發(fā)射機(jī)光柵光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

國(guó)家新聞出版廣電總局二〇二四臺(tái) 楊瑞霖

1.項(xiàng)目背景

廣播短波發(fā)射機(jī)具有高頻、高壓、大功率等特點(diǎn)，其包括高前電子管、高末電子管、高末調(diào)諧調(diào)配電容等高頻器件以及變壓器、互感器、整流器等高壓器件。這些元器件在工作過(guò)程中會(huì)釋放大量的熱量，容易造成發(fā)射機(jī)內(nèi)部元器件的老化，影響使用壽命，甚至導(dǎo)致發(fā)射機(jī)存在一定的安全隱患，因此實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)廣播短波發(fā)射機(jī)的眾多發(fā)熱節(jié)點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，確保設(shè)備的安全運(yùn)行。

1.1 常用測(cè)溫方式的缺點(diǎn)與不足

1.1.1 發(fā)射機(jī)射頻播音射頻機(jī)箱、高壓柜母排、低壓柜母排、控制機(jī)箱母排均處于高壓連鎖狀態(tài)，發(fā)射機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下無(wú)法進(jìn)行人工檢查，因此，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信息就成為監(jiān)測(cè)盲區(qū)；

1.1.2 手持式紅外熱成像儀測(cè)溫時(shí)需要與被測(cè)物體保持合適的距離，測(cè)量溫度受環(huán)境影響大，且必須在發(fā)射機(jī)停機(jī)時(shí)使用無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；

1.1.3 使用無(wú)線測(cè)溫設(shè)備進(jìn)行發(fā)射機(jī)射頻機(jī)箱內(nèi)部溫度的測(cè)量時(shí)，由于測(cè)溫設(shè)備無(wú)法在發(fā)射機(jī)內(nèi)部高頻、高壓和強(qiáng)電磁干擾等復(fù)雜環(huán)境下正常工作，經(jīng)常出現(xiàn)誤報(bào)警和采集數(shù)據(jù)不穩(wěn)定；

1.1.4 使用溫度貼片也可以對(duì)射頻電容進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)量點(diǎn)溫度高于臨界溫度時(shí)，貼片立即變色，這種方法準(zhǔn)確性差、無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、受環(huán)境溫度影響大、重復(fù)使用率低。

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本系統(tǒng)采用最先進(jìn)的光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行短波發(fā)射機(jī)測(cè)溫，其能夠克服現(xiàn)有的測(cè)溫設(shè)備無(wú)法在發(fā)射機(jī)內(nèi)部高頻、高壓和強(qiáng)電磁干擾等復(fù)雜環(huán)境下正常工作的問(wèn)題，同時(shí)也能夠克服現(xiàn)有測(cè)溫設(shè)備的測(cè)溫效果不佳、測(cè)量精度低等問(wèn)題，并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)射機(jī)內(nèi)大功率元器件的溫度異常問(wèn)題。

1.2 發(fā)射機(jī)溫度監(jiān)測(cè)的必要性和意義

1.2.1 射頻末級(jí)真空電容擊穿故障不容易精確判斷出具體哪只電容故障，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電容溫度信息，超溫報(bào)警信息，可以精準(zhǔn)判斷出具體的故障電容，縮短處理故障時(shí)間；

1.2.2 為設(shè)備維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持，制定科學(xué)合理的檢修計(jì)劃，減少盲目性停機(jī)檢修，符合“狀態(tài)檢修”維護(hù)目的；

1.2.3 廣播發(fā)射機(jī)正朝著“大功率、高穩(wěn)定、智能化”的方向發(fā)展，通過(guò)技術(shù)手段將以往的監(jiān)測(cè)盲區(qū)進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)，符合“優(yōu)質(zhì)零秒”運(yùn)行目標(biāo)；

1.2.4 可以在事故醞釀期發(fā)現(xiàn)運(yùn)行隱患提前進(jìn)行預(yù)警，減少經(jīng)濟(jì)損失降低安全隱患。

2.監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)光柵光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由光纖光柵傳感器組成的光纖光柵傳感器陣列、光分路盒、光路耦合器、掃描光源、同步控制單元、分光器、光電檢測(cè)信號(hào)放大器、光纖光柵傳感器智能解調(diào)儀、遠(yuǎn)程客戶端、服務(wù)器和報(bào)警器；其中，光纖光柵傳感器與光分路盒相連，用于產(chǎn)生與廣播短波發(fā)射機(jī)內(nèi)部測(cè)點(diǎn)相關(guān)的拉曼散射光，所述內(nèi)部測(cè)點(diǎn)包括高壓柜、低壓柜、PSM調(diào)制變壓器、控制機(jī)箱母線排、電子管進(jìn)出水、末級(jí)電子管整流橋、高末調(diào)諧電容、阻抗匹配電容；光路耦合器連接于掃描光源的輸出端和分光器的輸入端，掃描光源的控制端連接同步控制單元的輸出端，所述同步控制單元的輸入端與服務(wù)器相連，其根據(jù)服務(wù)器發(fā)出的指令控制掃描光源同步產(chǎn)生激光，分光器接收并處理來(lái)自光路耦合器發(fā)出的信號(hào)，并將處理結(jié)果傳給光電檢測(cè)信號(hào)放大器，然后經(jīng)光纖光柵傳感器智能解調(diào)儀進(jìn)行解調(diào)，服務(wù)器或者遠(yuǎn)程客戶端對(duì)來(lái)自光纖光柵傳感器智能解調(diào)儀的信息進(jìn)行分析處理，獲得相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)；服務(wù)器將所述實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)與所述發(fā)射機(jī)內(nèi)部測(cè)點(diǎn)預(yù)先設(shè)定的溫度閾值進(jìn)行比較并控制報(bào)警裝置開(kāi)啟或關(guān)閉。

圖1 發(fā)射機(jī)光柵光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.系統(tǒng)軟硬件組成

3.1 光纖光柵溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感器是利用光纖材料的光敏性，在光纖纖芯上建立起的一種空間周期性折射率分布，使其對(duì)特定波長(zhǎng)的入射光具有反射作用[1]。待測(cè)點(diǎn)溫度發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵的反射波長(zhǎng)發(fā)生移動(dòng)，溫度變化引起的光纖光柵反射波長(zhǎng)移動(dòng)，反射波長(zhǎng)的移動(dòng)與溫度的變化成線性關(guān)系，通過(guò)測(cè)量光纖光柵反射波長(zhǎng)的移動(dòng)，便可確定環(huán)境溫度[2]。

系統(tǒng)采用的RBC-T01型光纖光柵溫度傳感器具有高絕緣、耐高溫等特點(diǎn)，傳感器采集到的被測(cè)點(diǎn)溫度轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過(guò)光纖將信號(hào)傳遞給光柵光纖信號(hào)解調(diào)儀再進(jìn)行解調(diào)。傳感器外觀圖和安裝示意圖如圖2、圖3：

圖2 RBC-T01型溫度傳感器

圖3光纖光柵溫度傳感器固定示意圖

3.2 光纖光柵智能解調(diào)儀

光纖光柵溫度傳感器其本質(zhì)是通過(guò)波長(zhǎng)變化來(lái)反映被測(cè)點(diǎn)溫度的變化情況，一種波長(zhǎng)編碼的原理。光纖光柵智能解調(diào)儀，采用匹配光纖光柵濾波法，把被編碼的波長(zhǎng)解調(diào)出來(lái)與參考波長(zhǎng)進(jìn)行比較，通過(guò)內(nèi)置光強(qiáng)探測(cè)器最大值或最小值，從而計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)溫度的變化情況。

圖4 光纖光柵智能解調(diào)儀

3.3 服務(wù)器部分

依托于技術(shù)網(wǎng)大型專業(yè)服務(wù)器，提供系統(tǒng)所有相關(guān)的服務(wù)平臺(tái)，SQLServer2008運(yùn)行在其平臺(tái)上，為“發(fā)射機(jī)光柵光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”整合所有的數(shù)據(jù)，其中包括各監(jiān)測(cè)點(diǎn)名稱，歷史表值，實(shí)時(shí)表值，報(bào)警表值，表值時(shí)間等，并預(yù)留接口便于日后拓展使用。

3.4 客戶端部分

“發(fā)射機(jī)光柵光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”基于JAVA平臺(tái)，采用Swing語(yǔ)言開(kāi)發(fā)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與服務(wù)器端實(shí)時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)交互具有實(shí)時(shí)顯示發(fā)射機(jī)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度值，將以上參數(shù)進(jìn)行綜合分析，判斷發(fā)射機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。報(bào)警設(shè)置、報(bào)警記錄、歷史記錄分析等功能。

4.數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)可以選擇不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，查看它的實(shí)時(shí)曲線，歷史溫度、報(bào)警溫度等信息。每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)采集程序都會(huì)，頻繁的收集它的實(shí)時(shí)溫度。每組數(shù)據(jù)一個(gè)484字節(jié)，采用16進(jìn)制的形式解析，每5秒往數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)寫一組，客戶端則每500ms采集一次數(shù)據(jù)，保障實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器上，處理后入庫(kù)。后臺(tái)系統(tǒng)維護(hù)功能主要給管理員提供系統(tǒng)日常維護(hù)功能，包括系統(tǒng)初始化，日志查看，備份等功能。此外，系統(tǒng)還輔助提供報(bào)表打印的功能。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢流程

4.1 實(shí)時(shí)界面顯示

實(shí)時(shí)界面顯示模塊完成了對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面顯示，如圖6所示，監(jiān)測(cè)界面采用柱狀圖形式將實(shí)時(shí)采集到的溫度進(jìn)行呈現(xiàn)，也可通過(guò)選擇界面中的選項(xiàng)卡進(jìn)入到發(fā)射機(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)面，不僅可以完整清晰發(fā)射機(jī)供電系統(tǒng)接線端子實(shí)時(shí)溫度，并且還可以查看電容所在射頻通路上的位置及實(shí)時(shí)溫度。

4.2 歷史數(shù)據(jù)查詢

在查詢工具欄中可以選擇設(shè)定時(shí)間段，進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢；歷史數(shù)據(jù)查詢模塊既可以曲線的形式表示也可以報(bào)表的形式進(jìn)行查詢。在歷史數(shù)據(jù)查詢中，可以選擇需要監(jiān)測(cè)點(diǎn)，按照分、時(shí)、日、月、年和自定義進(jìn)行查詢。歷史曲線如圖7所示，在曲線圖的縱坐標(biāo)（溫度值）、橫坐標(biāo)（時(shí)間）的值，曲線呈現(xiàn)出在此段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化范圍。

圖6 實(shí)時(shí)界面顯示

圖7 歷史數(shù)據(jù)查詢

4.3 報(bào)警界面顯示

報(bào)警貫穿于整個(gè)系統(tǒng)中，從服務(wù)器到客戶端，都需要第一時(shí)間顯示報(bào)警信息。聲光報(bào)警是客戶端采用的形式。其中，光報(bào)警表現(xiàn)在不同顏色代表測(cè)點(diǎn)了作狀態(tài)的不同，綠色表示正常，紅色則表示一級(jí)報(bào)警指示，黃色則表示二級(jí)報(bào)警指示。如圖8所示，當(dāng)溫度超過(guò)二級(jí)報(bào)警溫度綠燈會(huì)變成黃色同時(shí)有聲音提示，當(dāng)溫度超過(guò)一級(jí)溫度燈會(huì)變成紅色同時(shí)有聲音提示。

圖8 報(bào)警界面顯示

圖9 報(bào)警數(shù)據(jù)查詢

4.4 報(bào)警數(shù)據(jù)查詢

報(bào)警數(shù)據(jù)查詢模塊可以滿足用戶對(duì)測(cè)點(diǎn)報(bào)警數(shù)據(jù)查詢的需要，在此，以表格的形式直觀顯示特定通道下、特定分區(qū)的越限溫度值?？梢詫?duì)需要查詢的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行查詢，選擇好通道和分區(qū)后，可以選擇要查詢的時(shí)間段，進(jìn)行查詢。如圖9所示，如：起始時(shí)間2017-8-1，結(jié)束日期為2017-11-20，報(bào)表中就會(huì)顯示出這110天里監(jiān)測(cè)點(diǎn)越限溫度值。

5.系統(tǒng)實(shí)際使用效果

通過(guò)分析近幾年調(diào)試與試運(yùn)行過(guò)程中損壞的電容發(fā)現(xiàn)，真空電容擊穿一般經(jīng)歷以下幾個(gè)過(guò)程：真空電容表明溫度急劇上升→發(fā)射機(jī)末級(jí)失諧→輸出功率不足、損耗升高→發(fā)射機(jī)頻繁打火、掉高壓→真空電容被擊穿→無(wú)法使用。

系統(tǒng)在發(fā)射機(jī)調(diào)試階段發(fā)揮了巨大的作用，及時(shí)準(zhǔn)確對(duì)真空電容溫度的進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使得調(diào)試與維護(hù)人員第一時(shí)間對(duì)發(fā)射機(jī)末級(jí)進(jìn)行調(diào)整，避免10余次真空電容擊穿，減少經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)幾十萬(wàn)。

6.系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

廣播短波發(fā)射機(jī)的光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

6.1 能夠在廣播短波發(fā)射機(jī)強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境下正常的工作，靈敏度高，測(cè)量精度高，適于遠(yuǎn)程監(jiān)控；

6.2 光纖光柵傳感器以光波的方式進(jìn)行測(cè)量和傳輸，有效地克服零偏值漂移、電磁干擾、傳輸損耗等問(wèn)題，保證了整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的精度和重復(fù)性；

6.3 系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)射機(jī)內(nèi)部大電流、高電壓、易發(fā)熱器件的溫度，并且服務(wù)器通過(guò)將獲得的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)與各個(gè)元器件預(yù)先設(shè)定的溫度閾值進(jìn)行比較，判斷其是否存在異常，并通過(guò)報(bào)警裝置告知用戶，從而減小廣播短波發(fā)射機(jī)的安全隱患；

6.4 在未來(lái)大數(shù)據(jù)中，提供發(fā)射機(jī)重點(diǎn)部位及元件的溫度數(shù)據(jù)。

7.結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)結(jié)合發(fā)射機(jī)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了針對(duì)大功率發(fā)射機(jī)的光纖測(cè)溫系統(tǒng)，解決發(fā)射機(jī)及其附屬供電運(yùn)行設(shè)備的實(shí)時(shí)、多點(diǎn)、在線監(jiān)測(cè)，為設(shè)備安全運(yùn)行提供了預(yù)警信息。

[1]申昊文,朱萍玉,施維,許沛勝,光纖光柵與電阻應(yīng)變片磁場(chǎng)環(huán)境下應(yīng)變測(cè)量的試驗(yàn)研究[J].自動(dòng)化與信息工程,2014(4):11.

[2]孟凡勇,李志剛,郭轉(zhuǎn)運(yùn),周大川,光纖光柵溫度傳感器在開(kāi)關(guān)柜觸頭及母排溫度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].低壓電器,2010(16).