高压设备温度在线监测研究

2013-06-13张立强

微处理机 2013年3期

王宁，齐洋，张立强

(中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032)

1 引言

目前我国大多数高压设备自身采用封闭结构，内部无散热装置，长期工作在高电压、大电流、强磁场环境中，使得设备发热升温严重危害其正常运行，甚至会造成电器设备故障［1］。因此对高压设备进行在线温度监测尤为必要。我国在高压设备温度监测方面依然采用比较传统的测量方法，无法克服高电压、大电磁场干扰的弊端。随着传感器和单片机技术的不断进步与发展，近年来荧光光纤温度传感器的研究不断深入，在高压、高温、大电流、强磁场的环境下有很好的应用前景。

2 总体设计

整个测温系统由荧光光纤温度传感器、光电转换、I/V转换、微弱信号放大器、A/D转换器、单片机六个主要部分组成。系统工作时首先由激励光源发出激励光，再通过光纤传输照射到荧光物质上，发出幅度随时间衰减的荧光。这个荧光与激励光混合在一起经由传导光纤传回，经过滤光片分离荧光送到光电转换部分，经转换得出微弱电流，再将这个微弱电流送入I/V转换部分，变换后得到电压信号，经过多级放大及A/D转换电路后，得到一个数字信号送入单片机进行进一步的数据处理。通过对采集的大量数据进行分析处理得出荧光余辉寿命τ，经过进一步运算便可得出相应的温度值。

图1 简要系统框图

3 器件选型

3.1 激励光源的选择［2］

激励光源有紫外、可见、红外三种。紫外激励是首选但考虑到造价、辅助设备、现场可操作性及方便性等因素，本次设计选用汞灯作为光源。它存在的问题有两个:一是与光纤耦合问题，采用增加两面透镜的方法可以解决;二是脉冲调制问题，这类灯是连续工作的，不能瞬时起辉，采用脉冲调制法可以解决问题。

3.2 荧光余辉的处理［2］

(1)微分处理法。由于汞灯光强不够稳定，且伴有阴极漂移现象，从而改变光耦合效率。因此，经过光电转换放大后的信号为:

式中τ为余辉时间常数，Id为信号背景漂移，其值不稳定。现对式(1)进行微分，得:

消除Id影响。取t1，t2两个时刻进行计算得

(2)累加处理法。虽然消除了Id的影响，但却增加了随机噪声的干扰。累加法是抗干扰技术中行之有效的措施之一，在信号周期出现的条件下按周期进行累加。荧光信号虽然不是周期信号，但每隔Δt=t2－t1，即可求出τ值来。由于荧光余辉衰减时间与荧光构成了指数函数，将其分成n－1份可求得n－1个τ值。如果没有这个干扰，这些τ值应该是一样的，因此，对其累加平均，提高τ的精度，则

3.3 放大器选择

光电转换后的电流约为几百pA，带宽100KHz左右，可以选择MAX4488芯片作为微弱信号放大的关键器件。该芯片为CMOS工艺双列直插封装，输入偏置电流:±1pA，，输入漂移电流:±1pA，输入电流噪声:±0.5fA/Hz，带宽:42MHz。

可见，输入偏置电流和输入漂移电流较小，当小信号经过放大器被放大时，干扰也被放大，由于小信号与干扰信号相差较多，即使同时被放大也可以区分出有用信号，除去干扰信号。小信号的带宽在100KHz左右，芯片的增益带宽积是42MHz，满足条件。

3.4 A/D 转换器的选择［2］

此设计选用MAX189作为A/D转换的关键器件。主要原因有三点:①它的转换速度75KHz，转换时间8.5μs，设计中传感器采集的大量信号要进行及时处理才能使得系统实时处理的功能实现，使得系统设计有实际意义;②它的位数(12位主次比较型)能够保证系统精度;③它拥有优异的AC特性，极低的电源消耗和较小的封装尺寸。

MAX189要求外接基准电源，经过微弱信号放大电路放大后的电压信号约为2V左右，调节滑动变阻器便可调出0～5V的电压，滑动变阻器的另一端接到MAX4488的第四个引脚上。如图2所示。