Устройство для измерения больших токов

 

Изобретение относится к физике энергий высоких плотностей и предназначено для измерения силы тока в мощных электрофизических установках. Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является расширение верхней границы диапазона измеряемых токов. Устройство для измерения больших токов содержит источник линейно поляризованного светового излучения, по одному витку двух световодов, поляризационно нечувствительный соединитель световодов, анализатор и регистратор. Витки световодов охватывают токопровод с измеряемым током в противоположных направлениях. Источник светового излучения оптически подключен к входу первого световода, выход которого через соединитель световодов оптически подключен к входу второго световода, выход которого оптически подключен к анализатору, выход последнего подключен к регистратору. Световоды выполнены из магнитооптических материалов с постоянными Верде соответственно V₁, V₂, причем V₂=V₁-T/2I_max, где Т - период однозначности функции преобразования анализатора; I_max - верхний предел диапазона измеряемых токов. 1 ил.

Устройство относится к области физики энергии высоких плотностей и предназначено для измерения силы тока в мощных электрофизических установках. Оно должно позволять измерять силу тока до 10 МА.

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 чувствительный элемент, изготовленный из магнитооптического материала. Для измерения тока магнитооптический датчик выполняется в виде замкнутого светопроводящего контура, охватывающего токопровод с измеряемым током.

Известно устройство для измерения электрического тока [1], состоящее из источника линейно поляризованного светового излучения, который оптически подключен к входу витка оптического волокна, охватывающего токопровод с измеряемым током. Выход оптического волокна оптически подключен к входу анализатора, состоящего из призмы Волластона, выходы которой подключены к оптическим входам двух фотоприемников. Электрические выходы фотоприемников подключены соответственно к двум входам аналогового модуля обработки сигналов. При угле между поляризацией источника излучения и призмой Волластона анализатора в 45^o на выходе анализатора формируется сигнал, описываемый формулой: U=ε•sin(2V•I), где ε - постоянная величина, определяемая выполнением анализатора; V - постоянная Верде; I - измеряемый ток. Из этого сигнала методами математической обработки выделяется значение тока I по формуле: Так как область определения арксинуса лежит в границах от -π/2 до π/2, то максимально измеряемая сила тока однополярного сигнала I_max равна: I_max=0,25π/V.

Недостатком устройства является невозможность измерения больших токов, так как при постоянной Верде в материале оптического волокна V≈4,6•10^-6 рад/А максимальный измеряемый ток будет равен I_max=0,17 МА, что ниже требуемого.

Известно устройство для измерения сверхбольших токов [2], содержащее n магнитооптических датчиков в виде протяженного световода из магнитооптического материала, и измерительно-вычислительный блок. Положение оптического входа каждого из n магнитооптических датчиков, совпадает с оптическим выходом 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. Недостатком данного устройства является сложность конструкции, так как для измерения тока 10 МА необходимо использовать ~60 магнитооптических датчиков.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для измерения больших импульсных токов [3], состоящее из источника линейно поляризованного светового излучения, который оптически подключен к входу витка оптического волокна из магнитооптического материала, охватывающего токопровод с измеряемым током, анализатора и регистратора. Выход оптического волокна подключен к входу анализатора, построенного на основе светоделителя и двух призм Волластона, четыре выхода которого подключены через фотоприемники к соответствующим входам регистратора. На выходе анализатора формируются два сигнала:
U₁=ε•sin(2V•I),
U₂=ε•cos(2V•I),
из которых методами математической обработки в регистраторе выделяется значение измеряемого тока I, например по формуле:

Как известно из математики по известным значениям синуса и косинуса их фаза может быть вычислена в пределах от 0 до 2π. Поэтому по измеренным значениям U₁ и U₂ можно вычислить значение измеряемого тока I, если его величина не превышает I_max=π/V.

Недостатком прототипа является невозможность измерения больших токов. Так, при постоянной Верде в материале оптического волокна V≈4,6•10^-6 рад/А максимальный измеряемый ток будет равен I_max=0,68 MA, что ниже требуемого.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является расширение верхней границы диапазона измеряемых токов.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения больших токов, содержащее источник линейно поляризованного светового излучения, виток световода из магнитооптического материала с постоянной Верде V₁, охватывающий токопровод с измеряемым током, анализатор, регистратор, источник излучения оптически подключен к входу световода, анализатор подключен к регистратору, дополнительно содержит поляризационно нечувствительный соединитель световодов и виток второго световода, выполненного из магнитооптического материала с постоянной Верде V₂, определяемой по формуле
V₂=V₁-T/(2I_max),
где Т - период однозначности функции преобразования анализатора; I_max - верхний предел диапазона измеряемых токов; охватывающий токопровод с измеряемым током в направлении, противоположном направлению витка первого световода, выход первого световода через соединитель оптически подключен к входу второго световода, выход последнего оптически подключен к входу анализатора.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для измерения больших токов.

Устройство для измерения больших токов состоит из источника линейно поляризованного светового излучения 1, витков световодов 2, 3, охватывающих токопровод с измеряемым током в противоположных направлениях, поляризационно нечувствительного соединителя световодов 4, анализатора 5, регистратора 6. Источник светового излучения 1 оптически подключен к входу световода 2, выход которого оптически подключен через соединитель световодов 4 к входу витка световода 3. Выход витка световода 3 оптически подключен к анализатору 5, выход которого подключен к регистратору 6. Световоды 2, 3 выполнены из магнитооптического материала с постоянными Верде V₁, V₂ причем
V₂=V₁-T/(2I_max),
где Т - период однозначности функции преобразования анализатора; I_max - верхний предел диапазона измеряемых токов.

В качестве источника линейно поляризованного светового излучения 1 можно взять устройство на основе лазерного светодиода HFE40500114ADA (Honeywell) с пленочным поляризатором на выходе.

В качестве световодов 2, 3 можно использовать оптические волокна, описанные в [4] с постоянными Верде V₁=4,71•10^-6 рад/А и V₂=4,54•10^-6 рад/А.

В качестве поляризационно нечувствительного соединителя 4 световодов можно использовать разъемные соединители типа SMA.

В качестве анализатора 5 может быть использовано устройство, описанное в прототипе, с периодом однозначности функции преобразования Т=2π.

В качестве регистратора 6 можно использовать компьютер типа PC/AT с аналого-цифровыми преобразователями ADC200.

Устройство работает следующим образом. Линейно поляризованное излучение от источника светового излучения 1 поступает в световод 2, где его плоскость поляризации под действием магнитного поля измеряемого электрического тока поворачивается на угол f₁, определяемой по формуле

где интегрирование ведется по контуру, образованного витком световода 2 в направлении распространения света, которое выбирается как положительное. Так как световод 2 образует виток вокруг токопровода и поэтому контур световода является практически замкнутым, то по закону полного тока интеграл по замкнутому контуру равен току, протекающему внутри контура, т.е. справедлива формула
f₁=V₁•I.

С выхода витка световода 2 оптическое излучение через поляризационно нечувствительный соединитель 4 световодов поступает на вход световода 3, где его плоскость поляризации под действием магнитного поля измеряемого тока поворачивается на угол f₂. Так как положительный обход контура, образованного световодом 3, происходит в направлении, противоположном направлению распространения света, то f₂ определяется по формуле

Соответственно для f₂ будет справедлива формула
f₂=-V₂•I.

Результирующий угол f_s поворота плоскости поляризации оптического излучения будет равен
f_s=f₁+f₂=(V₁-V₂)I.

Анализатор 5 преобразует состояние поляризации светового излучения, зависящее от величины измеряемого тока, в выходной сигнал(ы) напряжения, функционально зависящий от угла f_s. По этому сигналу(ам) методами математической обработки в регистраторе 6 выделяется информация об измеряемом токе.

Если анализатор выбран как в прототипе, то силу тока в регистраторе 6 можно рассчитать по формуле

Тогда максимальное значение тока в предлагаемом устройстве можно оценить в виде

При постоянных Верде V₁= 4,71•10^-6 рад/А и V₂=4,54•10^-6 рад/А максимальное значение измеряемого тока будет равно 18 МА.

Таким образом, предлагаемое устройство для измерения больших токов позволяет расширить верхнюю границу диапазона измеряемых токов по сравнению с прототипом более чем в 20 раз.

Источники информации
1. В. И. Бусурин, Ю.Р. Носов "Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения", М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 85.

2. Устройство для измерения сверхбольших токов. Патент РФ 2120128, 1997 г.

3. H. S. Lassing, A. A. M. Oomens, and R. Woltjer, "Development of a magneto-optic current sensor for high, pulsed currents" Rev. Sci. Instrum. 57(5), May 1986 (прототип).

4. Zhanbing Ren et al. Journal of Lightwave Technology, v. 7, N 8, August 1989, p.1275.

Формула изобретения

Устройство для измерения больших токов, содержащее источник линейно поляризованного светового излучения, виток световода, выполненного из магнитооптического материала с постоянной Верде V₁, охватывающий токопровод с измеряемым током, анализатор и регистратор, источник светового излучения оптически подключен к входу световода, выход анализатора подключен к регистратору, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит поляризационно нечувствительный соединитель световодов и виток второго световода, выполненного из магнитооптического материала с постоянной Верде V₂=V₁-T/2I_max, где Т - период однозначности функции преобразования анализатора, I_max - верхний предел диапазона измеряемых токов, охватывающий токопровод с измеряемым током в направлении, противоположном направлению витка первого световода, выход первого световода через соединитель оптически подключен к входу второго световода, а выход последнего оптически подключен к входу анализатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1