ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Изобретение относится к области волоконной оптики и предназначено для повышения точности измерений волоконно-оптических датчиков электрического тока (до 0.1%) в широком диапазоне температур (-40°С +85°С).
Волоконные датчики электрического тока (ВОДТ) могут применяться в силовых электрических сетях, контроле процессов плавления цветных металлов, системах электрической защиты и контроля токов утечки, в качестве вторичных эталонов тока.
Чувствительный элемент представляет собой волоконный световод, уложенный в виде многовиткового контура, в котором число волоконных витков определяется рабочим диапазоном измеряемого электрического тока.
Магнито-оптические свойства чувствительного световода зависят от наличия линейного двулучепреломления в световоде (внутреннего или наведенного внешним воздействием), которое, как правило, зависит от температуры. Этот фактор во многом определяет температурную стабильность чувствительного элемента и, соответственно, погрешность измерения электрического тока.
В [1] для снижения температурного влияния двулучепреломления на точность ВОДТ в качестве световода для чувствительного элемента используют световод с предельно низким внутренним линейным двулучепреломлением. Для снятия наведенного изгибного двулучепреломления многовитковый контур из такого световода помещается в кольцевой кварцевый капилляр и отжигают в течение суток при температуре порядка 1000 градусов Цельсия, а капилляр заполняется сухим азотом и защищается силиконом. При этом температурные возмущения циркулярного двулучепреломления минимизируются, а изгибно наведенное напряжение снимается, фазовое запаздывание из-за остаточного внутреннего линейного двулучепреломления в контуре не превосходит 6 градусов на 20 м и почти не зависит от температуры. Проблема точности измерения тока в широком диапазоне внешних температур решается при таком подходе. Недостатком являются технологические сложности при изготовлении чувствительного элемента и высокие затраты, кроме того теряется ряд важных преимуществ цельноволоконного датчика тока, в частности, установка чувствительного элемента без разъединения силовой электрической цепи.
Другим подходом для построения высокоточного датчика тока является использование в качестве световода для чувствительного элемента Spun световода с большим встроенным двулучепреломлением (ДЛП).
Spun световод изготавливается из кварцевой заготовки с большим линейным ДЛП, которая крутится в процессе вытяжки световода. В результате образуется световод со спиральной структурой быстрых и медленных осей двулучепреломления с шагом спирали определяемым скоростью вытяжки световода и угловой скоростью вращения заготовки. При этом на чувствительность световода к магнитному полю электрического тока влияют встроенное линейное двулучепреломление и шаг спирали [2]. При определенном соотношении периода вращения двулучепреломляющих осей к длине биений встроенного двулучепреломления чувствительность Spun световода к продольному магнитному полю измеряемого электрического тока близка к чувствительности идеального световода. Достоинствами чувствительного элемента на Spun световоде является слабая чувствительность к механическим и акустическим воздействиям, простота изготовления и монтажа, а также возможность изготавливать чувствительные элементы для ВОДТ малых размеров (до 2 см в диаметре). Датчики
электрического тока с чувствительным элементом на основе Spun световода известны [US Patent, Appl. No.: 183977, 1998], [Us Patent, Appl. No.: 313690, 1994].
Недостатком такого чувствительного элемента является зависимость линейного ДЛП используемых Spun световодов от температурных напряжений [5], что приводит к погрешности измерения электрического тока из-за температуры. В частности, масштабный коэффициент ВОДТ с чувствительным элементом на имеющихся Spun световодах может иметь температурную нестабильность (±5% в диапазоне -40°С до 85°С).
м
0
м
о
м
Наиболее близким по технической сущности и поставленной технической задаче является чувствительный элемент в датчике тока [6]. Чувствительным световодом здесь является Spun световод с линейным двулучепреломлением, определяемым геометрией сердцевины. Температурная стабильность данного чувствительного элемента несколько выше, чем у элементов на основе Spun световодов с другим типом ДЛП. Однако недостаточно высока для решения поставленной задачи. Объяснение тому следующее. Для создания ДЛП в световодах используются два основных подхода [7]: создание ассиметричного термоупругого механического напряжения в заготовке (или непосредственно в волокне) или создание волноводного (геометрического) ДЛП за счет некруглой формы световедущей области оптического волокна. Первый механизм принципиально зависит от температуры так как величина наведенного термоупругими напряжениями ДЛП пропорциональна разнице ΔT температуры размягчения кварцевого стекла Т в области, создающей напряжения, и окружающей температуры Т:ΔТ=Т-Т. Типичное значение Т составляет 600-800°С.
Второй механизм обычно рассматривается как температурно независимый, так как волноводное ДЛП действительно определяется только параметрами волновода и рабочей длиной волны. Наиболее типичным представителем таких волокон с большим ДЛП являются волокна с эллиптичной сердцевиной, как в [6]. Однако в реальности такие волокна дают уменьшение температурной зависимости линейного ДЛП примерно в 5-10 раз по сравнению с волокнами с термоупругим механизмом ДЛП. Это объясняется тем, что при создании эллиптической сердцевины образуются несимметричные области с различным типом и уровнем легирования. Такие области неизбежно приводят к появлению первого механизма ДЛП, который складывается или вычитается с геометрическим, и суммарное значение ДЛП также становится температурно зависимым.
2
2
3
2
3
2
2
2
3
Задача изобретения заключается в разработке новой модификации световода типа Spun для чувствительного элемента датчика электрического тока. Техническим результатом изобретения является минимизация влияния температуры на встроенное двулучепреломление световода, сложенного в многовитковую катушку и повышение точности волоконно-оптического датчика с чувствительным элементом из Spun световода до уровня, сравнимого с требованиями Европейского энергетического стандарта (0.1% в диапазоне температур -40°С +85°С). Сущность изобретения заключается в следующем. Предлагается волокно типа "Spun", в котором встроенный механизм линейного ДЛП определяется только волноводным механизмом, а термоупругий механизм полностью подавлен. Это достигается за счет того, что чувствительный элемент волоконно-оптического датчика электрического тока, выполнен в виде многовиткового контура из волоконного световода с эллиптической световедущей сердцевиной и со спиральной структурой быстрых и медленных осей двулучепреломления, при этом световедущая жила и светоотражающая оболочка волоконного световода имеют двойное легирование соединениями GeO и ВО, в оболочке концентрация BO превышает концентрацию GeO, а в области сердцевины концентрация GeO, превышает концентрацию ВO, причем сердцевина и оболочка
имеют одинаковые коэффициенты температурного расширения, а разница показателей преломления сердцевины и оболочки всегда положительная и может меняться в больших пределах.
В общем термоупругие напряжения, а значит и ДЛП определяются выражением [8]:
1
2
m
a
0
где, Е - модуль Юнга для световода, С - фотоупругий коэффициент материала световода, α и α - коффициенты температурного расширения сердцевины и оболочки, T - температура размягчения кварцевого стекла, T - температура окружающей среды, R(θ) - радиус до границы слоев (оболочка - матрица), θ - полярная координата
2
2
3
2
3
2
2
2
3
2
3
2
2
2
3
2
3
2
Отсюда следует, что, если все области с различными значениями термоупругих напряжений имеют круговую форму, то термоупругого ДЛП не возникает, а значит задача сводится к созданию структуры волокна в которой некруглая (эллиптичная) сердцевина окружена светоотражающей оболочкой, имеющей тот же самый коэффициент линейного расширения (КТР), что и сердцевина и максимально круговую внешнюю границу (Рис.1). Этого можно достичь, например, при двойном легировании GеО и ВО. При этом в области оболочки должно быть больше ВО, а в области сердцевины GеО, так как первая добавка увеличивает показатель преломления, а вторая его уменьшает. Суммарная же концентрация подбирается так, чтобы обе области имели одинаковый коэффициент температурного расширения (обе добавки его увеличивают). В этом варианте возможно реализовывать различные величины разницы показателей преломления сердцевины и оболочки, а значит и реализовывать различные параметры распространения в волокне, например, изменять в широком пределе размер пятна основной моды. При этом в общем случае для сердцевины концентрация GеО может меняться от 10 мол.% до до 30 мол.%, а концентрация ВO от 0 до 7 мол.%, для оболочки концентрация ВO лежит в пределах от 6 мол.% до 18 мол.%, а концентрация GеО от 2.5 мол.% до 10.5 мол.%. Для нашего опытного образца световода были использованы следующие концентрации: сердцевина - GeO (28.2 мол.%), ВO (0 мол.%), оболочка - ВО (10.5 мол.%), GeO (4.3 мол.%).
На рис.2 показана блок-схема волоконно-оптического датчика тока. Ее оптическая часть представляет собой отражательный волоконный интерферометр, который включает в себя расположенные в линию волоконно-оптические элементы, в частности, оптический излучатель 1, волоконный поляризатор 5, модулятор двулучепреломления 7, соединительную волоконную линию 8, четвертьволновую пластинку 9, чувствительный элемент 10 и зеркало 11.
Оптическая схема датчика построена так, что на вход чувствительного волоконного контура поступают две циркулярно поляризованные ортогональные моды. Датчик работает следующим образом. Провод с электрическим током 12 помещается внутрь чувствительного волоконного контура. Магнитное поле протекающего тока в соответствии с эффектом Фарадея вызывает сдвиг фаз между циркулярно поляризованными световыми волнами, распространяющимися по чувствительному световоду. Этот сдвиг фаз пропорционален величине тока, числу витков контура и постоянной Вердэ для материала волоконной сердцевины. Анализируя интерференционный сигнал на выходе интерферометра получают информацию о величине измеряемого тока.
Экспериментальная проверка опытного образца световода с линейным двулучепреломлением, изготовленного с учетом отмеченных выше требований, установила почти 100 кратное уменьшение температурной зависимости линейного двулучепреломления по сравнению с оптическим волокном с термоупругим механизмом ДЛП и 20 кратное по сравнению с данными, приводимыми в [6]. Проведенные нами расчеты влияния величины встроенного двулучепреломления на чувствительность Spun световода к магнитному полю электрического тока показывают, что достигнутой температурной стабильности линейного двулучепреломления достаточно для решения поставленной задачи.
Источники информации:
1. К.Bohnert, P.Gabus, J.Nehring and H.Brandle "Temperature and Vibration Insensitive Fiber-Optic Current Sensor", Journal of Lightwave Technology, vol.20, No.2, pp.267-276, 2002.
2. В.П.Губин, В.АИсаев, С.К.Моршнев, А.И.Сазонов, Н.И.Старостин, Ю.К.Чаморовский, А.И.Усов "Использование волоконных световодов типа Spun в датчиках тока". Квантовая электроника, 36, (3), 287-291, 2006.
3. US Patent, Appl. No.: 183977, 1998.
4. US Patent, Appl. No.: 313690, 1994.
5. Laming, Richard I. and David N. Payne " Electrical Current Sensors Employing Spun Highly Birefringent Optical Fibers" Journal of Lightwave Technology, v.7, No.12, pp.2084-2094.
6. Ian G.Clarke, "Temperature-Stable Spun Elliptical-Core Optical-Fiber Current Transducer", Optics Letters, v.18, No.2, 1993, pp.158-160.
7. Scott С.Rashleigh "Origins and control of polarization effects in single-mode fibres" // Journal of lightwave technology, vol. LT-1, No.2 June 1983.
8. Pak L. CHU and ROWLAND A. SAMMUT "Analytical Method for Calculation of Stresses and Material Birefringence in Polarization - Maintaining Optical Fiber" //Journal of lightwave technology, vol. LT-2, No.5 October 1984, pp.650-662.