ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к волоконно-оптическим измерительным устройствам и может быть использована в энергетике, электротехнике и сильноточной электронике для измерения электрических токов и электромагнитных полей и передачи данных на расстояние.
Известен волоконно-оптический датчик электрического тока и магнитного поля (патент US, №5463312, кл GO1R 1/04, 1996), содержащий источник оптического излучения в виде лазера, поляризатор, оптическое волокно, свернутое в катушку, обладающее линейным двойным лучепреломлением и круговым лучепреломлением, анализатор и приемник оптического излучения (фотоприемник). Внутри катушки расположен проводник с током.
Недостатками данного датчика являются ограниченные функциональные возможности вследствие отсутствия блоков обработки сигнала с выхода приемника оптического излучения и возможности сопряжения с внешними устройствами и недостаточно высокая точность.
Известно также волоконно-оптическое измерительное устройство (патент РФ, №53021, кл. GO1R 33/032, опубл. 27.04.2006), содержащее последовательно оптически соединенные лазерный диод, поляризатор, магнитооптическую ячейку Фарадея в виде катушки из оптического волокна, охватывающего проводник с током, анализатор и фотодиод.
Недостатками данного устройства являются ограниченные функциональные возможности вследствие отсутствия возможности дистанционной работы и передачи сигналов в режиме on-line.
За прототип принято информационно-измерительное устройство электрического тока и магнитного поля (патент на полезную модель RU №103623 U1, 20.04.2011), содержащее передающий преобразователь, передающий сигналы на передающую антенну, лазерный источник излучения, магнитооптическую ячейку Фарадея в виде оптического волокна, охватывающего проводник с током, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и микроконтроллер, выход которого соединен с передающим преобразователем.
Недостатком данного прототипа является громоздкость структуры ввиду использования в каждой фазе двух электромагнитных трансформаторов тока, которые в высоковольтных сетях, как известно, могут весить до одной тонны каждый (в сетях с токами до 500 кА). Зарубежные компании все же стремятся использовать высоковольтные чисто оптические измерительные трансформаторы тока и напряжения, вес которых почти на порядок меньше.
Другим недостатком прототипа является отсутствие возможности оперативной цифровой индикации результатов измерения величин электрического тока и магнитного поля непосредственно у объекта измерения, а также невозможность просмотра измеренных значений тока и магнитного поля за любой прошедший промежуток времени.
Задачей полезной модели является создание нового устройства - волоконно-оптического информационно-измерительного устройства электрического тока и магнитного поля, с достижением следующего технического результата: расширение функциональных возможностей за счет обеспечения оперативной цифровой индикации результатов измерения величин электрического тока и магнитного поля непосредственно у объекта измерения, а также возможности просмотра измеренных значений тока и магнитного поля за любой прошедший промежуток времени.
Достижение данного технического результата обеспечивается тем, что в волоконно-оптическом информационно-измерительном устройстве электрического тока и магнитного поля, содержащем передающий преобразователь, передающий сигналы на передающую антенну, лазерный источник излучения, магнитооптическую ячейку Фарадея в виде оптического волокна, охватывающего проводник с током, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и микроконтроллер, выход которого соединен с передающим преобразователем, в отличие от прототипа, в него дополнительно введены установленные по обе стороны катушки из оптического волокна поляризатор и цепочка анализатор - фотодиод, а также подключенные ко входу и выходу микроконтроллера клавиатура и жидкокристаллический индикатор, а в качестве лазерного источника излучения использован лазерный диод, оптическое волокно выполнено в виде катушки и использован микроконтроллер, в структуру которого входят микропроцессор, усилитель и аналого-цифровой преобразователь (не показаны).
На фигуре приведена функциональная схема заявляемого волоконно-оптического информационно-измерительного устройства электрического тока и магнитного поля.
Устройство содержит источник 1 оптического излучения в виде лазерного диода; поляризатор 2; магнитооптическую ячейку Фарадея в виде катушки 3 из оптического волокна, охватывающего проводник 4 с током; анализатор 5; фотодиод 6; микроконтроллер 7, в структуру которого входят микропроцессор, усилитель и аналого-цифровым преобразователь (не показаны); жидкокристаллический индикатор 8; клавиатуру 9 управления; передающий преобразователь 10 сигналов; передающую антенну 11.
Заявляемое волоконно-оптическое информационно-измерительное устройство электрического тока и магнитного поля работает следующим образом.
При прохождении света, излучаемого лазерным диодом 1 мощностью Ро, через поляризатор 2 он становится плоскополяризованным.
При прохождении электрического тока I по проводнику 4 вокруг него в соответствии с законом полного тока создается магнитное поле, напряженность которого определяется как:
где R - расстояние от проводника с током до рассматриваемой точки; постоянная π=3,14.
При воздействии магнитного поля на чувствительный элемент в виде катушки 3 из оптического волокна радиусом R, по которой проходит луч света, имеет место магнитооптический эффект Фарадея и происходит поворот плоскости поляризации плоскополяризованного луча света на угол фарадеевского вращения:
где V - постоянная Верде материала оптического волокна; L - длина взаимодействия - общая длина оптического волокна катушки.
Если принять, что N - общее число витков оптоволоконной катушки, а R - усредненный радиус витка, то будем иметь выражение для длины в виде:
Подставив выражения (1) и (3) в формулу (2), получим:
В анализаторе 5 угол ϕ поворота плоскости поляризации плоскополяризованного луча света преобразуется в изменение мощности Р оптического сигнала по закону Малюса (Волоконно-оптические датчики / Под ред. Т. Окоси: Пер с японск, - Л. Энергоатомиздат, 1990, с. 158):
где Ро - мощность света при отсутствии магнитного поля.
Оптический сигнал (5) с выхода анализатора 5 поступает в фотодиод 6 и далее в виде электрического сигнала в микроконтроллер 7, содержащий усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор (не показаны). В усилителе сигнал усиливается, в аналого-цифровом преобразователе преобразуется в цифровой код, который обрабатывается по определенным алгоритмам в микропроцессоре. Это позволяет осуществлять коррекцию погрешностей и увеличить точность измерений.
Сигнал с выхода микроконтроллера поступает на жидкокристаллический индикатор 8, который отображает результаты измерений в цифровом виде. Клавиатура управления 9 позволяет управлять режимами работы системы.
В передающем преобразователе сигналов 10 происходит преобразование сигнала с выхода микроконтроллера 7 и передача его в передающую антенну 11, которая позволяет передавать сигнал на расстояние для дистанционного контроля работы волоконно-оптического информационно-измерительного устройства.
Таким образом, предлагаемое волоконно-оптическое информационно-измерительное устройство электрического тока и магнитного поля позволяет достичь технический результат - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения оперативной цифровой индикации результатов измерения величин электрического тока и магнитного поля непосредственно у объекта измерения, а также возможности просмотра измеренных значений тока и магнитного поля за любой прошедший промежуток времени. При этом обеспечивается высокая точность измерений за счет использования цифровых методов обработки сигналов и снижения возможных погрешностей за счет использования программных средств управления работой встроенного микропроцессора.