ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ПАССИВНОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОМПЕНСАЦИИ
OPTICAL VOLTAGE SENSOR WITH THE POSSIBILITY OF PASSIVE TEMPERATURE COMPENSATION

Изобретение относится к устройству и способу измерения электрических и магнитных величин по классу G01R, может быть использовано в оптических системах мониторинга защитного потенциала при катодной или анодной защите металлических объектов, в том числе протяженных и в системах мониторинга электрического постоянного и переменного напряжения в сетях электроснабжения.
В системах мониторинга защитного потенциала при катодной или анодной защите металлических объектов от коррозии существует необходимость измерения разности потенциалов в удаленных точках на объекте. Зачастую в качестве объекта выступает протяженное металлическое сооружение с протяженностью более 1 км. В настоящее время задача измерения разности потенциала на таких объектах решается при помощи электрических устройств, которые передают информацию об измеренной величине через проводные или беспроводные каналы связи. В таких системах существует необходимость обеспечения электропитания в точках подключения измерительного устройства. Известна полезная модель оптического чувствительного элемента для измерения электрической разности потенциалов (RU 194557 U1 опубл. 16.12.2019). Она представляет собой интегрально-оптическую схему на основе электрооптического кристалла, в которой под действием разности потенциалов изменяется показатель преломления для оптического излучения и происходят изменения параметров оптического сигнала. Данный чувствительный элемент имеет недостаток, заключающийся в том, что параметры оптического сигнала изменяются не только за счет приложения разности потенциалов, но и под действием внешних воздействующих факторов, в частности температуры. Это приводит к увеличению погрешности измерения разности потенциалов, а в случае широкого диапазона рабочих температур к критическим преобладаниям температурных дрейфов над изменениями, вызванными изменениями измеряемой величины. Данный недостаток может быть решен разделением температурного ухода показаний чувствительного элемента от ухода, вызванного изменением измеряемой величины. Для этих целей обычно используют несколько чувствительных элементов, предназначенных для измерения различных величин (температуры и разности потенциалов).
Известен также волоконно-оптический измеритель напряжения (RU 2715347 C1, опубл. 26.02.2020) в котором используются два чувствительных элемента, соединенных через оптический коммутатор. Один из чувствительных элементов служит для измерения напряжения, другой служит для контроля температуры. В данном измерителе напряжения частично решена проблема компенсации температурных погрешностей датчика напряжения, но для этого используется оптический коммутатор. Это является основным недостатком данного технического решения, т.к. усложняет конструкцию датчика и приводит к увеличению его стоимости. Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа и по совокупности признаков является ближайшим аналогом предлагаемого изобретения.
Технической задачей на решение которой направлено данное изобретение является создание датчика с уменьшенной температурной погрешностью измерений за счет корректировки измеренного значения электрического напряжения с учетом значения температуры и использования разных чувствительных элементов датчика для измерения температуры и электрического напряжения.
Технический результат от применения настоящего изобретения заключается в уменьшении температурной погрешности измерений за счет того, что производится корректировка измеренного значения электрического напряжения с учетом значения температуры и использования различных чувствительных элементов датчика для измерения температуры и электрического напряжения.
Оптический датчик электрического напряжения, предлагаемый в настоящем патенте, предназначен для измерения напряжения в цепях постоянного и переменного тока в удаленных точках подключения, где отсутствует возможность подведения электропитания или оно экономически нецелесообразно.
Датчик содержит N чувствительных элементов (1), оптический разветвитель/сумматор (2), корпус (3), оптический волоконный соединитель (4) и электрический соединитель (5). Чувствительные элементы (1) объединены в группы по меньшей мере по 2 шт. В каждой группе по меньшей мере один чувствительный элемент соединен с электрическим соединителем (5), который в свою очередь, подключается к источнику измеряемого электрического напряжения. По меньшей мере один из чувствительных элементов каждой группы не подключается к электрическому соединителю (5) и не изменяет своих свойств под действием изменения напряжения.
В качестве чувствительных элементов датчика могут быть использованы чувствительные элементы для измерения разности потенциалов (RU 194557 U1 опубл. 16.12.2019), либо чувствительные элементы на основе Брэгговских решеток (Система и способ записи Брэгговской решетки: пат. 2297655 Российская Федерация: МПК G02F 1/00 / Холодков А.В., Рыков М.В.; заявитель и патентообладатель Холодков А.В. - №2005107265/28; заявл. 16.03.2005; опубл. 20.04.2007).
В качестве оптического разветвителя/сумматора могут быть использованы сплавные волоконные разветвители (делители), планарные (фотонные) разветвители либо устройства спектрального уплотнения каналов на их основе.
Для всех чувствительных элементов каждой группы конструктивно при помощи корпуса (3) создаются одинаковые температурные условия. Оптический разветвитель/сумматор (2) позволяет оптически соединить чувствительные элементы (1.1 - 1.N) между собой. Оптический волоконный соединитель (4) соединен с оптическим разветвителем/сумматором (2) и используется для ввода и вывода оптического излучения.
На Фиг. 1 представлена обобщенная структурная схема датчика.
Оптическое излучение подается на вход датчика через оптический волоконный соединитель (4) в направлении (6). На оптическом разветвителе/сумматоре (2) мощность оптического излучения разделяется между чувствительными элементами (1), объединенными в группы. Излучение одновременно попадает на все чувствительные элементы датчика. Под действием напряжения, подаваемого на электрический соединитель (5) датчика, происходит изменение спектров отражения тех чувствительных элементов, которые подключены к электрическому соединителю (5). При этом не происходит изменение спектров отражения чувствительных элементов, не подключенных к электрическому соединителю (5). В случае, если меняется температура внутри корпуса (3) датчика, изменяются спектры отражения всех чувствительных элементов. Измененные оптические сигналы чувствительных элементов попадают одновременно на оптический разветвитель/сумматор (2), где суммируются. С выхода оптического разветвителя/сумматора (2) результирующий оптический сигнал попадает на оптический волоконный соединитель (4) в направлении (7) и передается на анализирующую аппаратуру. Результирующий оптический сигнал, распространяющийся в направлении (7) содержит информацию о приложенном к электрическому соединителю (5) напряжению, а также информацию о температуре для каждой группы чувствительных элементов внутри корпуса (3). Имея эту информацию становится возможным реализовать алгоритм термокомпенсации в оптической анализирующей аппаратуре, к которой подключен датчик.
Изобретение может быть осуществлено на основе технологий интегральной оптики, в частности, способа изготовления волноводов интегрально-оптической схемы волоконно-оптического гироскопа (Способ изготовления волноводов интегрально-оптической схемы волоконно-оптического гироскопа: пат.2176803 Российская Федерация: МПК G02B 6/125, G02B 6/134/ Курбатов A.M.; заявитель и патентообладатель ОАО Пермская научно-производственная приборостроительная компания. - №2000103857/28; заявление 15.02.2000; опубл. 10.12.2001). Чувствительные элементы датчика могут быть реализованы в виде Брэгговских решеток (Система и способ записи Брэгговской решетки: пат. 2297655 Российская Федерация: МПК G02F 1/00 / Холодков А.В., Рыков М.В.; заявитель и патентообладатель Холодков А.В. - №2005107265/28; заявл. 16.03.2005; опубл. 20.04.2007).