כיצד למדוד טמפרטורת שנאי עם סיב אופטי

סיבים אופטיים פלורסנטים מודדים את טמפרטורת השנאי על ידי זיהוי זמן דעיכת הקרינה של חומרים פלואורסצנטיים, שכן זמן דעיכת הקרינה הוא פונקציה של הטמפרטורה

1. שיטה למדידת טמפרטורת שנאי באמצעות סיבים אופטיים

1.1 שיטת מדידה מבוססת על סיב בראג סורג

Fibre Bragg Grating הוא מכשיר פסיבי שבו מקדם השבירה מווסן מעת לעת בתוך ליבת הסיבים. כאשר הטמפרטורה החיצונית משתנה, זה ישפיע על מקדם השבירה של סורג הסיבים בראג ועל מקדם השבירה של ליבת הסיבים, ובכך לגרום לשינויים באורך הגל השתקפות או שיא השידור של סריג הסיב Bragg. על ידי מדידה מדויקת של אורך הגל של האות המוחזר, ניתן להשיג זיהוי טמפרטורה. שיטה זו דורשת בדרך כלל התקנת חיישני סורג בראג ליד פיתולי שנאים או מיקומים קריטיים אחרים כדי לחוש במדויק את שינויי הטמפרטורה.

1.2 שיטת מדידת טמפרטורה של סיבים אופטיים פלואורסצנטית

חיישני סיבים אופטיים פלורסנטים יכולים לשמש למדידת הטמפרטורה הפנימית של שנאים. העיקרון הוא לנצל את המאפיינים של חומרים פלורסנטים. כאשר פולס אור נפלט ממקור אור ומועבר דרך סיב אופטי לחיישן, החומר הפלורסנטי בבדיקה מואר על ידי הספקטרום. המולקולות סופגות אור ומתרגשות למצב אלקטרוני נרגש, לאחר מכן מקרינים פלואורסצנציה כלפי חוץ וחוזרים למצב הקרקע האלקטרוני. הטמפרטורה של הסביבה שמסביב וזמן ההתפרקות של הקרינה מפגינים קשר פונקציונלי, וניתן לקבל את ערך הטמפרטורה על ידי זיהוי זמן ההתפרקות של הקרינה. הכנס את הגשושית של מדחום הסיבים הפלורסנטיים למיקום בתוך השנאי שצריך למדוד, כגון פיתול השנאי, כדי לבצע מדידת טמפרטורה.

1.3 שיטת מדידת חיישן סיבים אופטיים מבוססת על חומרים מוליכים למחצה

קיים קשר בין הטמפרטורה לקליטת האור של חומרים מוליכים למחצה. רוחב הפס של רוב המוליכים למחצה מראה מתאם שלילי ליניארי עם הטמפרטורה, כלומר, ככל שהטמפרטורה עולה, רוחב פער הפס יורד באופן ליניארי ואורך הגל של פס קליטת האור גדל. ניתן לנצל מאפיין זה לייצור חיישני סיבים אופטיים מאופנים בעוצמה, כמו שימוש באפנון רפלקטיבי או טרנסמיססיבי, כמו גם שיטות אפנון אינדקס השבירה ומקדם ספיגה. בעת מדידה, אם נבחר מקור אור המתאים לספקטרום הקרינה ופס הקליטה, עלייה בטמפרטורה תגרום לירידה בעוצמת האור של המוליך למחצה. ולאחר מכן, מבוסס על הקשר הפונקציונלי בין עוצמת האור לטמפרטורה, ניתן לחשב את הטמפרטורה של החומר המוליך למחצה לפי הערך של עוצמת האור המוחזר. סוג זה של חיישן טמפרטורה בסיבים אופטיים מורכב בעיקר מהתקני המרה פוטו-אלקטריים, מקורות אור, ורכיבים רגישים (כמו מוליכים למחצה גליום ארסניד).

1.4 שיטת מדידה המבוססת על כל טכנולוגיית הסיבים האופטיים

תכנן מערכת זיהוי טמפרטורה באמצעות רשתות סיבים בראג כרכיבי חישה. במהלך תהליך המדידה, ייתכנו בעיות הפרעות חיצוניות, אשר ניתן לטפל ביעילות על ידי שימוש בשיטת ההבדל לשיפור הדיוק של תוצאות המדידה.

2. מארז יישום של סיב אופטי במדידת טמפרטורת שנאי

2.1 ניטור טמפרטורה של פיתול שנאי בתחנת משנה

בתחנת משנה של חברת חשמל מסוימת נעשה שימוש במערכת ניטור טמפרטורה מקוונת של סיבים אופטיים, המבוססת על טכנולוגיית סיבים אופטיים.. מערכת זו מורכבת בעיקר מחיישני טמפרטורה בסיבים אופטיים, משדרי טמפרטורה בסיבים אופטיים, מערכות מדידת טמפרטורה בסיבים אופטיים, וכו. חיישני טמפרטורה סיבים אופטיים אחראים לאיסוף מידע על טמפרטורה של פיתולי שנאי, ולאחר מכן ניתוח האות האופטי דרך משדרי טמפרטורה של סיבים אופטיים כדי לקבל מידע על שינוי טמפרטורה. לְבָסוֹף, מערכת מדידת הטמפרטורה בסיבים אופטיים מעבדת ומנתחת את נתוני הטמפרטורה המתקבלים כדי להשיג ניטור בזמן אמת של טמפרטורת פיתול השנאי. על ידי סידור חיישני סיבים אופטיים במיקומים שונים של מתפתל השנאי, ניתן לאסוף נתוני טמפרטורה בזמן אמת. ברגע שמתגלים תנאים חריגים, המערכת תוציא אזעקה ותנקוט באמצעים מתאימים בזמן כדי למנוע תקלות בשנאים.

2.2 ניטור טמפרטורה של רובוטריקים טבולים בשמן

יישום מדידת טמפרטורת סיבים בראג
בשנאים טבולים בשמן, סורג Bragg סיבים משמשים לניטור טמפרטורת שמן. לדוגמה, על ידי עטיפה של סורג הסיבים האופטיים בתוך מעטפת בידוד, 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, מְרוּבֶּה (כגון 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.
In the transformer winding temperature detection system based on fiber Bragg grating sensing, המערכת מאמצת חיישני סורג בראג עם יכולת אנטי-הפרעות חזקה ורגישים במיוחד לטמפרטורה. מדידה ושידור של אותות אופטיים, ואחריו דמודולציה לאותות טמפרטורה, יכול לעמוד בדרישות מדידת טמפרטורה ברמת דיוק גבוהה של פיתולי שנאי, למדוד במדויק את טמפרטורת הפיתול של שנאים טבולים בשמן, ולהבטיח פעולה בטוחה של שנאים.
יישום מדידת טמפרטורה של סיבים אופטיים פלואורסצנטיים
עבור שנאים גדולים טבולים בשמן, שיטת מדידת טמפרטורה של סיבים אופטיים פלואורסצנטית מאומצת. לדוגמה, חיישן הטמפרטורה של סיבים אופטיים פלורסנטים מבית Fuzhou Yingnuo Technology יכול לשמש לניטור טמפרטורה של שנאים גדולים שקועים בשמן. יש לו את המאפיין של בידוד חיוני והוא יכול לבצע ניטור טמפרטורה מקוון על רכיבים העומדים במתח גבוה או זרם חזק. הכנסת הגשושית של החומר הפלורסנטי למיקום בתוך השנאי שצריך למדוד, וזיהוי טמפרטורה באמצעות הקשר בין חיי הקרינה לטמפרטורה, מפחית באופן משמעותי את ההשפעה של יציבות מקור האור.

3. עקרון טכנולוגיית סיבים אופטיים למדידת טמפרטורת שנאי

3.1 עיקרון טכנולוגיית פיבר Bragg Grating

עקרונות בסיסיים
סורג סיבים בראג הוא מכשיר מסנן סיבים רפלקטיבי. זה מושג על ידי הקרנת סיב אופטי חשוף עם שולי הפרעה אולטרה סגולים, והליבה סופגת קרינה אולטרה סגולה כדי ליצור שינויים תקופתיים קבועים במקדם השבירה. כאשר אורך הגל הנכנס לסיב האופטי עומד בתנאי Bragg (λ B=2n ∧, כאשר λ B הוא אורך הגל המרכזי של גל האור המוחזר של Bragg של סורג הסיבים, n הוא מקדם השבירה של ליבת הסיבים, ו- ∧ היא תקופת הגרימה), המצב המונחה קדימה המתפשט במוליך הגל האופטי יתחבר למצב המוחזר לאחור, יוצרים השתקפות בראג.
אורך הגל המרכזי של סיב בראג קשור ללחץ ושינויי טמפרטורה, ונוסחת הקשר שלו היא Δ λ B=λ B (1- ר) D e+l B (1+x) ד ט, כאשר Δ λ B הוא השינוי באורך הגל המרכזי של האור המוחזר הנגרם משינויי מתח וטמפרטורה; Δ ε הוא השינוי במתח; Δ T הוא השינוי בטמפרטורה; ρ הוא מקדם האלסטי האופטי של הסיב האופטי; ξ הוא המקדם האופטי התרמי של הסיב האופטי. כאשר סורג הסיבים האופטיים מוקף בתוך מעטפת בידודית, הוא מושפע בעיקר מהטמפרטורה. טמפרטורת הסביבה החיצונית משנה את ה-n ו-∧ של סורג הסיבים האופטיים, וכתוצאה מכך שינוי באורך הגל של האור המוחזר. על ידי מדידה מדויקת של אורך הגל של האות המוחזר, ניתן להשיג זיהוי טמפרטורה, ולאורך הגל המרכזי של סורג הסיבים האופטיים יש קשר ליניארי טוב מאוד עם הטמפרטורה.
תהליך חישה
מקור האור בפס הרחב נכנס לסיב האופטי, ולאחר מעבר דרך סיב בראג סורג, הספקטרום צר הפס באורך הגל של Bragg משתקף לקצה הקלט של הסיב, בעוד ששאר אורכי הגל מועברים דרך. כאשר הטמפרטורה משתנה, מקדם השבירה ופרמטרים אחרים של סורג סיב Bragg משתנים, מה שגורם לשינוי באורך הגל של בראג, וגם אורך הגל של האור המוחזר משתנה בהתאם. על ידי זיהוי השינוי באורך גל האור המוחזר ובהתבסס על קשר טמפרטורת אורך גל קבוע מראש, ניתן לקבל את ערך הטמפרטורה המתאים.

3.2 עקרון טכנולוגיית סיבים פלואורסצנטיים

עקרון יצירת הקרינה
החומר הפלורסנטי במדחום הסיבים הפלורסנטיים הוא בעל מבנה רמת אנרגיה מיוחד. כאשר דופק האור נפלט על ידי מקור האור ומועבר דרך הסיב האופטי לחומר הפלורסנטי בבדיקת החיישן, המולקולות של החומר הפלורסנטי סופגות אנרגיית פוטון ועוברות ממצב הקרקע למצב הנרגש. עקב חוסר היציבות של המצב הנרגש, מולקולות ישחררו אנרגיה באמצעות קרינה קרינה ויחזרו למצב הקרקע.
הקשר בין טמפרטורה ומאפייני הקרינה
הטמפרטורה של הסביבה שמסביב וזמן ההתפרקות של הקרינה מפגינים קשר פונקציונלי. בטמפרטורות שונות, זמן דעיכת הקרינה של חומר פלואורסצנטי משתנה כאשר הוא חוזר ממצב הנרגש למצב הקרקע. באופן כללי, ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, ככל שזמן דעיכת הקרינה קצר יותר. על ידי זיהוי זמן דעיכת הקרינה וניצול יחסי תפקוד טמפרטורת זמן דעיכת הקרינה שנקבעו מראש, ניתן לקבל את ערך הטמפרטורה של נקודת המדידה.

4. השוואה של מדידת טמפרטורה של רובוטריקים באמצעות סיבים אופטיים שונים

4.1 חיישן גרינג Fiber Bragg

יִתרוֹן
דיוק גבוה: אורך הגל המרכזי של סורג בראג סיב יש קשר ליניארי טוב מאוד עם הטמפרטורה, וניתן להשיג מדידת טמפרטורה ברמת דיוק גבוהה על ידי מדידה מדויקת של השינוי באורך הגל המוחזר. לדוגמה, בכמה ניסויים ויישומים מעשיים, זה יכול לעמוד בדרישות מדידת טמפרטורה ברמת דיוק גבוהה של פיתולי שנאי עם שגיאות מדידה קטנות יחסית.
יציבות טובה: חיישני סורג סיב בראג עצמם הם בעלי יציבות טובה ויכולים להסתגל לצרכי ניטור הטמפרטורה במהלך פעולה ארוכת טווח של שנאים. במהלך ניטור טמפרטורה לטווח ארוך, הביצועים שלו לא יחוו תנודות משמעותיות ויכולים לשקף באופן רציף ומדויק שינויי טמפרטורה.
הפרעות אנטי אלקטרומגנטיות: בסביבה האלקטרומגנטית החזקה של שנאים, חיישני סורג סיב בראג, מבוסס על העיקרון של שידור וזיהוי אות אופטי, are not affected by electromagnetic interference and can ensure the accuracy of measurement data. This feature makes it highly advantageous in measuring transformer temperature in power systems.
Reusability: Multiple fiber Bragg grating temperature sensors with different wavelengths can usually be connected to a single optical fiber, 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
עלות גבוהה יחסית: 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, מה שהופך את העלות של מערכת מדידת טמפרטורת סיב בראג כולה לגבוהה.
דרישות התקנה גבוהות: בעת התקנת חיישני סיב Bragg סורג, יש צורך להבטיח את הדיוק של מיקום האריזה וההתקנה שלהם כדי לחוש במדויק את שינויי הטמפרטורה ולהימנע מגורמי הפרעה מיותרים כמו לחץ. אם מותקן בצורה לא נכונה, זה עלול להשפיע על דיוק המדידה.

4.2 חיישן סיב אופטי פלואורסצנטי
יִתרוֹן

דרישה מופחתת ליציבות מקור האור: בהשוואה לחיישני טמפרטורה מסוג עוצמת הקרינה, זיהוי טמפרטורה באמצעות הקשר בין חיי הקרינה לטמפרטורה מפחית באופן משמעותי את ההשפעה של יציבות מקור האור. זה מאפשר לחיישני סיבים אופטיים ניאון עדיין למדוד במדויק טמפרטורה בתרחישי יישומים מסוימים שבהם היציבות של מקור האור עשויה להיות גרועה.

תכונות בידוד פנימיות: חיישני סיבים אופטיים פלואורסצנטיים הם בעלי תכונות בידוד טבועות, מה שהופך אותם למתאימים מאוד למדידת טמפרטורה בציוד מתח גבוה כגון שנאים. זה יכול לבצע ישירות ניטור טמפרטורה מקוון על רכיבים העומדים במתח גבוה או זרם חזק, מבלי לדאוג לסכנות בטיחותיות הנגרמות כתוצאה מבעיות בידוד.
חומרים פלורסנטים בעלי עמידות בטמפרטורה גבוהה וביצועים יציבים: לחומרים פלורסנטים עצמם יש את המאפיינים של עמידות בטמפרטורה גבוהה וביצועים יציבים, שיכול להסתגל לסביבת הטמפרטורה הגבוהה בתוך השנאים ולהבטיח את האמינות של מדידת הטמפרטורה במהלך פעולת השנאים.
shortcoming
איתור באגים במערכת: ביישומים מעשיים, התקנה ואיתור באגים של מערכות מדידת טמפרטורה של סיבים אופטיים פלואורסצנטיים דורשים התאמות מדויקות למיקום החיישנים, חיבורי סיבים אופטיים, וכו., כדי להבטיח מדידת טמפרטורה מדויקת.

4.3 חיישני סיבים אופטיים המבוססים על חומרים מוליכים למחצה

יִתרוֹן
עלות נמוכה: חיישן טמפרטורה סיב אופטי זה מורכב בעיקר מהתקני המרה פוטו-אלקטריים, דיודות פולטות אור זולות כמקורות אור, ובשימוש נפוץ במוליכי גליום ארסניד כרכיבים רגישים. המבנה פשוט וקל לייצור, כך שהעלות נמוכה יחסית.
עיקרון ומבנה פשוטים: הוא מבוסס על הקשר בין טמפרטורה וספיגת אור של חומרים מוליכים למחצה, ומודד טמפרטורה באמצעות אפנון עוצמה (כגון אפנון רפלקטיבי או טרנסמיססיבי, כמו גם שיטות אפנון אינדקס השבירה ומקדם ספיגה). העיקרון והמבנה פשוטים יחסית.

shortcoming
הביצועים של חיישנים מושפעים מאוד מעוצמת האור, שזה החיסרון העיקרי שלהם. השינוי בעוצמת האור ישפיע ישירות על דיוק תוצאות המדידה.
נדרשת עבודת כיול: לפני מדידה, יש לכייל את הטמפרטורה ואת עוצמת האור. יֶתֶר עַל כֵּן, בנוסף להשפעת הטמפרטורה על עוצמת האור, גורמים כגון photodetectors למדידת עוצמת האור, תאורת מקור אור לא יציבה, הפסדי צימוד, וגם לתנודות אקראיות הנגרמות מכיפוף סיבים עשויות להיות השפעה. לכן, הסתמכות אך ורק על היחס בין עוצמת האור בטמפרטורה המכויל מראש אינו יכול לשפר ביעילות את ביצועי מדידת הטמפרטורה שלו.

5. דיוק של מדידת טמפרטורת סיבים אופטיים עבור רובוטריקים

5.1. דיוק של חיישן גרטינג Fibre Bragg

חיישני סורג של Fibre Bragg הם בעלי דיוק גבוה. Due to the excellent linear relationship between the center wavelength of fiber Bragg gratings and temperature, כל עוד ניתן למדוד במדויק את השינוי באורך הגל של האור המוחזר, ניתן לקבל את ערך הטמפרטורה במדויק. ביישומים מעשיים, כגון במערכת זיהוי טמפרטורת מתפתל שנאי המבוססת על חישת סיב בראג, זה יכול לעמוד בדרישות מדידת טמפרטורה ברמת דיוק גבוהה של פיתולי שנאי, להשיג ניטור מדויק של טמפרטורת מתפתל שנאי, ולספק ערבויות לפעולה בטוחה של שנאים.

5.2 דיוק של חיישן סיב אופטי פלואורסצנטי

חיישני סיבים אופטיים פלואורסצנטיים קובעים טמפרטורה על ידי זיהוי זמן דעיכת הקרינה, והדיוק שלהם תלוי במאפיינים של החומר הפלורסנטי ובדיוק של ציוד הזיהוי. בנסיבות רגילות, אם לחומר הפלורסנטי יש ביצועים יציבים ולציוד הזיהוי יש דיוק גבוה, זה יכול להשיג מדידת טמפרטורה מדויקת יותר. לדוגמה, כמה חיישני סיבים אופטיים פלורסנטים יכולים למדוד את הטמפרטורה של פיתולי שנאי פעם בשנייה בטווח טמפרטורת הניטור הרגיל שלהם, ורזולוציית הטמפרטורה יכולה להגיע לסטנדרט מסוים, עמידה בדרישות הדיוק של ניטור טמפרטורת שנאי.

5.3 דיוק חיישני סיבים אופטיים על בסיס חומרים מוליכים למחצה

הדיוק של חיישן זה מושפע מגורמים שונים. בשל מדידת הטמפרטורה שלו על סמך הקשר הפונקציונלי בין עוצמת האור לטמפרטורה, עוצמת האור עצמה מושפעת בקלות מגורמים שונים כגון תאורת מקור אור לא יציבה וכיפוף סיבים. במצב אידיאלי, אם ניתן לשלוט היטב בגורמים אלה המשפיעים על עוצמת האור וניתן לכייל במדויק את יחסי עוצמת האור בטמפרטורה, ניתן גם להשיג מדידת טמפרטורה עם דיוק מסוים. עם זאת, הדיוק הכולל עשוי להיות נמוך יחסית לחיישני סיב בראג וחיישני סיבים ניאון.

חיישן טמפרטורה בסיב אופטי, מערכת ניטור חכמה, יצרנית סיבים אופטיים מבוזרת בסין