Capteurs de température à fibre optique INNO ,systèmes de surveillance de la température.
Fluorescent optical fibers measure transformer temperature by detecting the fluorescence decay time of fluorescent substances, as the fluorescence decay time is a function of temperature
1. Method for measuring transformer temperature using optical fiber
1.1 Measurement method based on réseau de Bragg en fibre
Fiber Bragg Grating is a passive device in which the refractive index is modulated periodically within the fiber core. Quand la température extérieure change, it will affect the refractive index of the fiber Bragg grating and the refractive index of the fiber core, thereby causing changes in the reflection or transmission peak wavelength of the fiber Bragg grating. By accurately measuring the wavelength of the reflected signal, temperature detection can be achieved. This method typically requires installing fiber Bragg grating sensors near transformer windings or other critical locations to accurately sense temperature changes.
1.2 Fluorescence fiber optic temperature measurement method
Fluorescent fiber optic sensors can be used to measure the internal temperature of transformers. The principle is to utilize the characteristics of fluorescent materials. When a light pulse is emitted from a light source and transmitted through an optical fiber to a sensor, the fluorescent substance in the probe is illuminated by the spectrum. The molecules absorb light and are excited to an excited electronic state, then radiate fluorescence outward and return to the electronic ground state. La température du milieu environnant et le temps de décroissance de la fluorescence présentent une relation fonctionnelle, et la valeur de température peut être obtenue en détectant le temps de décroissance de la fluorescence. Insérez la sonde du thermomètre à fibre fluorescente dans la position à l'intérieur du transformateur qui doit être mesurée, comme l'enroulement du transformateur, pour effectuer une mesure de température.
1.3 Méthode de mesure de capteur à fibre optique basée sur des matériaux semi-conducteurs
Il existe une relation entre la température et l'absorption lumineuse des matériaux semi-conducteurs.. La largeur de bande interdite de la plupart des semi-conducteurs montre une corrélation négative linéaire avec la température, c'est, à mesure que la température augmente, la largeur de la bande interdite diminue linéairement et la longueur d'onde de la bande d'absorption de la lumière augmente. Cette caractéristique peut être utilisée pour fabriquer des capteurs à fibre optique à intensité modulée, comme l'utilisation d'une modulation réfléchissante ou transmissive, ainsi que des méthodes de modulation de l'intensité de l'indice de réfraction et du coefficient d'absorption.. Lors de la mesure, si une source lumineuse correspondant au spectre de rayonnement et à la bande d'absorption est sélectionnée, une augmentation de la température entraînera une diminution de l'intensité lumineuse du semi-conducteur. Alors, basé sur la relation fonctionnelle entre l'intensité lumineuse et la température, la température du matériau semi-conducteur peut être calculée par la valeur de l'intensité lumineuse réfléchie. Ce type de capteur de température à fibre optique se compose principalement de dispositifs de conversion photoélectrique, sources lumineuses, et composants sensibles (tels que les semi-conducteurs à l'arséniure de gallium).
1.4 Méthode de mesure basée sur toute la technologie de la fibre optique
Concevoir un système de détection de température utilisant des réseaux de Bragg à fibre comme éléments de détection. Pendant le processus de mesure, il peut y avoir des problèmes d'interférences externes, qui peut être efficacement résolu en utilisant la méthode des différences pour améliorer la précision des résultats de mesure.
2. Cas d'application de la fibre optique dans la mesure de la température des transformateurs
2.1 Surveillance de la température de l'enroulement du transformateur dans la sous-station
Un système de surveillance en ligne de la température des enroulements de transformateur par fibre optique basé sur la technologie de la fibre optique a été utilisé dans une sous-station d'une certaine compagnie d'électricité.. Ce système se compose principalement de capteurs de température à fibre optique, transmetteurs de température à fibre optique, systèmes de mesure de température à fibre optique, etc.. Les capteurs de température à fibre optique sont chargés de collecter des informations sur la température des enroulements du transformateur., puis analyser le signal optique via des transmetteurs de température à fibre optique pour obtenir des informations sur le changement de température. Enfin, le système de mesure de la température à fibre optique traite et analyse les données de température obtenues pour réaliser une surveillance en temps réel de la température de l'enroulement du transformateur. En disposant des capteurs à fibre optique à différentes positions de l'enroulement du transformateur, des données de température en temps réel peuvent être collectées. Une fois des conditions anormales détectées, le système émettra une alarme et prendra les mesures correspondantes en temps opportun pour éviter les pannes de transformateur.
2.2 Surveillance de la température des transformateurs immergés dans l'huile
Application de la mesure de la température du réseau de Bragg à fibre
Dans les transformateurs immergés dans l'huile, les réseaux de Bragg en fibre sont utilisés pour la surveillance de la température de l'huile. Par exemple, by encapsulating the fiber optic grating inside an insulating shell, the external ambient temperature is transmitted through the shell to the fiber optic grating, causing a change in its wavelength. Due to the excellent linear relationship between the center wavelength of fiber Bragg gratings and temperature, oil temperature can be detected by measuring the wavelength of the reflected signal. And typically, multiple (tel que 18) fiber optic grating temperature sensors with different wavelengths can be connected to a single fiber optic cable. The reflected signals from the sensors are returned to the detector through a loopback device, and the data is read into the computer through a digital DIO card, thereby achieving effective monitoring of the oil temperature of oil immersed transformers.
Dans le système de détection de la température des enroulements du transformateur basé sur la détection du réseau de Bragg à fibre, le système adopte des capteurs à réseau de Bragg à fibre avec une forte capacité anti-interférence et extrêmement sensibles à la température. La mesure et la transmission de signaux optiques, suivi d'une démodulation en signaux de température, peut répondre aux exigences de mesure de température de haute précision des enroulements de transformateur, mesurer avec précision la température des enroulements des transformateurs immergés dans l'huile, et assurer le fonctionnement sécuritaire des transformateurs.
Application de la mesure de la température par fibre optique fluorescente
Pour les gros transformateurs immergés dans l’huile, La méthode de mesure de la température par fibre optique à fluorescence est adoptée. Par exemple, the fluorescent fiber optic temperature sensor from Fuzhou Yingnuo Technology can be used for temperature monitoring of large oil immersed transformers. It has the characteristic of essential insulation and can perform online temperature monitoring on components that withstand high voltage or strong current. Inserting the probe of the fluorescent material into the position inside the transformer that needs to be measured, and detecting temperature through the relationship between fluorescence lifetime and temperature, significantly reduces the impact of light source stability.
3. Principle of Fiber Optic Technology for Transformer Temperature Measurement
3.1 Principle of Fiber Bragg Grating Technology
Basic principles
Fiber Bragg grating is a reflective fiber filter device. It is achieved by irradiating a bare optical fiber with ultraviolet interference fringes, and the core absorbs ultraviolet radiation to generate permanent periodic changes in refractive index. When the wavelength entering the optical fiber satisfies the Bragg condition (λ B=2n ∧, where λ B is the center wavelength of the Bragg reflected light wave of the fiber grating, n is the refractive index of the fiber core, and ∧ is the grating period), the forward guided mode propagating in the optical waveguide will couple to the backward reflected mode, forming Bragg reflection.
The central wavelength of a fiber Bragg grating is related to stress and temperature changes, and its relationship formula is Δ λ B=λ B (1- ρ) Δ ε+λ B (1+ξ) Δ T, where Δ λ B is the change in the central wavelength of reflected light caused by stress and temperature changes; Δ ε is the change in stress; Δ T is the change in temperature; ρ is the optical elastic coefficient of the optical fiber; ξ is the thermal optical coefficient of the optical fiber. When the fiber optic grating is encapsulated inside an insulating shell, it is mainly affected by temperature. The external environmental temperature changes the n and ∧ of the fiber optic grating, resulting in a change in the wavelength of the reflected light. By accurately measuring the wavelength of the reflected signal, temperature detection can be achieved, and the center wavelength of the fiber optic grating has a very good linear relationship with temperature.
Sensing process
The broadband light source is input into the optical fiber, et après passage à travers le réseau de Bragg en fibre, le spectre à bande étroite à la longueur d'onde de Bragg est réfléchi vers l'extrémité d'entrée de la fibre, tandis que les longueurs d'onde restantes sont transmises à travers. Quand la température change, l'indice de réfraction et d'autres paramètres du changement du réseau de Bragg à fibre, provoquant un changement de longueur d'onde de Bragg, et la longueur d'onde de la lumière réfléchie change également en conséquence. En détectant le changement de longueur d'onde de la lumière réfléchie et en se basant sur une relation de température de longueur d'onde prédéterminée, la valeur de température correspondante peut être obtenue.
3.2 Principe de la technologie des fibres fluorescentes
Principe de génération de fluorescence
La substance fluorescente dans le thermomètre à fibre fluorescente a une structure de niveau d'énergie spéciale. Lorsque l'impulsion lumineuse est émise par la source lumineuse et transmise à travers la fibre optique à la substance fluorescente dans la sonde du capteur, les molécules de la substance fluorescente absorbent l'énergie des photons et passent de l'état fondamental à l'état excité. En raison de l'instabilité de l'état excité, les molécules libéreront de l'énergie par fluorescence radiative et reviendront à l'état fondamental.
La relation entre la température et les caractéristiques de fluorescence
La température du milieu environnant et le temps de décroissance de la fluorescence présentent une relation fonctionnelle. À différentes températures, le temps de décroissance de la fluorescence d'une substance fluorescente change à mesure qu'elle passe de l'état excité à l'état fondamental. En général, plus la température est élevée, plus le temps de décroissance de la fluorescence est court. By detecting the fluorescence decay time and utilizing the predetermined fluorescence decay time temperature function relationship, the temperature value of the measurement point can be obtained.
4. Comparison of Temperature Measurement of Transformers Using Different Optical Fibers
4.1 Fiber Bragg Grating Sensor
advantage
Haute précision: The center wavelength of fiber Bragg grating has a very good linear relationship with temperature, and high-precision temperature measurement can be achieved by accurately measuring the change in reflected wavelength. Par exemple, in some experiments and practical applications, it can meet the high-precision temperature measurement requirements of transformer windings with relatively small measurement errors.
Bonne stabilité: Les capteurs à réseau de Bragg à fibre eux-mêmes ont une bonne stabilité et peuvent s'adapter aux besoins de surveillance de la température pendant le fonctionnement à long terme des transformateurs.. Pendant la surveillance de la température à long terme, ses performances ne connaîtront pas de fluctuations significatives et peuvent refléter de manière continue et précise les changements de température.
Anti-interférence électromagnétique: Dans le fort environnement électromagnétique des transformateurs, capteurs à réseau de Bragg à fibre, basé sur le principe de transmission et de détection du signal optique, ne sont pas affectés par les interférences électromagnétiques et peuvent garantir l'exactitude des données de mesure. Cette fonctionnalité le rend très avantageux pour mesurer la température des transformateurs dans les systèmes électriques..
Réutilisabilité: Des capteurs de température à réseau de Bragg à plusieurs fibres avec différentes longueurs d'onde peuvent généralement être connectés à une seule fibre optique., facilitating multi-point temperature measurement in different parts of the transformer, constructing a sensing network, and monitoring the overall temperature distribution of the transformer.
shortcoming
Relatively high cost: The production process of fiber Bragg grating sensors is relatively complex, requiring special equipment and technology to prepare fiber Bragg gratings, and the related demodulation equipment is also relatively expensive, which makes the cost of the entire fiber Bragg grating temperature measurement system high.
High installation requirements: When installing fiber Bragg grating sensors, it is necessary to ensure the accuracy of their packaging and installation position to accurately sense temperature changes and avoid unnecessary interference factors such as stress. If installed improperly, cela peut affecter la précision des mesures.
4.2 Capteur à fibre optique fluorescent
advantage
Exigence réduite en matière de stabilité de la source lumineuse: Comparé aux capteurs de température de type intensité de fluorescence, la détection de la température grâce à la relation entre la durée de vie de la fluorescence et la température réduit considérablement l'impact de la stabilité de la source lumineuse. Cela permet aux capteurs à fibre optique fluorescents de mesurer avec précision la température dans certains scénarios d'application où la stabilité de la source lumineuse peut être mauvaise..
Propriétés isolantes intrinsèques: Les capteurs fluorescents à fibre optique ont des propriétés d'isolation inhérentes, ce qui les rend parfaitement adaptés à la mesure de la température dans les équipements haute tension tels que les transformateurs. Il peut effectuer directement une surveillance de la température en ligne sur les composants qui résistent à une haute tension ou à un courant fort., sans vous soucier des risques de sécurité causés par des problèmes d'isolation.
Matériaux fluorescents avec résistance à haute température et performances stables: Les matériaux fluorescents eux-mêmes ont les caractéristiques de résistance aux températures élevées et de performances stables, qui peut s'adapter à l'environnement à haute température à l'intérieur des transformateurs et assurer la fiabilité de la mesure de la température pendant le fonctionnement du transformateur.
shortcoming
Débogage du système: Dans les applications pratiques, l'installation et le débogage des systèmes de mesure de température à fibre optique fluorescente nécessitent des ajustements précis de la position des capteurs, connexions fibre optique, etc., pour assurer une mesure précise de la température.
4.3 Capteurs à fibre optique basés sur des matériaux semi-conducteurs
advantage
Faible coût: Ce capteur de température à fibre optique se compose principalement de dispositifs de conversion photoélectrique, diodes électroluminescentes bon marché comme sources lumineuses, and commonly used gallium arsenide semiconductors as sensitive components. The structure is simple and easy to manufacture, so the cost is relatively low.
Simple principle and structure: It is based on the relationship between temperature and light absorption of semiconductor materials, and measures temperature through intensity modulation (such as reflective or transmissive modulation, ainsi que des méthodes de modulation de l'intensité de l'indice de réfraction et du coefficient d'absorption.). The principle and structure are relatively simple.
shortcoming
The performance of sensors is greatly affected by light intensity, which is their main drawback. The variation of light intensity will directly affect the accuracy of measurement results.
Calibration work is required: Before measurement, temperature and light intensity need to be calibrated. De plus, in addition to the influence of temperature on light intensity, factors such as photodetectors for measuring light intensity, unstable light source illumination, coupling losses, and random fluctuations caused by fiber bending may also have an impact. Donc, relying solely on the pre calibrated temperature light intensity function relationship cannot effectively improve its temperature measurement performance.
5. Accuracy of Fiber Optic Temperature Measurement for Transformers
5.1. Accuracy of Fiber Bragg Grating Sensor
Fiber Bragg grating sensors have high accuracy. Due to the excellent linear relationship between the center wavelength of fiber Bragg gratings and temperature, as long as the change in reflected light wavelength can be accurately measured, the temperature value can be accurately obtained. Dans les applications pratiques, such as in a transformer winding temperature detection system based on fiber Bragg grating sensing, it can meet the high-precision temperature measurement requirements of transformer windings, réaliser une surveillance précise de la température des enroulements du transformateur, et fournir des garanties pour le fonctionnement sûr des transformateurs.
5.2 Précision du capteur à fibre optique fluorescente
Les capteurs à fibre optique fluorescents déterminent la température en détectant le temps de décroissance de la fluorescence, et leur précision dépend des caractéristiques du matériau fluorescent et de la précision de l'équipement de détection. Dans des circonstances normales, si le matériau fluorescent a des performances stables et que l'équipement de détection a une grande précision, il peut obtenir une mesure de température plus précise. Par exemple, certains capteurs à fibre optique fluorescents peuvent mesurer la température des enroulements du transformateur une fois par seconde dans leur plage de température de surveillance normale, et la résolution de température peut atteindre un certain niveau, répondant aux exigences de précision de la surveillance de la température des transformateurs.
5.3 Précision des capteurs à fibre optique basés sur des matériaux semi-conducteurs
La précision de ce capteur est affectée par divers facteurs. Grâce à sa mesure de température basée sur la relation fonctionnelle entre l'intensité lumineuse et la température, l'intensité lumineuse elle-même est facilement affectée par divers facteurs tels que l'éclairage instable de la source lumineuse et la courbure des fibres. Dans une situation idéale, si ces facteurs affectant l'intensité lumineuse peuvent être bien contrôlés et si la relation entre la fonction d'intensité lumineuse et la température peut être étalonnée avec précision, une mesure de la température avec une certaine précision peut également être obtenue. Cependant, la précision globale peut être relativement faible par rapport aux capteurs à réseau de Bragg à fibre et aux capteurs à fibre fluorescente.
Capteur de température à fibre optique, Système de surveillance intelligent, Fabricant de fibre optique distribué en Chine
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