发射机光栅光纤温度监测系统

国家新闻出版广电总局二〇二四台 杨瑞霖

1.项目背景

广播短波发射机具有高频、高压、大功率等特点，其包括高前电子管、高末电子管、高末调谐调配电容等高频器件以及变压器、互感器、整流器等高压器件。这些元器件在工作过程中会释放大量的热量，容易造成发射机内部元器件的老化，影响使用寿命，甚至导致发射机存在一定的安全隐患，因此实际应用中需要对广播短波发射机的众多发热节点的温度进行实时监控和管理，确保设备的安全运行。

1.1 常用测温方式的缺点与不足

1.1.1 发射机射频播音射频机箱、高压柜母排、低压柜母排、控制机箱母排均处于高压连锁状态，发射机在运行状态下无法进行人工检查，因此，设备运行状态的信息就成为监测盲区；

1.1.2 手持式红外热成像仪测温时需要与被测物体保持合适的距离，测量温度受环境影响大，且必须在发射机停机时使用无法实时监测，不能第一时间发现问题；

1.1.3 使用无线测温设备进行发射机射频机箱内部温度的测量时，由于测温设备无法在发射机内部高频、高压和强电磁干扰等复杂环境下正常工作，经常出现误报警和采集数据不稳定；

1.1.4 使用温度贴片也可以对射频电容进行监测，测量点温度高于临界温度时，贴片立即变色，这种方法准确性差、无法实时监测、受环境温度影响大、重复使用率低。

为了克服上述现有技术的不足，本系统采用最先进的光纤光栅温度传感器进行短波发射机测温，其能够克服现有的测温设备无法在发射机内部高频、高压和强电磁干扰等复杂环境下正常工作的问题，同时也能够克服现有测温设备的测温效果不佳、测量精度低等问题，并能及时发现发射机内大功率元器件的温度异常问题。

1.2 发射机温度监测的必要性和意义

1.2.1 射频末级真空电容击穿故障不容易精确判断出具体哪只电容故障，通过实时监测电容温度信息，超温报警信息，可以精准判断出具体的故障电容，缩短处理故障时间；

1.2.2 为设备维护提供数据支持，制定科学合理的检修计划，减少盲目性停机检修，符合“状态检修”维护目的；

1.2.3 广播发射机正朝着“大功率、高稳定、智能化”的方向发展，通过技术手段将以往的监测盲区进行有效地监测，符合“优质零秒”运行目标；

1.2.4 可以在事故酝酿期发现运行隐患提前进行预警，减少经济损失降低安全隐患。

2.监测系统架构设计

发射机光栅光纤温度监测系统结构如图1所示，由光纤光栅传感器组成的光纤光栅传感器阵列、光分路盒、光路耦合器、扫描光源、同步控制单元、分光器、光电检测信号放大器、光纤光栅传感器智能解调仪、远程客户端、服务器和报警器；其中，光纤光栅传感器与光分路盒相连，用于产生与广播短波发射机内部测点相关的拉曼散射光，所述内部测点包括高压柜、低压柜、PSM调制变压器、控制机箱母线排、电子管进出水、末级电子管整流桥、高末调谐电容、阻抗匹配电容；光路耦合器连接于扫描光源的输出端和分光器的输入端，扫描光源的控制端连接同步控制单元的输出端，所述同步控制单元的输入端与服务器相连，其根据服务器发出的指令控制扫描光源同步产生激光，分光器接收并处理来自光路耦合器发出的信号，并将处理结果传给光电检测信号放大器，然后经光纤光栅传感器智能解调仪进行解调，服务器或者远程客户端对来自光纤光栅传感器智能解调仪的信息进行分析处理，获得相应测点的实时温度数据；服务器将所述实时温度数据与所述发射机内部测点预先设定的温度阈值进行比较并控制报警装置开启或关闭。

图1 发射机光栅光纤温度监测系统结构

3.系统软硬件组成

3.1 光纤光栅温度传感器

光纤光栅温度传感器是利用光纤材料的光敏性，在光纤纤芯上建立起的一种空间周期性折射率分布，使其对特定波长的入射光具有反射作用[1]。待测点温度发生变化时，光纤光栅的反射波长发生移动，温度变化引起的光纤光栅反射波长移动，反射波长的移动与温度的变化成线性关系，通过测量光纤光栅反射波长的移动，便可确定环境温度[2]。

系统采用的RBC-T01型光纤光栅温度传感器具有高绝缘、耐高温等特点，传感器采集到的被测点温度转换成光信号，通过光纤将信号传递给光栅光纤信号解调仪再进行解调。传感器外观图和安装示意图如图2、图3：

图2 RBC-T01型温度传感器

图3光纤光栅温度传感器固定示意图

3.2 光纤光栅智能解调仪

光纤光栅温度传感器其本质是通过波长变化来反映被测点温度的变化情况，一种波长编码的原理。光纤光栅智能解调仪，采用匹配光纤光栅滤波法，把被编码的波长解调出来与参考波长进行比较，通过内置光强探测器最大值或最小值，从而计算出被测点温度的变化情况。

图4 光纤光栅智能解调仪

3.3 服务器部分

依托于技术网大型专业服务器，提供系统所有相关的服务平台，SQLServer2008运行在其平台上，为“发射机光栅光纤温度监测系统”整合所有的数据，其中包括各监测点名称，历史表值，实时表值，报警表值，表值时间等，并预留接口便于日后拓展使用。

3.4 客户端部分

“发射机光栅光纤温度监测系统”基于JAVA平台，采用Swing语言开发通过网络通信协议与服务器端实时的进行数据交互具有实时显示发射机各个监测点的温度值，将以上参数进行综合分析，判断发射机的运行状态。报警设置、报警记录、历史记录分析等功能。

4.数据处理

系统可以选择不同的监测点，查看它的实时曲线，历史温度、报警温度等信息。每个测温点采集程序都会，频繁的收集它的实时温度。每组数据一个484字节，采用16进制的形式解析，每5秒往数据库内写一组，客户端则每500ms采集一次数据，保障实时性，数据传送到服务器上，处理后入库。后台系统维护功能主要给管理员提供系统日常维护功能，包括系统初始化，日志查看，备份等功能。此外，系统还辅助提供报表打印的功能。

图5 系统数据查询流程

4.1 实时界面显示

实时界面显示模块完成了对监测点温度的实时监测界面显示，如图6所示，监测界面采用柱状图形式将实时采集到的温度进行呈现，也可通过选择界面中的选项卡进入到发射机监测点面，不仅可以完整清晰发射机供电系统接线端子实时温度，并且还可以查看电容所在射频通路上的位置及实时温度。

4.2 历史数据查询

在查询工具栏中可以选择设定时间段，进行历史数据的查询；历史数据查询模块既可以曲线的形式表示也可以报表的形式进行查询。在历史数据查询中，可以选择需要监测点，按照分、时、日、月、年和自定义进行查询。历史曲线如图7所示，在曲线图的纵坐标（温度值）、横坐标（时间）的值，曲线呈现出在此段时间内监测点变化范围。

图6 实时界面显示

图7 历史数据查询

4.3 报警界面显示

报警贯穿于整个系统中，从服务器到客户端，都需要第一时间显示报警信息。声光报警是客户端采用的形式。其中，光报警表现在不同颜色代表测点了作状态的不同，绿色表示正常，红色则表示一级报警指示，黄色则表示二级报警指示。如图8所示，当温度超过二级报警温度绿灯会变成黄色同时有声音提示，当温度超过一级温度灯会变成红色同时有声音提示。

图8 报警界面显示

图9 报警数据查询

4.4 报警数据查询

报警数据查询模块可以满足用户对测点报警数据查询的需要，在此，以表格的形式直观显示特定通道下、特定分区的越限温度值。可以对需要查询的测点进行查询，选择好通道和分区后，可以选择要查询的时间段，进行查询。如图9所示，如：起始时间2017-8-1，结束日期为2017-11-20，报表中就会显示出这110天里监测点越限温度值。

5.系统实际使用效果

通过分析近几年调试与试运行过程中损坏的电容发现，真空电容击穿一般经历以下几个过程：真空电容表明温度急剧上升→发射机末级失谐→输出功率不足、损耗升高→发射机频繁打火、掉高压→真空电容被击穿→无法使用。

系统在发射机调试阶段发挥了巨大的作用，及时准确对真空电容温度的进行监测，使得调试与维护人员第一时间对发射机末级进行调整，避免10余次真空电容击穿，减少经济损失多达几十万。

6.系统优点

广播短波发射机的光纤光栅测温系统与现有技术相比具有以下优点：

6.1 能够在广播短波发射机强电磁干扰的环境下正常的工作，灵敏度高，测量精度高，适于远程监控；

6.2 光纤光栅传感器以光波的方式进行测量和传输，有效地克服零偏值漂移、电磁干扰、传输损耗等问题，保证了整个测温系统的精度和重复性；

6.3 系统能够实时监测发射机内部大电流、高电压、易发热器件的温度，并且服务器通过将获得的实时温度数据与各个元器件预先设定的温度阈值进行比较，判断其是否存在异常，并通过报警装置告知用户，从而减小广播短波发射机的安全隐患；

6.4 在未来大数据中，提供发射机重点部位及元件的温度数据。

7.结语

本系统结合发射机实际情况，设计了针对大功率发射机的光纤测温系统，解决发射机及其附属供电运行设备的实时、多点、在线监测，为设备安全运行提供了预警信息。

[1]申昊文,朱萍玉,施维,许沛胜,光纤光栅与电阻应变片磁场环境下应变测量的试验研究[J].自动化与信息工程,2014(4):11.

[2]孟凡勇,李志刚,郭转运,周大川,光纤光栅温度传感器在开关柜触头及母排温度监测中的应用[J].低压电器,2010(16).