高壓設備溫度在線監測研究

王 寧，齊 洋，張立強

(中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032)

1 引言

目前我國大多數高壓設備自身采用封閉結構，內部無散熱裝置，長期工作在高電壓、大電流、強磁場環境中，使得設備發熱升溫嚴重危害其正常運行，甚至會造成電器設備故障［1］。因此對高壓設備進行在線溫度監測尤為必要。我國在高壓設備溫度監測方面依然采用比較傳統的測量方法，無法克服高電壓、大電磁場干擾的弊端。隨著傳感器和單片機技術的不斷進步與發展，近年來熒光光纖溫度傳感器的研究不斷深入，在高壓、高溫、大電流、強磁場的環境下有很好的應用前景。

2 總體設計

整個測溫系統由熒光光纖溫度傳感器、光電轉換、I/V轉換、微弱信號放大器、A/D轉換器、單片機六個主要部分組成。系統工作時首先由激勵光源發出激勵光，再通過光纖傳輸照射到熒光物質上，發出幅度隨時間衰減的熒光。這個熒光與激勵光混合在一起經由傳導光纖傳回，經過濾光片分離熒光送到光電轉換部分，經轉換得出微弱電流，再將這個微弱電流送入I/V轉換部分，變換后得到電壓信號，經過多級放大及A/D轉換電路后，得到一個數字信號送入單片機進行進一步的數據處理。通過對采集的大量數據進行分析處理得出熒光余輝壽命τ，經過進一步運算便可得出相應的溫度值。

圖1 簡要系統框圖

3 器件選型

3.1 激勵光源的選擇［2］

激勵光源有紫外、可見、紅外三種。紫外激勵是首選但考慮到造價、輔助設備、現場可操作性及方便性等因素，本次設計選用汞燈作為光源。它存在的問題有兩個:一是與光纖耦合問題，采用增加兩面透鏡的方法可以解決;二是脈沖調制問題，這類燈是連續工作的，不能瞬時起輝，采用脈沖調制法可以解決問題。

3.2 熒光余輝的處理［2］

(1)微分處理法。由于汞燈光強不夠穩定，且伴有陰極漂移現象，從而改變光耦合效率。因此，經過光電轉換放大后的信號為:

式中τ為余輝時間常數，Id為信號背景漂移，其值不穩定。現對式(1)進行微分，得:

消除Id影響。取t1，t2兩個時刻進行計算得

(2)累加處理法。雖然消除了Id的影響，但卻增加了隨機噪聲的干擾。累加法是抗干擾技術中行之有效的措施之一，在信號周期出現的條件下按周期進行累加。熒光信號雖然不是周期信號，但每隔Δt=t2－t1，即可求出τ值來。由于熒光余輝衰減時間與熒光構成了指數函數，將其分成n－1份可求得n－1個τ值。如果沒有這個干擾，這些τ值應該是一樣的，因此，對其累加平均，提高τ的精度，則

3.3 放大器選擇

光電轉換后的電流約為幾百pA，帶寬100KHz左右，可以選擇MAX4488芯片作為微弱信號放大的關鍵器件。該芯片為CMOS工藝雙列直插封裝，輸入偏置電流:±1pA，，輸入漂移電流:±1pA，輸入電流噪聲:±0.5fA/Hz，帶寬:42MHz。

可見，輸入偏置電流和輸入漂移電流較小，當小信號經過放大器被放大時，干擾也被放大，由于小信號與干擾信號相差較多，即使同時被放大也可以區分出有用信號，除去干擾信號。小信號的帶寬在100KHz左右，芯片的增益帶寬積是42MHz，滿足條件。

3.4 A/D 轉換器的選擇［2］

此設計選用MAX189作為A/D轉換的關鍵器件。主要原因有三點:①它的轉換速度75KHz，轉換時間8.5μs，設計中傳感器采集的大量信號要進行及時處理才能使得系統實時處理的功能實現，使得系統設計有實際意義;②它的位數(12位主次比較型)能夠保證系統精度;③它擁有優異的AC特性，極低的電源消耗和較小的封裝尺寸。

MAX189要求外接基準電源，經過微弱信號放大電路放大后的電壓信號約為2V左右，調節滑動變阻器便可調出0～5V的電壓，滑動變阻器的另一端接到MAX4488的第四個引腳上。如圖2所示。

圖2 可調精密電源

3.5 單片機的選擇

設計中選用W77E58作控制主芯片。該單片機采用40只引腳的雙列直插封裝，由 CPU、RAM、SRAM、I/O、串行口、計數器、中斷系統和特殊功能寄存器組成。之所以選用它是因為它與MCS－52兼容，比8051多一個數據指針，加速了數據塊在存儲器間的傳輸速度，速度高，工作頻率可擴展到40MHz。

4 結束語

設計完成了數據采集與預處理的硬件電路設計，實現了以單片機為核心的外圍電路設計，使系統具有人機對話功能。但由于實際測試環境的危險性，設計缺少實際應用測試。本系統結構簡單、價格低廉，很容易得到推廣和發展，因此在溫度監測領域有著非常好的應用前景。

［1］陳振生，周驍威.高電位電流母線異常升溫在線實時診斷［J］.江蘇電器，2003(3):1 －4.

［2］Xun W M，Xiang Y R.New design fiber－based fire alarm system［J］.China journal of light scattering，2004:658 －661.

［3］湯向衡.AD使用的幾點技巧［J］.國防科技大學學報，2003，10(2):1 －2.