Современные волоконно-оптические системы дистанционного измерения электрического тока

Metrology and information-measuring devices

МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА METROLOGY AND

INFORMATION-MEASURING DEVICES

Ураксеев М.А.

Urakseev M.A.

доктор технических наук, профессор кафедры «Информационно-измерительная техника» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

Шарипов М.М.

Sharipov M.M.

магистрант кафедры «Информационноизмерительная техника»

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

УДК 681.51

современные волоконно-оптические системы дистанционного измерения электрического тока

В данной статье проводится обзор различных вариантов исполнения современных устройств измерения величины электрического тока, использующих в качестве измерительного преобразователя чувствительные элементы на основе волоконно-оптических первичных преобразователей. Представлена историческая справка про обнаружение эффекта поворота угла плоскости поляризации линейно поляризованного излучения. Рассмотрены различные варианты структурного построения измерительных систем дистанционного измерения и контроля электрического тока. Составлена структура магнитооптической измерительной системы. Разобран механизм поворота угла плоскости поляризации линейно поляризованного пучка света на основе эффекта Фарадея. Представлена математическая модель работы магнитооптической измерительной системы с использованием закона Малюса. Представлена структурная схема и составлена математическая модель волоконно-оптического датчика магнитного поля и электрического тока. Рассмотрена работа датчика магнитного поля отражательного типа. В ходе проведения исследования выделены положительные и отрицательные стороны использования каждого вида представленных наиболее часто применяемых способов построения системы измерения тока. Приведены как существующие области применения, так и перспективные направления развития. На основе полученных результатов сделан выбор в пользу дальнейшей работы с одним из видов волоконно-оптических систем дистанционного измерения.

Ключевые слова: волоконно-оптические системы, датчики тока, эффект Фарадея, постоянная Верде, закон Малюса.

Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 10, 2014

91

Метрология и информационно-измерительные устройства

MODERN FIBER-OPTIC SYSTEMS FOR REMOTE MEASUREMENT

OF THE ELECTRIC CURRENT

This article provides an overview of different variants of modern measuring devices, the electric current, using as the transmitter sensors based on fiber-optic primary converters. Presented historical information about the discovery of the effect of the rotation angle of the polarization plane of linearly polarized radiation. Different variants of the structural construction of measuring systems for remote measurement and control of electrical current. Structure composed of a magneto-optical measurement system. Stripped steering gear angle of the polarization plane of linearly polarized light beam based on the Faraday effect. A mathematical model of the magneto-optical measurement system using the law of Malus. The block diagram and the mathematical model is made of fiber-optic sensor of the magnetic field and electric current . Examine the work of the magnetic field sensor reflective type. In the course of the study highlighted the positive and negative aspects of using each type represented the most frequently used methods for constructing a current measurement system. Given the existing scope and prospects for development. Based on the results opted for further work with a type of fiber optic systems for remote measurement.

Key words: fiber-optic systems, current sensors, the Faraday effect, the Verdet constant, the law of Malus.

Среди устройств, которые используют для преобразования физических величин в электрический сигнал, важное место занимают датчики тока, т. к. ток широко используется в технологических процессах на предприятиях нефтяной, химической, авиационной, машиностроительной промышленности.

В России и других странах широко ведутся исследования и разработки по созданию волоконнооптических преобразователей электрического тока и магнитного поля [1-4], которые по техникоэкономическим показателям эффективнее известных систем и устройств. Например, в традиционно используемых системах измерения силы постоянного тока до 500 кА применяются очень сложные преобразователи тока. Эти преобразователи, обычно построенные на эффекте Холла, оказываются тяжелыми и громоздкими, например, приборы, применяемые для измерения больших токов, могут весить до 2000 кг [1].

При прохождении линейно поляризованного света через некоторые вещества, называемые оптически активными, плоскость поляризации света поворачивается вокруг направления луча. Оптически активны некоторые кристаллы (например, кварц, киноварь и др.), чистые жидкости и растворы (например, скипидар, раствор сахара в воде и др.). Все вещества, активные в жидком состоянии, обладают теми же свойствами и в кристаллическом состоянии. Однако некоторые вещества, оптически активные в кристаллическом состоянии, неактивны в жидком. Следовательно, оптическая активность может обусловливаться как строением самих молекул вещества, так и расположением частиц в кристаллической решетке.

Магнитное вращение плоскости поляризации линейно поляризованного излучения было обнару-

жено Фарадеем в 1845 г. Это был первый эксперимент, в котором обнаружилась связь между оптическими и магнитными явлениями [5].

Наряду с применением явления вращения плоскости поляризации в научных исследованиях оно широко используется в технике, особенно лазерной, промышленности (например, химической, химикофармацевтической, пищевой, нефтяной), медицине, фармакологии и т. д. [6]. Естественная оптическая активность - наиболее удобный способ идентификации изомеров. В геологии оптически активные вещества позволяют определить минералы, компоненты нефти.

Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока

На рисунке 1 [7] приведена структурная схема волоконно-оптического датчика магнитного поля и электрического тока.

Устройство содержит в качестве источника оптического излучения 1 - лазер или лазерный диод. Последовательно с ним соединены поляризатор 2, оптическое волокно, свернутое в катушку 3, обладающую линейным и круговым двойным лучепреломлением. Внутри катушки 3 проходит проводник 4 с измеряемым током. Анализатор 5 оптически соединен посредством оптического волокна 6 с фотоприемником оптического излучения 7 в виде фотодиода. Последовательно с фотодиодом, соединены усилитель 8, аналого-цифровой преобразователь 9, запоминающий регистр 10 и жидкокристаллический индикатор 11. В волоконно-оптическом датчике магнитного поля и электрического тока предусмотрены узлы связи с внешними устройствами в виде аналогового 12 и цифрового 13 выходов.

92

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 10, 2014

Metrology and information-measuring devices

Рис. 1. Структурная схема волоконно-оптического датчика магнитного поля и электрического тока

Информационно-измерительное устройство контроля магнитного поля и электрического тока

Данное устройство имеет высокую точность измерений вследствие того, что в нем последовательно с фотоприемным устройством соединен PIC-микроконтроллер, содержащий порты ввода/вывода, вычислительный блок, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, к выходу PIC-микроконтроллера подключены устройство отображения информации и записывающее устройство [8].

На рисунке 2 [8] приведена структурная схема информационно-измерительного устройства контроля магнитного поля и электрического тока, где

1 - источник оптического излучения, 2 - волоконный световод, 3 - поляризатор, 4 - магнитооптическая ячейка Фарадея, 5 - анализатор, 6 - фотоприемное устройство, 7 - PIC-микроконтроллер, 8 - устройство отображения информации, 9 - записывающее устройство.

Рис. 2. Структурная схема информационноизмерительного устройства контроля магнитного поля и электрического тока

Магнитооптический датчик отражательного типа

Магнитооптический датчик отражательного типа (рис. 3) [9] содержит источник света 1, поляризаторы 2 и 3, поворотный элемент Фарадея 4, сенсорный блок 5, оптические детекторы 6 и 7, а также отражатель 8.

В поляризаторе 2 входной световой поток линейно поляризуется, одновременно происходит отражение обратного светового потока, который имеет противоположное направление относительно входного. Элемент Фарадея 4 принимает выходной световой поток поляризатора 2 и изменяет направление поляризации этого потока примерно на 450 [10]. Это обусловлено использованием в элементе 4 магнитооптического эффекта Фарадея, который выражается в виде F = в- h, где h - путь светового пучка в магнитоупорядоченной среде, а вр - величина удельного фарадеевского вращения [10]. Поляризатор 3 пропускает выходной световой поток, одновременно отражая противоположно направленный

возвратный поток. Блок управления 5 располагается между отражающей поверхностью поляризатора 3 и отражателем 8 и пропускает противоположно направленные световые потоки, испускаемые поляризатором 3 и отражателем 8. На изменения подлежащей измерению физической величины блок 5 реагирует, изменяя поляризационное состояние оптической траектории луча. Обратный световой поток, проходящий через блок 5, направляется в поляризатор 3. Детектор 6 измеряет интенсивность частично отраженного поляризатором 3 возвратного светового потока, а остальная часть обратного потока через поляризатор 3 и элемент 4 поступает в поляризатор 2. Детектор 7 измеряет интенсивность

Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 10, 2014

93

Метрология и информационно-измерительные устройства

этой части возвращенного светового потока, отраженного поляризатором 2.

Помимо тех достоинств, которые присущи всем магнитооптическим датчикам или информационноизмерительным устройствам, выполненный на их основе магнитооптический датчик отражательного типа отличается малой инерционностью и универсальностью, так как с его помощью удается измерять значения не одной конкретной, а целого ряда различных физических величин.

Магнитооптическая измерительная система электрического тока

для измерения тока

Измеряемый ток i создает вокруг проводника магнитное поле. При прохождении линейно поляризованного света от источника излучения через находящийся в этом поле магнитооптический материал длиной L происходит вращение плоскости поляризации на угол:

a = v'fL Ъ-dL,

где V - константа Верде материала; Н1 - напряженность магнитного поля вдоль направления распространения света.

а = V • Н • L,

L = l n,

где l - длина одного витка; n - количество витков.

Предположим, оптическое волокно наматывается на проводник с током, образуя кольцо радиусом г. Тогда длина одного витка l составит:

l = 2 •п г.

В итоге получим новую формулу длины пути света в оптическом волокне:

L = 2 • п • r • n.

Напряженность магнитного поля, формируемого током i, протекающим на расстоянии r от проводника, вычисляется согласно формуле:

Н =

2

I

п  г

Исходя из формулы (6), выведем значение угла поворота а:

а = V-H-L = V- ------2-n-r-n = V-i-n.

2  7Г  г

В результате получаем, что при использовании в качестве чувствительного элемента оптического волокна, образующего n витков вокруг проводника, угол поворота плоскости поляризации света на конце волокна составит а = V • i • r.

Повернутый луч проходит через анализатор и попадает на фотоэлектрический приемник, на выходе которого будет фототок:

I = S • J2,

где S - чувствительность фотоэлектрического приемника; J2 - интенсивность светового потока на входе приемника, согласно закону Малюса:

J2 = J1 • cos2

где J1 - интенсивность света на входе анализатора; ф - угол между анализатором и поляризатором.

Принцип действия закона Малюса наглядно проиллюстрирован на рис. 5 [11]:

94

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 10, 2014

Metrology and information-measuring devices

Угол между поляризатором и анализатором в данном датчике равен 45°. Таким образом, закон Малюса в данном случае примет вид:

1 + sin2 • а

к =А 2

Ф

где Ф - световой поток излучения; Sce4 - площадь поперечного сечения оптического волокна.

Уровень светового потока Ф определяется как:

Ф = L • Ш

где Ice - сила света; ш - угол, под которым происходит излучение.

В качестве освещаемой поверхности выступает площадь поперечного сечения оптического волокна, которая вычисляется таким образом:

7 d2

5сеч. = п- R2 = я  —.

' 4

Ток фотодиода I формирует входное напряжение Uх преобразовательного тракта:

“ U = I. • R.

ех ф 4 '

Напряжение после усилительного каскада определяется как:

U = U • Krp

где Uex - входное напряжение преобразовательного тракта; U - выходное напряжение - это электрический эквивалент силы электрического тока i в проводнике.

Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока

На рис. 6 представлена схема волоконнооптического датчика магнитного поля и электрического тока, где 1 - источник излучения, 2 - световоды, 3 - градиентные линзы, 4 - поляризатор, 5 - кристалл, обладающий круговым двойным лучепреломлением, 6 - анализатор, 7 - фотоприемное устройство [12].

Угол поворота плоскости поляризации можно записать как:

V = Va + WF = V • H • L + в • L,

где V - константа Верде материала, H - приложенное магнитное поле, L - длина кристалла, собственное круговое двулучепреломление кристалла.

После того как луч вышел из кристалла, он проходит через анализатор. Оптические оси поляризатора и анализатора параллельны. После анализатора по световоду луч направляется к фотоприемному устройству.

Данный волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока содержит источник излучения, поляризатор, оптически активный

кристалл, анализатор, фотоприемник. Значение длины оптически активного кристалла и угол между оптическими осями поляризатора и анализатора выбраны так, чтобы отклонение от температуры величины константы Верде компенсировалось отклонением от температуры коэффициента собственного кругового двулучепреломления при обеспечении максимальной глубины модуляции сигнала. Технический результат - высокая температурная стабильность датчика.

Рис. 6. Схема волоконно-оптического датчика магнитного поля и электрического тока

Список литературы

1. Бонерт К. Прорыв в области измерения сильных постоянных токов [Текст] / К. Бонерт, П. Гуген-бах // АБВ Ревю. - 2005. - № 1. - С. 6-10.

2. Электротехника для качественного энергоснабжения на выставке «ЭлектротехноЭкспо, 2007» // Снабженец. - 2007. - № 48. - (596). - С. 7-8.

3. Власов М. Высоковольтные оптические преобразователи для систем измерения и анализа качества электрической энергии / М. Власов, А. Сердцев // Энергорынок. - 2006. - № 1. - С. 1-5.

4. Пат. 2159426 РФ МПК G01N27/82. Способ магнитооптического контроля изделий [Текст] / С.В. Левый; заявитель и патентообладатель С.В. Левый, Ю.С. Агалиди. - Заявл. 25.10.1999; опубл. 20.11.2000.

5. Фарадея эффект [Электронный ресурс]. -URL: http://fatyf.narod.ru/faradey-effect.htm (дата обращения: 25.03.2013).

6. Магнитное вращение плоскости поляризации [Электронный ресурс]. - URL: http:// www.webpoliteh.ru/subj/fizika/552-6-8-magnitnoe-vrashhenie-ploskosti-polyarizacii.html (дата обращения: 22.04.2013).

7. Пат. 53021 РФ МПК G01R33/032. Волоконнооптический датчик магнитного поля и электриче-

Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 10, 2014

95

Метрология и информационно-измерительные устройства

ского тока [Текст] / М.А. Ураксеев, И.С. Бушмелев, М.Г. Баширов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет». - Заявл. 31.10.2005; опубл. 27.04.2006.

8. Пат. 62713 РФ МПК G01R29/00. Информационно-измерительное устройство контроля магнитного поля и электрического тока [Текст] / М.А. Ураксеев, К.В. Соловей; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет». - Заявл. 14.12.2006; опубл. 27.04.2007.

9. Ураксеев М.А. Магнитооптические датчики [Текст] / М.А. Ураксеев, Д.А. Марченко // Датчики и системы. - 1999. - № 3. - С. 44-45.

10. Оптический датчик отражательного типа: патент Японии № 5082889 // Изобретения стран мира. - 1996. - № 13.

11. Поляризация света. Плоско поляризованная электромагнитная волна [Электронный ресурс]. - URL: http://dvoika.net/education/Shizika/ TUSHEV2/20.html (дата обращения: 09.05.2013).

12. Пат. 2213356 Р, МПК G01R29/00. Волоконнооптический датчик магнитного поля и электрического тока [Текст] / В.Д. Бурков, А.Ю. Болдырева, В.Н. Исаков и др.; заявитель и патентообладатель Московский государственный университет леса. -Заявл. 28.06.2000; опубл. 27.09.2003.

References

1. Bonert K. Proryv v oblasti izmerenija sil'nyh postojannyh tokov / K. Bonert, P. Gugenbah // ABV Revju. - 2005. - № 1. - S. 6-10.

2. Elektrotehnika dlja kachestvennogo jenergosnabzhenija na vystavke «ElektrotehnoEkspo, 2007» // Snabzhenec. - 2007. - № 48. - (596). - S. 7-8.

3. Vlasov M. Vysokovol'tnye opticheskie preobrazovateli dlja sistem izmerenija i analiza kachestva elektricheskoj energii / M. Vlasov, A. Serdcev // Eenergorynok. - 2006. - № 1. - S. 1-5.

4. Pat. 2159426 RF MPK G01N27/82. Sposob

magnitoopticheskogo kontrolja izdelij [Tekst] / S.V. Levyj; zajavitel' i patentoobladatel' S.V. Levyj, Ju.S. Agalidi. - Zajavl. 25.10.1999; opubl. 20.11.2000.

5. Faradeja Effekt [Elektronnyj resurs]. -

URL: http://fatyf.narod.ru/faradey-effect.htm (data

obrashhenija: 25.03.2013).

6. Magnitnoe vrashhenie ploskosti poljarizacii. [Elektronnyj resurs]. - URL: http://www.webpoliteh.ru/ subj/fizika/552-6-8-magnitnoe-vrashhenie-ploskosti-polyarizacii.html (data obrashhenija: 22.04.2013).

7. Pat. 53021 RF MPK G01R33/032. Volokonno-opticheskij datchik magnitnogo polja i elektricheskogo toka [Tekst] / M.A. Urakseev, I.S. Bushmelev, M.G. Bashirov; zajavitel' i patentoobladatel' GOU VPO «Ufimskij gosudarstvennyj aviacionnyj tehnicheskij universitet». - Zajavl. 31.10.2005; opubl. 27.04.2006.

8. Pat. 62713 RF MPK G01R29/00. Informacionno-izmeritel'noe ustrojstvo kontrolja magnitnogo polja i elektricheskogo toka [Tekst] / M.A. Urakseev, K.V. Solovej; zajavitel' i patentoobladatel' GOU VPO «Ufimskij gosudarstvennyj aviacionnyj tehnicheskij universitet». - Zajavl. 14.12.2006; opubl. 27.04.2007.

9. Urakseev M.A. Magnitoopticheskie datchiki [Tekst] / M. A. Urakseev, D. A. Marchenko // Datchiki i sistemy. - 1999. - № 3. - S. 44-45.

10. Opticheskij datchik otrazhatel'nogo tipa: patent Japonii № 5082889 // Izobretenija stran mira. - 1996. -№ 13.

11. Poljarizacija sveta. Plosko poljarizovannaja jelektromagnitnaja volna [Elektronnyj resurs]. - URL: http://dvoika.net/education/Shizika/TUSHEV2/20.html (data obrashhenija: 09.05.2013).

12. Pat. 2213356 R, MPK G01R29/00. Volokonno-opticheskij datchik magnitnogo polja i elektricheskogo toka [Tekst] / V.D. Burkov, A.Ju. Boldyreva, V.N. Isakov i dr.; zajavitel' i patentoobladatel' Moskovskij gosudarstvennyj universitet lesa. - Zajavl. 28.06.2000; opubl. 27.09.2003.

96

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 10, 2014