Устройство для бесконтактного измерения электрических токов

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ, содержащее расположенный вокруг токопровода с измеряемым током кольцевой газовый лазер с :квазиизотропнь1м резонс1тором, в которьш помещена отражающая пластина с единичным коэффициентом отражения и 1нормалью,|.. совмещенной с направлением распространения света в резонаторе, анализатор , установленный на выходе лазера, фотоприемник, вход которого оптически подключен к выходу анализатора, a выход электрически соединен с входом блока регистрации, отличающ е е с я тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерения, оно снабжено генератором сигналов на частоте межмодовых биений , a в резонатор лазера дополнительно введены модулятор лазерного излучения и две нетвертьволновые пластины с взаимно -перпендикулярным расположением осей, причем модулятор удален от отражающей пластины на расстояние, равное половине длины резонатора, и размещен между (Л четвертьволновыми пластинами, оси которых составляют с направлениями максимальной глубины модуляции угол равный 45, a управляющий вход модуп лятора подключен к выходу упомянутого генератора сигналов.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (1gl (11) З(511 (1 01 R 15/07

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ /

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbffHA

К ASTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3627373/24-21 (22) 15,07.83 (46) 30,10.84.Бюл.Ф 40 (72) M.M.Ïèïàòîâ, И.О.Никончук, ;Д.Д.Пилипко, и С.С.Скорик (71) Киевский ордена Ленина государственный университет им.Т.Г.Шевченко (53) 621.317.7 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

1Р 996942э кл. G 01 R 15/07, 1983 °

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 981896, кл. G 01 К 15/07, 1982. (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ, содержащее расположенный вокруг токопровода с измеряемым током кольцевой газовый лазер с;квазииэотропным резонатором, в который помещена отражающая пластина с единичным коэффициентом отражения и )нормалью, совмещенной с направлением распространения света в резонаторе, аналиэатор, установленный на выходе лазера, фотоприемник, вход которого оптически подключен к выходу анализатора, а выход электрически соединен с входом блока регистрации, о т л и ч а ющ е е с я .тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерения, оно снабжено генератором сигналов на частоте межмодовых биений, а в резонатор лазера дополнительно введены модулятор лазерного излучения и две четвертьволновые пластины с взаимно перпендикулярным расположением осей, причем модулятор удален от отражающей пластины на расстояние, равное половине длины резонатора, и размещен между четвертьволновыми пластинами, оси которых составляют с направлениями С максимальной глубины модуляции угол равный 45, а управляющий вход моду Я лятора подключен к выходу упомянутого генератора сигналов.

1121625

Изобретение относится к электро- 1 измерительной технике и предназначе-.. но для использования в системах электроснабжения с токами повышенной величины 5

Известно устройство для бесконтактного измерения электрических токов, содержащее расположенный вокруг токопровода с измеряемым током кольцевой газовый лазер с кваэиизотропным резонатором, в который ломе* щен модулятор лазерного излучения, генератор сигналов на частоте межмодовых биений, выход которого соединен с управляющим входом модулято- 15 ра, анализатор, установленный на выходе лазера, фотолриемник, вход которого оптически подключен к выходу анализатора, а. выход электрически соединен с входом блока регистрации. 20

Принцип действия. этого устройства основан на расщеплении частоты гене.рации!. кольцевого лазера под действием магнитного поля измеряемого то- ка. Частота биений ортогонально поля- 25 ризованных волн оказывается пропорциональной величине измеряемого тока. При помощи модулятора осуществляется синхронизация продольных мод лазера, обеспечивающая расширенный 50 диапазон измерения flj

Недостаток известного устройства заключается в значительной зоне захвата частот ортогонально поляризованных :волн при малых значениях из- З5 меряемого тока (в случае измерения частоты биений однонаправленных волн кольцевого лазера).

Подобный захват не позволяет измерять переменные и импульсные токи с точностью выше 5 ° 10 . Кроме того, -3 устройство имеет частотную невзаимность между встречными волнами (в случае измерения частоты биений встречных волн кольцевого лазера}, 45 величина которой определяется геометрией резонатора и меняется независимо от измеряемого тока. В результате возникает существенная погрешность измерения. 50

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для бесконтактного измерения электрических токов, содержащее расположенный вокруг токопровода с из- 55 меряемым током кольцевой газовый лазер с квазиизотропным резонатором, в который помещена отражающая плас-,1 тина с единичным, в частном случае, коэффициентом отражения и .нормалью„ совмещенной с направлением распространения света в резонаторе, анализатор, установленный на выходе лазера, фотоприемник, вход которого оптически подключен к выходу анализатора, а выход электрически соединен с входом блока регистрации. Принцип измерения, реализуемый указанным устройством, также основан на эффекте расщепления частоты генерации в кольцевом лазере, расположенном в продольном магнитном поле измеряемого тока.

Недостаток известного устройства заключается в большой зоне захвата частот ортогонально поляризованных волн за счет их взаимодействия в активной среде (например, в лазере, работающем на длине волны 3,39 мкм,зона захвата составляет около 1,5 кА при верхнем пределе измерения бкА).

Это не позволяет измерять переменные и импульсные токи с достаточной точностью. Кроме тога, устройство рабо тает в одномодовом режиме, что <обусловливает наличие зависимости частоты биений от длины резонатора, ограничивает верхний предел диапазона измерения током б-!О кА из-за расщепления компонент линии усиления более чем на ширину самой линии.

Цель изобретения — повышение точности подобного измерительного устройства и расширение его диапазона измерения.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для бесконтактного измерения электрических токов, содержащее расположенный вокруг токопровода с измеряемым током кольцевой газовый лазер с квазиизотропным резонатором, в который помещена отражающая пластина с единичным коэффициентом отражения и нормалью, совмещенной с направлением распространения света в резонаторе, анализатор, ус тановленный на выходе лазера, фотоприемник, вход которого оптически подключен к выходу анализатора, а выход электрически соединен с входом блока регистрации, снабжено генератором сигналов на частоте межмодовых биений, а в резонатор лазера дополнительно введены модуляторг лазерного излучения и две четвертьволновые пластины с взаимно перпендикулярным расположением осей, причем моду1121625 лятор удален от отражающей пластины на расстояние, равное половине длины резонатора, и размещен между четверть волновыми пластинами, оси которыхсоставляют с направлениями максималь- 5 ной глубины модуляции угол равный

45, а управляющий вход модулятора подключен к выходу упомянутого гене ратора сигналов.

На чертеже представлена оптичес- 10 кая схема предложенного устройства для бесконтактного измерения электрических токов.

Токопровод 1 с измеряемым током окружен кольцевым газовым лазером, 15 квазиизотропный резонатор которого состоит из восьми зеркал 2-9.. В плечи резонатора помещены активные усиливающие элементы 10-13 и отражающая пластина 14 с единичным коэффициен- 20 том отражения, нормаль которой совмещена с оптической осью резонатора.

Кроме того, в резонатор введен модулятор 15, имеющий различную глубину модуляции для ортогональных линейно поляризованных волн. Модулятор 15 помещен между четвертьволновыми пластинами 16 и 17, расположенными в непосредственной близости от него.Расстояние от модулятора 15 до отражающей пластины 14 соответствует половине длины резонатора. Оси четвертьволновых пластин 16 и 17 составляют с направлениями максимальной глубины модуляции угол равный 45 . Управ- 35 ляющий вход модулятора 15 подключен к выходу генератора 18 сигналов на частоте межмодовых биений. На выходе лазера устаноьлен анализатор 19, оптически связанный с фотоприемником 40

20, выход которого электрически соединен с входом блока регистрации

: 21 (частотомером, электронновычислительной машиной и т.п.).

Работа устройства происходит следующим образом.

Длина резонатора выбирается такой, чтобы в линию усиления активной среды попадало несколько продольных мод. В лазере возбуждаются волны цир-50 кулярных поляризаций за счет фарадеевского вращения плоскости поляризации излучения в активной среде, помещенной в продольное магнитное поле измеряемого тока. При подаче напряжения на частоте межмодовых биений от генератора 18 на модулятор

l5 в лазере осуществляется режим сикх ронизации продольных мод.Это означает, что внутри резонатора лазера распространяются два импульса, поляризации которых ортогональны.Несущие частоты импульсов различаются на частоту биений ортогонально поляризованных волн, которая пропорциональна измеряемому току в токопроводе

Особенность работы предложенного устройства состоит в том, как импульсы проходят через модулятор 15.Последний имеет различную глубину модуляции для излучения с ортогональныйи линейными поляризациями. В этом случае оба импульса должны проходить через модулятор 15 в момент наименьших потерь. Поскольку модулятор 15 имеет разную глубину модуляции для ортогонально линейно поляризованных волн, то импульсы должны проходить через модулятор в момент наименьших потерь для составляющей модуляции с наибольшей глубиной. Ортогонально циркулярно поляризованные импульсы, проходя через четвертьволновую пластину 16, становятся ортогонально линейно поляризованными. При этом, если один из импульсов (например, с правой круговой поляризацией) поступает н модулятор !5 и для этого импульса выполняется условие минимума потерь для составляющей модуляции с наибольшей глубиной, то для ортогонально поляризованного импульса это условие не выполняется. Условие выполняется только в том случае, если импульсы поступают на модулятор 15 с противо положных сторон (т.е. один из импуЛЬ сов поступает от пластины 16,дру гой — от пластины 17). При этом по» ляризации импульсов (которые во всем резонаторе, кроме области между плйс" тинами 16 и 1?, являются ортогоналмными циркулярными) совпадают друг с другом и импульсы проходят одновре менно через модулятор 15 в момент наименьших потерь для составляющей

1модуляции с наибольшей глубиной.

Импульсы могут второй pas за ,время обхода резонатора взаимодейст» вовать с модулятором. В этом случае между, пластинами 16 и 17 поляризаций импульсов также одинаковы. Азимут о поляризации развернут на 90 относительно направления максимальной глу+: бины, поэтому воздействие на импульсЫ мало и не определяет их в пространственное положение. Расчеты показываII2 !625 ют, что при отношении ортогонапьно линейно поляризованных глубин моду-, ляций равном или более 2 влиянием этого второго взаимодействия импульсов и модулятора !5 на положение импульсов можно пренебречь.

Таким образом, в предложенном устройстве в результате использования анизотропных по поляризации свойств модуляции и четвертьволновых пластин, возможно осуществление взаимодействия импульсов и модулятора 15 преимущественно один раэ за время обхода резонатора. Прн этом ортогонально поляризованные импульсы (час" тата биений мелду которыми пропорциональна измеряемому току) распростра. няются навстречу друг, другу в. облас. ти расположения модулятора 15. Импульсы оказываются пространственно разделенными, если поместить систему пластика 16 — модулятор 15 — пластина 17 вдали от пластины 14, например ка половине длины резонатора, как показано иа схеме.

Рассмотрим, к чему приводит прост. ранственное разделение импульсов.При уменьшении значения измеряемого тока уменьшается и частота биений между ,ортогонально поляризованными импульсами. В результате при достижении определенной величины частоты Виений происходит захват частот: несущие частоты импульсов становятся одинаковыми. Захват возникает; из-эа взаимодействия волн через общие уровни активной газовой среды. Взаимо действие и, следовательно, величина захвата уменьшаются при пространственном разделении волн. В этом случае ортогонально поляризованные импульсы проходят через активную среду в разные моменты времени. Разность населенностей релаксирует к стационарному значению за интервал времени между появлениями импульсов в активной среде. B связи с этим взаимовлияние и взаимодействие ортогонально поляризованных импульсов устраняется.

Таким образом, выбор коэффициента отражения пластины 14 равным единице полностью исключает влияние невэаим ности . в кольцевом лазере на частоту биений. Помещение в резонатор модулятора !5 приводит к синхронизации продольных одинаково поляризованных мод, что дает расширение диапазона измерения и устранение зависимости частоты биений от длины резонатора.

:Помещение скрещенных четвертьволновых пластин 16 и 17 по обе стороны модулятора 15 приводит к качественно новому режиму работы устройства. Ортогонально поляризованные импульсы разделяются в пространстве, что уменьшает величину захвата частот.

В предложенном устройстве удачно сочетаются свойства кольцевого лазера (малая зона захвата, линейность выходной характеристики) и линейного лазера (отсутствие невзаимности между встречными волнами, отсутствие конкуренции) в результате применения

З0 режима синхронизации мод, осуществляющегося при помощи оригинальной системы, состоящей из модулятора 15 и четвертьволновых пластин 16 и I7.Èñпользование такои системы позволяет

g$ увеличить значение максимального и уменьшить значение NHHHMBJIbHoI О иэ меряемого тока за счет уменьшения зоны захвата при пространственном разделении волн. Устройство позволя40 ет измерять как постоянные, так и переменные (импульсные) тока с одинаковой точностью, которая (в относительных единицах)составляет 10—

10 .Диапазон измерения данного уст-

45 .ройства располагается от сотен ампер до 200 кА.!

121б25

Составитель Л.Иорозов

Техред C.Ëåãåçà

Корректор Е.СИРохман

Редактор К.Волощук

Подписное

Заказ 7975/35 Тираж 710

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4