ВОЛОКОННЫЙ ДАТЧИК ИСКРЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
FIBRE SPARK AND ELECTRIC ARC SENSOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к волоконной оптике и может быть использовано в волоконно-оптических датчиках искрения и электрической дуги.
Предшествующий уровень техники
При разработке систем аварийной защиты высоковольтного и электрораспределительного оборудования при возникновении электрического искрения или электрической дуги встает задача индикации этого искрения или дуги, определения их местоположения и мощности. В механических устройствах может возникать искрение за счет трения или ударов механических узлов, что увеличивает их износ, может приводить к аварийным ситуациям и пожару или взрыву в присутствии легковоспламеняющихся веществ. Задача индикации искрения и электрической дуги возникает на электростанциях, в высоковольтных установках, на линиях электропередачи, на пожаро- и взрывоопасных предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности, в шахтах и на транспорте.
Известно фотореле «Молния-2» [Современные средства релейной защиты и противоаварийной автоматики. Каталог спецэкспозиции. М.: Союзтехэнерго. 1989. с.15], предназначенное для подачи сигнала на аварийное отключение комплексных распределительных устройств при возникновении в них электрической дуги или короткого замыкания. Устройство срабатывает при условии непосредственного попадания света от электрической дуги на фотодетектор. Недостатком устройства является возможность его ложного срабатывания в условиях сильных электромагнитных помех и высокой напряженности электрических полей в высоковольтных установках.
Известно устройство дуговой защиты УДЗ-1 [Никитаев О.В., Селиванин А.У. Применение дуговых защит в комплексных распределительных устройствах сельскохозяйственных подстанций. Эксплуатация устройств сельскохозяйственного электроснабжения. Сборник научных трудов. М., 1989. с.44], состоящее из полимерного волокна и фотодетектора. Часть излучения электрической дуги, попадающего на волокно, за счет светорассеяния в полимере преобразуется в волноводную моду и поступает на фотодетектор. Недостатком устройства являются высокие потери коротковолновой части излучения электрической дуги в полимерном волокне, что уменьшает чувствительность устройства.
Известно устройство дуговой защиты [RU №2096887], в состав которого входит эластичный оптоволоконный жгут со светопроницаемой оболочкой, к одному из концов которого подключен фотодетектор. Недостатком устройства является отсутствие возможности определения местоположения дуги и ее мощности. Недостатком устройства является также относительно его низкая чувствительность, связанная с низкой эффективностью преобразования излучения электрической дуги в волноводные моды и высокими потерями коротковолновой части оптического сигнала в волокне.
Известны волоконные датчики с чувствительными элементами на основе полимерного волокна с флуоресцентными добавками, которые применяются как позиционно-чувствительные устройства [M.F.Laguesse // Appl. Opt. 1989. V.28. №23. P.5144] и как сенсоры ионизирующих излучений. Недостатком таких датчиков являются высокие потери полезного оптического сигнала в полимерном волокне.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги [RU №2237332 С2], выбранный в качестве прототипа, чувствительным элементом которого является нерегулярный волоконный световод со светопроницаемой оболочкой. Противоположные концы световода подключены к фотоэлектронным преобразователям, что позволяет не только регистрировать возникновение электрической дуги, но и определять ее местоположение и мощность.
Недостатком устройства является его относительно низкая чувствительность, связанная с низкой эффективностью преобразования излучения электрической дуги в волноводные моды и высокими потерями коротковолновой части оптического сигнала в световоде. Недостатком является также то, что для повышения чувствительности датчика требуется увеличение длины его чувствительного элемента, до 30 см и более [Ю.П.Казачков // Письма в ЖТФ. 2008. Т.34. Вып.20. с.73]. Недостатком является также относительно низкое пространственное разрешение датчика (не лучше 1 м при длине волокна более 5 м), что исключает возможность его применения для индикации искрения и электрической дуги в малогабаритных устройствах.
Изобретение решает задачу повышения чувствительности, пространственного разрешения и уменьшения габаритов чувствительного элемента датчика.
Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем.
Поставленная задача решается за счет того, что волоконный датчик, так же как известный, содержит чувствительный элемент в виде волокна. Но в отличие от известного чувствительный элемент датчика выполнен из оптического волокна, участок которого имеет покрытие в виде слоя полимера с добавкой флуоресцентного вещества с полосой флуоресценции в спектральном интервале 500-1600 нм.
4
Излучение искры или электрической дуги, попадающее на полимерное покрытие с флуоресцентной добавкой, возбуждает в нем флуоресценцию в спектральном интервале 500-1600 нм. Молекулы флуоресцентного вещества являются излучающими диполями. Излучение диполя, расположенного в непосредственной близости от оптического волновода или волокна, эффективно преобразуется в волноводные моды [В.Soler, D.Hall // JOSA В. 2002. V.19. №10. 2437]. Это дает возможность повысить эффективность преобразования излучения от искры или дуги в полезный оптический сигнал по сравнению с конструкцией, в которой излучение падает на волокно без покрытия. Использование флуоресцентного вещества с полосой флуоресценции в спектральном интервале 500-1600 нм позволяет преобразовать коротковолновую часть спектра излучения искры или дуги в излучение, попадающее в длинноволновую часть видимой области спектра или в ближний ИК-диапазон. Это дает возможность уменьшить потери оптического сигнала в волокне, так как потери, связанные со светорассеянием в волокне, уменьшаются при увеличении длины волны пропорционально 1/λ. Оптический сигнал, преобразованный в спектральный интервал 500-1600 нм, попадает в спектральную область максимальной чувствительности кремниевых и арсенид-галлиевых фотоприемников, что также повышает чувствительность устройства.
Совокупность признаков, изложенных в п.2 формулы, характеризует волоконный датчик, в котором волокно чувствительного элемента изготовлено из силикатного или кварцевого стекла. Использование стеклянного, а не полимерного волокна в чувствительном элементе позволяет уменьшить потери оптического сигнала и тем самым повысить чувствительность датчика.
Совокупность признаков, изложенных в п.3 формулы, характеризует волоконный датчик, в котором полимерное покрытие оптического волокна датчика имеет форму периодического гофра или спирали. Применение гофрированного или спирального полимерного периодического покрытия позволяет увеличить площадь поверхности покрытия, что увеличивает амплитуду оптического сигнала в волокне. Гофрированные и спиральные периодические покрытия повышают эффективность преобразования мод оболочки волокна в моды сердцевины волокна [Т.Erdogan // J.Lightwave Techn. 1997. V.15. №8. P.1277]. Это также приводит к увеличению амплитуды оптического сигнала в волокне. Кроме того, длиннопериодные волоконные решетки широко применяются в качестве чувствительных элементов в волоконных датчиках температуры, давления и механических напряжений [S.W.James, R.P.Tatam II Measur. Sci. and TechnoL, 2003. V.14, P.R49-R61]. Это позволяет расширить функциональные возможности датчика искры и дуги и использовать его для измерения других характеристик и параметров объекта.
Совокупность признаков, изложенных в п.4 формулы, характеризует волоконный датчик, в котором на одном волокне в продольном направлении нанесено несколько участков покрытий с флуоресцентными добавками, имеющими полосы флуоресценции в разных участках оптического спектра. В этом случае, при использовании спектральной фильтрации оптического сигнала на выходе волокна, появляется возможность раздельно регистрировать излучение от источников искрения, разнесенных в пространстве вдоль волокна.
Совокупность признаков, изложенных в п.5 формулы, характеризует волоконный датчик, в котором параллельно участку волокна с покрытием расположена цилиндрическая линза в виде стеклянного или полимерного стержня диаметром 3-10 мм с поперечным сечением в форме круга или сегмента круга. Применение цилиндрической линзы в виде стеклянного или полимерного стержня, расположенного параллельно участку волокна с покрытием, позволяет за счет фокусировки падающего излучения на поверхность волокна увеличить амплитуду полезного сигнала. Это позволяет также увеличить пространственное разрешение датчика, так как на волокно будет попадать излучение от источника, расположенного вблизи плоскости, проходящей через ось волокна и ось цилиндрической линзы. Излучение от источников, расположенных вдали от этой плоскости, будет фокусироваться линзой на участки периметра линзы вне области расположения волокна с покрытием.
Совокупность признаков, изложенных в п.6 формулы, характеризует волоконный датчик, в котором участок волокна с покрытием расположен между цилиндрической линзой и дополнительно введенным цилиндрическим отражателем с зеркальным или диффузным отражающим слоем и радиусом, не превышающим радиус цилиндрической линзы. Цилиндрический отражатель, расположенный за волокном по отношению к цилиндрической линзе, позволяет вернуть на покрытие волокна часть излучения, не поглощенного покрытием, а также часть излучения флуоресценции, не преобразованного в волноводную моду. Это позволяет увеличить амплитуду полезного сигнала. Увеличение амплитуды полезного сигнала дает возможность уменьшить продольный габарит чувствительного элемента датчика в 5-10 раз по сравнению с прототипом, без ущерба для его чувствительности и пространственной разрешающей способности. Наличие цилиндрической линзы и отражателя, фокусирующих излучение искры на волокне, дает возможность сузить диаграмму направленности датчика и тем самым увеличить его пространственную разрешающую способность.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить чувствительность и пространственное разрешение волоконного датчика искры и электрической дуги, уменьшить габариты его чувствительного элемента и расширить его функциональные возможности.
Описание чертежей
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг.1, а схематично показан пример выполнения волоконного датчика искры и электрической дуги в продольном направлении
На фиг.1, б схематично показан чувствительный элемент волоконного датчика в поперечном сечении.
На фиг.1, в схематично показан чувствительный элемент волоконного датчика в поперечном сечении. 1 - волокно с покрытием, с цилиндрической линзой с поперечным сечением в виде сектора круга.
На фиг.2, а показаны спектры флуоресценции органических красителей. 1' - родамин 6G, 2' - родамин В, 3' - нильский голубой.
На фиг.2, б схематично показана структурная схема волоконного датчика искры с тремя чувствительными элементами, в которых использованы красители с разными спектрами флуоресценции.
На фиг.3, а схематично показана оптическая схема измерения диаграммы направленности макета чувствительного элемента датчика электрической искры.
На фиг.3, б показана экспериментально измеренная диаграмма направленности макета чувствительного элемента датчика электрической искры в горизонтальной плоскости.
На фиг.3, в показана экспериментально измеренная диаграмма направленности макета чувствительного элемента датчика электрической искры в вертикальной плоскости.
Далее сущность изобретения раскрывается на примере, который не должен рассматриваться экспертом как ограничивающий притязания изобретения.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Пример 1.
Чувствительный элемент датчика (фиг.1а, б) состоит из оптического волокна 1 без оболочки, изготовленного из кварцевого стекла. Диаметр волокна 220 мкм. Участок волокна длиной 20 мм имеет покрытие 2 в виде слоя полимера (нитроцеллюлоза или поливиниловый спирт). Толщина покрытия 20 мкм. В полимер добавлен органический краситель родамин 6G с концентрацией 0.5%. Родамин 6G имеет полосы поглощения в спектральном интервале 450-550 нм и в УФ-области спектра и полосу люминесценции в спектральном интервале 560-650 нм. Выбор в качестве материалов полимерного покрытия нитроцеллюлозы или поливинилового спирта обусловлен тем, что в данных материалах может быть реализована высокая интенсивность люминесценции родамина 6G. Параллельно участку волокна с покрытием и вплотную к нему расположена цилиндрическая линза 3 в виде стеклянного стержня диаметром 4.8 мм с поперечным сечением в форме круга и длиной 30 мм.
Устройство работает следующим образом. Излучение от искры или дуги проходит через цилиндрическую линзу 3 и концентрируется на поверхности волокна 1 с покрытием 2. Часть излучения, попадающего в полосы поглощения родамина 6G, поглощается им и преобразуется в излучение люминесценции в спектральном интервале 560-650 нм. Излучение молекул родамина 6G, расположенных в непосредственной близости от оптического волокна, преобразуется в волноводные моды и направляется к фотоприемному устройству. При проведении измерений в качестве фотоприемного устройства использован кремниевый фотодиод BPW20RF, включенный в фотодиодном режиме без усилителя. В качестве источника излучения использована галогенная лампа мощностью 20 Вт с диффузным отражателем, расположенная на расстоянии 25 см от чувствительного элемента. Ниже приведены экспериментально измеренные сигналы фотоприемника для чувствительного элемента, выполненного в соответствии с заявляемым техническим решением, и контрольных чувствительных элементов одинаковой длины:
1. Чувствительный элемент с полимерным покрытием и цилиндрической линзой: 17.8 мВ;
2. Чувствительный элемент с полимерным покрытием без цилиндрической линзы: 2.8 мВ;
3. Чувствительный элемент в виде волокна из кварцевого стекла диаметром 220 мкм без полимерного покрытия и без цилиндрической линзы: менее 0.1 мВ.
4. Чувствительный элемент в виде волокна из полиамида диаметром 220 мкм без полимерного покрытия и без цилиндрической линзы: менее 0.1 мВ.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет увеличить чувствительность волоконного датчика в 178 раз по сравнению с датчиком, имеющим чувствительный элемент в виде волокна без покрытия. При этом продольный габарит датчика составляет 20 мм.
Для увеличения оптического сигнала, собираемого в волокно чувствительного элемента, используют цилиндрический отражатель 4 из А1 или диффузно отражающее покрытие из диоксида титана, расположенные за цилиндрической линзой и волокном (фиг.1, в). Длина отражателя равна 30 мм.
Излучение, не попавшее на волокно 1 с покрытием, а также часть излучения люминесценции, не прошедшая в сердцевину волокна, отражаются цилиндрическим отражателем 4 и возвращаются на волокно с покрытием. Таким образом, цилиндрический отражатель, расположенный за волокном и цилиндрической линзой, позволяет вернуть на покрытие волокна часть излучения, не поглощенного покрытием, а также часть излучения флуоресценции, не преобразованного в волноводную моду. При проведении измерений в качестве фотоприемного устройства использован кремниевый фотодиод BPW20RF, включенный в фотодиодном режиме без усилителя. В качестве источника излучения использована галогенная лампа мощностью 20 Вт с диффузным отражателем, расположенная на расстоянии 25 см от чувствительного элемента. Ниже приведены экспериментально измеренные сигналы фотоприемника для чувствительного элемента, выполненного в соответствии с заявляемым техническим решением, и контрольного чувствительного элемента одинаковой длины:
1. Чувствительный элемент с полимерным покрытием, цилиндрической линзой и цилиндрическим зеркальным отражателем: 22.4 мВ.
2. Чувствительный элемент с полимерным покрытием, цилиндрической линзой и цилиндрическим диффузным отражателем: 20.8 мВ.
3. Чувствительный элемент с полимерным покрытием, с цилиндрической линзой, без цилиндрического отражателя: 17.8 мВ.
Таким образом, использование цилиндрического отражателя позволяет увеличить сигнал датчика в 1.2-1.3 раза по сравнению с датчиком без отражателя и в 224 раза по сравнению с датчиком, имеющим чувствительный элемент в виде волокна без покрытия.
На одном волокне в продольном направлении может быть размещено несколько чувствительных элементов с флуоресцентными добавками, имеющими полосы флуоресценции в разных участках спектра. Например, родамин 6G (λ=550-650 им), родамин В (λ=650-700 нм) и нильский голубой (λ=700-800 нм). В скобках указаны спектральные области люминесценции. Спектры флуоресценции данных красителей показаны на фиг.2, а. В этом случае, при использовании спектральной фильтрации оптического сигнала на выходе волокна, появляется возможность раздельно регистрировать излучение от источников, разнесенных в пространстве вдоль волокна (фиг.2, б).
Измерение диаграммы направленности макета датчика проводилось в двух плоскостях - горизонтальной и вертикальной (Фиг.3, а). На фиг.3, б и фиг.3, в показаны экспериментально измеренные диаграммы направленности макета датчика в двух плоскостях. Из фигур видно, что в вертикальной плоскости диаграмма направленности соответствует 60°, в горизонтальной плоскости 15°. Таким образом, в горизонтальной плоскости обеспечивается пространственное разрешение 25 см при расстоянии до источника излучения, равном 1 м.
4
Таким образом, предлагаемое техническое решение дает возможность повысить эффективность преобразования излучения от искры или дуги в полезный оптический сигнал по сравнению с конструкцией, в которой излучение падает на волокно без покрытия. Использование флуоресцентного вещества с полосой флуоресценции в спектральном интервале 560-650 нм позволяет преобразовать коротковолновую часть спектра излучения искры или дуги в излучение, попадающее в длинноволновую часть видимой области спектра. Это дает возможность уменьшить потери оптического сигнала в волокне, так как потери, связанные со светорассеиванием в волокне, уменьшаются при увеличении длины волны пропорционально 1/λ. Оптический сигнал, преобразованный в спектральный интервал 560-650 нм, попадает в спектральную область максимальной чувствительности кремниевых фотоприемников, что также повышает чувствительность устройства. В устройстве могут быть использованы, например, следующие красители (в скобках указаны спектральные области люминесценции): родамин 6G (λ=550-650 нм), родамин В (λ=650-700 нм), нильский голубой (λ=700-800 нм), полиметиновый №118 (λ=850-950 нм). Излучение люминесценции данных красителей попадает в полосу максимальной чувствительности кремниевого фотодиода (λ=650-1000 нм). При использовании устройства в условиях яркого фонового освещения, например в помещении с ярким освещением либо на открытом пространстве, цилиндрическая линза может быть закрыта оптическим фильтром, полностью или частично отсекающим видимую область спектра и пропускающим УФ-излучение. В качестве фильтров могут быть использованы цветные оптические стекла СЗС8 (λ=350-550 нм), ФС6 (λ=300-450 нм), УФС5 (λ=250-400 нм). В скобках указаны спектральные области пропускания стекол.
Применение цилиндрической линзы в виде стеклянного или полимерного стержня, расположенного параллельно участку волокна с покрытием, позволяет за счет фокусировки падающего излучения на поверхность волокна увеличить амплитуду полезного сигнала. Это позволяет также увеличить пространственное разрешение датчика, так как на волокно будет попадать излучение от источника, расположенного вблизи плоскости, проходящей через ось волокна и ось цилиндрической линзы. Излучение от источников, расположенных вдали от этой плоскости, будет фокусироваться линзой на участки периметра линзы вне области расположения волокна с покрытием.
Пример 2.
Чувствительный элемент датчика состоит из оптического волокна 1, изготовленного из кварцевого стекла. Диаметр волокна 220 мкм. Участок волокна длиной 20 мм имеет покрытие 2 в виде гофрированного слоя полимера (нитроцеллюлоза или поливиниловый спирт) с добавкой родамина 6G и с периодом гофра 0.8 мм или в виде полимерной спирали из полиэтиленового волокна диаметром 100 мкм, причем зазоры между витками спирали заполнены полимером (нитроцеллюлоза или поливиниловый спирт) с добавкой родамина 6G.
Родамин 6G имеет полосы поглощения в спектральном интервале 450-550 нм и в УФ-области спектра и полосу люминесценции в спектральном интервале 560-650 нм. Выбор в качестве материалов полимерного покрытия нитроцеллюлозы или поливинилового спирта обусловлен тем, что в данных материалах может быть реализована высокая интенсивность люминесценции родамина 6G. Параллельно участку волокна с покрытием и вплотную к нему расположена цилиндрическая линза 3 в виде стеклянного стержня диаметром 4.8 мм с поперечным сечением в форме круга и длиной 30 мм и цилиндрический отражатель из стекла с внутренним радиусом 2.2 мм и диффузно отражающим покрытием из диоксида титана, расположенный за цилиндрической линзой и волокном (фиг.1, в). Длина отражателя равна 30 мм.
Устройство работает следующим образом. Излучение от искры или дуги проходит через цилиндрическую линзу и концентрируется на поверхности волокна с покрытием. Часть излучения, попадающего в полосы поглощения родамина 6G, поглощается им и преобразуется в излучение люминесценции в спектральном интервале 560-650 нм. Излучение молекул родамина 6G, расположенных в непосредственной близости от оптического волокна, преобразуется в волноводные моды и направляется к фотоприемному устройству. Гофрированное или спиральное полимерное периодическое покрытие позволяет увеличить площадь поверхности покрытия, что увеличивает амплитуду оптического сигнала в волокне. Гофрированные и спиральные периодические покрытия повышают эффективность преобразования мод оболочки волокна в моды сердцевины волокна [Т.Erdogan // J.Lightwave Techn. 1997. V.15. №8. P.1277]. Это приводит к увеличению амплитуды оптического сигнала в волокне по сравнению с покрытием без гофра или спирали.
При проведении измерений в качестве фотоприемного устройства использован кремниевый фотодиод BPW20RF, включенный в фотодиодном режиме без усилителя. В качестве источника излучения использована галогенная лампа мощностью 20 Вт с диффузным отражателем, расположенная на расстоянии 25 см от чувствительного элемента. Ниже приведены экспериментально измеренные сигналы фотоприемника для чувствительного элемента, выполненного в соответствии с заявляемым техническим решением с полимерным покрытием в виде спирали, и контрольных чувствительных элементов одинаковой длины (20 мм):
1. Чувствительный элемент с полимерным покрытием и цилиндрической линзой: 26.3 мВ.
2. Чувствительный элемент с полимерным покрытием, цилиндрической линзой и цилиндрическим зеркальным отражателем: 33.5 мВ.
3. Чувствительный элемент с полимерным покрытием без цилиндрической линзы: 3.8 мВ.
4. Чувствительный элемент в виде волокна из кварцевого стекла диаметром 220 мкм без полимерного покрытия и без цилиндрической линзы: менее 0.1 мВ.
5. Чувствительный элемент в виде волокна из полиамида диаметром 220 мкм без полимерного покрытия и без цилиндрической линзы: 0.1 мВ.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет увеличить чувствительность волоконного датчика в 335 раз по сравнению с датчиком, имеющим чувствительный элемент в виде волокна без покрытия. При этом продольный габарит датчика составляет 20 мм. Длиннопериодные волоконные решетки широко применяются в качестве чувствительных элементов в волоконных датчиках температуры, давления и механических напряжений [S.W.James, R.P.Tatam // Measur. Sci. and TechnoL, 2003. V.14, P.R49-R61]. Это позволяет расширить функциональные возможности датчика искры и дуги и использовать его для измерения других характеристик и параметров объекта.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить чувствительность и пространственное разрешение волоконного датчика искры и электрической дуги, уменьшить габариты его чувствительного элемента и расширить его функциональные возможности.
Промышленная применимость
Волоконный датчик искры и электрической дуги по настоящему изобретению предназначен для использования в системах аварийной защиты высоковольтного и электрораспределительного оборудования для индикации искрения или дуги, определения их местоположения и мощности.
Волоконный датчик искры и электрической дуги по настоящему изобретению предназначен для использования в системах аварийной защиты механических устройств с вероятностью возникновения искрения за счет трения или ударов механических узлов, для уменьшения их износа и предотвращения аварийных ситуаций и пожара или взрыва в присутствии легковоспламеняющихся веществ.
Волоконный датчик искры и электрической дуги по настоящему изобретению предназначен для использования на электростанциях, в высоковольтных установках, на линиях электропередачи, на пожаро- и взрывоопасных предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности, в шахтах и на транспорте.