Устройство измерения электрического тока
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам тока. Устройство измерения электрического тока содержит схему обработки сигналов, которая включает в себя оптоволокно для датчика, блок разделения поляризации, Фарадеевское вращающее устройство, источник света и фотоэлектрический преобразующий элемент. При этом оптоволокно для датчика предусмотрено по периферии электрического проводника, через который протекает измеряемый электрический ток, и имеет один конец, на который падает линейно поляризованный свет, и другой конец, от которого падающий линейно поляризованный свет отражается. Блок разделения поляризации предусмотрен на одном конце оптоволокна для датчика, Фарадеевское вращающее устройство расположено между одним концом оптоволокна для датчика и блоком разделения поляризации. Фарадеевский угол вращения Фарадеевского вращающего устройства при магнитном насыщении установлен как 22,5°+° при температуре 23°С так, что диапазон колебаний относительной ошибки значения измеряемого электрического тока, выводимого от схемы обработки сигналов, установлен в пределах ±0,5%, причем температурный диапазон, в котором диапазон колебаний установлен в пределах ±0,5%, составляет 100°С. Технический результат - повышение точности измерений. 8 з.п. ф-лы, 23 ил., 5 табл.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству измерения электрического тока, использующему эффект Фарадея и, в частности, к отражательному устройству измерения электрического тока, в котором свет падает на один конец оптоволокна для датчика и отражается от другого его конца.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно устройство измерения электрического тока, в котором используется эффект Фарадея в оптоволокне, и который имеет различные преимущества, например, малые размеры, механическую гибкость, устойчивость к электромагнитным помехам, возможность передачи сигнала на большие расстояния, высокую электрическую прочность, и т.п. В качестве примера устройства измерения электрического тока в патентном документе WO 2006/022178 (страницы 4-7, Фиг.18) раскрывает отражательное устройство измерения электрического тока, которое использует эффект Фарадея, то есть использует вращение плоскости поляризации света под действием магнитного поля.
На Фиг.21 показано устройство 100 измерения электрического тока, приведенное на Фиг.18 патентного документа 1, WO 2006/022178 (ссылочные номера чертежей патентного документа 1 изменены в настоящем описании). Устройство 100 измерения электрического тока представляет собой отражательное устройство 100 измерения электрического тока, которое использует волокно из свинцового стекла в качестве оптоволокна 101 для датчика, и на втором конце оптоволокна 101 для датчика располагается зеркало 102. Оптоволокно 101 для датчика предусмотрено по периферии электрического проводника 103, через который протекает измеряемый электрический ток, для детектирования измеряемого электрического тока. По существу, когда линейно поляризованный свет, падающий на один конец оптоволокна 101 для датчика, возвращается зеркалом 102, то детектируется Фарадеевский угол поворота линейно поляризованного света, вращаемого магнитным полем измеряемого электрического тока.
Ссылочный номер 104 отображает источник света, ссылочный номер 105 отображает циркулятор, ссылочный номер 106 отображает блок разделения поляризации, например кальцит, ссылочный номер 107 отображает Фарадеевское вращающее устройство, имеющее постоянный магнит 107a и ферромагнитный кристалл 107b, например YIG, ссылочные номера 108a и 108b отображают фотодиоды (PD), ссылочные номера 109a и 109b отображают усилители (A), ссылочные номера 110a и 110b отображают полосовые фильтры (BPF), ссылочные номера, 111a и 111b отображают фильтры нижних частот (LPF), ссылочные номера 112a и 112b отображают делители для получения отношения переменной составляющей тока и постоянной составляющей тока электрического сигнала, ссылочный номер 113 отображает инвертор полярности, и ссылочный номер 114 отображает умножитель. Ссылочный номер 115 отображает оптическую систему, и ссылочный номер 116 отображает схему обработки сигналов.
Линейно поляризованный свет, который испускается от источника 104 света, разделяется блоком 106 разделения поляризации на обыкновенный луч и необыкновенный луч, причем линейно поляризованный свет, соответствующий обыкновенному лучу, проходит через ферромагнитный кристалл 107b и затем падает на оптоволокно 101 для датчика. Свет отражается зеркалом 102, снова проходит через оптоволокно 101 для датчика и ферромагнитный кристалл 107b и падает на блок 106 разделения поляризации.
Плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается, когда линейно поляризованный свет проходит через ферромагнитный кристалл 107b и оптоволокно 101 для датчика. Таким образом, линейно поляризованный свет разделяется на поляризованные компоненты света в двух ортогональных направлениях блоком 106 разделения поляризации. Разделенные поляризованные компоненты света соответственно направляются на светоприемные элементы 108a и 108b, служащие в качестве фотодиодов, посредством циркулятора 105 и блока 106 разделения поляризации на Фиг.21.
Ток, или напряжение, пропорциональные интенсивности принятого света, выводятся от каждого из фотодиодов 108a и 108b в виде электрического сигнала. Электрические сигналы проходят через усилители 109a и 109b и затем разделяются на переменную составляющую тока и постоянную составляющую тока посредством BPF 110a и 110b и LPF 111a и 111b. Отношения переменной составляющей тока и постоянной составляющей тока получается посредством разделителей 112a и 112b. Относительно выходного сигнала от разделителя 112a, его полярность инвертируется инвертором 113 полярности. Среднее значение сигналов Sa и Sb, выводимое из инвертора 113 полярности и разделителя 112b, получается посредством умножителя 114, и среднее значение выводится как значение Sout измерения измеренного электрического тока устройства 100 измерения электрического тока.
В качестве Фарадеевского вращающего устройства 107, предоставляемого для оптоволокна 101 для датчика, используется Фарадеевское вращающее устройство, имеющее Фарадеевский угол поворота 22,5° при условии магнитного насыщения (см.например, Патентный документ 2, WO 2003/075018, страница 8, Фиг.1).
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Однако Фарадеевский угол поворота Фарадеевского вращающего устройства 107, используемый в устройстве измерения электрического тока, имеет характеристику (температурная характеристика), зависящую от окружающей температуры. Соответственно, в Фарадеевском вращающем устройстве 107 данной области техники, чтобы снизить влияние температурной характеристики Фарадеевского вращающего устройства 107, как показано на Фиг.21, схема 116 обработки сигналов и фотоэлектрический преобразующий элемент (фотодиоды 108a и 108b) спариваются, и получается среднее значение двух модулированных сигналов Sa и Sb и тем самым уменьшается влияние на выходной сигнал Sout температурной зависимости Фарадеевской вращательной способности ферромагнитного Фарадеевского вращающего устройства 107.
Оптоволокно 101 для датчика также имеет температурную характеристику относительной ошибки, следующей из температурной зависимости постоянной Верде и Фарадеевского угла вращения. Таким образом, необходимо выполнить не только компенсацию в Фарадеевском вращающем устройстве 107, но также и компенсацию (ослабление) температурной характеристики оптоволокна 101 для датчика. Хотя компенсация в Фарадеевском вращающем устройстве 107 и оптоволокне 101 для датчика выполняется схемой 116 обработки сигналов, эта компенсация недостаточно совершенна. В отношении усовершенствования надежности устройства 100 измерения электрического тока, имеется необходимость в компенсации в оптической системе 115.
На Фиг.22a показано соотношение между частотой ошибок модулированных сигналов Sa и Sb и температурой на Фиг.21. На Фиг.22b показана температурная характеристика оптоволокна 101 для датчика. То есть, как показано на Фиг.22a, даже когда выполняется процесс усреднения модулированных сигналов Sa и Sb, остается проблема, показанная на Фиг.22b, то есть проблема в том, что когда оптоволокно 101 для датчика представляет собой волокно из свинцового стекла, трудно полностью компенсировать температурную характеристику выходного сигнала датчика вследствие температурной зависимости постоянной Верде оптоволокна 101 для датчика.
Таким образом, имеется потребность в устройстве 100 измерения электрического тока, который полностью компенсирует температурные характеристики и Фарадеевского вращающего устройства 107, и оптоволокна для датчика 101. В частности, с точки зрения применения в релейной защите, необходимо, чтобы диапазон колебаний относительной ошибки в значении Sout измеряемого электрического тока 103, выводимого от схемы 116 обработки сигналов, удерживался в пределах ±0.5%.
Устройство измерения электрического тока по изобретению было выполнено в связи с вышеописанной проблемой.
Задача изобретения заключается в предоставлении устройства измерения электрического тока, которое может выполнить компенсацию температурной характеристики относительной ошибки оптоволокна для датчика и Фарадеевского вращающего устройства посредством оптической системы устройства измерения электрического тока.
Задача изобретения заключается в том, чтобы установить диапазон колебаний относительной ошибки на выходе устройства измерения электрического тока в пределах ±0,5%.
Устройство измерения электрического тока в соответствии с п.1 формулы изобретения включает в себя схему обработки сигналов, которая включает в себя, по меньшей мере, оптоволокно для датчика, блок разделения поляризации, Фарадеевское вращающее устройство, источник света и фотоэлектрический преобразующий элемент. Оптоволокно для датчика предусмотрено по периферии электрического проводника, через который протекает измеряемый электрический ток, и имеет один конец, на который линейно поляризованный свет падает, и другой конец, на котором падающий линейно поляризованный свет отражается, блок разделения поляризации предусмотрен на одном конце оптоволокна для датчика, Фарадеевское вращающее устройство располагается между одним концом оптоволокна для датчика и блоком разделения поляризации, и Фарадеевский угол поворота Фарадеевского вращающего устройства при магнитном насыщении устанавливается как 22,5°+α° при температуре 23°C так, что диапазон колебаний относительной ошибки значения измеряемого электрического тока, выводимого от схемы обработки сигналов, устанавливается в пределах ±0,5%.
В соответствии с п.2 формулы изобретения, в устройстве измерения электрического тока п.1 формулы температурный диапазон, в котором диапазон колебаний устанавливается в пределах ±0,5%, составляет 100°С.
В соответствии с п.3 формулы изобретения, в устройстве измерения электрического тока п.2 формулы изобретения, температурный диапазон в 100°С относится к диапазону между -20°C или выше, и 80°C или ниже.
В соответствии с п.4 формулы изобретения, в устройстве измерения электрического тока по любому из пп. 1-3 формулы изобретения Фарадеевское вращающее устройство имеет такую температурную характеристику Фарадеевского угла вращения, что Фарадеевский угол вращения при магнитном насыщении изменяется по квадратичной зависимости в соответствии с изменением температуры.
В соответствии с п.5 формулы изобретения, в устройстве измерения электрического тока по любому из пп. 1-4 формулы изобретения, Фарадеевское вращающее устройство имеет два или несколько Фарадеевских элементов.
В соответствии с п.6 формулы изобретения, в устройстве измерения электрического тока по п.5 формулы изобретения Фарадеевские углы поворота двух или нескольких Фарадеевских элементов отличаются друг от друга.
В соответствии с п.7 изобретения, в устройстве измерения электрического тока по любому из пп. 4-6 формулы диапазон колебаний относительной ошибки значения измеряемого электрического тока, выводимого от схемы обработки сигналов, устанавливается в пределах ±0,2%.
В соответствии с п.8 формулы изобретения, в устройстве измерения электрического тока по п.7 формулы изобретения температурный диапазон, в котором диапазон колебаний устанавливается в пределах ±0,2%, составляет 100°С.
В соответствии с п.9 формулы изобретения в устройстве измерения электрического тока по п.8 формулы изобретения температурный диапазон в 100°С представляет собой диапазон между -20°C или выше, и 80°C или ниже.
В соответствии с п.10 формулы изобретения, в устройстве измерения электрического тока по любому из пп.1-9 формулы изобретения оптоволокно для датчика представляет собой волокно из свинцового стекла.
В устройстве измерения электрического тока в соответствии с п.1 формулы изобретения, угол вращения Фарадеевского вращающего устройства при температуре 23°C изменяется на α° от 22,5°, чтобы уменьшить диапазон колебаний относительной ошибки Фарадеевского вращающего устройства так, чтобы диапазон колебаний относительной ошибки значения измеряемого выходного сигнала электрического тока, выводимого от схемы обработки сигналов, удерживался в пределах ±0,5%. Поэтому становится возможным выполнить компенсацию температурной характеристики относительной ошибки измеряемого значения оптической системой, называемой Фарадеевским вращающим устройством, тем самым повышая надежность устройства измерения электрического тока и уменьшая диапазон колебаний относительной ошибки до пределов ±0,5%. В результате, оказывается возможным реализовать устройство измерения электрического тока, которое может быть применено для релейной защиты.
В устройстве измерения электрического тока в соответствии с любым из пп.2 и 3 формулы изобретения, или пп.8 и 9 формулы изобретения, диапазон колебаний относительной ошибки ±0,5% или ±0,2% реализуется в температурном диапазоне 100°С (диапазон между -20°C или выше, и 80°C или ниже), делая возможным получение устройства измерения электрического тока, которое практически покрывает обычный температурный диапазон между -10°C или выше, и 40°C или ниже.
В устройстве измерения электрического тока в соответствии с пп.4-7 формулы изобретения, предоставляется Фарадеевское вращающее устройство, имеющее температурную характеристику Фарадеевского угла вращения, в которой Фарадеевский угол поворота при магнитном насыщении изменяется по квадратичной зависимости с ростом температуры, тем самым позволяя установить диапазон колебаний относительной ошибки измеряемого значения электрического тока, выводимого от схемы обработки сигналов, в пределах ±0,5% или ±0,2%. Поэтому в дополнение к требуемым пределам ±0,5% становится возможным использовать устройство измерения электрического тока с требованием получения температурной характеристики с относительной ошибкой в пределах ±0,2% (например, счетчик электрической энергии для измерения расхода электроэнергии).
В устройстве измерения электрического тока в соответствии с п.5 формулы изобретения, оказывается возможным получение Фарадеевского вращающего устройства, имеющего желаемый угол поворота. В устройстве измерения электрического тока в соответствии с п.6 формулы изобретения, становится возможным сделать конфигурацию такой, что Фарадеевские углы поворота Фарадеевских элементов отличаются друг от друга, и тем самым довести температурную характеристику каждого Фарадеевского элемента до желаемой характеристики.
В устройстве измерения электрического тока в соответствии с п.10 формулы изобретения, поскольку в качестве оптоволокна для датчика используется волокно из свинцового стекла, когда уменьшается диапазон колебаний относительной ошибки устройства измерения электрического тока, после того, как добавляется температурная характеристика относительной ошибки волокна из свинцового стекла, угол поворота α° Фарадеевского вращающего устройства регулируется. В этой конфигурации устройства измерения электрического тока, даже когда в качестве оптоволокна для датчика используется волокно из свинцового стекла, становится возможным снизить диапазон колебаний относительной ошибки измеряемого значения электрического тока, выводимого от схемы обработки сигналов, до пределов ±0,5% (или ±0,2%).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов воплощения со ссылками на чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схему конфигурации, демонстрирующую наилучший вариант устройства измерения электрического тока в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.2 изображает диаграмму температурной характеристики относительной ошибки в температурном диапазоне -20°C или выше, и 80°C или ниже, в устройстве измерения электрического тока, который включает в себя Фарадеевское вращающее устройство, имеющее Фарадеевский угол поворота 45° при температуре 23°C, когда линейно поляризованный свет пропускается туда и обратно;
Фиг.3 изображает диаграмму температурной зависимости Фарадеевского угла вращения, когда Фарадеевский угол поворота при температуре 23°C изменяется на α° от 22,5° и свет пропускается туда и обратно;
Фиг.4 изображает диаграмму температурной характеристики относительной ошибки в температурном диапазоне -20°C или выше, и 80°C или ниже, в устройстве измерения электрического тока, который включает в себя Фарадеевское вращающее устройство, в котором Фарадеевский угол поворота изменяется на α° от 22,5°, и кривая температурной характеристики относительной ошибки сдвинута в высокотемпературную сторону;
Фиг.5a изображает схему, показывающую состояние поляризации света от источника света до достижения отражательной пленки в устройстве измерения электрического тока на Фиг.1;
Фиг.5b изображает схему, показывающую состояние поляризации света от источника света до достижения отражательной пленки в устройстве измерения электрического тока на Фиг.1;
Фиг.5c изображает схему, показывающую состояние поляризации света от источника света до достижения отражательной пленки в устройстве измерения электрического тока на Фиг.1;
Фиг.5d изображает схему, показывающую состояние поляризации света от источника света до достижения отражательной пленки в устройстве измерения электрического тока на Фиг.1;
Фиг.6a изображает схему, показывающую состояние поляризации света до его отражения отражательной пленкой и достижения первого и второго фотоэлектрических преобразовательных элементов в устройстве измерения электрического тока на Фиг.1;
Фиг.6b изображает схему, показывающую состояние поляризации света до его отражения отражательной пленкой и достижения первого и второго фотоэлектрических преобразовательных элементов в устройстве измерения электрического тока на Фиг.1;
Фиг.6c изображает схему, показывающую состояние поляризации света до его отражения отражательной пленкой и достижения первого и второго фотоэлектрических преобразовательных элементов в устройстве измерения электрического тока на Фиг.1;
Фиг.6d изображает схему, показывающую состояние поляризации света до его отражения отражательной пленкой и достижения первого и второго фотоэлектрических преобразовательных элементов в устройстве измерения электрического тока на Фиг.1;
Фиг.6e изображает схему, показывающую состояние поляризации света до его отражения отражательной пленкой и достижения первого и второго фотоэлектрических преобразовательных элементов в устройстве измерения электрического тока на Фиг.1;
Фиг.7 изображает диаграмму примера температурной характеристики относительной ошибки значения измеряемого электрического тока, выводимого от схемы обработки сигналов в устройстве измерения электрического тока на Фиг.1;
Фиг.8 изображает диаграмму, показывающую температурную характеристику относительной ошибки волокна из свинцового стекла, которое используется как оптоволокно для датчика;
Фиг.9 изображает схему конфигурации, показывающую другой вариант устройства измерения электрического тока в соответствии с изобретением;
Фиг.10 изображает диаграмму температурной характеристики Фарадеевского угла вращения первого Фарадеевского элемента;
Фиг.11 изображает диаграмму температурной характеристики Фарадеевского угла вращения второго Фарадеевского элемента;
Фиг.12 изображает диаграмму температурной характеристики относительной ошибки, в которой температурные характеристики Фарадеевского угла вращения, показанные на Фиг.9 и 10, объединены;
Фиг.13 изображает диаграмму температурной характеристики относительной ошибки устройства измерения электрического тока для значения измеряемого электрического тока, которое получается из температурной зависимости Фарадеевского угла вращения, показанного на Фиг.12;
Фиг.14 изображает диаграмму температурной характеристики относительной ошибки в Примере 1 устройства измерения электрического тока по изобретению;
Фиг.15 изображает диаграмму примера температурной характеристики Фарадеевского угла вращения Фарадеевского элемента 19a в Примере 2 устройства измерения электрического тока по изобретению;
Фиг.16 изображает диаграмму примера температурной характеристики Фарадеевского угла вращения Фарадеевского элемента 19b в Примере 2 устройства измерения электрического тока по изобретению;
Фиг.17 изображает диаграмму примера температурной характеристики полного Фарадеевского угла вращения Фарадеевских элементов 19a и 19b в Примере 2 устройства измерения электрического тока по изобретению;
Фиг.18 изображает диаграмму температурной характеристики относительной ошибки в Примере 2 устройства измерения электрического тока по изобретению;
Фиг.19 изображает диаграмму температурной характеристики Фарадеевского угла вращения Фарадеевского вращающего устройства, которое используется как первое Фарадеевское вращающее устройство в Примере 3 устройства измерения электрического тока по изобретению;
Фиг.20 изображает диаграмму температурной характеристики относительной ошибки в Примере 3 устройства измерения электрического тока по изобретению;
Фиг.21 изображает схему известного устройства измерения электрического тока данной области техники;
Фиг.22a изображает диаграмму, показывающую соотношение между частотой ошибок степени модуляции и температурой устройства измерения электрического тока на Фиг.21, и температурную характеристику относительной ошибки оптоволокна для датчика.
Фиг.22b изображает диаграмму, показывающую соотношение между частотой ошибок степени модуляции и температурой устройства измерения электрического тока на Фиг.21, и температурную характеристику относительной ошибки оптоволокна для датчика;
Фиг.23 изображает схематично частичный вид, показывающий модификацию формы поверхности края и первого оптоволокна, и второго оптоволокна.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже, со ссылками на Фиг.1-8, рассматривается предпочтительный вариант реализации изобретения. На Фиг.1 показана схема конфигурации наилучшего варианта устройства 1 измерения электрического тока в соответствии с изобретением. Устройство 1 измерения электрического тока, показанное на Фиг.1, включает в себя оптоволокно 2 для датчика, разделитель 8 поляризованного света, Фарадеевское вращающее устройство 7, источник 13 света и схему обработки сигналов (не показана), описываемую ниже.
Оптоволокно 2 для датчика расположено по периферии электрического проводника 5, через который протекает измеряемый электрический ток I. Оптоволокно 2 для датчика состоит из волокна из свинцового стекла, через которое проходит линейно поляризованный свет LO и линейно поляризованный свет LR, отраженный от другого конца оптоволокна 2 для датчика. Отражательная пленка 6 предоставляется как отражающий материал на другом конце оптоволокна 2 для датчика. В дополнение к отражательной пленке 6, может быть использован произвольный отражающий материал. Например, это может быть зеркало, выполненное из металла, имеющего малую поглощательную способность и высокий коэффициент отражения, например, золота, серебра, меди, хрома, или алюминия, или диэлектрическая многослойная пленка.
Блок 3 оптической схемы представляет собой схему, в которой линейно поляризованный свет или обыкновенного луча, или необыкновенного луча, падает на оптоволокно 2 для датчика и, чтобы детектировать Фарадеевский угол поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света, испускаемого от оптоволокна 2 для датчика, причем линейно поляризованный свет, испускаемый от оптоволокна 2 для датчика, разделяется на обыкновенный луч и необыкновенный луч. Блок 3 оптической схемы включает в себя Фарадеевское вращающее устройство 7 (далее обозначаемое как первое Фарадеевское вращающее устройство 7), двупреломляющий элемент 8 (далее обозначаемый как блок 8 разделения поляризации), служащий в качестве блока разделения поляризации, первое оптоволокно 9, второе оптоволокно 10 и линзу 11.
Первое Фарадеевское вращающее устройство 7, представляющее собой оптический элемент, пропускающий свет, который имеет постоянный магнит 7a на его периферии, сформирован из монокристалла граната с замещением висмутом и предоставляется вблизи одного конца 2a, служащего в качестве конца для падающего света оптоволокна для датчика 2. Первое Фарадеевское вращающее устройство 7 поворачивает плоскость поляризации падающего линейно поляризованного света LO и отраженного линейно поляризованного света LR на Фарадеевский угол вращения при магнитном насыщении. Таким образом, когда нет влияния измеряемого электрического тока I, плоскость поляризации линейно поляризованного света LO до прохождения через первое Фарадеевское вращающее устройство 7 и плоскость поляризации линейно поляризованного света LR после прохождения первого Фарадеевского вращающего устройства 7 поворачиваются на угол, в два раза больший Фарадеевского угла вращения, 45° в целом. Плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается на 45° для того, чтобы разделить линейно поляризованный свет LR на обыкновенный луч L1 и необыкновенный луч L2 в блоке 8 разделения поляризации, чтобы получить Фарадеевский угол поворота линейно поляризованного света LO или LR посредством обыкновенного луча L1 и необыкновенного луча L2 и чтобы рассчитать значение измеряемого электрического тока I по Фарадеевскому углу вращения.
В изобретении полный Фарадеевский угол поворота при магнитном насыщении, когда линейно поляризованный свет LO и LR проходит туда и обратно, устанавливается так, чтобы несколько отличаться от 45° при температуре 23°C. Задание температуры Фарадеевского угла вращения как 23°C обусловлено тем, что заявитель выбрал температуру, близкую к нормальной температуре, когда Фарадеевский угол вращения может быть измерен наиболее просто. Соответственно, Фарадеевский угол вращения, когда линейно поляризованный свет LO или LR проходит первое Фарадеевское вращающее устройство 7, изменяется относительно 22,5° только лишь на α°. На Фиг.2 схематично показан график температурной характеристики относительной ошибки, в температурном диапазоне -20°C или выше, и 80°C или ниже, измеряемого значения электрического тока, выводимого от схемы обработки сигналов устройства измерения электрического тока, который имеет Фарадеевский угол поворота 45° при температуре 23°C, когда линейно поляризованный свет проходит туда и обратно. Задание температурного диапазона в 100°С, что соответствует температурам в пределах между -20°C или выше, и 80°C или ниже, зависит от требований потребителя.
Как показано на Фиг.2, если температура увеличивается, относительная ошибка устройства измерения электрического тока увеличивается нелинейно. В температурной характеристике относительной ошибки Фарадеевский угол поворота при температуре 23°C устанавливается так, чтобы изменяться на небольшой угол поворота α° относительно 22,5° и, как показано на Фиг.3, угол поворота принял бы значение 45°+2α° при проходе туда и обратно. Таким образом, как показано на Фиг.4, кривая температурной характеристики относительной ошибки устройства измерения электрического тока сдвинута в сторону высоких температур. В результате, как видно из сравнения Фиг.2 и 4, становится возможным уменьшить диапазон колебаний относительной ошибки. Когда кривая температурной характеристики относительной ошибки сдвинута, угол поворота α° может быть произвольно установлен в таких пределах, при которых уменьшается диапазон колебаний относительной ошибки. Таким образом, основной принцип изобретения заключается в том, что Фарадеевский угол вращения изменяется на α° относительно 22,5°, чтобы уменьшить диапазон колебаний относительной ошибки устройства измерения электрического тока.
Блок 8 разделения поляризации представляет собой пропускающий свет оптический элемент и предоставляется на фотоэлектрическом преобразующем блоке 4 первого Фарадеевского вращающего устройства 7 вблизи одного конца 2a, служащего для падающего света оптоволокна 2 для датчика. Соответственно, Фарадеевское вращающее устройство 7 располагается между одним концом 2a оптоволокна 2 для датчика и блоком 8 разделения поляризации. Как описано выше, блок 8 разделения поляризации образован двупреломляющим элементом. Блок 8 разделения поляризации выполняет функцию элемента разделения поляризации, который непосредственно пропускает линейно поляризованный свет, когда линейно поляризованный свет падает перпендикулярно кристаллической оси и смещается параллельно и испускает линейно поляризованный свет, когда линейно поляризованный свет падает вдоль кристаллической оси. Что касается линейно поляризованного света, падающего на плоскость поляризации, отличную от двух ортогональных плоскостей, то весь свет разделяется на векторные составляющие. Тогда обыкновенный луч непосредственно пропускается, и необыкновенный луч смещается параллельно и испускается. Таким образом, блок 8 разделения поляризации имеет функцию разделения линейно поляризованного света LR от оптоволокна 2 для датчика на обыкновенный луч L1 и необыкновенный луч L2, перпендикулярные друг к другу, и пропускания линейно поляризованного света LO, испускаемого от источника 13 света, описанного ниже.
Материал для блока 8 разделения поляризации может быть выбран из группы, включающей в себя рутил, YVO4, ниобат лития, и кальцит. Двупреломляющий элемент, выбранный из этих материалов, обрабатывается до плоской пластины, имеющей заданную толщину, так что противоположные оптические поверхности для падающего и испускаемого света противостоят друг другу, образуя блок 8 разделения поляризации. Блок 8 разделения поляризации расположен так, что одна из параллельных оптических поверхностей противостоит концевым поверхностям 9a и 10a первого оптоволокна 9 и второго оптоволокна 10, и другая оптическая поверхность противостоит линзе 11. В блоке 8 разделения поляризации, если линейно поляризованный свет LR падает от одной оптической поверхности, линейно поляризованный свет LR разделяется на обыкновенный луч L1 и необыкновенный луч L2, и при испускании от другой плоскости, причем обыкновенный луч Ll и необыкновенный луч L2 испускаются параллельно с заданным интервалом разделения.
Первое оптоволокно 9 образовано сохраняющим поляризацию волокном, и концевая поверхность 9a на одном конце расположена вблизи блока 8 разделения поляризации. Альтернативно, концевая поверхность 9a может быть расположена так, чтобы быть в контакте с блоком 8 разделения поляризации. В результате, первое оптоволокно 9 имеет функцию, позволяющую линейно поляризованному свету LO падать на блок 8 разделения поляризации и позволяющую обыкновенному лучу Ll, испускаемому от блока 8 разделения поляризации, направляться к блоку 4 фотоэлектрического преобразования.
Второе оптоволокно 10 образовано одномодовым оптоволокном, многомодовым оптоволокном, поддерживающим поляризацию волокном, или подобным, и концевая поверхность 10a на одном конце располагается вблизи блока 8 разделения поляризации. Альтернативно, концевая поверхность 10a может быть расположена так, чтобы находиться в контакте с блоком 8 разделения поляризации. В результате, второе оптоволокно 10 выполняет функцию, позволяющую необыкновенному лучу L2, испускаемому от блока 8 разделения поляризации, направляться к блоку 4 фотоэлектрического преобразования.
В этом варианте реализации, первое и второе оптоволокна 9 и 10 сконфигурированы так, что концевые поверхности 9a и 10a на одном конце располагаются на той же самой плоскости и поддерживаются муфтой 12, имеющей конструкцию с двумя сердцевинами на заданном расстоянии. Заданное расстояние устанавливается в соответствии с толщиной блока 8 разделения поляризации, имеющего форму плоскопараллельной пластины и имеющего свойства выбранного материала. Заданное расстояние согласовывается с расстоянием разделения блока 8 разделения поляризации, тем самым позволяя обыкновенному лучу L1 и необыкновенному лучу L2 падать на сердцевины оптических стекловолокон 9 и 10. Средство для поддержания первого и второго оптических стекловолокон 9 и 10 на заданном расстоянии не ограничивается муфтой 12. Например, может быть использована матричная подложка, на которой предоставляются два параллельных V-образных углубления, и оптоволокна 9 и 10 располагаются в V-образных углублениях так, чтобы оптоволокна 9 и 10 были зафиксированы.
В этом варианте реализации, линза 11 образована единственной линзой и расположена между первым Фарадеевским вращающим устройством 7 и блоком 8 разделения поляризации. Каждая отображающая точка устанавливается для каждой сердцевины одного конца 2a оптоволокна 2 для датчика и концевой поверхности 9a первого оптоволокна 9. В этом варианте реализации, каждый один конец 2a оптоволокна 2 для датчика и одна концевая поверхность 9a первого оптоволокна 9 является вертикальной поверхностью, перпендикулярной к оптической оси, так, чтобы отображающая точка линзы 11 была установлена по существу в центре сердцевины каждого стекловолокна.
Как показано на Фиг.23, концевые поверхности 9a и 10a могут быть модифицированы выполнением наклонной полировки. Таким образом, если концевые поверхности 9a и 10a сформированы наклонными, положения концевых поверхностей 9a и 10a выровнены с фокусным расстоянием линзы 11 для каждого обыкновенного луча L1 и необыкновенного луча L2, позволяя улучшить эффективность связи первого оптоволокна 9 и второго оптоволокна 10.
Блок 4 фотоэлектрического преобразования включает в себя источник света 13, линзу 14, призму 15 разделения поляризации, два, первый и второй, фотоэлектрических преобразовательных элемента 16 и 17, и второе Фарадеевское вращающее устройство 18. Источник света 13 образован полупроводниковым лазером (LD), светоизлучающим диодом (LED), сверхлюминесцентным диодом (SLD), источником света ASE, или подобным, и испускает свет, имеющий заданную длину волны λ. Линза 14 предоставляется перед источником 13 света, собирает свет, испускаемый от источника 13 света, и позволяет свету падать на призму 15 разделения поляризации. Призма 15 разделения поляризации линейно поляризует свет, испускаемый от источника 13 света, и объединяет линейно поляризованный свет с оптоволокном 9, и также отражает обыкновенный луч L1, служащий в качестве испускаемого света, испускаемого от первого оптоволокна 9 на первый фотоэлектрический преобразующий элемент 16. Первый и второй фотоэлектрические преобразующие элементы 16 и 17 образованы фотодиодами (PD) или подобным, принимают свет и преобразуют свет в электрический сигнал.
Второе Фарадеевское вращающее устройство 18 представляет собой пропускающий свет оптический элемент, который имеет постоянный магнит 18a на его периферии, и сформировано из монокристалла граната с замещением висмутом, и предоставляется перед призмой 15 разделения поляризации, чтобы повернуть поляризацию падающего линейно поляризованного света на 45°. Таким образом, задача, которую выполняет второе Фарадеевское вращающее устройство 18, поворачивающее линейно поляризованный свет на 45°, заключается в том, чтобы повернуть плоскость поляризации возвращающегося линейно поляризованного света L1 в обратном направлении на 90° относительно плоскости поляризации линейно поляризованного света LO в прямом направлении так, чтобы линейно поляризованный свет L1 отражался призмой 15 разделения поляризации и падал на первый фотоэлектрический преобразующий элемент 16.
Другой конец 9b первого оптоволокна 9 располагается близко перед вторым Фарадеевским вращающим устройством 18. Испускаемый от второго оптоволокна 10 свет падает на второй фотоэлектрический преобразующий элемент 17.
Работа устройства 1 измерения электрического тока, сконфигурированного так, как показано выше, рассматривается со ссылками на Фиг.1, 5a-5d и 6a-6e. На Фиг.5a-5d приведены пояснительные схемы, показывающие состояние поляризации света до достижения им отражательной пленки 6 от источника 13 света. На Фиг.6a-6e приведены пояснительные схемы, показывающие состояние поляризации света до его отражения отражательной пленкой 6 и достижения первого и второго фотоэлектрических преобразующих элементов 16 и 17. Свет (Фиг.5a), испускаемый от источника 13 света, проходит через линзу 14 и призму 15 разделения поляризации и становится линейно поляризованным светом. Линейно поляризованный LO свет (Фиг.5b) падает на второе Фарадеевское вращающее устройство 18 и затем падает на первое оптоволокно 9 как линейно поляризованный свет LO (Фиг.5c), плоскость поляризации которого повернута на 45°.
Первое оптоволокно 9 является сохраняющим поляризацию волокном или чем-то подобным, так что линейно поляризованный свет LO распространяется через первое оптоволокно 9 в состоянии, когда плоскость поляризации сохраняется, и падает на блок 8 разделения поляризации. Направление кристаллической оси на оптической поверхности элемента 8 разделения поляризации устанавливается перпендикулярно плоскости поляризации линейно поляризованного света LO, испускаемого от первого оптоволокна 9. Таким образом, линейно поляризованный свет LO, падающий на блок 8 разделения поляризации, проходит блок 8 разделения поляризации как обыкновенный луч, не вызывая двупреломления, и испускается от блока 8 разделения поляризации с таким состоянием поляризации, с которым он падает на блок 8 разделения поляризации.
Плоскость поляризации линейно поляризованного света, LO, испускаемого от блока 8 разделения поляризации, поворачивается на 22,5°+α°, проходя первое Фарадеевское вращающее устройство 7 после прохождения через линзу 11 (Фиг.5d). Как описано выше, линейно поляризованный свет LO падает на один конец 2a оптоволокна 2 для датчика в результате действия линзы 11.
Линейно поляризованный свет LO, который падает на оптоволокно 2 для датчика, проходит через оптоволокно 2 для датчика, достигает другого конца, отражается отражательной пленкой 6 и снова возвращается на первый конец 2a. Хотя линейно поляризованный свет LO и LR проходит туда и обратно при отражении, линейно поляризованный свет LO и LR подвергается влиянию магнитного поля в соответствии с измеряемым электрическим током I, и его плоскость поляризации, вследствие Фарадеевского эффекта, поворачивается на угол θ°, соответствующий величине измеряемого электрического тока I. Угол θ° является Фарадеевским углом вращения, зависящим от интенсивности магнитного поля измеряемого электрического тока I, когда линейно поляризованный свет LO и LR проходит туда и обратно в оптоволокне 2 для датчика.
Плоскость поляризации линейно поляризованного света LR (Фиг.6a), испускаемого с одного конца 2a, снова поворачивается на угол 22,5°+α°, проходя через первое Фарадеевское вращающее устройство 7 (Фиг.6b), проходит через линзу 11 и падает на блок 8 разделения поляризации. Таким образом, плоскость поляризации линейно поляризованного света LR после прохождения через первое Фарадеевское вращающее устройство 7 поворачивается на угол (45°+2α°+θ°) относительно плоскости поляризации линейно поляризованного света LO до прохождения первого Фарадеевского вращающего устройства 7.
Как описано выше, плоскость поляризации линейно поляризованного света LR, падающего на блок 8 разделения поляризации, сдвинута на (45°+2α°+θ°) относительно плоскости поляризации линейно поляризованного света LO до прохождения первого Фарадеевского вращающего устройства 7. Поэтому линейно поляризованный свет LR разделяется на обыкновенный луч L1 и необыкновенный луч L2, имеющие взаимно ортогональные плоскости поляризации, в блоке 8 разделения поляризации (Фиг.6c). Обыкновенный луч L1 испускается вдоль поверхности, перпендикулярной к поверхности, включающей в себя кристаллическую ось и оптическую ось блока 8 разделения поляризации, и необыкновенный луч L2 испускается от плоскости поляризации, которая колеблется в пределах поверхности, включающей в себя кристаллическую ось и оптическую ось (Фиг.6d). Если вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света LO и LR происходит вследствие воздействия измеряемого электрического тока I, уровень света и обыкновенного луча L1, и необыкновенного луча L2 изменяется во время разделения. Таким образом, вращение плоскости поляризации детектируется как изменение интенсивности света каждым из фотоэлектрических преобразовательных элементов 16 и 17.
Обыкновенный луч L1, испускаемый от блока 8 разделения поляризации, падает на первое оптоволокно 9 от концевой поверхности 9a и направляется на блок 4 фотоэлектрического преобразования и схему обработки сигналов, подвергается вращению плоскости поляризации на 45° во втором Фарадеевском вращающем устройстве 18 (Фиг.6e). Для облегчения восприятия, на Фиг.6e показан обыкновенный луч L1 в увеличенном масштабе, и он падает на призму 15 разделения поляризации. Плоскость поляризации обыкновенного луча L1, падающего на призму 15 разделения поляризации, перпендикулярна плоскости поляризации линейно поляризованного света LO, испущенного от источника 13 света и прошедшего через призму 15 разделения поляризации (Фиг.5b и 6e). Таким образом, обыкновенный луч L1 отражается призмой 15 разделения поляризации и принимается первым фотоэлектрическим преобразующим элементом 16.
Необыкновенный луч L2 падает на второе оптоволокно 10 от концевой поверхности 10a, направляется на блок 4 фотоэлектрического преобразования и схему обработки сигналов и принимается вторым фотоэлектрическим преобразующим элементом 17.
Электрические сигналы, преобразованные фотоэлектрическими преобразующими элементами 16 и 17, вводятся, например, в схему 116 обработки сигналов (фотодиод 108a заменен фотоэлектрическим преобразующим элементом 16, и фотодиод 108b заменен фотоэлектрическим преобразующим элементом 17), показанную на Фиг.21. Вычисляется среднее значение степени модуляции (отношение переменной составляющей тока к постоянной составляющей тока) двух токовых сигналов, регистрируемых первым фотоэлектрическим преобразующим элементом 16 и вторым фотоэлектрическим преобразующим элементом 17. Наконец, линейно поляризованный свет LR преобразуется в электрическую величину и тем самым получается величина измеряемого электрического тока I. На Фиг.7 показан пример характерной температурной зависимости относительной ошибки измеряемого значения электрического тока I, выводимого от схемы обработки сигналов в устройстве 1 измерения электрического тока.
В изобретении, как показано на Фиг.7, предполагается, что диапазон колебаний относительной ошибки измеряемого значения электрического тока I, выводимого от схемы обработки сигналов, устанавливается в пределах ±0,5%. Также предполагается, что значение ±0,5% реализуется по температурному диапазону в 100°С (между -20°C или выше, и 80°C или ниже). Причина установления температурного диапазона в 100°С, что составляет температурный интервал в пределах между -20°C или выше, и 80°C или ниже, заключается в практичности охвата нормального температурного диапазона, который располагается от -10°C до 40°C. В изобретении, как описано выше, установка диапазона колебаний относительной ошибки в пределах ±0,5% выполняется посредством регулировки угла вращения первого Фарадеевского вращающего устройства 7.
Волокно из свинцового стекла, которое используется как оптоволокно 2 для датчика, имеет показанную на Фиг.8 температурную характеристику относительной ошибки. Соответственно, когда угол поворота первого Фарадеевского вращающего устройства 7 изменяется на α° относительно 22,5°, чтобы уменьшить диапазон колебаний относительной ошибки устройства 1 измерения электрического тока, должно быть так, что после добавления температурной характеристики относительной ошибки волокна из свинцового стекла, угол α° регулируется так, что диапазон колебаний относительной ошибки измеряемого значения электрического тока I, выводимого от схемы обработки сигналов, находился бы в пределах ±0,5% по температурному диапазону между -20°C или выше, и 80°C или ниже.
Как показано на Фиг.9, устройство 1 измерения электрического тока, показанное на Фиг.1, может быть заменено на устройство 20 измерения электрического тока, в котором первое Фарадеевское вращающее устройство 7 образовано, например, двумя Фарадеевскими элементами 19a и 19b, имеющими различающиеся Фарадеевские углы вращения. В устройстве 20 измерения электрического тока, полный Фарадеевский угол поворота при магнитном насыщении, когда линейно поляризованный свет LO и LR проходит через два Фарадеевских элемента 19a и 19b при проходе туда и обратно, устанавливается как несколько отличный от 45°. Таким образом, сумма Фарадеевских углов вращения, когда линейно поляризованный свет LO и LR проходит через два Фарадеевских элемента 19a и 19b, соответственно, может измениться только на 22,5°+небольшое изменение α°. Число Фарадеевских элементов не ограничено двумя, и первое Фарадеевское вращающее устройство 7 может быть образовано тремя или несколькими Фарадеевскими элементами.
На Фиг.10 и 11 схематично показаны графики температурных характеристик Фарадеевских углов вращения Фарадеевских элементов 19a и 19b. На Фиг.12 показана температурная характеристика Фарадеевского угла вращения, когда температурные характеристики Фарадеевских углов вращения Фарадеевских элементов объединены. Как показано на Фиг.10, угол поворота первого Фарадеевского элемента 19a имеет квадратичную температурную зависимость. Из Фиг.11 ясно, что угол поворота второго Фарадеевского элемента 19b равномерно уменьшается обратно пропорционально увеличению температуры по температурному диапазону между -20°C или выше, и 80°C или ниже. Соответственно, если температурные характеристики Фарадеевских углов вращения первого Фарадеевского элемента 19a и второго Фарадеевского элемента 19b объединены, на Фиг.12 показана температурная характеристика Фарадеевского угла вращения, которая уменьшается в соответствии с квадратичной зависимостью при увеличении температуры.
Как показано на Фиг.8, температурная характеристика относительной ошибки волокна из свинцового стекла, которое используется как оптоволокно 2 для датчика, равномерно увеличивается пропорционально увеличению температуры. Соответственно, если уменьшение Фарадеевского угла вращения в высокотемпературном диапазоне обеспечивается Фарадеевскими элементами 19a и 19b, когда добавляется температурная характеристика относительной ошибки волокна из свинцового стекла, которое используется как оптоволокно 2 для датчика, уменьшение Фарадеевского угла вращения в высокотемпературном диапазоне компенсирует изменение относительной ошибки волокна из свинцового стекла. Таким образом, как показано на Фиг.13, становится возможным понизить диапазон колебаний относительной ошибки измеряемого значения электрического тока I, выводимого от схемы обработки сигналов, так, чтобы он был в пределах ±0,5% (или ±0,2%) по температурному диапазону между -20°C или выше, и 80°C или ниже.
Сравнивая конфигурации устройства 1 измерения электрического тока и устройства 20 измерения электрического тока, в устройстве 1 измерения электрического тока может быть использовано единственное первое Фарадеевское вращающее устройство 7. Таким образом, оказывается возможным максимально упростить конфигурацию устройства измерения электрического тока, и становится легко регулировать диапазон колебаний относительной ошибки измеряемого значения электрического тока I, выводимого от схемы обработки сигналов. По вышеописанным причинам, устройство 1 измерения электрического тока представляет собой самый предпочтительный вариант реализации. Однако, когда затруднительно надежно получить монокристалл граната, имеющий желаемый угол поворота, вследствие состава граната первого Фарадеевского вращающего устройства 7, первое Фарадеевское вращающее устройство 7 может быть образовано двумя или несколькими Фарадеевскими элементами. Когда первое Фарадеевское вращающее устройство 7 образуется двумя или несколькими Фарадеевскими элементами, то Фарадеевские углы вращения Фарадеевских элементов делаются отличными друг от друга тем самым температурная характеристика каждого Фарадеевского элемента приводится к желаемой характеристике.
Далее, приводятся Примеры 1-3, в которых оптимальный угол поворота устанавливается относительно температурной зависимости первого Фарадеевского вращающего устройства 7 или Фарадеевских элементов 19a и 19b, и вариация относительной ошибки понижается.
Пример 1
Ниже приводится пример, где магнитный гранат, который используется в оптической развязке и имеет температурную характеристику Фарадеевского угла вращения, показанную на Фиг.11, используется как первое Фарадеевское вращающее устройство 7 на Фиг.1. Использовалось Фарадеевское вращающее устройство, имеющее Фарадеевский угол поворота 22,5°+1,0° при температуре 23°C. То есть было установлено α=1,0°, и полный Фарадеевский угол поворота при магнитном насыщении, когда линейно поляризованный свет LO и LR проходит туда и обратно, был установлен как 47,0°. В Таблице 1 и на Фиг.14 показана температурная характеристика относительной ошибки измеряемого значения электрического тока I, выводимого от схемы обработки сигналов устройства 1 измерения электрического тока, имеющего первое Фарадеевское вращающее устройство 7. В Таблице 1 "Фарадеевский угол вращения" является полным Фарадеевским углом вращения при магнитном насыщении, когда линейно поляризованный свет LO и LR проходит туда и обратно, и "относительная ошибка" является ошибкой отношения измеряемого значения электрического тока I, выводимого от схемы обработки сигналов устройства измерения электрического тока I. Далее, то же самое применимо к Примерам 2 и 3.
| Таблица 1 | ||
| Температура Т(°С) |
Угол вращения (градусы) |
Относительная Ошибка (%) |
| -20 | 49,21 | 0,40 |
| -15 | 48,96 | 0,33 |
| -10 | 48,72 | 0,27 |
| -5 | 48,47 | 0,21 |
| 0 | 48,21 | 0,15 |
| 5 | 47,96 | 0,11 |
| 10 | 47,70 | 0,07 |
| 15 | 47,44 | 0,04 |
| 20 | 47,17 | 0,01 |
| 25 | 46,91 | -0,01 |
| 30 | 46,63 | -0,01 |
| 35 | 46,36 | -0,01 |
| 40 | 46,08 | -0,01 |
| 45 | 45,80 | 0,01 |
| 50 | 45,52 | 0,04 |
| 55 | 45,24 | 0,08 |
| 60 | 44,95 | 0,12 |
| 65 | 44,66 | 0,18 |
| 70 | 44,36 | 0,25 |
| 75 | 44,06 | 0,33 |
| 80 | 43,76 | 0,42 |
Из Таблицы 1 и Фиг.14 ясно, что когда число первых Фарадеевских вращающих устройств равно одному, и устанавливается значение α=1,0°, относительная ошибка может находиться в пределах от -0,01 до 0,42% при 23°C. То есть диапазон колебаний относительной ошибки находится в пределах 0,43% по температурному диапазону между -20°C или выше, и 80°C или ниже.
Пример 2
Зависимость угла вращения от температуры магнитного граната при проходе туда и обратно была выражена следующим квадратичным выражением (Уравнение 1), и было рассчитано минимальное значение диапазона колебаний относительной ошибки для коэффициента a и коэффициента b. Коэффициент с был установлен таким, чтобы диапазон колебаний относительной ошибки имел минимальное значение. Соотношение между диапазоном колебаний относительной ошибки и коэффициентами a и b приведено в Таблице 2. Как показано в Таблице 2, соотношение между величиной α° регулировки Фарадеевского угла вращения при температуре 23°C и коэффициентах a и b, соответствующих минимальному значению диапазона колебаний относительной ошибки, показано в Таблице 3.
| θF=aT2+bT+c | (1) |
где T является температурой [°C].
| Таблица 2 | ||||||||||||
| Диапазон колебаний относительной ошибки |
Вторичный коэффициент а | |||||||||||
| -0,0005 | -0,0004 | -0,0003 | -0,0002 | -0,0001 | 0,0000 | 0,0001 | 0,0002 | 0,0003 | 0,0004 | 0,0005 | ||
| Первичный коэффи-циент b |
-0,06 | 1,12% | 0,98% | 0,86% | 0,73% | 0,64% | 0,56% | 0,50% | 0,46% | 0,44% | 0,44% | 0,49% |
| -0,05 | 0,85% | 0,73% | 0,61% | 0,51% | 0,44% | 0,39% | 0,36% | 0,35% | 0,38% | 0,45% | 0,60% | |
| -0,04 | 0,61% | 0,50% | 0,40% | 0,34% | 0,27% | 0,26% | 0,26% | 0,29% | 0,39% | 0,60% | 0,80% | |
| -0,03 | 0,39% | 0,30% | 0,22% | 0,17% | 0,13% | 014% | 0,20% | 0,32% | 0,60% | 0,85% | 1,00% | |
| -0,02 | 0,25% | 0,17% | 0,09% | 0,05% | 0,03% | 0,06% | 0,21% | 0,60% | 0,94% | 0,90% | 0,80% | |
| -0,01 | 0,23% | 0,22% | 0,20% | 0,18% | 0,12% | 0,02% | 0,60% | 0,90% | 0,73% | 0,65% | 0,60% | |
| 0,00 | 0,40% | 0,40% | 0,41% | 0,41% | 0,42% | 1,00% | 0,42% | 0,41% | 0,41% | 0,40% | 0,40% | |
| 0,01 | 0,60% | 0,65% | 0,73% | 0,90% | 0,60% | 0,02% | 0,12% | 0,18% | 0,20% | 0,22% | 0,23% | |
| 0,02 | 0,80% | 0,90% | 0,94% | 0,60% | 0,21% | 0,06% | 0,03% | 0,05% | 0,09% | 0,17% | 0,25% | |
| 0,03 | 1,00% | 0,85% | 0,60% | 0,32% | 0,20% | 0,14% | 0,13% | 0,17% | 0,22% | 0,30% | 0,39% | |
| 0,04 | 0,80% | 0,60% | 0,39% | 0,29% | 0,26% | 0,26% | 0,27% | 0,34% | 0,40% | 0,50% | 0,61% | |
| 0,05 | 0,60% | 0,45% | 0,38% | 0,35% | 0,36% | 0,39% | 0,44% | 0,51% | 0,61% | 0,73% | 0,85% | |
| 0,06 | 0,49% | 0,44% | 0,44% | 0,46% | 0,50% | 0,56% | 0,64% | 0,73% | 0,86% | 0,98% | 1,12% |
| Таблица 3 | ||||||||||||
| α(°) | Вторичный коэффициент a | |||||||||||
| -0,0005 | -0,0004 | -0,0003 | -0,0002 | -0,0001 | 0 | 0,0001 | 0,0002 | 0,0003 | 0,0004 | 0,0005 | ||
| Первич- ный коэффи- циент b |
-0,06 | 1,08 | 0,97 | 0,91 | 0,81 | 0,75 | 0,70 | 0,65 | 0,59 | 0,59 | 0,63 | 0,73 |
| -0,05 | 1,13 | 1,07 | 0,97 | 0,91 | 0,86 | 0,80 | 0,80 | 0,84 | 0,89 | 1,08 | 1,13 | |
| -0,04 | 1,23 | 1,12 | 1,07 | 1,06 | 1,01 | 1,00 | 1,10 | 1,19 | 1,49 | 1,48 | 0,57 | |
| -0,03 | 1,28 | 1,27 | 1,22 | 1,21 | 1,26 | 1,35 | 1,60 | 1,99 | 2,04 | 0,78 | -1,38 | |
| -0,02 | 1,38 | 1,32 | 1,37 | 1,46 | 1,66 | 2,05 | 2,75 | 3,09 | 1,19 | -1,52 | -1,48 | |
| -0,01 | 1,58 | 1,67 | 1,82 | 2,11 | 2,66 | 4,00 | 6,00 | -2,61 | -2,07 | -1,82 | -1,58 | |
| 0,00 | 1,83 | 2,17 | 2,62 | 3,61 | 6,51 | 0,00 | -6,51 | -3,61 | -2,62 | -2,17 | -1,83 | |
| 0,01 | 1,58 | 1,82 | 2,07 | 2,56 | -6,00 | -4,00 | -2,66 | -2,11 | -1,82 | -1,67 | -1,58 | |
| 0,02 | 1,48 | 1,52 | -1,19 | -3,14 | -2,75 | -2,05 | -1,66 | -1,46 | -1,37 | -1,32 | -1,38 | |
| 0,03 | 1,38 | -0,78 | -2,04 | -1,99 | -1,60 | -1,35 | -1,26 | -1,21 | -1,22 | -1,27 | -1,28 | |
| 0,04 | -0,57 | -1,48 | -1,49 | -1,19 | -1,10 | -1,00 | -1,01 | -1,06 | -1,07 | -1,12 | -1,23 | |
| 0,05 | -1,13 | -1,08 | -0,89 | -0,84 | -0,80 | -0,80 | -0,86 | -0,91 | -0,97 | -1,07 | -1,13 | |
| 0,06 | -0,73 | -0,63 | -0,59 | -0,59 | -0,65 | -0,70 | -0,75 | -0,81 | -0,91 | -0,97 | -1,08 |
Таблицы 2 и 3 показывают центрально-симметричную связь с центром, когда коэффициент a и коэффициент b равны нулю. Из Таблицы 2, диапазон колебаний относительной ошибки имеет минимальное значение, когда коэффициент a и коэффициент b составляют -0,0001 и -0,02, соответственно, и когда коэффициент a и коэффициент b, составляют 0,0001 и 0,02, соответственно. Как показано в Таблице 3, знак величины α° регулировки угла вращения при этом положителен в первом случае и отрицателен в последнем случае. Поскольку общий магнитный гранат имеет температурную характеристику Фарадеевского угла вращения, которая имеет вид возрастающей выпуклой кривой, и в которой угол вращения уменьшается при увеличении температуры, знаки коэффициента a и коэффициента b являются отрицательными. Из вышеупомянутого ясно, что для уменьшения диапазона колебаний относительной ошибки коэффициент a и коэффициент b температурной характеристики угла вращения магнитного граната близки к -0,0001 и -0,02, соответственно. В этом случае, величина α° регулировки угла вращения становится равной приблизительно 1,66°.
Для того, чтобы реализовать такие коэффициенты a и b, чтобы снизить диапазон колебаний относительной ошибки, будет рассмотрен Пример, в котором предоставляются два Фарадеевских элемента 19a и 19b, показанные на Фиг.9. Магнитный гранат, имеющий квадратичную температурную зависимость, использовался как Фарадеевский элемент 19a на Фиг.9, и показанный на Фиг.16 магнитный гранат использовался как Фарадеевский элемент 19b. Температурные зависимости Фарадеевских элементов 19a и 19b, имеющих Фарадеевские углы вращения 45° при температуре 23°C, показаны на Фиг.15 и 16.
В результате оптимизации толщины каждого из Фарадеевских элементов 19a и 19b, был получен Фарадеевский элемент, имеющий температурную зависимость в соответствии с Уравнением 2 при проходе луча туда и обратно. Углы вращения Фарадеевского элемента 19a и Фарадеевского элемента 19b при температуре 23°C при магнитном насыщении составляют 8,34° и 15,73°, соответственно, то есть, полный Фарадеевский угол вращения получается как 24,07°, и α=1,57°. Полный Фарадеевский угол вращения при температуре 23°C при магнитном насыщении, когда линейно поляризованный свет LO и LR проходит туда и обратно, становится равным 48,14°. На Фиг.17 показана температурная зависимость полного Фарадеевского угла вращения при проходе луча туда и обратно.
θF=-2,02·10-4·T2-0,0200·T+48,71, 
(2)
где T является температурой [°C].
Таблица 4 и Фиг.18 показывают температурную характеристику относительной ошибки измеряемого значения электрического тока I, выводимого от схемы обработки сигналов устройства 20 измерения электрического тока.
| Таблица 4 | ||
| Температура Т(°С) |
Угол вращения (градусы) | Относительная ошибка (%) |
| -20 | 49,03 | -0,04 |
| -15 | 48,97 | -0,02 |
| -10 | 48,89 | -0,01 |
| -5 | 48,81 | 0,00 |
| 0 | 48,71 | 0,01 |
| 5 | 48,61 | 0,01 |
| 10 | 48,49 | 0,01 |
| 15 | 48,37 | 0,01 |
| 20 | 48,23 | 0,00 |
| 25 | 48,09 | 0,00 |
| 30 | 47,93 | -0,01 |
| 35 | 47,77 | -0,02 |
| 40 | 47,59 | -0,03 |
| 45 | 47,40 | -0,03 |
| 50 | 47,21 | -0,04 |
| 55 | 47,00 | -0,04 |
| 60 | 46,79 | -0,04 |
| 65 | 46,56 | -0,04 |
| 70 | 46,32 | -0,03 |
| 75 | 46,08 | -0,02 |
| 80 | 45,82 | 0,00 |
Из Таблицы 4 и Фиг.18, когда предоставлялись два Фарадеевских элемента 19a и 19b, и было установлено α=1,57°, относительная ошибка могла находиться в пределах от -0,04 до 0,01% при 23°C. То есть диапазон колебаний относительной ошибки находится в пределах 0,05% по температурному диапазону между -20°C или выше, и 80°C или ниже.
Пример 3
Магнитный гранат был изготовлен на основе результата исследования Таблицы 2 так, чтобы относительная ошибка могла быть снижена с использованием единственного Фарадеевского вращающего устройства. В результате, был получен магнитный гранат, имеющий температурную зависимость, выражаемую Уравнением 3. Фарадеевский угол вращения при температуре 23°C был 24,22°, то есть было установлено α=1,72°. На Фиг.19 показана температурная зависимость полученного магнитного граната.
Уравнение 3
| θF=-1,64·10-4·T2 -0,0185·T+48,95 | (3) |
где T является температурой [°C]
Полный Фарадеевский угол поворота при магнитном насыщении, когда линейно поляризованный свет LO и LR проходит туда и обратно, становится равным 48,44°. В Таблице 5 и на Фиг.20 показана характеристика температура-относительная ошибка измеряемого значения электрического тока I, выводимого от схемы обработки сигналов устройства измерения электрического тока I, имеющего первое Фарадеевское вращающее устройство 7.
| Таблица 5 | ||
| Температура Т(°С) |
Угол вращения (градусы) |
Относительная ошибка (%) |
| -20 | 49,26 | -0,05 |
| -15 | 49,19 | -0,03 |
| -10 | 49,12 | -0,02 |
| -5 | 49,04 | -0,01 |
| 0 | 48,95 | 0,00 |
| 5 | 48,86 | 0,01 |
| 10 | 48,75 | 0,01 |
| 15 | 48,64 | 0,01 |
| 20 | 48,52 | 0,00 |
| 25 | 48,39 | 0,00 |
| 30 | 48,25 | -0,01 |
| 35 | 48,10 | -0,01 |
| 40 | 47,95 | -0,02 |
| 45 | 47,79 | -0,03 |
| 50 | 47,62 | -0,04 |
| 55 | 47,44 | -0,04 |
| 60 | 47,25 | -0,04 |
| 65 | 47,06 | -0,05 |
| 70 | 46,85 | -0,04 |
| 75 | 46,64 | -0,04 |
| 80 | 46,42 | -0,03 |
Из Таблицы 5 и Фиг.20 видно, что диапазон относительной ошибки составляет от -0,05 до 0,01%, и диапазон колебаний относительной ошибки находится в пределах 0,06% по температурному диапазону между -20°C или выше, и 80°C или ниже. Оказалось возможным реализовать те же самые рабочие параметры, что и для единственного Фарадеевского вращающего устройства, по сравнению с Примером 2.
Как описано выше, в соответствии с устройством измерения электрического тока по изобретению, угол вращения Фарадеевского вращающего устройства изменяется на α° от 22,5° при температуре 23°C, тем самым снижая диапазон колебаний относительной ошибки значения измеряемого электрического тока, выводимого от схемы обработки сигналов устройства измерения электрического тока, до пределов ±0,5% по температурному диапазону между -20°C или выше, и 80°C или ниже. Поэтому становится возможным компенсировать температурную характеристику относительной ошибки измеряемого значения в оптической системе, обозначаемой как Фарадеевское вращающее устройство, тем самым увеличивая надежность устройства измерения электрического тока и снижая диапазон колебаний относительной ошибки до пределов ±0,5%. В результате, оказывается возможным реализовать устройство измерения электрического тока, которое может быть применено для релейной защиты.
Диапазон колебаний относительной ошибки значения измеряемого электрического тока понижается до пределов ±0,2% по температурному диапазону между -20°C или выше, и 80°C или ниже, тем самым позволяя использовать устройство измерения электрического тока там, где требуется температурная характеристика с относительной ошибкой в пределах ±0,2% (например, для счетчика электрической энергии при измерении потребляемой электроэнергии, что требует точного измерения).
Когда для оптоволокна для датчика используется волокно из свинцового стекла, после того, как добавлена температурная характеристика относительной ошибки волокна из свинцового стекла, регулируется угол поворота α° Фарадеевского вращающего устройства. С устройством измерения электрического тока, сконфигурированным вышеуказанным образом, даже когда для оптоволокна для датчика используется волокно из свинцового стекла, становится возможным понизить диапазон колебаний относительной ошибки значения измеряемого электрического тока, выводимого от схемы обработки сигналов, до пределов ±0,5% (или ±0,2%) по температурному диапазону между -20°C или выше, и 80°C или ниже.
Изобретение может быть модифицировано различным образом на основе данных технических принципов и, например, оптоволокно 2 для датчика может быть волокном из кварцевого стекла. Первое оптоволокно 9 может быть заменено на одномодовое оптоволокно, и призма 15 разделения поляризации может быть заменена на поляризационно-зависящий/независящий циркулятор.
Пояснение цифровых обозначений
1 и 20: устройство измерения электрического тока
2: оптоволокно для датчика
3: блок оптический схемы
4: блок фотоэлектрического преобразования
5: электрический проводник
6: отражательная пленка
7: первое Фарадеевское вращающее устройство
7a и 18a: постоянный магнит
8: разделитель поляризованного света
9: первое оптоволокно
9a: концевая поверхность первого оптоволокна
9b: другой конец первого оптоволокна 9
10: второе оптоволокно
10a: концевая поверхность второго оптоволокна
11 и 14: линза
12: муфта
13: источник света
15: призма разделения поляризации
16: первый фотоэлектрический преобразующий элемент
17: второй фотоэлектрический преобразующий элемент
18: второе Фарадеевское вращающее устройство
19a и 19b: Фарадеевский элемент
LO и LR: линейно поляризованный свет
L1: обыкновенный луч
L2: необыкновенный луч
I: измеренный электрический ток.
1. Устройство измерения электрического тока, содержащее: схему обработки сигналов, которая включает в себя, по меньшей мере, оптоволокно (волоконный световод) для датчика, блок разделения поляризации, Фарадеевское вращающее устройство, источник света и фотоэлектрический преобразующий элемент, при этом оптоволокно для датчика предусмотрено по периферии электрического проводника, через который протекает измеряемый электрический ток, и имеет один конец, на который падает линейно поляризованный свет, и другой конец, от которого падающий линейно поляризованный свет отражается,
блок разделения поляризации предусмотрен на одном конце оптоволокна для датчика,
Фарадеевское вращающее устройство расположено между одним концом оптоволокна для датчика и блоком разделения поляризации, и
Фарадеевский угол вращения Фарадеевского вращающего устройства при магнитном насыщении установлен как 22,5°+
° при температуре 23°С так, что диапазон колебаний относительной ошибки значения измеряемого электрического тока, выводимого от схемы обработки сигналов, установлен в пределах ±0,5%,
причем температурный диапазон, в котором диапазон колебаний установлен в пределах ±0,5%, составляет 100°С.
2. Устройство измерения электрического тока по п.1, в котором температурный диапазон в 100°С находится между -20°С или выше, и 80°C или ниже.
3. Устройство измерения электрического тока по п.1, в котором Фарадеевское вращающее устройство имеет такую температурную характеристику Фарадеевского угла вращения, что Фарадеевский угол вращения при магнитном насыщении изменяется по квадратичной зависимости в соответствии с изменением температуры.
4. Устройство измерения электрического тока по п.1, в котором Фарадеевское вращающее устройство имеет два или более Фарадеевских элементов.
5. Устройство измерения электрического тока по п.4, в котором Фарадеевские углы вращения двух или более Фарадеевских элементов отличаются друг от друга.
6. Устройство измерения электрического тока по п.3, в котором диапазон колебаний относительной ошибки значения измеряемого электрического тока, выводимого от схемы обработки сигналов, установлен в пределах ±0,2%.
7. Устройство измерения электрического тока по п.6, в котором температурный диапазон, в котором диапазон колебаний установлен в пределах ±0,2%, составляет 100°С.
8. Устройство измерения электрического тока по п.7, в котором температурный диапазон в 100°С находится между -20°С или выше, и 80°С или ниже.
9. Устройство измерения электрического тока по п.1, в котором оптоволокно для датчика представляет собой волокно из свинцового стекла.
