بخشی از مقاله
چکیده - دراین مقاله، یک آشکارساز تخلیه جزئی با استفاده ازحسگر فیبر نوری غیرذاتی بر پایهی تداخلسنجی فابری- پرو گزارش میشود. دیافراگم این حسگر با استفاده از پلی تترافلئورواتیلن ساخته شده است. بر این اساس دیافراگم ساخته شده از این ماده بدلیل دارا بودن مدول یانگ کمتر در مقایسه با سیلیکا دارای حساسیت بالاتری برای آشکارسازی موجهای فراصوتی ناشی از تخلیه جزئی است. سر حسگر فیبر نوری یک کاواک فابری- پرو متشکل از یک دیافراگم با لایه نشانی نانوذرات نقره میباشد که در یک انتهای فیبرنوری تک مد قرار میگیرد. نتایج بدست آمده نشان میدهدکه حسگر مبتنی بر دیافراگم پلی تترافلئورواتیلن داری حساسیت 5/4 [ m/kPa] میباشد، که یکصد مرتبه بهتر از حسگرهای مبتنی بر دیافراگم سیلیکایی است.
-1 مقدمه
ترانسفورماتورهای قدرت از اساسیترین وگرانقیمتترین تجهیزات صنعت برق قدرت میباشند. وجود تخلیه جزئی نشانگر احتمال وقوع شکست عایقی است که به نوبه خود باعث بروز خسارات جبرانناپذیری به شبکه برق میشود. بواسطه ایجاد هر تخلیهی جزئی طیف گستردهای از امواج الکترومغناطیسی و صوتی تولید میشود. همچنین تخلیهی جزئی باعث تولید گازهای شیمیایی در اثر اندرکنش - اکسایش - با محیط اطراف خود میشود.
برای اندازهگیری این پدیده مطالعات گستردهای انجام گرفتهاست و استفاده از روشهای اندازهگیری شیمیایی، الکتریکی وآکوستیکی مرسوماند، که هرکدام از آنها دارای معایبی هستند.[1] حسگرهای الکتریکی ممکن است که در شرایط آزمایشگاهی نسبت به اندازهگیریهای شیمیائی و آکوستیکی دقیقتر باشند اما بهدلیل وجود تداخلهای الکترومغناطیسی شدید در ترانسفورماتورها و تجهیزات مرتبط، کالیبراسیون دقیق و قابل اعتماد برای اینگونه حسگرها دشوار است.[2]
حسگرهای پیزوالکتریک با وجود حساسیت بالا توانایی دریافت کامل طیف صوتی ناشی از پدیده تخلیه جزئی را دارا نمی باشند. همچنین روشهای شیمیائی موجود که برای اندازهگیری این پدیده مورد استفاده قرار میگیرند بهدلیل زمان بر بودن برای اندازهگیری گازهای آزاد شده از تخلیه جزئی تا زمانی که قابل آشکارسازی در آنالیز روغن باشند کارای چندانی را نخواهند داشت. برای حل تمام این عیبها و حل مشکل تعیین محل دقیق وقوع تخلیه جزئی در این مقاله حسگر فیبرنوری بر پایه تداخلسنجی فابری-پرو پیشنهاد شده است. این حسگر علاوه برمصونیت از تداخلهای الکترومغناطیسی، دارای مزایایی شامل برخط بودن و تشخیص سریع محل وقوع تخلیه را دارا میباشد.
حسگر فیبرنوری برپایهی میکرو کاواک تداخلسنجی فابری-پرو استفاده گستردهای در اندازهگیری فشار و امواج فرا صوت دارد. در مقایسه با حسگرهای الکتریکی و شیمیایی مرسوم، حسگرهای فیبرنوری دارای مزیتهایی مانند اندازه کوچک، عدم بروز تداخل ناشی از امواج الکترومغناطیسی، حساسیت بالا، پاسخ بسامدی مناسب در گستره وسیعی از طیف تخلیه جزئی هستند 3]و.[5 حسگر گزارش شده در این مقاله از نوع حسگرهای غیرذاتی فیبری است.
دیافراگم ساخته شده بر اساس تشدیدگر فابری- پرو قابلیت اندازهگیری فشار ناشی از صوت ایجاد شده در محیط را دارا میباشد. با وجود اینکه روشهای مختلفی با استفاده از پلیمر، سیلیکا، سلیکون، گرافین و... در ساختن دیافراگم این نوع حسگرها استفاده شده است 6]و[7 ، دیافراگم ساخته شده برای حسگر گزارش شده در این مقاله حساسیت و پاسخ بسامدی بهمراتب مناسبتری نسبت به سایر حسگرهای مشابه داراست.
-2 مبانی نظری
سر حسگر فیبرنوری مبتنی بر تداخل سنجی فابری-پرو، شامل فیبرنوری تک مد، کاواک هوا و دیافراگم میباشد. شکل 1 شمایی از سر حسگر ساخته شده را نشان میدهد. شکل :1 طرح کلی سر حسگر تداخلسنجی فابری-پرو مبتنی بر دیافراگم پلی تترافلورواتیلن - ورقه نازک تفلون - . نور خارج شده از فیبر نوری بعد از بازتابش از دیافراگم میتواند دوباره به فیبر نوری برگردد. حاصل جمع میدان الکتریکی این نور و مد برگشتی بواسطه بازتاب از انتهای فیبر تشکیل تداخل بین نور برگشتی از دیافراگم و مد انتشاری برگشتی در فیبر را میدهد. حال اگر دیافراگم بواسطه عوامل محیطی دچار تغییر شود میزان نور برگشتی از آن به فیبر و در نتیجه تداخل شکل گرفته دچار اختلال خواهد شد. بدین وسیله میتوان عوامل محیطی مؤثر بر دیافراگم را با استفاده از تغییرات شدت ثبت شده اندازهگیری نمود.
که در آن و بهترتیب شدت نور فرودی و بازتابی، 1 بازتاب از انتهای فیبرنوری، 2 بازتاب از دیافراگم لایه نشانی شده با نانوذرات نقره و طول موج مرکزی نور فرودی هستند. فاز نسبی مابین نور بازتابی از دیافراگم و مد بازتابی از انتهای فیبر نوری میباشد. این فاز در کاواکی از هوا به طول به صورت زیر بیان شود. فشار ناشی از موج صوتی روی دیافراگم باعث تعدیل طول کاواک فابری- پرو میشود. بنابراین فاز نسبی معرفی شده در رابطه - 2 - تغییر کرده و در نهایت شدت ثبت شده دچار تغییر میشود. با اعمال تبدیل فوریه از شدت ثبت شده در واحد زمان اطلاعاتی از بسامد صوت برخوردی به دیافراگم بدست میآید.
قبل از آزمایش اندازهگیری تخلیه جزئی، حسگر ساخته شده در چیدمانی که شمایی از آن در شکل 4 آمده است مورد آزمایش قرار میگیرد تا بدین وسیله از عملکرد دقیق آن در بسامدهای مختلف اطمینان حاصل گردد. در این آزمایش بسامدهای مختلف موج صوتی با استفاده از یک تولید کننده سیگنال و یک ارتعاشگر پیزو تولید میشوند. به منظور شبیه سازی شرایط ترانسفورماتور حسگر و منبع صوتی در داخل مخزن آب غوطهور هستند. نتایج حاصل از این آزمایش برای بسامدهای گوناگون در شکل 5 آمده است. شکل :2 نمودار حساسیت محاسبه شده دیافراگم به شعاع 2/5 میلیمتر بر حسب ضخامت آن برای سه دیافراگم ساخته شده از سیلیکا - نمودار آبی - ، فوتورزیست SU-8 - نمودار سبز - و پلیتترافلئورواتیلن - نمودار قرمز - .
