ЭЛЕКТРОГИРАЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВЫСОКОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области информационно-измерительных систем, в частности, к измерительным преобразователям высоких переменных напряжений, высоковольтных энергетических и электрофизических установок.
Предлагаемая модель основана на использовании эффекта электрогирации и предназначена для интегрального преобразования напряженности электрического поля вдоль линии соединяющей точки приложения напряжения в поворот плоскости поляризации света, распространяющегося в монокристалле, передаче света из зоны высокого потенциала на потенциал земли и последующего преобразования в напряжение, мгновенные значения которого пропорциональны мгновенным значениям измеряемого напряжения. Использование волоконно-оптических световодов для передачи света обеспечивает гальваническую развязку между зонами высокого и низкого потенциалов.
Известны электрогирационные измерительные преобразователи высоких напряжений (см. авторское свидетельство СССР №1298669, М.кл. G01R 15/07, опубл. 23.03.1987 г., авторское свидетельство СССР №1366950, М.кл. G01R 13/40, 15/07, опубл. 15.01.1988 г.), в которых реализуется эффект электрогирации, использующие монокристалл центросимметричного кристаллографического класса с прозрачными электродами на торцах, оптически связанный через поляризаторы с источником света и с фотоприемником.
Однако в данных преобразователях не достигается необходимая точность преобразования из-за дополнительного поворота плоскости поляризации света, вызванного магнитооптическим эффектом Фарадея, который появляется в присутствии магнитных полей создаваемых большими токами, протекающими по элементам установок.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является электрогирационный измерительный преобразователь высоких напряжений, описанный в авторском свидетельстве СССР №1506369, М.кл. G01R 13/40, опубл. 07.09.1989 г., использующий монокристалл центросимметричного кристаллографического класса с прозрачными электродами на торцах, оптически связанный через первый поляризатор с источником света и через второй поляризатор с фотоприемником и два световода, обеспечивающие гальваническую развязку между зонами высокого и низкого потенциалов.
Однако в данном преобразователе не достигается необходимая точность преобразования из-за дополнительного поворота плоскости поляризации света, вызванного магнитооптическим эффектом Фарадея, который появляется в присутствии магнитных полей, создаваемых большими токами, протекающими по элементам установок.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель является создание устройства, обеспечивающего повышение точности преобразования высокого переменного напряжения.
Поставленная задача решается тем, что электрогирационный измерительный преобразователь высокого переменного напряжения, содержащий электрогирационный монокристалл центросимметричного кристаллографичского класса с прозрачными электродами на торцах, оптически связанный с первым и вторым поляризатором, первый и второй световоды, источник света, фотоприемник и дифференциальный усилитель, согласно полезной модели дополнительно содержит направленный светоделитель, интегратор и источник опорного напряжения, при этом первый поляризатор оптически связан через первый световод и первый порт направленного светоделителя с источником света и фотоприемником, второй поляризатор оптически связан через второй световод и второй порт направленного светоделителя с источником света и фотоприемником, первый вход дифференциального усилителя подключен к выходу фотоприемника, второй вход к источнику опорного напряжения, а выход дифференциального усилителя через интегратор соединен с источником света.
Такое построение электрогирационного измерительного преобразователя высоких напряжений обеспечивает распространение света в монокристалле в двух противоположных направлениях, в которых углы поворота плоскости поляризации света, обусловленные эффектом электрогирации имеют одинаковые знаки, а углы поворота плоскости поляризации света, обусловленные эффектом Фарадея - противоположные знаки, последующее суммирование световых сигналов увеличивает сигнал обусловленный эффектом электрогирации и уменьшает сигнал обусловленный эффектом Фарадея.
Это обеспечивает уменьшение влияния эффекта Фарадея на результат преобразования и тем самым достигается более высокая точность преобразования высокого напряжения.
Функциональная схема предлагаемого электрогирационного измерительного преобразователя высокого переменного напряжения представлена на чертеже и содержит монокристалл 1 центросимметричного кристаллографичского класса с прозрачными электродами на торцах, оптически связанный через первый поляризатор 2, первый световод 4 и первый порт светоделителя 6 с источником света 7 и фотоприемником 8 и через второй поляризатор 3 второй световод 5 и второй порт светоделителя 6 с источником света 7 и фотоприемником 8, первый вход дифференциального усилителя 11 подключен к выходу фотоприемника 8, второй вход к источнику опорного напряжения 10, а выход дифференциального усилителя 11 через интегратор 9 соединен с источником света 7.
Электрогирационный измерительный преобразователь работает следующим образом.
Расположенный в зоне низкого потенциала, источник света 7 излучает световой поток, который направленный светоделитель 6 расщепляет на два равных по интенсивности световых потока и направляет их по первому 4 и второму 5 световодам в зону высокого потенциала. Выходящие из первого 4 и второго 5 световодов потоки проходят первый 2 и второй 3 поляризаторы, становятся линейно поляризованными и распространяются навстречу друг другу в монокристалле 1. Под действием измеряемого напряжения, приложенного к прозрачным электродам, плоскости поляризации обоих световых потоков, согласно эффекту электрогирации, поворачиваются в одну сторону на угол пропорциональный измеряемому напряжению. Под действием напряженности магнитного поля больших токов, протекающих по элементам установок, плоскости поляризации обоих световых потоков, согласно эффекту Фарадея, поворачиваются в противоположные стороны на угол пропорциональный напряженности магнитного поля и длине монокристалла. После прохождения первым и вторым световыми потоками второго 5 и первого 4 поляризаторов, плоскости пропускания которых расположены под углом π/4 друг к другу, повороты плоскостей поляризации световых потоков в монокристалле преобразуются в пропорциональные изменения их интенсивности.
,
,
где: Ф - световой поток источника света, Y - коэффициент ослабления светового потока в оптической схеме преобразователя, K - коэффициент передачи светоделителя от источника света в направлении первого порта, равный коэффициенту передачи светоделителя от второго порта в направлении фотоприемника, G - постоянная электрогирации, и U - измеряемое напряжение, V - постоянная верде монокристалла, H(I) - напряженность магнитного поля в монокристалле, L - - длина монокристалла.
При этом изменения интенсивности световых потоков, обусловленные эффектом электрогирации имеют одинаковые знаки, а обусловленные эффектом Фарадея противоположные знаки. Далее световые потоки по второму 5 и первому 4 световодам поступают в зону низкого потенциала, на направленный светоделитель 6, суммируются и преобразуются фотоприемником 8 в электрический сигнал.
где: S - коэффициент преобразования фотоприемника.
Дифференциальный усилитель 11 формирует разность напряжений фотоприемника 8 и источника опорного напряжения 10, из которого интегратор 9 выделяет постоянную составляющую и управляет интенсивностью источника света так, что бы эта составляющая стремилась к нулю. Следовательно, постоянная составляющая сигнала фотоприемника равна опорному напряжению
,
а на выходе измерительного преобразователя действует только переменное напряжение, мгновенное значение которого пропорционально мгновенному значению измеряемого напряжения и номиналу источника опорного напряжения 10.
.
При малых углах поворота плоскостей поляризации световых потоков в монокристалле и коэффициенте передачи светоделителя K=0.5
вых
0
U=2UGU.
Относительная погрешность преобразования из-за дополнительного поворота плоскости поляризации света, вызванного магнитооптическим эффектом Фарадея в прототипе измерительного преобразователя
.
Относительная погрешность преобразования из-за дополнительного поворота плоскости поляризации света, вызванного магнитооптическим эффектом Фарадея в предлагаемом измерительном преобразователе
,
где:  - отклонение коэффициента передачи светоделителя от 0.5, которое значительно меньше единицы.
4
2
При реализации электрогирационного измерительного преобразователя высокого переменного напряжения использовался монокристалл 1 NaBi(MoO) длиной 65 мм, установленный в изоляционный корпус из капролона, а поляризаторами 2, 3 служили интерференционные поляризаторы производства ООО «Элан», расположенные в электродах из дуралюминия. Световоды 4, 5 и направленный светоделитель 6 изготовлены на основе толстого многомодового оптического кабеля кварц-кварц WF 800/880/1200 Т. Источник света 7 выполнен на основе инфракрасного светодиода SFH4232, а фотоприемник 8 - на основе фотодиода BPW34R. Дифференциальный усилитель и интегратор изготовлены на микросхеме AD8066AR, а источник опорного напряжения - на микросхеме REF01CS.
Испытания показали возможность использования преобразователя для измерения высоких переменных и импульсных напряжений амплитудой до 100 кВ в условиях сильных внешних магнитных полей, создаваемых промышленными установками высокого переменного напряжения.