基于Φ-OTDR分布式光纤传感器的袋式除尘器漏袋智能检测技术

发布时间：2020-08-03 10:24

【摘要】：在含有颗粒污染物的工业废气排放过程中,袋式除尘器是常用的除尘设备。袋式除尘器内滤袋在使用一段时间后会出现破损,必须及时识别并定位出破损滤袋,否则会导致粉尘颗粒穿透滤袋外壁,排放到空气中,造成空气污染。目前传统的识别定位方法存在明显不足,运行成本高,识别定位时间长,操作复杂,且无法实现对滤袋进行实时在线监测与定位。基于相位敏感光时域反射计(Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感系统由于其检测精度高、传感距离长、空间分辨率高,可以对入侵振动事件进行实时在线定位监测等特点,在许多复杂的工程应用场景中有着广泛的应用。本文采用Φ-OTDR分布式光纤传感振动系统对袋式除尘器内破损滤袋进行实时监测定位与识别,具体展开了以下几个方面的研究工作:首先,对Φ-OTDR传感技术涉及到的理论知识做了详细的介绍。集成了一个Φ-OTDR分布式光纤振动传感系统,并对系统的技术参数做了简要的介绍。其次对传输光纤在袋式除尘器滤袋内的敷设方式进行了设计。本文通过将传感光纤分为若干等份,在光纤弯曲度保持在合理区间条件下,每等份中取一部分进行对折并固定。将对折的这段光纤悬挂在滤袋内部,剩下的光纤预留,以保证滤袋定位程序在对每个滤袋进行扫描定位时,滤袋内部光纤的某个位置点可以足够对该滤袋进行定位。再次,在实验平台上,对袋式除尘器滤袋内光纤振动信号进行了特征分析。本文从时域、频域和时频域三个方面对振动信号进行了特征分析。每种分析方法均采用了不同的特征分析算法,且详细比较了袋式除尘器箱体内好袋和破袋振动信号之间的特征差异。然后,在外场袋式除尘器平台上,对袋式除尘器箱体内好袋和不同类型的破袋内振动信号特征进行了提取和识别。根据国家的粉尘排放环保要求,人工制造了不同类型的破损滤袋并应用于实验。采用基于小波包分解(Wavelet Packet Decomposition,WPD)法对振动信号样本进行分解,计算出能量谱和能量熵。提取部分子频带的能量幅值与能量熵一起构成特征参量,并采用反向传播(Back Propagation,BP)神经网络算法对不同类型的滤袋进行识别。结果表明BP神经网络分类器可以有效的对不同类型的滤袋进行分类识别,识别率达到90%以上,且识别稳定性较好。最后还分析了训练样本数对识别结果的影响。最后,在外场袋式除尘器平台上,根据工程应用的实际要求,设计了滤袋破损检测定位与识别程序流程,改进了滤袋信号的特征提取算法和分类器的样本训练和识别方式。采用能量熵和相关系数构成特征参量,并采用某一类型的滤袋信号特征参量作为训练样本,然后运用训练后的分类器识别其他不同类型的滤袋,结果显示该方法可以很好的对不同类型的滤袋进行识别分类,识别率达到90%以上,且具有很好的识别稳定性,实现了对袋式除尘器破损滤袋的实时定位与识别。该方法具有很好的工程应用价值。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X701.2;TP212
【图文】：

袋式除尘器,滤袋

袋式除尘器的结构及工作原理如图Ｕ所示。其结构主要由三部分组成：逡逑除尘箱体、除尘滤袋及脉冲清灰装置［１＿２］。袋式除尘器箱体一般会分割成若干个逡逑独立的除尘单元，每个除尘单元包含有一定数量的除尘滤袋，如图１．２所示，逡逑除尘滤袋悬挂在除尘箱体内部。一个袋式除尘器箱体内一般含有几百个滤袋，逡逑大型袋式除尘器包含的滤袋会达到几千个。如图１．３所示，除尘滤袋形状为圆逡逑柱体，不同的除尘器滤袋的尺寸大小也不同，一般滤袋长度为几米。以合肥水逡逑泥院袋式除尘器除尘实验平台上的滤袋为例，其直径为１３５邋ｍｍ，长度为２４００逡逑ｍｍ。滤袋的材质一般为各种纤维覆膜，是一种具有一定渗透率的多孔介质覆膜。逡逑不同的行业由于其工业尾气的性质及所含粉尘颗粒尺寸不同，会选择不同的纤逡逑维覆膜。对于水泥行业，使用最多的滤料为亚克力针刺毡覆膜。滤袋内部会套逡逑有一个钢结构龙骨

分布式光纤传感技术,光纤传感技术,点式

Ｓｉｇｎａｌ逡逑Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ邋ｕｎｉｔ逡逑图１．５点式光纤传感技术逡逑Ｌｉｇｈｔ邋Ｓｏｕｒｃｅ邋逦ｃｚｊ逦ｃｐ－ｃｐ－ｎ—逡逑——逡逑Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ逦Ｏｐｔｉｃａｌ邋Ｆｉｂｅｒ邋Ｓｅｎｓｏｒｓ逡逑逦ｉ逦逡逑Ｓｉｇｎａｌ逡逑Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ邋ｕｎｉｔ逡逑图１．６准分布式光纤传感技术逡逑８逡逑

光纤传感技术,全分布式

珀罗谐振腔并以此作为光纤传感探头，实现对振动、应变、液位、压力等外部逡逑环境变量的检测｜４３］。基于法布里－珀罗光纤干涉仪原理的准分布式光纤振动传感逡逑系统如图１．８所不。插图表７Ｋ分布在传输光纤中的某一个微结构光纤法布里－拍逡逑罗谐振腔。由于多模光纤（Ｍｕｌｔｉ－Ｍｏｄｅ邋Ｏｐｔｉｃａｌ邋Ｆｉｂｅｒ，邋ＭＭＦ）和单模光纤（Ｓｉｎｇｌｅ逡逑Ｍｏｄｅ邋Ｆｉｂｅｒ．邋ＳＭＦ）的纤芯折射率不同，在拼接界面上构造了两个菲涅耳反射镜，逡逑反射镜的反射率分别为＆和／？２。这两个反射镜形成了一个法布里－珀罗干涉传逡逑感器，ＭＭＦ和ＳＭＦ同时作为波导和传感元件。这两个反射镜的反射光程差为：逡逑Ｌ邋＝邋２ｎｅｄ逦（ｌ．ｌ）逡逑上式中，％是多模光纤纤芯的有效折射率，是多模光纤的长度，即微结构光逡逑纤法布里－珀罗谐振腔腔长。由于ＳＭＦ／ＭＭＦ界面处的反射率较低，因此法布里逡逑－珀罗干涉仪可以近似为双光束干涉仪，忽略了所有的多径反射。波长为；Ｉ时，逡逑两界面处之间的反射光波发生相干干涉，其归一化干涉可以表示为：逡逑Ｘ（Ａ）邋＝逦＾Ｒｔ＋Ｒ２＋邋２ｙ［Ｒ＾逦＋邋＜！＞）邋＝邋Ａ邋＋邋Ｂｃｏｓ（＾￣邋＋邋＜ｆ＞）逦（１．２）逡逑上式中

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