Устройство для измерения сверхбольших токов

 

Данное устройство предназначено для измерения силы тока в электрофизических установках. Оно позволяет измерять силу тока ~ 10⁶A и устойчиво к наводкам паразитных токов. Устройство содержит n магнитооптических датчиков с чувствительным элементом в виде протяженного световода из магнитооптического материала и измерительно-вычислительный блок, причем положение оптического входа каждого из n световодов магнитооптических датчиков совпадает с оптическим выходом соседнего световода таким образом, что все световоды образуют замкнутый односвязный контур, охватывающий только токопровод с измеряемым током, а выходы магнитооптических датчиков соединены с соответствующими им входами измерительно-вычислительного блока. Технический результат - увеличение максимального значения измеряемой силы тока. 1 ил.

Устройство предназначено для измерения силы тока в электрофизических установках. Оно должно позволять измерять силу тока ≈ 10⁶ A и быть устойчивым к наводкам паразитных токов.

Хорошо известно применение магнитооптического датчика для измерения электрического тока в электроэнергетике.

Магнитооптический датчик основан на использовании эффекта Фарадея - свойстве магнитного поля вращать плоскость поляризации света, проходящего сквозь магнитооптические материалы.

Известен магнитооптический датчик /1/, состоящий из источника поляризованного света, чувствительного элемента, изготовленного из магнитооптического материала, и оптоэлектронного блока измерения оптического сигнала. На выходе оптоэлектронного блока формируется электрический сигнал U_outo, который связан с углом Фарадеевского вращения F по формуле U_out = sin2F. (1) Угол Фарадеевского вращения определяется по формуле где V - постоянная Верде в чувствительном элементе; L - оптическая длина пути, проходящего излучением в чувствительном элементе; - напряженность магнитного поля, создаваемая внутри чувствительного элемента токопроводом с измеряемым током.

Так как напряженность магнитного поля однозначно определяется током, его создавшим, то определяя угол Фарадеевского вращения, можно определить ток. Однако напряженность магнитного поля могут создавать и паразитные токи, возможно гораздо меньшей величины, но близко расположенные.

Наиболее близким к заявляемому является датчик электрического тока /2/, где в качестве чувствительного элемента используют оптическое волокно, образующего замкнутый односвязный контур, охватывающий токопровод с измеряемым током. В этом случае угол Фарадеевского вращения пропорционален дивергенции напряженности магнитного поля и по теории Максвелла пропорционален силе измеряемого тока и не зависит от длины световода.

Так как область однозначности синуса равна π/2 , то максимально измеряемая сила тока I_max в силу формулы (1) равна I_max = 0,25π/V. (4)
При постоянной Верде в материале оптического волокна V≈4,6·10^-6 Рад/А максимальный измеряемый ток будет равен I_max=1,7·10⁵ A, что ниже требуемого.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является увеличение максимального значения измеряемой силы тока без увеличения влияния на результаты измерения паразитных токов.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения сверхбольших токов, содержащее n магнитооптических датчиков с чувствительным элементом в виде протяженного световода, сделанного из магнитооптического материала, и измерительно-вычислительного блока, причем положение оптического входа световода каждого из n датчиков совпадает с оптическим выходом световода соседнего датчика таким образом, что световоды всех датчиков образуют замкнутый односвязный контур, охватывающий только токопровод с измеряемым током, а выходы n магнитооптических датчиков соединены с соответствующими им входами измерительно-вычислительного блока. Число n выбирается из условия
n > 4V·I_max/π, (5)
где
V - постоянная Верде материала световода;
I_max - максимальный измеряемый ток,
а измерительно-вычислительный блок выполнен с возможностью реализации функции

где
I - измеряемый ток;
U_{out k} - выходной сигнал с k-го магнитооптического датчика.

Схема устройства для n=4 представлена на чертеже.

Устройство для измерения сверхбольших токов состоит из n магнитооптических датчиков 1, выходы которого подключены к соответствующим входам измерительно-вычислительного блока 2.

В качестве магнитооптического датчика 1 можно взять, например, волоконно-оптический датчик электрического тока, описанный в /3/. Он состоит из источника излучения света, поляризатора, оптического волокна в качестве чувствительного элемента, призмы Волластона, двух фотодиодов и дифференциальной электронной схемы.

В качестве измерительно-вычислительного блока 2 можно взять, например, устройство преобразования информации СУПИ24 из /4/, состоящее из нескольких АЦП и программируемого контроллера.

Сущность изобретения заключается в том, что оно заменяет интеграл по контуру в формуле (3) суммой интегралов по дугам этого контура, причем длина любой дуги выбирается таким образом, чтобы интеграл по этой дуге был меньше π/2. Математически это можно записать следующим образом


Устройство действует следующим образом. Измеряемый электрический ток создает в чувствительном элементе - световоде k-го магнитооптического датчика 1 сигнал U_{out k} в соответствии с формулой (1). Этот сигнал поступает через соответствующий вход в измерительно-вычислительный блок 2. Когда углы от всех датчиков 1 будут зарегистрированы, измерительно-вычислительный блок 2 по заложенной в него программе преобразует зарегистрированные сигналы U_{out k} в угол Фарадеевского вращения F_k и суммирует их. Эта сумма будет пропорциональна измеряемому току.

Положительный эффект достигается тем, что угол Фарадеевского вращения, регистрируемый отдельным датчиком 1, меньше предельно измеримого, устройство позволяет измерять силу тока большую, чем в прототипе. А так как световоды образуют замкнутый односвязный контур, то их суммарный угол Фарадеевского вращения равен интегралу из формулы (1), т.е. пропорционален силе измеряемого тока и не зависит от паразитных токов, не попавших в образованный ими замкнутый контур, что присуще прототипу.

Для измерения силы тока, равной 1 МА по формуле (5), необходимо использовать 6 датчиков 1, что их технически реализуемо.

Формула изобретения

Устройство для измерения сверхбольших токов, содержащее магнитооптический датчик с чувствительным элементом в виде протяженного световода из магнитооптического материала и измерительно-вычислительный блок, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит n-1 магнитооптических датчиков, причем положение оптического входа световода каждого из n магнитооптических датчиков совпадает с оптическим выходом световода соседнего датчика таким образом, что световоды всех датчиков образуют замкнутый односвязный контур, охватывающий только токопровод с измеряемым током, а выходы n магнитооптических датчиков соединены с соответствующими им входами измерительно-вычислительного блока, число n выбирается из условия
n>4V·I_max /π,
где V - постоянная Верде материала световода;
I_max - максимальный измеряемый ток,
а измерительно-вычислительный блок выполнен с возможностью реализации функции

где I - измеряемый ток,
U_{out k} - выходной сигнал с k-го магнитооптического датчика.

РИСУНКИ

Рисунок 1