一種高壓斷路器觸頭測溫光纖溫度傳感器

單曉宇，洪劍鋒，謝志平，王新峰，陳文薌

（廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建 廈門361005）

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一，其在線溫度特性實(shí)時(shí)監(jiān)測對(duì)保障高壓斷路器乃至整個(gè)配電系統(tǒng)安全運(yùn)行有著十分重要的意義.然而，由于高壓斷路器工作環(huán)境具有高電壓、強(qiáng)磁場等特點(diǎn)，一般的測溫技術(shù)難以使用.光纖溫度傳感器具有可靠性高、絕緣性好、抗電磁干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，在高電壓、大電流、強(qiáng)電磁干擾或易燃易爆的測量環(huán)境下仍可以正常工作［1－5］，很適合于高壓斷路器在線溫度的檢測.然而，目前常用的光纖傳感器主要有分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器等［6］.分布式光纖溫度傳感器能夠在幾千米范圍內(nèi)連續(xù)測量，空間定位精度達(dá)到米的數(shù)量級(jí)，但必須采用相當(dāng)昂貴的光源與探測信號(hào)處理設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感點(diǎn)的精確定位［7－8］；光纖光柵溫度傳感器具有對(duì)光源要求低，不受光纖彎曲損耗影響的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)光纖光柵的可靠性，光檢測器波長分辨率等有很高的要求；熒光型溫度傳感器測溫范圍廣，可以制成自校準(zhǔn)的光纖溫度傳感器，但價(jià)格一般比較昂貴，應(yīng)用領(lǐng)域受到限制［9］；干涉型光纖溫度傳感器溫度分辨率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)寬，但一般干涉型傳感器存在相位測量不清晰的問題，且對(duì)光纖和光源的性能要求嚴(yán)格，容易受噪聲干擾［10］，不適合應(yīng)用于高壓斷路器.本文給出了一種適用于高壓斷路器應(yīng)用的光纖溫度傳感器，它具有體積小、性能可靠、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，亦可應(yīng)用于其他場合.

1 傳感器工作原理

圖1為采用雙金屬片的反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器示意圖，基座上平行固定有發(fā)射、接收兩條光纖及相應(yīng)的發(fā)光二極管及光電二極管［11－12］，雙金屬片一端固定在基座上，另一端安裝有光反射面，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，雙金屬片帶動(dòng)光反射面產(chǎn)生相應(yīng)位移.

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Basic structure of sensing probe

根據(jù)圓臺(tái)型光強(qiáng)分布理論［13］，反射光強(qiáng)的分布可視為空間正態(tài)分布或圓錐分布，如圖2.

圖2 反射模型示意圖Fig.2 Amodel for the reflection

光源發(fā)出的光經(jīng)發(fā)射光纖至反射面后形成光錐，反射光錐在光纖端面的投影稱為光錐底端，當(dāng)接收光纖端面在反射面的投影與光錐底端存在重合面積時(shí)，便能接收到反射光.設(shè)發(fā)射光纖和接收光纖的纖芯半徑為r，發(fā)射光纖數(shù)值孔徑為NA，兩光纖端面與反射面之間的距離為d，光錐底端半徑為R，光錐底端與接收光纖端面的重合面積為S，ρ為徑向坐標(biāo)，Iρ為徑向光強(qiáng).當(dāng)光纖周圍介質(zhì)為空氣時(shí)，接收光纖輸出的光通量為［14］：

其中，φ0為光源耦合到發(fā)射光纖中的光通量，K1、K2、K3分別為發(fā)射、接收光纖及反射面的光功率損耗系數(shù).

圖3 光路分析圖Fig.3 The light path analysis diagram

圖3表明了d在溫度影響下的變化情況.雙金屬片受熱發(fā)生角度α的偏移，位置由水平變?yōu)閳D中虛線所示的位置，光纖端面與反射面的距離由d變?yōu)閐′，等效光錐底端半徑由R變?yōu)镽′，光錐底端與接收光纖端面重合的等效面積由S變?yōu)镾′.此時(shí)，光纖端面與反射面的距離d′為

光錐底端半徑R′為［14－16］：

可看出，由于反射面偏轉(zhuǎn)了α角，實(shí)際反射面S′為：

將式（2）～（4）代入式（1），可得在溫度影響下接收光纖實(shí)際輸出的光通量φ′為

利用 Wolfram Mathematica8.0工具中的Plot命令對(duì)式（5）進(jìn)行計(jì)算，設(shè)K1K2K3φ0S＝1，r＝1.5mm，L＝8mm，d＝5mm，h＝3mm，則

計(jì)算結(jié)果可得光通量φ′與偏轉(zhuǎn)角α的關(guān)系曲線，如圖4所示.

圖4 α與φ′關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve ofαandφ′

由于雙金屬片是將膨脹率相差很大的兩種金屬材料結(jié)合而成，在一定溫度范圍內(nèi)，圖3中偏轉(zhuǎn)角度α與溫度呈線性關(guān)系［17］.

其中，Km為雙金屬片彎曲系數(shù)，e為雙金屬片的厚度，將式（7）代入（6），有

式（8）表明溫度變化ΔT與φ′呈現(xiàn)線性關(guān)系，當(dāng)溫度變化時(shí)，φ′變化導(dǎo)致光電二極管光電流變化，進(jìn)而導(dǎo)致輸出電壓變化.電壓與溫度反向相關(guān)的變化關(guān)系，可以作為本設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ).通過選用不同型號(hào)的雙金屬片，可以制成不同測量范圍和靈敏度的光纖溫度傳感器.

2 傳感器性能實(shí)驗(yàn)

測量系統(tǒng)示意圖見圖5，選用950nm的紅外發(fā)射二極管作為光源Df，直徑為3mm的塑料光纖作為發(fā)射和接收光纖.為了克服周圍雜散背景光對(duì)檢測的影響，提高紅外線抗干擾能力，用38kHz方波對(duì)發(fā)射光進(jìn)行調(diào)制［18］.發(fā)射部分 RZ、UZ、T2、Re組成恒流源電路，為紅外發(fā)射管Df提供恒定電流，保證Df發(fā)出光強(qiáng)恒定的紅外光線.T1為調(diào)制開關(guān)，PC機(jī)發(fā)出頻率為38kHz的方波通過調(diào)制開關(guān)控制恒流源電路將紅外光線調(diào)制成38kHz的脈沖光束.接收部分由紅外光電管、電壓放大、38kHz解調(diào)部分構(gòu)成.當(dāng)溫度變化，根據(jù)式（8），光通量φ′亦發(fā)生變化，光通量對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)通過紅外光電管接收，經(jīng)電壓放大、解調(diào)后，送入PC的電壓信號(hào)即可代表溫度變化的信號(hào).

在30～120℃內(nèi)對(duì)此光纖測溫傳感系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示：

作為對(duì)比，我們用改裝后的紅外測溫儀作為溫度測試工具，同時(shí)將通過光纖溫度測量裝置測到的電壓信號(hào)與用紅外測溫儀測得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理.用熱風(fēng)機(jī)對(duì)溫度測量裝置進(jìn)行加溫，當(dāng)溫度達(dá)到120℃后停止加溫，讓溫度自然冷卻.實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了快速升溫、階段升溫、反復(fù)升降溫3種強(qiáng)度不同的升溫降溫過程，通過這3次實(shí)驗(yàn)過程，可分別檢驗(yàn)該測溫裝置輸出電壓與溫度變化之間關(guān)系是否線性、重復(fù)測量結(jié)果的一致性等關(guān)鍵特性.

圖5 測量系統(tǒng)示意圖Fig.5 Measurement system schematic diagram

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.6 Schematic diagram of experimental set－up

實(shí)驗(yàn)中我們沒有將檢測到的電壓信號(hào)換算為溫度信號(hào)，實(shí)際使用時(shí)，只要通過標(biāo)定，就可很方便地將該電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度值.

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)先用熱風(fēng)機(jī)對(duì)探頭預(yù)加熱至50℃左右，確定傳感器工作正常后再按實(shí)驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行加熱，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7所示.可以看出，圖7（a）中，0～40s對(duì)探頭預(yù)加熱，40～80s移近熱風(fēng)機(jī)使其快速升溫，80s后自由降溫；圖7（b）中，25～40s從室溫開始預(yù)加熱，40～85s保持預(yù)加熱的溫度，85～95s快速升溫至100℃，95～140s對(duì)探頭緩慢加熱至120℃，而后自由降溫；圖7（c）中，0～60s預(yù)加熱，60～75s初次升溫至120℃，75～95s使探頭自由降溫至70℃，95～150s再次升溫至120℃，150s后自由降溫.

圖8給出了測量結(jié)果經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到的電壓（圖5中經(jīng)38kHz解調(diào)后的電壓U0）、溫度（圖6中測溫槍檢測到的溫度數(shù)據(jù)）關(guān)系曲線和3次測量結(jié)果的重復(fù)性關(guān)系曲線.通過線性回歸分析，可看出，測得的電壓值在回歸直線附近上下浮動(dòng)，表明升溫與降溫過程電壓、溫度之間線性關(guān)系好.

圖7 電壓與溫度變化曲線Fig.7 The curves of voltage and temperature

圖8 數(shù)據(jù)處理后電壓與溫度變化曲線Fig.8 The curves of voltage and temperature after data processing

為了更直觀分析本傳感器的性能，我們對(duì)測量誤差和重復(fù)性進(jìn)行考量.考慮到我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中沿時(shí)間軸采樣點(diǎn)很密、數(shù)據(jù)量大，直接使用這些數(shù)據(jù)很難用圖表顯示，我們?cè)谔幚頂?shù)據(jù)時(shí)把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照溫度區(qū)間分段，以方便分析及用表格說明.采用區(qū)間最大測量誤差率、最大重復(fù)度誤差率來描述測量的誤差和重復(fù)性.定義：

最大溫度段誤差率可評(píng)價(jià)實(shí)際測得的數(shù)據(jù)與回歸直線的偏離程度，這里默認(rèn)回歸直線代表了期望測量準(zhǔn)確值.

溫度段測量誤差為溫度段內(nèi)測量電壓值與回歸直線對(duì)應(yīng)點(diǎn)值的差值.最大重復(fù)度誤差率可評(píng)價(jià)重復(fù)性，把3次測量過程回歸直線的平均值作為期望測量準(zhǔn)確值，溫度段內(nèi)單次回歸直線與該平均值偏差的最大值即可作為重復(fù)測量產(chǎn)生的最大誤差.經(jīng)統(tǒng)計(jì)得表1，通過表1可以看出最大誤差率在5%以內(nèi)，3次實(shí)驗(yàn)的最大偏差為3.6%，表明本溫度傳感器準(zhǔn)確性、重復(fù)性良好.

表1 最大誤差率統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Maximum error rate table

3 傳感器安裝在斷路器觸頭的實(shí)驗(yàn)

高壓開關(guān)柜斷路器觸頭共有6個(gè)，分別分布在上側(cè)和下側(cè)的A、B、C三相上.6個(gè)溫度傳感器分別固定在靜觸頭觸臂上，圖9（a）顯示了其中一個(gè)觸臂的安裝示意，圖9（b）為封裝后的觸臂照片.傳感器安裝好后還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及標(biāo)定，由于篇幅關(guān)系，數(shù)據(jù)處理及標(biāo)定過程不在本文敘述.

圖9 傳感器安裝示意圖Fig.9 The installation diagram of the sensors

室溫20℃，將6個(gè)動(dòng)靜觸頭串聯(lián)，通過1 250A的電流，通過電流后，觸頭溫度會(huì)上升；為了進(jìn)一步考察測量結(jié)果與實(shí)際溫度的誤差，采用紅外測溫儀GM700對(duì)觸頭3進(jìn)行同步測溫，檢測結(jié)果如圖10.

圖10（a）中，起始溫度為室溫20℃，觸頭溫度以指數(shù)規(guī)律上升并穩(wěn)定在75℃.6個(gè)觸頭的溫升曲線高度重合（如圖10（a）小圖所示），為了便于觀察，圖10（a）的大圖中將觸頭2～6的縱坐標(biāo)依次上移5，10，15，20，25℃.圖10（b）為第3觸頭測量結(jié)果與紅外測溫儀的誤差曲線，曲線表明可知，抽樣觸頭的溫度與實(shí)際誤差在1℃以內(nèi)，這表明傳感器能正確反映實(shí)際溫度，說明本設(shè)計(jì)是可行的.

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用本文設(shè)計(jì)的雙金屬片測溫結(jié)構(gòu)結(jié)合光纖位移測量結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度測量可在30～120℃量程內(nèi)獲得較好的線性輸出特性，具有測量誤差小、重復(fù)性好、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn).該傳感器體積小，可方便地嵌入高壓短路器觸頭、母線接點(diǎn)等電壓高但又需要監(jiān)測溫度變化的測點(diǎn).

圖10 觸頭溫升檢測及誤差曲線Fig.10 The rising temperature testing and error curves of the contacts

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