Sensor de temperatura de fibra óptica en papel
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1 Introducción
Como nuevo tipo de sensor de temperatura, los sensores de temperatura de fibra óptica tienen muchas ventajas, como alta precisión de medición, resistencia a interferencias electromagnéticas, aislamiento seguro y a prueba de explosiones, resistente al fuego, etc., y han sido ampliamente utilizados. en muchas ocasiones especiales. Por lo tanto, la investigación y el desarrollo de sensores de temperatura de fibra óptica siempre ha sido uno de los puntos calientes y dificultades en el campo de los sensores de fibra óptica. Especialmente en los sistemas de energía, los sistemas de generación, transmisión y distribución de energía van acompañados de campos magnéticos severos y ambientes de temperatura (como alta radiación, alto voltaje, etc.), por lo que los sensores de fibra óptica hechos de materiales aislantes son útiles para la medición y el control de parámetros. La monitorización de los sistemas eléctricos juega un papel importante. Muchas instituciones de investigación están comprometidas con el desarrollo de sensores ópticos de potencia prácticos y algunos ya han sido probados con éxito. LUXTRON ha desarrollado con éxito un sensor de fibra óptica para el monitoreo a gran escala de la temperatura del punto caliente de los devanados del transformador. El sistema tiene una precisión de medición de ±2°C en el rango de -30 ~ 200°C. Investigación y desarrollo, estimación de vida y monitoreo dinámico de transformadores. Detección y medición de campos de temperatura durante la gestión de temperatura de carga. Para mejorar aún más la precisión, este artículo propone una tecnología de detección de temperatura precisa y desarrolla un sensor de temperatura de fibra óptica multicanal para las necesidades de monitoreo de temperatura multipunto de transformadores grandes.
2 Principios Básicos
La Figura 1 es el diagrama esquemático del sensor de temperatura de fibra óptica, que consta de una fuente de luz de amplio espectro, un acoplador, una fibra polarizada de alto índice de extinción, un Fibra de transmisión (UNCED), temperatura y potencia óptica. Consta de un cabezal sensor. Entre ellas, la fibra de transmisión es una fibra que mantiene la polarización y se utiliza principalmente para conectar sensores y dispositivos de polarización. El cabezal sensor es una sección corta de fibra óptica y el ángulo entre la transmisión de la fibra óptica y el eje principal de tensión del cabezal sensor de fibra óptica es de 45° (Fig. 65, 438+0 parte ampliada). En el otro extremo del primer sensor, hay un revestimiento dieléctrico de reflexión total. Durante el proceso de transmisión óptica, el proceso de acoplamiento del modo de polarización se muestra en la Figura 2. El eje Y representa el eje lento, el eje X representa el eje rápido y la flecha representa la dirección de polarización. La fuente de luz de amplio espectro está acoplada y polarizada por el polarizador, y la luz se transmite a lo largo de la fibra óptica y su sección transversal es 1 en la Figura 2. El enlace de transmisión de fibra óptica está conectado al punto del cabezal del sensor. Los ejes de tensión de las dos fibras ópticas que mantienen la polarización están en un ángulo de 45°. La detección de la fibra óptica se realizará primero entre los dos modos propios de polarización. es 2 en la Figura 2. La luz reflejada regresa por la misma ruta y llega nuevamente a este punto. Cada fibra de modo de polarización también excitará otros dos modos de polarización ortogonal durante la transmisión, y su sección transversal se muestra en la Figura 2-3. Cuatro fases de modo de polarización diferentes: YY'X, YY'Y, YX'X, YX'Y continúan transmitiendo a la fibra óptica. Después de llegar al polarizador, solo puede pasar el modo de polarización YX'Y paralelo a la dirección del polarizador. a través de YY'Y Y finalmente llega al jugo de potencia óptica, el corte se muestra en la Figura 2 y la Figura 4. La diferencia de fase
Δβ es la constante de desviación del eje de polarización de transmisión de las dos fibras ópticas principales, L es la longitud del primer sensor de fibra que mantiene la polarización y la polarización δ solo se genera en la primera fibra. sensor. Relación señal de salida/interferencia
Donde, K es el factor de intensidad de la luz que llega al detector y γ (δ) es la función de coherencia de la fuente de luz de amplio espectro. Para fibras ópticas que mantienen la polarización, como las tipo panda o tie, se fija en la estructura de recubrimiento para lograr el mantenimiento de la tensión de polarización. Las investigaciones muestran que: △ β -200 ~ +400 ℃ la temperatura disminuye con el aumento del número lineal, el coeficiente lineal es de aproximadamente 10-3, con un signo negativo, mientras que la longitud de la fibra tiene una relación lineal con el cambio de temperatura. y el coeficiente de temperatura es de aproximadamente 10 -Nivel 6, se puede ignorar. Por lo tanto, δ se puede escribir como
donde a0 y a1 son coeficientes del modelo, que se pueden obtener mediante experimentos de calibración del sensor de temperatura ambiente; En (3) podemos ver que la interferencia que es sensible a la temperatura de la fibra se puede identificar midiendo la intensidad de la luz de salida, y el rango de medición y la sensibilidad también se pueden ajustar cambiando la longitud de la fibra.
3 Investigación experimental
Con base en la estructura que se muestra en la Figura 1, se configura el sistema experimental. La fuente de luz es una fuente de luz de banda ancha SLD con una longitud de onda promedio de 65438 ± 0300 nm y un ancho espectral de 30 nm; la fibra de transmisión es una fibra de mantenimiento de polarización tipo Panda y la longitud de acceso aleatorio del cabezal sensor es de 11,3 mm. El medidor de potencia óptica interfiere con la medición de la potencia de salida y la temperatura real la determina la medición, la computadora puede registrar los datos de la medición en tiempo real. A -45 ~ +65 ℃, las curvas de temperatura y potencia de salida se muestran en la Figura 3.
El cambio de amplitud de la interferencia de la señal es causado por la dependencia de la temperatura de la función de coherencia γ (δ) sobre δ. Para realizar un proceso de ajuste simple, se supone que γ (δ) cambia linealmente. Según la fórmula (3), puede existir la siguiente función objetivo
Tome los datos de prueba como muestra (4) como objetivo, ajuste la curva en la Figura 3 y los coeficientes del modelo se enumeran en Tabla 1. c1 representa γ (δ) y la temperatura; a1 es el coeficiente de temperatura del cabezal sensor; c2 y c3 son valores de desviación. Puede verse en la Figura 3 que la curva medida y la curva ajustada coinciden bien cerca del valor máximo, y el error es el error causado por el modelo lineal γ (δ).
Para verificar la estabilidad del prototipo de sensor, el cabezal del sensor se colocó en un ambiente constante de 0 °C formado por una mezcla de hielo y agua, y se midieron los cambios de salida. Como se puede ver en la Figura 3, a 0 °C, la potencia de salida es de aproximadamente 324 μW, lo que está cerca del coeficiente máximo de sensibilidad a la temperatura de 46,71 μW/°C. La Figura 4 muestra las curvas de salida de potencia óptica y de tiempo. El tiempo de medición es de aproximadamente 30 minutos y el intervalo de muestreo es de 65438 ± 0 s. Las estadísticas muestran que la desviación estándar de la potencia óptica es de 0,45 μW y el cambio de temperatura correspondiente es de 0,0096 °C.
Más de 4 canales de sensor de temperatura
En transformadores de potencia grandes, es necesario monitorear todas las temperaturas de puntos calientes posibles, por lo que es necesario un sistema de sensor de temperatura multicanal. Además, dado que los componentes de fibra óptica del transformador están colocados en aceite caliente, el sensor debe cumplir con los requisitos de aislamiento de alto voltaje, resistencia a altas temperaturas superiores a 250 °C y aceite caliente.
4.1 Programa de sensores
El sistema de detección de temperatura de fibra óptica de 8 canales se muestra en la Figura 5. La fuente de luz utiliza una fuente de luz de fibra dopada con erbio de alta potencia para su potencia de salida. es mayor que 65438 ± 00 mw, y la longitud de onda promedio es 65438 ± 0545 nm, el ancho espectral es 365438 ± 0 nm. El divisor de potencia de fibra óptica monomodo de 1 × 9 se dividirá en 9 partes iguales, uno de los cuales monitorea los cambios en la fuente de luz y los otros 8 sirven como fuentes de luz de detección de temperatura de 8 canales, y cada canal adopta la estructura que se muestra; en la Figura 1. El fotodetector recibe la primera señal de luz reflejada del sensor 8 y la salida del detector 9 se digitaliza a través de un convertidor A/D. Primero, el microprocesador calcula el valor de temperatura según el modelo y luego lo envía al módulo de visualización para su visualización. Al mismo tiempo, se comunica con la computadora en tiempo real a través del puerto serie RS232. La parte de detección consta de un polarizador, una transmisión de fibra óptica de mantenimiento de polarización de 2 metros de largo y un cabezal de detección. La relación de extinción del polarizador es superior a 28 dB y la pérdida de inserción es inferior a 0,8 dB. La parte de detección y la parte de detección/fuente de luz 8 están conectadas al cable central a través de un cable óptico monomodo de 100 m para lograr una medición remota.
4.2 Proceso de producción y envasado del cabezal sensor
En la aplicación, la fibra óptica y el cabezal sensor se colocan en el aceite caliente del transformador. Por lo tanto, la fibra óptica que mantiene la polarización de Panda está encapsulada con silicona para garantizar que pueda soportar altas temperaturas superiores a 250 °C. Esta lente tiene una longitud de fibra que mantiene la polarización de 1,9 mm, una pérdida de 1,1 dB/km y un diámetro de 250 μm. La Figura 6 es un diagrama esquemático del cabezal sensor y su embalaje. La Figura 6 (A) muestra una detección de 8 canales por canal, que consta de un conector FC, un polarizador de fibra, una fibra óptica de mantenimiento de polarización tipo panda de 2 metros de largo y un cabezal sensor de fibra óptica de aproximadamente 0,5 mm de largo. . El cabezal del sensor de fibra de cuarzo tiene un sello capilar en forma de Y y el paquete trasero se muestra en la Figura 6 (B). La Figura 6 (C) muestra un cabezal sensor de fibra desnuda con un diámetro de 125 μm y una película óptica reflectante depositada en el extremo. Se utiliza un tubo capilar con un diámetro interior de 365, 438 + 09 μm y un diámetro de 436 μm para proteger la fibra óptica y el cabezal sensor. Su superficie exterior está recubierta con una película de PMMA de 20 μm de espesor. Garantizan un buen aislamiento eléctrico y durabilidad del cabezal del sensor en entornos hostiles.
4.3 Modelo de cabezal sensor lineal
En la ecuación (4), es necesario calcular 5 parámetros y el proceso de cálculo de la temperatura es complicado. Al elegir la longitud de la sonda y el proceso de corte preciso, se logra una relación casi lineal entre las respuestas del sensor. Después de la linealización, la Figura 7(a) muestra la curva de respuesta del cabezal sensor 8. Por tanto, el sensor de temperatura se puede obtener mediante ajuste polinómico. El ajuste polinómico cúbico se utiliza para ajustar la función objetivo
T = b0 + b1x + b2x2 + b3x3 (5)
Donde b0 ~ b3 son los coeficientes que deben calibrarse. La Figura 7 (b) es la curva de error típica de la temperatura después del ajuste. La desviación máxima entre 40 ~ 220 ℃ es 0,37 ℃. La Figura 7 (c) es el valor de temperatura calculado según el modelo de la ecuación (5). visto que muestran una buena relación lineal.
4.4 Calibración del prototipo y resultados de la prueba
Para verificar la precisión de la medición del prototipo del sensor de temperatura de fibra óptica, se realizó una prueba de calibración en el Instituto de Tecnología de la Gran Muralla en China. que es una unidad nacional de medición de temperatura de primera clase. Realiza capacidades de medición de temperatura de alta precisión y gran escala. El rango de temperatura de medición es de 0 ~ 200 ℃ dividido en intervalos de aproximadamente 20 ℃, con un total de 11 puntos de medición. El error de prueba típico se muestra en la Figura 8. El error de medición del sensor de 8 canales está dentro del rango de 0,5 °C.
5 Conclusión
Este artículo proporciona una introducción detallada a un sensor de temperatura de fibra óptica práctico y tecnologías relacionadas. Se ha desarrollado un sensor de temperatura multicanal que se puede utilizar para monitorear la temperatura del devanado de transformadores de potencia. El cabezal sensor de temperatura de fibra óptica de pequeño tamaño desarrollado utilizando procesos especiales de recubrimiento, embalaje y fabricación cumple con los requisitos de resistencia a entornos hostiles y aplicación práctica.
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