多路全介质光纤温度监测系统的设计与研究

　　1　引言

　　在电力系统中,为了提高供电可靠性,在运行中对高压设备的在线监测是一种重要的防范措施。温度在线监测是对大型电力设备运行状态监控的重要手 段。同时,温度监测对于高压设备的安全、经济运行和使用寿命有着决定性的作用,仅就高压变压器而言,如果变压器线圈温度过高,其绝缘物质就会老化,若不及 时处理则会导致设备损坏,甚至造成重大事故。反之,若线圈最热点的温度过低,则变压器的能力就没有得到充分利用,降低了经济效益。因此,为了使变压器处于 最佳运行状态,对其热点温度的在线监测是十分必要的。为此我们研制了多路全介质光纤温度监测统,以实现高压设备的在线温度监测。

　　2　系统结构与测温原理

　　系统光学部分结构如图1所示,探头敏感元件为半导体砷化镓晶体,砷化镓晶体具有良好的温度特性,在0~200℃测温范围内砷化镓晶体的禁带宽度 随温度变化明显。将具有一定光强和谱线宽度的近红外光照射到砷化镓晶体上,由于晶体禁带宽度受温度影响,当温度升高时砷化镓的吸收谱带向长波长方向偏移, 于是有更多的光被吸收,透过砷化镓晶体的光强就相应的减小,因此只要测出光强的变化就可以计算出被测温度值,这就是系统测温的基本原理。

　　在系统结构中LED1为测量信号光源,LED2为参考信号光源。LED1发出的光谱应当覆盖砷化镓的吸收谱,且峰值波长小于砷化镓的本征吸收波 长;而增加LED2的目的是为了补偿由于光源波动、光纤与其连接器件的耦合损失以及砷化镓本征吸收以外的其它形式的光吸收(激子吸收,自由载流子吸收,杂 质吸收和晶格振动吸收等)的影响。由于上述本征吸收以外的吸收形式的吸收波长均大于本征吸收波长,故选择LED2的峰值波长大于砷化镓的本征吸收波长。系 统中用两个不同频率的脉冲发生器控制LED的发光脉冲频率,目的是为了消除环境杂散光的干扰,同时由于本系统中用参考信号光来补偿本征吸收以外其它吸收形 式的影响,因此系统设计中让测量信号光和参考信号光都通过砷化镓晶体,并且由同一个光探测器转换成电信号,故这两个电信号是混杂在一起的交变信号,频率不 同便于后续电路对其进行分离。

　　3　系统的实现

　　图2是系统硬件部分原理图,主要由光电转换和前置放大、多路复用、信号分离A/D转换、单片机及外围芯片扩展部分组成,另外还有光源脉冲驱动部分。

　　3·1　光源脉冲驱动

　　图1中的脉冲驱动电路是由微功耗定时器(ICM7556)驱动电路74LS06组成。ICM7556是CMOS型双定时器,具有输入阻抗高、电 源电压范围宽、集成度高、功耗低等优点,片内含有两个相同的相互独立的定时单元7555,这两个定时电路除了共用“电源”和“地”之外,各自有独立的触发 输入端和复位输入端、独立的阈值控制端以及独立的输出端。如图3所示,光源LED1和LED2发光的脉冲频率(f1,f2)由ICM7556的定时参数 (R1,C1)、(R2,C2)决定。