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        4. 都睿感控

          專注傳感器國內第一

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          探討溫度傳感器

          溫度傳感器是五花八門的各種傳感器中最為常用的一種,現代的溫度傳感器外形非常得小,這樣更加讓它廣泛應用在生產實踐的各個領域中,也為我們的生活提供了無數的便利和功能。 

          一、溫度傳感器有四種主要類型:熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數字輸出兩種類型。

              接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸,又稱溫度計。 

              溫度計通過傳導或對流達到熱平衡,從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內,溫度計也可測量物體內部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產生較大的測量誤差,常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應用于工業、農業、商業等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。隨著低溫技術在國防工程、空間技術、冶金、電子、食品、醫藥和石油化工等部門的廣泛應用和超導技術的研究,測量120K以下溫度的低溫溫度計得到了發展,如低溫氣體溫度計、蒸汽壓溫度計、聲學溫度計、順磁鹽溫度計、量子溫度計、低溫熱電阻和低溫溫差電偶等。低溫溫度計要求感溫元件體積小、準確度高、復現性和穩定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計的一種感溫元件,可用于測量1.6~300K范圍內的溫度。

              非接觸式溫度傳感器的敏感元件與被測對象互不接觸,又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速(瞬變)對象的表面溫度,也可用于測量溫度場的溫度分布。最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律,稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法(見光學高溫計)、輻射法(見輻射高溫計)和比色法(見比色溫度計)。各類輻射測溫方法只能測出對應的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體(吸收全部輻射并不反射光的物體)所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度,則必須進行材料表面發射率的修正。而材料表面發射率不僅取決于溫度和波長,而且還與表面狀態、涂膜和微觀組織等有關,因此很難精確測量。在自動化生產中往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度,如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。在這些具體情況下,物體表面發射率的測量是相當困難的。對于固體表面溫度自動測量和控制,可以采用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發射系數。利用有效發射系數通過儀表對實測溫度進行相應的修正,最終可得到被測表面的真實溫度。最為典型的附加反射鏡是半球反射鏡。球中心附近被測表面的漫射輻射能受半球鏡反射回到表面而形成附加輻射,從而提高有效發射系數:式中ε為材料表面發射率,ρ為反射鏡的反射率。至于氣體和液體介質真實溫度的輻射測量,則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。通過計算求出與介質達到熱平衡后的圓筒空腔的有效發射系數。在自動測量和控制中就可以用此值對所測腔底溫度(即介質溫度)進行修正而得到介質的真實溫度。 

              非接觸測溫優點:測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制,因而對最高可測溫度原則上沒有限制。對于1800℃以上的高溫,主要采用非接觸測溫方法。隨著紅外技術的發展,輻射測溫逐漸由可見光向紅外線擴展,700℃以下直至常溫都已采用,且分辨率很高

          溫度傳感器,使用范圍廣,數量多,居各種傳感器之首。溫度傳感器的發展大致經歷了以下3個階段:

          1.傳統的分立式溫度傳感器(含敏感元件),主要是能夠進行非電量和電量之間轉換。傳統的分立式溫度傳感器——熱電偶傳感器。熱電偶傳感器是工業測量中應用最廣泛的一種溫度傳感器,它與被測對象直接接觸,不受中間介質的影響,具有較高的精度;測量范圍廣,可從-50~1600℃進行連續測量,特殊的熱電偶如金鐵——鎳鉻,最低可測到-269℃,鎢——錸最高可達2800℃。

          2.模擬集成溫度傳感器/控制器。模擬集成溫度傳感器是采用硅半導體集成工藝制成的,因此又稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是在20世紀80年代問世的,它將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出等功能。模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等,適合遠距離測溫,不需要進行非線性校準,外圍電路簡單。

          3.智能溫度傳感器。目前,國際上新型溫度傳感器正從模擬式想數字式、集成化向智能化及網絡化的方向發展。

          二、溫度傳感器在牽引供電系統的應用

          隨著生產生活自動化程度的提高,特別是牽引供電系統,對電力等能源供應的可靠性提出了越來越高的要求,而電力系統包括變電所、AT所等也向著電壓等級提高自動化水平提高的方向發展。因此,電力系統的實時監測、控制的管理水平也必須隨之不斷提高。

          變電所等電氣設備的各種觸點、連接點,如開關觸點、電纜接頭、母線聯接點、隔離開關和變壓器引接線接頭等,由于高電壓、大電流的作用,易引起局部高溫。以30KV隔離開關電纜頭為例,觸點在長期運行過程中,因老化、松動或污染易造成間隙或接觸電阻增大,在通流時引起持續發熱,嚴重時將造成電纜頭燒損甚至引發更大的事故。

          武廣高鐵為了提高設備運行的穩定性,對接觸網隔離開關電纜頭、GIS開關柜電纜頭和變壓器電纜頭安裝了溫度傳感器,對電纜頭溫度進行實時在線監控,并將監控數據和警報信息集中傳遞到調度中心,實現對關鍵設備的安全、實時管理。

          普通的溫度監測方法主要采用熱電偶、熱電阻、半導體溫度傳感器等溫度傳感元件實現的,這種方法要么傳感器本身帶有金屬,要么需要金屬導線傳輸信號,在電纜頭上,要實現系統可靠的絕緣困難重重。

          紅外測溫雖為非接觸式測溫,但它易受環境及周圍的電磁場干擾,目前常用的是利用手持式紅外熱成像儀或點測儀進行人工非在線式溫度測量。當需要在線監測時,由于紅外測溫探頭需要與被測點保持一定的距離,探頭的安裝以及溫度信號的傳輸同樣非常困難。

          因此,我們采用光纖光柵溫度傳感器。光纖光柵溫度傳感器采用光纖光柵作為敏感元件,由于光纖具有優異的絕緣性能,可直接將傳感器安裝到開關柜內的裸露觸點上,并方便地將測量信號傳輸至開關柜外,實現觸點運行溫度的在線監測。

          光纖溫度傳感器采用一種和光纖折射率相匹配的高分子溫敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纖外面,使光能由一根光纖輸入該反射面出另一根光纖輸出,由于這種新型溫敏材料受溫度影響,折射率發生變化,因此輸出的光功率與溫度呈函數關系。其物理本質是利用光纖中傳輸的光波的特征參量,如振幅、相位、偏振態、波長和模式等,對外界環境因素,如溫度,壓力,輻射等具有敏感特性。它屬于非接觸式測溫。從室溫到1800℃全程測溫的光纖溫度傳感器的系統主要包括端部摻雜的光纖傳感頭、 Y型石英光纖傳導束、 超高亮發光二極管(LED)及驅動電路、 光電探測器、 熒光信號處理系統和輻射信號處理系統。 

            系統的工作原理為: 在低溫區(400℃以下), 輻射信號較弱, 系統開啟發光二極管(LED)使熒光測溫系統工作。 發光二極管發射調制的激勵光, 經聚光鏡耦合到Y型光纖的分支端, 由Y型光纖并通過光纖耦合器耦合到光纖溫度傳感頭。 光纖傳感頭端部受激勵光激發而發射熒光, 熒光信號由光纖導出, 并通過光纖耦合器從Y型光纖的另一分支端射出, 由光電探測器接收。 光電探測器輸出的光信號經放大后由熒光信號處理系統處理, 計算熒光壽命并由此得到所測溫度值。 而在高溫區(400℃以上), 輻射信號足夠強, 輻射測溫系統工作, 發光二極管關閉。 輻射信號通過藍寶石光纖并通過Y型光纖輸出, 由探測器轉換成電信號, 系統通過檢測輻射信號強度計算得到所測溫度。 光纖傳感頭端部由Cr3+離子摻雜, 實現光激勵時的熒光發射。 摻雜部分光纖長度為8~10 mm。 端部光纖的外表面同時鍍覆黑體腔, 用于輻射測溫。 (這時,光纖黑體腔長度與直徑之比大于10,可以滿足黑體腔表觀輻射率恒定的要求)。 值得注意的是, 避免或減少熒光發射部分與熱輻射部分的相互干擾, 對保證整個系統的性能十分重要。

          光纖光柵溫度在線監測系統采用光纖光柵溫度傳感器進行溫度監測,光纖傳輸溫度信號,使系統介質實現了全光纖化,由于光纖固有的高絕緣性和抗電磁場干擾性能,保證了系統的本安性,從根本上解決了上述難題。

          光纖光柵溫度在線監測系統具有極高的安全性、可靠性和測量精度,安裝施工方便,對溫度量進行全數字化處理,具有通信功能,既可自成系統,又可方便地接入電力其他系統,如DCS、ECS、SIS或MIS等。

          光纖光柵溫度在線監測預警系統采用分散式就地安裝的前端設備(如電動機測溫裝置、變壓器測溫裝置、開關柜測溫裝置等),用多路光纜將這些前端設備連接起來構成電氣設備溫度監測網絡;通過以太網連接設備將數據庫服務器、電氣運行工作站,維護工程師站等組網構成電氣監控管理上位機系統;通過工程師監控站連接DCS系統;通過服務組件與電廠的MIS系統、SIS系統、INTERNET網等互聯。采用該系統的優點是:設備就地安裝,與DCS間通過工程師監控站連接,節省大量控制電纜;省略諸多中間環節,避免潛在事故隱患;綜合利用電氣系統聯網的信息全面的優勢,根據歷史數據對比提前發出預警,防患于未然,減少電力行業的損失。

          電纜接頭上傳感器的安裝

          由于電纜的過熱事故90%以上發生在接頭處,因此我們一般都將溫度傳感器布設在電纜接頭的外封套上,安裝步驟如下:首先根據電纜接頭的外封套長度判斷接頭的位置,其次在最靠近接頭處用環氧導熱膠將傳感器固定好,最后用防火耐熱尼龍帶將傳感器固定。具體安裝方式參見圖。

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          電纜接頭上傳感器的安裝示意圖

          母線接頭上傳感器的安裝

          母線接頭的傳感器安裝圖如圖所示,安裝步驟與電纜接頭上的類似:首先根據電纜接頭的外封套長度判斷接頭的位置,其次在最靠近接頭處用環氧導熱膠將傳感器固定好,最后用防火耐熱尼龍帶將傳感器固定。

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          母線接頭上傳感器的安裝示意圖

          單出頭傳感器布設

          單頭出纖的傳感器應采用星形方式布設,一般用于高壓開關、高壓開關接線頭、空間狹小的位置以及需特殊處理等位置的監測,布設方式如圖所示。


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          傳感器單芯光纖○1 一分三光路盒○2 一分六光路盒

          單頭傳感器布設示意圖


          三、光纖溫度傳感器的實用化改進

              我們可以采用導熱性好的銅制套管來保護砷化鎵材料,以提高傳感器的動態特性。為減小強交變電磁場的影響,銅制套管的一邊被切出一道細縫,并最終用熱縮套管固定住。通過在0.1 特斯拉的強交變磁場中的試驗,發現其在0.1℃的分辨率下看不到溫度的改變,并且對砷化鎵的傳光特性也沒有影響,但是套管的熱滯后常數由聚四氟乙烯套管的15 秒減小到8 秒。采用恒流源來驅動發光二極管,以防止電源電壓波動導致的電流變化造成的光強波動。

          溫度傳感器對我們生活產生了極大的影響。光纖溫度傳感器不但測溫對象廣,而且測溫準確度、靈敏度高,抗電磁能力強,數據傳輸距離遠,使用壽命也長,相對傳統的溫度傳感器,它的價格也低廉,更經濟實用。

             都睿感控科技公司設計開發的傳感器,包括霍爾傳感器等各類型,滿足客戶的需求。


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