ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА, ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим устройствам и может быть использована в нефтегазовой промышленности, сильноточной электронике и энергетике для управления электрическим током, давлением и температурой на производственных установках.
Известно информационно-измерительное устройство контроля электрическим током и магнитным полем (авторское свидетельство СССР №1383267. Кл. G01R 3/032, 1988), содержащее источник когерентного излучения, чувствительный элемент из волоконного световода, навитого на цилиндр из магнитострикционного материала с щелевидным разрезом вдоль образующей фотодетектор и блок обработки сигнала.
Недостатком данного устройства является его относительная громоздкость и недостаточно высокая точность вследствие косвенного метода измерения, заключающегося в том, что магнитное поле приводит к деформации цилиндра из магнитострикционного материала, и, следовательно, оптического волокна, намотанного на цилиндр. В результате изменяется оптическая длина пути, что приводит к изменению фазового сдвига, регистрируемого блоком обработки сигнала.
За прототип принято информационно-измерительное устройство контроля электрического тока и магнитного поля (патент US, №5463312, кл. G01R 1/04, 1995), содержащее последовательно соединенные источники оптического излучения в виде лазера или лазерного диода, поляризатор; оптическое волокно, обладающее линейным двойным лучепреломлением, свернутое в катушку, внутри которой расположен проводник с током, анализатор, фотоприемник оптического излучения.
Недостатком данного устройства является его недостаточно высокая точность и надежность.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности и надежности измерения.
Поставленная задача решается тем, что волоконно-оптическое устройство контроля электрического тока, температуры и давления, содержащее последовательно соединенные источник оптического излучения в виде лазера или лазерного диода, поляризатор, оптическое волокно, обладающее двойным лучепреломлением, свернутое в катушку, внутри которого расположен проводник с током, анализатор, фотоприемник оптического излучения, согласно полезной модели состоит из трех параллельных волоконно-оптических цепочек, на одной из которых последовательно соединены источник оптического излучения в виде лазера или лазерного диода, поляризатор, оптическое волокно, обладающее линейным двойным лучепреломлением, свернутое в катушку, внутри которой расположены электроды, анализатор, фотодиод в качестве фотоприемника оптического излучения с выхода анализатора, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Во второй волоконно-оптической цепочке сигнал с чувствительного элемента - контролирующего температуру Т, в виде электрического сигнала попадает на усилитель и также поступает на АЦП.
Третья волоконно-оптическая цепочка работает также как и вторая только через чувствительный элемент - контролирующий давление Р, усилитель и АЦП.
Выходы АЦП трех волоконно-оптических цепочек подключены к ЭВМ, который соединен с жидкокристаллическим индикатором (ЖКИ), устройством вывода данных на печать и устройством ввода данных в ЭВМ, выход ЭВМ посредством устройства передачи управляющего сигнала связан с регулируемым источником питания.
Сущность изобретения поясняется на фигуре.
Устройство содержит регулируемый источник питания 1; лазерный диод 2; поляризатор 3; чувствительный элемент 4, контролирующий электрический ток i через напряженность магнитного поля Н (свернутое в катушку оптическое волокно); анализатор 5; фотодиод 6; усилитель 7; аналого-цифровой преобразователь 8; чувствительный элемент 9, контролирующий температуру T; усилитель 10; аналого-цифровой преобразователь 11; чувствительный элемент 12, контролирующий давление Р; усилитель 13; аналого-цифровой преобразователь 14; электронно-вычислительную машину 15; жидкокристаллический индикатор 16; устройство 17 вывода данных на печать; устройство 18 ввода данных; устройство 19, передающее управляющий сигнал.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
В первой волоконно-оптической цепочке, при прохождении электрического тока i по электродам создается магнитное поле, напряженность которого по закону полного тока определяется как:
m
где I - амплитудное значение электрического тока; dl - элемент тока; Θ - угол между проводником с током и радиус-вектором, проведенным к произвольной точке поля; R - расстояние от произвольной точки поля до проводника с измеряемым током.
В случае контроля электрического поля, данное магнитное поле непосредственно воздействует на чувствительный элемент системы в виде катушки 4 из оптического волокна.
внеш
Она же является магнитооптическим элементом Фарадея (Волоконно-оптические датчики / Под ред. Т.Окоси: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат, 1990, с.207). При воздействии на нее внешнего магнитного поля Н происходит поворот плоскости поляризации на угол фарадеевского вращения:
где V - удельное фарадеевское вращение (постоянная Верде); L=2πrN - длина оптического волокна (r - радиус витка оптического волокна, N - число витков волокна).
F
В анализаторе 5 угол поворота плоскости поляризации φ преобразуется в изменение интенсивности светового излучения (Волоконно-оптические датчики / Под ред. Т.Окоси: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат, 1990, с. 158).
0
где J - интенсивность света за поляризатором; γ - угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора (угол скрещивания), который устанавливается предварительно при настройке чувствительного элемента в пределах от 0° до 90°.
Интенсивность оптического излучения (2) с выхода анализатора воздействует на фотодиод 6, электрический сигнал с выхода которого усиливается усилителем 7 и поступает на АЦП 8.
Во второй волоконно-оптической цепочке сигнал с чувствительного элемента 9, контролирующего температуру Т, в виде электрического сигнала попадает на усилитель 10 и также поступает на АЦП 11.
Третья волоконно-оптическая цепочка работает также как и вторая только через чувствительный элемент 12, контролирующий давление Р, усилитель 13 и АЦП 14.
Сигналы с элементов 8, 11, 14 поступают в ЭВМ 15, выход 15 соединен с ЖКИ 16, устройством 17 вывода данных на печать и устройством 18 ввода данных в ЭВМ в виде управляющей клавиатуры, выход ЭВМ связан с регулируемым источником питания 1 посредством устройства 19 передачи управляющего сигнала.
Таким образом, предлагаемое волоконно-оптическое устройство контроля электрического тока, температуры и давления, отличается от аналогичных устройств более высокой точностью и надежностью измерения.