МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОКА

Предлагаемая полезная модель относится к области информационно-измерительных систем, в частности, к измерительным преобразователям магнитных полей и токов, высоковольтных энергетических и электрофизических установок.
Предлагаемая 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 (см. патенты на изобретения РФ №2281516, М.кл. G01R 15/24, G01R 33/032, опубл. 10/08/2006 г., №2177625, М.кл. G01R 33/032, опубл. 27.12.2001 г.), 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, кроме того, в устройства входит вычислительное устройство.
Однако в данных 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.
Известен магнитооптический преобразователь магнитных полей и токов (см. патент на изобретение РФ №2429498, М.кл. G01R 33/032, опубл. 20.09.2011 г.), использующий в ячейке Фарадея стабильное магнитооптическое стекло. При этом ячейка Фарадея оптически связана через первый поляризатор и первый световод с источником света и через второй поляризатор и второй световод - с фотоприемником, в преобразователе также используется вычислительное устройство.
Однако при использовании такого преобразователя для измерения медленно меняющихся токов выходное напряжение преобразователя зависит от интенсивности источника света, изменения потерь в оптической схеме и приводит к снижению точности преобразования. Для уменьшения этого влияния необходимо увеличивать постоянную времени вычислительного устройства, но это возможно лишь в ограниченных пределах, либо стабилизировать интенсивность источника света, что затруднительно при длительной эксплуатации.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности преобразования медленно меняющихся токов.
Достижение указанного технического результата обеспечивается в магнитооптическом преобразователе тока, содержащем ячейку Фарадея, расположенную в магнитном поле проводника с измеряемым током, оптически связанную через первый поляризатор с первым световодом и через второй поляризатор со вторым световодом, источник света, фотоприемник и вычислительное устройство, отличающемся тем, что он снабжен вторым источником света, вторым фотоприемником, двумя оптическими ответвителями и генератором парафазного напряжения, при этом первый и второй источники света подключены к соответствующим выходам парафазного генератора и оптически связаны с первыми входами первого и второго оптических ответвителей, первые выходы первого и второго ответвителей оптически связаны с первым и вторым световодами, вторые входы ответвителей оптически связаны с первым фотоприемником, вторые выходы ответвителей оптически связаны со вторым фотоприемником, входы вычислительного устройства подключены к выходам фотоприемников, а вычислительное устройство выполнено с возможностью определения тока по формуле:
=
nm
где: I - измеряемый ток, V - постоянная Верде стекла ячейки Фарадея, U - напряжение фотоприемников, n - номер включенного источника света, m - номер фотоприемника.
Такое построение магнитооптического преобразователя обеспечивает распространение света в ячейке Фарадея в двух противоположных направлениях, в которых углы поворота плоскости поляризации света имеют противоположные знаки, и последующее преобразование разности углов поворота в напряжение, пропорциональное измеряемому току.
Это обеспечивает исключение влияния интенсивности источников света и изменения потерь в оптической схеме на результат преобразования при измерении медленно меняющихся токов и тем самым повышает точность преобразования.
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 и первый световод 4 с первым выходом первого оптического ответвителя 5, и через второй поляризатор 6 и второй световод 7 с первым выходом второго оптического ответвителя 8, парафазный генератор 9, выходы которого подключены к первому 10 и второму 11 источникам света, оптически связанным с первыми входами соответствующих оптических ответвителей 5, 8, вторые входы оптических ответвителей 5, 8 оптически совместно связаны с первым фотоприемником 12, вторые выходы - с вторым фотоприемником 13, а выходы фотоприемников 12 и 13 подключены к соответствующим входам вычислительного устройства 14.
Магнитооптический преобразователь тока работает следующим образом. Парафазный генератор 9 поочередно включает первый 10 и второй 11 источники света. При работе первого источника 10 света его поток первым ответвителем 5 разделяется на две части, первая из которых поступает в первый световод 4, а вторая преобразуется вторым фотоприемником 13 в электрический сигнал. Световой поток из первого световода 4 проходит первый поляризатор 3, становится линейно поляризованным и распространяется в ячейке 1 Фарадея. Плоскость поляризации света в ячейке 1 Фарадея под действием магнитного поля, создающего протекающим по проводнику 2 током, поворачивается на угол, пропорциональный этому току. После второго поляризатора 6 поворот плоскости поляризации преобразуется в изменения интенсивности светового потока, который по второму световоду 7, через второй ответвитель 8 поступает на первый фотоприемник 12 и тоже преобразуется в электрический сигнал. Вычислительное устройство 14 измеряет оба напряжения на выходах первого 12 и второго 13 фотоприемников при работе первого источника 10 света.
При работе второго источника 11 света все происходит аналогично, но так как световой поток распространяется в ячейке 1 Фарадея в противоположном направлении, то угол поворота света имеет противоположный знак и после первого поляризатора 3 изменения интенсивности светового потока тоже имеют противоположный знак. Вычислительное устройство 14 измеряет оба напряжения на выходах первого 12 и второго 13 фотоприемников при работе второго источника 11 света.
По четырем напряжениям вычисляется измеряемый ток по формуле:
.
Покажем, что это выражение однозначно определяет измеряемый ток.
Запишем выражения для выходных сигналов первого 12 и второго 13 фотоприемников при работе первого 10 и второго 11 источников света при установке азимутов пропускания поляризаторов под углом π/4 друг к другу:
11
1
1
ab
bc
U=ФSδξσ(1+sin2φ),
12
1
2
ad
U=ФSδ,
21
2
1
bc
ab
U=ФSδξσ(1-sin2φ),
22
2
2
ad
U=ФSσ,
1
2
1
2
ab
ad
bc
ab
ad
bc
где: Ф, Ф - световые потоки первого и второго источников света, S, S - спектральные чувствительности первого и второго фотоприемников, δ, δ, δ - коэффициенты пропускания первого ответвителя в соответствующих направлениях, ξ - затухание света в ячейке Фарадея, σ, σ, σ - коэффициенты пропускания второго ответвителя в соответствующих направлениях, φ - угол поворота плоскости поляризации света в ячейке Фарадея.
Вычислительное устройство 14 производит вычисление выражения:
.
Если при отсутствии измеряемого тока, изменением одного или нескольких коэффициентов пропускания ответвителей устанавливается ноль на выходе вычислительного устройства, то при дальнейших измерениях будет выполняться равенство:
ad
bc
ab
ab
bc
ad,
δδσ=δσσ
и результат вычислений при малых углах поворота плоскости поляризации будет пропорционален измеряемому току:
I=φ/V.
При больших углах поворота плоскости поляризации света необходимо дополнительно вычислять αrcsin2φ.
При реализации магнитооптического преобразователя тока ячейка 1 Фарадея выполнена в виде четырех призм из манитооптического стекла ТФ-10, образующих замкнутый контур вокруг проводника 2 с измеряемым током. Поляризаторами 3, 6 служат призмы Глана-Тейлора, плоскости пропускания которых установлены под углом углом π/4 друг к другу. Световоды 4, 7 и оптические ответвители 5, 8 изготовлены на основе толстого многомодового кабеля кварц-кварц WF 800/880/1200 Т, а парафазный генератор 9 и вычислительное устройство 14 - на основе микроконтроллера LM3S9B90. Источниниками света 10, 11 служат инфракрасные светодиоды SFH4232, а фотоприемниками 12, 13 фотодиоды BPW20RF, подключенные к трансимпедансным усилителям, выполненным на микросхеме AD8066ARZ.
Метрологические исследования магнитооптического преобразователя тока подтвердили достижение указанного выше технического результата предложенным техническим решением.