Устройство для бесконтактного измерения тока и напряжения

 

Изобретение относится к электроизмерениям . Цель изобретения - повышение точности измерений. Устройство содержит лазерный источник 1 света, расщепитель 2. первичный преобразователь 3, измерительные блоки 6, 7, вторичный преобразователь 16с фотоприемниками 17-24, функциональные преобразователи 25-28, сумматор 29. вычитатель 30. Измерительные блоки содержат поляризационные элементы электромагнитооптические элементы, отражатели. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю G 01 R 19/00, 15/07

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4784089/21 (22) 17.01.90 (46) 07.03.92. Бюл. N 9 (71) Проектно-конструкторское бюро электрогидравлики АН УССР (72) В.Г.Николайченко и И,Д.Гаврилец (53) 621.317.32.027.3(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1064211, кл. G 01 R 13/40, 1983, Авторское свидетельство СССР

N 1173324, кл. 6 01 Я 19/00, 1985.

„„5U„, 1718128 А1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО

ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электроизмерениям. Цель изобретения — повышение точности измерений. Устройство содержит лазерный источник 1 света, расщепитель 2. первичный преобразователь 3, измерительные блоки 6, 7, вторичный преобразователь

16 с фотоприемниками 17-24, функциональные преобразователи 25 — 28, сумматор 29, вычитатель 30. Измерительные блоки содержат поляризационные элементы электро- магнитооптические элементы, отражатели.

1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1718128

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при измерении электрических параметров высоковольтного оборудования в условиях воздействия электромагнитных полей помех.

Известно устройство для бесконтактного измерения тока и напряжения, сОдержащее лазерный источник света, оптически связанный с расщепителем, в каждом из двух противоположно направленных оптических каналов размещены поляризатор и установленные один за другим попарно симметрично вокруг проводника с измеряемым током моделирующие электромагнитооптические элементы, расположенные в электрическом и магнитном поле последнего, отражатели, размещенные между .кристаллами, анализатор и фотоприемник, общие для выходных канальных цепей блок. суммирования и блок вычитания, входы которых подключены к выходам фотоприемников.

Недостатком такого устройства является низкая точность измерений, связанная с использованием пьезоэлектрических кристаллов и отражателей между ними.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для бесконтактного измерения тока и на-. пряжения, содержащее лазерный -источник света, оптически связанный с расщепителем, первичный преобразователь, включающий два измерительных блока, состоящих из поляризатора и установленных один за другим попарно симметрично вокруг проводника с током модулирующих электромагнитооптических элементов, отражателей, размещенных между элементами и анализа- тор, вторичный преобразователЬ, включающий два фотоприемника и общие для измерительных блоков сумматор и вычитатель, причем электромагнитооптические элементы, расположенные оптической осью .вдоль силовых линий электрического поля, выполнены из кристаллов центросимметричных кристаллографических классов, проявляющих эффект электрогидрации, а элементы, расположенные вдоль силовых линий магнитного поля, выполнены из магнитооптического стекла, Недостатком такого устройства является низкая точность измерений, связанная с использованием отражателей, размещенных между элементами и деполяризующих свет., Влияние отражающих элементов на точ-ность описанных устройств обусловлено тем, что если только падающее на отражатели лазерное излучение не находится в р- и

s-линейных состояниях, или угол падения не равен нулю, то эти отражающие элементы, независимо от их типа (диэлектрические, полупроводниковые либо металлические) будет изменять состояние поляризации падающего на них лазерного излучения, Реализация. известных устройств исключает возможность выполнения одного из двух условий, при которых влияние отражателей на точность измерений равно нулю. Применение отражателей для поворота светового луча предполагает, что угол падения больше нуля, С другой стороны, поскольку отражатели находятся между электромагнитооптическими элементами, а в процессе работы угол поворота плоскости поляризации в элементах изменяется, то очевидно, что и второе условие выполнить невозможно.

Изменение поляризации обусловлено в общем случае двумя причинами: либо модули, либо фазовые углы френелевских коэффи20 циентов отражения (rp и rs) должны быть различны. Для металлических зеркал, наиболее широко используемых в качестве отженного светового потока влияют обе причины. Если угол падения лазерного излучения на типичное металлическое зеркало равен = 40О, а угол между плоскостью поляризации и плоскостью падения 45О (ри s-компоненты равны), то только из-за отличия модулей френелевских коэффициенТоВ отражения (I p и г ) точность определения угла между плоскостями поляризации и падения составляет =0,6%. Многократность

35 таких отражений и возникающий фазовый угол между р- и s-компонентами при каждом отражении (-Л =150 ) значительно увеличи40 вает ошибку измерений, что затрудняет практическое использование известного уст.ройства, Цель изобретения — повышение точности измерений напряжения и тока.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для бесконтактного измерения тока и напряжения, содержащее лазерный источник света, оптически связанный с расщепителем, первичный преобразователь, включающий два измерительных блока, каждый из которых содержит модулирующие электромагнитооптические элементы и отражатели, вторичный преобразователь, включающий два фотоприемника, общие для измерительных блоков сумматор и вычитатель, причем электромагнитооптиче-. ские элементы расположенные оптической осью вдоль силовых линий электрического поля проводника с измеряемым током, вы25 ражателей из-за большого коэффициента отражения, на состояние поляризации отра1718128 полнены из кристаллов центросимметрич- ноортогональными поляризациями, причем ных кристаллографических классов, прояв- угол между разделенными компонентами ляющих эффект электрогидрации, а меньше или равен 90О. элементы, расположенные вдоль силовых На фиг. 1 представлена функциональлиний магнитного поля, выполнены из маг- 5 ная схема предлагаемого устройства для нитооптического стекла, дополнительно бесконтактного измерения тока и напряжевведены so вторичный преобразователь — ния; на фиг. 2 — конструкция его первичного шесть фотоприемников и четыре функцио- преобразователя. нальных преобразователя, в каждый иэ сим- устройство содержит лазерный источметрично расположенных относительно 10 ник 1 света; оптически связанный с расщепроводника с контролируемым током иден- пителем 2, первичный преобразователь 3 с тичных измерительных блоков — по три по- входами 4 и 5, включающий два идентичных ляризационных элемента, при этом первый измерительных блока 6 и 7, имеющих, сооти второй оптический выходы расщепителя ветственно, выходы 8 — 11 и 12-15, вторичоптическисвязанысоптическимивыходами 15 ный преобразователь 16 включает первых поляризационных элементов соот- фотоприемники 17-24, функциональные ветственно первого и второго измеритель- преобразователи 25 — 28, сумматор 29 и выных блоков первичного преобразователя, читатель 30. Позицией 31.на схеме обознапервые оптические выходы первых поляри- чен контролируемый токопровод, Выходы зационных элементов оптически последо- 20 расщепителя 2 оптически связаны с входавательно связаны с первыми ми 4 измерительного блока 6 и входами 5 электромагнитооптическими элементами и измерительного блока 7. Выходы 8-11 измевторыми поляризационными элементами, рительного блока 6 и выходы 12-15 блока 7 вторые выходы первых поляризационных оптически связаны с входами вторичного элементов — с вторыми электромагнитооп- 25 преобразователя 16, а именно с входами тическимиэлементами,третьими поляриза- соответственно фотойриемников 17 — 20 и ционными элементами и отражателями, 21 — 24. Выходы фотоприемников17и18;19 оптические выходы второго поляризацион- и 20; 21 и 22; 23 и 24 подключены к входам ного элемента первого измерительного бло- функциональных преобразователей 25-28 ка оптически связаны с входами первого и 30 соответственно. второго фотоприемников, выходы поляри- Выходы функциональных преобразовазационного устройства — с выходами треть- телей 26 и 28 подключены к входам суммаего и четвертого фотоприемников, выходы тора 29, выход которого является первым второго поляризационного элемента второ- выходом вторичного преобразователя ивсе го измерительного блока оптически связа- 35 го устройства в целом. Выходы функционы с входами пятого и шестого нальных преобразователей 25 и 27 фотоприемников,.выходы третьего поляри- подключены к входам вычитателя 30, выход зационного элемента — с входами седьмого которого является вторым выходом вторичи восьмого фотоприемников, выходы перво- ного преобразователя и всего устройства в го и второго фотоприемников связаны с вха- 40 целом, Первичный -преобразователь 3 содами первого функционального стоит из двух идентичных измерительных преобразователя, выходы третьего и чет- блоков 6 и 7, расположенных симметрично вертого — с входами второго функциональ- относительно контролируемого токопровоного преобразователя, выходы пятого и да 31. В состав измерительных блоков 6и 7 шестого — с входамитретьего функциональ- 45 входят поляризационные элементы 32-34, ного преобразователя. выходы седьмого и электромагнитооптические элементы 36 и восьмого — с входами четвертого функцио- 37 и отражатели 38. Первый выход . .нальногопреобразователя,выходыпервого поляризационного элемента 32 оптически и третьего функциональных преобразовате- последовательно связан с электромагнитолей связаны с входами вычитателя, выход 50 оптическим элементом 36 и поляризационкотораго соединен с вторым выходом уст- ным элементом 33, причем ройства, выходы второго и четвертого функ- электромагнитооптический элемент 36 рас.циональных преобразователей связаны с положен вдоль силовых линий магнитного входами сумматора, выход которого соеди- поля. Второй выход поляризационнога эленен с первым выходом устройства, 55 мента 32 оптически последовательно свяКроме того, предлагаемое устройство зан с электромагнитооптическим отличается от известного тем, что в качестве. элементом 37, поляризационным злеменполяризационного элемента в нем исполь- том 34 и отражателем 38, причем электрозуется интерференционный поляризатор с магнитооптический элемент 37 расположен разделением компонент излучения с взаим- вдоль силовых линий электрического поля.1718128

Выходы 8-10 поляризационных элементов

33 и 34 и выход 11 отражателя 38 измерительного блока 6 оп1 ияеоки связаны с входами соответ фотоприемников

17-20. Выходы -Мй поляризационных элементов 33 и 34 и выход 15 отражателя 38 измерительного блока 7 оптически связаны с входами соответственно фотоприемников

21-24.

Отражатели 38 представляют собой обычные металличеокие зеркала с коэффициентом отражения, близким к 1.

Устройство работает следующим образом.

От лазерного источника 1 поток света поступает в расщепитель 2, где расщепляется на два луча, которые направляются на измерительные блоки 6 и 7 первичного преобразователя 3, После поляризационных элементов 32 измерительных блоков 6 и 7 первые линейно-поляризационные лучи

Проходят последовательно электромагнито-оптические элементы 36 и поляризационные элементы 33,. вторые электромагнитооптичеекие элементы 37, поляризационные элементы 34 и отражаются отражателями 38. Под действием продольного электричеокого поля в элементах

37 возникает явление электрогирации, т.е. происходит поворот плоскости поляризации на углы f11 и f12, а под действием продольного магнитного поля в элементах 36 возникает эффект Фарадея, т.е, происходит поворот плоскости поляризации на углы f21

I4 122:

f»=f12=C Е.И:

f21- тгг = В H 12 где f11, f21 —. повороть1 пласкости поляризации в электромагнит@оптических элементах

37 и 36 измерительйого блока 6;

fa, f22 — поворота-плоскости поляризации в электромагнитооптических элементах

37 и 36 измерительного блока 7;

I1, 12- длины элементов 37 и 36;

С вЂ” постоянная аффекта электрогирации;

Š— напряженность электрического поля;

 —. постоянная Верде;

Н вЂ” напряженность магнитного поля, Эффект электрогирации зависит как от направления электрического поля, так и от направления раопра транения света, а эффект Фарадея зависит только от направления магнитного поля, Первыйлинейнополяризованный луч измерительного блока 6 расщепляется поляризационным элементов 38 на лучи, которые преобразуются фотоприемниками 17 и 18 в напряжения:

U211 (1 + з(п 2f21);

0212 (1 - s.ln 2т21).

Функциональный преобразователь 25 преобразует 0211 и U212 в напряжение

021 = агсз1П U + 0 = 2f21.

02» 0212

U2» + 0212

Аналогично преобразуются: первый луч

10 измерительного блока 7

022 = 2f22 = -2f21, второй луч измерительного блока 6

О» =2f11, второй луч измерительного блока 7

15 01г = 2f12 = 2f»

Напряжение на выходе сумматора 29 определяется как

U1= U»+ 012 =4Т11=41 Е, а на выходе вычитателя 30 как

20 U2 = 021 022 = 4f21 = k2 Н где k1, k2 — коэффициенты пропорциональности.

Таким образом, напряжение на выходе сумматора 29, который является первым вы25 ходом устройства, прямо пропорционален напряженности электрического поля, а напряжение на выходе вычитателя 30; который является вторым выходом устройства, прямо пропорционально напряженности маг3р нитнОго пОля.

При воздействии на первичный преобразователь 3 электромагнитного поля помехи с напряженностью магнитного поля Нп и . ЭЛЕКтрИЧЕСКОГО ПОЛЯ Еп дЛя ПратИВОПОЛОж35 но расположенных относительно токопровода 31 электромагнитооптических элементов можно записать:

f11 = С l> (Е + Еп) = f11+ ffIE:

f12 = С 11(E - Еп) = 111- тПЕ;

40 f21 = В !2 (Н + Нп) = f21+ тПМ, I

f22 = В !2 (Н+ Нп) = f21+ fflM

Тогда для сигнала на выходе сумматора

29 справедливо

U1 = 2(f11+ f fly) + 2(f11 - fflE) = 4f » = U1

45 а на выходе вычитателя 30

02 =2(f21+ fflM) 2(f21+ fllM) 4f21= 02 °

Таким образом, имеет место полная компенсация электромагнитного поля помех, т.е, его как магнитной, так и электриче50 ской составляющих.

Экспериментальная проверка лабораторного макета предлагаемого устройства подтвердила его работоспособность, повышение точности проводимых измерений.

В качестве источника 1 в лабораторном макете используется полулроводниковый лазер ИЛПН-108, излучающий на длине волны А = 830 нм. Злектромагнитооптические элементы 3? представляли собой электрогивационные монокристаллы PbMa04 длиной

1718128

1- 40 мм, а электромагнитооптические эле-. менты 36 выполнены из магнитооптических стекол (1 = 30 мм).

Кристаллы помещают в соленоиды, через которые пропускают ток с частотой 50

Гц. Напряженность магнитного поля в центрах соленоида измеряют с помощью датчика Холла и максимальное.его значение составляет 65 Э.

К элементам 37 прикладывается сииусоидальное напряжение амплитудой 240-260

В, частотой от 20 Гц до 20 кГц от генераторов ГЗ-109. Напряжение на выходах вторичного преобразователя анализируется с помощью узкополосных .анализаторов. Наличие электромагнитной помехи имитируется путем создания различных значений электрического и магнитного полей в измерительных блоках 6 и 7.При испытании лабораторного макета предлагаемого устройства точность прове: денных измерений составляет =0,5, при-, чем ее величина . определяется собственными шумами фотоприемников..

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства состоит в расширении области t:ro применения за счет повышения точности проводимых измерений.

Повышение точности измерений достигается за счет устранения влияния отражающих. элементов.

Формула изобретения

1. Устройство для бесконтактного измерения тока и напряжения, содержащее лазерный источник света, оптически: связанный с расщепителем, первичный преобразователь, содержащий два измерительных блока, каждый из которых содержит два модулирующих злектромагнитооптических элемента и отражатель, вторичный преобразователь, содержащий два фотоприемника, общие для измерительных блоков сумматор и вычитатель, причем злектромагнитооптические элементы; расположенные оптической осью. вдоль силовых линий электрического поля проводника с измеряемым током, выполнены из кристаллов центросимметричных кристаллографических классов, проявляющих эффект электрогира-. ции, а элементы, расположенные вдоль силовых линий магнитного поля, выполнены из магнитооптического стекла, о т л и.ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точ ности измерения, во вторичный преобразователь дополнительно введено шесть фотоприемников, четыре функциональных преобразователя, а в каждый из идентичных измерительных блоков, расположенных симметрично относительно процодника с контролируемым током, введейо по три поляризационных элемента, при этом первый и второй оптические выходы расщепителя оптически связаны с оптическими выходами первых поляризацианных элементов соот-.. ветственно первого и второго измеритель-, ных. блоков первичного преобразователя, первые оптические выходы первых поляризационных элементов оптически последовательно связаны с . первыми электромагнитооптическими элементами и вторыми поляризационными элементами, вторые выходы первых поляризационных элементов — c вторыми электромагнитооптическими элементами, третьими поляризационными элементами и отражателями, оптические выходы второго поляризационного элемента первого измерительного бло-. ка оптически связаны с входами первого и второго фотоприемников, выходы третьего поляризационного элемента — с входами третьего и четвертого фотоприемиикав, выходи. второго поляризационного элемента второго измерительного блока оптически свя.за ны с входами пятого и шестого фотоприемников, выходы третьего поляризационного элемента — с входами. седьмого и восьмого фотоприемников, выходы первого и второго фотоприемников связаны с входами первого функционального преобразователя, выходы третьего и четвертого — с входами второго функционального преобразователя, выходы пятого и шестого — с входами третьего функционального преобразователя, выходы седьмого и восьмого — с входами четвертого функционального преобразователя, выходы второго и четвертого функциональных преобразователей связаны с входами сумматора, выход которого соединен с первым выходом устройства, выходы первого и третьего.функциональных преобразователей связаны с входами вычитателя, выход которого соединен с вторым выходом устройства, 2.устройство по и: 1, о та ича ющеес я тем, что поляризационный элемент выполнен в виде поляризатора с полным разделением компонент излучения с взаимно ортогональными поляризациями, причем угол между разделенными компонентамименьше или равен 90О., 1718128

Составитель:В. Николайченко

Техред М.Моргентал Корректор О. Кундрик

Редактор H. Яцола

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 878 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5