МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОКА

Предлагаемая полезная модель относится к области информационно-измерительных систем, в частности, к измерительным преобразователям тока высоковольтных энергетических и электрофизических установок.
Предлагаемая полезная модель предназначена для преобразования магнитного поля измеряемого тока в поворот плоскости поляризации света, распространяющегося в ячейке Фарадея, расположенной в этом поле, передаче света из зоны высокого потенциала на потенциал земли и последующего преобразования в напряжение, значение которого пропорционально измеряемому току. Использование волоконно-оптических световодов для передачи света обеспечивает гальваническую развязку между зонами высокого и низкого потенциалов.
Известны магнитооптические преобразователи тока (см. патенты на изобретения РФ №2281516, МПК G01R 15/24, G01R 33/032, опубл. 10/08/2006 г., №2177625, МПК G01R 33/032, опубл. 27.12.2001 г.), в которых реализуется магнитооптический эффект Фарадея, использующие в качестве ячейки Фарадея одномодовый световод, при этом ячейка Фарадея оптически связана через первый поляризатор и первый световод с источником света и через второй поляризатор и второй световод - с фотоприемником.
Однако в данных устройствах выходное напряжение преобразователя зависит от двулучепреломления света в одномодовом световоде, которое не остается постоянным при изменении температуры окружающей среды и его положения при установке и эксплуатации, что приводит к снижению точности преобразования.
Известен магнитооптический преобразователь тока (В.Б. Архангельский, И.А. Гиниятуллин. Магнитооптический измерительный преобразователь тока и электрооптический измерительный преобразователь напряжения, Сб. Научных трудов 7-ой научно-технической конференции «Энергия белых ночей», Санкт-Петербург, 2014 г., с. 91-98), содержащий ячейку Фарадея, составленную из четырех призм Дове, образующих замкнутый контур вокруг проводника с измеряемым током, оптически связанную через первый поляризатор, первую линзу и первый световод с оптическим выходом оптоэлектронного блока и через второй поляризатор, вторую линзу и второй световод с его оптическим входом.
Однако замкнутый контур вокруг проводника с измеряемым током имеет разрыв в области ввода-вывода света в ячейку Фарадея, равный толщине стеклянных призм, который приводит к возникновению погрешности измерения тока. Абсолютная погрешность равна произведению напряженности магнитного поля в разрыве, его длине и постоянной Верде стекла призм. Если ячейка Фарадея расположена точно перпендикулярно проводнику с током и отсутствуют внешние магнитные поля, то напряженность магнитного поля в разрыве равна нулю, а если ячейка Фарадея при установке повернута на некоторый угол, то напряженность магнитного поля пропорциональна синусу этого угла. Кроме того, эта напряженность зависит от внешних магнитных полей, создаваемых соседними проводниками с током.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности преобразования за счет компенсации погрешности преобразования тока, обусловленной неточной установкой ячейки Фарадея и влиянием внешних магнитных полей.
Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что магнитооптический измерительный преобразователь тока, содержащий ячейку Фарадея, составленную из четырех призм Дове, образующих замкнутый контур вокруг проводника с измеряемым током, оптически связанную через первый поляризатор, первую линзу и первый световод с оптическим выходом оптоэлектронного блока и через второй поляризатор, вторую линзу и второй световод с его оптическим входом, согласно полезной модели дополнительно снабжен второй ячейкой Фарадея, третьим и четвертым поляризаторами, третьей и четвертой линзами, вторым поляризатором, третьим и четвертым световодами, вторым оптоэлектронным блоком и сумматором, при этом вторая ячейка Фарадея изготовлена и установлена зеркально первой ячейки Фарадея относительно плоскости, перпендикулярной проводнику с измеряемым током, и оптически связана через третий поляризатор, третью линзу и третий световод с оптическим выходом второго оптоэлектронного блока и через четвертый поляризатор, четвертую линзу и четвертый световод с его оптическим входом, а электрические выходы оптоэлектронных блоков подключены к входам сумматора.
Такое построение магнитооптического измерительного преобразователя тока обеспечивает формирование двух электрических сигналов пропорциональных измеряемому току, с погрешностями, имеющими одинаковую величину, но противоположные знаки, которые взаимно компенсируются при их суммировании.
Сущность заявляемого в качестве полезной модели технического решения поясняется чертежом, на котором представлена функциональнная схема устройства.
В соответствии с чертежом магнитооптический измерительный преобразователь тока содержит первую ячейку 1 Фарадея, составленную из четырех призм Дове, образующих замкнутый контур вокруг проводника 2 с измеряемым током и вторую ячейку 3 Фарадея, составленную из четырех призм Дове, образующих замкнутый контур вокруг этого же проводника 2. Устройство содержит также первый 4, второй 5, третий 6 и четвертый 7 поляризаторы, первую 8, вторую 9, третью 10 и четвертую 11 линзы, первый 12, второй 13, третий 14 и четвертый 15 световоды, первый 16, второй 17 оптоэлектронные блоки и сумматор 18. Вторая ячейка 3 Фарадея изготовлена и установлена зеркально первой ячейки 1 Фарадея относительно плоскости, перпендикулярной проводнику 2 с измеряемым током. Первая ячейка 1 Фарадея оптически связана через первый поляризатор 4, первую линзу 8 и первый световод 12 с оптическим выходом первого оптоэлектронного блока 16 и через второй поляризатор 5, вторую линзу 9 и второй световод 13 с его оптическим входом. Вторая ячейка 3 Фарадея оптически связана через третий поляризатор 6, третью линзу 10 и третий световод 14 с оптическим выходом второго оптоэлектронного блока 17 и через четвертый поляризатор 7, четвертую линзу 11 и четвертый световод 15 с его оптическим входом. Электрические выходы первого 16 и второго 17 оптоэлектронных блоков подключены к входам сумматора 18.
1
Магнитооптический измерительный преобразователь тока работает следующим образом. Свет с оптического выхода первого оптоэлектронного блока 16 по первому световоду 12 поступает к первой линзе 8, которая формирует параллельный пучок. После первого поляризатора 4 он становится линейно поляризованным и распространяется в первой ячейке 1 Фарадея, в которой его плоскость поляризации модулируется по азимуту пропорционально мгновенному значению измеряемого тока, протекающего по проводнику 2. После второго поляризатора 5, плоскость пропускания которого установлена под углом π/4 к плоскости пропускания первого поляризатора 4, изменения азимута поляризации преобразуются в пропорциональные изменения интенсивности света, который фокусируется второй линзой 9 во второй световод 13 и по нему поступает на оптический вход первого 16 оптоэлектронного блока, формирующего напряжение, пропорциональное изменениям этой интенсивности. Мгновенное значение азимута поворота плоскости поляризации света φ в первой ячейке Фарадея определяется выражением:
где: V - постоянная Верде стекла призм Дове, i - мгновенное значение измеряемого тока, h - напряженность магнитного поля в разрыве (А-В) замкнутого контура, l - текущая координата контура.
2
Свет с оптического выхода второго оптоэлектронного блока 17 по третьему световоду 14 поступает к третьей линзе 10, которая формирует параллельный пучок. После третьего поляризатора 6 он становится линейно поляризованным и распространяется во второй ячейке 3 Фарадея, в которой его плоскость поляризации модулируется по азимуту пропорционально мгновенному значению измеряемого тока, протекающего по проводнику 2. После четвертого поляризатора 7, плоскость пропускания которого установлена под углом π/4 к плоскости пропускания третьего поляризатора 6 изменения азимута поляризации преобразуются в пропорциональные изменения интенсивности света, который фокусируется четвертой линзой 11 в четвертый световод 15 и по нему поступает на оптический вход второго 17 оптоэлектронного блока, формирующего напряжение пропорциональные изменениям этой интенсивности. Мгновенное значение азимута поворота плоскости поляризации света φ во второй ячейке Фарадея определяется выражением:
где: h - напряженность магнитного поля в разрыве (С-D) замкнутого контура.
Знаки перед вторыми членами выражений, которые определяют погрешность преобразования измеряемого тока первой 1 и второй 3 ячейками Фарадея, противоположны, поэтому при суммировании выходных напряжений первого 16 и второго 17 оптоэлектронных блоков погрешности взаимно компенсируются.
При реализации магнитооптического измерительного преобразователя тока ячейки 1, 3 Фарадея выполнены в виде четырех призм Дове каждая, сечением 15×15 мм и длиной 115 мм из магнитооптического стекла ТФ-1, образующих два замкнутых контура вокруг проводника 2 с измеряемым током. Поляризаторы 4, 5, 6, 7 выполнены интерференционными и интегрированы в призмы, плоскости пропускания которых установлены под углом π/4 друг к другу. Линзы 8, 9, 10, 11 диаметром 20 мм имеют фокусное расстояние 25 мм. Световоды 12, 13, 14, 15 изготовлены на основе толстого многомодового кабеля кварц-кварц WF 800/880/1200 Т. Оптоэлектронные блоки изготовлены на основе инфракрасных светодиодов SFH4232, фотодиодов BPW34 и счетверенных операционных усилителей на микросхемах AD8066ARZ.