CN107131971A - 新型轨道交通变压器用荧光式光纤温控器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型轨道交通变压器用荧光式光纤温控器。包括温度采集单元、多路温度总成模块、中央处理单元、液晶人机界面单元、开关电源；温度采集单元的光纤温度传感器采用基于稀土材料的荧光材料作为传感器探头，并通过多模光纤将传感器探头受激励后产生的荧光信号传输给光电转换模块转换为电流信号，而后传输给所述多路温度总成模块，进而传输给中央处理单元，中央处理单元将该温度总成信号处理后输出及显示；多路温度总成模块、中央处理单元、液晶人机界面单元、光电转换模块、开关电源与光纤温度传感器、接触器输出系统通过电气隔离。本发明真正意义上实现温控器外部输入输出电气信号全隔离；较之于以往的温控器，在性能上有很大提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型轨道交通变压器用荧光式光纤温控器，应用于特种变压器－轨道交通变压器的温度测量和控制，还可扩展实现对变电所开关柜母带、触头、电缆头等热点温度的测量。
背景技术
现有的一些温控器设计方案存在或多或少的缺陷，具体如下：
如河北工程大学王冬生等于2007年提出的“基于稀土荧光材料的光纤温度传感器”。采用稀土荧光材料，设计了一套荧光光纤测温系统。系统选取经济实用的发光二极管作为光源，以稀土材料Y2O2S:Eu+Fe2O3作为敏感材料，通过一套荧光信号检测装置，对荧光寿命进行测量。利用产生的荧光的周期与激励光相同，但在相位上滞后于激励光这一特性，对微弱荧光信号进行检测，有效抑制系统噪声，提高了系统的信噪比。通过实验对几种敏感材料进行光谱测试，Y2O2S:Eu+Fe2O3与光源相匹配，且对器件的要求较低，微弱信号检测装置利用光电放大器、带通滤波器、异或电路等有效消除噪声，提高了系统信噪比。
上述“基于稀土荧光材料的光纤温度传感器”是以以稀土材料Y2O2S:Eu+Fe2O3作为敏感材料，其测温原理为检测激励光与荧光的相位差，然后得到与温度的关系；其存在：衰减过程波动大，无法精确测量温度的缺点。
重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室唐炬等于2011提出“用于检测变压器局部放电的荧光光纤传感系统研制”。基于局部放电产生光效应的物理现象和荧光光纤具有传感一定波长微光信号的特性,研制出一种检测局部放电信号的荧光光纤传感系统。
然而上述荧光光纤传感系统是用来判断变压器内部是否有局部放电。有局部放电时，会产生火花，激发荧光式光纤产生荧光。荧光通过普通光纤传导到后台的二次表监测是否存在荧光，即是否有局部放电。且其通过荧光光纤作为传感器，它可以感受到外部光的激发而产生荧光，也只需感受荧光的有无，无需检测荧光强弱、寿命等特性，即其不具备精确温度测量等能力；其存在：只检测到荧光有无，无法量化光纤的荧光，无法测量温度的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型轨道交通变压器用荧光式光纤温控器，该温控器针对轨道变的负载间歇性、冲击性特点，并按照智能化、人性化、可操作性设计，温控器除了温度测量显示和超温报警或超温跳闸功能外，还具有防护等级高、交直流大容量触点、液晶显示方式、带日历时钟、兼容多种通讯接口等功能；并且真正意义上实现温控器外部输入输出电气信号全隔离。较之于以往的温控器，在性能上有很大提高。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种新型轨道交通变压器用荧光式光纤温控器，包括温度采集单元、多路温度总成模块、中央处理单元、液晶人机界面单元、用于为整个温控器供电的开关电源；所述温度采集单元包括N路光纤温度传感器、N路光电转换模块，所述光纤温度传感器采用基于稀土材料的荧光材料作为传感器探头，并通过多模光纤将传感器探头受激励后产生的荧光信号传输给光电转换模块转换为电流信号，而后传输给所述多路温度总成模块，多路温度总成模块将N路光电转换模块传输的N路电流信号集成为一个温度总成信号传输给中央处理单元，中央处理单元将该温度总成信号处理后通过液晶人机界面单元进行显示，同时还输出开关量控制信号至接触器输出系统；所述多路温度总成模块、中央处理单元、液晶人机界面单元、光电转换模块、开关电源与光纤温度传感器、接触器输出系统通过电气隔离。
在本发明一实施例中，所述基于稀土材料的荧光材料为基于铕的稀土荧光材料。
在本发明一实施例中，所述多模光纤为石英光纤。
在本发明一实施例中，所述中央处理单元采用荧光寿命与温度关系的算法来处理温度总成信号，具体如下：
荧光材料在紫外线的照射下，能够发出可见的荧光强度的衰减理论上符合公式
式中：t为时间变量，A为激励停止时荧光峰值强度，τ为荧光寿命；τ是荧光材料的固有特性，且是温度的单一函数，根据τ值变化来测量温度的变化，此即荧光余辉测温法的原理；
在实际的系统中，荧光信号通过光电转换及运放处理后，最终由中央处理单元接收的信号为
式中：Ad为直流分量，来源于各种直流漂移及杂散光；ε为随机噪声引起的噪声信号；
Ad、ε均属于背景干扰，为此需进行背景干扰的消除：首先，经过数据截断归一化处理，去除电路放大倍数的影响；而后，去除随机噪声的影响，系统中的随机噪声主要来源于热噪声和散粒噪声，均服从标准正态分布，数学期望为零，因此被测信号经过K次累加后，其信噪比提高，近似认为消除了随机噪声引起的干扰；经过累加处理后，假设被测信号中的随机噪声被全部去掉，被测信号的表达式如式(3)所示：
对式(3)两端取极限，得
可见，当时间足够长时，荧光信号会衰减为零，此时被测信号中只剩下直流量Ad，测出该量并从系统中扣除，即可达到消除直流干扰的效果。
在本发明一实施例中，所述K取值为40。
在本发明一实施例中，所述多模光纤与传感器探头的接面加工成包括凸面、斜面、尖锥或微球的形状，以增大基于稀土材料的荧光材料与多模光纤的接触面积。
在本发明一实施例中，所述液晶人机界面单元还能够显示日历时钟。
在本发明一实施例中，所述中央处理单元采用RM Cortex-M3内核的工业级STM32MCU作为CPU。
在本发明一实施例中，所述多路温度总成模块包括激励光源、运算放大电路；所述激励光源用于发出周期性的脉冲光，耦合进多模光纤传输至传感器探头激励荧光材料；所述运算放大电路用于将N路光电转换模块传输的N路电流信号进行运放处理后，集成为一个温度总成信号。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明温度控制器前端的温度传感器部分包括稀土荧光材料、传导光纤、光电转换模块以及荧光寿命与温度关系算法等核心技术。后端二次测量仪表采用工业级内核CPU，针对轨道变的负载间歇性、冲击性特点，并按照智能化、人性化、可操作性设计；温控器除了温度测量显示和超温报警或超温跳闸功能外，还具有防护等级高、交直流大容量触点、液晶显示方式、带日历时钟、兼容多种通讯接口等功能；
具体有以下几个技术特征：
1、光纤传感器的稀土荧光材料易得，且荧光寿命长、光强强、波长选择性较强；
2、传感头的光纤加工成凸面、斜面、尖锥或微球等形状，使得荧光材料与光纤纤芯以较大的面积接触，提高荧光光强；
3、光纤传感器专门设计的光路结构和激励电路：荧光光纤传感器的荧光材料层硬性固定结构、荧光光纤传感器的荧光材料层软性固定结构、荧光式光纤传感器的光纤组合结构等，保证光传输的最大效率；
4、光纤传感器极微弱光信号的检测进行自校正；
5、二次温控器真正意义上实现温控器外部输入输出电气信号全隔离。较之于以往的温控器，在性能上有很大提高。
附图说明
图1为荧光性光纤测温原理示意图。
图2为荧光式光纤温度传感器基本原理框图。
图3为本发明轨道变光纤温控器原理框图。
图4为本发明多模光纤与传感器探头的接面加工结构示意图。
图5为本发明石英光纤的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明的一种新型轨道交通变压器用荧光式光纤温控器，包括温度采集单元、多路温度总成模块、中央处理单元、液晶人机界面单元、用于为整个温控器供电的开关电源；所述温度采集单元包括N路光纤温度传感器、N路光电转换模块，所述光纤温度传感器采用基于稀土材料的荧光材料作为传感器探头，并通过多模光纤将传感器探头受激励后产生的荧光信号传输给光电转换模块转换为电流信号，而后传输给所述多路温度总成模块，多路温度总成模块将N路光电转换模块传输的N路电流信号集成为一个温度总成信号传输给中央处理单元，中央处理单元将该温度总成信号处理后通过液晶人机界面单元进行显示，同时还输出开关量控制信号至接触器输出系统；所述多路温度总成模块、中央处理单元、液晶人机界面单元、光电转换模块、开关电源与光纤温度传感器、接触器输出系统通过电气隔离，即多路温度总成模块、中央处理单元、液晶人机界面单元、光电转换模块输出端、开关电源输出端置于电气隔离区内，而光电转换模块输入端(即与多模光纤连接部分)、开关电源输入端(即外部电源输入部分)、光纤温度传感器、接触器输出系统置于电气隔离区外。
所述多路温度总成模块包括激励光源、运算放大电路；所述激励光源用于发出周期性的脉冲光，耦合进多模光纤传输至传感器探头激励荧光材料；所述运算放大电路用于将N路光电转换模块传输的N路电流信号进行运放处理后，集成为一个温度总成信号。
所述基于稀土材料的荧光材料为基于铕的稀土荧光材料。
所述多模光纤为石英光纤，该石英光纤的结构如图5所示，分为石英包层(HCS)(图5中2)的石英光纤和塑料包层(PCS)(图5中2)的石英光纤，HCS的石英光纤的芯层(图5中1)与包层(图5中2)材料都是石英玻璃，只是通过掺杂技术是的芯层(图5中1)的石英玻璃的折射率高于包层(图5中2)的石英玻璃，而PCS石英光纤的芯层(图5中1)是石英玻璃，包层的材料是低折射铝的有机光学材料，如硅橡胶、氟塑料和含氟丙烯酸树脂等，根据不同的用途、环境和使用领域、在光线外部必须增加相应的保护涂层材料，如丙烯酸树脂、尼龙、聚酰亚胺(图5中3)等。
所述中央处理单元采用荧光寿命与温度关系的算法来处理温度总成信号，具体如下：
荧光材料在紫外线的照射下，能够发出可见的荧光强度的衰减理论上符合公式
式中：t为时间变量，A为激励停止时荧光峰值强度，τ为荧光寿命；τ是荧光材料的固有特性，且是温度的单一函数，根据τ值变化来测量温度的变化，此即荧光余辉测温法的原理；
在实际的系统中，荧光信号通过光电转换及运放处理后，最终由中央处理单元接收的信号为
式中：Ad为直流分量，来源于各种直流漂移及杂散光；ε为随机噪声引起的噪声信号；
Ad、ε均属于背景干扰，为此需进行背景干扰的消除：首先，经过数据截断归一化处理，去除电路放大倍数的影响；而后，去除随机噪声的影响，系统中的随机噪声主要来源于热噪声和散粒噪声，均服从标准正态分布，数学期望为零，因此被测信号经过K次累加后，其信噪比提高，近似认为消除了随机噪声引起的干扰；理论上来说K值越大信噪比越高，但同时带来了下位机反应速度变慢的问题，所以要找到一个平衡点，经过一系列的实验，选择40个数据累加效果比较好；经过累加处理后，假设被测信号中的随机噪声被全部去掉，被测信号的表达式如式(3)所示：
对式(3)两端取极限，得
可见，当时间足够长时，荧光信号会衰减为零，此时被测信号中只剩下直流量Ad，测出该量并从系统中扣除，即可达到消除直流干扰的效果。
如图4所示，所述多模光纤与传感器探头的接面加工成包括凸面、斜面(图中A)、尖锥或微球(图中B、C)的形状，以增大基于稀土材料的荧光材料与多模光纤的接触面积。图中，A，B，C与D相比，在端面上，A，B，C的面积均大于D。
所述液晶人机界面单元还能够显示日历时钟。
所述中央处理单元采用RM Cortex-M3内核的工业级STM32MCU作为CPU。
以下为本发明的具体实现原理及过程。
对于轨道交通温控器来说，其具有以下运行环境和要求：
(1)DC750V或DC1500V的供电制式，使变压器的次级绕组最高电压已经超过《变压器用电子温控器》(JB/T7631-2005)规定的1000V使用范围。因此对温度传感器探头及引线有更高的耐压要求。
(2)多脉波不控或相控整流电路实现了牵引电机的DC750V或DC1500V直流供电，但对电网的谐波污染较大，要求温控器的信号输入和电源输入端具有抗这些谐波干扰的能力。
(3)牵引负荷具有动态性和冲击性特点，列车行经时会产生强烈的空间电磁干扰，要求温控器在这些方面具有良好的电磁兼容性。
(4)牵引变往往在地下安装，运行环境恶劣，温控器要满足防潮、防震、防尘等要求。
(5)温控器要满足城市轨道交通智能化要求，与电力监控PSCADA系统实现实时通讯。
此外，对温控器的供电方式、触点容量、人机界面、安装方式等也有特殊要求。
为此，本申请提出了一种新型轨道交通变压器用荧光式光纤温控器，首先，引入荧光式光纤传感器测温机理：
荧光式光纤温度传感器感温材料为基于稀土材料的荧光材料，其工作原理是光致发光(光发射现象的一种)。当荧光材料受紫外光、可见光或红外光的激发时会发出荧光(或磷光)。荧光衰减的寿命与其所处环境的温度直接相关，当激励光消失后，通过检测荧光寿命可以得到感温材料的测量温度。其测温示意图见图1。
根据以上原理制成的荧光式光纤温度传感器基本原理框图如图2所示。由激励、传光、传感头、运算电路和信号分析等5个部分组成。
基本原理是：转换模块内驱动电路的激励光源发出周期性的脉冲光，耦合进光纤后传输到传感头激励荧光材料。荧光材料受激励后发出的荧光由光纤传回，通过滤光片滤光，取出所要波长的荧光信号，进入光电探测器进行光电转换，成为电流信号。电流信号经过运算电路处理后，信号分析电路依据温度和荧光寿命的关系计算出温度值。整个过程由转换模块内的微处理器控制，并将温度值转换成标准信号输出。
根据轨道交通干式变压器温控器的特殊要求，设计出轨道变光纤温控器原理框图如图3所示。本着高抗干扰能力、高可靠性、多功能、智能化等要求，提出“全隔离”设计思路，如图3虚线框内为电气隔离区域。将温控器所有的输入和输出信号，包括电源输入，全部采取隔离措施。保证温控器的核心控制电路全在电气隔离区内，加上温控器外部铁壳和内部模块化结构，使来自电源、输入信号和空间的高次谐波、电磁干扰几乎全部排除在外，具有良好的EMC、EMI性能。
温控器采用模块化结构，各部分在结构布局、功能上各自独立，通过最少连线有机地联系在一起。这样既减少相互干扰、提高可靠性，又简洁美观、方便维护调试。其主要部分如下：
温度采集部分。图3虚线框的左边为温度采集部分，其包括多路光纤温度传感器。考虑到轨道变往往有高低压线圈多绕组测温和铁芯测温等要求，常规输入通道设计成8路(可扩展)，将传感器的输出信号通过光电转换模块，转换成标准的数字信号或模拟信号，提供给多路温度总成模块。
多路温度总成模块以总线的模式，将多路数字或模拟温度信号集成一个温度总成信号，提供给中央处理器。这种总线式的结构，既方便测量通道的扩展，又易兼容各种通讯接口，便于调试和维护。
针对当前轨道交通供电和通讯系统的信息化、智能化要求，中央处理核心单元选用RMCortex-M3内核的工业级STM32MCU作为CPU，具有超强的数据处理功能和主频72MHz的运行速度和良好的电磁兼容性、稳定性、实时性，容易与各类通讯网络联网，实现实时大数据远程通讯，为轨道交通温控器的智能化和网络化提供良好的基础。此外，CPU的优良性能，可以灵活采用各种高级算法，大大提高了软件的抗干扰能力。
良好的人性化人机界面是评价产品质量的标准之一，因此该方案的人机界面采用当前轨道交通温控器主流的液晶显示界面。主要实现温度及状态直观显示、各种参数设置以及状态查询等功能。
所有开关量控制信号均通过电气隔离，送给接触器输出模块，然后与外界相连。再加上结构上的空间分区布局，即使温控器输出触点有大电流通断，也不会干扰到内部电路。
开关电源也采用隔离式设计模式，避免来自电源端的谐波干扰。容量上选用一倍以上的冗余，进一步提高了温控器的可靠性。
智能化、网络化是轨道交通的发展趋势，轨道交通温控器的模拟与数字信号输出接口在功能强大的中央处理单元和外部模块支持下，可以方便实现当前轨道交通供电系统各种制式的通讯接口联网，组成轨道变光纤测温系统。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种新型轨道交通变压器用荧光式光纤温控器，其特征在于：包括温度采集单元、多路温度总成模块、中央处理单元、液晶人机界面单元、用于为整个温控器供电的开关电源；所述温度采集单元包括N路光纤温度传感器、N路光电转换模块，所述光纤温度传感器采用基于稀土材料的荧光材料作为传感器探头，并通过多模光纤将传感器探头受激励后产生的荧光信号传输给光电转换模块转换为电流信号，而后传输给所述多路温度总成模块，多路温度总成模块将N路光电转换模块传输的N路电流信号集成为一个温度总成信号传输给中央处理单元，中央处理单元将该温度总成信号处理后通过液晶人机界面单元进行显示，同时还输出开关量控制信号至接触器输出系统；所述多路温度总成模块、中央处理单元、液晶人机界面单元、光电转换模块、开关电源与光纤温度传感器、接触器输出系统通过电气隔离。
2.根据权利要求1所述的新型轨道交通变压器用荧光式光纤温控器，其特征在于：所述基于稀土材料的荧光材料为基于铕的稀土荧光材料。
3.根据权利要求1所述的新型轨道交通变压器用荧光式光纤温控器，其特征在于：所述多模光纤为石英光纤。
4.根据权利要求1所述的新型轨道交通变压器用荧光式光纤温控器，其特征在于：所述中央处理单元采用荧光寿命与温度关系的算法来处理温度总成信号，具体如下：
荧光材料在紫外线的照射下，能够发出可见的荧光强度的衰减理论上符合公式
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式中：t为时间变量，A为激励停止时荧光峰值强度，τ为荧光寿命；τ是荧光材料的固有特性，且是温度的单一函数，根据τ值变化来测量温度的变化，此即荧光余辉测温法的原理；
在实际的系统中，荧光信号通过光电转换及运放处理后，最终由中央处理单元接收的信号为
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式中：Ad为直流分量，来源于各种直流漂移及杂散光；ε为随机噪声引起的噪声信号；
Ad、ε均属于背景干扰，为此需进行背景干扰的消除：首先，经过数据截断归一化处理，去除电路放大倍数的影响；而后，去除随机噪声的影响，系统中的随机噪声主要来源于热噪声和散粒噪声，均服从标准正态分布，数学期望为零，因此被测信号经过K次累加后，其信噪比提高，近似认为消除了随机噪声引起的干扰；经过累加处理后，假设被测信号中的随机噪声被全部去掉，被测信号的表达式如式(3)所示：
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可见，当时间足够长时，荧光信号会衰减为零，此时被测信号中只剩下直流量Ad，测出该量并从系统中扣除，即可达到消除直流干扰的效果。
5.根据权利要求1所述的新型轨道交通变压器用荧光式光纤温控器，其特征在于：所述K取值为40。
6.根据权利要求1所述的新型轨道交通变压器用荧光式光纤温控器，其特征在于：所述多模光纤与传感器探头的接面加工成包括凸面、斜面、尖锥或微球的形状，以增大基于稀土材料的荧光材料与多模光纤的接触面积。
7.根据权利要求1所述的新型轨道交通变压器用荧光式光纤温控器，其特征在于：所述液晶人机界面单元还能够显示日历时钟。
8.根据权利要求1所述的新型轨道交通变压器用荧光式光纤温控器，其特征在于：所述中央处理单元采用RM Cortex-M3内核的工业级STM32MCU作为CPU。
9.根据权利要求1所述的新型轨道交通变压器用荧光式光纤温控器，其特征在于：所述多路温度总成模块包括激励光源、运算放大电路；所述激励光源用于发出周期性的脉冲光，耦合进多模光纤传输至传感器探头激励荧光材料；所述运算放大电路用于将N路光电转换模块传输的N路电流信号进行运放处理后，集成为一个温度总成信号。
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