Магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока

Заявляемая полезная модель относится к области информационно-измерительных систем, в частности к измерительным преобразователям магнитных полей и токов, высоковольтных энергетических и электрофизических установок.
Заявляемая полезная модель предназначена для преобразования магнитного поля измеряемого тока в поворот плоскости поляризации света, распространяющегося в ячейке Фарадея, расположенной в этом поле, передаче света из зоны высокого потенциала на потенциал земли и последующего преобразования в напряжение, значение которого пропорционально измеряемому току. Использование волоконно-оптических световодов, для передачи света обеспечивает гальваническую развязку между зонами высокого и низкого потенциалов.
Известны магнитооптические преобразователи магнитных полей и токов, описанные в патентах на изобретения РФ№2281516, МПК G01R 15/24, G01R 33/032, опубликовано 10 августа 2006 года, №2177625, МПК G01R 33/032, опубликовано 27 декабря 2001 года, в которых реализуется магнитооптический эффект Фарадея, использующие в качестве ячейки Фарадея световод или магнитную пленку, при этом ячейка Фарадея оптически связана через поляризатор и световод с источником света и через анализатор - с фотоприемником.
Однако в известных устройствах коэффициент преобразования зависит от интенсивности источника света, изменения потерь в оптической схеме и нестабильности постоянной Верде материала ячейки в процессе эксплуатации, что приводит к снижению точности преобразования.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является техническое решение, описанное а патенте Российской Федерации №127198, МПК G01R 33/032, приоритет от 29 октября 2012 года, дата публикации - 20 апреля 2013 года на полезную модель: "Магнитооптический преобразователь тока", использующий в ячейке Фарадея стабильное магнитооптическое стекло. При этом ячейка Фарадея, расположенная в магнитном поле проводника с измеряемым током, оптически связана через первый поляризатор, первый световод и первый ответвитель с первым источником света, через второй поляризатор, второй световод и второй ответвитель с вторым источником света, первый и второй фотоприемники и генератор парафазного напряжения.
Однако при использовании такого преобразователя поворот плоскости поляризации света в ячейке Фарадея преобразуется в пропорциональные изменения его интенсивности и выходное напряжение преобразователя зависит от шумов источников света, что приводит к снижению точности преобразования и уменьшению динамического диапазона. Для уменьшения шумов необходимо уменьшать полосу пропускания преобразователя, но это приводит к частотным искажениям измеряемого сигнала и возможно лишь в ограниченных пределах.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности преобразования и расширение динамического диапазона благодаря использованию модуляции света по синусоидальному закону и фазометрического способа измерения поворота плоскости его поляризации в ячейке Фарадея.
Достижение технического результата обеспечивается тем, что магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока, содержащий ячейку Фарадея, расположенную в магнитном поле проводника с измеряемым током, оптически связанную через первый поляризатор, первый световод и первый ответвитель с первым источником света, через второй поляризатор, второй световод и второй ответвитель с вторым источником света, первый и второй фотоприемники и генератор парафазного напряжения, согласно полезной модели, дополнительно снабжен первым и вторым детектором, первым и вторым дифференциальными усилителями, первым и вторым управляемыми аттенюаторами, источником опорного напряжения, сумматором, вычитателем и фазометром, а парафазный генератор выполнен синусоидальным, при этом второй выход первого ответвителя оптически связан с первым фотоприемником, второй выход второго ответвителя оптически связан со вторым фотоприемником, выход первого фотоприемника подключен к первому входу вычитателя и через первый детектор и первый дифференциальный усилитель к управляющему входу первого аттенюатора, выход второго фотоприемника подключен ко второму входу вычитателя и через второй детектор и второй дифференциальный усилитель к управляющему входу второго аттенюатора, вторые входы первого и второго дифференциальных усилителей подключены к источнику опорного напряжения, синусоидальный выход парафазного генератора подключен к первому входу сумматора и через первый аттенюатор подключен к первому источнику света, косинусоидальный выход парафазного генератора подключен ко второму входу сумматора и через второй аттенюатор подключен ко второму источнику света, а выходы сумматора и вычитателя подключены к входам фазометра.
Такое построение магнитооптического преобразователя обеспечивает модуляцию света по синусоидальному закону, его распространение в ячейке Фарадея в двух противоположных направлениях, в которых углы поворота плоскости поляризации имеют противоположные знаки, преобразование световых потоков в электрические сигналы и формирование суммарного сигнала, изменяющегося по синусоидальному закону, фаза которого пропорциональна углу поворота плоскости поляризации света в ячейке Фарадея.
Это обеспечивает преобразование измеряемого тока в пропорциональные изменения фазового сдвига синусоидального модулирующего напряжения и измерение этого сдвига фазометрическими способами.
Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на чертеже и содержит ячейку 1 Фарадея, расположенную в магнитном поле проводника 2 с измеряемым током, оптически связанную через первый поляризатор 3, первый световод 4 и первый оптический ответвитель 5 с первым источником 6 света, и через второй поляризатор 7, второй световод 8 и второй оптический ответвитель 9 со вторым источником 10 света. Первый фотоприемник 11 оптически связан со вторым выходом первого ответвителя 5, а второй фотоприемник 12 оптически связан со вторым выходом второго ответвителя 9. Синусоидальный выход парафазного генератора 13 через первый управляемый аттенюатор 14 подключен к первому источнику 6 света, его косинусоидальный выход через второй управляемый аттенюатор 15 подключен ко второму источнику 10 света. Первый фотоприемник 11 через первый детектор 16 и первый дифференциальный усилитель 17 подключен к управляющему входу первого управляемого аттенюатора 14, второй фотоприемник 12 через второй детектор 18 и второй дифференциальный усилитель 19 подключен управляющему входу второго управляемого аттенюатора 15, а вторые входы первого 17 и второго 19 дифференциальных усилителей соединены с источником опорного напряжения 20. Входы вычитателя 21 подключены к первому 11 и второму 12 фотоприемникам, входы сумматора 22 подключены к выходам парафазного генератора 13, а выходы вычитателя 21 и сумматора 22 подключены к входам фазометра 23.
Магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока работает следующим образом. Парафазный генератор 13 формирует синусоидальное и косинусоидальное напряжения высокой частоты, которые через первый 14 и второй 15 управляемые аттенюаторы модулируют интенсивности световых потоков первого 6 и второго 10 источников света по синусоидальному и косинусоидальному законам высокой частоты ω.
1
1
1
ф=Ф(1+Msin ωt),
2
2
2
ф=Ф(1+Мcos ωt),
1
2
где фи ф - интенсивности световых потоков первого 6 и второго 10 источников
1
2
1
2
света, Ф и Ф - интенсивности световых потоков первого 6 и второго 10 источников света без модуляции, M и М - глубина модуляции световых потоков первого 6 и второго 10 источников света.
Первый световой поток проходит первый ответвитель 5 в прямом направлении, первый световод 4, первый поляризатор 3, ячейку 1 Фарадея, где его плоскость поляризации поворачивается на угол пропорциональный измеряемой величине, второй поляризатор 7, плоскость пропускания которого установлена под углом π/4 к плоскости пропускания первого поляризатора 3, второй световод 8, второй ответвитель 9 в обратном направлении и преобразуется вторым фотоприемником 12 в электрический сигнал.
Второй световой поток проходит второй ответвитель 9 в прямом направлении, второй световод 8, второй поляризатор 7, ячейку 1 Фарадея, где его плоскость поляризации поворачивается на угол, пропорциональный измеряемой величине, но противоположный знак, первый поляризатор 3, первый световод 4, первый ответвитель 5 - в обратном направлении и преобразуется первым фотоприемником 11 в электрический сигнал.
2
2
1
1
m
u=SФ(1+Msin ωt)[1+sin(2VIsinΩt)],
1
1
2
2
m
u=SФ(1+Mcos ωt) [1-sin(2VIsinΩt) ],
1
2
1
2
m
где u и u - напряжения на выходах первого 11 и второго 12 фотоприемников, S и S - чувствительности первого 11 и второго 12 фотоприемников с учетом потерь света в оптической схеме, V - постоянная Верде материала ячейки 1 Фарадея, I - максимальное значение измеряемого тока, Ω - частота измеряемого тока промышленной сети.
Переменные составляющие напряжений первого 11 и второго 12 фотоприемников изменяются с частотой модуляции ω.
2ω
2
1
1
m
u=SФМ[1+sin(2VIsinΩt)]sin ωt,
1ω
1
2
2
m
u=SФМ[1-sin(2VIsinΩt)cos ωt].
0
0
Эти составляющие преобразуются первым 16 и вторым 18 детекторами в постоянные напряжения, сравниваются первым 17 и вторым 19 дифференциальными усилителями с напряжением U опорного источника 20 и изменяют коэффициенты передачи первого 14 и второго 15 управляемых аттенюаторов таким образом, чтобы они были равными друг другу и напряжению U опорного источника 20.
2ω
0
m
u=U[1+sin(2VIsinΩt)]sin ωt,
1ω
0
m
u=U[1-sin(2VIsinΩt)cos ωt].
Δ
Вычитатель 21 формирует разностное напряжение U составляющих, изменяющихся с частотой ω.
Δ
0
m
m
U=U{[1+sin(2VIsinΩt)]sin ωt-[1-sin(2VIsinΩt)]cos ωt}.
Сумматор 22 формирует суммарное напряжение с выходов парафазного генератора.
Σ
E
E
U=U(sin ωt+cos ωt)=U sin(ωt-π/4).
Фазометр 23 измеряет фазовый сдвиг ψ между высокочастотными выходными напряжениями вычитателя 21 и сумматора 22.
При реализации магнитооптического измерительного преобразователя тока ячейка 1 Фарадея выполнена в виде четырех призм Дове, сечением 15×15 мм и длиной 115 мм из манитооптического стекла ТФ-1, образующая замкнутый контур вокруг проводника 2 с измеряемым током. Поляризаторы 3, 7 выполнены интерференционными и интегрированы в призмы, плоскости пропускания которых установлены под углом углом π/4 друг к другу. Световоды 4, 8 и ответвители 5, 9 изготовлены на основе толстого многомодового кабеля кварц-кварц WF 800/880/1200 Т. Источники света изготовлены на основе инфракрасных светодиодов SFH4232, фотоприемники на основе фотодиодов BPW34. Электронные схемы выполнены на микросхемах фирмы Analog Devices.