Магнитооптический датчик электрического тока повышенной точности

Евстафьев А.И. Evstafev А.1.

аспирант Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа

Ураксеев М.А. Urakseev М.А.

профессор Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа

УДК 681-78

МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ

В статье рассматривается один из недостатков существующих структур магнитооптических датчиков. Предлагается новая структура магнитооптического датчика повышенной точности.

Ключевые слова: эффект Фарадея, магнитооптический датчик, плоскость поляризации света, анализатор, поляризатор, точность, кривая изменения интенсивности света.

MAGNETO-OPTICAL SENSOR OF ELECTRIC CURRENT WITH IMPROVED ACCURACY

In the article one of the number of drawbacks of existing magneto-optical sensors structures is considered. A new structure of magneto-optical sensor with improved accuracy is proposed.

Key words: Faraday effect, magneto-optical sensor, plane of polarization of the light, analyzer, polarizer, accuracy, curve of variation of intensity of the light.

Современные высокоточные технологические процессы производства предъявляют высокие требования к точности измерений изменяющихся при их протекании физических величин.

Особое значение имеет измерение электрических величин, в частности силы электрического тока. Не менее актуально производить измерения электрического тока с максимальной точностью для повышения эффективности потребления электроэнергии.

Наиболее распространенными измерителями электрического тока сегодня являются магнитные измерительные трансформаторы тока и датчики на основе эффекта Холла. Общими недостатками этих измерителей являются: значительные погрешности измерений; наличие эффекта насыщения, сильно ограничивающего диапазон измеряемых токов; зна-

чительные массогабаритные характеристики измерительных систем.

Эти недостатки являются значительными в условиях возросших требований к технико-экономическим характеристикам датчиков и точности измерений.

В этой связи перспективной, по мнению авторов, представляется работа по разработке и модернизации магнитооптических датчиков тока, действие которых основано на продольном магнитооптическом эффекте Фарадея. Они объединяют многие достоинства измерительных трансформаторов и датчиков на основе эффекта Холла, не имея, в то же время, присущих им недостатков.

Магнитооптические датчики тока позволяют измерять переменные и постоянные токи (погрешность ± 0,1%, повторяемость ± 0,02%, линейность

Data processing facilities and systems

± 0,1%), обладают широким динамическим диапа- и исключают необходимость разрыва проводника с

зоном, малыми массогабаритными показателями. контролируемым током [1].

Кроме того, их чувствительная часть полностью На рис. 1 приведена структурная схема про-

электроизолирована (наличие гальванической раз- стейшего магнитооптического датчика электриче-

вязки), они не требуют регулярного обслуживания ского тока с модуляцией поляризации.

Рис. 1. Магнитооптический датчик с модуляцией поляризации: Е - вектор напряженности, характеризующий поляризацию света; J - интенсивность света; и - напряжение на выходе фотодиода. Датчик содержит источник оптического излучения (лазерный диод) 1, поляризатор 2, магнитооптический элемент 3, анализатор (второй поляризатор) 4 и фотодиод 5

При прохождении света через магнитооптический элемент 3, внесенный в поле тока с напряженностью Нмагн, происходит поворот плоскости поляризации луча света на угол фарадеевского вращения [2, 3]:

Ф = VLH ,

магн 4 '

где V - постоянная Верде; L - длина пути света в магнитооптическом элементе; Н - напряжен-

магн

ность поля тока, воздействующего на чувствительный магнитооптический элемент.

Датчик, структурная схема которого представлена на рис. 1, обладает всей совокупностью достоинств, присущих магнитооптическим датчикам.

При этом при создании реальных измерительных устройств, привлекательных для практического применения, перспективной является модернизация магнитооптических датчиков с целью повышения их точностных характеристик.

Значительным недостатком магнитооптического датчика (рис. 1) является большая погрешность измерения угла фарадеевского вращения (следовательно, электрического тока) при измерении полей, которые обуславливают его работу на нелинейном участке кривой изменения интенсивности света.

Рассмотрим подробнее возможные условия работы датчика.

Интенсивность света на выходе системы «поляризатор (2) - магнитооптический элемент (3) - анализатор (4)» определяется из закона Малюса, который при наличии магнитного поля, создаваемого измеряемым током, запишется в виде:

J ы = J х C0S2

где ф - угол между осями пропускания анализатора и поляризатора (ф = const); J х - интенсивность света, прошедшего через входной поляризатор; J вых - интенсивность света на выходе анализатора; Ф -

угол фарадеевского вращения.

Найдем производную от выражения (2) по разности (ф - Ф):

й3-~ - = 2./„со8

d

dJ„

Производная

с1{(р-Ф) dJ.

= /„sm2(p-<P).

П

d{

имеет экстремумы при

т — ф=±—, что свидетельствует о максимальном

4

влиянии минимального приращения d(ф - Ф) около значения + — на интенсивность выходного света

4

(линейный участок А-Б кривой изменения интенсивности света (рис. 2)).

В этой связи верным является и утверждение о том, что при работе датчика на линейном участке кривой изменения интенсивности света (участок А-Б) показание напряжения на выходе фотодиода подразумевает меньший возможный разброс значения угла фарадеевского вращения Ф. Следовательно, в этом случае показания датчика более точны.

Обратная ситуация имеет место в условиях работы датчика на нелинейном участке кривой изменения интенсивности света, где показания фотодиода могут подразумевать большой разброс угла фарадеевского вращения Ф. Следовательно, в этих условиях говорить о требуемой высокой точности датчика не представляется возможным.

Аналогичным недостатком обладает наиболее широко применяемая сегодня схема магнитооптического датчика с двулучепреломляющим анализатором (призмой Воллостона) (рис. 3), который разводит лучи взаимно-ортогональных поляризаций

и ^ВЫХТ

<р-ф=45°

Рис. 2. Кривая изменения интенсивности света

Рис. 3. Магнитооптический датчик с разведением лучей взаимно-ортогональных поляризаций

Датчик содержит источник оптического излучения (лазерный диод) 1, поляризатор 2, магнитооптический элемент 3, двулучепреломляющий анализатор 4, фотодиоды 5 и 6.

Двулучепреломляющий анализатор можно заменить на первый и второй анализаторы, оси пропускания которых ортогональны.

В случае, когда величина измеряемого поля тока такова, что рабочая точка системы «поляризатор (2) - магнитооптический элемент (3) - первый анализатор» находится на нелинейном участке кривой изменения интенсивности света, рабочая точка

системы «поляризатор (2) - магнитооптический элемент (3) - второй анализатор» также будет располагаться на нелинейном участке кривой изменения интенсивности света. В этом случае по показаниям первого и второго фотодиодов нельзя с необходимой точностью судить об измеряемом поле тока.

Нами предложена конструкция магнитооптического датчика, позволяющая повысить точность измерений электрического тока путем устранения присущего приведенным выше конструкциям датчиков недостатка.

Data processing facilities and systems

Рис. 4. Магнитооптический датчик

Предлагаемый датчик содержит лазерный диод

I, расположенный по ходу его луча входной поляризатор 2, на выходе которого расположен чувствительный магнитооптический элемент 3. На выходе чувствительного магнитооптического элемента расположен оптический разветвитель 4. На первом выходе разветвителя 4 расположен двулучепрелом-ляющий первый анализатор 5, связанный выходами с первым и вторым фотодиодами 6 и 7. На втором выходе оптического разветвителя 4 установлен второй анализатор 8, связанный с третьим фотодиодом 9. Выходы первого и второго фотодиодов 6 и 7 соединены с первым дифференциальным усилителем 10, выход которого соединен с компаратором

II. Компаратор 11 соединен с усилителем тока 12, с которым последовательно включены компенсационная электромагнитная катушка 13 и резистор 14. К резистору 14 параллельно включен второй дифференциальный усилитель 15, выход которого соединен с первым входом блока обработки информации 16. Второй вход блока обработки информации соединен с выходом фотодиода 9.

Предлагаемый датчик работает следующим образом.

Магнитооптический датчик вносится в измеряемое поле тока с напряженностью Н . Луч света,

г магн ^

излучаемый лазерным диодом 1, при прохождении через входной поляризатор 2 становится плоскопо-ляризованным (ось пропускания входного поляризатора расположена вертикально). Плоскополяризо-ванный луч света проходит через чувствительный магнитооптический элемент 3, при этом под воздействием измеряемого поля тока с напряженностью Н происходит поворот плоскости поляризации плоскополяризованного луча на угол фарадеевско-

го вращения Ф. Далее луч света с повернутой поляризацией попадает в оптический разветвитель 4, где делится на две составляющие, сохраняющие поляризацию с выхода чувствительного элемента.

Первая составляющая разделенного оптическим разветвителем 4 света попадает в двулуче-преломляющий первый анализатор 5. С помощью первого анализатора 5 осуществляется разделение плоскополяризованного луча света с повернутой поляризацией на два линейно поляризованных световых сигнала с поляризационными плоскостями, направленными под углами +45°, - 45° относительно оси пропускания входного поляризатора 2.

Интенсивности линейно поляризованных световых сигналов с выхода первого анализатора 5 детектируются фотодиодами 6 и 7.

Вторая составляющая разделенного оптическим разветвителем 4 света попадает на второй анализатор 8, который установлен под углом ф = +45° относительно оси пропускания входного поляризатора 2. Интенсивность линейно поляризованного светового сигнала с выхода второго анализатора 8 детектируется фотодиодом 9.

Выходные напряжения фотодиодов 6 и 7 подаются на дифференциальный усилитель 10, который находит разность между ними. Сигнал с выхода дифференциального усилителя 10 поступает на вход компаратора 11, где сравнивается с нулем. Выход компаратора через усилитель тока 12 соединен с компенсационной электромагнитной катушкой 13 таким образом, что ее поле компенсирует измеряемое поле тока. Последовательно с усилителем тока 12 и компенсационной электромагнитной катушкой 13 включен резистор 14, падение напряжения на котором пропорционально силе тока

в электромагнитной компенсационной катушке 13. Дифференциальный усилитель 15 производит сигнал, пропорциональный току в электромагнитной компенсационной катушке 13. Выход дифференциального усилителя 15 соединен с первым входом блока обработки информации 16. На второй вход блока обработки информации 16 подается сигнал с фотодиода 9.

В блоке обработки информации производится сложение информаций об измеряемом поле тока: первая составляющая суммы поступает с выхода дифференциального усилителя (пропорциональна компенсационному полю, создаваемому катушкой 13), вторая составляющая суммы определяется по показанию фотодиода 9 посредством реализации известного способа модуляционного измерения фазового сдвига. После чего на выходе блока обработки информации формируется сигнал о величине измеряемого тока.

Если измеряемое поле тока таково, что плоско-поляризованный свет при прохождении магнитооптического элемента 3 датчика поворачивается на угол фарадеевского вращения, при котором для системы «поляризатор (2) - магнитооптический элемент (3) - первый анализатор (5)» выполняется условие <р-фя±— (соответствует линейному участку

кривой изменения интенсивности света), тогда компенсационное магнитное поле, созданное исходя из разности показаний фотодиодов 6 и 7, полностью компенсирует измеряемое. Неизменившееся напряжение на выходе фотодиода 9 будет свидетельствовать о точности проводимого измерения.

Если же измеряемое поле тока таково, что пло-скополяризованный свет при прохождении магнитооптического элемента 3 датчика поворачивается на угол фарадеевского вращения, при котором для системы «поляризатор (2) - магнитооптический элемент (3) - первый анализатор (5)» условие не выполняется (соответствует нелинейному участку

кривой изменения интенсивности света), тогда компенсационное магнитное поле, созданное исходя из разности показаний фотодиодов 6 и 7, не полностью компенсирует измеряемое. При этом изменившееся показание фотодиода 9, установленного на выходе второго анализатора 8, входящего в систему «поляризатор (2) - магнитооптический элемент (3) -второй анализатор (8)», работающего на линейном участке кривой изменения интенсивности света, позволит определить разницу между измеряемым полем и созданным компенсационным. После чего эта разность посредством блока обработки информации 16 будет прибавлена к компенсационному полю. В результате на выходе блока обработки информации отобразится более точная информация об измеряемом токе.

Технический результат - уменьшение погрешности измерений тока при работе датчика на нелинейном участке кривой изменения света.

Предложенная структура магнитооптического датчика позволяет создавать реальные измерительные устройства, привлекательные для практического применения.

Список литературы:

1. ЕвстафьевА.И. Математическое моделирование процесса изменения интенсивности светового потока в магнитооптическом преобразователе тока [Текст] / А.И. Евстафьев, М.А. Ураксеев // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвуз. сб. научн. ст. / ВолгГТУ. -Волгоград. - 2012. - № 15 (102). - С. 12-16.

2. Рандошкин В.В. Прикладная магнитооптика [Текст] / В.В. Рандошкин, А.Я. Червоненкис. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.

3. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики [Текст] / Т. Окоси. - Л.: Энергоатомиздат, 1990. -256 с.