CN104374491B - 一种防爆电机转子温度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种防爆电机转子温度测量装置，用于测量电机转子的温度，电机转子内为电机转子轴，包括若干个中心频率不同的光纤光栅温度传感器、电机内部传输光纤、开设在电机转子轴内的光纤通道、光纤旋转连接器、电机外部传输光纤、光纤光栅温度测量系统，本发明提出防爆电机转子温度测量装置及方法，采用光谱测量，防爆电机内部全部为光信号，从原理上避免了防爆电机内部强电磁干扰的影响，测量精度高。

Description

一种防爆电机转子温度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及防爆电机，属于防爆电机测试技术领域，可广泛应用于防爆电机转子温度测量、防爆电机温度场测试、防爆电机温度监控及故障诊断。

背景技术

防爆电机工作时内部温度会升高，使其绝缘材料加速老化、效率降低，严重的可引起电机故障。温度是防爆电机的重要参数之一，在防爆电机的设计、研究、测试和运行等多个环节都需要测量其温度。防爆电机温度测量对优化设计、提高性能具有十分重要的意义。防爆电机转子温度测量是其温度测量的难点。

目前国内研究机构对电机转子温度测量提出了一些方法，主要有：哈尔滨电机厂有限责任公司的苟智德等人用测量转子电阻的方式计算转子的温度；上海交通大学电力学院的张镇翰采用Pt100热敏电阻通过R-F变换，将信号通过导电滑环传输，实现转子温度测量；中广核工程有限公司的任鹏辉通过在励磁机定子的磁极之间装设探测线圈，在励磁机转子轴上安装测量滑环。测量转子电压、电流得到转子温度；海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室的易新强等人用Pt100电阻作为温度传感器，在转子的轴上安装温度采集装置，通过无线方式将温度数据发送至附近的接收装置，再通过USB 接口将数据发送至上位机，实现电机转子温度的测量。

上述这些方法无论是直接测量还是间接测量都是采用的电测法，受电机内部强电磁环境的干扰，测量精度不高。

福建水口发电集团有限公司的吴艺辉等人将高速、高精度的红外测温传感器安装在发电机定子上，实现对发电机转子每个磁极的温度测量。但是红外探头的尺寸较大无法应用于中小型电机。另外红外温度探测器的工作温度范围大都小于60℃，无法长期工作于具有较高温度的电机内部。

焦作大学的岳优兰根据砷化镓半导体的光吸收特性, 设计了一种新型的发电机转子温度测量系统，将砷化镓半导体片贴在发电机转子表面，光源通过照射光纤照射砷化镓半导体片，反射的光经过测量光纤引入到测量系统，通过检测边带波长的变化可以测量温度。照射光纤与测量光纤都安装在发电机定子上。半导体吸收式光纤测温虽然不受电磁干扰的影响，但是受与光纤的耦合条件，发光管、接收管的温度特性，半导体材料制备工艺等诸多因素的影响，其测量精度并不高，无法满足电机转子温度测试需求。此外，在实际使用时由于砷化镓片外包有保护性材料，其响应速度慢，不适合在工作状态下的电机转子温度测量。

由于防爆电机具有强电磁干扰、气隙小、空间狭小、转子转动等多种特性，并且需要内外电信号隔离，传统的热敏电阻测温、红外测温等多种方法均无法满足其测量需求，防爆电机内部温度测量特别是防爆电机转子温度测量一直是防爆电机研究领域面临的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防爆电机转子温度测量装置及方法，测量装置用于实现对防爆电机转子温度的测量，测量方法用于解决防爆电机转子温度的高精度测量难题。

本发明的技术方案是：

一种防爆电机转子温度测量装置，用于测量电机转子的温度，电机转子内为电机转子轴，包括若干个中心频率不同的光纤光栅温度传感器、电机内部传输光纤、开设在电机转子轴内的光纤通道、光纤旋转连接器、电机外部传输光纤、光纤光栅温度测量系统，光纤光栅温度测量系统包括光纤光栅解调仪和计算机，光纤光栅温度传感器安装在防爆电机转子上，光纤光栅温度传感器通过光纤连接在一起并连接到防爆电机内部传输光纤的输入端，防爆电机内部传输光纤的输出端经过电机转子轴上的径向小孔和轴向小孔引入到光纤旋转连接器的转子端，光纤旋转连接器的定子端通过防爆电机外部传输光纤与基于波分复用方法的光纤光栅温度测量系统相连接；光纤光栅温度传感器之间采用采用串联、并联或串并联混合中的任意一种连接方式。

光纤光栅温度传感器包括外层的光纤包层，光纤包层内为光纤纤芯和光纤光栅，所述光纤光栅位于中间，光纤光栅的两端均为光纤纤芯。

光纤旋转连接器与防爆电机转子轴同轴安装。

光纤通道包括径向小孔和轴向小孔。

采用所述的防爆电机转子温度测量装置的测量方法，在电机转子上依次设置第一个光纤光栅温度传感器、第二个光纤光栅温度传感器、…、第n个光纤光栅温度传感器，光纤光栅温度测量系统内部宽带光源发出的光经防爆电机外部传输光纤、光纤旋转连接器与防爆电机内部传输光纤到达第n个光纤光栅温度传感器、第二个光纤光栅温度传感器、…、第一个光纤光栅温度传感器，第一个光纤光栅温度传感器、第二个光纤光栅温度传感器、…、第n个光纤光栅温度传感器可以根据安装需要采用串联、并联或串并联混合中的任一种连接方式；每一个光纤光栅温度传感器反射的含有温度信息的光信号按原路返回到光纤光栅温度测量系统，该系统经过对光谱的测量分析，可以得到每一个光纤光栅温度传感器所在位置的温度；光纤光栅解调仪采用光纤光栅传感分析仪，在计算机上安装与该光纤光栅传感分析仪配套的温度测量软件；光纤光栅传感分析仪中的宽带光源发出的光，经过外部传输光纤、光纤旋转连接器和内部传输光纤，到达各个光纤光栅温度传感器；宽带光入射到光纤光栅温度传感器，与传感器中心频率相同的光被光栅反射，与传感器中心频率不同的光直接穿过光栅，透射而出，透射光经过连接光纤到达其它的光纤光栅传感器，光纤光栅的中心频率对温度敏感，即温度变化能够引起光纤光栅中心频率的变化，反射光波长变化量Δ是温度的函数：Δ=f(t)，其中t为时间，通过光纤光栅传感分析仪测量光纤光栅反射光的频谱，计算机测量软件将频谱变化量转换为温度，得到光纤光栅传感器所处位置的温度；因为选用的各个光纤光栅传感器的中心频率不同，所以各个光纤光栅传感器相互之间光谱测量互不影响，光纤光栅传感分析仪采用波分复用的方法，分别测量各个光纤光栅传感器的频谱变化，结合计算机测量软件，分别测量防爆电机转子上各个点的温度，实现防爆电机转子工作状态的多点温度测量。

光纤光栅解调仪采用8通道光纤光栅传感分析仪。

本发明具有以下特点及良好效果：

1．本发明提出防爆电机转子温度测量装置及方法，采用光谱测量，防爆电机内部全部为光信号，从原理上避免了防爆电机内部强电磁干扰的影响，测量精度高。

2．本发明所提的光纤光栅温度传感器及传输光纤的直径非常小，适装性非常好。

3．本发明所提测量方法可以实现防爆电机转子多点温度测量。

4. 本发明所提测量方法采用光纤传输光信号，实现了电机内外的电气隔离，不损害防爆电机的防爆性能。

附图说明

图1是本发明防爆电机转子温度测量原理图；

图2是本发明实施例示某型电机转子多点温度测量原理图；

图3是光纤光栅传感器示意图；

图4是光纤光栅传感器的光谱图，4-a为入射光的光谱，4-b为反射光的光谱，4-c为温度变化引起的光谱变化量，4-d为透射光的光谱；

其中：1-第一个光纤光栅温度传感器、2-第二个光纤光栅温度传感器、3-第n个光纤光栅温度传感器、4-电机内部传输光纤、5-径向小孔、6-轴向小孔、7-光纤旋转连接器、8-电机外部传输光纤、9-光纤光栅温度测量系统、10-光纤光栅解调仪、11-计算机、12-电机后端轴承、13-电机定子、14-电机前端轴承、15-光纤包层、16-光纤纤芯、17-光纤光栅，18-电机转子，19-电机转子轴。

具体实施方式

本发明提出一种基于波分复用原理的光纤光栅防爆电机转子温度测量方法。如图1、2所示，电机包括电机转子轴，电机转子轴的前端和后端与电机壳连接处分别设有电机前端轴承14和电机后端轴承12，电机的中间位置设有电机定子13和位于电机定子13中间的电机转子。

防爆电机转子温度测量方法采用的测量装置包括：若干个光纤光栅温度传感器、电机内部传输光纤4、开设在电机转子轴内的径向小孔5和轴向小孔6、连接在电机转子轴端部的光纤旋转连接器7、电机外部传输光纤8、光纤光栅温度测量系统9、光纤光栅解调仪10和计算机11。

第一个光纤光栅温度传感器1、第二个光纤光栅温度传感器2、…、第n个光纤光栅温度传感器3安装在防爆电机转子上，通过连接光纤连接在一起并连接到防爆电机内部传输光纤的输入端，防爆电机内部传输光纤的输出端经过电机转子轴上的径向小孔5和轴向小孔6引入到光纤旋转连接器7的转子端，光纤旋转连接器7的定子端通过防爆电机外部传输光纤8与光纤光栅温度测量系统相连接；

光纤光栅温度测量系统内部宽带光源发出的光经防爆电机外部传输光纤、光纤旋转连接器与防爆电机内部传输光纤到达第n个光纤光栅温度传感器、第二个光纤光栅温度传感器、…、第一个光纤光栅温度传感器，第一个光纤光栅温度传感器、第二个光纤光栅温度传感器、…、第n个光纤光栅温度传感器可以根据安装需要采用串联、并联或串并联混合等连接方式。

每一个光纤光栅温度传感器反射的含有温度信息的光信号按原路返回到光纤光栅温度测量系统，该系统经过对光谱的测量分析，可以得到每一个光纤光栅温度传感器所在位置的温度。

光纤旋转连接器7与防爆电机转子轴同轴安装。

光纤光栅温度传感器数量n是灵活的，可以根据测量需要确定。

本发明实施例如图2所示，光纤光栅温度传感器选用深圳太辰光通信股份有限公司的SEN-T-11，该传感器的直径为1.5mm，根据测试需要选取了10个中心频率不同的传感器，并通过光纤熔接机将这些传感器串联在一起。光纤旋转连接器深圳市森瑞普电子有限公司的SNFO-1A。解调仪选用太辰光的TS-WI-80 8通道光纤光栅传感分析仪，在计算机上安装与其配套的温度测量软件。

测量之前，将10个SEN-T-11型光纤光栅温度传感器安装到被测电机转子表面的预定位置，并通过电机内部的传输光纤与SNFO-1A型光纤旋转连接器的转子端接口相连。光纤旋转连接器的定子端通过外部传输光纤与TS-WI-80型光纤光栅传感分析仪相连。TS-WI-80通过USB接口与计算机连接。

如图3所示，光纤光栅温度传感器的结构为外层为光纤包层15、内部为光纤纤芯16，光纤纤芯16中间为光纤光栅17（简称光栅）。

测量时，S-WI-80型光纤光栅传感分析仪中的宽带光源发出的光，经过外部传输光纤、光纤旋转连接器和内部传输光纤，到达10个光纤光栅温度传感器。光谱如图4-a所示的宽带光入射到光纤光栅温度传感器，与传感器中心频率相同的光被光栅17反射，反射光光谱如图4-b所示；与传感器中心频率不同的光直接穿过光栅17，透射而出，透射光谱如图4-d所示；透射光经过光纤光栅传感器之间的连接光纤到达其它的光纤光栅传感器。光纤光栅17的中心频率对温度敏感，即温度变化能够引起光纤光栅中心频率的变化，如图4-c所示，反射光波长变化量Δ是温度的函数：

Δ=f(t)

通过S-WI-80型光纤光栅传感分析仪测量光纤光栅反射光的频谱，计算机测量软件将频谱变化量转换为温度，就可以得到光纤光栅传感器所处位置的温度。在本实施例中，因为选用10个光纤光栅传感器的中心频率不同，所以相互之间光谱测量互不影响，S-WI-80型光纤光栅传感分析仪采用波分复用的方法，分别测量10个传感器的频谱变化，结合计算机测量软件，就可以分别测量防爆电机转子上10个点的温度，实现防爆电机转子工作状态的多点温度测量。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种防爆电机转子温度测量装置，用于测量电机转子的温度，电机转子内为电机转子轴，其特征在于：包括若干个中心频率不同的光纤光栅温度传感器、电机内部传输光纤、开设在电机转子轴内的光纤通道、光纤旋转连接器、电机外部传输光纤、光纤光栅温度测量系统，光纤光栅温度测量系统包括光纤光栅解调仪和计算机，光纤光栅温度传感器安装在防爆电机转子上，光纤光栅温度传感器通过光纤连接在一起并连接到防爆电机内部传输光纤的输入端，防爆电机内部传输光纤的输出端经过电机转子轴上的径向小孔和轴向小孔引入到光纤旋转连接器的转子端，光纤旋转连接器的定子端通过防爆电机外部传输光纤与基于波分复用方法的光纤光栅温度测量系统相连接；光纤光栅温度传感器之间采用采用串联、并联或串并联混合中的任意一种连接方式。

2.根据权利要求1所述的防爆电机转子温度测量装置，其特征在于：光纤光栅温度传感器包括外层的光纤包层，光纤包层内为光纤纤芯和光纤光栅，所述光纤光栅位于中间，光纤光栅的两端均为光纤纤芯。

3.根据权利要求1或2所述的防爆电机转子温度测量装置，其特征在于：光纤旋转连接器与防爆电机转子轴同轴安装。

4.根据权利要求1或2所述的防爆电机转子温度测量装置，其特征在于：光纤通道包括径向小孔和轴向小孔。

5.采用如权利要求1所述的防爆电机转子温度测量装置的测量方法，其特征在于：在电机转子上依次设置第一个光纤光栅温度传感器、第二个光纤光栅温度传感器、…、第n个光纤光栅温度传感器，光纤光栅温度测量系统内部宽带光源发出的光经防爆电机外部传输光纤、光纤旋转连接器与防爆电机内部传输光纤到达第一个光纤光栅温度传感器、第二个光纤光栅温度传感器、…、第n个光纤光栅温度传感器，第一个光纤光栅温度传感器、第二个光纤光栅温度传感器、…、第n个光纤光栅温度传感器可以根据安装需要采用串联、并联或串并联混合中的任一种连接方式；每一个光纤光栅温度传感器反射的含有温度信息的光信号按原路返回到光纤光栅温度测量系统，该系统经过对光谱的测量分析，得到每一个光纤光栅温度传感器所在位置的温度；光纤光栅解调仪采用光纤光栅传感分析仪，在计算机上安装与该光纤光栅传感分析仪配套的温度测量软件；光纤光栅传感分析仪中的宽带光源发出的光，经过外部传输光纤、光纤旋转连接器和内部传输光纤，到达各个光纤光栅温度传感器；宽带光入射到光纤光栅温度传感器，与传感器中心频率相同的光被光栅反射，与传感器中心频率不同的光直接穿过光栅，透射而出，透射光经过连接光纤到达其它的光纤光栅传感器，光纤光栅的中心频率对温度敏感，即温度变化能够引起光纤光栅中心频率的变化，反射光波长变化量Δ是温度的函数：Δ=f(t)，其中t为时间，通过光纤光栅传感分析仪测量光纤光栅反射光的频谱，计算机测量软件将频谱变化量转换为温度，得到光纤光栅传感器所处位置的温度；因为选用的各个光纤光栅传感器的中心频率不同，所以各个光纤光栅传感器相互之间光谱测量互不影响，光纤光栅传感分析仪采用波分复用的方法，分别测量各个光纤光栅传感器的频谱变化，结合计算机测量软件，分别测量防爆电机转子上各个点的温度，实现防爆电机转子工作状态的多点温度测量。

6.根据权利要求5所述的防爆电机转子温度测量装置的测量方法，其特征在于：光纤光栅解调仪采用8通道光纤光栅传感分析仪。