摘要:光纖溫度傳感器由于光纖本身的特性使得其具有傳統(tǒng)溫度傳感器所無(wú)法比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。本文就其在電力設(shè)備測(cè)溫中的應(yīng)用提出了一種簡(jiǎn)單可行的方法,詳細(xì)分析了其工作原理、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
一、前言
高壓開(kāi)關(guān)柜作為發(fā)電廠、變電站中的重要設(shè)備,起著關(guān)合及開(kāi)斷電力線的作用,用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸送及倒換電力負(fù)荷、以及從電力系統(tǒng)退出故障設(shè)備和線段,從而保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行[1]。在高壓開(kāi)關(guān)柜的長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,開(kāi)關(guān)柜中的觸點(diǎn)和母線排連接處等部位因老化和接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱,而這些發(fā)熱部位的溫度無(wú)法監(jiān)測(cè),由此容易導(dǎo)致火災(zāi)事故。近年來(lái),在電廠和變電站已經(jīng)發(fā)生多起開(kāi)關(guān)柜過(guò)熱事故,造成火災(zāi)和大面積的停電。因而對(duì)全封閉的高壓開(kāi)關(guān)電器,檢測(cè)和監(jiān)視高壓開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)、母線排連接處的工作溫度,提前發(fā)現(xiàn)和排除熱故障隱患,對(duì)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有非常重要的意義。
高壓開(kāi)關(guān)觸頭和母線排連接處處于高電壓、高溫度、高磁場(chǎng)以及極強(qiáng)的電磁干擾環(huán)境中,傳統(tǒng)的測(cè)溫儀表如熱電偶、紅外測(cè)溫儀等易受到這些因素的干擾和影響,因而無(wú)法對(duì)這些位置進(jìn)行直接接觸測(cè)量,從而也就無(wú)法真正得到高壓開(kāi)關(guān)柜的真實(shí)工作狀態(tài),以致設(shè)備內(nèi)部局部過(guò)熱卻仍在“帶病”運(yùn)行。光纖傳感由于光纖具有抗電磁干擾、電絕緣、體積小、耐腐蝕、本質(zhì)安全等優(yōu)點(diǎn)[2],特別適用于各種大型機(jī)電、石油化工、礦井等強(qiáng)電磁干擾和易燃易爆等惡劣環(huán)境中。本文介紹了一種基于位移強(qiáng)度調(diào)制的光纖溫度傳感系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)證明,該系統(tǒng)在高壓開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的溫度測(cè)量中性能可靠穩(wěn)定、安裝方便,具有極好的經(jīng)濟(jì)效益,而且在其他領(lǐng)域也具有極好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
二、位移強(qiáng)度調(diào)制原理
1、傳感探頭的結(jié)構(gòu)
傳感探頭的結(jié)構(gòu)如圖1,各部分作用如下:
(1)輸入光纖:傳輸光源產(chǎn)生的光能量。
(2)輸出光纖:接收調(diào)制后的光信號(hào)并傳輸給光電探測(cè)器。
(3)導(dǎo)熱板及導(dǎo)熱塊:將環(huán)境溫度傳給雙金屬片。
(4)雙金屬片:感受被測(cè)環(huán)境溫度變化并產(chǎn)生相應(yīng)的變形。
(5)遮光片:將雙金屬片的彎曲變形轉(zhuǎn)換為直線位移,從而通過(guò)遮斷光路的大小對(duì)光信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。
2、測(cè)量原理
當(dāng)圖1所示的傳感探頭置于被測(cè)溫度場(chǎng)時(shí),被測(cè)溫度的變化將引起雙金屬片的彎曲變形,通過(guò)遮光片將其轉(zhuǎn)換為直線位移,從而使得從輸入光纖耦合到輸出光纖的光通量發(fā)生變化,即光強(qiáng)度受到了調(diào)制。光通量的變化與遮光片的位移大小有關(guān)系,于是通過(guò)光電檢測(cè)得到的電流大小也發(fā)生相應(yīng)的變化,再通過(guò)電流至電壓的轉(zhuǎn)換,使測(cè)得的電壓值為位移的變量,即V(y),傳感原理如圖2。
對(duì)多模光纖來(lái)說(shuō),其纖端出射光場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分布由下式給出[sup][3][/sup]:
式中,I0—由光源耦合到輸入光纖中的光強(qiáng);Φ(x, y, z)—纖端光場(chǎng)中位置(x, y, z)處光通量密度;σ—表征光纖折射率分布的相關(guān)參數(shù),對(duì)于階躍型光纖,σ=1;a0—光纖纖芯半徑;ζ—與光源種類及光源跟光纖耦合情況有關(guān)的調(diào)制參數(shù);θc—光纖的最大出射角。如果將同種光纖置于輸入光纖纖端出射光場(chǎng)中作為探測(cè)接收器時(shí),所接收到的光強(qiáng)可表示為:
S—接收光面,即纖芯面。在纖端出射光場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū),為方便起見(jiàn),可用輸入光纖端面中心點(diǎn)處的光強(qiáng)來(lái)作為整個(gè)纖芯面上的平均光強(qiáng),在這種近似下,得到在輸入光纖端面所探測(cè)到的光強(qiáng)公式為:
對(duì)于遮光式光強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器來(lái)說(shuō),輸-出光纖接收到的透射光強(qiáng)值等于圖2中光纖纖芯陰影部分所接收到的入射光強(qiáng),于是有:
S—圖2中光纖纖芯陰影部分面積。當(dāng)輸入光纖與輸出光纖端面間距較近時(shí),則在輸入光纖纖芯的邊界處,近似地有:F(x,y,z)»0 (7)于是式(5)可表示為:
對(duì)于固定的z值,ω(z)是一常數(shù),又有:
由上可知,多模光纖的遮光式光強(qiáng)調(diào)制特性曲線分布是重積分函數(shù),難以手工計(jì)算,我們運(yùn)用Matlab工程計(jì)算軟件繪制的調(diào)制特性曲線如圖3,此公式通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證與實(shí)際特性曲線相吻合,見(jiàn)圖7。
三、系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的光路如圖4,之所以采用雙光路補(bǔ)償,是由于在實(shí)際應(yīng)用中,光路容易受到一些內(nèi)在或外在因素的影響,如光源的溫度漂移、探頭的熱脹冷縮引起耦合點(diǎn)的位移等,從而造成測(cè)量精度降低,甚至出現(xiàn)很大的測(cè)量偏差。在光路補(bǔ)償中,雙光路補(bǔ)償是一種常用的簡(jiǎn)單可行的方法。在雙光路補(bǔ)償中,要求雙光纖所處環(huán)境相同,后續(xù)光電檢測(cè)及放大多路對(duì)稱。其原理如下[4]:
設(shè)光源與光纖、測(cè)量輸入光纖與探頭、探頭與測(cè)量輸出光纖、光纖與探測(cè)器的耦合系數(shù)分別為K1、K2、K3、K4;探頭的靈敏度為St,光纖傳遞函數(shù)為H(λ),Φ(λ)為光源產(chǎn)生的光通量;Ω為立體角;Φ1、Φ2分別為兩光纖到達(dá)探測(cè)器前的光通量,則有以下關(guān)系:
這樣經(jīng)探測(cè)器分別轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)輸出,再經(jīng)放大電路后得到各自的輸出信號(hào)U1和U2,除法器的輸出為U,設(shè)探測(cè)器的光譜響應(yīng)度為R(λ),放大器的放大倍數(shù)分別為A1和A2,則有:
由上式可以看到,輸出U中除了St外,其它參量的變化都是相同的,從而消除了一定程度的干擾。
四、信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
如圖5所示,信號(hào)處理系統(tǒng)包括信號(hào)采集電路、信號(hào)處理電路、顯示和鍵盤電路、與PC機(jī)的通信電路。整個(gè)處理系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52 為信息處理的核心,通過(guò)高精度的A/D轉(zhuǎn)換器TLC549實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集,由AT89C52完成數(shù)據(jù)的處理和標(biāo)度的轉(zhuǎn)換,通過(guò)顯示電路實(shí)現(xiàn)輸出指示,通過(guò)鍵盤電路進(jìn)行測(cè)量功能的選定,通過(guò)報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)溫度上限報(bào)警,并通過(guò)串口通信電路與上位機(jī)進(jìn)行通信。
五、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
1、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中使用溫度調(diào)節(jié)范圍為10℃~200℃的干燥箱來(lái)產(chǎn)生溫度場(chǎng),將溫度探頭置于溫度場(chǎng)中,如圖6所示。為了準(zhǔn)確標(biāo)定和測(cè)量溫度場(chǎng)中溫度探頭所在測(cè)量點(diǎn)的溫度變化,將一只測(cè)溫范圍為0℃~100℃、分辨率為1℃的水銀溫度計(jì)和一只測(cè)量范圍為-50℃~250℃、分辨率為1℃的熱電耦溫度計(jì)與系統(tǒng)溫度探頭完全接觸地放置在一起。當(dāng)干燥箱緩慢加熱升溫時(shí),溫度場(chǎng)的變化會(huì)比較緩慢,從而使得溫度場(chǎng)中十分接近的不同點(diǎn)之間的溫差不會(huì)太大。因此在實(shí)驗(yàn)中要求緩慢調(diào)節(jié)干燥箱的溫度,使得熱電耦溫度計(jì)和水銀溫度計(jì)的讀值差小于1℃,在這種情況下可以近似地認(rèn)為溫度探頭、熱電偶溫度計(jì)和水銀溫度計(jì)所處的溫度相同。由于熱電偶溫度計(jì)的靈敏度很高,所以實(shí)驗(yàn)值設(shè)定以熱電偶溫度計(jì)的讀數(shù)為準(zhǔn)。
2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
由于在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用的是塑料光纖,所以設(shè)定的測(cè)溫范圍為10℃(實(shí)驗(yàn)時(shí)的室溫)到80℃。圖7是溫度測(cè)量點(diǎn)與放大電路輸出電壓之間關(guān)系分布圖,同時(shí)給出了三次函數(shù)擬合曲線。
在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中,將預(yù)先標(biāo)定的溫度與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系值讀入程序后,采取分段線性插值的處理方法,將測(cè)量過(guò)程中的實(shí)時(shí)信號(hào)與標(biāo)定值進(jìn)行比較,查表插值后將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度量顯示出來(lái)。具體方法如下:
假設(shè)Xi代表標(biāo)定的電壓,Ti是其對(duì)應(yīng)的溫度值,實(shí)時(shí)測(cè)量的電壓信號(hào)為V,查表可知它位于(Xi,Ti)和[X(i+1),T(i+1)]兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)之間,則實(shí)時(shí)電壓所對(duì)應(yīng)的溫度值T可由(17)求得,其算法如圖8所示。
同時(shí)我們可以看到,溫度上升過(guò)程曲線與溫度下降過(guò)程曲線不重合,這就是測(cè)溫儀的遲滯性。所謂遲滯性是指?jìng)鞲衅髟谡ㄝ斎肓吭龃螅?、反(輸入量減小)行程期間,輸出/輸入曲線不重合的程度,也就是說(shuō)對(duì)于同一大小的輸入信號(hào),傳感器正、反行程的輸出信號(hào)大小不等。遲滯是傳感器的一個(gè)性能指標(biāo),它反映了傳感器的機(jī)械部分和結(jié)構(gòu)材料方面不可避免的弱點(diǎn)[5]。本系統(tǒng)產(chǎn)生遲滯的原因主要是由傳感頭的導(dǎo)熱性能引起的,如果傳感頭的導(dǎo)熱性能良好,其響應(yīng)溫度變化的速度就會(huì)加快,則測(cè)溫儀的遲滯就會(huì)減小。
表1給出了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可以看出,系統(tǒng)測(cè)溫誤差在±1℃以內(nèi),符合實(shí)驗(yàn)的預(yù)期要求。
六、結(jié)論
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方案是可行的。該測(cè)量系統(tǒng)具有良好的電絕緣性和抗電磁干擾能力,而且測(cè)溫元件尺寸小,整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,能適應(yīng)于大多數(shù)場(chǎng)合應(yīng)用,對(duì)于少數(shù)測(cè)量精度要求高的場(chǎng)所,也可通過(guò)加裝準(zhǔn)直系統(tǒng)等來(lái)達(dá)到,但相應(yīng)成本也要增加。