一种一体化金属导管粮仓光纤无源温气同步检测装置及检测方法与流程

本发明属于检测，特别涉及一种一体化金属导管粮仓光纤无源温气同步检测装置及检测方法。

背景技术：

1、在粮食长期仓储过程中，粮堆内部温度场分布与气体组分浓度变化是表征储粮安全状态的两大核心关键指标。其中，粮堆局部温升异常是粮食霉变、滋生虫害的前置特征；粮堆内部二氧化碳、氧气、磷化氢等气体的浓度变化，可真实反映粮食呼吸代谢强度、粮堆密闭状态以及熏蒸杀虫作业效果。因此，对粮堆温度与气体参数进行持续、精准、全深度的在线监测，是实现储粮隐患早发现、早预警、早处置、降低储粮损耗、保障储粮安全的关键技术手段。目前，现有粮堆温度检测技术主要存在以下问题：

2、（1）传统粮温监测普遍依赖rs485总线型电子温度传感器，该类传感器需持续供电、内部含有源器件，在粮仓高湿、粉尘环境下极易受到腐蚀和干扰，且无法耐受粮仓常规的磷化氢熏蒸作业，导致设备寿命普遍较短、数据准确性随时间推移显著下降。更为严重的是，有源电子元件在粮仓粉尘爆炸环境中存在电火花引燃的安全隐患，直接威胁粮仓安全。虽已有部分方案尝试引入分布式光纤测温技术，但现有光纤测温方案通常需要在粮仓建设时预先将传感光纤埋入墙体或地面，施工周期长、工艺复杂且后期无法维护更换；另一类方案采用悬挂方式将光纤吊置于粮仓空间内，光纤裸露于粮堆中，在粮食进出仓及仓储沉降过程中极易受到挤压、弯折而损坏，导致测温精度下降甚至光纤断裂失效，系统可靠性难以保证。

3、（2）气体检测手段落后，难以实现粮堆内部的分层、精准、在线检测。目前粮仓气体检测仍大量依赖人工取样-实验室分析或便携式气体检测仪现场抽检方式，检测效率低、劳动强度大、无法实现连续在线监测。少数粮库采用预埋气体采样管的方式，但采样管功能单一，仅能用于气体采集，一根采样管仅对应一个固定深度测点，如需获取粮堆内部不同深度的气体分布情况，则需预埋多根不同深度的采样管，不仅施工复杂、成本高昂，而且单点采样方式无法反映粮堆内部气体浓度的连续分布特征。

4、（3）温度检测与气体检测两套系统彼此独立运行，各自需要独立的布设施工、独立的管线敷设和独立的设备维护，导致粮仓内部线路纵横交错、系统集成度极低，设备采购成本与施工工程量成倍增加，给粮库的日常管理和设备运维带来沉重负担。更重要的是，两套独立系统采集的温度数据和气体数据在时间上不同步、在空间上不对应，缺乏有效的时空关联性，上位监控系统无法将同一位点、同一时刻的温度变化与气体浓度变化进行关联分析，难以实现基于多参数融合的综合粮情研判与智能预警，极大制约了粮仓智能化管理水平的提升。

5、（4）目前市场上虽存在部分集成式气体采样探杆产品，但此类探杆本质上仅为中空管状结构，仅承担气体通道功能，其内部无法同时布设传感光纤，原因在于：采样探杆在工作时需要产生负压抽气，内部为气体流动通道，若在其中布设光纤则会产生以下矛盾，光纤会阻碍气体流动、影响采样响应速度和气体混合均匀性；抽气产生的气流扰动会干扰光纤的振动噪声，进而影响分布式光纤测温的精度和稳定性；探杆内壁与光纤之间的密封问题难以解决，抽气时气体会沿光纤间隙泄漏，导致采样效率低下。因此，现有技术中气体采样探杆与温度传感光纤始终是分离部署的。

6、综上所述，现有粮仓温度与气体监测技术方案存在系统集成度低、存在安全隐患、检测精度有限、施工部署复杂、运维成本高昂、数据缺乏时空关联性等一系列技术缺陷，无法满足现代智慧粮仓对粮情监测系统“安全可靠、精准高效、高度集成、智能联动”的发展需求。

技术实现思路

1、本发明为解决以上技术问题，提出了一种一体化金属导管粮仓光纤无源温气同步检测装置及检测方法，利用金属导管内腔作为气体采样通道，使温度传感与气体采样共用同一根插入粮堆的金属导管，无需分别布设温度测杆和气体采样管，从根本上解决了现有技术中温度与气体两套系统独立部署、管线纵横交错、系统集成度低的问题；同时，传感光纤完全置于金属导管内部，避免了粮堆沉降、挤压和进出仓作业对光纤造成的机械损伤，提高了系统长期运行的可靠性和使用寿命。

2、本发明的技术方案是：

3、本发明提出一种一体化金属导管粮仓光纤无源温气同步检测装置，包括管壁具有导热性能的金属导管，金属导管的管壁上沿轴向间隔开设有多个进气孔，金属导管内部布设有用于通过金属导管的管壁热传导感测粮堆温度的传感光纤，金属导管顶部可拆卸连接有三通接头；

4、传感光纤远离金属导管的一端连接有用于发射探测光脉冲并接收分析背向散射光信号，获取沿传感光纤全程的分布式温度数据的分布式光纤测温主机，其设置在粮库外部，分布式光纤测温主机上设有多个光纤连接端口，用于多个传感光纤与分布式光纤测温主机连接；

5、三通接头上连接有阀控管路，阀控管路上的阀控单元由外部的控制主机控制，阀控管路远离三通接头的一端连接有交换气盒，交换气盒输出端连接有检测气管，检测气管远离交换气盒的一端连接有泵吸装置；

6、泵吸装置设于粮仓外部，泵吸装置通过输入气管与气体检测装置连接，气体检测装置用于分析经泵吸装置抽出再传输到气体检测装置的气体的成分。

7、优选的，金属导管的外径为8mm～25mm，壁厚为0.5mm～2mm，材质为不锈钢或铜合金。

8、优选的，多个进气孔沿金属导管的轴向以等间距或不等间距方式排列，相邻进气孔间距为0.5m～2m，每个进气孔的孔径为1mm～5mm。

9、优选的，金属导管底部设有插入端，金属导管外壁固定连接有至少一根加强筋；

10、其中插入端为锥形或楔形尖端结构。

11、优选的，三通接头的主连接端口通过快装卡套或螺纹连接与金属导管顶部连接，剩余两个端口分别为光纤引出端口和气管连接端口，阀控管路与气管连接端口连通连接。

12、优选的，光纤引出端口设有光纤管路，光纤引出端口内部设有密封体，传感光纤与光纤引出端口通过密封体密封连接。

13、优选的，传感光纤在金属导管内呈自由松弛状态或微张紧状态布设，金属导管与传感光纤之间外壁固定连接有导热介质，气体检测装置包括二氧化碳传感器、氧气传感器、磷化氢传感器、氨气传感器其中一种或多种气体传感器的组合。

14、导热介质为导热硅脂或导热凝胶，导热介质在金属导管和传感光纤之间呈点段式分布。

15、优选的，该装置具有若干组，各金属导管分别插入粮堆的不同位置，各金属导管内分别布设有传感光纤，单个传感光纤与单独的一个光纤连接端口连接，各金属导管的气管连接端口分别通过独立的阀控管路连接至交换气盒上，由外部控制主机控制每条阀控管路的开合，使泵吸装置经过交换气盒与打开的单个阀控管路连通。

16、一体化金属导管粮仓光纤无源温气同步检测装置的检测方法，包括以下步骤：

17、温度检测步骤，通过分布式光纤测温主机向布设于金属导管内的传感光纤发射探测光脉冲，接收并分析背向散射光信号，基于拉曼散射原理解算沿所述传感光纤全程各位置的温度值，获取粮堆内部沿所述金属导管轴向的分布式温度分布数据；

18、气体采样步骤，由外部控制主机控制开启目标阀控管路上的阀控单元，启动泵吸装置，在所述金属导管内腔中产生负压，使粮堆内部气体通过所述金属导管管壁上开设的多个进气孔进入所述金属导管内腔，再经三通接头、所述阀控管路、交换气盒及检测气管抽送至气体检测装置；

19、气体检测步骤，由所述气体检测装置对抽送来的气体进行成分分析，获取粮堆内部的气体浓度数据。

20、还包括：

21、所述温度检测步骤中，所述分布式光纤测温主机向所述传感光纤发射纳秒级激光脉冲，采集后向拉曼散射光中的斯托克斯分量和反斯托克斯分量，利用两者的强度比值解算沿所述传感光纤各位置的温度值；

22、当该装置具有多组时，所述气体采样步骤中由外部控制主机控制各所述阀控管路上的阀控单元依次开合，使所述泵吸装置经所述交换气盒与各所述金属导管依次连通，实现粮堆内多个不同位置的分时气体采样；

23、所述气体采样步骤中，通过分段密封套筒遮挡所述金属导管上非目标深度层的所述进气孔，仅保留目标深度层的所述进气孔畅通，实现粮堆内特定深度层的气体采样；

24、所述气体检测步骤中，所述气体检测装置通过其内部设置的二氧化碳传感器、氧气传感器、磷化氢传感器、氨气传感器中的一种或多种，分别检测对应气体的浓度值。

25、本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

26、（1）采用一体化金属导管作为传感光纤的物理承载与保护结构，同时利用金属导管内腔作为气体采样通道，使温度传感与气体采样共用同一根插入粮堆的金属导管，无需分别布设温度测杆和气体采样管，从根本上解决了现有技术中温度与气体两套系统独立部署、管线纵横交错、系统集成度低的问题；同时，传感光纤完全置于金属导管内部，避免了粮堆沉降、挤压和进出仓作业对光纤造成的机械损伤，提高了系统长期运行的可靠性和使用寿命。

27、（2）采用分布式光纤测温主机配合布设于金属导管内的传感光纤，基于拉曼散射原理获取沿金属导管轴向的连续分布式温度数据，实现粮堆内部全深度的温度场连续监测，克服了传统点式传感器只能获取离散测点温度的缺陷；同时，通过在金属导管管壁上沿轴向间隔开设多个进气孔并配合泵吸装置，可将粮堆内部不同深度的气体抽出并输送至气体检测装置进行成分分析，实现温度与气体参数在同一物理空间、同一时间维度的同步检测，使上位监控系统能够将同一位点、同一时刻的温度变化与气体浓度变化进行关联分析，为粮情多参数融合研判与智能预警提供了可靠的数据基础。

28、（3）采用金属导管整体插入粮堆的部署方式，金属导管底部设置锥形或楔形尖端、外壁设置加强筋以提高插入刚度和抗弯强度，无需在粮仓建设时预埋，可在粮仓投入使用后灵活施工部署和后期维护更换；金属导管顶部通过三通接头分别引出光纤和气管，光纤引出端口设置密封体确保气密性，气体管路设置阀控单元实现多根导管的自动切换和分时采样，实现了全仓多点布设、远程自动控制、低功耗无源现场检测，避免了有源电子元件在粮仓粉尘环境中的安全隐患，大幅降低了设备采购成本与施工工程量，满足了现代智慧粮仓对粮情监测系统“安全可靠、精准高效、高度集成、智能联动”的发展需求。