МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Заявляемая полезная модель относится к области информационно-измерительных систем, в частности, к измерительным преобразователям магнитных полей и токов, высоковольтных энергетических и электрофизических установок.
Заявляемая 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 магнитных полей и токов, описанные в патентах на изобретения РФ №2281516, МПК G01R 15/24, G01R 33/032, опубл. 10 августа 2006 года, №2177625, МПК G01R 33/032, опубл. 27 декабря 2001 года, №2429498, МПК G01R 33/032, опубл. 20 сентября 2011 года, в которых реализуют магнитооптический эффект Фарадея, использующие в качестве ячейки Фарадея световод, магнитную пленку или магнитооптическое стекло, при этом ячейка Фарадея оптически связана через поляризатор и световод с источником света и через анализатор - с фотоприемником.
Однако в известных устройствах выходное напряжение преобразователя зависит от изменения интенсивности источника света и изменения потерь в оптической схеме в процессе эксплуатации, что приводит к снижению точности преобразования и уменьшению динамического диапазона.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является техническое решение, описанное в патенте Российской Федерации №127198, МПК G01R 33/03, приоритет от 29 октября 2012 года, дата публикации - 20 апреля 2013 года на полезную модель: “Магнитооптический преобразователь тока”, основанное на распространении света в ячейке Фарадея в двух противоположных направлениях. При этом ячейка Фарадея оптически связана через первый поляризатор, первый световод, первый оптический ответвитель с первым источником света и фотоприемником, через второй поляризатор и второй световод и второй оптический ответвитель - со вторым источником света и фотоприемником.
Однако при использовании такого преобразователя выходное напряжение преобразователя зависит шумов источников света, что приводит к снижению точности преобразования и уменьшению динамического диапазона. Для уменьшения шумов необходимо уменьшать полосу пропускания преобразователя, но это приводит к частотным искажениям измеряемого сигнала и возможно лишь в ограниченных пределах.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности преобразования и расширение динамического диапазона переменного тока.
Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока, содержащий ячейку Фарадея, расположенную в магнитном поле проводника с измеряемым током, оптически связанную через первый поляризатор и первый световод с первым ответвителем, через второй поляризатор и второй световод со вторым ответвителем, первый и второй фотоприемники и источник света, согласно полезной модели дополнительно снабжен третьим ответвителем, двумя регулируемыми усилителями фототока, двумя дифференциальными усилителями постоянного тока, источником питания, источником опорного напряжения и блоком вычитания, при этом первый фотоприемник оптически связан с первым выходом первого ответвителя, второй фотоприемник - с первым выходом второго ответвителя, источник света, подключенный к источнику питания, через третий ответвитель оптически связан со вторыми выходами первого и второго ответвителей, первый и второй фотоприемники через первый и второй регулируемые усилители фототока соединены с входами блока вычитания и первыми входами соответствующих дифференциальных усилителей постоянного тока, вторые входы которых подключены к источнику опорного напряжения, а выходы - к управляющим входам соответствующих усилителей фототока.
Такое построение магнитооптического преобразователя обеспечивает распространение света в ячейке Фарадея от одного источника в двух противоположных направлениях, в которых углы поворота плоскости поляризации света имеют противоположные знаки, преобразование световых потоков в электрические сигналы и формирование разностного сигнала, пропорционального измеряемому току.
Это обеспечивает суммирование сигналов пропорциональных измеряемому току и вычитание сигналов пропорциональных шуму источника света и благодаря этому повышается точность преобразования и расширяется динамический диапазон.
Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на чертеже и содержит ячейку Фарадея 1, расположенную в магнитном поле проводника 2 с измеряемым током, оптически связанную через первый поляризатор 3 и первый световод 4 с первым оптическим ответвителем 5, и через второй поляризатор 6 и второй световод 7 со вторым оптическим ответвителем 8, первый фотоприемник 9, оптически связан с первым выходом первого оптического ответвителя 5, второй фотоприемник 10, оптически связан с первым выходом второго оптического ответвителя 8, источник света 11 подключен к источнику питания 12 и через третий оптический ответвитель 13 оптически связан со вторыми выходами первого 5 и второго 8 оптических ответвителей. Первый 9 и второй 10 фотоприемники через первый 14 и второй 15 регулируемые усилители фототока соединены с входами блока вычитания 16 и первыми входами первого 17 и второго 18 дифференциальных усилителей постоянного тока, вторые входы которых подключены к источнику опорного напряжения 19, а выходы к управляющим входам первого 14 и второго 15 регулируемых усилителей фототока.
Магнитооптический преобразователь переменного тока работает следующим образом. Источник света 11, подключенный к источнику питания 12 излучает световой поток, который третьим оптическим ответвителем 13 разделяется на два световых потока, поступающих на первый 5 и второй 8 оптические ответвители. Выходящий из первого оптического ответвителя 5 световой поток последовательно проходит первый световод 4, первый поляризатор 3, ячейку Фарадея 1, второй поляризатор 6, плоскость пропускания которого установлена под углом π/4 к плоскости пропускания первого поляризатора 3, второй световод 7, второй ответвитель 8 и преобразуется вторым фотоприемником 10 в электрический сигнал. Выходящий из второго оптического ответвителя 8 световой поток последовательно проходит второй световод 7, второй поляризатор 6, ячейку Фарадея 1, первый поляризатор 3, первый световод 4, первый ответвитель 5 и преобразуется первым фотоприемником 9 в электрический сигнал. Таким образом, световые потоки выходящие из третьего оптического ответвителя 13, распространяются в оптической схеме преобразователя в противоположных направлениях навстречу друг другу.
Световые потоки, падающие на первый и второй фотоприемники:
.
0
1ab
1ac
2ab
2ac
3ab
3ac
m
где: Ф - световой поток источника света 11, K, K , K , K, K, K - коэффициенты пропускания оптических ответвителей 5, 8, 13 в соответствующих направлениях, ξ(t) - коэффициент шума источника света, V - постоянная Верде материала ячейки Фарадея, I - максимальное значение измеряемого тока, ω - частота измеряемого тока, π/4, угол между плоскостями пропускания первого 3 и второго 6 поляризаторов.
Электрические сигналы на выходах фотоприемников:
,
.
В выходных сигналах фотоприемников присутствуют аддитивная и мультипликативная составляющие погрешности преобразования, обусловленные шумом источника света.
Аддитивная погрешность не зависит от величины измеряемого тока, поэтому снижает точность преобразования и уменьшает динамический диапазон.
,
.
Мультипликативная погрешность пропорциональна величине измеряемого тока, представляет собой множитель, который снижает точность преобразования, а динамический диапазон не уменьшает.
0
Выходные сигналы фотоприемников усиливаются первым 14 и вторым 15 регулируемыми усилителями фототока. Первый 17 и второй 18 дифференциальные усилители постоянного тока сравнивают постоянные составляющие выходных сигналов первого 14 и второго 15 усилителей фототока с напряжением опорного источника 19 и регулируют коэффициенты передачи первого 14 и второго 15 усилителей фототока таким образом, что бы их постоянные составляющие были равны напряжению U источника опорного напряжения 19.
Выходные сигналы первого 14 и второго 15 регулируемых усилителей фототока поступают на блок вычитания 16, который формирует их разность:
вых
0
m
m
0
m
U=U{[1+ξ(t][1+sin(2VIsinωt)]-[1+ξ(t)][1-sin(2VIsinωt)]}=2U[1+ξ(t)]sin(2VIsinωt).
m
При малых углах поворота плоскости поляризации света в ячейке Фарадея 1, когда 2VI«1, выходное напряжение блока вычитания имеет вид:
вых
0
m
U=4UVI[1+ξ(t)]sinωt.
В выходном сигнале блока вычитания 16 присутствует только мультипликативная погрешность, пропорциональная величине измеряемого тока, а аддитивная погрешность отсутствует, следовательно, повышается точность преобразования и увеличивается динамический диапазон.
При реализации магнитооптического преобразователя тока ячейка 1 Фарадея выполнена в виде четырех призм из магнитооптического стекла ТФ-10, образующих замкнутый контур вокруг проводника 2 с измеряемым током. Поляризаторами 3, 6 служат призмы Глана-Тейлора, плоскости пропускания которых установлены под углом π/4 друг к другу. Световоды 4, 7 и оптические ответвители 5, 8, 13 изготовлены на основе толстого многомодового кабеля кварц-кварц WF 800/880/1200 T. Источником света 11 служит инфракрасный светодиод SFH4232, а фотоприемниками 9, 10 - фотодиоды BPW20RF, подключенные к регулируемым усилителям 14, 15, выполненным на микросхеме AD8066ARZ с резисторным оптроном AOP124A в цепи обратной связи. Дифференциальные усилители постоянного тока 17, 18 и блок вычитания выполнены на микросхеме AD8066ARZ, а источник опорного напряжения 19 - на микросхеме REF01CS.