ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
FIBRE-OPTIC VOLTAGE METER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к измерениям высоких напряжений с помощью оптических средств.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны оптические измерители напряжения (оптические датчики напряжения, оптические измерительные трансформаторы), использующие эффект Поккельса [RU 71441 U1].
Общий недостаток таких измерителей - необходимость использования дорогостоящих оптических и волоконно-оптических элементов: электрооптических кристаллов большого размера, анизотропных оптических волокон и других анизотропных оптических элементов. Оптическое излучение приходится выводить из волоконной линии, пропускать через электрооптические кристаллы и затем возвращать обратно в волоконную линию. Из-за большой длины оптического пути вне волоконной линии (несколько десятков см) возникают повышенные требования к стабильности оптической системы сопряжения оптоволоконной линии и электрооптических кристаллов. Это приводит к высокой себестоимости датчиков и их температурной нестабильности.
6
Известен выбранный в качестве прототипа оптический измеритель напряжения, использующий обратный пьезоэффект - деформацию пьезокристаллов под воздействием электрического поля [Fiber-optic voltage sensor for SF gas-insulated high-voltage switchgear. APPLIED OPTICS / vol.38, №10 / April 1999].
Прототип содержит чувствительный элемент в виде оптоволокна, намотанного на кварцевый цилиндр, изменяющий свой диаметр и соответственно длину намотанного оптоволокна под воздействием электрического поля, прикладываемого к торцам кварцевого цилиндра.
В прототипе оптическое волокно поддерживает две распространяющиеся моды. При изменении длины волокна пропорционально изменяется разность оптических путей волоконных мод, которая в прототипе измеряется методом низкокогерентной тандемной интерферометрии с помощью интерферометра, снабженного фазовым модулятором.
Недостаток прототипа состоит в относительной малости регистрируемого эффекта: изменение разности оптических путей волоконных мод много меньше изменения длины самого волокна. Это может приводить к ограничениям по чувствительности и динамическому диапазону. Используемое в прототипе восстановление интерференционной фазы, основанное на низкокогерентной тандемной интерферометрии с фазовой модуляцией, приводит к дополнительному ограничению чувствительности из-за того, что видность интерференционной картины при этом не может быть выше 50%.
Еще одним недостатком прототипа является значительная погрешность измерений, поскольку изменение линейных размеров кварцевого цилиндра, обусловленное изменениями температуры, также приводит к изменению разности оптических путей волоконных мод. Эта погрешность будет особенно заметна при измерении постоянных напряжений.
Технический результат изобретения - повышение точности измерения, обусловленное увеличением диапазона изменения интерференционной фазы на несколько порядков, увеличением видности интерференционной картины до 100%, снижением чувствительности к акустическим шумам и колебаниям температуры.
Предметом изобретения является оптический измеритель напряжения, содержащий чувствительный элемент в виде, по меньшей мере, одной пары идентичных пьезокристаллических цилиндров, соединенных торцами так, что электрические оси их пьезокристаллов соосны и направлены встречно, при этом каждый цилиндр обмотан одномодовыми оптоволокнами, на свободных торцах которых установлены зеркала Фарадея, оптоволокна введены в плечи интерферометра Майкельсона с помощью волоконно-оптического ответвителя три на три, к портам которого оптически подключены первый и второй фотоприемники излучений, отраженных зеркалами Фарадея, источник лазерного излучения с циркулятором, отвод которого подведен к третьему фотоприемнику, при этом фотоприемники подключены через блок аналого-цифрового преобразования к программируемому блоку цифровой обработки, выполненному с возможностью вычисления интерференционного сдвига фазы, пропорционального измеряемому напряжению, по величинам интенсивности излучения на выходах фотоприемников и значениям вносимых оптическим ответвителем фазовых сдвигов интерференционных сигналов.
Предложенное решение имеет развитие, состоящее в том, что измеритель снабжен оптическим датчиком температуры чувствительного элемента, при этом датчик температуры подключен выходом к блоку аналого-цифрового преобразования и содержит приемопередающий лазерный модуль, порты которого через ответвитель два на два оптически соединены с катушкой оптоволокона, снабженной отражающим зеркалом.
Это позволяет дополнительно повысить термературную стабильность измерения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ С УЧЕТОМ ЕГО РАЗВИТИЯ
На фиг.1 приведена схема заявляемого измерителя, снабженного оптическим датчиком температуры.
На схеме показаны чувствительный элемент 1 в виде пары идентичных пьезокристаллических цилиндров 2 и 3, соединенных торцами так, что электрические оси Е их пьезокристаллов соосны и направлены встречно.
Каждый цилиндр 2 и 3 обмотан одномодовыми оптоволокнами 4 и 5 соответственно. Оптоволокна 4 и 5 оптически связаны в интерферометр Майкельсона с помощью направленного оптического ответвителя 6, выполненного по схеме три на три. Каждое оптоволокно 4 и 5 подсоединено одним своим торцом к порту 7 и 8 ответвителя 6 соответственно. На других, свободных торцах оптоволокон 4 и 5 установлены зеркала Фарадея 9 и 10 соответственно.
Источник 11 лазерного излучения через циркулятор 12 оптически подключен к порту 13 ответвителя 6, К портам 14 и 15 ответвителя 6 подключены фотоприемники 16 и 17 соответственно. К третьему фотоприемнику 18 подведен однонаправленный выход циркулятора 12. Свободный порт ответвителя 6 заглушен отражателем 19.
Выходы фотоприемников 16-18 подключены через блок 20 аналого-цифрового преобразования к программируемому блоку 21 цифровой обработки. Блок 21 выполнен с возможностью вычисления интерференционного сдвига фазы, пропорционального измеряемому напряжению, по величинам интенсивности излучения на выходах фотоприемников 16-18 и значениям вносимых направленным ответвителем 6 фазовых сдвигов интерференционных сигналов.
Схема датчика температуры, размещаемого в непосредственной близости от чувствительного элемента 1, содержит приемопередающий лазерный модуль 22. Передающий порт 23 и приемный порт 24 модуля 22 через ответвитель 25, выполненный по схеме два на два, оптически соединены с катушкой оптоволокона 26, в торце которого установлено отражающее зеркало 27. Свободный порт ответвителя 25 заглушен отражателем 28.
Устройство работает следующим образом.
Непрерывное лазерное излучение источника 11 через циркулятор 12 подается в порт 13 ответвителя 6, который делит это излучение между портами 7 и 8. Излучения, полученные в результате деления, проходят оптоволокна 4 и 5 и отражаются зеркалами 9 и 10.
Отраженные излучения возвращаются через волокна 4 и 5 в направленный ответвитель 6, который через порты 14 и 15 подает их на фотоприемники 16 и 17 соответственно. Циркулятор 12 препятствует поступлению отраженных излучений на источник 11 и направляет излучение, выходящее из порта 13 ответвителя 6, на фотоприемник 18.
При наличии измеряемого напряжения U между внешними торцами кварцевых цилиндров 2 и 3 их диаметры модулируются напряжением (за счет обратного пьезоэффекта) в противофазе (за счет встречной направленности их электрических осей Е). Соответственно изменениям диаметров изменяются длины намотанных на цилиндры 2 и 3 оптоволокон 4 и 5, по которым проходит прямое и отраженное лазерное излучение. Намотка должна быть выполнена с обеспечением механического контакта оптоволокон 4, 5 с цилиндрами 2, 3.
Поскольку при предложенном включении пьезоцилиндров измеряемое напряжение модулирует разность хода в плечах интерферометра в противофазе, а температурные изменения разности хода в интерферометре равны нулю (оптическая длина плеч изменяется одинаково в диапазоне температур), повышается температурная стабильность измерений.
В ответвителе 6 излучения отраженные зеркалами 9 и 10 и дважды прошедшие волокна 4 и 5 смешиваются и затем попадают на фотоприемники 16-18. Разница в длинах плеч интерферометра Майкельсона, образованных волокнами 4 и 5, через которые проходят смешиваемые излучения, создает фазовый сдвиг между их волнами, линейно зависящий от этой разницы длин и обусловливающий вид электрических интерференционных сигналов, формируемых фотоприемниками 16-18 в соответствии с нижеприведенной формулой (1).
Ответвитель 6 обеспечивает постоянные фазовые сдвиги, близкие к 120°, между тремя интерференционными сигналами на выходах фотоприемников 16-18. Эти сигналы поступают на входы блока 20, с выхода которого оцифрованные сигналы поступают в программируемый блок 21 цифровой обработки, где с помощью соответствующего программного обеспечения рассчитываются значения измеряемого напряжения.
Эти расчеты базируются на том, что интенсивность Р излучения на каждом из трех фотоприемников определяется интерференционным фазовым сдвигом в соответствии с зависимостью
<mrow><msub><mtext>P</mtext><mtext>i</mtext></msub><mtext>~cos</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mtext>4</mtext><mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mi>α</mi><mi>U</mi><mo>+</mo><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>,                                            (1)</mtext></mrow>
-4
0
2
1
3
где i - номер фотоприемника, λ - длина волны лазера 11, U - приложенное напряжение, α≈5×10 (мкм×рад.)/В - калибровочная константа датчика, l - разность плеч интерферометра, не зависящая от напряжения, φ=0, φ≈120°, φ≈-120°.
1
2
3
<mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mi>i</mi><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mi>α</mi><mi>U</mi><mo>+</mo><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msup></mrow>
<mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mi>i</mi><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mi>α</mi><mi>U</mi><mo>+</mo><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msup></mrow>
<mrow><mi>Ψ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mi>α</mi><mi>U</mi><mo>+</mo><msub><mi>l</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
Постоянные фазовые сдвиги φ, φ и φ для соответствующих фотоприемников обеспечиваются ответвителем 6. Благодаря этим фазовым сдвигам интерференционные сигналы (1) можно рассматривать как проекции аналитического сигнала
на три оси, расположенные под углом ≈120° друг к другу на комплексной плоскости, что дает возможность однозначного восстановления аналитического сигнала
и определения интерференционного фазового сдвига
, зависящего от разности длин оптоволокон 4 и 5.
Калибровочная константа α зависит от температуры. Для учета этой зависимости при расчете U измеритель напряжения снабжен оптическим датчиком температуры.
В качестве термочувствительного элемента в оптическом датчике температуры используется катушка оптоволокна 26.
Датчик температуры работает следующим образом.
Импульс лазерного излучения из порта 23 приемопередающего модуля 22 проходит на первый порт 29 ответвителя 25, который делит его на два импульса. Один из этих импульсов возвращается отражателем 28 и, вторично пройдя через ответвитель 25, попадает через его порт 30 в приемный порт 24 модуля 22. Второй из этих импульсов выходит из порта 31 ответвителя 25, проходит по отрезку оптоволокна 26, отражается от зеркала 27, вновь проходит через оптоволокно 26, возвращается в ответвитель 25 и через порт 30 также поступает в порт 24 модуля 22. Таким образом, на приемный порт 24 модуля 22 приходит два импульса, временная задержка между которыми определяется длиной катушки оптоволокна 26, выполняющего функцию линии задержки с известной зависимостью времени задержки от температуры.
Конструктивно чувствительный элемент 1 измерителя напряжения и катушка оптоволокна 26 располагаются так, чтобы их температуры практически совпадали.
Устранение недостатка прототипа и указанный выше технический результат (повышение точности измерения) достигаются благодаря тому, что в предлагаемом волоконно-оптическом измерителе пьезоэффект в обоих плечах интерферометра суммируется, а акустические шумы и температурные изменения длин оптических плеч вычитаются. Это обеспечивается использованием схемы интерферометра Майкельсона с ответвителем три на три, фарадеевскими зеркалами и когерентным источником света (лазером), а также встречной ориентацией электрических осей пьезокристаллических цилиндров, включаемых в разные плечи интерферометра Майкельсона.