Волоконно-оптический чувствительный элемент датчика электрического тока и магнитного поля
FIBRE OPTIC SENSING ELEMENT OF ELECTRIC CURRENT AND MAGNETIC FIELD SENSOR

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к волоконно-оптическим датчикам тока и магнитного поля.
Принцип работы известных волоконно-оптических датчиков тока (ВОДТ) и магнитного поля основан на магнитооптическом эффекте Фарадея. Согласно этому эффекту, магнитное поле электрического тока индуцирует в оптическом волокне циркулярное двулучепреломление (ДЛП), в результате чего у распространяющихся в волокне лево- и правоциркулярно поляризованных световых волн возникает фазовый сдвиг, пропорциональный величине тока. Фазовый сдвиг измеряется волоконно-оптическим интерферометром, а данное волокно является чувствительным элементом интерферометра.
Известные волоконные чувствительные элементы волоконно-оптических датчиков тока [1-3] представляют собой охватывающее проводник с током кварцевое оптическое волокно со спиральной структурой линейного ДЛП (spun волокно) [4-6]. Оптические волокна данного типа получают вытяжкой из вращающейся заготовки с сильным встроенным ДЛП. Сформированная таким образом внутренняя структура оптического волокна позволяет сохранять близкую к циркулярной поляризацию излучения, обладая при этом определенной стойкостью данного свойства к внешним механическим воздействиям. Поэтому spun волокна являются наиболее предпочтительным типом волокна для использования в качестве чувствительного элемента ВОДТ.
F
-7
Недостатком известных волоконных чувствительных элементов на основе кварцевых волокон является ограничение по измерению амплитуды больших токов. Данное ограничение следует из того, что в силу периодичности выходной характеристики измерительного интерферометра фазовый сдвиг Фарадея ϕ должен лежать в пределах одной интерференционной полосы, поскольку за ее пределами нарушается взаимно однозначное соответствие между фазовым сдвигом и значением выходного сигнала интерферометра. Так, при использовании одновиткового волоконного чувствительного контура датчика, максимальное значение тока, который можно измерить интерферометрическим методом, при значении постоянной Верде для кварца V=0,7⋅10рад/А составляет сотни кА. Таким образом, измерение токов величиной единицы МА и более волоконно-оптическим датчиком тока при сохранении преимущества замкнутости волоконного чувствительного контура, заключающегося в нечувствительности к соседним токовым шинам и независимости результата измерения от формы контура [1], для систем, работающих в пределах одной интерференционной полосы, становится невозможным. Технологии измерения токов, приводящих к значениям фазового сдвига Фарадея больше предельного, построенные на принципе учета периодичности выходной функции интерферометра (счета интерференционных полос), имеют ряд недостатков и не могут рассматриваться как альтернативный метод измерения сверхбольших токов. В частности, такой способ предъявляет дополнительные требования к ограничению скорости изменения величины измеряемого тока и длительности его измерения. Кроме того, данный метод не способен корректно определить величину измеряемого тока в случае, если он уже присутствовал в шинопроводе до момента включения датчика тока.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является чувствительный элемент ВОДТ [2]. В этом устройстве в качестве чувствительного элемента используется многовитковая катушка из spun волокна, намотанная вокруг проводника с током. Чувствительность данного чувствительного элемента определяется, в том числе, количеством волоконных витков. Наименьшая величина чувствительности достигается при одном витке, поэтому величина измеряемого тока ограничена сверху чувствительностью одновиткового контура spun волокна.
Технической задачей изобретения является увеличение максимальной амплитуды измеряемого тока ВОДТ с использованием интерференционного метода.
Техническим результатом изобретения является создание волоконного чувствительного элемента датчика электрического тока и магнитного поля с увеличенным значением предельной амплитуды измеряемых токов при использовании волокна со спиральной структурой двулучепреломления, что необходимо для создания датчиков, предназначенных для измерения токов величиной до десятков МА и более.
Указанный технический результат достигается тем, что чувствительный элемент волоконно-оптического датчика электрического тока и магнитного поля содержит первое оптическое волокно со спиральной структурой встроенного линейного двулучепреломления, к концу которого присоединено второе волокно со спиральной структурой встроенного линейного двулучепреломления с другой магнитооптической чувствительностью из-за либо разных значений встроенного линейного ДЛП, либо разных длин шага спиральной структуры ДЛП, либо разных значений постоянной Верде материала световедущей жилы, либо разных значений постоянной Верде материала оболочки, либо разных размеров жилы, либо разных значений соотношения показателей преломления жилы и оболочки, либо нескольких параметров одновременно и расположенных относительно проводника с током таким образом, что вносят противоположный по знаку Фарадеевский фазовый сдвиг между циркулярно поляризованными волнами распространяющегося по волокнам света. При этом наилучшая точность измерения тока достигается при замкнутости первой и второй частей чувствительного элемента.
Способ изменения чувствительности ВОДТ основан на зависимости магнитооптической чувствительности spun волокна от постоянной Верде материалов световода, диаметра модового поля [7], а также на поляризационном свойстве spun волокна поддерживать среднюю эллиптичность поляризованного излучения, определяемую величиной встроенного линейного ДЛП и длиной шага спиральной структуры ДЛП [8].
Рассмотрим распространение низкокогерентного оптического излучения в spun волокне при наличии внешнего магнитного поля, индуцируемого электрическим током. Известно, что при вводе в волокно циркулярно поляризованного излучения, между право- и левоциркулярно поляризованными волнами возникает разность фаз [1]
eƒƒ
b
s
s
b
где S - коэффициент относительной магнитооптической чувствительности, обусловленный эллиптичностью излучения, V - эффективная постоянная магнитооптической чувствительности, определяемая значениями постоянной Верде материалов световедущей жилы и оболочки волокна и диаметром модового пятна,  - вектор индукции магнитного поля тока, а интегрирование выполняется вдоль продольной оси волокна. Коэффициент относительной магнитооптической чувствительности S определяется средним по длине волны поляризационным состоянием распространяющихся по волокну световых волн. Это поляризационное состояние, в общем случае эллиптичное, определяется соотношением длины биений встроенного линейного ДЛП L и длины шага спиральной структуры ДЛП L, а именно параметром σ=L/(2L), и имеет эллиптичность  Поскольку, при прочих равных условиях, максимальная чувствительность к эффекту Фарадея имеет место при циркулярных поляризациях волн, магнитооптическая чувствительность spun-волокна будет снижена в  раз (коэффициент относительной магнитооптической чувствительности) [8]. Отсюда следует, что относительная разница чувствительностей двух spun волокон, обладающих разным значением встроенного линейного ДЛП и длиной шага спиральной структуры ДЛП, равна
Рассмотрим чувствительный элемент ВОДТ на основе spun волокна (см. Фиг. 1), при этом датчик тока может иметь поляриметрическую схему (однопроходная конфигурация чувствительного элемента, Фиг. 1а), кольцевую схему Саньяка (однопроходная конфигурация чувствительного элемента, Фиг. 1б) или отражательную схему (двухпроходная конфигурация чувствительного элемента, Фиг. 1в). Spun волокно чувствительного элемента 1, располагается вблизи проводника с током 2, при этом в случае поляриметрической схемы волоконные концы 3 и 4 spun волокна подключаются к поляризаторам 5 и 6 на выходе соединительной волоконной линии датчика 7 (Фиг. 1а), в случае кольцевой схемы Саньяка волоконные концы 3 и 4 spun волокна подключаются к фазовым пластинкам 8 и 9 на выходе соединительной волоконной линии датчика 7 (Фиг. 1б), а в случае отражательной схемы конец 3 spun волокна подключается к фазовой пластинке 8 на выходе соединительной волоконной линии 7 датчика и на конце 4 spun волокна формируется зеркало 10 (Фиг. 1в). При вводе в конец 3 spun волокна двух циркулярно поляризованных волн света, между ними в результате эффекта Фарадея возникает фазовый сдвиг (1). Если начало и конец spun волокна совмещены (Фиг. 1), то, по теореме о циркуляции магнитного поля, интеграл в (1) равен сумме токов, пронизывающих контур [1]. В этом случае Фарадеевский фазовый сдвиг между право- и левоциркулярно поляризованными волнами света, после их однократного прохождения spun волокна будет
при этом в случае отражательной конфигурации оптической схемы сдвиг (3) удваивается за счет двукратного прохождения света через spun волокно в прямом и обратном направлениях.
eƒƒ
eƒƒ
Изменение ориентации охвата spun волокна проводника с током приводит к изменению знака Фарадеевского фазового сдвига на противоположный. Отсюда следует, что при выполнении чувствительного элемента датчика в виде двух последовательных spun волокон с разными значениями коэффициента относительной магнитооптической чувствительности S или разными значениями эффективной постоянной магнитооптической чувствительности V и одновременно разными ориентациями охвата проводника с током (фиг. 2), фазовый сдвиг, возникающий во второй петле, не полностью скомпенсирует фазовый сдвиг в первой петле. В результате суммарный Фарадеевский фазовый сдвиг после прохождения обеих волокон при разных эффективных постоянных магнитооптической чувствительности V будет
и при разных коэффициентах относительной магнитооптической чувствительности S будет
eƒƒ,1
eƒƒ,2
eƒƒ
eƒƒ
eƒƒ
eƒƒ,2
eƒƒ,1
eƒƒ
1
2
2
1
eƒƒ
eƒƒ
для кольцевой схемы Саньяка и поляриметрической схемы, а для отражательной схемы - удвоенное значение (4) и (5). Здесь V и V - эффективные постоянные магнитооптической чувствительности волокон, определяемые материалами волокна и размером модового пятна, V - их среднее значение, ΔV/ V=(V - V)/V - их относительная разность, S и S - коэффициенты относительной магнитооптической чувствительности, обусловленные эллиптичностью излучения в волокне, S - их среднее значение, а ΔS/S=(S-S)/S - относительная разность данных коэффициентов, определенная в (2). Таким образом, использование описанного выше составного чувствительного элемента в волоконно-оптическом датчике тока приведет к снижению чувствительности в ΔV/V или ΔS/S раз и, следовательно, к такому же увеличению предельного значения измеряемого тока.
Для изготовления предлагаемого чувствительного элемента два отрезка spun волокна 1 и 11 с разными значениями либо постоянной Верде материалов световедущих сердцевин, либо постоянной Верде материалов оболочек, либо размеров световедущих жил, либо соотношений показателей преломления жилы и оболочки, либо встроенного линейного ДЛП, либо длин шага спиральной структуры ДЛП, либо комбинации этих параметров соединяются сварным соединением 12 и располагаются вблизи проводника с током 2, охватывая его в противоположных направлениях (см. Фиг. 2). При этом в случае поляриметрической схемы свободные волоконные концы 3 и 13 spun волокон подключаются к поляризаторам 5 и 6 на выходе соединительной волоконной линии датчика 7 (Фиг 2а), в случае кольцевой схемы Саньяка свободные волоконные концы 3 и 13 spun волокон подключаются к фазовым пластинкам 8 и 9 на выходе соединительной волоконной линии датчика 7 (Фиг. 2б), а в случае отражательной схемы конец 3 spun волокна подключается к фазовой пластинке 8 на выходе соединительной волоконной линии 7 датчика и на конце 13 spun волокна формируется зеркало 10 (Фиг. 2в). Нечувствительность измерения тока к влиянию соседних токовых шин и максимальная точность измерения достигается при замкнутости обеих частей чувствительного элемента, а именно при совмещении волоконных концов 3, 13 и сварного соединения 12.
Для подтверждения предложенного метода был проведен эксперимент, в котором сравнивались показания ВОДТ на основе отражательного интерферометра [6] при измерении эталонного тока стандартным чувствительным элементом и чувствительным элементом, собранным по предложенной конструкции.
Для изготовления чувствительного элемента ВОДТ было отобрано два отрезка spun волокна длиной 10 м, встроенное линейное ДЛП в которых сформировано эллиптической жилой. Длина шага спиральной структуры ДЛП обоих отрезков составляла 3 мм, а длина биений встроенного линейного ДЛП для первого отрезка была 7 мм, для второго - 12 мм. Первая и вторая части чувствительного элемента (два отрезка spun волокна) были соединены друг с другом, начало первой части подсоединялось к четвертьволновой пластинке, которая, в свою очередь, подсоединялась к соединительной волоконной линии ВОДТ, а на конце второй части располагалось зеркало.
Измерение тока производилось с помощью системы соленоидов с количеством витков, равным 5000, подключенной к эталонному источнику тока величиной 8 А. Сначала в соленоиды был помещен чувствительный элемент серийно изготавливаемого ВОДТ с номиналом ±350 кА и диапазоном измеряемых токов от 0.2 до 100% от номинала. Таким образом, эквивалентный ток, пронизывающий волоконный контур прибора с исходным чувствительным элементом, составил 40000 А. В этом случае значение измеренного прибором тока составляло 40015 А. После чего чувствительный элемент дорабатывался описанным способом и повторно проводились измерения того же эквивалентного тока. В этом случае измеренное значение тока составило 854 А. Отсюда следует, что Фарадеевский фазовый сдвиг во второй конфигурации чувствительного элемента меньше в 47 раз. Таким образом, для получения угла фазового сдвига, соответствующего измеренным прибором в исходной конструкции, эквивалентный ток, сформированный соленоидами, должен быть увеличен в 47 раз, что увеличивает номинальное значение измеряемого тока примененного в эксперименте прибора с 350кА до 16,5МА.
При необходимости возможно получение других значений номинального тока путем подбора соотношения параметров используемых spun волокон.
Литература
1. Frosio G, Dancliker R. "Reciprocal reflection interferometer for a fiber-optic Faraday current sensor", Applied Optics, vol. 33, no. 25, 6111-6122 (1994).
2. Blake J.N.«Fiber optic current sensor». Патент США. No. 6,188,811, от 13.02.2001.
3. Боев А.И., Губин В.П., Моршнев С.К., Пржиялковский Я.В., Рябко М. В., Сазонов А.И., Старостин Н.И., Чаморовский Ю.К., «Волоконно-оптический датчик тока», Патент РФ №2437106 от 29.12.09 МПК: G01R 15/24
4. Laming R.I., Payne D.N., J. Lightwave Technology, 7, 2084 (1989).
5. Polynkin P., Blake J., J. of Lightwave Technol, 23, 3815 (2005).
6. Губин В.П., Исаев Β.Α., Моршнев С.К., и др., Квант. Электрон., 36, №3, 287-291 (2006).
7. Аксенов В.А., Волошин В.В., Воробьев И.Л., Иванов Г.Α., Исаев В.Α., Колосовский А.О., Моршнев С.К., Чаморовский Ю.К. (2002). Особенности эффекта Фарадея в кварцевых волоконных световодах. Радиотехника и электроника, 47(8), 1011-1017.
8. Пржиялковский, Я.В., Моршнев, С.К., Старостин, Н.И., Губин, В.П. (2013). Распространение широкополосного оптического излучения в spun-волокне с высоким двулучепреломлением. квантовая электроника, 43(2), 167-173.