ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОКА
FIBRE-OPTIC CURRENT MEASURING TRANSDUCER

Изобретение относится к области электромагнитных измерений и может быть использовано в электроэнергетике, в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматики.
Традиционно для измерения переменных токов в электроэнергетике и промышленности используются электромагнитные измерительные трансформаторы тока, обладающие рядом специфических ограничений по условиям функционирования, изоляционным параметрам, точности и стабильности измерений и т.д. Альтернативой измерительным трансформаторам являются волоконно-оптические измерительные преобразователи тока, основанные на использовании магнитооптического эффекта Фарадея - вращения плоскости поляризации света в продольном магнитном поле, применяемые в сочетании с современными цифровыми технологиями обработки сигналов и передачи данных.
В волоконно-оптических измерительных преобразователях тока используются световоды типа twist и spun. Первый тип световода обычно изготавливается из одномодового стекловолокна с предельно малым (~1÷2°/м) сдвигом фаз внутреннего двойного лучепреломления (ДЛП). Для изготовления чувствительного элемента датчика волокно упруго закручивается вокруг собственной оси с целью создания в нем сильного циркулярного ДЛП, многократно превышающего по величине любые линейные двулучепреломления, наведенные внешними воздействиями. Такая операция необходима для уменьшения зависимости чувствительности датчика от степени искривления волокна в процессе намотки его вокруг проводника с измеряемым током. Однако необходимость принятия специальных мер для «удержания» закрученного состояния волокна в оптическом кабеле существенно усложняет технологию изготовления непосредственно чувствительного элемента датчика, особенно при свободной форме измерительного контура.
Второй тип световода (spun) изготавливают из заготовки с сильным встроенным линейным ДЛП, которую вращают в процессе термической вытяжки волокна. Поскольку закручивание волокна в этом случае не является упругим, в нем не возникает циркулярное ДЛП, обусловленное упругооптическим эффектом. Поэтому механизм подавления воздействия добавочных ДЛП в местах изгибов волокна, другой - такие двулучепреломления теряются на фоне сильного встроенного линейного ДЛП. Влияние последнего на чувствительность датчика, в свою очередь, нивелируется очень быстрым вращением осей ДЛП относительно проходящего света. «Замороженность» закрученного состояния spun волокна упрощает технологию изготовления чувствительного элемента по сравнению с twist световодом.
Особенностью эффекта Фарадея является его «невзаимность»: при смене направления распространения света направление магнитооптического вращения поляризации не меняется. Поэтому разработчики волоконно-оптических измерительных преобразователей тока предпочитают использовать схему с двойным проходом излучения по волокну (туда и обратно), позволяющую при одинаковых размерах чувствительного контура потенциально вдвое увеличить угол магнитооптического поворота - физический механизм измерения тока.
Известна схема регистрации тока на основе эффекта Фарадея в одномодовом стекловолокне [Kim B.Y., Park D, Choi S.S. Use of polarizationoptical time domain reflectometry for observation of Faraday effect in singlemode fibers // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1982. V.18, №4. P.455-456], включающая источник света (лазерный диод), размещенную по ходу луча формирующую оптику (микрообъектив), поляризатор, выполненный в виде поляризационного светоделителя и оптически связанный с блоком регистрации интенсивности света из линзы и фотодетектора, узел ввода излучения в сердцевину волокна в виде микрообъектива, чувствительный элемент в виде петли из нескольких витков одномодового стекловолокна, и зеркала на торце световода. Чувствительность преобразователя, построенного по такой схеме, крайне нелинейная и зависит от многих факторов.
Известен волоконно-оптический измерительный преобразователь тока, выбранный нами в качестве прототипа [Laming R.I., Payne D.N. Electric current sensor employing spun highly birefringent optical fibers // J. Lightw. Technol. 1989. V.7, №12. P.2084-2094.], включающий источник света (лазерный диод), размещенную по ходу луча формирующую оптику, поляризатор, поляризационно-нейтральный светоделитель, оптически связанный с блоком регистрации интенсивности ортогональных составляющих света, состоящим из анализатора в виде поляризационного светоделителя и двух фотодетекторов, узел ввода излучения в волокно, чувствительный элемент в виде петли из нескольких витков spun световода, узел обратного ввода излучения в сердцевину волокна в виде формирующей оптики и зеркала Фарадея, состоящего из 45-градусного вращателя Фарадея и зеркала. Использование в схеме датчика зеркала Фарадея позволило в значительной степени нивелировать влияния ДЛП вдоль волокна, обусловленные его изгибами при формировании чувствительного контура. Однако условия оптимальной ориентации анализатора (рабочей точки) нарушаются в связи с конечными температурной и спектральной зависимостями характеристик магнитооптического стекла и возможной временной деградацией свойств постоянного магнита, используемых во вращателе Фарадея. Это приводит к возникновению дополнительных ошибок измерения.
Мной было обосновано и экспериментально подтверждено, что существует строго определенная зависимость между величинами чувствительности измерительного преобразователя тока и возможными колебаниями чувствительности при изменении ориентации плоскости чувствительного контура в пространстве, с одной стороны, и поляризационными характеристиками spun световода и размерами измерительного контура - с другой. Выведены формулы такой зависимости.
Предложен высокоточный и стабильный волоконно-оптический измерительный преобразователь тока на основе spun световода, положение рабочей точки которого не зависит от спектральных, температурных и геометрических условий прохождения света по волокну, а также от характеристик магнитооптического стекла и свойств постоянного магнита, используемых во вращателе Фарадея.
β
Такой технический результат получен, когда в волоконно-оптическом измерительном преобразователе тока на основе spun световода, включающем источник света, расположенные по ходу луча формирующую оптику в виде микрообъектива, поляризатор, поляризационно-нейтральный светоделитель, оптически связанный с блоком регистрации интенсивности ортогонально поляризованных составляющих света, состоящим из анализатора в виде поляризационного светоделителя и двух фотодетекторов, узел ввода излучения в сердцевину spun световода, из которого выполнен чувствительный элемент в виде охватывающей проводник с измеряемым током петли по крайней мере из одного витка волокна, и узел обратного ввода излучения в волокно в виде микрообъектива и зеркала Фарадея, новым является то, что торцы световода выполнены без осевого отражения света, шаг L биений встроенного линейного двойного лучепреломления spun световода выбран из условия:
где ±Δη - заданные максимально возможные колебания чувствительности измерительного преобразователя относительно заданного среднего значения  чувствительности при изменении положения чувствительного контура в пространстве, где  определено по отношению к чувствительности измерительного преобразователя с идеальным изотропным световодом и имеет размерность в относительных единицах;
R
L - длина биений линейного двойного лучепреломления, обусловленного искривлением волокна с радиусом изгиба R, имеет размерность длины;
γ
шаг L закрутки осей линейного двойного лучепреломления spun световода выбран из условия:
β
где L - шаг биений встроенного линейного двойного лучепреломления spun световода, имеет размерность длины;
- среднее значение чувствительности имеет размерность в относительных единицах;
-1
-1
β
β
β
a spun световод выбран с разными знаками относительных температурных коэффициентов V константы Верде материала сердцевины волокна (VdV/dT) и длины L биений встроенного линейного двойного лучепреломления (L dL/dT).
Подходы к выполнению торцов spun световода без осевого отражения света известны.
R
Подходы к нахождению длины L биений линейного двойного лучепреломления, обусловленного искривлением волокна с радиусом изгиба R, известны.
Подходы к определению чувствительности  измерительного преобразователя с идеальным изотропным световодом известны.
Если хотят повысить устойчивость преобразователя к изменениям температурных, спектральных или геометрических условий функционирования, то в узел обратного ввода излучения в волокно между микрообъективом и зеркалом Фарадея дополнительно вводят анизотропный кристалл, оптические и геометрические параметры которого выбраны такими, что траектории ортогонально поляризованных пучков света внутри кристалла меняются местами после отражения от зеркала Фарадея (п.2 формулы).
Подходы к выбору и выполнению анизотропного кристалла с необходимыми оптическими параметрами и геометрией известны.
Если источник излучения выполнен в виде лазерного диода и необходима стабилизация интенсивности его генерации, то поляризатор выполняют в виде светоделителя, и в схему дополнительно вводят оптически связанное с ним зеркало. Зеркало выполняет функцию внешнего зеркала составного резонатора лазерного диода (п.3 формулы).
На чертеже представлена общая схема измерительного преобразователя, где источник 1 света (например, лазерный диод), формирующая оптика - микрообъектив 2, поляризатор (поляризационный светоделитель) 3, поляризационно-нейтральный светоделитель 4, микрообъектив 5, оптический коннектор 6, чувствительный элемент 7, проводник 8 с измеряемым током, оптический коннектор 9, микрообъектив 10, анизотропный кристалл 11, стержень 12 из магнитооптического стекла, магнит 13, зеркало 14, линза 15, поляризационный светоделитель 16 (призма Волластона), фотодиоды 17 и 18, зеркало 19.
Устройство работает следующим образом.
Излучение источника 1 коллимируется микрообъективом 2, проходит через фильтр - поляризационный светоделитель 3, поляризационно-нейтральный светоделитель 4 (оптимальный коэффициент деления 50%/50%) и микрообъективом 5 фокусируется в сердцевину стекловолокна, концы которого вклеены в стандартные оптические коннекторы 6 и 9 световода. Последний образует чувствительный контур 7 из n витков волокна вокруг проводника 8 с измеряемым током. Для предотвращения интерференционных эффектов между торцами световода, а также нежелательного наложения на полезный сигнал френелевского отражения от торцов срезы волокна полируются наклонно по отношению к оси излучения, либо на срезы волокна наносится просветляющее покрытие. Излучение с выхода волокна коллимируется микрообъективом 10 и после отражения от зеркала Фарадея вновь фокусируется в сердцевину световода. В результате для обратно проходящего по световоду излучения быстрые и медленные оси локальных линейных ДЛП в волокне меняются местами, и, при отсутствии магнитооптического (МО) эффекта, трансформация состояния поляризации (СП) происходит в обратном порядке до восстановления линейного состояния поляризации, ортогонального входному. Таким образом осуществляется ортогональное преобразование СП, что приводит к нивелированию влияний ДЛП, возникающих при изгибах световода. Однако вариации СП света вдоль световода приводят к тому, что вклад различных частей световода в суммарное проявление эффекта Фарадея становится неодинаковым, а общая величина эффекта Фарадея остается зависимой от поляризационных параметров световода и геометрии измерительного контура.
1
2
Часть излучения с выхода световода отражается от диагональной грани светоделителя 4 и через собирающую линзу 15 попадает на анализатор - призму Волластона 16, разделяющую пучок на две линейно-ортогональные поляризационные составляющие. Интенсивности последних (I и I) регистрируются с помощью фотодиодов 17 и 18 и обрабатываются по определенному алгоритму для нахождения величины измеряемого тока. Подходы к определению алгоритма обработки измерительных сигналов известны.
Для обеспечения долговременной стабильной работы преобразователя задают требуемые значения чувствительности и максимально допустимый размах ее колебаний в процессе эксплуатации. Среднее значение  чувствительности волоконно-оптического измерительного преобразователя тока с чувствительным контуром из световода типа spun, определенное по отношению к чувствительности измерительного преобразователя с чувствительным контуром из идеального изотропного световода, находится из выражения:
а возможные вариации чувствительности ±Δη относительно среднего значения определяются выражением:
Последняя формула определяет параметр долговременной стабильности реакции преобразователя на измеряемый ток. Другими словами, задавая на этапе проектирования измерительного преобразователя величину максимально допустимых вариаций чувствительности относительно заданной величины среднего значения чувствительности, и опираясь на известные геометрические размеры предполагаемого чувствительного контура, мы можем определять необходимые поляризационные параметры spun световода.
Таким образом, построение измерительного преобразователя по предложенной схеме, со spun световодом, параметры которого определены заранее, исходя их поставленной измерительной задачи, обеспечивает высокоточное и стабильное измерение тока.
Если в узле обратного ввода излучения в волокно дополнительно разместить анизотропный кристалла 11 (п.2 формулы), оптические параметры и геометрия которого подобраны таким образом, что траектории ортогонально поляризованных пучков света внутри кристалла меняются местами после двойного прохода МО стержня 12, расположенного по оси кольцевого магнита 13, с промежуточным отражением от плоского зеркала 14, то мы обеспечим фиксирование положения рабочей точки измерительного преобразователя относительно анализатора независимо от реального угла МО поворота плоскости поляризации вовращателе Фарадея и от возможных изменений температурных, спектральных или геометрических условий прохождения излучения по волокну. Это приведет к повышению точности измерения тока в реальных условиях.
Если источник излучения выполнен в виде лазерного диода и необходима стабилизация мощности его генерации, для реализации режима пассивной стабилизации интенсивности генерации лазерного диода в схеме с протяженным составным резонатором, поляризатор 3 выполняют в виде светоделителя, и в схему дополнительно вводят оптически связанное с ним зеркало 19, жестко установленное на некотором расстоянии от излучающей поверхности кристалла диода и выполняющее роль внешнего зеркала составного резонатора (п.3 формулы). Оптическая связь с зеркалом осуществляется за счет отражения части излучения диода от диагональной грани поляризационного светоделителя 3 при небольшом фиксированном развороте последнего вокруг оси излучения относительно положения с максимальным пропусканием.
Пример конкретного исполнения (по п.2 и п.3 формулы).
На предприятии ФГУП «НИИКИ ОЭП» изготовлен макетный образец волоконно-оптического измерительного преобразователя тока. Техническое задание Заказчика предусматривало разработку и изготовление измерительного преобразователя класса точности 0,5 для измерения переменного тока с номинальным значением 3 кА (rms - среднеквадратичное значение) в объемном токопроводе диаметром 75 мм, находящемся под высоким напряжением 5 кВ. В качестве источника излучения был выбран одномодовый лазерный диод ML1016R фирмы «Mitsubishi» (длина волны излучения λ=658 нм, средняя мощность излучения 30 мВт). Исходя из допустимой погрешности измерения номинального тока (±0,5%) и опираясь на минимальный радиус изгиба волокна, ограниченный поперечным размером токопровода (R=39 мм - с учетом внешней оболочки световода), были рассчитаны необходимые поляризационные параметры spun световода, используемого в качестве чувствительного элемента:
R
R
R
γ
γ
2
Здесь L=400 πR - приведенное для стекловолокна с внешним диаметром 125 мкм выражение из [1] для рабочей длины волны излучения λ=658 нм. Исходя из номенклатуры spun волокна изготовителя, остановились на значении L=4 мм для длины волны 600 нм, что соответствует L=4,39 мм для рабочей длины волны. Предполагая достижение относительной величины средней чувствительности преобразователя =0,85÷0,9 от максимально возможной при использовании идеального световода, необходимое значение параметра L определили из условия (2). Исходя из номенклатуры spun волокна изготовителя, остановились на значении L=3,333 мм.
β
γ
3
Измеренное значение шумов интенсивности генерации лазерного диода, применяемого в схеме измерительного преобразователя, составило не более 0,01÷0,015% (rms) при использовании внешнего зеркала составного резонатора. С учетом того, что класс точности 0,5 предусматривает измерение тока величиной 5% от номинального значения (нижняя граница диапазона измерения с нормируемой ГОСТом погрешностью) с погрешностью не более 1,5%, определили, что при номинальном токе общая величина переменного магнитооптического вращения должна составлять ~0,2 рад (rms). Используя значение константы Верде для плавленого кварца V≈4,25 мкрад/А (λ=658 нм) [2] и учитывая относительную величину чувствительности преобразователя, определили необходимое число витков чувствительного контура n=16. С учетом полуметровых свободных концов светопровода для обеспечения изоляции от высокого напряжения получили общую длину светопровода L≈5 м. Таким образом, в качестве чувствительного элемента измерительного преобразователя был выбран светопровод общей длиной 5 м из стекловолокна марки «LBSpun» производства «Oxford electronics» (длина биений L=4 мм для λ=600 нм, шаг закрутки осей ДЛП L=3,333 мм). Торцы волокна вклеивались в стандартные оптические коннекторы типа FC/ARS. В качестве анизотропного кристалла использовался кристалл кальцита СаСО длиной 17 мм, рабочие грани которого были обработаны под углами 45° и 25° к оптической оси кристалла. В качестве сердечника вращателя Фарадея использовался стержень из магнитооптического стекла МОС 101. В качестве постоянного магнита использовался набор магнитных колец из сплава Nd-Fe-B. Измеренная величина угла поворота плоскости поляризации света при однократном прохождении вращателя Фарадея составляла 31,5°. Это значение не совпадало с оптимальной величиной угла поворота (45°), однако использование анизотропного кристалла позволило осуществить строго ортогональное преобразование СП света при прохождении в прямом и обратном направлении кристалла и зеркала Фарадея. Для измерения интенсивности ортогонально поляризованных компонент света использовались фотодиоды ФД-256, работающие в фотодиодном режиме. Для оцифровки измеренных сигналов использовался 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь DAQCard-Al-16XE-50 фирмы «National Instruments». Для обработки измерительных сигналов и представления результатов использовалась среда графического программирования LabVIEW.
Результаты измерения переменного тока макетным образцом волоконно-оптического преобразователя подтвердили правильность выбора необходимых параметров spun световода и чувствительного контура. Долговременная погрешность измерения тока в диапазоне от 5 до 120% от номинального значения не выходила за рамки допустимых для класса точности 0,5.
-1
-4
-1
-1
-6
-1
-1
-4
-1
β
γ
β
β
β
γ
Оценка температурной стабильности реакции макетного образца измерительного преобразователя проводилась с использованием естественного нагрева световода при длительном протекании номинального тока по проводнику. При росте температуры от 20°С до 40°С относительные изменения чувствительности измерительного преобразователя составили ~+0,3%. Рост чувствительности за счет возрастания константы Верде, исходя из ее относительной температурной зависимости VdV/dT=+0,7×10 К [3], мог составить в этих условиях не более 0,15%. Очевидно, что дополнительный сдвиг чувствительности обусловлен температурной зависимостью соотношения L/L используемого нами spun световода. Пренебрегая относительным изменением шага закрутки вследствие малого коэффициента линейного расширения плавленого кварца (LdL/dT<0,6×10 К [4]), получили для используемого в макетном образце измерительного преобразователя spun светопровода температурный коэффициент изменения длины биений встроенного ДЛП L dL/dT ~+4×10 К. Отрицательный знак температурного коэффициента обсуждаемой величины позволил бы полностью нейтрализовать температурную зависимость чувствительности датчика при использовании spun световода с специально подобранным соотношением параметров L/L.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ulrich R., Rashleigh S.C., Eickhoff W. Bending-induced birefringence in single mode fibers // Opt. Lett. 1980. V.5. P.273-275.
2. Rose A.H., Etzel S.M., Wang C.M. Verdet constant dispersion in annealed optical fiber current sensor // J.Lightw. Technol. 1997. V.15, №5, P.803-807.
3. Williams P.A., Rose A.H., Day G.W., Milner Т.Е., Deeter M.N. Temperature dependence of the Verdet constant in several diamagnetic glasses // Appl. Opt. 1991. V.30, №10. P.1176-1178.
4. Marvin J.W. Handbook of optical materials // CRC Press, 2003.