ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
FIBRE-OPTIC DEVICE OF MAGNETIC FIELD AND ELECTRIC CURRENT

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения магнитного поля и электрических токов в энергетике, в том числе в различных цепях телеконтроля и управления электротехнических, электромеханических устройств.
Известен датчик магнитного поля [1], содержащий источник света, устройство ввода излучения в оптическое волокно, одномодовое оптическое волокно, расширитель светового потока, магнитооптический материал, выходное многомодовое оптическое волокно, фотоприемник.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока [2], содержащий источник излучения, градиентные линзы, поляризатор, круговой двулучепреломитель, анализатор, фотоприемник.
Недостатками известных волоконно-оптических датчиков для измерения магнитного поля и электрического тока являются недостаточная временная стабильность, низкая точность измерения вследствие изменения мощности излучения источника света при длительной эксплуатации и при измерении токов в малых пределах (до 1 мА).
Предлагаемое устройство позволит значительно повысить временную стабильность, точность измерения и измерять электрические токи в малых пределах (до 1 мА).
Поставленная цель достигается тем, что в волоконно-оптическом устройстве, содержащем источник излучения, градиентные линзы, поляризатор, круговой двулучепреломитель, анализатор, фотоприемник, согласно изобретению дополнительно введены второй фотоприемник, вторая градиентная линза и второй анализатор, соленоид с концентратором магнитного поля, поляризационная призма со светоделительным покрытием, опорный фотоприемник, два усилителя и устройство обработки разностных сигналов, при этом круговой двулучепреломитель выполнен в виде феррит-гранатовой пленки, а выход источника излучения соединен с градиентной линзой, выполненной с возможностью формирования светового потока, направленного через поляризатор и феррит-гранатовую пленку на поляризационную призму со светоделительным покрытием, причем также выход источника излучения соединен со входом опорного фотоприемника, выход которого соединен со вторыми входами двух усилителей, выходы которых соединены с устройством обработки выходных сигналов, а первые входы усилителей соединены с выходами двух фотоприемников, входы которых соединены с двумя градиентными линзами, на которые через поляризационную призму со светоделительным покрытием и два анализатора передаются два поляризованных световых луча.
На чертеже представлена схема волоконно-оптического устройства магнитного поля и электрического тока, где 1 - источник излучения, 2 - световоды, 3 - градиентные линзы, 4 - поляризатор, 5 - двулучепреломитель, выполненный в виде феррит-гранатовой пленки, 6 - соленоид с концентратором магнитного поля, 7 - поляризационная призма со светоделительным покрытием, 8 - два анализатора, 9 - два фотоприемника, 10 - опорный фотоприемник, 11 - два усилителя, 12 - устройство обработки разностных сигналов, 13 - магнитооптический датчик, 14 - блок измерительный.
Элементы 3, 4, 5, 6, 7, 8 входят в состав магнитооптического датчика 13, элементы 1, 9, 10, 11, 12 входят в состав блока измерительного 12.
Магнитооптический датчик 13 и блок измерительный 14 соединены между собой волоконно-оптическими кабелями (световодами) 2.
Волоконно-оптическое устройство магнитного поля и электрического тока работает следующим образом.
Свет от источника излучения 1 (чертеж) по световоду 2 попадает на вход опорного фотоприемника 10 и через градиентную линзу 3 попадает на поляризатор 4.
Поляризатор 4 формирует и направляет линейно-поляризованное излучение на магнитно-оптическую феррит-гранатовую пленку 5, после прохождения которой линейно-поляризованное излучение через отверстие в концентраторе магнитного поля, создаваемого измеряемым электрическим током, поступает на поляризационную призму со светоделительным покрытием 7, на призме линейно-поляризованное излучение делится на два поляризованных луча.
Далее два поляризованных луча через два анализатора 8, две градиентные линзы 3 и световоды 2 попадают на входы двух фотоприемников 9, с выходов которых информационные сигналы поступают на первые входы (вх.1) двух усилителей 11, на вторые входы (вх.2) поступает сигнал с выхода опорного фотоприемника 10, с выходов усилителей 11 информационные сигналы поступают на два входа устройства обработки разностных сигналов 12 и далее к регистратору.
f
Принцип действия волоконно-оптического устройства магнитного поля и электрического тока основан на использовании в магнитооптическом датчике 13 эффекта Фарадея - поворот плоскости поляризации света, проходящего через феррит-гранатовую пленку 5 под воздействием магнитного поля, вектор напряженности которого совпадает с направлением распространения света. Поворот плоскости поляризации излучения на выходе феррит-гранатовой пленки 5 на угол фарадеевского вращения φ определяется выражением:
r
где V - постоянная Верде, характеризующая магнитооптические свойства феррит-гранатовой пленки 5;
H - напряженность измеряемого магнитного поля в направлении распространения света;
d - длина светового пути в магнитооптической среде.
изм.
При измерении электрического тока I вокруг проводника, по которому протекает ток, наводится магнитное поле, напряженность которого H пропорциональна току.
изм.
Для наиболее эффективного преобразования измеряемого тока в магнитное поле в магнитооптическом датчике 13 используется соленоид 6 с концентратором магнитного поля. Напряженность магнитного поля Н, индуцируемого током I в соленоиде, определяется выражением:
где n - количество витков соленоида;
g - коэффициент, зависящий от размеров и формы соленоида.
изм.
Напряженность магнитного поля H, создаваемая измеряемым током I, воздействует на феррит-гранатовую пленку 5, что приводит к повороту плоскости поляризации проходящего линейно-поляризованного излучения, поступающего на поляризационную призму 7. Поляризационное покрытие призмы 7 перераспределяет мощность излучения в каждой ветви согласно формулам:
0
где P - мощность излучения, падающая на поляризационное покрытие призмы 7.
Линейно-поляризованное излучение по двум ветвям через анализаторы 8, градиентные линзы 3 по световодам 2 попадает на входы фотоприемников 9, с выходов которых сигналы поступают на входы двух усилителей 11 и после усиления сигналы поступают на устройство обработки разностных сигналов 12, в котором выделяется разностный сигнал:
где S - чувствительность фотоприемников 9;
K - коэффициент усиления усилителя 11.
f
изм.
Подставляя φ из формул (1) и (2) в формулу (5), получим зависимость выходного сигнала волоконно-оптического устройства от измеряемого тока I
0
r
где S, K, P, V, g, n, d - постоянные величины, определяемые конструктивно-схемным исполнением устройства.
вых.
вых.
изм.
Из формулы (6) видно, что выходной сигнал U устройства изменяется пропорционально измеряемому электрическому току, т.е. U=f(I).
0
вых.
0
вых.
Повышение временной стабильности и точности измерения у предлагаемого волоконно-оптического устройства магнитного поля и электрического тока достигается за счет исключения влияния нестабильности мощности источника излучения P на выходной сигнал U в течение длительного времени эксплуатации, обусловленного тем, что на входы (вх.2) двух усилителей 11 подаются сигналы с опорного фотоприемника 10, соединенного с выходом источника излучения 1. При изменении (например, уменьшении) мощности излучения P от воздействия температуры или длительного времени эксплуатации уменьшаются информационные сигналы на первых входах (вх.1) усилителей 11 и сигнал, поступающий с выхода опорного фотоприемника на вторые входы (вх.2) усилителей, а сигналы с выходов усилителей 11 и разностный сигнал U с выхода устройства обработки сигналов 12 не изменяется. Таким образом исключается влияние изменения мощности источника излучения на выходной сигнал и, как следствие, повышается временная стабильность и точность измерения устройства.
Измерение электрического тока в малых пределах достигается за счет:
изм.
1) повышения напряженности магнитного поля H, создаваемой измеряемым током I малой величины, протекающим через соленоид 6 с концентратором магнитного поля (на чертеже не показан), которая обеспечивается:
- выбором необходимого количества витков соленоида, вследствие чего при увеличении количества витков n в соответствии с выражением (2) пропорционально увеличивается и напряженность магнитного поля;
- использованием концентратора магнитного поля, который выполняет функцию усиления магнитного поля, создаваемого протекающим через соленоид измеряемым током;
f
2) применения феррит-гранатовой пленки 5, выполняющей функцию кругового двулучепреломителя и обладающей повышенной магниточувствительностью, которая обеспечивает увеличение угла поворота φ фарадеевского вращения плоскости поляризации излучения.