Волоконно-оптическое устройство для измерения распределения температуры

Авторы патента:

Полезная модель относится к волоконно-оптическим средствам измерения распределения температуры в протяженных объектах, в частности, в системах линий электропередач. Она может быть применена для измерения температурного распределения вдоль токоведущих и контактных элементов электроэнергетических установок. Задачей заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства для измерения распределения температуры и расширение области его применения. Задача решается тем, что волоконно-оптическое устройство для измерения распределения температуры содержит импульсный источник оптического излучения, подсоединенный к нему направленный ответвитель, связанный одним из выходов через оптический переключатель с по меньшей мере двумя протяженными чувствительными оптическими элементами, блок спектрального разделения, оптически связанный своим входом со вторым выходом направленного ответвителя, а выходом с фотоприемными модулями стоксовой и антистоксовой компонент, электрически связанными с блоком обработки и управления, который электрически соединен с оптическим переключателем и с фотоприемным модулем синхронизации, оптически связанным с третьим выходом направленного ответвителя. Задача решается также тем, что в качестве чувствительных оптических элементов использовано многомодовое волокно, причем начальные участки протяженных чувствительных оптических элементов помещены в калибровочный термостат, электрически соединенным с блоком обработки и управления. Задача решается и тем, что блок обработки и управления снабжен блоком связи с системой автоматического управления (АСУ) контролируемого участка энергоснабжения, а также тем, что оптический переключатель выполнен с применением микроэлектромеханических систем переключения (МЭМС, MEMS), а в качестве оптического направленного ответвителя использован оптоволоконный четырехпортовый циркулятор. Полезная модель может быть использована для мониторинга температурного состояния токоведущих шин, контактных устройств, кабелей, фидеров передающих линий и других элементов трудно доступных энергосистем, в частности, линий электропередач. 1 н.з.п.ф, 5 з.п. 1 фиг. чертежа.

Задача контроля температурного состояния токоведущих и контактных частей является крайне актуальной в связи с большой стоимостью контролируемого и защищаемого оборудования, значительной величиной потенциальных затрат на ремонт и потерь, связанных с перебоями в энергообеспечении потребителей и важных народнохозяйственных объектов. При этом правильно организованный комплексный мониторинг температурного состояния является информативным методом контроля и диагностики, поскольку нарушения температурного режима в электроэнергетике, как правило, предшествуют аварийным ситуациям и являются однозначными маркерами, требующими немедленного оперативного реагирования.

В то время, как в энергосистемах низковольтного оборудования температурный мониторинг может быть относительно легко реализован стандартными контактными электронными средствами на основе термопарных преобразователей, термометров сопротивления и т.п. средств, изложенных, например, в патенте RU 2337335 C1, в высоковольтных системах и, в особенности, в высоковольтных системах при траншейной прокладке применение таких средств практически невозможно из-за сложности доступа.

Существенную сложность в высокочастотных и высоковольтных системах представляют вопросы электромагнитной совместимости и помехоустойчивости средств измерения температуры. Измерители на основе электронных преобразователей обладают достаточно высокой чувствительностью к электромагнитным помехам, которые в высоковольтных и сильноточных системах достигают значительных величин, что так же снижает возможность применения таких средств. Затруднительно также организовать распределенные измерения температурного поля вдоль протяженных объектов, таких как токоведущие шины, ЛЭП, кабели и фидеры.

Известно устройство для измерения температуры поверхности, находящейся под электрическим напряжением (Патенте РФ 2337335 G01K 11/32), в котором измерение температуры осуществляется термистором, размещенным в пакете диэлектрических пластин из слюды, служащих одновременно и теплопроводом и электроизолятором, пакет пластин скрепляется шпильками, пропущенными через фарфоровую крышку, конструкция крепится к контролируемой поверхности. Данная конструкция недостаточно эффективна поскольку имеет низкую точность из-за недостаточно высокой теплопроводности пакета слюдяных пластин, а также существует опасность пробоя напряжения с контролируемой поверхности на токоведущие части термистора и далее - в аналитическое оборудование.

Недостатками других известных устройств (Патент РФ 2270421) являются значительные габариты датчиков, возможность электрического пробоя при старении масла, чувствительность к электромагнитным помехам и неудобство при измерении распределения температуры вдоль контролируемой поверхности.

Все перечисленные проблемы отсутствуют в системах измерения, основанных на использовании оптических методов измерения и средств на базе элементов волоконной и интегральной оптики. Волоконно-оптические измерители не содержат электропроводящих материалов, что исключает чувствительность к электромагнитным помехам и опасность пробоя.

Известно волоконно-оптическое устройство для измерения температурного распределения, включающее чувствительный элемент датчика в виде оптического волокна, импульсного источника оптического излучения, направленный ответвитель, устройство спектрального разделения и фотодетекторы (патент Великобритании GB 2140554 А).

Недостатком этого устройства является низкая точность измерения температурного распределения и ограничения в использовании на нескольких объектах.

Известно волоконно-оптическое устройство для измерения температурного распределения (Патент РФ 2221225, МПК G01K 11/32), содержащее импульсный источник оптического излучения в виде лазера, чувствительный элемент в виде оптического волокна и узел обработки сигналов, включающий таймер, направленный оптический ответвитель, узел спектрального разделения и фотоприемные модули, фотоприемник синхронизации, причем оптическое волокно чувствительного элемента датчика выполнено многомодовым, а лазер импульсного источника оптического излучения является одномодовым волоконным с накачкой от полупроводникового лазера.

Недостатком устройства является сложность конструкции, малая чувствительность и точность измерения, большое время накопления сигнала, и как следствие-одноканальность.

Известно волоконно-оптическое устройство для измерения распределения температуры (Патент РФ 2434208, МПК G01K 11/32), которое является аналогом для заявляемой полезной модели. Устройство содержит импульсный источник оптического излучения, оптическое волокно, являющееся чувствительным элементом, направленный ответвитель, блок спектрального разделения, два фотоприемных модуля, фотоприемный модуль синхронизации и блок обработки, причем, направленный ответвитель соединен с импульсным источником оптического излучения, с входом блока спектрального разделения, с входом фотоприемного модуля синхронизации и с чувствительным элементом, а блок спектрального разделения соединен с фотоприемными модулями, которые в свою очередь, соединены с блоком обработки. Чувствительный элемент выполнен в виде одномодового волокна, блок спектрального разделения содержит волоконный фильтр на брэгговской решетке и волоконный мультиплексор на два канала, настроенных на пропускание стоксовой и антистоксовой компонент.

Основными недостатками такого устройства является его одноканальность и, как следствие, ограниченные функциональные возможности, что не позволяет экономически эффективно применять систему в многоканальных цепях энергоснабжения.

Задачей заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства для измерения распределения температуры и расширение области его применения за счет обеспечения возможности применения устройства в многоканальных цепях энергоснабжения.

Задача решается тем, что волоконно-оптическое устройство для измерения распределения температуры вдоль протяженного объекта характеризуется тем, что оно содержит импульсный источник оптического излучения, подсоединенный к нему направленный ответвитель, связанный одним из выходов через оптический переключатель с по меньшей мере двумя протяженными чувствительными оптическими элементами, блок спектрального разделения, оптически связанный своим входом со вторым выходом направленного ответвителя, а выходом с фотоприемными модулями стоксовой и антистоксовой компонент, электрически связанными с блоком обработки и управления, который электрически соединен с оптическим переключателем и с фотоприемным модулем синхронизации, оптически связанным с третьим выходом направленного ответвителя.

Задача решается также тем, что в качестве чувствительных оптических элементов использовано многомодовое волокно. Задача решается также тем, что начальные участки протяженных чувствительных оптических элементов помещены в калибровочный термостат, электрически соединенный с блоком обработки и управления.

Задача решается и тем, что блок обработки и управления снабжен блоком связи с системой автоматического управления (АСУ) контролируемого объекта, предназначенной для запуска процедуры аварийного отключения объекта контроля, а также тем, что оптический переключатель выполнен с применением микроэлектромеханических систем переключения (МЭМС, MEMS), а также и тем, что в качестве оптического направленного ответвителя использован оптоволоконный четырехпортовый циркулятор.

Полезная модель поясняется чертежом (Фиг. 1), на котором схематически изображено волоконно-оптическое устройство для измерения распределения температуры вдоль протяженного объекта, содержащее импульсный источник оптического излучения 1, оптические волокна 2, 3, 4, являющиеся чувствительными элементами и представляющими собой распределенные датчики температуры, направленный ответвитель 5, блок спектрального разделения 6, два фотоприемных модуля 7 и 8, фотоприемный модуль синхронизации 9 и блок обработки и управления 10. Направленный ответвитель 5 соединен с импульсным источником оптического излучения 1 волоконно-оптической линией 11, с входом блока спектрального разделения 6 волоконно-оптической линией 12, с входом фотоприемного модуля синхронизации 9 волоконно-оптической линией 13. Блок спектрального разделения 6 содержит волоконно-оптический фильтр 14 на брэгговской решетке и волоконный мультиплексор 15, настроенный на пропускание двух оптических стоксовой и антистоксовой частотных компонент рамановского обратного рассеянного излучения, направляемых в фотоприемные модули 7 и 8. Фотоприемные модули 7 и 8 соединены электрическими линиями 16 и 17 с блоком обработки и управления 10.

Направленный ответвитель 5 связан волоконно-оптической линией 18 с оптическим переключателем 19, поочередно соединяющим через направленный ответвитель 5 импульсный источник оптического излучения 1 с одним из многомодовых оптических волокон 2, 3, и 4, являющихся чувствительными элементами. Оптические волокна 2, 3, и 4 имеют в своем начале калибровочные отрезки, помещенные в калибровочный термостат 20. Блок обработки и управления 10 соединен с оптическим переключателем 19 электрической линией 21, с калибровочным термостатом 20 электрической линией 22 и с фотоприемным модулем синхронизации 9 электрической линией 23.

Оптический переключатель 19 может быть реализован на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС, MEMS-структуры) или на основе акусто- или электрооптических дефлекторов, электромагнитных или механических коммутаторов. Назначение оптического переключателя - обеспечить возможность построения распределений температуры вдоль любого необходимого количества токоведущих цепей электроэнергетического объекта при помощи одного регистрирующего блока посредством чувствительных элементов 2, 3, 4, смонтированных, например, на высоковольтных линиях электропередач 3-х фазного тока. Количество чувствительных элементов зависит от объекта контроля и может варьироваться.

Использование многомодового оптического волокна позволяет получить более высокий уровень разрешения сигнала термометрии и повысить отношение сигнал/шум на базе рамановского рассеяния и тем самым обеспечить повышение точности термометрии и повышение быстродействия системы за счет сокращению времени интегрирования.

Программное обеспечение блока обработки и управления 10 может представлять собой промышленный компьютер, снабженный пакетом специальных программ и библиотек. В него может быть введен дополнительный блок для связи устройства с АСУ (на чертеже не показан) с целью выполнения процедуры защитного отключения объекта в случае превышения локальной или интегральной температуры выше установленного порогового значения или по более сложной совокупности условий на основании данных измерения температурных распределений.

Взаимодействие с АСУ контролируемого объекта осуществляется по способу, определяемому потребителем. В частности, возможна пассивная передача оператору данных о распределении температуры вдоль контролируемой линии, либо формирование аварийного сигнала, либо запуск процедур защитного отключения и реализации программы оповещения.

Работа волоконно-оптического устройства для измерения распределения температуры заключается в следующем. Последовательность импульсов света на исходной длине волны, сформированная импульсным источником оптического излучения 1, проходит по волоконно-оптической линии 11 через направленный ответвитель 5 и далее по волоконно-оптической линии 18 в оптический переключатель 19, направляющий излучение в выбранный измерительный канал, состоящий из оптического волокна - чувствительного элемента, закрепленного на заданном участке токоведущей цепи электроэнергетического объекта, например, на токоведущей шине высоковольтной линии электропередачи 3-х фазного тока (фаза А). Часть импульсов света источника излучения 1, проходящая через направленный ответвитель 5, поступает по волоконно-оптической линии 13 в фотоприемник модуля синхронизации 9, где оптический сигнал преобразуется в электрический и подается по электрической линии 23 в блок обработки и управления 10. Этот синхроимпульс используется далее в работе вычислительного комплекса блока обработки и управления 10 для выполнения временной развертки полезного сигнала и привязки его к протяженности распределенного датчика температуры, смонтированного на контролируемой линии электропередач. Импульсы света при распространении вдоль оптического волокна частично рассеиваются в результате отражения от кварцевой среды сердцевины волокна. При этом в оптическом волокне формируется обратное (рассеянное) излучение, так называемое рамановское рассеяние. Частота колебаний отраженного (рассеянного) излучения зависит от температуры участка оптического волокна (чувствительного элемента), который соприкасается с участком исследуемого объекта, имеющего в данный момент определенный профиль температуры. Частотный спектр обратного рассеянного излучения, кроме ослабленного базового импульса, содержит два импульса на стоксовой и антистоксовой частотах. Один из этих сигналов на антистоксовой частоте несет информацию о температуре среды, в которой в данный момент находится тот или иной участок оптического волокно (чувствительного элемента). Обратное рассеянное излучение, несущее информацию о температуре контролируемого объекта, следует в обратном направлении вдоль оптического волокна, например, 2 и далее, через оптический переключатель 19 по волоконно-оптической линии 18 в ответвитель 5, откуда оно направляется по волоконно-оптической линии 12 в блок спектрального разделения 6.

Оптический переключатель 19 может быть выполнен с применением микроэлектромеханических систем переключения (МЭМС, MEMS). В качестве оптического направленного ответвителя может быть использован оптоволоконный четырехпортовый циркулятор.

В блоке спектрального разделения 6 посредством волоконного фильтра 14 выполняется выделение двух оптических частотных сигналов на антистоксовой и стоксовой частотах, которые затем посредством волоконного мультиплексора 15 направляются по волоконно-оптическим линиям в фотоприемники 7 и 8. В указанных фотоприемниках 7 и 8 оптические сигналы преобразуются в электрические, которые далее передаются в блок обработки и управления 10. В блоке обработки и управления 10 выполняется обработка электрических сигналов с фотоприемников 7 и 8. Полезный сигнал, который несет информацию о температуре оптического волокна в контролируемой линии, формируется в результате соотношения сигналов с фотоприемников 7 и 8, очищения их от шумов путем усреднения по времени в большой последовательности импульсов с применением специального математического аппарата и калибруется по температуре калибровочного отрезка оптического волокна (чувствительного элемента) 2, помещенного в термостат 20.

Временная развертка величины сигнала, соответствующая распределению температуры вдоль контролируемой линии, выполняется с использованием сигнала синхроимпульса от фотоприемного модуля синхронизации 9 и обеспечивает расчет координат интервалов измерения распределения температуры и их привязку к пути прокладки контролируемой электрической линии. После обработки данных одного оптического канала, например, 2, программа управления, формируемая в блоке обработки и управления 10, дает команду по электрической линии 21 в оптический переключатель 19 на переключение на другой оптический канал, где происходит новое накопление и обработка сигнала для нового оптического пути, например, канал 3 (Фаза В) или канал 4 (Фаза С), где происходит новое накопление и обработка сигнала для исследования распределения температуры вдоль контролируемой линии.

В одной из возможных конкретных реализаций прибора в качестве импульсного источника оптического излучения 1 используется полупроводниковый лазер модель BLD-1550-14BF-100S производства компании «Нолатех», в качестве направленного ответвителя 5 используется волоконный мультиплексор модель CP-S-P-2×2-1550-50/50-250-1-1-FA-3×40, производства компании Opneti (Китай), в качестве блока спектрального разделения 6 используется волоконный фильтр 14 - модель IWDM-T1550/R1480-S-B-250-1-1-FC и волоконный мультиплексор 15 - модель CP-S-P-2×2-1550-50/50-250-1-1-FA-3×40, производства компании Opneti (КНР). В качестве фотоприемных модулей 7 и 8 и фотоприемного модуля синхронизации 9 используются фотодиоды ТФД-50 производства компании «Телам», в качестве блока обработки и управления 8 используется компьютер Rhodeus PC/104 SBC производства компании Diamond Systems, в качестве оптического переключателя 19 используется переключатель SW1×4-9N производства компании Sercalo microtechnology ltd.

Использование устройств температурного контроля при их интегрировании в систему оперативного управления объектом энергоснабжения с целью автоматического защитного отключения в случае предпосылок к аварийной ситуации позволяет не только избежать разрушительных факторов аварийного характера, но и при статистической обработке накопленных данных осуществлять прогноз предпосылок к аварийным ситуациям в условиях пиковых нагрузок, ввести дополнительный фактор контроля и учета расхода электроэнергии, и провести точное прогнозирование отказов, на основе которого составить фактически и обоснованный график проведения регламентных работ.

Таким образом, данная полезная модель позволит решать следующие задачи:

- реализация многоканальных измерений для эффективного применения в сложных, многозвенных электроустановках;

- расширение функциональных возможностей устройства для измерения распределения температуры и расширение области его применения;

- повышение чувствительности системы со снижением времени отклика для включения ее в цепи оперативного управления и защитного отключения;

- организация автоматического защитного отключения в случае возникновения предпосылок к аварийной ситуации.

Благодаря указанным возможностям полезная модель может быть использована для мониторинга температурного состояния токоведущих шин, контактных устройств, кабелей, фидеров передающих линий и других элементов трудно доступных энергосистем, в частности, линий электропередач

1. Волоконно-оптическое устройство для измерения распределения температуры, характеризующееся тем, что оно содержит импульсный источник оптического излучения, подсоединенный к нему направленный ответвитель, связанный одним из выходов через оптический переключатель с по меньшей мере двумя протяженными чувствительными оптическими элементами, блок спектрального разделения, оптически связанный своим входом со вторым выходом направленного ответвителя, а выходом с фотоприемными модулями стоксовой и антистоксовой компонент, электрически связанными с блоком обработки и управления, который электрически соединен с оптическим переключателем и с фотоприемным модулем синхронизации, оптически связанным с третьим выходом направленного ответвителя.

2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что в качестве чувствительных оптических элементов использовано многомодовое волокно.

3. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что начальные участки протяженных чувствительных оптических элементов помещены в калибровочный термостат, электрически связанный с блоком обработки и управления.

4. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что блок обработки и управления снабжен блоком связи с системой автоматического управления (АСУ) контролируемого объекта энергоснабжения, предназначенной для запуска процедуры аварийного отключения объекта контроля.

5. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что оптический переключатель выполнен с применением микроэлектромеханических систем переключения (МЭМС, MEMS).

6. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что в качестве оптического направленного ответвителя использован оптоволоконный четырехпортовый циркулятор.