分布式光纤温度传感器设计(分布式光纤温度传感器设计原理)

海潮机械 2023-03-29 11:31 编辑:admin 83阅读

一、利用光纤测温传感器如何检测变压器线圈热点温度?

变压器绕组热点是变压器运行时绕组温度的最高点,热点温度过高,会加速绝缘老化,缩短变压器寿命;热点温度过低,则变压器的能力就没有得到充分利用,减低了经济效益。根据获取温度的方式,获得变压器内部绕组温度主要有两种方法,分别为直接测量法和间接测量法。

1 直接测量法由于变压器内部结构复杂,运行时产生大量微波和电磁干扰,使得传统的测温方法难于得到真实的测量结果。光纤温度传感器有良好的电绝缘性、极强的抗电磁场干扰能力和优良的可靠性,因此非常适合变压器内部的温度测量。直接测量法是利用在变压器靠近绕组部位或绕组线饼中安置光纤温度传感器直接获得变压器绕组的热点温度。使用光纤温度传感器的原因是其接收信号不易为变压器内电磁场等环境所影响,所测结果较为准确。直接测量结果最准确,但绕组内埋设传感器对绝缘结构设计要求较高,容易影响变压器正常运行,且由于绕组热点位置不确定,传感器埋设处不一定是最热点,测量结果可能并非绕组的热点温度。为克服此种情况,常规采取的方法是在绕组热点附近区域,安装多个温度传感器,通过测量多个位置的温度来近似得到绕组的热点温度。另一种解决方案是采用分布式光纤温度传感器。光纤传感技术应用于变压器绕组热点温度的直接测量已经有了重要的进步,但对于稳定性、经济性和实用性仍需提高。

2 间接计算测量方法间接测量法即为不直接对变压器绕组热点温度测量,对热点温度进行估算的方法。这种方法中有利用物理模拟的热模拟法、利用传热学理论计算的数值计算法、利用热电类比法得到的热路模型法和国家标准推荐计算法。① 热模拟法热模拟测量法在变压器顶层区域内模拟绕组相对于顶层油温的温升来求的热点温度。该法热模拟测量法以绕组热点温度tk=KΔtwo+to为基础。式中Δtwo为铜油温差;tO为顶层油温;K为热点系数。图1的测试系统用电流互感器获取电流Iw(正比于负荷),流经温包内特别设计的加热元件以获取Δtwo,加上t0即为绕组热点温度。

二、什么是感温光纤?

是一种实时、在线、多点的温度传感技术,可用于实时测量温度场。在分布式光纤温度传感系统中,光纤既是传感器又是信号传输通道,系统利用光纤所处空间温度场对光纤中的向后散射光信号进行调研,再经过信号调解、采集和处理将温度信息实时显示出来。

在时间上,利用光纤中光波的传输速度和后向光回波的时间差,结合OTDR技术对所测温度点进行准确定位。

分布式光纤感温系统中的检测光纤不带电、抗射频和电磁干扰,防燃、防爆、抗腐蚀、耐高压和强电磁场、耐电离辐射,能在有害的环境中安全运行,在很多高温、高热等恶劣环境下具有特殊优势,近年来已广泛应用于煤矿的自燃火灾监测系统。

三、光纤损耗是如何产生的?它对光纤传感器有哪些影响?

光纤损耗会影响信号的大小,造成信噪比下降,从而影响测量精度。 对不同类型的光纤传感器,损耗的影响不一样。比如对于光纤光栅传感器,它是利用波长漂移实现温度、应变测量的,损耗的影响较小;而对于拉曼型分布式光纤温度传感器,损耗的影响相对大一些。

四、光纤温度传感器的工作原理是什么?

光纤光栅温度传感器可以说神通广大。首先我解释一下光纤光栅传感器的原理。

光纤光栅这个名字有很强的迷惑性,在光纤中写入光栅的原理是,将激光的干涉条纹垂直照射到一段光纤上,以干涉条纹为周期改变光纤材料的性质,这个叫做激光改性,使得光纤中沿轴向产生周期性折射率变化,相应的就有了周期性的反射面。

参照增反膜的效果,如果这一周期等于某一波长的二分之一,那么该波长的光反射后将增强,而其他波长的返回光将抵消,最终的结果是该波长的光全部返回,其他波长的光继续前进。

用宽频激光或者白光照进光纤,根据布拉格公式,光纤光栅返回哪一波长的光和栅距有关,当温度变化时,光纤也会有热胀冷缩效应,栅距哪怕产生很微小的变化,都会影响到它返回的光波长。

光波返回之后,要怎么分辨它呢?

不是用笨重昂贵的光谱仪,有一个非常巧妙的工具叫做法布里珀罗干涉腔(这个腔的原理不再解释,全世界只有两家企业能生产,国内唯一一家生产这种腔的企业是武汉理工光科股份,董事长是姜德生院士),这个腔允许特定波长的光通过并产生干涉圆环,而且不同波长的光产生的干涉圆环半径不同,分辨率可以达到纳米以下好几个小数点,这样用一个条状CCD就能检测出是哪一波长的光返回了,对应地也就知道了传感器所在位置的温度。

分布式光纤光栅温度传感器可以一次测量几万个点的温度。说完了原理,估计你都被人类的智慧震撼了。光纤传感的优点是,传输距离可以长达数百公里、响应速度快、不受环境影响、抗干扰能力强(不受电磁影响)。

电的弱点在于,传输距离受到电路衰减的限制,传输距离有限,响应速度较慢、容易受环境影响(如气压、空气湿度、水),容易受电磁场影响,需要电能才能工作。

特别地,由于光纤光栅温度传感不用电,不会发热也不会产生电火花(写到这里我想到了去年黄岛发生的爆炸),光纤光栅温度传感可以用在石油、化工、煤炭等领域(安保及泄露检测),传统的电传感却不可以。