Экспериментальные исследования дополнительной погрешности волоконно-оптического датчика электрического тока на основе эффекта Фарадея в Bi12SiO20 и Bi12GeO20

2017, № 1

37

УДК 687.586.5

В. И. Смыслов, В. Д. Бурков, Т. В. Потапов, А. Н. Демин

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ФАРАДЕЯ В BinSiOioH BinGeOio

V. I. Smyslov, V. D. Burkov, T. V. Potapov, A. N. Domin

EXPERIMENTAL STUDIES OF THE ADDITIONAL ERROR OF MEASUREMENT OF FIBER-OPTIC ELECTRIC CURRENT SENSOR BASED ON FARADAY EFFECT IN BinSiOio AND BinGeOio

Аннотация. Актуальность и цели. Рассматривается актуальный вопрос экспериментального определения дополнительной погрешности волоконно-оптических датчиков электрического тока (ВОДТ). ВОДТ по сравнению с другими датчиками тока обладают рядом преимуществ, что вызывает к ним значительный практический интерес и уже обеспечивает их применение. Объектом исследования являются ВОДТ на основе кристаллов с кубической симметрией Bi12SiO2G и Bi12GeO20. Предметом исследования является дополнительная температурная погрешность измерения таких ВОДТ. Целью работы является экспериментальный анализ градуировочной характеристики и дополнительной температурной погрешности ВОДТ. Материалы и методы. Рассмотрена структурная схема однопроходного ВОДТ на кристаллах с кубической симметрией BÍ12SÍO20 и Bii2GeO20. Предложена методика и установка для калибровки ВОДТ, позволяющая осуществлять построение градуировочной характеристики датчика и производить анализ его дополнительной температурной погрешности. При калибровке ВОДТ помещается в длинный соленоид, в котором при протекании тока создается однородное магнитное поле, пропорциональное току. Величина тока в соленоиде задается и регулируется по заданной программе с помощью компьютера. Также имеется возможность задания и поддержания различных температур соленоида в месте ВОДТ в диапазоне температур от 20 до 120 °С. Для измерения температуры используется дополнительный датчик температуры. Магнитное поле соленоида, пропорциональное току, измеряется ВОДТ. Его сигнал через аналого-цифровой преобразователь вводится в компьютер, где сравнивается с заданным значением тока. Дополнительно в компьютер вводится сигнал с датчика температуры, что позволяет получать и сравнивать выходные сигналы с ВОДТ при различных температурах. Методика измерения коэффициента преобразования ВОДТ основывается на одновременной регистрации и анализе вышеуказанных сигналов: сигнала с фотоприемного устройства ВОДТ; сигнала, пропорционального величине магнитного поля в соленоиде; сигнала датчика температуры. Требования по точности измерений по каждому из параметров - не хуже 0,1 %. Выводы. Предложена методика и установка для эксперименталь-

ных исследований дополнительной температурной погрешности волоконно-оптического датчика электрического тока на основе эффекта Фарадея в Bi^GeO^, которые позволяют проводить построение градуировочной характеристики и измерение дрейфов коэффициента преобразования чувствительного элемента ВОДТ с точностью 0,1 % в диапазоне температур от 20 до 120 °С. Проведенные измерения и исследования температурных зависимостей коэффициента преобразования чувствительного элемента ВОДТ на основе кристаллов Bi12SiO20 показали, что теоретически и практически достижимой является дополнительная температурная погрешность 0,4 % на 100 °С.

Abstract. Background. The current issue of experimental determination of the additional error of fiber-optic electric current sensors (VODT) is considered in the article. VODT compared with other current sensors have a number of advantages, which causes them considerable practical interest and already provide their application. The object of the study is the VODT based on crystals with cubic symmetry Bi12SiO20 and Bi12GeO20. The subject of the study is the additional temperature error of measurement of such VODT. The aim of the work is the experimental analysis of the calibration characteristic and the additional temperature error of the VODT. Materials and methods. he structural scheme of single-pass VODT on crystals with cubic symmetry Bi12SiO20 and Bi12GeO20 is considered. A technique and installation for calibration of VODT is proposed, which allows to build the calibration characteristic of the sensor and to analyze its additional temperature error. When calibrated, VODT is placed in a long solenoid, in which a uniform magnetic field proportional to the current is created when the current flows. The magnitude of the current in the solenoid is set and controlled by the specified program using a computer. It is also possible to set and maintain different temperatures of the solenoid together with the VODT in the temperature range from 20 to 120 ° C. For temperature measurement, an additional temperature sensor is used. The magnetic field of the solenoid, proportional to the current, is measured by the VODT. Its signal through the analog-to-digital converter is input to the computer, where it is compared with the set current value. In addition, a signal from the temperature sensor is input into the computer, which allows receiving and comparing the output signals from the VODT at various temperatures. The methodology for measuring the conversion coefficient of VODT is based on the simultaneous recording and analysis of the above signals: signal from the photodetector device VODT; Signal proportional to the magnitude of the magnetic field in the solenoid; The temperature sensor signal. The requirements for the accuracy of measurements for each of the parameters are not worse than 0.1 %. Conclusions. A technique and apparatus for experimental studies of the additional temperature error of a fiber-optic electric current sensor based on the Faraday effect in Bi12GeO20 is proposed. These methods allow the construction of a calibration characteristic and measurement of the drifts of the conversion coefficient of the VODT sensor with an accuracy of 0.1 % in the temperature range from 20 to 120 °С. The performed measurements and studies of the temperature dependences of the CHO VODT conversion coefficient on the basis of Bi12SiO20 crystals showed that the theoretically and practically achievable is an additional temperature error of 0.4 % for 100 °С.

Ключевые слова: электрический ток, волоконно-оптический датчик, схема калибровки, дополнительная погрешность измерения.

Key words: electric current, fiber-optic sensor, calibration scheme, additional error of measurement.

Введение

В настоящее время для измерения электрических токов все более широкое применение получают волоконно-оптические датчики электрического тока (ВОДТ) [1]. Из существующих оптических схем таких датчиков на активных кристаллах с кубической симметрией Bi12SiO2o и Bi12GeO2o предпочтительной с точки зрения минимизации габаритно-весовых характеристик

2017,N^1

является схема однопроходного типа. Данная схема при относительной простоте реализации позволяет наиболее просто оптимизировать требования по минимально-весовым характеристикам в сочетании с достаточно высокими метрологическими характеристиками [1-5].

Однако, как показала практика, однопроходные датчики без дополнительных усовершенствований обладают достаточно высокой дополнительной температурной погрешностью измерения, доходящей до 10-25 % в диапазоне температур 0-100 °С [6-8].

Для того чтобы производить экспериментальную оценку температурных дрейфов таких датчиков, необходимо использование специальной методики и аппаратуры.

Методика измерения температурных дрейфов

Согласно [8-10] величина температурного дрейфа, коэффициент преобразования ВОДТ (или коэффициент модуляции), которые необходимо будет измерять для определения температурных характеристик, составляют величину порядка 0,2 % от величины изменения полезного сигнала в диапазоне температур 0-100 °С. Поэтому для обеспечения требуемой точности измерений необходимо иметь стабильность всех измеряемых величин (температуры, магнитного поля, соответствующего протекающему электрическому току, выходного сигнала фотоприемника), по крайней мере не хуже чем 10-4, в течение всего времени проведения измерения, которое продолжается 1,4-1,5 ч. Очевидно, что даже в лабораторных условиях обеспечить такие условия достаточно трудно и, кроме этого, дорого. В связи с этим предлагается методика измерений и установка, позволяющие получить необходимые точности измерений путем одновременной регистрации всех сигналов и соответствующей обработки.

Методика проведения измерений заключается в следующем.

Для измерения коэффициентов преобразования чувствительных элементов ВОДТ и их температурных зависимостей необходимо одновременно с необходимой точностью регистрировать три величины:

- полезный сигнал с фотоприемника, пропорциональный интенсивности падающего на него излучения измерения;

- величину электрического тока в соленоиде, создающем магнитное поле;

- напряжение на датчике температуры.

Интенсивность света, проходящего через чувствительный элемент и падающего на фотоприемное устройство, представляется в виде [6, 10]:

I = 2210 [1 - SH ] = 1 /0(1 - m),

где I0 - амплитудное значение протекающего электрического тока; I - измеряемое значение протекающего электрического тока; m = SH - глубина модуляции света магнитным полем

Н = Н0 cos t; S - коэффициент преобразования чувствительного элемента

Фактически для измерения S необходимо измерять глубину модуляции m и величину амплитуды магнитного поля H0 при определенных температурах.

При изменении переменных магнитных полей напряжение сигнала на выходе фотоприемника ис ~ I = 0,5I0(1 + SH0cost). После выделения переменной составляющей:

2U ~

(„ dI Л

S = H = 0

У dH 2 /

U~ ~ 0,5I0SH0сosюt. Следовательно, S

Iq H c

Очевидно, что, производя запись серии данных И0(1) и температуры I, можно точ-

но определить относительные изменения ДО от температуры. Если мощность излучения в тракте достаточно велика (отношение сигнал/шум на фотоприемнике >103), то основным источником погрешности при измерениях являются флуктуации мощности излучения источника. Флуктуации источника должны быть минимальными. Таким требованиям в настоящее время наиболее полно удовлетворяют полупроводниковые суперлюминисцентные светодио-ды, обеспечивающие ввод в многомодовое волокно световой мощности до 10-3 Вт при относительной стабильности, не хуже чем 10-4 Вт.

39

Таким образом, методика измерения коэффициента преобразования ВОДТ в зависимости от температуры основывается на одновременном измерении трех сигналов: сигнала с фотоприемного устройства; сигнала, пропорционального величине магнитного поля; сигнала температурного датчика.

Эти сигналы должны записываться в память и заноситься в ЭВМ с помощью специального интерфейса в течение всего периода измерений. После окончания измерений на ЭВМ проводится обработка их результатов. Точность (погрешность) измерений должна составлять 0,1 %.

Описание автоматизированной установки для проверки дополнительной температурной погрешности ВОДТ

Для проведения экспериментов по описанной выше методике была разработана установка, блок-схема которой приведена на рис. 1.

3

//

Рис. 1. Автоматизированная установка для проверки дополнительной температурной погрешности ВОДТ

При проведении измерений (рис. 1) чувствительный элемент (ЧЭ) 11 ВОДТ размещается в оправе 4 из немагнитного материала, являющейся также теплопроводом.

На плечо оправы 4, заключающее в себе ЧЭ 11, намотан соленоид 5. Магнитное поле в соленоиде 5 создается при помощи генератора переменного тока 1. На другом плече оправы/теплопровода смонтирован нагревательный элемент 3, представлявший собой вольфрамо-вою спираль. Нагревательный элемент позволяет менять температуру системы от комнатной до +110 °С. Для питания нагревателя используется источник постоянного тока 2. Для измерения температуры используется миниатюрный датчик 12 температуры. С целью обеспечения равномерности прогрева вся система заключена в теплоизолирующий кожух 10. Оптическая часть установки состоит из отрезка многомодового световода 7 с диаметром ведущей жилы 65 мкм, входного коллиматора 8, представлявшего собой короткофокусную линзу, закрепленную на трехкоординатной юстировке, двухпризменных поляризаторов 6, закрепленных на угловых юстировках, исследуемого кристалла 11, фотоприемника 9 и источника излучения 13. Входной торец световода снабжен оптическим разъемом стандарта 8Т, что позволяет подключать различные источники излучения.

При проведении измерений были использованы три источника излучения: полупроводниковый лазер из комплекта ОМКЗ-76, Не-№ лазер и полупроводниковый светодиод с внут-

2017,N^1

ренней стабилизацией мощности излучения по обратной связи. Видимое излучение He-Ne лазера также использовалось для юстировки оптической схемы. Излучение на выходе системы регистрировалось при помощи измерителя оптической мощности 9 или дополнительного фотоприемника. Сигнал с измерителя оптической мощности подавался на усилитель 16 и далее был выведен на компьютер 14 через интерфейс связи с компьютером 15. С помощью интерфейса 15 на компьютер 14 также подаются сигнал датчика температуры 12 и сигнал величины тока в соленоиде 5.

Погрешности измерения коэффициента магнитооптической модуляции в данной схеме определяются стабильностью мощности излучения источника, флуктуациями потерь в оптическом тракте и флуктуациями чувствительности фотоприемного устройства. При этом очевидно, что основным источником являются флуктуации и дрейфы мощности источника излучения, так как в нормальных условиях они существенно превышают флуктуации потерь в тракте и флуктуации чувствительности фотоприемника. Кроме этого, на результаты измерений могут влиять флуктуации и дрейфы в канале измерения температуры, а также дрейфы величины электрического тока модулирующего соленоида, определяющего величину магнитного поля.

С целью исключения дрейфов и флуктуации в этих каналах был разработан и включен в установку блок 15 интерфейса сопряжения с персональным компьютером. Блок интерфейса сопряжения автоматически (с интервалом в 20 с) производил измерения сигналов по трем каналам (сигнал с фотоприемника, сигнал, пропорциональный величине тока в соленоиде, и сигнал с датчика температуры), длительность цикла измерения всех трех сигналов составляла -150 мс. Полученные данные затем преобразовывались в цифровой вид и сохранялись в памяти прибора. По окончании измерений данные вводились в компьютер через стандартный интерфейс RS-232. Дальнейшая обработка файла данных производилась с помощью пакета математических программ MathCad.

Создание интерфейса сопряжения позволило автоматизировать процесс измерений и повысить их точность и достоверность.

Результаты измерений температурной погрешности ЧЭ ВОДТ

На рис. 2 представлены зависимости напряжения на выходе фотоприемного устройства от напряженности магнитного поля для кристаллов длиной L = 3 мм, L = 8 мм, L = 13 мм. Напряженность магнитного поля получена по формуле H = ni, где n = Nil - количество витков на единицу длины; i - ток в соленоиде. Данная формула применима для случая, когда длина соленоида больше его диаметра.

Рис. 2. Зависимость напряжения на выходе фотоприемного устройства от напряженности магнитного поля в соленоиде для кристаллов длиной Ь = 3 мм, Ь = 8 мм, Ь = 13 мм

41

Как видно из графиков, для всех трех длин кристаллов зависимости представляют собой прямые.

На рис. 3 приведена температурная характеристика ЧЭ, поляризаторы которого сориентированы так, что ©Ь + а = 45°, что соответствует максимальному значению коэффициента преобразования для выбранной длины кристалла чувствительного элемента. В этом случае температурный дрейф коэффициента преобразования определяется только температурной зависимостью константы Верде материала и составляет 1,5 % на 100 °С.

Рис. 3. Зависимость коэффициента преобразования от температуры для значения угла ©Ь + а = 45° и Ь = 3 мм

Зависимость на рис. 4 получена при угле ©Ь + а = 45° - 5°. В этом случае температурные дрейфы константы Ведре и коэффициент оптической активности почти компенсируют друг друга. Температурный дрейф коэффициента преобразования составляет порядка 0,4 % на 100 °С.

Рис. 4. Зависимость коэффициента преобразования от температуры для значения угла ©Ь + а = 45° - 5 ° и Ь = 8 мм

2017, № 1

43

Заключение

В настоящее время для измерения электрических токов в связи с наличием уникальных свойств все более широкое применение получают волоконно-оптические датчики электрического тока на активных кристаллах с кубической симметрией Bil2SiO20 и В^20е020.

Одной из наиболее перспективных оптических схем датчиков является однопроходная схема. Однако она обладает достаточно высокой температурной нестабильностью. Для ее исследования и корректировки необходимо применение специальных аппаратно-программных средств с последующим использованием дополнительных технических приемов в конструкции датчика.

Для исследования температурной погрешности таких датчиков предложена методика и установка, которые позволяют проводить измерение дрейфов коэффициента преобразования чувствительного элемента датчиков с точностью 0,1 % в диапазоне температур от 20 до 120 °С.

Проведенные измерения и исследования температурных зависимостей коэффициента преобразования ЧЭ ВОДТ на основе кристаллов В^^Ю20 показали, что теоретически и практически достижимой является дополнительная температурная погрешность 0,4 % на 100 °С.

Библиографический список

1. Бурков, В. Д. Научные основы создания устройств и систем волоконно-оптической техники / В. Д. Бурков, Г. А. Иванов. - М. : Изд-во МГУЛ, 2008. - 232 с.

2. Фрайден, Дж. Современные датчики / Дж. Фрайден. - М. : Техносфера, 2006. - 592 с.

3. Бурков, В. Д. Анализ и выбор оптимальной системы волоконно-оптического датчика электрического тока / В. Д. Бурков, Н. А. Харитонов, А. Н. Демин // Лесной вестник. -2014. - № 2. - С. 127-133.

4. Бурков, В. Д. Миниатюрный волоконно-оптический датчик электрического тока / В. Д. Бурков, А. Н. Демин. - М. : МГУЛ, 2013. - С. 31-39.

5. Бурков, В. Д. Экоинформатика: Алгоритмы, методы и технологии : моногр. / В. Д. Бурков, В. Ф. Крапивин - М. : МГУЛ, 2009. - 428 с.

6. Бурков, В. Д. Теория, расчет и проектирование приборов и систем : лабораторный практикум / В. Д. Бурков, В. Т. Потапов, Т. В. Потапов, М. Е. Удалов - М. : МГУЛ, 2010. -88 с.

7. Бабаев, О. Г. Методика исследования магнитооптического эффекта в кристаллах BS0 для датчика магнитного поля / О. Г. Бабаев, С. А. Матюнин, Г. И. Леонович // Фотон-экспресс - 2013. - № 6. - С. 66-67.

8. Потапов, Т. В. Экспериментальное исследование температурной стабильности датчиков магнитного поля на основе кристаллов В^^Ю20 / Т. В. Потапов // Письма в Журнал технической физики. - 1998. - Т. 24, № 11. - С. 26-31.

9. Бурков, В. Д. Лабораторный комплекс «Математическое моделирование чувствительного элемента волоконно-оптического датчика магнитного поля и электрического тока» / В. Д. Бурков, В. Т. Потапов, С. И. Чумаченко, М. Е. Удалов и др. // Свидетельство ОФАП об отраслевой регистрации разработки МГУЛ № 2562 от 17.06.2003.

10. Бурков, В. Д. Теория, расчет и проектирование волоконно-оптических приборов и систем : практикум / В. Д. Бурков, В. Т. Потапов. - М. : Изд-во МГУЛ, 2011. - 55 с.

Смыслов Владимир Иванович

кандидат технических наук,

начальник отделения,

Научно-производственное о бъединение

измерительной техники

(Россия, Московская обл., г. Королев,

ул. Пионерская, 2)

E-mail: vladismyslov@yandex.ru

Smyslov Vladimir Ivanovich

candidate of technical sciences, head of department, Scientific-production Association Measuring Technique

Бурков Валерий Дмитриевич

доктор технических наук, профессор, кафедра проектирования и технологии производства приборов,

Московский государственный университет леса (Россия, Московская обл., г. Мытищи, ул. 1-я Институтская, 1) E-mail: vladismyslov@yandex.ru

Burkov Valeryi Dmitrievich

doctor of technical sciences, professor, sub-department of design and production technology of the devices,

Moscow State Forest University

Потапов Тимофей Владимирович

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, (Россия, г. Фрязино, пл. Введенского, 1) E-mail: vladismyslov@yandex.ru

Potapov Timofey Vladimirovich

candidate of physico-mathematical sciences, senior researcher,

Kotel'nikov Institute of Radio engineering and Electronics of RAS

Демин Андрей Николаевич

инженер,

кафедра проектирования и технологии производства приборов,

Московский государственный университет леса (Россия, Московская обл., г. Мытищи, ул. 1-я Институтская, 1) E-mail: vladismyslov@yandex.ru

Demin Andrey Nikolaevich

engineer,

sub-department of design and production technology of the devices,

Moscow State Forest University

УДК 687.586.5 Смыслов, В. И.

Экспериментальные исследования дополнительной погрешности волоконно-оптического датчика электрического тока на основе эффекта Фарадея в Bil2SiO20 и Bil2GeO20 / В. И. Смыслов, В. Д. Бурков, Т. В. Потапов, А. Н. Демин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2017. -№ 1 (19). - С. 37-44.