МАГНИТООПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для точного бесконтактного измерения магнитных полей и электрических токов.
Известно устройство для измерения магнитных полей (патент US №5212446, МПК G01R 33/02, 1993), содержащее источник оптического излучения, поляризатор, чувствительный магнитооптический элемент, анализатор и фотоприемник.
Недостатком данного устройства является большая погрешность измерения угла поворота плоскости поляризации света (следовательно, величины магнитного поля) при измерении магнитных полей, которые обуславливают его работу на нелинейном участке кривой изменения интенсивности света. Также недостатком является значительное влияние температуры на точность измерений.
Известно также магнитооптическое устройство для измерения силы электрического тока (патент US №5502373, МПК G01R 31/00, 1994), содержащее источник света, входной поляризатор, чувствительный магнитооптический элемент, первый и второй фотодиоды и связанные с ними первый и второй анализаторы, ориентированные под углами -45° и +45° по отношению к плоскости поляризации света, проходящего через магнитооптический элемент при отсутствии измеряемого магнитного поля. Значение измеряемого тока определяется сравнением показаний фотодиодов. Использование метода двух выходных лучей с выходов анализаторов позволяет осуществлять температурную компенсацию, повышающую точность измерений.
Недостатком данного устройства является значительная погрешность измерения угла поворота плоскости поляризации света, при измерении электрических токов, которые обуславливают расположение рабочей точки любой из систем "входной поляризатор - чувствительный магнитооптический элемент - первый анализатор" либо "входной поляризатор - чувствительный магнитооптический элемент - второй анализатор", входящих в состав устройства, на нелинейном участке кривой изменения интенсивности света.
Наиболее близким является магнитооптическое устройство (патент US №4947107, МПК G01R 33/032). Устройство содержит в оптической части светодиод и расположенные по ходу его луча входной поляризатор, чувствительный магнитооптический элемент, двулучепреломляющий анализатор с пространственным разведением лучей взаимно ортогональных поляризаций, первый и второй фотодиоды, расположенные по ходу разведенных лучей. Электронная часть устройства содержит элементы для обработки выходных сигналов фотодиодов, в том числе дифференциальный усилитель, компаратор и усилитель тока, соединенный выходом с электромагнитной компенсационной катушкой.
В электронной части устройства определяется разность сигналов первого и второго фотодиодов, нормированная на их сумму. Затем нормированная разность сигналов первого и второго фотодиодов сравнивается с нулем и формируется управляющий сигнал, который изменяет величину тока в электромагнитной компенсационной катушке, а, следовательно, и ее магнитное поле, до такого значения, при котором происходит компенсация измеряемого магнитного поля или поля тока. По величине тока через электромагнитную компенсационную катушку судят о величине измеряемого магнитного поля или электрического тока.
Недостатком данного устройства является значительная погрешность измерения величины электрического тока или магнитного поля, при измерении магнитных полей или полей токов, которые обуславливают расположение рабочей точки устройства на нелинейном участке кривой изменения интенсивности света. В этом случае создаваемое компенсационное магнитное поле не будет полностью компенсировать измеряемое и, следовательно, будут получены ошибочные данные об измеряемом электрическом токе или магнитном поле.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении точности измерений.
Технический результат - измерение магнитных полей и электрических токов с повышенной точностью, за счет стабилизации рабочей точки устройства на линейном участке кривой изменения интенсивности света.
Поставленная задача решается тем, что в магнитооптическое устройство для измерения магнитных полей и электрических токов, содержащее светодиод, последовательно расположенные по ходу его луча входной поляризатор, чувствительный магнитооптический элемент и первый (двулучепреломляющий) анализатор с пространственным разведением лучей взаимно ортогональных поляризаций, первый и второй фотодиоды, связанные с первым (двулучепреломляющим) анализатором и расположенные по ходу разведенных лучей, а также первый дифференциальный усилитель, соединенный с выходами первого и второго фотодиодов и последовательно соединенные с первым дифференциальным усилителем компаратор, усилитель тока и компенсационную электромагнитную катушку, согласно полезной модели дополнительно введены оптический разветвитель с двумя выходами, второй анализатор, третий фотодиод, резистор, второй дифференциальный усилитель и блок обработки информации, при этом оптический разветвитель соединен выходами с первым (двулучепреломляющим) и вторым анализаторами и расположен на выходе чувствительного магнитооптического элемента, резистор включен последовательно с усилителем тока и компенсационной электромагнитной катушкой, второй дифференциальный усилитель параллельно подключен к резистору и соединен выходом с первым входом блока обработки информации, третий фотодиод входом соединен с выходом второго анализатора, а выходом со вторым входом блока обработки информации.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 приведена схема заявляемого магнитооптического устройства для измерения магнитных полей и электрических токов. На фиг.2 - кривая изменения интенсивности света
Магнитооптическое устройство (фиг.1) содержит светодиод 1, расположенный по ходу его луча входной поляризатор 2, на выходе которого расположен чувствительный магнитооптический элемент 3. На выходе чувствительного магнитооптического элемента 3 расположен оптический разветвитель 4. На первом выходе оптического разветвителя 4 расположен первый (двулучепреломляющий) анализатор 5, связанный выходами с первым и вторым фотодиодами 6 и 7. На втором выходе оптического разветвителя 4 установлен второй анализатор 8, связанный с третьим фотодиодом 9. Выходы первого и второго фотодиодов 6 и 7 соединены с первым дифференциальным усилителем 10, выход которого соединен с компаратором 11. Компаратор 11 соединен с усилителем тока 12, с которым последовательно включены компенсационная электромагнитная катушка 13 и резистор 14. К резистору 14 параллельно включен второй дифференциальный усилитель 15, выход которого соединен с первым входом блока обработки информации 16. Второй вход блока обработки информации 16 соединен с выходом третьего фотодиода 9.
Принцип действия заявляемого магнитооптического устройства основан на магнитооптическом эффекте Фарадея. При прохождении света через чувствительный магнитооптический элемент, внесенный в магнитное поле, происходит поворот плоскости поляризации луча света на угол фарадеевского вращения
магн
где V - постоянная Верде; L - длина светового пути в магнитооптическом элементе; Н - напряженность магнитного поля, воздействующего на чувствительный магнитооптический элемент.
Интенсивность света на выходе любой системы "поляризатор -чувствительный магнитооптический элемент - анализатор", входящей в состав произвольного магнитооптического датчика электрического тока или магнитного поля, определяется из закона Малюса, который при наличии измеряемого магнитного поля, запишется в виде:
вх
вых
где φ - угол между осями пропускания анализатора и поляризатора (φ=const), J - интенсивность света прошедшего через поляризатор, J - интенсивность света на выходе анализатора, Φ - угол фарадеевского вращения
Найдем производную от выражения (2) по разности (φ-Φ):
Производная  имеет экстремумы при , что свидетельствует о максимальном влиянии минимального приращения d(φ-Φ) около значения  на интенсивность выходного света (линейный участок А-Б кривой изменения интенсивности света (фиг.2)).
В этой связи верным является утверждение о том, что при работе магнитооптического датчика на линейном участке кривой изменения интенсивности света (участок А-Б) показание напряжения на выходе фотодиода подразумевает меньший возможный разброс значения угла фарадеевского вращения Ф. Следовательно, в этом случае, показания датчика более точны.
Обратная ситуация имеет место в условиях работы магнитооптического датчика на нелинейном участке кривой изменения интенсивности света, где показания фотодиода могут подразумевать большой разброс угла фарадеевского вращения Ф. Следовательно, в этих условиях говорить о требуемой высокой точности датчика не представляется возможным.
Магнитооптическое устройство работает следующим образом.
магн
магн
Магнитооптическое устройство вносится в измеряемое магнитное поле или поле тока с напряженностью Н. Луч света, излучаемый светодиодом 1, при прохождении через входной поляризатор 2 становится плоскополяризованным (ось пропускания входного поляризатора расположена вертикально). Плоскополяризованный луч света проходит через чувствительный магнитооптический элемент 3, при этом под воздействием измеряемого магнитного поля или поля тока с напряженностью Н происходит поворот плоскости поляризации плоскополяризованного луча на угол фарадеевского вращения Ф. Далее луч света с повернутой поляризацией попадает в оптический разветвитель 4, где делится на две составляющих, сохраняющих поляризацию с выхода чувствительного элемента.
Первая составляющая, разделенного оптическим разветвителем 4 света, попадает в первый (двулучепреломляющий) анализатор 5, С помощью первого (двулучепреломляющего) анализатора 5 осуществляется разделение плоскополяризованного луча света с повернутой поляризацией на два линейно поляризованных световых сигнала с поляризационными плоскостями, направленными под углами +45°, -45° относительно оси пропускания входного поляризатора 2.
Интенсивности линейно поляризованных световых сигналов с выхода первого (двулучепреломляющего) анализатора 5 детектируются первым и вторым фотодиодами 6 и 7.
Вторая составляющая, разделенного оптическим разветвителем 4 света, попадает на второй анализатор 8, который установлен под углом φ=+45° относительно оси пропускания входного поляризатора 2. Интенсивность линейно поляризованного светового сигнала с выхода второго анализатора 8 детектируются третьим фотодиодом 9.
Выходные напряжения первого и второго фотодиодов 6 и 7 подаются на первый дифференциальный усилитель 10, который находит разность между ними. Сигнал с выхода первого дифференциального усилителя 10 поступает на вход компаратора 11, где сравнивается с нулем. Выход компаратора через усилитель тока 12 соединен с компенсационной электромагнитной катушкой 13 таким образом, что ее поле компенсирует измеряемое магнитное поле или поле тока. Последовательно с усилителем тока 12 и компенсационной электромагнитной катушкой 13 включен резистор 14, падение напряжения на котором пропорционально силе тока в электромагнитной компенсационной катушке 13. Второй дифференциальный усилитель 15, подключенный параллельно к резистору 14 производит сигнал, пропорциональный току в электромагнитной компенсационной катушке 13. Сигнал с выхода второго дифференциального усилителя 15 подается на первый вход блока обработки информации 16. На второй вход блока обработки информации 16 подается сигнал с третьего фотодиода 9.
В блоке обработки информации производится сложение информаций об измеряемом магнитном поле или поле тока: первая составляющая суммы поступает с выхода второго дифференциального усилителя 15 (пропорциональна компенсационному полю, создаваемому электромагнитной компенсационной катушкой 13), вторая составляющая суммы определяется по показанию третьего фотодиода 9 посредством реализации известного способа модуляционного измерения фазового сдвига. После чего на выходе блока обработки информации 16 формируется сигнал о величине измеряемого электрического тока или магнитного поля.
Если измеряемое магнитное поле (электрический ток) таково, что плоскость поляризации плоскополяризованного света при прохождении чувствительного магнитооптического элемента 3 магнитооптического устройства поворачивается на угол фарадеевского вращения, при котором для системы "входной поляризатор 2 - чувствительный магнитооптический элемент 3 - первый (двулучепреломляющий) анализатор 5", входящей в состав устройства, выполняется условие  (соответствует работе устройства на линейном участке кривой изменения интенсивности света), тогда компенсационное магнитное поле, созданное исходя из разности показаний фотодиодов 6 и 7 полностью компенсирует измеряемое. Неизменившееся напряжение на выходе третьего фотодиода 9 будет свидетельствовать о точности проводимого измерения.
Если же измеряемое магнитное поле (электрический ток) таково, что плоскость поляризации плоскополяризованного света при прохождении чувствительного магнитооптического элемента 3 датчика поворачивается на угол фарадеевского вращения, при котором для системы "входной поляризатор 2 - чувствительный магнитооптический элемент 3 - первый (двулучепреломляющий) анализатор 5", входящей в состав устройства, условие,  не выполняется, тогда компенсационное магнитное поле, созданное исходя из разности показаний первого и второго фотодиодов 6 и 7 не полностью компенсирует измеряемое. При этом изменившееся показание третьего фотодиода 9, установленного на выходе второго анализатора 8, входящего в систему "входной поляризатор 2 - чувствительный магнитооптический элемент 3 - второй анализатор 8", работающего на линейном участке кривой изменения интенсивности света, позволит определить разницу между измеряемым полем и созданным компенсационным. После чего эта разница посредством блока обработки информации 16 будет прибавлена к компенсационному полю. В результате на выходе блока обработки информации отобразится более точная информации об измеряемом электрическом токе или магнитном поле, соответствующая работе устройства на линейном участке кривой изменения интенсивности света
Итак, заявляемая полезная модель позволяет измерять магнитные поля и электрические токи с повышенной точностью, за счет стабилизации рабочей точки устройства на линейном участке кривой изменения интенсивности света.