示出報(bào)警或故障區(qū)域，并保持至復(fù)位；
n 采用繼電器輸出模塊進(jìn)行分區(qū)報(bào)警設(shè)置，可根據(jù)工程要求實(shí)現(xiàn)無限個(gè)繼電器報(bào)警輸出；
4.1.2 多路轉(zhuǎn)換開關(guān) SWT
多路轉(zhuǎn)換開關(guān)內(nèi)部封裝光開關(guān)器件，是分布式光纖測溫系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光通道數(shù)量擴(kuò)展主要設(shè)備，可擴(kuò)展至16通道，與光纖測溫主機(jī)通過RS232通訊。多路轉(zhuǎn)換開關(guān)為2U機(jī)箱設(shè)計(jì)，可方便地嵌入到機(jī)柜中。
4.1.3 繼電器輸出模塊Relay
繼電器輸出模塊為分布式光纖測溫系統(tǒng)提供多組無源常開干結(jié)點(diǎn)繼電器輸出端子，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到告警信息時(shí)，可以立即通過繼電器向通用報(bào)警控制器等其他系統(tǒng)輸出閉合信號，通告火災(zāi)區(qū)間，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。
4.1.4 多模測溫光纜
為分布式溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測與信號傳輸載體，外護(hù)套上帶長度計(jì)米標(biāo)志，通過E2000，8°傾角法蘭與光纖測溫主機(jī)相連，可實(shí)現(xiàn)油罐、油管、油井、隧道、電纜等溫度監(jiān)測，根據(jù)測溫需求定制不同長度和不同型號的光纜。
外置式測溫光纜采用2芯多模50/125μm光纜，光纜外護(hù)套為高性能的低煙無鹵素阻燃熱塑型材料，測溫光纜具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)特性、機(jī)械性能、防水性能及抗腐蝕特性。
| 特性 | 參數(shù) |
| 衰減系數(shù) | ≤2.9 dB/km（850nm）、≤0.8 dB/km（1300nm） |
| 帶寬 | ≥ 440 MHz/km（850nm）、≥500 MHz/km（1300nm） |
| 數(shù)值孔徑（NA） | 0.2±0.015 |
| 芯徑 | 62.5±3mm |
| 包層直徑 | 125±2mm |
| 涂層直徑 | 245 ± 10mm |
| 光纖數(shù) | 2 |
| 管直徑 內(nèi)/外 | 2.0/2.8 mm |
| 外護(hù)套外徑（厚x寬） | 2.5×5 mm |
| 光纜重量 | 25 kg.km-1 |
| 光纜顏色 | 阻燃材料，黑色或紅色 |
| 最小彎曲半徑 | 最小 15 x D（重復(fù)彎曲） |
| 拉力 | 2000 N |
| 抗壓力 | 400 N/cm |
| 溫度范圍（運(yùn)輸，存儲，工作安裝） | ? 25 to + 120°C |
| 光纜標(biāo)準(zhǔn) | EN18700,IEC60754,IEC60332-1,IEC61034-1,IEC61034-2,IEC60754-2 |
| 光纖標(biāo)準(zhǔn) | IEC60793 |
電纜及電纜中間接頭、終端頭過熱如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，會(huì)引發(fā)爆炸與火災(zāi)等惡性事故，是嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)的因素之一，如果能對電纜運(yùn)行溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，就能提前避免這些事故的發(fā)生，將電纜運(yùn)行的安全隱患消除于萌芽狀態(tài)。
此外，環(huán)境溫度往往是外力性火災(zāi)及故障性火災(zāi)的前兆，可靠的環(huán)境溫度監(jiān)測和及時(shí)報(bào)警很有意義，可以減少運(yùn)行中的巡查次數(shù)。
CQUTS 系統(tǒng)是一個(gè)優(yōu)秀的線性實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測技術(shù)，可以準(zhǔn)確定位（2米以內(nèi)）發(fā)熱點(diǎn)，同時(shí)提供預(yù)警。為用戶及時(shí)排除事故隱患提供了可靠的依據(jù)，并為分析原因，提供了可靠的參考。
該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示并存儲所有監(jiān)測對象的溫度曲線數(shù)據(jù)，根據(jù)不同區(qū)域進(jìn)行分區(qū)管理，管理方式十分靈活，在分區(qū)基礎(chǔ)上可以根據(jù)實(shí)際情況靈活定制報(bào)警。
5 系統(tǒng)功能簡介
n 電纜運(yùn)行溫度監(jiān)測功能：通過實(shí)時(shí)監(jiān)測并記錄電纜的運(yùn)行溫度，積累數(shù)據(jù)，尋找電纜運(yùn)行溫度在不同季節(jié)和每天不同時(shí)段的變化規(guī)律，監(jiān)視電纜的運(yùn)行狀況，為實(shí)行狀態(tài)檢修提供依據(jù)。
n 電纜運(yùn)行溫度異常報(bào)警功能：通過電纜表面溫度、環(huán)境溫度的監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題以及運(yùn)行電纜周圍環(huán)境的突變，以便及早采取措施，預(yù)防乃至避免電纜故障和其他損失。
感溫光纜安裝在橋架上的，采用pvc或金屬卡箍的方式安裝到傳輸電纜上。橋架內(nèi)傳輸光纖最小彎曲半徑大于3厘米。橋架內(nèi)可移動(dòng)部分的光纖套裝金屬軟管進(jìn)行保護(hù)。纜與纜之間的可移動(dòng)距離大于0.5米，層間光纖的可移動(dòng)距離大于1米。系統(tǒng)采用手動(dòng)光纖回路功能，每光纜采用FC/APC連接器，系統(tǒng)良好時(shí)兩端口都可得到正確的測試數(shù)值，異常時(shí)可以在一定程度上提高系統(tǒng)的可靠性。如需對截面感溫光纜進(jìn)行維修時(shí)可整串拆卸后進(jìn)行。
6. 設(shè)備清單| 序號 | 設(shè)備名稱 | 型號 | 數(shù)量 | 單位 | 備注 |
| 1 | 光纖測溫主機(jī) | | 1 | 臺 | 放置在地面 |
| 2 | 測溫光纜 | 煤礦井下專用防爆型 | 12000 | 米 | 礦用隔爆型 |
| 3 | 光纜分路盒 | PLC1分6 | 1 | 個(gè) | 放置在地面 |
| 4 | 光纜接續(xù)盒 | 防水A型 | 6 | 個(gè) | 放置在地面 |
| 5 | 系統(tǒng)軟件 | | 1 | 套 | 放置在地面 |
| 6 | 上位機(jī) | | 1 | 臺 | 放置在地面 |
| 7 | 機(jī)柜 | | 1 | 臺 | 放置在地面 |
7.安裝環(huán)境
7.1、安裝地點(diǎn)： 井下輸電線路；
7.2、海拔高度： 0～+1350m；
7.3、環(huán)境溫度： +35℃ ；2℃；
貯存環(huán)境溫度： +41.4℃；-28℃；
7.4、濕度： 40～95%（+25℃）；
2.5、瓦斯等級： 高瓦斯礦井。
