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探讨温度传感器

温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种,现代的温度传感器外形非常得小,这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中,也为我们的生活提供了无数的便利和功能。 

一、温度传感器有四种主要类型:热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。

    接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触,又称温度计。 

    温度计通过传导或对流达到热平衡,从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内,温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差,常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究,测量120K以下温度的低温温度计得到了发展,如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件,可用于测量1.6~300K范围内的温度。

    非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触,又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速(瞬变)对象的表面温度,也可用于测量温度场的温度分布。最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律,称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法(见光学高温计)、辐射法(见辐射高温计)和比色法(见比色温度计)。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体(吸收全部辐射并不反射光的物体)所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度,则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长,而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关,因此很难精确测量。在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度,如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下,物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制,可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正,最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射,从而提高有效发射系数:式中ε为材料表面发射率,ρ为反射镜的反射率。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量,则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度(即介质温度)进行修正而得到介质的真实温度。 

    非接触测温优点:测量上限不受感温元件耐温程度的限制,因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800℃以上的高温,主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展,辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展,700℃以下直至常温都已采用,且分辨率很高

温度传感器,使用范围广,数量多,居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段:

1.传统的分立式温度传感器(含敏感元件),主要是能够进行非电量和电量之间转换。传统的分立式温度传感器——热电偶传感器。热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器,它与被测对象直接接触,不受中间介质的影响,具有较高的精度;测量范围广,可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬,最低可测到-269℃,钨——铼最高可达2800℃。

2.模拟集成温度传感器/控制器。模拟集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺制成的,因此又称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的,它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温,不需要进行非线性校准,外围电路简单。

3.智能温度传感器。目前,国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。

二、温度传感器在牵引供电系统的应用

随着生产生活自动化程度的提高,特别是牵引供电系统,对电力等能源供应的可靠性提出了越来越高的要求,而电力系统包括变电所、AT所等也向着电压等级提高自动化水平提高的方向发展。因此,电力系统的实时监测、控制的管理水平也必须随之不断提高。

变电所等电气设备的各种触点、连接点,如开关触点、电缆接头、母线联接点、隔离开关和变压器引接线接头等,由于高电压、大电流的作用,易引起局部高温。以30KV隔离开关电缆头为例,触点在长期运行过程中,因老化、松动或污染易造成间隙或接触电阻增大,在通流时引起持续发热,严重时将造成电缆头烧损甚至引发更大的事故。

武广高铁为了提高设备运行的稳定性,对接触网隔离开关电缆头、GIS开关柜电缆头和变压器电缆头安装了温度传感器,对电缆头温度进行实时在线监控,并将监控数据和警报信息集中传递到调度中心,实现对关键设备的安全、实时管理。

普通的温度监测方法主要采用热电偶、热电阻、半导体温度传感器等温度传感元件实现的,这种方法要么传感器本身带有金属,要么需要金属导线传输信号,在电缆头上,要实现系统可靠的绝缘困难重重。

红外测温虽为非接触式测温,但它易受环境及周围的电磁场干扰,目前常用的是利用手持式红外热成像仪或点测仪进行人工非在线式温度测量。当需要在线监测时,由于红外测温探头需要与被测点保持一定的距离,探头的安装以及温度信号的传输同样非常困难。

因此,我们采用光纤光栅温度传感器。光纤光栅温度传感器采用光纤光栅作为敏感元件,由于光纤具有优异的绝缘性能,可直接将传感器安装到开关柜内的裸露触点上,并方便地将测量信号传输至开关柜外,实现触点运行温度的在线监测。

光纤温度传感器采用一种和光纤折射率相匹配的高分子温敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纤外面,使光能由一根光纤输入该反射面出另一根光纤输出,由于这种新型温敏材料受温度影响,折射率发生变化,因此输出的光功率与温度呈函数关系。其物理本质是利用光纤中传输的光波的特征参量,如振幅、相位、偏振态、波长和模式等,对外界环境因素,如温度,压力,辐射等具有敏感特性。它属于非接触式测温。从室温到1800℃全程测温的光纤温度传感器的系统主要包括端部掺杂的光纤传感头、 Y型石英光纤传导束、 超高亮发光二极管(LED)及驱动电路、 光电探测器、 荧光信号处理系统和辐射信号处理系统。 

  系统的工作原理为: 在低温区(400℃以下), 辐射信号较弱, 系统开启发光二极管(LED)使荧光测温系统工作。 发光二极管发射调制的激励光, 经聚光镜耦合到Y型光纤的分支端, 由Y型光纤并通过光纤耦合器耦合到光纤温度传感头。 光纤传感头端部受激励光激发而发射荧光, 荧光信号由光纤导出, 并通过光纤耦合器从Y型光纤的另一分支端射出, 由光电探测器接收。 光电探测器输出的光信号经放大后由荧光信号处理系统处理, 计算荧光寿命并由此得到所测温度值。 而在高温区(400℃以上), 辐射信号足够强, 辐射测温系统工作, 发光二极管关闭。 辐射信号通过蓝宝石光纤并通过Y型光纤输出, 由探测器转换成电信号, 系统通过检测辐射信号强度计算得到所测温度。 光纤传感头端部由Cr3+离子掺杂, 实现光激励时的荧光发射。 掺杂部分光纤长度为8~10 mm。 端部光纤的外表面同时镀覆黑体腔, 用于辐射测温。 (这时,光纤黑体腔长度与直径之比大于10,可以满足黑体腔表观辐射率恒定的要求)。 值得注意的是, 避免或减少荧光发射部分与热辐射部分的相互干扰, 对保证整个系统的性能十分重要。

光纤光栅温度在线监测系统采用光纤光栅温度传感器进行温度监测,光纤传输温度信号,使系统介质实现了全光纤化,由于光纤固有的高绝缘性和抗电磁场干扰性能,保证了系统的本安性,从根本上解决了上述难题。

光纤光栅温度在线监测系统具有极高的安全性、可靠性和测量精度,安装施工方便,对温度量进行全数字化处理,具有通信功能,既可自成系统,又可方便地接入电力其他系统,如DCS、ECS、SIS或MIS等。

光纤光栅温度在线监测预警系统采用分散式就地安装的前端设备(如电动机测温装置、变压器测温装置、开关柜测温装置等),用多路光缆将这些前端设备连接起来构成电气设备温度监测网络;通过以太网连接设备将数据库服务器、电气运行工作站,维护工程师站等组网构成电气监控管理上位机系统;通过工程师监控站连接DCS系统;通过服务组件与电厂的MIS系统、SIS系统、INTERNET网等互联。采用该系统的优点是:设备就地安装,与DCS间通过工程师监控站连接,节省大量控制电缆;省略诸多中间环节,避免潜在事故隐患;综合利用电气系统联网的信息全面的优势,根据历史数据对比提前发出预警,防患于未然,减少电力行业的损失。

电缆接头上传感器的安装

由于电缆的过热事故90%以上发生在接头处,因此我们一般都将温度传感器布设在电缆接头的外封套上,安装步骤如下:首先根据电缆接头的外封套长度判断接头的位置,其次在最靠近接头处用环氧导热胶将传感器固定好,最后用防火耐热尼龙带将传感器固定。具体安装方式参见图。

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电缆接头上传感器的安装示意图

母线接头上传感器的安装

母线接头的传感器安装图如图所示,安装步骤与电缆接头上的类似:首先根据电缆接头的外封套长度判断接头的位置,其次在最靠近接头处用环氧导热胶将传感器固定好,最后用防火耐热尼龙带将传感器固定。

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母线接头上传感器的安装示意图

单出头传感器布设

单头出纤的传感器应采用星形方式布设,一般用于高压开关、高压开关接线头、空间狭小的位置以及需特殊处理等位置的监测,布设方式如图所示。


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传感器单芯光纤○1 一分三光路盒○2 一分六光路盒

单头传感器布设示意图


三、光纤温度传感器的实用化改进

    我们可以采用导热性好的铜制套管来保护砷化镓材料,以提高传感器的动态特性。为减小强交变电磁场的影响,铜制套管的一边被切出一道细缝,并最终用热缩套管固定住。通过在0.1 特斯拉的强交变磁场中的试验,发现其在0.1℃的分辨率下看不到温度的改变,并且对砷化镓的传光特性也没有影响,但是套管的热滞后常数由聚四氟乙烯套管的15 秒减小到8 秒。采用恒流源来驱动发光二极管,以防止电源电压波动导致的电流变化造成的光强波动。

温度传感器对我们生活产生了极大的影响。光纤温度传感器不但测温对象广,而且测温准确度、灵敏度高,抗电磁能力强,数据传输距离远,使用寿命也长,相对传统的温度传感器,它的价格也低廉,更经济实用。

   都睿感控科技公司设计开发的传感器,包括霍尔传感器等各类型,满足客户的需求。


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