МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим измерительным системам и может быть использована в энергетике, металлургии, машиностроении, сильноточной электронике, нефтегазовой промышленности для измерения электрического тока и напряженности магнитного поля.
Известна магнитооптическая измерительная система контроля электрического тока и напряженности магнитного поля (патент US №5,212,446, кл. G01R 33/02, 1993), содержащая источник оптического излучения, поляризатор, магнитооптический элемент, анализатор и фотоприемник.
Недостатком ее является значительная зависимость мощности источника оптического излучения от температуры, приводящая к погрешностям измерений.
За прототип принята магнитооптическая измерительная система контроля электрического тока и напряженности магнитного поля (патент US №5,502,373, кл. G01R 31/00,1996), содержащая источник оптического излучения, поляризатор, магнитооптический элемент, выход которого соединен с двумя параллельными цепочками, состоящими из последовательно включенных анализаторов, фотоприемников и усилителей.
Недостатком данной системы является недостаточно высокая точность измерений вследствие использования аналоговых элементов и ограниченные функциональные возможности вследствие отсутствия устройств обработки, хранения и записи информации об измеренных величинах электрического тока и напряженности магнитного поля.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей.
Поставленная задача решается тем, что в магнитооптической измерительной системе контроля электрического тока и напряженности магнитного поля, содержащей источник оптического излучения, поляризатор, магнитооптический элемент, анализатор и фотоприемник, в отличие от прототипа, введены микроконтроллер, второй фотоприемник, жидкокристаллический индикатор и устройство записи информации, в качестве анализатора использован поляризационный разделитель светового луча, выходы которого соединены с двумя фотоприемниками, подключенными к микроконтроллеру, имеющему встроенные коммутатор, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, порты ввода-вывода, память и микропроцессор, а выход микроконтроллера соединен с жидкокристаллическим индикатором и устройством записи информации.
Сущность изобретения поясняется чертежом. На фигуре приведена структурная схема заявляемой магнитооптической измерительной системы контроля электрического тока и напряженности магнитного поля.
Система состоит из последовательно включенных источника оптического излучения 1, поляризатора 2, магнитооптического элемента 3, анализатора 4. Источником оптического излучения служат лазер или лазерный диод. Магнитооптический элемент изготавливается из оптически активных материалов, в качестве которых применяются диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Учитывая, что температурная стабильность постоянной Верде у парамагнетиков низка (±15%), предпочтение отдается обычно диамагнетикам на основе оптически активных кристаллов с кубической симметрией, относящихся к кристаллам со структурой силленита (температурная стабильность ±(1÷1,5)% и высокая оптическая активность), а также ферромагнетикам в виде тонких эпитаксиальных пленок (температурная стабильность ±0,5%).
В качестве анализатора использован поляризационный разделитель светового луча 4, осуществляющий разделение плоскополяризованного луча света с выхода магнитооптического элемента 3 на два линейно поляризованных световых сигнала с ортогонально друг к другу направленными поляризационными плоскостями, которые поступают на фотоприемники в виде фотодиодов 5 и 6 и далее на микроконтроллер 7. Микроконтроллер имеет встроенные коммутатор, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, порты ввода-вывода, память и микропроцессор. Выход микроконтроллера электрически соединен с жидкокристаллическим индикатором 8 и устройством записи информации 9.
Заявляемая измерительная система работает следующим образом. При прохождении света, излучаемого источником оптического излучения 1, через поляризатор 2 он поляризуется и становится плоскополяризованным.
Магнитооптический элемент 3 обеспечивает поворот плоскости поляризации луча на угол фарадеевского вращения
где V - постоянная Верде, характеризующая активность эффекта Фарадея для данного магнитооптического материала; L - длина светового пути в магнитооптическом элементе; Н - напряженность магнитного поля, воздействующего на магнитооптический элемент, вектор напряженности которого совпадает с направлением света.
При протекании электрического тока по проводнику, удаленному от магнитооптического элемента на расстояние R, создается магнитное поле, пронизывающее этот элемент, с вектором напряженности Н, совпадающим по направлению со светом, используют закон полного тока
который учитывается в формуле (1).
С помощью поляризационного разделителя светового луча 4 осуществляется разделение плоскополяризованного луча света с повернутой поляризацией с выхода магнитооптического элемента 3 на два линейно поляризованных световых сигнала с ортогонально друг к другу направленными поляризационными плоскостями и под углами - 45°, и +45° к плоскости поляризации выходящего из магнитооптического элемента светового луча.
Каждый из фотоприемников 5 и 6 преобразует поляризованный свет в электрический сигнал, пропорциональный интенсивности светового потока, определяемой по закону Малюса.
Выходные электрические сигналы фотоприемников 5 и 6 поступают на микроконтроллер 7, где коммутируются с помощью коммутатора и последовательно друг за другом во времени по цепочке усилитель -аналого-цифровой преобразователь поступают на микропроцессор, в котором обрабатываются. Полученная в результате обработки в микропроцессоре информация об измеренных величинах электрического тока и напряженности магнитного поля запоминается в памяти микроконтроллера, отображается с помощью жидкокристаллического индикатора 8 и записывается с помощью записывающего устройства 9.
Если напряженность магнитного поля Н и электрический ток I равны нулю, то в магнитооптическом элементе 3 не происходит поворот плоскости поляризации света, и он без изменения попадает в поляризационный разделитель светового луча 4. При этом расхождение лучей на входе фотодиодов 5 и 6 равно нулю. Поэтому электрические сигналы на выходе из фотоприемников 5 и 6 равны между собой и их разница равна нулю. Следовательно, и показание жидкокристаллического индикатора 8 будет нулевым.
В случае, если Н≠О и I≠0, то жидкокристаллический индикатор 8 отобразит в цифровом виде величины измеряемой напряженности магнитного поля Н и электрического тока I.
Использование метода двух выходных лучей с выхода анализатора - поляризационного разделителя светового луча - позволяет осуществлять температурную компенсацию, что в итоге повышает точность измерений.
Вместе с тем, применение программируемого микроконтроллера обеспечивает коррекцию и других влияющих факторов, вносящих погрешность, с помощью программных методов.
Использование микроконтроллера, жидкокристаллического индикатора и устройства записи позволяют расширить функциональные возможности заявляемой измерительной системы, т.е. обеспечить обработку, хранение, запись и отображение информации об измеряемых величинах напряженности магнитного поля или электрического тока.
Таким образом, предлагаемая магнитооптическая измерительная система контроля электрического тока и напряженности магнитного поля обеспечивает повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей.