Магнитооптический измеритель постоянных магнитных полей и токов

 

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения магнитных полей постоянных и электромагнитов, а также для бесконтактного измерения постоянных токов в системах питания электроустановок. Сущность изобретения: работа измерителя основана на использовании эффекта Фарадея в магнитооптической пленке 4 с плоскостной анизотропией, намагниченность которой зависит от внешних магнитных полей. Пленка 4 расположена на оптическом контакте на гипотенузной грани призмы 3. Поляризованный свет от светодиода 1 модулируется в пленке в соответствии с ее намагниченностью. Лучи с ортогональными поляризациями разделяются анализатором 5 и детектируются фотодиодами 6 и 7, соединенными с дифференциальным усилителем 8. Сигнал с выхода усилителя 8 обрабатывается параллельно в двух каналах: первом, состоящем из фильтра 9 нижних частот и компаратора 12, вырабатывающим управляющий сигнал в соответствии со знаком постоянной составляющей дифференциального фотосигнала, и втором, состоящим из фильтра 10 верхних частот, синхронного детектора 11 и компаратора 13, вырабатывающим управляющий сигнал в соответствии со знаком синхронно детектированной второй гармоники фотосигнала. Сигналы обоих каналов поступают на вход коммутатора 15, управляемого детектором 14 нуля. Выход коммутатора соединен с входом усилителя 16 тока, питающего катушку 17, служащую для компенсации внешних магнитных полей. Для устранения влияния коэрцитивности и обеспечения работы устройства на второй гармонике подмагничивающего тока используется вторая катушка 18, соединенная с генератором 19 высокочастотного сигнала. По величине тока через катушку 17 судят об измеряемых величинах. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения магнитных полей постоянных и электромагнитов, а также для бесконтактного измерения постоянных токов в системах питания электроустановок.

Известно устройство для измерения постоянных магнитных полей и токов, основанное на использование эффекта Холла в полупроводниках [1] Однако, значительная температурная зависимость в устройствах прямого измерения без обратной связи и значительные шумы приводят к большим погрешностям измерений. Применение компенсационных методов в таких устройствах, когда чувствительный элемент управляет цепью отрицательной обратной связи, ведет к существенному снижению температурной нестабильности, но не устраняет влияние шумов.

Кроме того, шина, по которой протекает измеряемый ток, часто пропускается внутрь замкнутого магнитопровода, в котором создается компенсирующее магнитное поле, а это требует разрыва токоведущей цепи для монтажа датчика, что не позволяет сделать измерители тока переносными [2] При этом значительно увеличиваются габариты и масса таких устройств.

Наиболее близким является устройство, основанное на эффекте Фарадея и использующее влияние измеряемой величины на угол поворота плоскости поляризации света, прошедшего магнитооптическую пленку, расположенную вблизи источника магнитного поля, в том числе токоведущей шины. Устройство содержит в оптической части: светодиод и расположенные по ходу его луча входной поляризатор, стопу магнитооптических пленок, двулучепреломляющий анализатор с пространственным разведением лучей взаимно ортогональных поляризаций и два фотодиода, расположенных по ходу разведенных лучей. Каждая магнитооптическая пленка в стопе характеризуется одноосной перпендикулярной анизотропией, т.е. ее ось легкого намагничивания лежит перпендикулярно плоскости пленки. Стопа пленок, являющаяся чувствительным элементом, помещена в электромагнитную катушку, создающую перпендикулярное плоскости пленок магнитное поле и служащую для компенсации внешнего магнитного поля, индуцируемого шиной с измеряемым током. Электронная часть устройства содержит элементы для реализации заданного алгоритма обработки выходных сигналов фотодиодов, в том числе вычислительное устройство, содержащее дифференциальный усилитель, компаратор и усилитель тока, соединенный выходом с компенсационной катушкой. Вычислительное устройство определяет разность сигналов фотодиодов, нормированную на их сумму. Компаратор, сравнивая нормированную разность фотосигналов с нулем, выдает управляющий сигнал на усилитель тока, который изменяет величину тока в компенсирующей катушке, а, следовательно, и ее магнитное поле, до такого значения, при котором происходит полная компенсация магнитного поля шины с током. По величине тока через компенсационную катушку судят о величине тока в шине [3] Недостатками описанного устройства являются невысокая точность измерения токов и полей и, как следствие, ограниченный снизу диапазон измеряемых величин. Указанные недостатки являются следствием того, что в устройстве применены магнитооптические пленки с одноосной перпендикулярной анизотропией, которые характеризуются достаточно высоким полем насыщения и, следовательно, небольшой крутизной передаточной характеристики "угол вращения плоскости поляризации измеряемое поле". С другой стороны, в описанном устройстве отсутствуют элементы, снижающие влияние коэрцитивности, присущей ферромагнитным материалам, на разброс результатов измерения, что особенно важно в области малых сигналов. Кроме этого, известным дополнительным источником погрешности при использовании сигналов нулевой частоты (постоянный ток) в качестве управляющих являются дрейф нуля входного усилителя и фликкер-шумы.

Целью изобретения является увеличение точности и расширение диапазона измеряемых постоянных полей и токов.

Указанная цель достигается тем, что в известный измеритель, включающий светодиод и расположенные по ходу его луча входной поляризатор, магнитооптическую пленку, анализатор с разведением лучей взаимно ортогональных поляризаций, два фотодиода, расположенные по ходу разведенных лучей, а также электромагнитную катушку, дифференциальный усилитель, компаратор и усилитель тока, соединенный выходом с катушкой, дополнительно введены прямая оптическая призма с основанием в виде равнобедренного прямоугольного треугольника, дополнительная электромагнитная катушка, фильтр нижних частот, фильтр верхних частот, синхронный детектор, второй компаратор, детектор нуля, коммутатор и генератор, при этом магнитооптическая пленка выбрана с плоскостной анизотропией и расположена на оптическом контакте на гипотенузной грани призмы, оптические оси светодиода и анализатора перпендикулярны второй и третьей боковым граням призмы соответственно, фотодиоды соединены с входами дифференциального усилителя, выход которого соединен с входами фильтров верхних и нижних частот, генератор основным выходом соединен с дополнительной катушкой, а вторым выходом, генерирующим удвоенную частоту основного сигнала, соединен с входом опорного сигнала синхронного детектора, основной вход которого соединен с выходом фильтра верхних частот, выход фильтра нижних частот соединен с первым входом первого компаратора и входом детектора нуля, выход синхронного детектора соединен с первым входом второго компаратора, при этом вторые входы обоих компараторов заземлены, а их выходы соединены с первым и вторым входами коммутатора, управляющий вход которого соединен с выходом детектора нуля, выход коммутатора соединен с входом усилителя тока, обе катушки выполнены на одном полом каркасе, имеющем форму прямоугольного параллелепипеда, призма расположена внутри каркаса гипотенузной гранью в непосредственной близости к внутренней поверхности одной из его граней и параллельно ей, оси катушек ориентированы вдоль линии пересечения плоскости пленки и плоскости распространения света, при этом усилитель тока выполнен с выходным индикатором.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого измерителя.

Измеритель содержит светодиод 1, свет от которого через поляризатор 2 попадает в оптическую призму 3, на гипотенузной грани которой на оптическом контакте расположена магнитооптическая пленка 4. Отразившись от внешней поверхности пленки 4, свет после выхода из призмы 3 попадает в двулучепреломляющий анализатор 5, в котором происходит разделение лучей взаимно ортогональных поляризаций. Разделенные световые потоки детектируются фотодиодами 6 и 7, выходы которых соединены с входами дифференциального усилителя 8, сигнал с которого параллельно поступает на входы фильтра 9 нижних и фильтра 10 верхних частот. Выходные сигналы с фильтра нижних частот непосредственно, а с фильтра верхних частот, пройдя предварительно синхронный детектор 11, поступают на первые входы первого 12 и второго 13 компараторов соответственно, вторые входы которых заземлены. Параллельно выходной сигнал с фильтра нижних частот поступает на вход детектора 14 нуля, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора 15, первый и второй входы которого соединены с выходами компараторов 12 и 13 соответственно. Выход коммутатора через усилитель 16 тока с индикатором соединен с электромагнитной компенсационной катушкой 7, намотанной на прямоугольном каркасе. На этом же каркасе намотана дополнительная катушка 18, соединенная с генератором 19, служащим для высокочастотного подмагничивания. Второй выход генератора 19, генерирующий удвоенную частоту основного сигнала, соединен с входом опорного сигнала синхронного детектора 11. Чувствительным элементом устройства является магнитооптическая пленка 4 с плоскостной анизотропией, расположенная так, что измеряемое магнитное поле или поле измеряемого тока, текущего в шине 20, ориентировано по линии пересечения плоскости падения света и плоскости пленки.

Измеритель работает следующим образом.

Под воздействием измеряемого магнитного поля или магнитного поля измеряемого постоянного тока происходит изменение намагниченности чувствительного элемента магнитооптической пленки 4 с плоскостной анизотропией. Плоскополяри- зованное поляризатором 2 излучение светодиода 1, проходя дважды магнитооптическую пленку и полностью отражаясь на ее внешней границе, взаимодействует с пленкой, что приводит к фарадеевскому повороту плоскости поляризации света. При этом для более эффективного ввода вывода наклонно падающего излучения в магнитооптическую пленку применена оптическая призма 3. Плоскость падения света перпендикулярна плоскости пленки, а измеряемое магнитное поле или поле измеряемого тока должно быть ориентировано вдоль линии пересечения этих плоскостей. В качестве чувствительного элемента выбрана магнитооптическая пленка с плоскостной анизотропией, что приводит к существенному увеличению тангенса угла наклона передаточной характеристики "угол вращения плоскости поляризации измеряемое поле" по сравнению с пленками с одноосной перпендикулярной анизотропией. Так как последние характеризуются значительно большими полями насыщения при практически одинаковых фарадеевских константах взаимодействия. Это позволяет значительно уменьшить порог срабатывания по магнитному полю и, следовательно, расширить диапазон и увеличить точность измерений.

Кроме этого, измеритель снабжен генератором 19 для высокочастотного подмагничивания, соединенным с электромагнитной катушкой 18, что, эффективно снижая коэрцитивность чувствительного элемента на постоянном токе, также способствует достижению цели изобретения.

Из призмы 3 световое излучение попадает в двулучепреломляющий анализатор 5 с пространственным разведением лучей взаимно ортогональных поляризаций. Поляризатор 2 и анализатор 5 должны быть ориентированы своими главными осями под 45^о друг относительно друга. Применение дифференциальной фотоприемной схемы, состоящей из фотодиодов 6 и 7 и дифференциального усилителя 8 их сигналов, обеспечивает полное подавление фотосигналов от фоновых световых потоков (не зависящих от внешних магнитных полей) и удвоение сигнала перемагничивания, измеряемого каждым каналом, при этом изменение направления намагничивания магнитооптической пленки приводит к смене знака постоянной составляющей выходного сигнала дифференциального усилителя. Выходной сигнал с последнего поступает в два параллельных канала обработки. В первом канале сигнал фильтруется от высокочастотных составляющих фильтром 9 нижних частот и подается на вход компаратора 12, где сравнивается с нулем. Во втором канале сигнал с дифференциального усилителя поступает на вход фильтра 10 верхних частот с целью подавления первой и выделения второй гармоники сигнала перемагничивания и далее на основной вход синхронного детектора 11, на опорный вход которого подается сигнал удвоенной частоты с вспомогательного выхода генератора 19 высокочастотного подмагничивания. Выходной сигнал синхронного детектора поступает на вход второго компаратора 13, где сравнивается с нулем. Выходы компараторов 12 и 13 через коммутатор 15 и усилитель 16 тока соединены с компенсационной катушкой 17. Коммутатор осуществляет переключение выходного сигнала орт канала постоянного тока к каналу второй гармоники. В последнем случае для управления компенсационной схемой используется эффект прохождения синхронного детектированного сигнала второй гармоники через нуль при переходе через нуль внешнего магнитного поля. Детектор 14 нуля с управляемым порогом, сигнал с которого поступает на управляющий вход коммутатора, обеспечивает переключение управления от "грубой" цепи постоянного тока к "чувствительной" цепи второй гармоники. Порог срабатывания детектора 14 выбирается более высоким, чем уровень шумов канала постоянного тока, в том числе фликкер-шума, а также заведомо превосходящим возможный дрейф нуля в этом канале. При выходном сигнале фильтра нижних частот, превосходящем этот порог, управление передается каналу постоянного тока усилитель 16 тока соединяется с компаратором 12, а при сигнале с фильтра нижних частот, меньшем порога, управление передается каналу второй гармоники усилитель 16 тока соединяется с компаратором 13. Таким образом, достигается цель изобретения, связанная с ликвидацией погрешностей измерителя от фликкер-шума и дрейфа нуля входного усилителя постоянного тока, каким по сути является дифференциальный усилитель 8. Выход усилителя 16 соединен с компенсационной катушкой 17 таким образом, что ее магнитное поле полностью компенсирует измеряемое постоянное магнитное поле или поле тока, протекающего в шине 20, т. е. реализуется принцип общей отрицательной обратной связи, а магнитооптическая пленка по сути является "нуль-детектором" в схеме измерителя. Току в компенсационной катушке, измеряемому по встроенному в усилитель 16 индикатору, может быть расчетным методом или методом калибровки поставлено в соответствие измеряемое магнитное поле или измеряемый ток, текущий в шине 20.

Магнитооптический измеритель постоянных магнитных полей и токов может найти широкое применение в силовых подстанциях электротранспорта, в цепях управления и автоматического регулирования различного электропровода, в гальванике, робототехнике и т.п.

Формула изобретения

МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ТОКОВ включающий светодиод и расположенные по ходу его луча входной поляризатор, магнитооптическую пленку, анализатор с разведением лучей взаимно ортогональных поляризаций, два фотодиода, расположенных по ходу разведенных лучей, а также электромагнитную катушку, дифференциальный усилитель, компаратор и усилитель тока, соединенный выходом с катушкой, отличающийся тем, что в него дополнительно введены прямая оптическая призма с основанием в виде равнобедренного прямоугольного треугольника, дополнительная электромагнитная катушка, фильтр нижних частот, фильтр верхних частот, синхронный детектор, второй компаратор, детектор нуля, коммутатор и генератор, при этом магнитооптическая пленка выбрана с плоскостной анизотропией и расположена на оптическом контакте на гипотенузной грани призмы, оптические оси светодиода и анализатора перпендикулярны к второй и третьей боковым граням призмы соответственно, фотодиоды соединены с входами дифференциального усилителя, выход которого соединен с входами фильтров верхних и нижних частот, генератор основным выходом соединен с дополнительной катушкой, а вторым выходом, генерирующим удвоенную частоту основного сигнала, соединен с входом опорного сигнала синхронного детектора, основной вход которого соединен с выходом фильтра верхних частот, выход фильтра нижних частот соединен с первым входом первого компаратора и входом детектора нуля, выход синхронного детектора соединен с первым входом второго компаратора, при этом вторые входы обоих компараторов заземлены, а их выходы соединены с первым и вторым входами коммутатора, управляющий вход которого соединен с выходом детектора нуля, выход коммутатора соединен с входом усилителя тока, обе катушки выполнены на одном полом каркасе, имеющем форму прямоугольного параллелепипеда, призма расположена внутри каркаса гипотенузной гранью в непосредственной близости к внутренней поверхности одной из его граней и параллельно ей, оси катушек ориентированы вдоль линии пересечения плоскости пленки и плоскости распространения света, при этом усилитель тока выполнен с выходным индикатором.

РИСУНКИ

Рисунок 1