ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА ОПТИЧЕСКИЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ
AC AND DC OPTICAL LABORATORY METER

Изобретение относится к оптическим приборам, в которых используется эффект Фарадея для измерения электрического тока. Изобретение будет использовано в качестве образцового измерителя тока в лабораториях Госстандарта и предприятий электроэнергетики.
Образцовый измеритель тока должен быть универсален по роду тока, иметь большой диапазон измерения, высокую точность измерения тока, а также удобен для использования.
Существующие электромагнитные эталонные трансформаторы тока ИТТ-5000-5, ТТИП-5000/5 и методика поверки традиционных трансформаторов переменного тока по ГОСТ 8.217-2003 мало пригодны для проведения поверок электронных (цифровых) трансформаторов тока, изготовленных по ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010 «Трансформаторы измерительные. Часть 8 Электронные трансформаторы тока». Основной причиной трудностей являются различия систем регистрации измеренных токов.
В настоящее время на рынке измерителей тока для высоковольтных сетей появились электронные оптические измерители тока [1], принцип работы которых основан на эффекте Фарадея [2].
Основным узлом оптических измерителей тока является так называемая ячейка Фарадея, состоящая из двух линейных поляризаторов, между которыми установлено магниточувствительное изотропное прозрачное вещество, например, оптическое стекло, обладающее большой постоянной Верде, помещенное в магнитное поле проводника с током так, что вектор напряженности магнитного поля совпадает с направлением распространения линейно поляризованного света в данном веществе. Фрагмент проводника может быть в виде прямой шины или в виде соленоида, содержащего от одного до нескольких витков.
Под воздействием продольного магнитного поля фрагмента проводника с током магниточувствительное вещество (стекло) приобретает способность вращать (преобразовывать) плоскость поляризации линейно поляризованного света на угол
где: Н - величина напряженности магнитного поля, действующего на активный элемент ячейки Фарадея;
V - постоянная Верде магниточувствительного вещества (стекла);
L - длина пути, пройденного пучком поляризованного света в веществе;
β - угол между направлением распространения света и направлением силовых линий магнитного поля фрагмента проводника;
N - число витков фрагмента проводника;
i - ток, протекаемый по проводнику;
k - конструктивный коэффициент, учитывающий расстояние магниточувствительного вещества до проводника, усреднение напряженности магнитного поля в различных точках магниточувствительного элемента.
Если предположить, что магнитное поле Н постоянное, а магниточувствительное вещество изотропное, то по воздействию на линейно поляризованный свет его можно представить матрицей ротатора [3]
где α - угол поворота плоскости поляризации в соответствии с формулой (1).
Обычно в ячейках Фарадея, используемых в оптических измерителях тока, плоскости пропускания поляризаторов отличаются на угол ±45°, то интенсивность света I на выходе ячейки Фарадея можно найти из уравнения
0
где:  - вектор Стокса не поляризованного света интенсивностью I;
П
45°
П
0
[М] [М] - табличные матрицы для идеальных поляризаторов [3] с плоскостями пропускания 0° и 45° соответственно.
После перемножения матриц преобразования (3) находим первый параметр вектора Стокса, который характеризует интенсивность света I, прошедшего через ячейку Фарадея,
max
Если по фрагменту проводника протекает переменный ток i=isinωt частоты сети ω=50 Гц, то
а интенсивность света I на выходе ячейки Фарадея изменяется по закону
Отношение Q переменной составляющей к постоянной составляющей интенсивности света I несет в себе информацию о угле поворота α и о величине тока i, а именно:
Из уравнений (6, 7, 8) видно, что ячейки Фарадея для оптических измерителей переменного тока должны быть выполнены так, чтобы амплитуда изменения угла поворота плоскости поляризации а не превышала ±45°. Желательно, чтобы угол α удовлетворял условию |α|<±30°.
Следовательно, в зависимости от величины измеряемого тока i должны быть правильно выбраны: вещество магнитооптического элемента по постоянной Верде V, длина пути L пучка света в магнитооптическом элементе, конструкция фрагмента проводника с током (число витков N соленоида), формирующего продольное магнитное поле.
Конструкция проводника с током должна быть такой, чтобы магнитные силовые линии совпадали с направлением света и коэффициент k был наибольшим. Например, если это соленоид, то следует стремиться к тому, чтобы диаметр соленоида был наименьшим (проводник с током должен быть ближе к магнитооптическому элементу), а его длина должна быть как можно больше диаметра.
2
2
Обычно номинальный измеряемый ток i может быть от 100 А до нескольких килоампер. Сечение S фрагментов проводников измерителей тока должны соответствовать току i. Так, для медных проводников при i=300 А должно быть S≥120 мм, а при i=5000 А должно быть S≥2000 мм. При этом возникают две проблемы. Во-первых, если в качестве проводников использовать толстые шины, то существуют ограничения для минимальных радиусов изгиба шин и изготовлении из них соленоидов малых диаметров затруднено. Во-вторых, при переменном токе в толстых шинах возникают вихревые токи Фуко, что приводит к дополнительному нагреву проводника с током и нагреву магнитооптического элемента.
Магнитооптический элемент ячейки Фарадея должен быть изотропным даже при воздействий температуры при нагреве фрагмента проводника (соленоида), чтобы не происходило появление термических натяжений и возникновения эффектов двойного лучепреломления, преобразования линейно поляризованного света в эллиптически поляризованный и, в конечном итоге, к эффекту деполяризации света.
Для обеспечения большого диапазона измерения токов в образцовом измерителе тока конструкция фрагмента проводника с током должна позволять регулировать напряженность создаваемого им магнитного поля, например, путем изменения числа витков сечения проводника.
Известны цифровые оптические измерители тока, у которых в качестве магниточувствительного вещества используют оптическое одномодовое волокно, которое наматывают в виде катушки и надевают на фрагмент проводника с током так, что витки волокна совпадают с направлением силовых линий магнитного поля проводника [4, 5, 6].
Подобные устройства имеют ряд существенных недостатков.
Главный недостаток состоит в том, что принцип работы любого оптического волокна основан на явлении полного внутреннего отражения света, при котором неизбежно возникает разность фаз δ между взаимоортогональными компонентами поляризованного света и линейно поляризованный свет становится эллиптически поляризованным.
Величина разности фаз δ и степень эллиптичности зависит от ориентации плоскости поляризации падающего света относительно плоскости границы раздела сердцевины оптического волокна и его оболочки, а так же от угла преломления при каждом акте внутреннего отражения внутри оптического волокна. Кроме того, при изгибе оптического волокна в нем неизбежно возникают механические нагрузки, которые приводят к появлению двойного лучепреломления и к дополнительной разности фаз. Следовательно, оптическое волокно является анизотропным веществом. Любое волокно можно представить в виде набора фазовых пластинок с различными направлениями главных осей, преобразующих линейно поляризованный свет в эллиптический.
В процессе распространения линейно поляризованного света в оптическом волокне происходит хаотическое преобразование состояния поляризации света и на выходе оптического волокна вместо линейно поляризованного света получаем частично поляризованный свет (если волокно одномодовое) или полностью не поляризованный свет (если волокно многомодовое).
В результате в одномодовом волокне одновременно с эффектом поворота плоскости поляризации на угол α происходит частичная деполяризация света с коэффициентом деполяризации Δр.
Следовательно, магниточувствительный элемент ячейки Фарадея, выполненный на основе одномодового оптического волокна, по воздействию на линейно поляризованный свет можно представить матрицей преобразования
где: р=1-Δр - степень поляризации света;
α - угол поворота плоскости поляризации света оптическим волокном под воздействием магнитного поля.
Если матрицу (9) подставить в уравнение (3), то после перемножения матриц найдем интенсивность света, выходящего из оптического волокна после второго поляризатора
В этом случае величину измеряемого тока можно представить выражением
Из уравнения (11) видно, что с уменьшением степени поляризации р уменьшается амплитуда оптического сигнала, несущего информацию о эффекте Фарадея (о угле поворота α) и, соответственно, вносится ошибка в результате измерения тока.
Известен магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока [7], в котором ячейка Фарадея выполнена в виде четырех стеклянных призм типа АР-180° склеенных последовательно так, что они охватывают по кругу проводник с током. На входе первой призмы и на выходе четвертой призмы закреплены линейные поляризаторы, плоскости пропускания которых составляют между собой угол ±45°.
Свет от источника, находящегося под нулевым потенциалом земли, направляется на ячейку Фарадея, находящуюся под высоким напряжением сети, с помощью многомодового оптического волокна и установленного за ним коллиматора.
Прошедший через ячейку Фарадея свет направляется на фотоприемник так же с помощью многомодового оптического волокна.
Эта известная ячейка Фарадея, используемая в патенте [7], работает следующим образом.
Свет от источника с помощью первого многомодового оптического волокна передается в фокальную плоскость коллиматора. Далее после коллиматора свет проходит первый линейный поляризатор, становится линейно поляризованным, последовательно проходит все четыре призмы АР-180°, второй поляризатор, собирающую линзу и с помощью второго многомодового оптического волокна подается на фотоприемник.
Если по фрагменту проводника проходит переменный ток частоты ω=50 Гц, то вокруг проводника создается переменное магнитное поле, магнитные силовые линии которого в виде концентрических колец пронизывают призмы, по которым проходит линейно поляризованный свет по прямой, параллельной осевой линии каждой призмы. Продольная составляющая этих силовых линий, совпадающая с направлением распространения света в каждой из четырех призм создает эффект поворота плоскости поляризации света на угол
max
max
где: α=HVLcosβ;
max
H - максимальная амплитуда напряженности магнитного поля вокруг проводника;
V - постоянная Верде стекла призм;
L - длина пути поляризованного света, пройденного вдоль магнитных силовых линий;
β - угол между направлением распространения света и направлением силовых линий магнитного поля.
Благодаря тому, что главное сечение последующей призмы находится под углом 90° к главному сечению предыдущей призмы, то разность фаз δ между компонентами поляризованного света, возникающая при полном внутреннем отражении в предыдущей призме, компенсируется в последующей призме (если все призмы выполнены из одной марки стекла). Поэтому в отличие от оптического волокна в процессе прохождения поляризованного света по всем четырем призмам деполяризация света не происходит.
Однако, это известное устройство [7] имеет существенные недостатки.
Во-первых, в данном устройстве [7] не эффективно используется магнитное поле, возникающее вокруг проводника с током. Так, в каждой из четырех призм свет распространяется по прямой, составляя траекторию четырехугольника, а силовые линии вокруг проводника имеет форму концентрических колец. Причем, напряженность магнитного поля у поверхности проводника наибольшая, а с увеличением радиуса г кольца убывает по закону
Поэтому в зоне центральной части каждой призмы напряженность поля Н наибольшая, а у концов призм существенно меньше. К тому же у концов призм на участках перехода света от одной призмы к другой свет распространяется перпендикулярно плоскости колец магнитных силовых линий и не вносит никакого вклада в эффект Фарадея.
Во-вторых, если требуется достичь высокой точности измерений переменного тока, то данное устройство не имеет перспектив существенного увеличения пути L поляризованного света в призмах и увеличения числа витков проводника с током.
В-третьих, это известное устройство не может измерять постоянный ток. В известном оптическом измерителе переменного тока в высоковольтных сетях по патенту РФ (полезная модель) №171401, G01R 15/24 [8] используется более совершенный магнитооптический элемент в виде четырехугольной призмы.
Это известное устройство содержит источник коллимированного пучка света 1 диаметром D (фиг. 1), в пучке света установлены последовательно первый линейный поляризатор 2, четырехугольная стеклянная призма 3 высотой h, которая установлена внутри скобы 4, выполненной из медной шины. Первое основание 5 призмы 3 полировано и на нем нанесено зеркальное покрытие в виде прямоугольной полоски 6. Другое основание призмы 3 содержит две полированные поверхности с зеркальными покрытиями 7, 8, которые наклонены относительно первого основания 5 под равными углами γ=arctg(0,5D/h) и образует между собой в центре основания ребро 9, параллельное длинной стороне зеркальной полоски 6.
Плоскость пропускания первого поляризатора 2 перпендикулярна ребру 9 и параллельна большой грани призмы 3. После призмы 3 по ходу пучка света установлен второй поляризатор 10, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° относительно плоскости пропускания первого поляризатора 2.
Известное устройство [8] работает следующим образом. Коллимированный пучок света от источника 1 проходит поляризатор 2 и становится линейно поляризованным, азимут поляризации которого ψ перпендикулярен ребру 9 и параллелен большой грани призмы 3. Линейно поляризованный коллимированный пучок света проходит стеклянную призму 3 и под углом γ падает на зеркальную поверхность 7, отражается от нее, второй раз проходит призму 3, под углом 2γ падает на зеркальную поверхность полоски 6, отражается от нее, третий раз проходит призму 3 и под углом γ падает на зеркальную поверхность 8, после отражения от нее проходит в четвертый раз призму 3 и проходит второй поляризатор 10.
Поскольку в данном примере плоскость поляризации света падающего на границу стекло-зеркальное покрытие совпадает с плоскостью падения, то для модулей комплексных коэффициентов отражения для параллельной и перпендикулярной составляющих поляризованного света можно записать  а азимут преимущественной поляризации после отражения
Таким образом, граница стекло-зеркальное покрытие при указанных выше условиях является изотропной системой с коэффициентом отражения .
Если ток i по шине 4 не проходит и магнитное поле отсутствует, а на призму 3 не действуют механические или термические нагрузки, то интенсивность света на выходе ячейки Фарадея
0
где I - интенсивность света, падающего на первый поляризатор 2.
max
Если по шине 4 протекает переменный ток i=isinωt частоты сети ω=50 Гц, то интенсивность света на выходе ячейки Фарадея изменяется по закону
а амплитуду переменного тока можно определить по формуле (8):
Из формул (8) и (17) видно, что известная ячейка Фарадея, используемая в известном устройстве [8], является более совершенной по сравнению с теми, у которых в качестве магнитооптического элемента используется оптическое волокно.
Однако, и это известное устройство имеет существенные недостатки.
Во-первых, известное устройство предназначено для измерения только переменного тока.
Во-вторых, фрагмент проводника 4 с переменным током выполнен из широкой и толстой шины, в которой возникают вихревые токи и скин-эффект, искажается магнитное поле и увеличивается нагрев фрагмента проводника.
В-третьих, фрагмент проводника 4 имеет форму скобы, что не позволяет максимально использовать возникающее вокруг проводника магнитное поле. Известно, например, что напряженность магнитного поля Н в центре полного витка в 1,36 раза больше, чем в центре скобы.
В-четвертых, для увеличения точности измерения тока в известном устройстве затруднено увеличение пути L, пройденного пучком света в четырехугольной стеклянной призме 3 ячейки Фарадея.
Известен более совершенный измеритель тока оптический [9], содержащий источник монохроматического коллимированного пучка света 1 (фиг. 2, 3) длиной волны λ и диаметром D, в котором установлены первый поляризатор в виде призмы Волластона 2, магнитооптический элемент 3 ячейки Фарадея, находящийся в продольном магнитном поле соленоида 4 с током. Магнитооптический элемент ячейки Фарадея выполнен в виде четырехугольной стеклянной призмы 3 высотой h, ее первое основание 5 полировано, на нем в центре основания 5 частично нанесено зеркальное покрытие в виде полоски 6 шириной D, равной диаметру коллимированного пучка света. Второе основание призмы 3 содержит две полированные поверхности 7, 8 с зеркальными покрытиями и наклоненные относительно первого основания 5 под равными углами γ=arctg(0,5D/h), составляющие между собой в центре ребро 9. Далее по ходу лучей установлен второй поляризатор 10, дополнительная призма 11, линзы 13, 14 (фиг. 3) и фотоприемники 15, 16, которые подключены к электронному блоку с индикатором результатов измерений и интерфейсом. Плоскость пропускания поляризатора 10 составляет углы ±45° с плоскостями поляризации лучей, вышедших из призмы Волластона 2. Дополнительная призма 11 выполнена из того же стекла, что и призма 3, ее две полированные грани образуют ребро, перпендикулярное плоскости разведения лучей призмой Волластона 2, и образуют с третьей полированной гранью дополнительной призмы 11 одинаковые углы θ, удовлетворяющие условию
где: β - угол разведения лучей призмой Волластона 2;
n - показатель преломления стекла призм 3 и 11.
Известный измеритель тока оптический универсальный работает следующим образом. Коллимированный, монохроматический пучок света от источника 1 (фиг. 2, 3) падает на первый поляризатор 2, выполненный в виде призмы Волластона и разделяется ею под углом 2β на два одинаковые по интенсивности линейно поляризованные пучка света с взаимоортогональными плоскостями поляризации.
1
2
Далее разделенные пучки света, лежащие в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа (фиг. 2), проходят магнитооптический элемент (призму 3), отражаются от зеркальной поверхности 7, вторично проходят элемент 3, отражаются от зеркальной плоскости 6, третий раз проходят элемент 3, отражаются от зеркальной поверхности 8, в четвертый раз проходят элемент 3, проходят второй поляризатор 10, преломляются в призме 11 и линзами 13, 14 (фиг. 3) направляются на фотоприемники 15, 16. Если по соленоиду 4 протекает постоянный ток, то фотоприемники 15, 16 преобразуют пучки света с интенсивностями I и I в электрические сигналы
где α - угол поворота плоскости поляризации света.
В электронном блоке вычисляется отношение
и величина измеренного постоянного тока
где с=NVLK - постоянная величина, зависящая от числа витков N соленоида 4, постоянной Верде V стекла призмы 3, от длины пути света в призме 3 и от коэффициента использования магнитного поля k.
max
Если по соленоиду 4 течет переменный ток частоты сети ω и напряженность магнитного поля внутри соленоида 4, также переменна H=Hsinωt, то на выходе фотоприемников 15, 16 будут электрические сигналы
1
2
Переменные составляющие сигналов U и U частоты ω находятся в противофазе, поэтому
Переменная составляющая электрического сигнала детектируется, сглаживается, поэтому микропроцессор электронного блока находит отношение Q и величину измеряемого тока по формулам (21) и (22).
Рассматриваемое известное устройство [9] является универсальным как по роду измеряемого тока (переменный или постоянный), так и по напряжению (от класса высокого напряжения зависит только конструкция. изолятора).
Однако, и это известное устройство [9] имеет недостатки, которые не позволяют использовать его в качестве образцового лабораторного измерителя тока.
2
2
2
ном
min
Известное устройство не содержит конструктивных признаков для регулировки диапазона измерения токов при сохранении высокой чувствительности и точности измерений токов. Так, например, при соленоиде из медных проводников сечением S=240mm, состоящего из четырех витков (N=4), допустимый номинальный ток i=240мм⋅2,5А/мм=600А и Н=i⋅N=600⋅4=2400А⋅витка. Если световой пучок проходит в магнитооптическом веществе путь L=280 мм, то согласно эксперименту номинальный угол поворота плоскости поляризации α=NiVkL=±9,67°, что при чувствительности измерения угла поворота α=±0,006° соответствует чувствительности по току Δi=±0,415A, то есть 0,18° от измеряемой величины.
2
2
Если требуется измерять большие токи, например, i=2000A, то сечение соленоида S=240мм недостаточное (требуется S≥800мм), а угол поворота плоскости поляризации при таком токе α>32°, что за пределами допустимого.
ном
А если номинальный измеряемый ток меньше, например, i ~ 100А, то при той же конструкции чувствительность по току Δi=±0,373А, что соответствует погрешности измерений тока 0,373% (почти вдвое хуже предусмотренной ГОСТ 7746-2001). Следовательно, в образцовом измерителе тока должна быть высокая чувствительность измерения тока и регулировка (подбор) сечения S проводника и числа витков N соленоида.
Предлагается новый измеритель переменного и постоянного тока оптический лабораторный свободный от упомянутых недостатков.
Измеритель переменного и постоянного тока оптический лабораторный содержит источник монохроматического коллимированного пучка света длиной волны λ и диаметром D, в котором установлены первый поляризатор, магнитооптический элемент ячейки Фарадея, который находится в продольном магнитном поле соленоида с током. Магнитооптический элемент выполнен в виде четырехугольной стеклянной призмы высотой h, ее первое основание полировано, на нем закреплена дополнительная призма из такого же стекла и частично нанесено зеркальное покрытие. Второе основание четырехугольной призмы содержит две полированные поверхности с зеркальными покрытиями наклонены относительно первого основания под равными углами γ=arctg(0,5D/h) и составляют между собой в центре ребро. Далее по ходу лучей установлены второй поляризатор в виде призмы Волластона с плоскостями поляризации разделенных ею лучей под углами ±45° относительно плоскости пропускания первого поляризатора, линзы, фотоприемники и электронный блок.
С целью увеличения пути прохождения поляризованного пучка света в четырехугольной призме и, соответственно, увеличения чувствительности и точности измерений тока, на первом основании четырехугольной призмы зеркальное покрытие нанесено на 2/3 ее поверхности так, что линия раздела между чистой и зеркальной поверхностями параллельна ребру второго основания четырехугольной призмы. Дополнительная призма наклеена на чистую поверхность первого основания так, что ее ребро перпендикулярно ребру четырехугольной призмы, а ее полированные грани наклонены к ее основанию под равными углами
λ
где n - показатель преломления стекла дополнительной призмы для длины волны λ, излучения источника света;
l - расстояние между центрами входящего в призму и выходящего из нее пучка света;
L - длина пути пучка света в четырехугольной и дополнительной призмах.
Для достижения стабильно высокой точности измерений токов в широком диапазоне соленоид выполнен так, что охватывает четырехугольную призму по всей ее высоте h и выполнен в виде набора отдельных плоских, одинаковых по внутреннему диаметру многослойных витков из обмоточных проводников, например, плоских шин, уложенных слоями друг на друга и соединенных между собой параллельно. Многослойные витки образуют катушки, содержащие от одного до четырех многослойных витков. Катушки снабжены стандартными наконечниками для соединения их с токопроводящими шинами и между собой параллельно при измерениях больших номинальных токов (например, от 500А до нескольких килоампер), последовательно при измерениях малых номинальных токов (например, до 300А) и для смешанного соединения (например, для измерения номинальных токов от 200 до 600А).
На фиг. 1 показана структурная схема известного оптического измерителя переменного тока в высоковольтных сетях по патенту РФ №171401.
На фиг. 2 показана структурная схема известного измерителя тока оптического универсального по патенту РФ №2682133 (вид спереди, в разрезах).
На фиг. 3 показана структурная схема известного измерителя тока оптического универсального по патенту РФ №2682133 (вид сбоку, в разрезах).
На фиг. 4, 5 показана структурная схема предлагаемого нового измерителя переменного и постоянного тока оптического лабораторного.
На фиг. 6 показана конструкция одного полного витка соленоида.
На фиг. 7 показана конструкция предлагаемой катушки из четырех витков, состоящая из четырех слоев обмоточных проводников в виде прямоугольной шины.
2
На фиг. 8 показана конструкция одного полного витка соленоида, состоящего из двух многослойных витков обмоточных медных проводников в виде шины 2×4 мм, соединенных между собой параллельно с помощью стандартных наконечников.
На фиг. 9 показана конструкция соленоида, состоящего из пяти катушек (фиг. 7), соединенных параллельно.
На фиг. 10 показана конструкция соленоида, состоящего из пяти катушек (фиг. 7) по четыре многослойных витка обмоточных проводников в каждой, соединенных последовательно.
На фиг. 11 показана конструкция соленоида, состоящего из семи спаренных витков (фиг. 8), соединенных параллельно.
Предлагаемый измеритель переменного и постоянного тока оптический лабораторный содержит источник монохроматического коллимированного пучка света 1 (фиг. 4, 5) длиной волны λ и диаметром D. В пучке света установлены первый поляризатор 2, например, в виде поляроида, магнитооптический элемент ячейки Фарадея, выполненный в виде четырехугольной стеклянной призмы 3 высотой h.
Магнитооптический элемент 3 находится внутри соленоида 4, то есть в продольном магнитном поле и выполнен в виде четырехугольной стеклянной призмы 3 высотой h. Первое основание 5 призмы 3 полировано, на 2/3 ее поверхности нанесено зеркальное покрытие 6.
Второе основание четырехугольной призмы 3 содержит две полированные поверхности 7, 8 (фиг. 5) с зеркальными покрытиями, которые наклонены относительно первого основания под равными углами γ=arctg(0,5D/h) и в центре основания составляют между собой ребро 9.
После четырехугольной призмы 3 установлен второй поляризатор в виде призмы Волластона 10 (фиг. 4) с плоскостями поляризации разделенных ее лучей под углами ±45° относительно плоскости пропускания первого поляризатора 2.
Линия разделена между зеркальным покрытием 6 (фиг. 5) и чистой поверхностью первого основания 5 параллельна ребру 9. На чистую поверхность первого основания 5 наклеена дополнительная призма 11 из такого же стекла, что и призма 3, причем так, что ее ребро 12 (фиг. 4) перпендикулярно ребру 9 четырехугольной призмы 3. Полированные грани дополнительной призмы 11 наклонены к ее основанию и, следовательно, к первому основанию 5 призмы 3 под углами (27)
λ
где n - показатель преломления стекла призмы 11 для длины волны света λ;
l - расстояние между центрами входящего в призму 11 и выходящего из нее пучка света;
L - длина пути пучка света в четырехугольной 3 и дополнительной 11 призмах.
В разделенных призмой Волластона 10 пучках установлены линзы 13, 14 (фиг. 4), которые собирают свет на фотоприемники 15, 16. Фотоприемники 15, 16 подключены к электронному блоку 17.
С целью достижения стабильно высокой точности измерений токов в широком диапазоне их номинальных величин соленоид 4 охватывает четырехугольную призму 3 по всей ее высоте h и выполнен в виде набора отдельных катушек одинаковых по внутреннему диаметру, содержащих от одного до четырех многослойных витков из обмоточных проводников (фиг. 6, 7, 8).
2
Так на фиг. 6 показана конструкция одного полного витка многослойного 18 содержащего четыре отрезка медной шины сечением 2×4 мм уложенные слоями друг на друга и соединенных параллельно.
2
На фиг. 7 показана конструкция катушки 19 из четырех многослойных витков, состоящих из четырех слоев проводника в виде медной шины сечением 2×4 мм. На концах катушки припаяны наконечники 20 для удобства ее монтажа в составе соленоида.
На фиг. 8 показана конструкция катушки из одного витка, содержащего два многослойных витка 18, соединенных между собой параллельно.
В качестве примера на фиг. 9 показан общий вид одного из вариантов предлагаемого соленоида, предназначенного для измерения токов до 600А, в котором установлено пять катушек 19 (фиг. 6), соединенных между собой параллельно. Для подачи тока катушкам 19 наконечники 20, соединенные с началом катушек, соединены с медной шиной 21 (фиг. 8), а наконечники 20, соединенные с концами катушек 19 - с шиной 22 (фиг. 9) с помощью винтов 23.
Шины 21 и 22 закреплены на выступах 24 основания 25, выполненных из диэлектрического материала. Шины 21, 22 имеют площадки с резьбовыми отверстиями 26, 27 для подключения к проводнику с измеряемым током.
На фиг. 10 показан общий вид варианта предлагаемого соленоида, предназначенного для измерения токов до 100А, в котором установлено пять катушек 19 (фиг. 7), но соединенных последовательно. Для этого катушки 19 через одну развернуты (фиг. 10) вокруг оси на 180°, а для соединения их последовательно предусмотрены медные перемычки 28. Перемычки 28 имеют лыски 29 и вставлены в пазы 30, выполненные в выступах 24 основания 25.
На фиг. 11 показан общий вид варианта предлагаемого соленоида, предназначенного для измерения токов до 1400А, в котором установлено семь спаренных многослойных витка 18 (фиг. 8), соединенных параллельно.
Предлагаемый измеритель переменного и постоянного тока оптический лабораторный работает следующим образом.
Свет от источника 1 (фиг. 4) проходит поляризатор 2, становится линейно поляризованным, азимут поляризации которого перпендикулярен ребру 9 призмы 3 (на фиг. 5 находится в плоскости чертежа), преломляется в плоскости главного сечения призмы 11 и через первое основание 5 входит в призму 3 с отклонением относительно первоначального направления на угол
где  - угол наклона входной грани призмы 11 относительно ее основания;
λ
n - показатель преломления стекла призм 3 и 11;
l - расстояние между центрами входящего в призму 11 и выходящего из нее пучка света;
L - длина пути пучка света в четырехугольной призме 3 и дополнительной призме 11.
Отклоненный в плоскости чертежа (фиг. 4) линейно поляризованный коллимированный пучок света проходит стеклянную призму 3, падает на зеркальную поверхность 7 (фиг. 5) и отражается от нее с отклонением дополнительно уже в плоскости главного сечения призмы 3 на угол
где D - диаметр пучка света;
h - высота призмы 3.
Далее пучок света проходит второй раз стеклянную призму 3, отражается от зеркальной поверхности 6 в зоне 31, третий раз проходит призму 3, отражается от зеркальной поверхности 8, в четвертый раз проходит призму 3, отражается от зеркальной поверхности 6 в зоне 32, в пятый раз проходит призму 3, отражается от зеркальной поверхности 8, в шестой раз проходит призму 3, отражается от зеркальной поверхности 6 в зоне 33, седьмой раз проходит призму 3, отражается от зеркальной поверхности 7, восьмой раз проходит призму 3, преломляется на поверхности призмы 11 (фиг. 4) и падает на призму Волластона 10.
Призма 10 разводит параллельный пучок света на два пучка, лежащие в плоскости разведения, которая составляет угол ±45° по отношению к плоскости пропускания первого поляризатора 2. Линзы 13, 14 собирают разделенные призмой 10 пучки света и направляют соответственно на фотоприемник 15 и 16.
1
2
Интенсивности света I и I, воспринимаемые фотоприемниками 15, 16, пропорциональны первым параметрам Стокса, которые находим после перемножения матриц преобразования элементов оптики согласно уравнения
где:  вектор Стокса, характеризующий излучение источника света 1;
- матрица преобразования линейного поляризатора 2;
- матрица преобразования призмы 3, когда по соленоиду протекает постоянный ток, зеркальные поверхности которой характеризуются общим коэффициентом отражения R;
- матрица преобразования призмы Волластона 10, развернутой по отношению к поляризатору 2 на угол ±45°, знак плюс для одного пучка света, а знак минус для другого пучка света.
После перемножения матриц преобразования элементов оптики находим
1
2
Фотоприемники 15, 16 преобразуют пучки света с интенсивностями света I, I в электрические сигналы (19, 20)
1
0
U=U(1+sin2α),
2
0
U=U(1-sin2α).
Электронный блок 17 (фиг. 4) суммирует сигналы
вычитает сигналы
находит их отношение (21)
и величину измеряемого тока (22)
где с=NVLK - постоянный конструктивный коэффициент, зависящий от числа витков N соленоида 4, коэффициента использования магнитного поля k, от постоянной Верде V стекла призмы 3 и длины пути L пучка света в призме 3.
max
Если по соленоиду 4 течет переменный ток частоты со и напряженность магнитного поля внутри соленоида 4, также переменна H=Hsinωt, то фотоприемники 15, 16 будут воспринимать интенсивности света
Соответственно на выходах фотоприемников 15,16 будут электрические сигналы (23), (24)
1
0
max
U=U[1+sin(2αsinωt)],
2
0
max
U=U[1-sin(2αsinωt)].
После детектирования и сглаживания электронный блок 17 находит отношение
Из уравнений (35), (36), (37) видно, что предлагаемый измеритель тока оптический универсален по роду тока, то есть может измерять как переменный, так и постоянный ток.
Увеличение площади зеркального покрытия 6 на первом основании 5 четырехугольной призмы 3 до 2/3 ее поверхности и закрепление на оставшейся чистой поверхности основания 5 дополнительной призмы 11 позволило увеличить вдвое число прохождений поляризованного пучка света в призме 3 по сравнению с прототипом [9], то есть удалось вдвое увеличить длину пути света L, что согласно формулы (1) увеличивает угол поворота плоскости поляризации света и тем самым увеличивает чувствительность и точность измерения тока.
Кроме того, отклонение поляризованного пучка света от оптической оси призмы 3 в двух взаимоперпендикулярных направлениях и многократные отражения его в ортогональных плоскостях от зеркальных поверхностей призмы 3 позволяет скомпенсировать дополнительные неконтролируемые эффекты преобразования азимута плоскости поляризации света Δα, которые происходят при каждом отражении. Исследования [10] показали, что при нормальном отражении от зеркальной поверхности коэффициенты отражения  и  компонент линейно поляризованного света равны, а если угол падения не равен 90°, то  и азимут линейной поляризации изменяется на величину
где α - угол поворота плоскости поляризации света, вызванный эффектом Фарадея.
Так, например, расчеты показывают, что при алюминиевом зеркальном напылении на стекло ТФ относительный показатель преломления отражающей поверхности является комплексной величиной [10]
max
Следовательно, при угле падения γ=2,8 на поверхность 7 призмы 3 и при одном проходе света, когда эффект Фарадея дает α ≈ 3°, азимут линейно поляризации дополнительно изменяется на величину
При четырехкратном прохождении поляризованного света Δα ≈ 0,03°, что существенно влияет на точность измерения тока i. Поэтому в известном устройстве [9] это явление частично нейтрализуется введением поправки в зависимости от величины измеренного отношения Q по формуле (21), которое зависит от угла α.
В предлагаемом измерителе переменного и постоянного тока оптическом лабораторном происходит компенсация дополнительного эффекта преобразования азимута плоскости поляризации Δα за счет того, что при отражении поляризованного света во взаимно ортогональных плоскостях коэффициенты отражения  и  изменяются практически на одну и ту же величину и согласно формулы (38) Δα ≈ 0.
Если заранее известны пределы изменений измеряемого тока, то оператор выбирает соответствующий вариант набора отдельных плоских одинаковых по внутреннему диаметру многослойных витков (фиг. 6, 7, 8).
ном
ном
2
2
2
2
Так, например, если требуется образцовый измеритель тока для поверки измерителей тока, используемых в распределительных сетях, где i≤500А, то оператор выбирает вариант набора катушек 19 (фиг. 7) собранный как показано на фиг. 9. Измеряемый ток с помощью контактных шин 21 и 22 (фиг. 7) и наконечников 20 разветвляется и протекает по пяти катушкам 19, которые охватывают стеклянную призму 3 по всей ее высоте h. Создаваемое при этом в центре соленоида 4 магнитное поле  пропорционально 4⋅i=4⋅500A=2000A витков. Общее сечение проводников S=2⋅4⋅5⋅5мм=200мм. При этом плотность тока в проводниках соленоида 4j=500A/200мм=2,5A/мм, что не превышает нормы для медных открытых проводников.
ном
2
2
2
Если измеряемый номинальный ток i≤100A, то оператор выбирает вариант соединения катушек 19 последовательно, как показано на фиг. 10. Для этого четные катушки разворачивают на 180° вокруг оси (вокруг призмы 3) и все катушки соединяются между собой последовательно с помощью перемычек 28. При этом общее число витков соленоида N=4⋅5=20 и напряженность магнитного поля в центре соленоида будет  вит., а общее сечение проводников S=2⋅4⋅5=40мм. Плотность тока j=100A/40мм=2,5А/мм, то есть в пределах нормы.
2
2
2
Если требуется измерять ток i≤1400A, то оператор выбирает вариант конструкции соленоида, показанного на фиг. 11, который содержит семь отдельных витков (фиг. 8), соединенных между собой параллельно. В этом случае число витков N=1, общее сечение соленоида S=40⋅2⋅7=560мм, напряженность поля в центре соленоида 4  вит., а плотность тока j=1400A/560мм=2,5А/мм, т.е. в пределах допустимого.
min
ном
2
min
2
2
Экспериментальные исследования показали, что при ходе линейно поляризованного пучка света L=560 мм в призме 3 высотой h=70 мм, изготовленной из стекла ТФ5 и находящейся в продольном магнитном поле соленоида 4 фиг. 9 Н=300А⋅4витка=1200А вит., происходит эффект поворота плоскости поляризации света на величину α=6,2°, а чувствительность по току Δi ≈ 0,24А, что составляет 0,08% от измеряемой величины. Если соленоид собран по схеме, показанной на фиг. 10, а номинальный ток i=100А, плотность тока j=100/40мм=2,5А/мм, то Н=2000А/вит. и α=10,3°, a Δi ≈ 0,048А, что составляет 0,048% от измеряемой величины.
ном
3
ном
Если соленоид собран по схеме, показанной на фиг. 11, а номинальный ток i=1400А/вит., то угол поворота α=7,23°, a Δi ≈ 0,968А, что составляет 0,07% от измеряемой величины.
Сравнивая полученные данные с требованиями ГОСТ 7746-2001 «Трансформаторы тока. Общетехнические условия» (таблица 8), можно сделать вывод, что предлагаемый измеритель переменного и постоянного тока оптический лабораторный соответствует классу точности 0,1 и может использоваться в качестве образцового (эталонного) измерителя тока при поверке цифровых измерителей тока класса точности 0,2S, используемых для коммерческого учета электроэнергии.
ном
2
2
Если не производить перекоммутацию соленоида 4 и работать в диапазоне измерений тока i=1400A, то соленоид 4 должен иметь сечение S≥1400А/2,5 А/мм=560 мм. При N=1 и чувствительности Δi=0,968A обеспечивается класс точности 0,1. А при измерениях токов в диапазоне до iн=100А при той же чувствительности относительная погрешность измерений будет соответствовать уже 1 классу точности вместо класса точности 0,1, что неприемлемо.
Таким образом, предлагаемая конструкция измерителя переменного и постоянного тока оптического лабораторного позволяет производить подбор и перекоммутацию катушек 18, 19 (фиг. 6, 7, 8) и при переходе от одного диапазона к другому добиваться примерно одного уровня напряженности магнитного поля, что позволяет без изменения конструкции оптически активного элемента добиваться наибольшей точности измерений тока в широком диапазоне измерений. В этом состоит удобство конструкции и простота в ее обслуживании. В случае необходимости измерения токов в несколько килоампер есть возможность увеличения числа слоев в витках 18 и перехода на другой сортамент медных проводников, но при сохранении главных преимуществ:
- виток 18 (фиг. 6) должен быть многослойный, но плоский;
- катушка 19 (фиг. 7) должна иметь желательно от двух до шести многослойных витков;
- проводники должны быть медными.
Предлагаемый измеритель переменного и постоянного тока оптический лабораторный найдет применение в лабораториях метрологических центров, занимающиеся поверкой как традиционных электромагнитных трансформаторов тока, так и новых цифровых измерителей тока, в которых используется оптический эффект Фарадея.
Актуальность предлагаемого устройства состоит в том, что при переходе на цифровые технологии в энергетике, в том числе на цифровые измерители тока требуются новые методики их поверки и новое оборудование, то есть новые высокоточные образцовые измерители тока близкие по технологии изготовления и по принципу работы.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Гуртовцев А.Л. Оптические трансформаторы и преобразователи тока//Новости электротехники. - 2009. - №6.
2. Ландсберг Г.С. Оптика: 5-ое изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1976. с. 618-620.
3. Шерклифф У. Поляризованный свет. - М.: Мир, 1965.
4. Патент РФ №2438138, G01R 15/24.
5. Патент РФ №2321000, G01R 15/24.
6. Патент Германии №19547021, G01R 15/24.
7. Патент РФ (полезная модель) №123965, G01R 15/24.
8. Патент РФ (полезная модель) №171401, G01R 15/24.
9. Патент РФ №2682133, G01R 15/246.
10. Пеньковский А.И. «ОМП», 1986, №5. с. 9.