ИНФРАКРАСНАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА

Изобретение относится к инфракрасной волоконно-оптической системе, предназначенной для контроля температуры и диагностики комплектующих узлов ветрогенератора (подшипников и обмоток электродвигателей), которые работают в температурном интервале от +300 до -20 ^оС, что, согласно законам Планка и Вина, соответствует спектральному диапазону от 5,1 мкм до 11,5 мкм [M. Planck. The theory of Heat Radiation. – 2nd. – P. Blakiston's Son & Co. – 1914. – P. 252].

Известна диагностика температурного состояния ветрогенератора термопарами и термометрами сопротивления контактным методом
[A. D. Spacek, O. H. Ando Junior, J. M. Neto, V. L. Coelho, M. O. Oliveira,
V. Gruber, L. Schaeffer. Management of mechanical vibration and temperature in small wind turbines using ZigBee wireless network. – 2013. – Vol. 11, № 1. – P.512-517; K. E. Haman, S. P. Malinowski, B. D. Strus. Two new types of ultrafast aircraft thermometer. – 2001. – Vol. 18, Iss. 2. – P. 117-134].
Их недостатком является низкая точность измерения температуры
до ± 1,0 ^оС, а также помехи, возникающие в результате близкого расположения электрогенератора. Корме того, невозможно ими измерить температуру подвижного объекта.

Таким образом, измерение температуры в труднодоступных, удаленных или подвижных объектов требует применения особых приборов с длинными каналами доставки сигнала, сложной системы их обработки, большого количества дополнительных устройств генерации, преобразования и приема. Кроме того, при воздействии электромагнитных помех, дополнительным требованием к измерительным приборам является помехозащищенность.

Известна инфракрасная (ИК) волоконная сборка из семи галогенидсеребряных световодов системы AgCl – AgBr, предназначенная для бесконтактной визуализации распределения теплового поля от удаленного объекта в диапазоне температур от -150 до +900 ^оС. Показана принципиальная применимость в низкотемпературной ИК пирометрии на примере передачи теплового изображения нагретой проволоки и лопатки турбины через ИК световод [А. С. Корсаков. Структура фотонно-кристаллических световодов на базе модифицированных галогенидсеребряных кристаллов и исследование их функциональных свойств: автореф. док. дисс. на соиск. степени д-ра.
техн. наук., г. Санкт-Петербург. – 2018. – с. 29 (http://www.npkgoi.ru/?module=articles&c=Perso-nal&b=7&a=5)].

Известна также работа «Экспериментальное исследование теплопереноса инфракрасными галогенидсеребряными световодами» [Шмыгалев, А. С. Экспериментальное исследование теплопереноса инфракрасными галогенидсеребряными световодами: автореф. канд. дисс. на соиск. степени канд. техн., г. Новосибирск. – 2018. – с. 24 (https://www.nstu.ru/science/dissertation_sov/dissertations/view?id=17021)].

В этих работах показан только принцип возможной передачи по галогенидсеребряным ИК световодам теплового изображения, но не предложена конструкция ИК волоконно-оптической системы контроля температуры, который может применяться в ветроненераторах.

Известен волоконно-оптический датчик (ВОД) температуры на основе кварцевых световодов, применяемый в ветрогенераторах [A feasibility study of transformer winding temperature and strain detection based on distributed optical fibre sensors / L. Yunpeng [et.al] // Optics and lasers in engineering. – 2018. – № 111. – P. 167-171], включающий:

– источник излучения – лазеры, длина волны (λ) 1,310 и 1,550 мкм, что соответствует температурам 1039 ^оС и 1596 ^оС, соответственно;

– канал передачи излучения – кварцевый световод длиной 90 м, выполненный в виде катушки, прозрачный в указанном спектральном диапазоне;

– приемник – фотодиоды, λ = 1310 мкм и 1550 мкм.

Такой ВОД косвенно определяет температуру с неудовлетворительной точностью определения ±1,0 ^оС и выше.

Также следует отметить, что главным недостатком данной конструкции, которая реализует метод оптического контроля, является невозможность прямого измерения температуры в диапазоне работы ветрогенератора от +300 до -20 ^оС, так как оптический диапазон кварцевых волокон ограничен длиной волны 2,0 мкм, что соответствует температуре 1176 ^оС [W. Wien. Temperature and entropy of starching. – Annals of Physics. – 1894. – Vol. 52. – P. 132-165.], а ветрогенераторные установки работают в диапазоне от -20 ^оС до +300 ^оС. Поэтому применяемый в данной конструкции метод контроля температуры требует использования специальных программ и сложных дополнительных систем обработки оптических сигналов. Недостатком данного ВОД является также низкая точность измерения температуры до ±1,0 °С и выше.

Существуют проблемы контроля температуры ветрогенератора, связанные с низкой точностью и косвенным измерением температуры, вызванные воздействием электромагнитных помех генератора и сложным аппаратным комплексом для обработки сигналов. Низкая точность измерения нарушает режим работы ветрогенератора, а также повышает риск его аварийности, а косвенное измерение приводит к снижению точности и надежности системы контроля температуры.

Указанные проблемы решаются за счет того, что в инфракрасной волоконно-оптической системе контроля температуры ветрогенератора, включающей источник ИК излучения, канал передачи и приемник, отличающейся тем, что канал передачи выполнен в виде волоконной сборки диаметром 990 мкм и длиной 5 м, состоящей из 91 световода, каждый диаметром 90 мкм, изготовленного на основе монокристаллов системы Ag_1-xTl_xBr_1-0.54xI_0.54x, где 0,03≤х≤0,31, на входном торце которой установлена цилиндрическая линза с фокусным расстоянием 30 мм, оптически связанная с источником ИК излучения, а на выходном торце размещена собирающая линза с тем же фокусным расстоянием, оптически связанная с приемником ИК излучения, при этом в качестве источника ИК излучения используют подшипники или обмотки ветрогенератора, в качестве приемника используют тепловизор, а линзы изготовлены из тех же монокристаллов, что и волоконная сборка.

На фигуре показана новая инфракрасная волоконно-оптическая система контроля температуры ветрогенератора, где 1 – источник инфракрасного излучения, 2 – цилиндрическая линза, 3 – волоконная сборка (канал передачи ИК излучения), 4 – собирающая линза, 5 – приемник ИК излучения (тепловизор).

ИК излучение, источником которого является комплектующий узел ветрогенератора (подшипники или обмотки ветрогенератора) (1), работающий в температурном диапазоне от -20 ^оС до +300 ^оС (при длинах волн от 11,5 до 5,1 мкм, соответственно) и оптически связанный с каналом передачи (3), собирается цилиндрической линзой (2), которая фокусирует ИК излучение на входной торец волоконной сборки при фокусном расстоянии
30 мм. Данное фокусное расстояние линзы обеспечивает прием ИК излучения от объекта в канал передачи для эффективного контроля температуры бесконтактным способом. Через входной торец ИК излучение поступает в волоконную сборку диаметром 990 мкм и длиной 5 м (3), состоящую из 91 световода, каждый диаметром 90 мкм, изготовленного на основе фото- и радиационно-стойких монокристаллов состава
Ag_1-xTl_xBr_1-0.54xI_0.54x, где 0,03≤х≤0,31, и передается к выходному торцу волоконной сборки. Волокна обладают минимально возможным диаметром равным 90 мкм, таким образом при количестве волокон, равном 91 штуке, в сборке обеспечивается высокое пространственное разрешение.
ИК излучение, выходящее из торца волоконной сборки, фокусируется с помощью собирающей линзы (4) на объектив приемника излучения (5), в качестве которого применяется тепловизор, регистрирующий указанную температуру комплектующих узлов ветрогенератора. Линзы изготовлены из тех же монокристаллов, что и световоды.

Технический результат изобретения достигается благодаря прямому бесконтактному измерению температуры ветрогенератора с высокой точностью определения ±0,1 ^оС и ниже, в прототипе ±1,0 ^оС и выше. Прямой контроль температуры, вместо косвенного, стал возможным благодаря замене кварцевых волокон, прозрачных в узком спектральном диапазоне
от 0,2 до 2,5 мкм, применяемых в прототипе, на поликристаллические инфракрасные световоды, пропускающие в среднем ИК диапазоне
от 2,0 до 25,0 мкм, что соответствует температурному диапазону
от +900^оС до -150 ^оС. Канал передачи ИК излучения изготовлен
из световодов, получаемых методом экструзии на основе нового класса фото- и радиационно-стойких монокристаллов системы AgBr-(TlBr_0.46I_0.54).
Из этих же кристаллов изготовлены линзы [Жукова Л. В., Корсаков А. С., Львов А. Е., Салимгареев Д. Д. Волоконные световоды для среднего инфракрасного диапазона: учебник. – Екатеринбург: Издательство УМЦ УПИ, 2016. – 247 с.]. Конструкция новой инфракрасной волоконно-оптической системы контроля температуры ветрогенератора не требует дополнительно сложных систем обработки сигналов и дорогостоящего оборудования, как в прототипе. Следует также отметить, что канал передачи и линзы изготовлены из диэлектриков, которые не реагируют на воздействие электромагнитного излучения.