ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ТОКА

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к оптическим датчикам, основанным на магнитооптическом эффекте Фарадея, и может быть использована для бесконтактного измерения магнитных полей и электрических токов в системах мониторинга, контроля и управления в энергетике и в ядерной физике, в металлургической, судостроительной и оборонной промышленности.
Для измерения средних и высоких значений тока в высоковольтных электрических цепях используют оптические датчики магнитного поля и электрического тока, основанные на магнитооптическом эффекте Фарадея. Использование диэлектрических оптических датчиков обеспечивает изоляцию цепей измерений, так как элементы оптических датчиков тока изначально являются диэлектриками, при этом обеспечивается гальваническая развязка измерительной и высоковольтной цепей, повышается безопасность при эксплуатации оптических датчиков и измерительных приборов на их основе.
Известен датчик тока для высоковольтных линий (см. патент RU 117014, МПК G02F 19/00, опубл. 10.06.2012), содержащий ферритовый контур, окружающий токоведущий провод, с катушкой медного провода, имеющей отвод на десятой части витков. Выходные концы катушки и отвода присоединены к преобразователям напряжения в оптические импульсы инфракрасного диапазона с частотой следования, пропорциональной силе тока в токоведущем проводе. На расстоянии 5-10 м находятся фотоприемные блоки с фокусирующими линзами, селективными фильтрами и модулями преобразования оптических импульсов в электрические с одновременным усилением и инверсией частоты в цифровой двоичный код, причем преобразователи в оптические импульсы, подсоединенные к концам катушки и к отводу, имеют разные длины волн излучения и частоты следования импульсов.
Недостатками известного датчика тока является усложненность конструкции, а также влияние на его работу электрических и магнитных полей.
Известен оптический датчик тока (см. патент RU 14683, МПК G02F 1/09, опубл. 10.08.2000), содержащий магнитооптический элемент и проводник с измеряемым током. Магнитооптический элемент выполнен в форме многогранной прямой призмы. На наружной поверхности одной из граней призмы имеется площадка для входа и площадка для выхода светового луча, а остальные поверхности граней покрыты светоотражающим слоем. Проводник с измеряемым током намотан по боковой поверхности магнитооптического элемента, на верхнем и нижнем торце которого выполнен ряд выступов в виде равнобедренных треугольников с углом при вершине 90°. Вершины треугольников на верхнем торце магнитооптического элемента лежат на одной прямой с впадинами треугольников на нижнем торце. Площадки для входа и выхода светового луча выполнены симметрично по краям на верхнем или нижнем торце магнитооптического элемента.
Недостатками известного датчика тока являются узкая область его применения, так как он предназначен для измерения небольших по величине токов.
Известен волоконно-оптический чувствительный элемент со встроенным датчиком температуры для измерительного преобразователя электрического тока (см. патент RU 162955, МПК G01R 15/24, опубл. 10.07.2016), включающий магниточувствительное оптическое волокно со встроенной спиральной структурой осей линейного двулучепреломления и отражателем излучения на конце, а также термочувствительное оптическое волокно с отражателем излучения на конце, соединенное с волокном, сохраняющим поляризацию, и далее с изгибным поляризующим волокном поляризационного волоконно-оптического датчика температуры. Все эти волокна охватывают проводник с измеряемым током, а витки магниточувствительного оптического волокна и термочувствительное оптическое волокно поляризационного волоконно-оптического датчика температуры свободно уложены внутри кварцевой оболочки. Изгибное поляризующее волокно и волокно, сохраняющее поляризацию поляризационного волоконно-оптического датчика температуры, уложены в радиусные элементы, принадлежащие выпуклому многоугольнику со скругленными углами и с числом сторон не менее трех.
Недостатками известного датчика тока являются значительная термочувствительность датчика, а также и сложность оптической схемы.
Известен волоконно-оптический датчик тока (см. патент RU 2567116, МПК G01R 19/15, G01R 33/032, опубл. 10.11.2015), выполненный из отрезка оптического волоконного световода со спиральной структурой встроенного линейного двулучепреломления. Волоконный контур состоит из трех частей. В средней части волоконного контура волокно уложено по окружности, в начальной части - по спирали с уменьшением радиуса кривизны, а в конечной - по спирали с увеличением радиуса кривизны.
Известный оптический датчик тока имеет сложную оптическую схему и значительную термочувствительность.
Известен волоконно-оптический датчик тока (см. патент RU 2608576, МПК G01R 15/32, G01R 19/32, опубл. 23.01.2017), содержащий источник излучения, входной и выходной коннекторы, входной и выходной коллиматоры, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор, поворотную втулку и фиксатор поворотной втулки. Кристалл, анализатор, выходной коллиматор и выходной коннектор закреплены в поворотной втулке, позволяющей производить ее установку по углу поворота относительно поляризатора в сборочной трубке с точностью не хуже 0,1 град.
Известный датчик электрического тока имеет увеличенный коэффициент преобразования и повышенную точность измерений. Недостатками известного датчика является наличие относительно большого числа составляющих деталей датчика из материалов (кварц, металл, стекло, кристалл) с различными температурными коэффициентами расширения, что усложняет термостабилизацию реальных образцов датчика.
Известен оптический датчик тока (см. патент US 9134344, МПК G01R 31/00, G01R 1/07, G01R 15/24, G01R 15/14, опубл. 15.09.2015) для установки на кабеле, в котором измеряют проходящий по нему электрический ток. Оптический датчик тока включает магнитный концентратор, оптически соединенные источник поляризованного света, оптически активный элемент, анализатор и фотоприемник. Для измерения электрического тока магнитный концентратор устанавливают в непосредственной близости вокруг кабеля.
Известный датчик тока предназначен лишь для измерения средних и малых по величине токов.
0
0
Известен оптический датчик тока (см. патент RU 2213356, МПК G01R 29/00, опубл. 27.09.2003), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему существенных признаков и принятый за прототип. Датчик тока - прототип содержит источник излучения, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор и фотоэлектрический преобразователь. Значения длины оптически активного кристалла L и угол между оптическими осями поляризатора и анализатора α выбраны так, что отклонение от температуры величины константы Верде ΔV/Δt будет компенсироваться отклонением от температуры коэффициента собственного кругового двулучепреломления ΔΘ/Δt при обеспечении максимальной глубины модуляции сигнала.
Известный оптический датчик тока имеет высокую температурную стабильность, однако датчик измеряет непосредственно не электрический ток, а измеряет величину проекции напряженности магнитного поля, направленного параллельно распространению световой волны внутри оптически активного кристалла, по которой датчик градуируют путем проведения расчетов, учитывающих геометрию проводника, по которому протекает измеряемый ток, и расположение проводника относительно оптически активного кристалла. Но распределение напряженности магнитного поля вокруг оптически активного кристалла может быть существенно неоднородным в зависимости от геометрии проводника, окружающей проводник среды и внешних магнитных влияний, что негативно влияет на точность измерений электрического тока.
Задачей настоящего технического решения являлась разработка оптического датчика тока, в котором обеспечивается однородное распределение напряженности магнитного поля вокруг оптически активного кристалла, что приводит к повышению точности измерений.
0
0
Поставленная задача решается тем, что оптический датчик тока включает источник излучения, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор и фотоэлектрический преобразователь, при этом значения длины оптически активного кристалла L и угол между оптическими осями поляризатора и анализатора α выбраны так, что отклонение от температуры величины константы Верде ΔV/Δt будет компенсироваться отклонением от температуры коэффициента собственного кругового двулучепреломления ΔΘ/Δt при обеспечении максимальной глубины модуляции сигнала. Новым в оптическом датчике тока является то, что оптический датчик тока включает металлический стержень диаметром 10-12 мм и длиной не менее 100 мм, источник излучения, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор и фотоэлектрический преобразователь установлены на диэлектрическом основании, при этом металлический стержень установлен вертикально, и его ось отстоит от центра оптически активного кристалла на 18-22 мм.
12
20
12
20
Оптически активный кристалл может быть выполнен на основе кристалла со структурой силленита, например, из BiGeO или из BiSiO.
Металлический стержень может быть выполнен из меди или из алюминия.
Фотоэлектрический преобразователь может быть выполнен в виде фотодиода.
Источник излучения, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор и фотоприемник могут быть заключены в диэлектрический корпус, выполненный, например из пластмассы.
Диэлектрическое основание может быть выполнено из оргстекла, пластмассы, стеклотекстолита.
Выполнение металлического стержня диаметром (10-12) мм обусловлено тем, что при диаметре менее 10 мм стержень при больших токах недопустимо перегревается, а при диаметре более 12 мм снижается точность измерений.
Выполнение металлического стержня длиной менее 100 мм приводит к значительному снижению точности измерений из-за неоднородности магнитного поля, создаваемого проходящим через стержень током.
При расстоянии между осью металлического стержня и центром оптически активного кристалла менее 18 мм значительно снижается точность измерений для некоторых диапазонов тока.
При расстоянии между осью металлического стержня и центром оптически активного кристалла более 22 мм значительно снижается чувствительность датчика.
Настоящая полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показан в продольном разрезе настоящий оптический датчик тока;
на фиг. 2 приведен вид сверху на настоящий оптический датчик тока в разрезе по А-А, приведенному на фиг. 1;
на фиг. 3 показана схема подключения настоящего оптического датчика тока (ОПН - ограничитель перенапряжений).
12
20
12
20
0
0
Настоящий оптический датчик тока (см. фиг. 1 - фиг. 3) содержит установленные на диэлектрическом основании 1, выполненном, например, из оргстекла, стеклотекстолита, пластмассы, источник 2 излучения, выполненный, например, в виде лазерного диода, поляризатор 3, оптически активный кристалл 4, выполненный, например, из BiGeO или из BiSiO, анализатор 5, фотоэлектрический преобразователь 6, например, в виде фотодиода, подключенного в фотогальваническом режиме, и металлический стержень 7, выполненный, например, из меди. Источник 2 излучения, поляризатор 3, оптически активный кристалл 4, анализатор 5 и фотоэлектрический преобразователь 6, составляющие оптическую часть 8 датчика помещены в корпус 9 для защиты от воздействия внешней среды. Металлический стержень 7 снабжен на торцах цилиндрическими резьбовыми выступами 10, 11 для прикрепления с помощью гаек 12 из немагнитного материала соответственно к основанию 1 и заземлению 13, и к нижней точке 14 ограничителя перенапряжений (ОПН) 15, подключаемого, в свою очередь, к высоковольтной линии 16 (см. фиг. 3). Ось металлического стержня 7 диаметром 10-12 мм и длиной не менее 100 мм расположена на расстоянии 18-22 мм от центра оптически активного кристалла 4. Длина L оптически активного кристалла 4 и угол α между оптическими осями поляризатора 3 и анализатора 5 выбраны так, что отклонение от температуры величины константы Верде ΔV/Δt будет компенсироваться отклонением от температуры коэффициента собственного кругового двулучепреломления ΔΘ/Δt при обеспечении максимальной глубины модуляции сигнала.
Оптический датчик тока работает следующим образом.
Предварительно оптический датчик тока градуируют. Для калибровки датчика тока используют электромагнит с калиброванными значениями магнитного поля внутри сердечника в зависимости от тока в обмотках электромагнита. Оптический блок датчика тока был помещен на диэлектрический держатель, закрепленный на кронштейне для регулировки местоположения оптически активного кристалла 4 внутри сердечника электромагнита. Затем измеряли зависимость тока фотоэлектрического преобразователя 6 от калиброванной (в зависимости от тока в обмотках электромагнита) величины магнитного поля внутри оптически активного кристалла 4. Металлический стержень 7 отградуированного датчика включают между точкой 14 нижнего фланца ОПН 15 и точкой заземления 13. Включают источник 2 излучения, например, видимого и ближнего инфракрасного диапазона, излучение которого при прохождении через поляризатор 3 линейно поляризуется. При прохождении тока по металлическому стержню 7 линейно поляризованное излучение, проходя через оптически активный кристалл 4, испытывает поворот плоскости поляризации за счет эффекта Фарадея и собственной оптической активности 6а оптически активного кристалла 4. Выходящее из анализатора 5 излучение регистрирует фотоэлектрический преобразователь 6, величина тока которого пропорциональна величине тока, проходящего через металлический стержень 7.
3
2
3
-7
Пример. Был изготовлен опытный образец оптического датчика тока для измерения разрядных токов через ОПН в диапазоне токов 10 кА - 100 кА. Габариты датчика без стержня составляли (135×56×65) мм. Оптически активный кристалл был выполнен из германата висмута (BGO). Выбор длины кристалла 5 мм с апертурой (5×5) мм позволил упростить сборку кристалла BGO с поляризатором и анализатором размерами (5×5×5) мм без дополнительной юстировки системы поляризатор-анализатор за счет выбора рабочей точки при нулевом магнитном поле внутри кристалла. Быстродействие датчика составило до 10 с, точность измерений составляет менее 5%.
Использование настоящего оптического датчика электрического тока упрощает работу конечного потребителя при использовании датчика в качестве оптического амперметра, предназначенного для подключения датчика в электрическую цепь, например, для непосредственного измерения значений величины разрядного тока, проходящего через ОПН в заданном диапазоне от 10 кА до 100 кА.