發射機光柵光纖溫度監測系統

國家新聞出版廣電總局二〇二四臺 楊瑞霖

1.項目背景

廣播短波發射機具有高頻、高壓、大功率等特點，其包括高前電子管、高末電子管、高末調諧調配電容等高頻器件以及變壓器、互感器、整流器等高壓器件。這些元器件在工作過程中會釋放大量的熱量，容易造成發射機內部元器件的老化，影響使用壽命，甚至導致發射機存在一定的安全隱患，因此實際應用中需要對廣播短波發射機的眾多發熱節點的溫度進行實時監控和管理，確保設備的安全運行。

1.1 常用測溫方式的缺點與不足

1.1.1 發射機射頻播音射頻機箱、高壓柜母排、低壓柜母排、控制機箱母排均處于高壓連鎖狀態，發射機在運行狀態下無法進行人工檢查，因此，設備運行狀態的信息就成為監測盲區；

1.1.2 手持式紅外熱成像儀測溫時需要與被測物體保持合適的距離，測量溫度受環境影響大，且必須在發射機停機時使用無法實時監測，不能第一時間發現問題；

1.1.3 使用無線測溫設備進行發射機射頻機箱內部溫度的測量時，由于測溫設備無法在發射機內部高頻、高壓和強電磁干擾等復雜環境下正常工作，經常出現誤報警和采集數據不穩定；

1.1.4 使用溫度貼片也可以對射頻電容進行監測，測量點溫度高于臨界溫度時，貼片立即變色，這種方法準確性差、無法實時監測、受環境溫度影響大、重復使用率低。

為了克服上述現有技術的不足，本系統采用最先進的光纖光柵溫度傳感器進行短波發射機測溫，其能夠克服現有的測溫設備無法在發射機內部高頻、高壓和強電磁干擾等復雜環境下正常工作的問題，同時也能夠克服現有測溫設備的測溫效果不佳、測量精度低等問題，并能及時發現發射機內大功率元器件的溫度異常問題。

1.2 發射機溫度監測的必要性和意義

1.2.1 射頻末級真空電容擊穿故障不容易精確判斷出具體哪只電容故障，通過實時監測電容溫度信息，超溫報警信息，可以精準判斷出具體的故障電容，縮短處理故障時間；

1.2.2 為設備維護提供數據支持，制定科學合理的檢修計劃，減少盲目性停機檢修，符合“狀態檢修”維護目的；

1.2.3 廣播發射機正朝著“大功率、高穩定、智能化”的方向發展，通過技術手段將以往的監測盲區進行有效地監測，符合“優質零秒”運行目標；

1.2.4 可以在事故醞釀期發現運行隱患提前進行預警，減少經濟損失降低安全隱患。

2.監測系統架構設計

發射機光柵光纖溫度監測系統結構如圖1所示，由光纖光柵傳感器組成的光纖光柵傳感器陣列、光分路盒、光路耦合器、掃描光源、同步控制單元、分光器、光電檢測信號放大器、光纖光柵傳感器智能解調儀、遠程客戶端、服務器和報警器；其中，光纖光柵傳感器與光分路盒相連，用于產生與廣播短波發射機內部測點相關的拉曼散射光，所述內部測點包括高壓柜、低壓柜、PSM調制變壓器、控制機箱母線排、電子管進出水、末級電子管整流橋、高末調諧電容、阻抗匹配電容；光路耦合器連接于掃描光源的輸出端和分光器的輸入端，掃描光源的控制端連接同步控制單元的輸出端，所述同步控制單元的輸入端與服務器相連，其根據服務器發出的指令控制掃描光源同步產生激光，分光器接收并處理來自光路耦合器發出的信號，并將處理結果傳給光電檢測信號放大器，然后經光纖光柵傳感器智能解調儀進行解調，服務器或者遠程客戶端對來自光纖光柵傳感器智能解調儀的信息進行分析處理，獲得相應測點的實時溫度數據；服務器將所述實時溫度數據與所述發射機內部測點預先設定的溫度閾值進行比較并控制報警裝置開啟或關閉。

圖1 發射機光柵光纖溫度監測系統結構

3.系統軟硬件組成

3.1 光纖光柵溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感器是利用光纖材料的光敏性，在光纖纖芯上建立起的一種空間周期性折射率分布，使其對特定波長的入射光具有反射作用[1]。待測點溫度發生變化時，光纖光柵的反射波長發生移動，溫度變化引起的光纖光柵反射波長移動，反射波長的移動與溫度的變化成線性關系，通過測量光纖光柵反射波長的移動，便可確定環境溫度[2]。

系統采用的RBC-T01型光纖光柵溫度傳感器具有高絕緣、耐高溫等特點，傳感器采集到的被測點溫度轉換成光信號，通過光纖將信號傳遞給光柵光纖信號解調儀再進行解調。傳感器外觀圖和安裝示意圖如圖2、圖3：

圖2 RBC-T01型溫度傳感器

圖3光纖光柵溫度傳感器固定示意圖

3.2 光纖光柵智能解調儀

光纖光柵溫度傳感器其本質是通過波長變化來反映被測點溫度的變化情況，一種波長編碼的原理。光纖光柵智能解調儀，采用匹配光纖光柵濾波法，把被編碼的波長解調出來與參考波長進行比較，通過內置光強探測器最大值或最小值，從而計算出被測點溫度的變化情況。

圖4 光纖光柵智能解調儀

3.3 服務器部分

依托于技術網大型專業服務器，提供系統所有相關的服務平臺，SQLServer2008運行在其平臺上，為“發射機光柵光纖溫度監測系統”整合所有的數據，其中包括各監測點名稱，歷史表值，實時表值，報警表值，表值時間等，并預留接口便于日后拓展使用。

3.4 客戶端部分

“發射機光柵光纖溫度監測系統”基于JAVA平臺，采用Swing語言開發通過網絡通信協議與服務器端實時的進行數據交互具有實時顯示發射機各個監測點的溫度值，將以上參數進行綜合分析，判斷發射機的運行狀態。報警設置、報警記錄、歷史記錄分析等功能。

4.數據處理

系統可以選擇不同的監測點，查看它的實時曲線，歷史溫度、報警溫度等信息。每個測溫點采集程序都會，頻繁的收集它的實時溫度。每組數據一個484字節，采用16進制的形式解析，每5秒往數據庫內寫一組，客戶端則每500ms采集一次數據，保障實時性，數據傳送到服務器上，處理后入庫。后臺系統維護功能主要給管理員提供系統日常維護功能，包括系統初始化，日志查看，備份等功能。此外，系統還輔助提供報表打印的功能。

圖5 系統數據查詢流程

4.1 實時界面顯示

實時界面顯示模塊完成了對監測點溫度的實時監測界面顯示，如圖6所示，監測界面采用柱狀圖形式將實時采集到的溫度進行呈現，也可通過選擇界面中的選項卡進入到發射機監測點面，不僅可以完整清晰發射機供電系統接線端子實時溫度，并且還可以查看電容所在射頻通路上的位置及實時溫度。

4.2 歷史數據查詢

在查詢工具欄中可以選擇設定時間段，進行歷史數據的查詢；歷史數據查詢模塊既可以曲線的形式表示也可以報表的形式進行查詢。在歷史數據查詢中，可以選擇需要監測點，按照分、時、日、月、年和自定義進行查詢。歷史曲線如圖7所示，在曲線圖的縱坐標（溫度值）、橫坐標（時間）的值，曲線呈現出在此段時間內監測點變化范圍。

圖6 實時界面顯示

圖7 歷史數據查詢

4.3 報警界面顯示

報警貫穿于整個系統中，從服務器到客戶端，都需要第一時間顯示報警信息。聲光報警是客戶端采用的形式。其中，光報警表現在不同顏色代表測點了作狀態的不同，綠色表示正常，紅色則表示一級報警指示，黃色則表示二級報警指示。如圖8所示，當溫度超過二級報警溫度綠燈會變成黃色同時有聲音提示，當溫度超過一級溫度燈會變成紅色同時有聲音提示。

圖8 報警界面顯示

圖9 報警數據查詢

4.4 報警數據查詢

報警數據查詢模塊可以滿足用戶對測點報警數據查詢的需要，在此，以表格的形式直觀顯示特定通道下、特定分區的越限溫度值。可以對需要查詢的測點進行查詢，選擇好通道和分區后，可以選擇要查詢的時間段，進行查詢。如圖9所示，如：起始時間2017-8-1，結束日期為2017-11-20，報表中就會顯示出這110天里監測點越限溫度值。

5.系統實際使用效果

通過分析近幾年調試與試運行過程中損壞的電容發現，真空電容擊穿一般經歷以下幾個過程：真空電容表明溫度急劇上升→發射機末級失諧→輸出功率不足、損耗升高→發射機頻繁打火、掉高壓→真空電容被擊穿→無法使用。

系統在發射機調試階段發揮了巨大的作用，及時準確對真空電容溫度的進行監測，使得調試與維護人員第一時間對發射機末級進行調整，避免10余次真空電容擊穿，減少經濟損失多達幾十萬。

6.系統優點

廣播短波發射機的光纖光柵測溫系統與現有技術相比具有以下優點：

6.1 能夠在廣播短波發射機強電磁干擾的環境下正常的工作，靈敏度高，測量精度高，適于遠程監控；

6.2 光纖光柵傳感器以光波的方式進行測量和傳輸，有效地克服零偏值漂移、電磁干擾、傳輸損耗等問題，保證了整個測溫系統的精度和重復性；

6.3 系統能夠實時監測發射機內部大電流、高電壓、易發熱器件的溫度，并且服務器通過將獲得的實時溫度數據與各個元器件預先設定的溫度閾值進行比較，判斷其是否存在異常，并通過報警裝置告知用戶，從而減小廣播短波發射機的安全隱患；

6.4 在未來大數據中，提供發射機重點部位及元件的溫度數據。

7.結語

本系統結合發射機實際情況，設計了針對大功率發射機的光纖測溫系統，解決發射機及其附屬供電運行設備的實時、多點、在線監測，為設備安全運行提供了預警信息。

[1]申昊文,朱萍玉,施維,許沛勝,光纖光柵與電阻應變片磁場環境下應變測量的試驗研究[J].自動化與信息工程,2014(4):11.

[2]孟凡勇,李志剛,郭轉運,周大川,光纖光柵溫度傳感器在開關柜觸頭及母排溫度監測中的應用[J].低壓電器,2010(16).