كيفية قياس درجة حرارة المحولات بالألياف الضوئية

الألياف الضوئية الفلورية تقيس درجة حرارة المحول عن طريق الكشف عن وقت اضمحلال مضان المواد الفلورية, لأن وقت اضمحلال الفلورسنت هو دالة لدرجة الحرارة

1. طريقة قياس درجة حرارة المحولات باستخدام الألياف الضوئية

1.1 طريقة القياس على أساس الألياف براج صريف

إن Fiber Bragg Grate عبارة عن جهاز سلبي يتم فيه تعديل معامل الانكسار بشكل دوري داخل قلب الألياف. عندما تتغير درجة الحرارة الخارجية, سيؤثر ذلك على معامل الانكسار لشبكة الألياف Bragg ومعامل الانكسار لنواة الألياف, مما يتسبب في حدوث تغييرات في الانعكاس أو الطول الموجي لذروة الإرسال لشبكة الألياف Bragg. عن طريق قياس الطول الموجي للإشارة المنعكسة بدقة, يمكن تحقيق الكشف عن درجة الحرارة. تتطلب هذه الطريقة عادةً تركيب مستشعرات شبكية من الألياف Bragg بالقرب من ملفات المحولات أو غيرها من المواقع المهمة لاستشعار التغيرات في درجات الحرارة بدقة.

1.2 طريقة قياس درجة حرارة الألياف الضوئية الفلورية

يمكن استخدام أجهزة استشعار الألياف الضوئية الفلورية لقياس درجة الحرارة الداخلية للمحولات. المبدأ هو الاستفادة من خصائص المواد الفلورية. عندما تنبعث نبضة ضوئية من مصدر ضوئي وتنتقل عبر الألياف الضوئية إلى جهاز الاستشعار, يتم إضاءة مادة الفلورسنت الموجودة في المسبار بواسطة الطيف. تمتص الجزيئات الضوء وتتحمس إلى حالة إلكترونية مثارة, ثم يشع مضانًا للخارج ويعود إلى الحالة الأرضية الإلكترونية. تظهر درجة حرارة البيئة المحيطة وزمن اضمحلال التألق علاقة وظيفية, ويمكن الحصول على قيمة درجة الحرارة عن طريق الكشف عن وقت اضمحلال التألق. أدخل مسبار مقياس حرارة الألياف الفلورية في الموضع الموجود داخل المحول الذي يحتاج إلى قياس, مثل لف المحولات, لإجراء قياس درجة الحرارة.

1.3 طريقة قياس مستشعر الألياف الضوئية على أساس مواد شبه موصلة

هناك علاقة بين درجة الحرارة وامتصاص الضوء للمواد شبه الموصلة. يُظهر عرض فجوة النطاق لمعظم أشباه الموصلات وجود علاقة خطية سلبية مع درجة الحرارة, إنه, مع ارتفاع درجة الحرارة, يتناقص عرض فجوة النطاق خطيًا ويزداد الطول الموجي لنطاق امتصاص الضوء. يمكن استخدام هذه الخاصية لتصنيع مستشعرات الألياف الضوئية ذات الكثافة المعدلة, مثل استخدام التشكيل العاكس أو الناقل, وكذلك طرق تعديل شدة معامل الانكسار ومعامل الامتصاص. عند القياس, إذا تم تحديد مصدر ضوء يتوافق مع طيف الإشعاع ونطاق الامتصاص, ستؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى انخفاض في شدة الضوء لأشباه الموصلات. ثم, على أساس العلاقة الوظيفية بين شدة الضوء ودرجة الحرارة, ويمكن حساب درجة حرارة المادة شبه الموصلة بقيمة شدة الضوء المنعكسة. هذا النوع من مستشعر درجة حرارة الألياف الضوئية يتكون بشكل رئيسي من أجهزة التحويل الكهروضوئية, مصادر الضوء, والمكونات الحساسة (مثل أشباه الموصلات زرنيخيد الغاليوم).

1.4 طريقة القياس تعتمد على جميع تقنيات الألياف الضوئية

تصميم نظام كشف درجة الحرارة باستخدام شبكات الألياف Bragg كعناصر استشعار. أثناء عملية القياس, قد تكون هناك مشاكل التدخل الخارجي, والتي يمكن معالجتها بشكل فعال باستخدام طريقة الفرق لتحسين دقة نتائج القياس.

2. حالة تطبيق الألياف الضوئية في قياس درجة حرارة المحولات

2.1 مراقبة درجة حرارة لف المحولات في المحطة الفرعية

تم استخدام نظام مراقبة درجة حرارة الألياف الضوئية عبر الإنترنت للمحولات استنادًا إلى تقنية الألياف الضوئية في محطة فرعية تابعة لشركة طاقة معينة. يتكون هذا النظام بشكل أساسي من أجهزة استشعار لدرجة الحرارة مصنوعة من الألياف الضوئية, أجهزة إرسال درجة الحرارة بالألياف الضوئية, أنظمة قياس درجة حرارة الألياف الضوئية, إلخ. أجهزة استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية مسؤولة عن جمع معلومات درجة حرارة ملفات المحولات, ومن ثم تحليل الإشارة الضوئية من خلال أجهزة إرسال درجة حرارة الألياف الضوئية للحصول على معلومات تغير درجة الحرارة. أخيراً, يقوم نظام قياس درجة حرارة الألياف الضوئية بمعالجة وتحليل بيانات درجة الحرارة التي تم الحصول عليها لتحقيق مراقبة في الوقت الحقيقي لدرجة حرارة لف المحولات. من خلال ترتيب أجهزة استشعار الألياف الضوئية في مواضع مختلفة من لف المحولات, يمكن جمع بيانات درجة الحرارة في الوقت الحقيقي. بمجرد اكتشاف ظروف غير طبيعية, سيقوم النظام بإصدار إنذار واتخاذ التدابير المقابلة في الوقت المناسب لتجنب فشل المحولات.

2.2 مراقبة درجة حرارة المحولات المغمورة بالزيت

تطبيق قياس درجة حرارة صريف الألياف
في المحولات المغمورة بالزيت, تُستخدم شبكات الألياف Bragg لمراقبة درجة حرارة الزيت. على سبيل المثال, عن طريق تغليف شبكة الألياف الضوئية داخل غلاف عازل, تنتقل درجة الحرارة المحيطة الخارجية عبر الغلاف إلى شبكة الألياف الضوئية, مما يسبب تغييرا في الطول الموجي. نظرًا للعلاقة الخطية الممتازة بين الطول الموجي المركزي لشبكات الألياف Bragg ودرجة الحرارة, يمكن اكتشاف درجة حرارة الزيت عن طريق قياس الطول الموجي للإشارة المنعكسة. وعادة, عديد (مثل 18) يمكن توصيل أجهزة استشعار درجة حرارة شبكة الألياف الضوئية بأطوال موجية مختلفة بكابل ألياف ضوئية واحد. يتم إرجاع الإشارات المنعكسة من أجهزة الاستشعار إلى الكاشف من خلال جهاز الاسترجاع, وتتم قراءة البيانات إلى الكمبيوتر من خلال بطاقة DIO الرقمية, وبالتالي تحقيق مراقبة فعالة لدرجة حرارة زيت المحولات المغمورة بالزيت.
في نظام الكشف عن درجة حرارة لف المحولات استنادًا إلى استشعار شبكة Bragg للألياف, يعتمد النظام على مستشعرات شبكية من الألياف ذات قدرة قوية على مقاومة التداخل وحساسة للغاية لدرجة الحرارة. قياس ونقل الإشارات الضوئية, تليها إزالة التشكيل في إشارات درجة الحرارة, يمكن أن تلبي متطلبات قياس درجة الحرارة عالية الدقة للملفات المحولات, قياس درجة حرارة لف المحولات المغمورة بالزيت بدقة, وضمان التشغيل الآمن للمحولات.
تطبيق قياس درجة حرارة الألياف الضوئية الفلورية
للمحولات الكبيرة المغمورة بالزيت, تم اعتماد طريقة قياس درجة حرارة الألياف الضوئية الفلورية. على سبيل المثال, يمكن استخدام مستشعر درجة حرارة الألياف الضوئية الفلورسنت من تقنية Fuzhou Yingnuo لمراقبة درجة حرارة المحولات الكبيرة المغمورة بالزيت. إنه يتميز بخاصية العزل الأساسي ويمكنه إجراء مراقبة درجة الحرارة عبر الإنترنت على المكونات التي تتحمل الجهد العالي أو التيار القوي. إدخال مسبار مادة الفلورسنت في الموضع داخل المحول الذي يحتاج إلى قياس, والكشف عن درجة الحرارة من خلال العلاقة بين عمر الفلورسنت ودرجة الحرارة, يقلل بشكل كبير من تأثير استقرار مصدر الضوء.

3. مبدأ تكنولوجيا الألياف الضوئية لقياس درجة حرارة المحولات

3.1 مبدأ تكنولوجيا الألياف Bragg صريف

المبادئ الأساسية
إن شبكة الألياف Bragg عبارة عن جهاز تصفية الألياف العاكسة. يتم تحقيق ذلك عن طريق تشعيع الألياف الضوئية العارية بأهداب التداخل فوق البنفسجية, ويمتص القلب الأشعة فوق البنفسجية لتوليد تغيرات دورية دائمة في معامل الانكسار. عندما يفي الطول الموجي الداخل للألياف الضوئية بشرط براغ (lect ب=2ن ∧, حيث  B هو الطول الموجي المركزي لموجة الضوء المنعكسة من Bragg لشبكة الألياف, n هو معامل الانكسار للألياف الأساسية, و ∧ هي فترة الصريف), سوف يقترن الوضع الموجه للأمام الذي ينتشر في الدليل الموجي البصري بالوضع المنعكس للخلف, تشكيل انعكاس براغ.
يرتبط الطول الموجي المركزي لشبكة الألياف Bragg بالتغيرات في الضغط ودرجة الحرارة, وصيغة علاقتها هي Δ  B= B (1- ص) د ه + ل ب (1+س) د ت, حيث Δ γ B هو التغير في الطول الموجي المركزي للضوء المنعكس الناتج عن تغيرات الضغط ودرجة الحرارة; Δ ε هو التغير في الإجهاد; Δ T هو التغير في درجة الحرارة; ρ هو معامل المرونة الضوئية للألياف الضوئية; ξ هو المعامل البصري الحراري للألياف الضوئية. عندما يتم تغليف شبكة الألياف الضوئية داخل غلاف عازل, يتأثر بشكل رئيسي بدرجة الحرارة. تغير درجة الحرارة البيئية الخارجية n و∧ لشبكة الألياف الضوئية, مما يؤدي إلى تغير في الطول الموجي للضوء المنعكس. عن طريق قياس الطول الموجي للإشارة المنعكسة بدقة, يمكن تحقيق الكشف عن درجة الحرارة, والطول الموجي المركزي لشبكة الألياف الضوئية له علاقة خطية جيدة جدًا مع درجة الحرارة.
عملية الاستشعار
يتم إدخال مصدر ضوء النطاق العريض في الألياف الضوئية, وبعد المرور عبر شبكة الألياف Bragg, ينعكس الطيف الضيق عند الطول الموجي لـ Bragg على طرف دخل الألياف, بينما تنتقل الأطوال الموجية المتبقية من خلال. عندما تتغير درجة الحرارة, يتغير معامل الانكسار والمعلمات الأخرى لشبكة الألياف Bragg, مما تسبب في تغير الطول الموجي لـ Bragg, ويتغير أيضًا الطول الموجي للضوء المنعكس وفقًا لذلك. من خلال الكشف عن التغير في الطول الموجي للضوء المنعكس وبناءً على علاقة درجة حرارة الطول الموجي المحددة مسبقًا, ويمكن الحصول على قيمة درجة الحرارة المقابلة.

3.2 مبدأ تكنولوجيا الألياف الفلورية

مبدأ توليد الإسفار
تحتوي المادة الفلورية الموجودة في مقياس حرارة الألياف الفلورية على بنية خاصة لمستوى الطاقة. عندما تنبعث نبضة الضوء من مصدر الضوء وتنتقل عبر الألياف الضوئية إلى مادة الفلورسنت في مسبار المستشعر, تمتص جزيئات المادة الفلورية طاقة الفوتون وتنتقل من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة. بسبب عدم استقرار الحالة المثارة, ستطلق الجزيئات الطاقة من خلال التألق الإشعاعي وتعود إلى الحالة الأرضية.
العلاقة بين درجة الحرارة وخصائص مضان
تظهر درجة حرارة البيئة المحيطة وزمن اضمحلال التألق علاقة وظيفية. في درجات حرارة مختلفة, يتغير زمن اضمحلال الفلورسنت لمادة الفلورسنت عند عودتها من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية. بشكل عام, كلما ارتفعت درجة الحرارة, أقصر وقت الاضمحلال مضان. عن طريق الكشف عن وقت اضمحلال مضان والاستفادة من العلاقة وظيفة درجة حرارة وقت اضمحلال مضان محددة سلفا, يمكن الحصول على قيمة درجة حرارة نقطة القياس.

4. مقارنة قياس درجة حرارة المحولات باستخدام ألياف بصرية مختلفة

4.1 مستشعر صريف الألياف

ميزة
دقة عالية: الطول الموجي المركزي لشبكة الألياف Bragg له علاقة خطية جيدة جدًا مع درجة الحرارة, ويمكن تحقيق قياس درجة الحرارة عالي الدقة عن طريق قياس التغير في الطول الموجي المنعكس بدقة. على سبيل المثال, في بعض التجارب والتطبيقات العملية, يمكنها تلبية متطلبات قياس درجة الحرارة عالية الدقة للملفات المحولات مع أخطاء قياس صغيرة نسبيًا.
استقرار جيد: تتمتع مستشعرات شبكة الألياف Bragg نفسها باستقرار جيد ويمكنها التكيف مع احتياجات مراقبة درجة الحرارة أثناء التشغيل طويل المدى للمحولات. أثناء مراقبة درجة الحرارة على المدى الطويل, لن يتعرض أدائه لتقلبات كبيرة ويمكن أن يعكس التغيرات في درجات الحرارة بشكل مستمر ودقيق.
مكافحة التدخل الكهرومغناطيسي: في البيئة الكهرومغناطيسية القوية للمحولات, أجهزة استشعار شبكية من الألياف Bragg, على أساس مبدأ نقل الإشارات الضوئية والكشف عنها, لا تتأثر بالتداخل الكهرومغناطيسي ويمكن أن تضمن دقة بيانات القياس. هذه الميزة تجعلها مفيدة للغاية في قياس درجة حرارة المحولات في أنظمة الطاقة.
قابلية إعادة الاستخدام: يمكن عادةً توصيل أجهزة استشعار درجة حرارة شبكة Bragg ذات الألياف المتعددة بأطوال موجية مختلفة بألياف ضوئية واحدة, تسهيل قياس درجة الحرارة متعددة النقاط في أجزاء مختلفة من المحول, بناء شبكة الاستشعار, ومراقبة توزيع درجة الحرارة الشاملة للمحول.
عيب
تكلفة عالية نسبيا: تعتبر عملية إنتاج مستشعرات شبكة الألياف Bragg معقدة نسبيًا, تتطلب معدات وتكنولوجيا خاصة لتحضير شبكات الألياف Bragg, كما أن معدات إزالة التشكيل ذات الصلة باهظة الثمن نسبيًا, مما يجعل تكلفة نظام قياس درجة حرارة شبكة الألياف Bragg بالكامل عالية.
متطلبات التثبيت العالية: عند تركيب أجهزة استشعار شبكية من الألياف Bragg, من الضروري التأكد من دقة التعبئة والتغليف ووضع التثبيت لاستشعار التغيرات في درجات الحرارة بدقة وتجنب عوامل التداخل غير الضرورية مثل الإجهاد. إذا تم تركيبها بشكل غير صحيح, قد يؤثر على دقة القياس.

4.2 مستشعر الألياف الضوئية الفلورسنت
ميزة

انخفاض متطلبات استقرار مصدر الضوء: مقارنة مع أجهزة استشعار درجة الحرارة نوع شدة مضان, إن اكتشاف درجة الحرارة من خلال العلاقة بين عمر الفلورسنت ودرجة الحرارة يقلل بشكل كبير من تأثير استقرار مصدر الضوء. يسمح ذلك لأجهزة استشعار الألياف الضوئية الفلورية بقياس درجة الحرارة بدقة في بعض سيناريوهات التطبيق حيث قد يكون استقرار مصدر الضوء ضعيفًا.

خصائص العزل الداخلية: تتمتع أجهزة استشعار الألياف الضوئية الفلورية بخصائص عزل متأصلة, مما يجعلها مناسبة للغاية لقياس درجة الحرارة في المعدات ذات الجهد العالي مثل المحولات. يمكنه إجراء مراقبة مباشرة لدرجة الحرارة على المكونات التي تتحمل الجهد العالي أو التيار القوي, دون القلق بشأن مخاطر السلامة الناجمة عن مشاكل العزل.
مواد الفلورسنت ذات مقاومة درجات الحرارة العالية والأداء المستقر: تتميز المواد الفلورية نفسها بخصائص مقاومة درجات الحرارة العالية والأداء المستقر, والتي يمكن أن تتكيف مع بيئة درجة الحرارة المرتفعة داخل المحولات وتضمن موثوقية قياس درجة الحرارة أثناء تشغيل المحولات.
عيب
تصحيح أخطاء النظام: في التطبيقات العملية, يتطلب تركيب وتصحيح أنظمة قياس درجة حرارة الألياف الضوئية الفلورية تعديلات دقيقة على موضع أجهزة الاستشعار, اتصالات الألياف الضوئية, إلخ., لضمان قياس درجة الحرارة بدقة.

4.3 أجهزة استشعار الألياف الضوئية القائمة على مواد شبه موصلة

ميزة
تكلفة منخفضة: يتكون مستشعر درجة حرارة الألياف الضوئية هذا بشكل أساسي من أجهزة التحويل الكهروضوئية, الثنائيات الباعثة للضوء غير مكلفة كمصادر للضوء, وأشباه الموصلات زرنيخيد الغاليوم شائعة الاستخدام كمكونات حساسة. الهيكل بسيط وسهل التصنيع, وبالتالي فإن التكلفة منخفضة نسبيا.
مبدأ وهيكل بسيط: لأنه يقوم على العلاقة بين درجة الحرارة وامتصاص الضوء للمواد شبه الموصلة, ويقيس درجة الحرارة من خلال تعديل الكثافة (مثل التشكيل العاكس أو الناقل, وكذلك طرق تعديل شدة معامل الانكسار ومعامل الامتصاص). المبدأ والهيكل بسيطان نسبيًا.

عيب
يتأثر أداء أجهزة الاستشعار بشكل كبير بكثافة الضوء, وهو عيبهم الرئيسي. سيؤثر اختلاف شدة الضوء بشكل مباشر على دقة نتائج القياس.
مطلوب عمل المعايرة: قبل القياس, يجب معايرة درجة الحرارة وشدة الضوء. علاوة على ذلك, بالإضافة إلى تأثير درجة الحرارة على شدة الضوء, عوامل مثل أجهزة الكشف الضوئية لقياس شدة الضوء, إضاءة مصدر الضوء غير المستقر, خسائر اقتران, وقد يكون للتقلبات العشوائية الناجمة عن ثني الألياف تأثير أيضًا. لذلك, الاعتماد فقط على العلاقة الوظيفية لكثافة الضوء التي تمت معايرتها مسبقًا لا يمكن أن يحسن أداء قياس درجة الحرارة بشكل فعال.

5. دقة قياس درجة حرارة الألياف الضوئية للمحولات

5.1. دقة مستشعر شبكة الألياف Bragg

تتمتع مستشعرات شبكة الألياف Bragg بدقة عالية. نظرًا للعلاقة الخطية الممتازة بين الطول الموجي المركزي لشبكات الألياف Bragg ودرجة الحرارة, طالما يمكن قياس التغير في الطول الموجي للضوء المنعكس بدقة, يمكن الحصول على قيمة درجة الحرارة بدقة. في التطبيقات العملية, كما هو الحال في نظام الكشف عن درجة حرارة لف المحولات استنادًا إلى استشعار شبكة Bragg للألياف, يمكنها تلبية متطلبات قياس درجة الحرارة عالية الدقة لملفات المحولات, تحقيق مراقبة دقيقة لدرجة حرارة لف المحولات, وتقديم الضمانات للتشغيل الآمن للمحولات.

5.2 دقة مستشعر الألياف الضوئية الفلورسنت

تحدد مستشعرات الألياف الضوئية الفلورية درجة الحرارة عن طريق الكشف عن وقت اضمحلال الفلورسنت, وتعتمد دقتها على خصائص المادة الفلورية ودقة أجهزة الكشف. في ظل الظروف العادية, إذا كانت المادة الفلورية ذات أداء مستقر وكانت معدات الكشف ذات دقة عالية, فإنه يمكن تحقيق قياس درجة الحرارة أكثر دقة. على سبيل المثال, يمكن لبعض مستشعرات الألياف الضوئية الفلورية قياس درجة حرارة ملفات المحولات مرة واحدة في الثانية ضمن نطاق درجة حرارة المراقبة العادية, ويمكن أن يصل دقة درجة الحرارة إلى مستوى معين, تلبية متطلبات الدقة لمراقبة درجة حرارة المحولات.

5.3 دقة حساسات الألياف الضوئية المعتمدة على مواد شبه موصلة

تتأثر دقة هذا المستشعر بعوامل مختلفة. نظراً لقياسه لدرجة الحرارة على أساس العلاقة الوظيفية بين شدة الضوء ودرجة الحرارة, تتأثر شدة الضوء نفسها بسهولة بعوامل مختلفة مثل إضاءة مصدر الضوء غير المستقر وثني الألياف. في وضع مثالي, إذا كان من الممكن التحكم بشكل جيد في هذه العوامل التي تؤثر على شدة الضوء ويمكن معايرة العلاقة الوظيفية لشدة الضوء بدقة, ويمكن أيضًا قياس درجة الحرارة بدقة معينة. لكن, قد تكون الدقة الإجمالية منخفضة نسبيًا مقارنة بأجهزة استشعار شبكة الألياف Bragg وأجهزة استشعار الألياف الفلورية.

مستشعر درجة حرارة الألياف الضوئية, نظام مراقبة ذكي, الشركة المصنعة للألياف الضوئية الموزعة في الصين