Как измерить температуру трансформатора с помощью оптоволокна

Флуоресцентные оптические волокна измеряют температуру трансформатора путем определения времени затухания флуоресценции флуоресцентных веществ, поскольку время затухания флуоресценции является функцией температуры

1. Метод измерения температуры трансформатора с использованием оптоволокна

1.1 Метод измерения основан на волоконная решетка Брэгга

Волоконная решетка Брэгга — это пассивное устройство, в котором показатель преломления периодически модулируется внутри сердцевины волокна.. При изменении внешней температуры, это повлияет на показатель преломления брэгговской решетки волокна и показатель преломления сердцевины волокна., тем самым вызывая изменения в пиковой длине волны отражения или пропускания волоконной брэгговской решетки.. Путем точного измерения длины волны отраженного сигнала, может быть достигнуто определение температуры. Этот метод обычно требует установки датчиков с волоконной решеткой Брэгга рядом с обмотками трансформатора или в других критических местах для точного определения изменений температуры..

1.2 Метод измерения температуры по флуоресцентному оптоволоконному кабелю

Флуоресцентные оптоволоконные датчики можно использовать для измерения внутренней температуры трансформаторов.. Принцип заключается в использовании характеристик флуоресцентных материалов.. Когда световой импульс излучается источником света и передается по оптическому волокну на датчик., флуоресцентное вещество в зонде освещается спектром. Молекулы поглощают свет и переходят в возбужденное электронное состояние., затем излучают флуоресценцию наружу и возвращаются в основное электронное состояние.. Температура окружающей среды и время затухания флуоресценции находятся в функциональной зависимости., а значение температуры можно получить, определяя время затухания флуоресценции. Вставьте зонд флуоресцентного оптоволоконного термометра в то место внутри трансформатора, которое необходимо измерить., например, обмотка трансформатора, выполнить измерение температуры.

1.3 Метод измерения волоконно-оптических датчиков на основе полупроводниковых материалов

Существует связь между температурой и светопоглощением полупроводниковых материалов.. Ширина запрещенной зоны большинства полупроводников демонстрирует линейную отрицательную корреляцию с температурой., то есть, по мере повышения температуры, ширина запрещенной зоны линейно уменьшается, а длина волны полосы поглощения света увеличивается. Эта характеристика может быть использована для изготовления волоконно-оптических датчиков с модулированной интенсивностью., например, использование отражающей или пропускающей модуляции, а также методы модуляции интенсивности показателя преломления и коэффициента поглощения. При измерении, если выбран источник света, соответствующий спектру излучения и полосе поглощения, повышение температуры вызовет уменьшение силы света полупроводника. Затем, на основе функциональной зависимости между интенсивностью света и температурой, температуру полупроводникового материала можно рассчитать по значению интенсивности отраженного света. Этот тип оптоволоконный датчик температуры в основном состоит из фотоэлектрических преобразователей, источники света, и чувствительные компоненты (такие как полупроводники из арсенида галлия).

1.4 Метод измерения, основанный на всех оптоволоконных технологиях

Разработайте систему определения температуры с использованием волоконных решеток Брэгга в качестве чувствительных элементов.. В процессе измерения, могут быть проблемы с внешними помехами, которые можно эффективно решить, используя разностный метод для повышения точности результатов измерений..

2. Случай применения оптического волокна для измерения температуры трансформатора

2.1 Мониторинг температуры обмотки трансформатора на подстанции

На подстанции одной энергокомпании была использована оптоволоконная система онлайн-мониторинга температуры обмоток трансформатора на основе оптоволоконной технологии.. Эта система в основном состоит из оптоволоконных датчиков температуры., оптоволоконные датчики температуры, оптоволоконные системы измерения температуры, и т. д.. Оптоволоконные датчики температуры отвечают за сбор информации о температуре обмоток трансформатора., а затем анализ оптического сигнала через оптоволоконные датчики температуры для получения информации об изменении температуры.. Окончательно, волоконно-оптическая система измерения температуры обрабатывает и анализирует полученные данные о температуре для обеспечения мониторинга температуры обмотки трансформатора в режиме реального времени.. Путем размещения оптоволоконных датчиков в разных положениях обмотки трансформатора., данные о температуре могут быть собраны в режиме реального времени. При обнаружении аномальных условий, система выдаст сигнал тревоги и своевременно примет соответствующие меры во избежание выхода из строя трансформатора.

2.2 Мониторинг температуры масляных трансформаторов

Применение измерения температуры на волоконной брэгговской решетке
В масляных трансформаторах, волоконные брэгговские решетки используются для контроля температуры масла.. Например, путем заключения оптоволоконной решетки в изолирующую оболочку, внешняя температура окружающей среды передается через корпус на оптоволоконную решетку, вызывая изменение длины волны. Благодаря превосходной линейной зависимости между центральной длиной волны волоконных решеток Брэгга и температурой, температуру масла можно определить путем измерения длины волны отраженного сигнала. И обычно, несколько (такой как 18) волоконно-оптические решетчатые датчики температуры с разными длинами волн могут быть подключены к одному оптоволоконному кабелю. Отраженные сигналы от датчиков возвращаются в детектор через устройство обратной связи., и данные считываются в компьютер через цифровую карту DIO., тем самым достигается эффективный контроль температуры масла масляных трансформаторов..
В системе определения температуры обмотки трансформатора на основе волоконно-оптической брэгговской решетки., В системе используются оптоволоконные датчики с брэгговской решеткой, обладающие сильной помехоустойчивостью и чрезвычайно чувствительные к температуре.. Измерение и передача оптических сигналов, с последующей демодуляцией в температурные сигналы, может удовлетворить требования к высокоточному измерению температуры обмоток трансформатора, точно измерять температуру обмотки масляных трансформаторов, и обеспечить безопасную эксплуатацию трансформаторов.
Применение флуоресцентного оптоволоконного измерения температуры
Для больших масляных трансформаторов, принят метод измерения температуры по флуоресцентному оптоволоконному кабелю. Например, Флуоресцентный оптоволоконный датчик температуры от Fuzhou Yingnuo Technology можно использовать для контроля температуры больших масляных трансформаторов.. Он обладает характеристиками необходимой изоляции и может выполнять онлайн-мониторинг температуры компонентов, выдерживающих высокое напряжение или сильный ток.. Вставка зонда флуоресцентного материала в положение внутри трансформатора, которое необходимо измерить., и определение температуры посредством зависимости между временем жизни флуоресценции и температурой., значительно снижает влияние стабильности источника света.

3. Принцип оптоволоконной технологии измерения температуры трансформатора

3.1 Принцип технологии волоконных решеток Брэгга

Основные принципы
Волоконная решетка Брэгга представляет собой отражающее волоконное фильтрующее устройство.. Это достигается путем облучения оголенного оптического волокна ультрафиолетовыми интерференционными полосами., а ядро ​​поглощает ультрафиолетовое излучение, создавая постоянные периодические изменения показателя преломления.. Когда длина волны, входящая в оптическое волокно, удовлетворяет условию Брэгга (λ B=2n ∧, где λ B — центральная длина волны брэгговского отражения световой волны волоконной решетки., n — показатель преломления сердцевины волокна, и ∧ — период решетки), мода, направленная вперед, распространяющаяся в оптическом волноводе, будет соединяться с модой, отраженной назад, формирование брэгговского отражения.
Центральная длина волны волоконной брэгговской решетки связана с изменениями напряжения и температуры., и его формула связи: Δ λ B=λ B (1- р) Д е+1 Б (1+х) Д Т, где Δ λ B — изменение центральной длины волны отраженного света, вызванное изменениями напряжения и температуры.; Δ ε - изменение напряжения; Δ T - изменение температуры; ρ — коэффициент оптической упругости оптического волокна.; ξ — термооптический коэффициент оптического волокна.. Когда оптоволоконная решетка заключена внутри изолирующей оболочки., в основном это зависит от температуры. Температура внешней окружающей среды изменяет n и ∧ оптоволоконной решетки., что приводит к изменению длины волны отраженного света.. Путем точного измерения длины волны отраженного сигнала, может быть достигнуто определение температуры, а центральная длина волны оптоволоконной решетки имеет очень хорошую линейную связь с температурой..
Процесс восприятия
Широкополосный источник света вводится в оптоволокно., и после прохождения через волоконную решетку Брэгга, узкополосный спектр на длине волны Брэгга отражается на входной конец волокна, в то время как остальные длины волн передаются через. Когда температура меняется, изменяется показатель преломления и другие параметры волоконной брэгговской решетки., вызывая изменение длины волны Брэгга, и длина волны отраженного света тоже соответственно меняется. Путем обнаружения изменения длины волны отраженного света и на основе заранее определенного соотношения длины волны и температуры., соответствующее значение температуры можно получить.

3.2 Принцип технологии флуоресцентного волокна

Принцип генерации флуоресценции
Флуоресцентное вещество во флуоресцентном волоконном термометре имеет особую структуру энергетических уровней.. Когда световой импульс излучается источником света и передается по оптическому волокну флуоресцентному веществу в сенсорном зонде., Молекулы флуоресцентного вещества поглощают энергию фотонов и переходят из основного состояния в возбужденное состояние.. Из-за неустойчивости возбужденного состояния, молекулы высвободят энергию посредством радиационной флуоресценции и вернутся в основное состояние..
Связь между температурой и характеристиками флуоресценции
Температура окружающей среды и время затухания флуоресценции находятся в функциональной зависимости.. При разных температурах, время затухания флуоресценции флуоресцентного вещества изменяется по мере его возврата из возбужденного состояния в основное состояние. Вообще говоря, чем выше температура, тем короче время затухания флуоресценции. Путем определения времени затухания флуоресценции и использования заранее определенного соотношения температуры и времени затухания флуоресценции., можно получить значение температуры в точке измерения.

4. Сравнение измерения температуры трансформаторов с использованием различных оптических волокон

4.1 Волоконный датчик с брэгговской решеткой

преимущество
Высокая точность: Центральная длина волны волоконной брэгговской решетки имеет очень хорошую линейную зависимость от температуры., и высокоточное измерение температуры может быть достигнуто за счет точного измерения изменения отраженной длины волны.. Например, в некоторых экспериментах и ​​практических приложениях, он может удовлетворить требования к высокоточному измерению температуры обмоток трансформатора с относительно небольшими погрешностями измерения..
Хорошая стабильность: Датчики с волоконной решеткой Брэгга сами по себе обладают хорошей стабильностью и могут адаптироваться к потребностям мониторинга температуры во время длительной эксплуатации трансформаторов.. При длительном мониторинге температуры, его производительность не будет испытывать значительных колебаний и может непрерывно и точно отражать изменения температуры..
Анти-электромагнитные помехи: В сильной электромагнитной среде трансформаторов, волоконные датчики с брэгговской решеткой, основан на принципе передачи и обнаружения оптического сигнала, не подвержены влиянию электромагнитных помех и могут гарантировать точность данных измерений. Эта особенность делает его очень полезным при измерении температуры трансформатора в энергосистемах..
Многоразовое использование: Несколько волоконных датчиков температуры с брэгговской решеткой с разными длинами волн обычно можно подключить к одному оптическому волокну., облегчение многоточечного измерения температуры в разных частях трансформатора, построение сенсорной сети, и мониторинг общего распределения температуры трансформатора.
недостаток
Относительно высокая стоимость: Процесс производства волоконных датчиков с брэгговской решеткой относительно сложен., требующие специального оборудования и технологии для изготовления волоконных решеток Брэгга, и соответствующее оборудование для демодуляции также относительно дорого., что делает стоимость всей системы измерения температуры волоконной брэгговской решетки высокой..
Высокие требования к установке: При установке датчиков с волоконной решеткой Брэгга, необходимо обеспечить точность их упаковки и положения установки, чтобы точно определять изменения температуры и избегать ненужных мешающих факторов, таких как стресс.. Если установлен неправильно, это может повлиять на точность измерений.

4.2 Флуоресцентный оптоволоконный датчик
преимущество

Снижены требования к стабильности источника света.: По сравнению с датчиками температуры типа интенсивности флуоресценции, определение температуры посредством зависимости между временем жизни флуоресценции и температурой значительно снижает влияние стабильности источника света. Это позволяет флуоресцентным оптоволоконным датчикам точно измерять температуру в некоторых сценариях применения, где стабильность источника света может быть плохой..

Собственные изоляционные свойства: Флуоресцентные оптоволоконные датчики обладают собственными изоляционными свойствами., что делает их очень подходящими для измерения температуры в высоковольтном оборудовании, таком как трансформаторы.. Он может напрямую выполнять онлайн-мониторинг температуры компонентов, выдерживающих высокое напряжение или сильный ток., не беспокоясь об угрозах безопасности, вызванных проблемами изоляции.
Флуоресцентные материалы с высокой термостойкостью и стабильной работой.: Сами флуоресцентные материалы обладают характеристиками высокой термостойкости и стабильной работы., который может адаптироваться к высокотемпературной среде внутри трансформаторов и обеспечивать надежность измерения температуры во время работы трансформатора..
недостаток
Отладка системы: В практических приложениях, установка и отладка люминесцентных волоконно-оптических систем измерения температуры требует точной настройки положения датчиков, оптоволоконные соединения, и т. д., для обеспечения точного измерения температуры.

4.3 Волоконно-оптические датчики на основе полупроводниковых материалов

преимущество
Бюджетный: Этот оптоволоконный датчик температуры в основном состоит из фотоэлектрических преобразователей., недорогие светодиоды в качестве источников света, и широко используемые полупроводники из арсенида галлия в качестве чувствительных компонентов.. Конструкция проста и легка в изготовлении., поэтому стоимость относительно низкая.
Простой принцип и структура: Он основан на взаимосвязи между температурой и светопоглощением полупроводниковых материалов., и измеряет температуру посредством модуляции интенсивности (например, отражающая или пропускающая модуляция, а также методы модуляции интенсивности показателя преломления и коэффициента поглощения). Принцип и структура относительно просты..

недостаток
На работу датчиков сильно влияет интенсивность света., это их главный недостаток. Изменение интенсивности света напрямую влияет на точность результатов измерений..
Требуется калибровка: Перед измерением, необходимо откалибровать температуру и интенсивность света. Более того, помимо влияния температуры на интенсивность света, такие факторы, как фотодетекторы для измерения интенсивности света, нестабильное освещение источника света, потери связи, и случайные колебания, вызванные изгибом волокна, также могут оказать влияние. Поэтому, полагаясь исключительно на предварительно откалиброванную зависимость между температурой и интенсивностью света, невозможно эффективно улучшить характеристики измерения температуры..

5. Точность оптоволоконного измерения температуры трансформаторов

5.1. Точность датчика с волоконной брэгговской решеткой

Датчики с волоконной брэгговской решеткой обладают высокой точностью.. Благодаря превосходной линейной зависимости между центральной длиной волны волоконных решеток Брэгга и температурой, до тех пор, пока изменение длины волны отраженного света может быть точно измерено, значение температуры может быть точно получено. В практических приложениях, например, в системе определения температуры обмотки трансформатора, основанной на измерении волоконной брэгговской решетки., он может удовлетворить требования к высокоточному измерению температуры обмоток трансформатора., добиться точного контроля температуры обмотки трансформатора, и предоставить гарантии безопасной эксплуатации трансформаторов.

5.2 Точность флуоресцентного оптоволоконного датчика

Флуоресцентные оптоволоконные датчики определяют температуру, определяя время затухания флуоресценции., и их точность зависит от характеристик флуоресцентного материала и точности детекторного оборудования.. В обычных обстоятельствах, если флуоресцентный материал имеет стабильные характеристики, а оборудование обнаружения имеет высокую точность, он может обеспечить более точное измерение температуры. Например, некоторые флуоресцентные оптоволоконные датчики могут измерять температуру обмоток трансформатора один раз в секунду в пределах обычного температурного диапазона мониторинга., и температурное разрешение может достигать определенного стандарта, соответствие требованиям точности контроля температуры трансформатора.

5.3 Точность волоконно-оптических датчиков на основе полупроводниковых материалов

На точность этого датчика влияют различные факторы.. Благодаря измерению температуры, основанному на функциональной зависимости между интенсивностью света и температурой., на саму интенсивность света легко влияют различные факторы, такие как нестабильное освещение источника света и изгиб волокна.. В идеальной ситуации, если эти факторы, влияющие на интенсивность света, можно хорошо контролировать и можно точно откалибровать зависимость температуры от функции интенсивности света, также может быть достигнуто измерение температуры с определенной точностью. Однако, общая точность может быть относительно низкой по сравнению с волоконными датчиками на решетке Брэгга и флуоресцентными волоконными датчиками..

Оптоволоконный датчик температуры, Интеллектуальная система мониторинга, Распределенный производитель оптоволокна в Китае