温度监控设备、温度监控方法和温度监控系统

摘要

一种根据本发明的温度监控设备，包含控制系统（100），该控制系统（100）适于生成大体上周期性的控制波形，该控制波形应用于连接到光纤干涉仪（112）的具有可调谐波长的光源（111）的控制输入，其中测量光纤（120）连接在一个光纤干涉仪（112）的臂中，并且干涉仪（111）输出连接到检测器（113），该检测器（113）的输出连接到信号处理模块（101），该信号处理模块（101）适于标识光纤长度函数的温度改变，其特征在于，所述光源（111）相干长度长于0.5 m，并且周期性波形的周期短于或等于20 s，最小和最大波长之间的差异高于3 pm，并且光纤适于在其操作期间在车辆中的放能设备附近的其放置。根据本发明的温度监控方法，其特征在于，通过累积地计及使用根据本发明的设备在该设备的测量光纤上的测量点处检测到的改变来确定温度。根据本发明的温度监控系统，其特征在于，根据本发明的设备的测量光纤放置在车辆中的放能设备附近。

说明书

技术领域

本发明的目的是温度监控设备、温度监控方法和温度监控系统。本发明特别用于早期车辆火灾风险检测，特别是在引擎舱中或电力存储舱中，特别是用于电池。

背景技术

现有技术中已知存在许多用光纤进行分布式温度测量的解决方案。除其它物理现象之外，这些解决方案尤其基于瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射的物理现象。

瑞利散射是在其中光传播的环境的不均匀性的影响下的光的散射。涉及利用这种现象的技术的一个缺点是缺乏关于所研究环境中温度改变的绝对信息。

使用光纤长度函数中的斯托克斯和反斯托克斯强度差异分析，拉曼效应用于测量温度。光强度分析使得我们能够确定绝对温度，不幸的是，在光纤长度函数中，具有相对小的分辨率、在1 m的水平。另外，使用拉曼效应来监控温度需要使用非常灵敏的检测器或大量的平均，因为这种效应相当弱。

使用布里渊效应测量温度涉及分析由强光激发的光纤中生成的声波的传播频率。

在2006年3月16日的题为“Calibrating an optical fmcw backscatteringmeasurement system”的发明的公开号为W02006027369的国际专利申请中，公开了一种基于瑞利效应而操作的光学温度监控系统，带有具有用锯齿波形调谐的波长的光源，其中测量光纤长度函数的温度改变是基于检测和分析干扰源波的反射波来确定的。

在2017年5月17日的题为“Optical health monitoring for aircraft overheatand fire detection”的发明的公开号为EP3246683的欧洲专利申请中，公开了一种通过使用涉及温度测量的光纤监控温度、检测是否超过阈值、以及在这样的情况下生成警报来检测过热和火灾风险的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种适于车辆引擎、特别是汽车和公共汽车中的温度监控的设备，其使得能够检测与改变、特别是与温度升高相关的车辆组件故障。

根据本发明的温度监控设备包含控制系统，该控制系统适于生成大体上周期性的控制波形，该控制波形应用于连接到光纤干涉仪的具有可调谐波长的光源的控制输入，其中测量光纤连接在光纤干涉仪的臂中的一个中。干涉仪输出连接到检测器，该检测器具有连接到信号处理模块的输出，该信号处理模块适于标识光纤长度函数的温度改变。光源相干长度长于0.5 m、优选地2 m、优选地超过20 m。大体上周期性的控制波形的周期短于20s、优选地短于10 s、或甚至短于4 s。使用具有这样的周期的周期性波形和它们相应的源波长调谐，分别为≥3 pm、≥8 pm和≥17 pm，准许获得分别小于50 cm、20 cm和10 cm的空间测量分辨率。光纤适于在其操作期间在车辆中的放能设备附近的其放置，除其它之外，这尤其意味着其外壳必须承受至少70℃的温度而不损坏，并且应该选择这个外壳以便保护它免受破坏或退化，至少达到位于光纤旁边的组件的正常操作温度。

优选地，测量光纤是单模光纤。这样的解决方案准许算法的简单实现，而同时不需要实施单模操作的附加系统。

替代地，干涉仪和测量光纤之间的连接通过单模激发系统运行。

还替代地，至少存在一个模滤波器、或确保光源和检测器之间的单模操作的设备。

在光源和检测器之间至少存在一个偏振器或偏振分离器，这确保用单个光偏振进行操作并避免使用偏振分离系统和单独检测其正交状态。

优选地，测量光纤是偏振保持光纤，其确保在没有附加系统的情况下用单个光偏振进行操作。

优选地，检测器的特征在于等于或小于60 pW*Hz

优选地，信号处理系统通过模拟到数字转换器连接到检测器，所述模拟到数字转换器具有至少6位的分辨率以及20 kHz或更大的采样率，其简化了控制算法的实现和充分分辨率的提供。

优选地，该设备包含连接到控制系统的周围温度传感器。

优选地，测量光纤在其端部处包含降低反射率的组件，特别是具有衰减组件。

根据本发明的使用温度传感器的车辆的温度监控方法，涉及检测超过指定阈值的温度，并且倘若超过该值则生成警报信号，其特征在于以下事实：使用根据本发明的设备检测超过指定值的温度。测量光纤被放置在车辆中的放能组件附近，设定初始温度，然后，在随后的光源调谐周期中，使用它来迭代地监控沿着测量光纤的温度改变，累积地更新测量光纤长度内的至少一个测量点的电流值，然后将其与阈值进行比较。

优选地，测量光纤放置在车辆中来自组的至少一个组件附近，该组包括燃料泵、燃料歧管、涡轮增压器、排气歧管、交流发电机、起动机、空气压缩机、油泵、油底壳、加热器单元、AC压缩机、电子控制系统、电线束、电池和燃料电池，并且至少一个测量点位于这些组件中的至少一个附近。特别地，监控这些组件使得我们能够检测与火灾风险相关的温度升高或需要干预的故障。

使测量光纤装备有标尺，该标尺指示距测量光纤起点或距至少一个测量点的距离，准许更容易地将测量光纤放置在车辆中，并将测量点分配给汽车组件。这个标尺可以构成与光纤捆绑在一起的附加组件或其外部表面上的标记。

优选地，初始温度由周围温度传感器的自动读出确定。

优选地，初始温度经由其接口输入到控制系统中。

优选地，取决于测量光纤的哪个点是温度超过阈值的点来选取所生成的警报信号。

一种根据本发明的用于监控车辆组件温度的系统，其包含放置在车辆的至少一个组件附近的用于测量温度的光纤设备，其区别在于以下事实：用于测量温度的光纤设备是根据本发明的设备。

优选地，该系统包含适于自动实现根据本发明的方法的数字系统。该系统可以与根据本发明的设备的控制系统集成。

根据本发明，适于温度监控的计算机程序产品包含用于根据本发明的设备的控制系统的指令集，用它执行根据本发明的方法的实现。

附图说明

本发明的目的作为附图中的实施例呈现，其中图1a描绘了根据本发明的实施例的设备的框图，图1b描绘了根据本发明的替代实施例的设备的框图，图2描绘了根据本发明的实施例的方法的流程图，图3描绘了根据本发明的系统的实施例中的具有操作温度和组件的温度阈值的表格，而图4描绘了列出针对源调谐时间和调谐范围的所选择的优选值对可能实现的最大理论空间分辨率的表格。

具体实施方式

根据本发明的实施例，具有如图1a中所描绘的框图的设备装备有由控制系统100控制的可调谐光源111。由光源111生成的光的波长受到调谐。由于实现温度改变测量方法的简单性，用线性调谐、锯齿调谐或三角形调谐已经获得了最好的效果。尽管如此，用其它周期性波形的解决方案是可能的。源连接到干涉仪112，在该干涉仪112中它正在被分离。在图1中用具有箭头的双线标记光传播，示出了简化的传播方向。

构成参考光束的光的部分直接或通过参考臂（图中未示出）被定向到检测器113，而另一部分被定向到测量光纤120并构成测量光束。瞄准测量光纤的测量光束贯穿其长度受到瑞利散射。这种散射的结果是光返回到干涉仪112，该干涉仪112将光定向到检测器113。在检测器113中，观察到参考光束的干涉，其中来自测量光束的光在测量光纤的各种点处散射。对于一些用途，使用两个或更多个检测器并添加它们的输出信号是合理的。如果应用的光纤不保持偏振，则它是特别有用的方法。

在光散射的点处的温度改变导致检测器113检测到的信号的改变。来自检测器113的所述信号被传递到处理模块101，在该处理模块101中基于所述信号的改变来确定测量点的温度改变ΔT。

信号处理模块101连接到控制系统100。控制系统100连接到可调谐光源111。因此，使信号处理与源调谐同步并沿着测量光纤120的长度标记测量点的位置是可能的。信号连接在图1中由单线标记。

测量光纤120中的每个点均可以被视为向后定向的光的源。来自这样的源的信号与参考信号的拍频正比于沿着光纤的距离。它是确定给定测量点相对于光纤起点的位置的基础。温度测量在于分析在光纤的指定段处的反向傅里叶变换。观察到的拍的相位在温度的影响下改变，其明确表示温度改变。因此，测量点的概念意味着具有等于空间分辨率的长度的光纤段，其中温度改变被读取为分析段长度上的平均温度改变。空间分辨率也影响区分组件的能力。如果必要，在测量点之间人工延伸光纤段，即放置比必要更长的段，以及将它们多次放置在相同的组件附近是可能的。

通过使用降低来自组件121的反射率的设备——特别是降低在测量光纤端部处返回的信号强度的衰减组件——系统的操作被改进。这样的组件防止了来自光纤端部的强信号的反射，并转化为改进的信噪比。提供至少6 dB的反射衰减是有利的。这个功能可以例如通过以下来实现：成角度的物理连接器（APC），或者用由折射率类似于玻璃折射率的物质覆盖的成角度切口来终止光纤，或者使用衰减器或光学隔离器。通过使用20 dB或更强的反射衰减系统，已经获得了测量准确度的显著改进。提供60 dB衰减的设备已经显著简化了根据本发明的方法的实现。

光源相干长度111应该至少是测量光纤120的两倍长。适用于监控车辆引擎舱或电池舱的相干长度通常在从1 m至1 km的范围内。这意味着光源111应该具有至多70 MHz、优选地小于1 MHz的带宽。对于具有小于100 kHz的带宽的源，已经获得了最好的效果。以上频带对应于满足针对中心波长1550 nm在权利要求中规定的相干长度条件的相干长度。

在该实施例中，可调谐光源111具有0 dBm的功率，但是对于功率范围在-5 dBm和24 dBm之间的源已经获得了良好的效果。

如果源从众所周知的初始波长（优选地具有至少5 pm的精度）线性调谐到已知的波长，则根据本发明的方法易于实现。调谐范围应该超过50 pm。调谐点初始设定的准确度影响测量不确定度。1 pm的误差转化为近似0.8开氏度的错误读数。在该实施例中，光源111适于以连续方式进行波长调谐，具有至少1 nm的范围。

在仅需要若干测量点或涉及监控较大设备的应用中，偶尔可以使用具有显著较窄的调谐范围（甚至高达3 pm）的光源。调谐时间和调谐范围的典型对的最大理论空间分辨率值列出在图4中所呈现的表格中。这里需要指出的是，在现实操作条件下实际可能达到的值偶尔非常显著地（甚至多于一个数量级）偏离理论值。这证明了冗余系统设计合理。

测量光纤120应该适于寻址一个模组。它应该优选为具有操作波长的单模光纤，优选地具有高数值（即等于或大于0.12）的孔径。这样的孔径确保了足够水平的反向信号和允许水平的弯曲损耗。对于满足ITU-T G.652建议要求的单模光纤，已经获得了良好的效果。

光纤外壳应该适于在85℃的温度下长期工作。它可以由例如聚酰胺、铝、铜、有机改性陶瓷（Ormocer）或金制成。在某些应用中，有必要将外壳限制为最耐用的涂层，该涂层提供至少200℃的耐温性。例如，铜基外壳提供高达400℃的耐温性，而金基外壳提供高达600℃的耐温性。

在该实施例中，检测器113具有8 pW*Hz

图1b中示出了替代实施例。替代地使用单模光纤、或与使用单模光纤一起，可以将较高阶模滤波器114引入光源111之间的测量路径。如果放置在检测器113附近，则它将操作得最好。

另一可允许的替代解决方案是在多模光纤之前选择性增加较高阶模的损耗，或者通过使用多模光纤的特殊激发以便有效地传播1模。

另外，可以在干涉仪和测量光纤之间使用单模激发系统115。

在光源111和检测器113之间使设备装备有偏振器116构成了使用偏振光源的替代方案。在这样的系统中，如果使用偏振分离器和检测正交偏振的检测器，使得能够通过对来自两个正交偏振的信号求和来获得信号，则可能在不自动保持偏振的系统中获得操作。

在替代实施例中，可能使用偏振保持光纤，其准许从系统（偏振器或偏振分离器）消除偏振组件。可以使用的偏振保持光纤包括例如PANDA纤维和蝴蝶结纤维、或从现有技术（例如从题为“Polarization-maintaining fibers and their applications”，Noda J.等人，1986，《光波技术杂志》，第4卷，第8期的出版物）已知的椭圆芯纤维。

连接到控制系统100的附加周围温度传感器130的使用促进确定初始温度T

根据本发明的温度监控方法可以用于通过监控引擎舱或电池舱中的温度并通过为所有测量点指定单个阈值来检测火灾风险。在这样的情况下，阈值从130℃到220℃的范围选取；在该实施例中，其是175℃。这样的范围和值选择需要使用针对测量光纤更耐久的外壳；在该实施例中，使用铜基外壳。如果超过该值，则生成警报信号。根据本发明的设备的使用准许连同警报信号一起指示记录温度阈值的测量点。使用根据本发明的设备来监控温度，该设备的测量光纤120被放置在引擎舱或电池舱中，并且被放在放能组件附近；然后，分配给这些组件并位于测量光纤120上的测量点的改变被累积地更新。这种分析的方法需要设定初始温度。引擎舱内部的初始温度被输入到根据本发明的设备中，或者从周围温度传感器130读取，替代地接收表示温度的信号。在图2中所示出的流程图中的初始化阶段200中包括了为贯穿光纤的至少一个点设定初始温度T

在当前迭代和参考（先前）迭代中，使用现有技术OFDR（光学频域反射测量术）方法，使用信号（温度改变信号）的互相关2，确定位于距测量光纤120的起点距离d处的测量点P处的温度改变。这些信号可以使用来自光纤研究段的信号的反向复杂傅里叶变换来确定。仅考虑对应于空间分辨率的、呈现在检测器处的拍频段。偏移两次测量的互相关对应于再现参考信号的波长的偏移。这个效果的各种技术在题为“Optical Frequency DomainReflectometry : sensing range extension and enhanced temperature sensitivity”（《光频域反射测量术：感测范围扩展和增强的温度灵敏度》），渥太华-加拿大渥太华大学卡尔顿物理研究所，2014年宋佳（Jia Song）的硕士论文中呈现。然而，该领域的专家可以常规地提出使用由具有周期性调谐波长的光源激发的测量光纤来确定温度的其它可应用方法。

建议将测量光纤120放置在车辆的引擎舱中，以便使它紧邻在某些情况下倾向于过热并可以引起火灾的组件运行，所述组件诸如例如：燃料泵、燃料歧管、交流发电机、起动机、引擎的电子部件、涡轮增压器、油底壳。选择测量光纤120上的测量点，以便将它们直接紧邻这些组件放置。在图3中所示出的表格中列出上述组件的正常操作温度。由于这些温度变化显著，使用根据本发明的方法和根据本发明的设备，通过针对测量光纤120的不同测量点P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7使用不同的阈值，可以改进根据本发明的系统的火灾检测特异性，所述测量光纤120位于距其起点各种距离处。由于正常操作值的显著散布，针对不同的测量点使用不同的阈值温度值是合理的。在图3中所示出的表格中也列出该实施例中使用的值。使用超过正常操作温度30℃或更多的准则。依据关于与火灾风险检测相关的系统特异性和敏感性的要求，也可以提出其它更复杂的准则。特别地，为了改进特异性，随着周围温度的升高而增加阈值可能是合理的。光纤外壳的选择取决于哪些车辆组件将被监控。例如，为了监控燃料歧管，通常仅需要耐70℃以上温度的测量光纤；监控涡轮增压器需要耐至少140℃、或在某些型号中更高的温度。

每个车辆单独选择组件组，该组件组包括温度将被测量的组件。除了前面提到的那些，它还可以包括排气歧管、空气压缩机、油泵、加热器单元、AC压缩机、电线束，以及在电动和混合动力汽车的情况下：电池、燃料电池和转换器。分析乘客区域中的放能设备和倾向于火灾风险的地方也是合理的。

优选地，测量光纤装备有指示距测量光纤的起点或至少一个测量点的距离的标尺。这样的解决方案促进将测量光纤放置在车辆中，并将测量点分配给车辆组件。

使用根据本发明的系统使得能够检测火灾风险以及与温度升高相关的其它有害现象。在这样的情况下，使用与给定现象相关的阈值。例如，排气系统泄漏（例如在排气歧管或涡轮增压器区域中）与排出热烟气有关，这构成了需要自行干预的故障。在一些情况下，热烟气也可能导致附近组件的着火。空气系统堵塞可能增加空气压缩机中的压力，并且因此提高温度，这也可能导致着火。滑轮堵塞可能导致V-带摩擦滑轮，这可能导致这些带的着火。

取决于放测量光纤的方式，可以将单个组件分配给一个或多个测量点。通过将测量光纤多次放在给定组件附近（例如通过缠绕），测量点的数量可以成倍增加，并且可以使用这些点处的温度分布的附加准则。

与正常操作温度相比，该设备、方法和系统还可以用于检测与降低的设备温度相关的故障。在这样的情况下，阈值温度在正常操作温度的较低范围附近确定，并且检测到其中设备的温度低于阈值温度的情况。混合解决方案也是可能的，其中设定两个阈值温度，并且检测高于第一阈值温度的操作温度和低于第二阈值温度的操作温度二者，用适当的警报标记这两种情况。

已经阅读了本说明书，专家可以常规地提出关于以下各项的许多替代解决方案：测量光纤的放置、测量点的分布、阈值温度值，或设定用于生成与测量点处的温度分布及其与阈值温度的关系相关的警报的复杂条件。

已经阅读了本说明书中指示的要求和参数，专家还可以为根据本发明的设备的子组件常规地提出许多结构解决方案，特别是各种类型的光纤和外壳，以及足够的检测器、光源或控制系统。控制系统可以是模拟系统、全数字系统、或具有用于生成控制波形的模拟外围设备的数字系统。特别地，为此，使用信号处理器和FPGA电路是可能的。

根据本发明的方法可以由操作员或以自动方式执行。

这些和其它发明执行变型如所附专利权利要求书中所限定的被保护。

本发明也应用于电池冷却系统中的温度控制以及乘客空间或能量资源管理系统中的温度测量。