ИНФРАКРАСНАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА
INFRARED OPTICAL-FIBER WIND-GENERATOR TEMPERATURE MONITORING SYSTEM

о
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 -20С, 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].
о
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 температурыдо ± 1,0 С, 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.
о
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 С. 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:
о
о
– источник излучения – лазеры, длина волны (λ) 1,310 и 1,550 мкм, что соответствует температурам 1039С и 1596 С, 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.
о
Такой ВОД косвенно определяет температуру с неудовлетворительной точностью определения ±1,0 С и выше.
о
о
о
о
Также следует отметить, что главным недостатком данной конструкции, которая реализует метод оптического контроля, является невозможность прямого измерения температуры в диапазоне работы ветрогенератора от +300до -20С, так как оптический диапазон кварцевых волокон ограничен длиной волны 2,0 мкм, что соответствует температуре 1176 С [W. Wien. Temperature and entropy of starching. – Annals of Physics. – 1894. – Vol. 52. – P. 132-165.], а ветрогенераторные установки работают в диапазоне от -20 С до +300 С. 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.
1-x
x
1-0.54x
0.54x
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 AgTlBrI, 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).
о
о
1-x
x
1-0.54x
0.54x
ИК излучение, источником которого является комплектующий узел ветрогенератора (подшипники или обмотки ветрогенератора) (1), работающий в температурном диапазоне от -20Сдо+300 С (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 расстоянии30 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 составаAgTlBrI, 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.
о
о
о
о
0.46
0.54
Технический результат изобретения достигается благодаря прямому бесконтактному измерению температуры ветрогенератора с высокой точностью определения ±0,1 С и ниже, в прототипе ±1,0 С и выше. Прямой контроль температуры, вместо косвенного, стал возможным благодаря замене кварцевых волокон, прозрачных в узком спектральном диапазонеот 0,2 до 2,5 мкм, применяемых в прототипе, на поликристаллические инфракрасные световоды, пропускающие в среднем ИК диапазонеот 2,0 до 25,0 мкм, что соответствует температурному диапазонуот +900С до -150С. Канал передачи ИК излучения изготовлениз световодов, получаемых методом экструзии на основе нового класса фото- и радиационно-стойких монокристаллов системы AgBr-(TlBrI).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.