高壓設(shè)備溫度在線監(jiān)測研究

王 寧，齊 洋，張立強

(中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032)

1 引言

目前我國大多數(shù)高壓設(shè)備自身采用封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)部無散熱裝置，長期工作在高電壓、大電流、強磁場環(huán)境中，使得設(shè)備發(fā)熱升溫嚴重危害其正常運行，甚至?xí)斐呻娖髟O(shè)備故障［1］。因此對高壓設(shè)備進行在線溫度監(jiān)測尤為必要。我國在高壓設(shè)備溫度監(jiān)測方面依然采用比較傳統(tǒng)的測量方法，無法克服高電壓、大電磁場干擾的弊端。隨著傳感器和單片機技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，近年來熒光光纖溫度傳感器的研究不斷深入，在高壓、高溫、大電流、強磁場的環(huán)境下有很好的應(yīng)用前景。

2 總體設(shè)計

整個測溫系統(tǒng)由熒光光纖溫度傳感器、光電轉(zhuǎn)換、I/V轉(zhuǎn)換、微弱信號放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機六個主要部分組成。系統(tǒng)工作時首先由激勵光源發(fā)出激勵光，再通過光纖傳輸照射到熒光物質(zhì)上，發(fā)出幅度隨時間衰減的熒光。這個熒光與激勵光混合在一起經(jīng)由傳導(dǎo)光纖傳回，經(jīng)過濾光片分離熒光送到光電轉(zhuǎn)換部分，經(jīng)轉(zhuǎn)換得出微弱電流，再將這個微弱電流送入I/V轉(zhuǎn)換部分，變換后得到電壓信號，經(jīng)過多級放大及A/D轉(zhuǎn)換電路后，得到一個數(shù)字信號送入單片機進行進一步的數(shù)據(jù)處理。通過對采集的大量數(shù)據(jù)進行分析處理得出熒光余輝壽命τ，經(jīng)過進一步運算便可得出相應(yīng)的溫度值。

圖1 簡要系統(tǒng)框圖

3 器件選型

3.1 激勵光源的選擇［2］

激勵光源有紫外、可見、紅外三種。紫外激勵是首選但考慮到造價、輔助設(shè)備、現(xiàn)場可操作性及方便性等因素，本次設(shè)計選用汞燈作為光源。它存在的問題有兩個:一是與光纖耦合問題，采用增加兩面透鏡的方法可以解決;二是脈沖調(diào)制問題，這類燈是連續(xù)工作的，不能瞬時起輝，采用脈沖調(diào)制法可以解決問題。

3.2 熒光余輝的處理［2］

(1)微分處理法。由于汞燈光強不夠穩(wěn)定，且伴有陰極漂移現(xiàn)象，從而改變光耦合效率。因此，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換放大后的信號為:

式中τ為余輝時間常數(shù)，Id為信號背景漂移，其值不穩(wěn)定?，F(xiàn)對式(1)進行微分，得:

消除Id影響。取t1，t2兩個時刻進行計算得

(2)累加處理法。雖然消除了Id的影響，但卻增加了隨機噪聲的干擾。累加法是抗干擾技術(shù)中行之有效的措施之一，在信號周期出現(xiàn)的條件下按周期進行累加。熒光信號雖然不是周期信號，但每隔Δt=t2－t1，即可求出τ值來。由于熒光余輝衰減時間與熒光構(gòu)成了指數(shù)函數(shù)，將其分成n－1份可求得n－1個τ值。如果沒有這個干擾，這些τ值應(yīng)該是一樣的，因此，對其累加平均，提高τ的精度，則

3.3 放大器選擇

光電轉(zhuǎn)換后的電流約為幾百pA，帶寬100KHz左右，可以選擇MAX4488芯片作為微弱信號放大的關(guān)鍵器件。該芯片為CMOS工藝雙列直插封裝，輸入偏置電流:±1pA，，輸入漂移電流:±1pA，輸入電流噪聲:±0.5fA/Hz，帶寬:42MHz。

可見，輸入偏置電流和輸入漂移電流較小，當小信號經(jīng)過放大器被放大時，干擾也被放大，由于小信號與干擾信號相差較多，即使同時被放大也可以區(qū)分出有用信號，除去干擾信號。小信號的帶寬在100KHz左右，芯片的增益帶寬積是42MHz，滿足條件。

3.4 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇［2］

此設(shè)計選用MAX189作為A/D轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件。主要原因有三點:①它的轉(zhuǎn)換速度75KHz，轉(zhuǎn)換時間8.5μs，設(shè)計中傳感器采集的大量信號要進行及時處理才能使得系統(tǒng)實時處理的功能實現(xiàn)，使得系統(tǒng)設(shè)計有實際意義;②它的位數(shù)(12位主次比較型)能夠保證系統(tǒng)精度;③它擁有優(yōu)異的AC特性，極低的電源消耗和較小的封裝尺寸。

MAX189要求外接基準電源，經(jīng)過微弱信號放大電路放大后的電壓信號約為2V左右，調(diào)節(jié)滑動變阻器便可調(diào)出0～5V的電壓，滑動變阻器的另一端接到MAX4488的第四個引腳上。如圖2所示。

圖2 可調(diào)精密電源

3.5 單片機的選擇

設(shè)計中選用W77E58作控制主芯片。該單片機采用40只引腳的雙列直插封裝，由 CPU、RAM、SRAM、I/O、串行口、計數(shù)器、中斷系統(tǒng)和特殊功能寄存器組成。之所以選用它是因為它與MCS－52兼容，比8051多一個數(shù)據(jù)指針，加速了數(shù)據(jù)塊在存儲器間的傳輸速度，速度高，工作頻率可擴展到40MHz。

4 結(jié)束語

設(shè)計完成了數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理的硬件電路設(shè)計，實現(xiàn)了以單片機為核心的外圍電路設(shè)計，使系統(tǒng)具有人機對話功能。但由于實際測試環(huán)境的危險性，設(shè)計缺少實際應(yīng)用測試。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，很容易得到推廣和發(fā)展，因此在溫度監(jiān)測領(lǐng)域有著非常好的應(yīng)用前景。

［1］陳振生，周驍威.高電位電流母線異常升溫在線實時診斷［J］.江蘇電器，2003(3):1 －4.

［2］Xun W M，Xiang Y R.New design fiber－based fire alarm system［J］.China journal of light scattering，2004:658 －661.

［3］湯向衡.AD使用的幾點技巧［J］.國防科技大學(xué)學(xué)報，2003，10(2):1 －2.