CN106153215A - 一种电力设施中的温度检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力设施中的温度检测系统，包括控制器、半导体激光器、定向耦合器、分布式光纤温度传感器、光电检测器及A/D转换器，控制器控制半导体激光器工作发出脉冲光功率，定向耦合器将脉冲光功率耦合到分布式光纤温度传感器并接收分布式光纤温度传感器引发的后向散射光，分布式光纤温度传感器设置于待测温度场中，光电检测器接收后向散射光并对其进行光电信号转换，A/D转换器接收、转换来自光电检测器的信号，并将转换后的信号传送至控制器进行处理。本发明采用分布式光纤温度传感器，对沿光纤传输路径的空间分布和随时间变化的信息进行测量和监控，可以实现长距离、大范围、高密度的监测。

Description

一种电力设施中的温度检测系统
技术领域
本发明涉及温度检测系统，具体涉及一种应用在高压输电、配电电缆、动力电缆及高压变电柜等电力设施中的温度检测系统。
背景技术
在高压输电、配电电缆、动力电缆(尤其是连接处)及高压变电柜等电力设施中设置温度检测系统是必须的，通过检测温度可以及时了解供电设备的运行状态，对可能出现的故障及时处理，保证供电设备的安全工作。
传统的温度传感器诸如热电偶、铂电阻、铜电阻等由于具有结构简单、成本低廉等优点而被广泛采用，但是在易燃易爆或者电磁干扰强烈的恶劣环境中，这类温度传感器就无法正常工作。此外，这类温度传感器单点式测量的方法不能适应分布式测量的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种电力设施中的温度检测系统，采用分布式光纤温度传感器，对沿光纤传输路径的空间分布和随时间变化的信息进行测量和监控，可以实现长距离、大范围、高密度的监测。
为解决以上技术问题，本发明采取如下技术方案：
一种电力设施中的温度检测系统，包括控制器、半导体激光器、定向耦合器、分布式光纤温度传感器、光电检测器及A/D转换器，控制器控制半导体激光器工作发出脉冲光功率，定向耦合器将脉冲光功率耦合到分布式光纤温度传感器并接收分布式光纤温度传感器引发的后向散射光，分布式光纤温度传感器设置于待测温度场中，光电检测器接收来自定向耦合器的后向散射光并对其进行光电信号转换，A/D转换器接收、转换来自光电检测器的信号，并将转换后的信号传送至控制器进行处理。
优选地，光电检测器与定向耦合器之间设置分光装置。
进一步优选地，分光装置包括反斯托克斯滤光片及斯托克斯滤光片。
优选地，A/D转换器与光电检测器之间还依次设有前置放大器和主放大器。
优选地，半导体激光器采用GaAlAs半导体激光器。
优选地，定向耦合器采用Y型耦合器。
优选地，分布式光纤温度传感器包括光纤，光纤采用标准梯度多模通信光纤，光纤芯包比为62.5/125µm，数值孔径0.27，单向平均传输损耗为3.1dB/km。
优选地，光电检测器采用雪崩光电二极管。
由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明温度检测系统采用分布式光纤温度传感器，利用光纤作为温度信息的传感和传输介质，将光纤沿温度场（高压输电、配电电缆，动力电缆）敷设，测量光在光纤中传输时所产生的散射光，根据散射光所携带的温度信息，同时采用光时域反射(OTDR)技术，对沿光纤传输路径的空间分布和随时间变化的信息进行测量和监控，光纤集光传输和光传感于一体，这种传感器能获得光纤上任一点随时间及空间变化的温度信息，且探测距离长，而获得单位信息的成本可大大降低；
2、本发明分布式光纤温度传感技术具有抗电磁干扰能力强、电绝缘性优良、耐腐蚀性好、工作频带宽、响应速度快、灵敏度高、动态范围大等特性；
3、在本发明分布式光纤测温系统中，光纤既是传输通道又是传感介质，外界温度场以一定的空间分布方式对光纤中传输的光波进行调制，通过检测调制信号可以获得沿光纤长度方向被测量的连续分布值，从而获得外界温度场的空间分布，可以实时测量空间温度场的分布。
附图说明
图1为本发明的结构框架示意图；
图2为本发明系统中Y 型耦合器的结构示意图；
图3为本发明系统中前置放大器的电路图；
图4为本发明系统中主放大器的电路图；
图5为本发明系统中脉冲驱动电源的电路图；
其中：1、控制器；2、脉冲驱动电源；3、半导体激光器；4、定向耦合器；5、分布式光纤温度传感器；6、分光装置；7、光电检测器；8、A/D转换器。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如附图1所示，本发明一种电力设施中的温度检测系统，包括控制器、半导体激光器、定向耦合器、分布式光纤温度传感器、光电检测器及A/D转换器，控制器控制半导体激光器工作发出脉冲光功率，定向耦合器将脉冲光功率耦合到分布式光纤温度传感器并接收分布式光纤温度传感器引发的后向散射光，分布式光纤温度传感器设置于待测温度场中，光电检测器接收来自定向耦合器的后向散射光并对其进行光电信号转换，A/D转换器接收、转换来自光电检测器的信号，并将转换后的信号传送至控制器进行处理。
在本实施例中，半导体激光器采用GaAlAs半导体激光器，主要参数如下：
(1)中心波长：905 nm；
(2)重复频率(Prf)：5 kHz；
(3)峰值电流(Ip)：4 A；
(4)峰值功率(Po)：10 W；
(5)激光器和光纤的耦合效率：65%；
对于同一传感光纤而言，系统的中心波长越长，相应拉曼散射信号与激发信号之间的距离也越大，对提高系统的实际温度灵敏度越有利，测量光纤最远端对应的测量点最佳中心波长就是系统的最佳中心波长。
在本实施例中，光电检测器采用雪崩光电二极管，雪崩光电二极管的主要参数：
(1)工作电压：236.8 V；
(2)极限电压：247.2 V；
(3)暗电流：19.2 nA；
(4)响应度：65 A/W (900 nm)；
(5)噪声：0.12 pA/Hz。
在本实施例中，定向耦合器采用Y型耦合器，结构如附图2所示，其中，1-2端与2-3端的损耗越小越好，1-3端与2-1端的隔离度越大越好。
在本实施例中，分布式光纤温度传感器包括光纤，光纤采用标准梯度多模通信光纤，光纤芯包比为62.5/125µm，数值孔径0.27，单向平均传输损耗为3.1dB/km。
在本实施例中，A/D转换器考虑性能和价格比采用ICL7135集成电路。ICL7135为全MOS工艺4位半双积分式A/D转换器，可在单极性参考电压供给下对双极性输入的模拟电压进行A/D转换，并输出自动极性判别信号。它采用了自校零技术，可保证零点在常温下的长期稳定性，零点的温度系数＜2µV/℃，模拟输入可以是差动信号，输入阻抗极高，输入端零点漏电流＜10pA。
在本实施例中，光电检测器与定向耦合器之间设置分光装置，反斯托克斯滤光片及斯托克斯滤光片，反斯托克斯滤光片的中心波长：826 nm，FWHM：16 nm，斯托克斯滤光片的中心波长891 nm，FWHM：16 nm。
转换电路，所需电压幅值一般为2 V，因为光电检测器实行光电信号转换的信号较弱，要经过前置放大后，还需应用放大电路，经主放大后，送高速A/D 转换器接收转换，所以，A/D转换器与光电检测器之间还依次设有前置放大器和主放大器，其中前置放大器的放大电路如附图3所示，主放大器选择MAX4107做前放级及放大主体，MAX4107主要的性能特点是高速低噪音，尤其在闭环增益中性能表现稳定，频带宽度也能满足所需，放大电路如附图4所示。MAX4107 的主要技术指标为：
(1)只需要15 mA 就能分别得到350 MHz或300 MHz的带宽；
(2)等效输入电压噪声0. 75 nV Hz；
(3)高增益输出能够达到±3.2 V；
(4)电压摇摆率500 V/ µ s。
该主放大器的放大倍数为A=l＋R3/R2，其中R3为反馈电阻，为了后续电路的正常工作，设计时需要设定合理的R3和R2值，以便得到所需幅值的输出电压，即有Uo=AUi=(1+R3/R2) Ui。
在本实施例中，脉冲驱动电路由DDS直接合成数字芯片AD9859组成，驱动信号发生器采用analog公司2004年推出的一款最高输出频率可达200MHz 的AD9859，它是采用先进的直接数字频率合成（简称DDS，即Direct DigitalFrequency Synthesize）开发的高集成度器件，其电路图如附图5所示。
本发明温度检测系统的作用过程如下：由控制器发出周期脉冲电信号，启动半导体激光器（LD）的脉冲驱动电源工作，驱动半导体激光器LD工作，LD发出的脉冲光功率，经过定向耦合器耦合到传感光纤中，传感光纤则置身于待测温度场中，在传感光纤中传播的光脉冲，其传播过程中各点位置上引发的散射光(拉曼散射光中的斯托克斯和反斯托克斯)中的后向散射部分再次经过光纤传输通道进入定向耦合器耦合到接收通道，通过光学滤波后，滤掉能量相对较强的瑞利后向散射光，分离出载有温度信息的反斯托克斯光和参考用的斯托克斯光，分别被光电检测器实行光电信号转换，再经过前置放大器和主放大器放大后，被A/D转换器接收转换，转换由控制器发出脉冲启动LD驱动源后，同时启动数字信号处理（数字多点信号平均器，存贮，周期信号的线性累加）部分，然后控制器再次发送出脉冲，重复上述过程M次后，即实现了数字平均，抑制了噪声，提高了信噪比，通过温度对信号的对应关系，配合显示，完成了对待测温度场的分布式温度测量，并打印及显示在计算机屏幕上或报警。
本发明采用分布式光纤温度传感器，对沿光纤传输路径的空间分布和随时间变化的信息进行测量和监控，可以实现长距离、大范围、高密度的监测。
以上对本发明做了详尽的描述，但本发明不限于上述的实施例。凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种电力设施中的温度检测系统，其特征在于：包括控制器、半导体激光器、定向耦合器、分布式光纤温度传感器、光电检测器及A/D转换器，所述控制器控制所述半导体激光器工作发出脉冲光功率，所述定向耦合器将所述脉冲光功率耦合到所述分布式光纤温度传感器并接收所述分布式光纤温度传感器引发的后向散射光，所述分布式光纤温度传感器设置于待测温度场中，所述光电检测器接收来自所述定向耦合器的后向散射光并对其进行光电信号转换，所述A/D转换器接收、转换来自所述光电检测器的信号，并将转换后的信号传送至所述控制器进行处理。
2.根据权利要求1所述的电力设施中的温度检测系统，其特征在于：所述光电检测器与所述定向耦合器之间设置分光装置。
3.根据权利要求2所述的电力设施中的温度检测系统，其特征在于：所述分光装置包括反斯托克斯滤光片及斯托克斯滤光片。
4.根据权利要求1所述的电力设施中的温度检测系统，其特征在于：所述A/D转换器与所述光电检测器之间还依次设有前置放大器和主放大器。
5.根据权利要求1所述的电力设施中的温度检测系统，其特征在于：所述半导体激光器采用GaAlAs半导体激光器。
6.根据权利要求1所述的电力设施中的温度检测系统，其特征在于：所述定向耦合器采用Y型耦合器。
7.根据权利要求1所述的电力设施中的温度检测系统，其特征在于：所述分布式光纤温度传感器包括光纤，所述光纤采用标准梯度多模通信光纤，光纤芯包比为62.5/125µm，数值孔径0.27，单向平均传输损耗为3.1dB/km。
8.根据权利要求1所述的电力设施中的温度检测系统，其特征在于：所述光电检测器采用雪崩光电二极管。
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