Измеритель тока оптический интерференционный

Изобретение относится к оптическим приборам, в которых используется эффект Фарадея для измерения электрического тока. Техническим результатом является повышение чувствительности. Предлагаемое устройство содержит источник света, многомодовый волоконный световод, поляризатор, призму Волластона с углом разведения лучей 2β, четвертьволновую пластинку, магниточувствительный элемент в виде стеклянной призмы, находящийся в продольном магнитном поле проводника с переменным током. Стеклянная призма содержит первое и второе полированные основания. Второе основание служит зеркалом и содержит две зеркальные поверхности, наклоненные относительно первого основания на углы β и образующие в середине основания ребро, перпендикулярное плоскости разведения лучей призмы Волластона. Плоскость пропускания поляризатора и «быстрая» ось четвертьволновой пластинки составляют углы ±45° с плоскостями поляризации лучей, выходящих из призмы Волластона. Далее установлены второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол 45° по отношению к первому поляризатору, второй многомодовый волоконный световод, фотоприемник и электронный блок. 4 ил.

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее - к оптическим поляризационным приборам, в которых для измерения переменного электрического тока в высоковольтных сетях используется эффект Фарадея.

В настоящее время наиболее распространенными измерителями тока в высоковольтных сетях являются электромагнитные измерительные трансформаторы тока (ИТТЭ) [1], которые содержат первичную обмотку из одного-двух витков фрагмента проводника высоковольтной линии, магнитопровод из трансформаторного железа и одну или две вторичные обмотки. Между первичной и вторичной обмотками находится изоляционный материал, например, трансформаторное масло или элегаз.

Вторичная обмотка обязательно нагружена комплексным сопротивлением, чрез которое протекает номинальный ток вторичной обмотки (обычно 1, 2 или 5А).

Если напряжение сети 330 кВ и выше, то ИТТЭ делают каскадными, то есть с несколькими магнитопроводами, у которых вторичная обмотка предыдущего магнитопровода является первичной обмоткой последующего.

Это снижает требования к изоляции между обмотками.

Существенными недостатками ИТТЭ являются:

- высокая пожароопасность в связи с возможными электрическими пробоями изоляции между обмотками;

- неизбежный расход электроэнергии во вторичных обмотках;

- влияние на точность измерения тока величины нагрузки и числа подключенных к вторичной обмотке регистраторов измеренного тока;

- аналоговый сигнал, характеризующий измеренный ток;

- насыщение магнитопровода апериодической составляющей тока короткого замыкания;

- значительный расход меди;

- большие габаритные размеры, вес, стоимость, особенно при напряжениях сети 330 кВ и более.

Удобными и перспективными являются измерители тока оптические, принцип работы которых основан на явлении поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света в магниточувствительном веществе (стекле), находящемся в продольном (коаксиальном) магнитном поле. Это явление было открыто М. Фарадеем в 1845 г.

Суть эффекта состоит в следующем [2]. Линейно поляризованный свет можно представить суммой двух одинаковых по амплитуде циркулярно поляризованных компонент с правой и левой циркуляцией.

Под действием продольного магнитного поля в таких прозрачных веществах как стекло возникает двойное лучепреломление для циркулярно поляризованных компонент левой и правой циркуляции. Между этими компонентами возникает разность фаз

где V_л, V_np - фазовые скорости распространения волн левой и правой циркуляции;

n_л, n_пр - коэффициенты преломления света для левой и правой циркуляции поляризованных компонент;

L - путь, пройденный поляризованным светом в веществе вдоль силовых линий магнитного поля;

λ - длина волны света.

Если стекло магниточувствительного элемента изотропно, то есть не обладает линейным двулучепреломлением, то на выходе из стекла циркулярные поляризации обеих компонент сохраняются и при их сложении получается опять линейно поляризованный свет, но с измененным азимутом поляризации на угол

где - вектор напряженности магнитного поля, действующего на стекло;

V - постоянная Верде стекла;

L - путь, пройденный поляризованным светом в стекле;

β - угол между направлением распространения света и направлением силовых линий магнитного поля;

N - число витков соленоида фрагмента проводника;

i - ток, протекаемый по фрагменту проводника;

k - конструктивный коэффициент, учитывающий расстояние от стекла до проводника с током и усреднение напряженности магнитного поля в различных точках стекла.

Из формул (1, 2) видно, что для измерения тока i, протекаемого по проводнику высоковольтной линии, можно использовать два способа:

- способ, основанный на измерении азимута линейной поляризации α, изменившийся под действием продольного магнитного поля согласно формуле (2);

- способ измерения разности фаз δ_λ согласно формуле (1).

Проще использовать первый способ, при котором на магниточувствительный элемент (стекло), находящийся в продольном магнитном поле, направляют линейно поляризованный свет и на выходе из стекла измеряют изменение азимута линейной поляризации света α, которое пропорционально напряженности магнитного поля и, следовательно, измеренному току i.

Известное устройство [3], реализующее этот способ.

Известный оптический измеритель переменного тока содержит источник света 1 (фиг. 1), многомодовый волоконный световод 2, линейные поляризаторы 3, 4, приклеенные с помощью покровных стеклянных пластин 5 к входной и выходной плоскостям первого основания стеклянного цилиндра 6, который является магниточувствительным элементом ячейки Фарадея.

Стеклянный цилиндр 6 размещен в продольном магнитном поле фрагмента проводника с током, выполненного в виде соленоида 7. На втором полированном основании цилиндра 6 нанесено зеркальное покрытие 8. Входная и выходная плоскости первого основания цилиндра 6 наклонены относительно друг друга в разные стороны так, что создают в центре ребро и составляют равные углы γ со вторым основанием, являющимся зеркалом.

Поляризаторы 3, 4 приклеены так, что плоскость пропускания поляризатора 3 параллельна плоскости чертежа (перпендикулярна ребру цилиндра 6), а плоскость пропускания поляризатора 4 составляет с плоскостью пропускания поляризатора 3 угол ±45°.

После поляризатора 4 установлены собирающая линза, второй многомодовый волоконный световод 9 и фотоприемник 10, который подсоединен к электронному блоку 11.

Известное устройство [3] работает следующим образом.

Свет от источника 1 (фиг. 1) по многомодовому волоконному световоду 2 подается в фокальную плоскость коллиматора, в виде коллимированного пучка проходит линейный поляризатор 3 и становится линейно поляризованным с горизонтальной поляризацией. Далее свет проходит стеклянный цилиндр 6 и падает на его зеркальную поверхность 8 под углом

где D - диаметр цилиндра 6;

l - длина цилиндра 6.

Отраженный от зеркала 8 под таким же углом γ свет вторично проходит стеклянный цилиндр 6, поляризатор 4 и волоконным световодом 9 подается на фотоприемник 10.

Если ток i по соленоиду 7 не проходит и магнитное поле отсутствует, а на цилиндре 6 нет тепловых и механических воздействий, то интенсивность света I, воспринимаемая фотоприемником 10, равна

где I₀ - интенсивность света источника l;

τ - коэффициент пропускания света оптического тракта.

Если по соленоиду 7 протекает переменный ток i=i_maxsinωt частоты сети ω=50 Гц, то

Фотоприемник 10 преобразует свет в электрический сигнал

Электронный блок 11 вычисляет отношение переменной составляющей U_~=U₀[sin(2α_maxsinωt)] к постоянной U₌=U₀

а затем вычисляется искомый ток i, протекаемый по соленоиду 7, по формуле

где N - число витков соленоида 7;

V - постоянная Верде;

L - длина пути света в цилиндре 6;

k - коэффициент, учитывающий эффективность использования продольной составляющей магнитного поля соленоида 7.

При всех преимуществах данное известное устройство имеет существенный недостаток, который проявляется в процессе его эксплуатации в жестких климатических условиях.

Так, например, при температурах от минус 50°С до плюс 50°С в различных точках стеклянного цилиндра бив его оправе могут появляться градиенты температуры. Это приводит к появлению тепловых или механических нагрузок (напряжений) в стекле цилиндра 6, возникновению линейного двойного лучепреломления и дополнительной неконтролируемой разности фаз [4]:

где λ - длина волны света;

С - фотоупругий коэффициент стекла;

τ₁ и τ₂ - разность касательных напряжений;

L - длина пути света в стекле;

(n_е - n_o) - разность показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной компонент поляризованного света.

В этом случае стеклянный цилиндр 6 (фиг. 1) подобен фазовой пластинке с произвольной ориентацией главных осей ϕ, вносящей разность фаз δ_g.

В общем случае эта эквивалентная фазовая пластинка может быть представлена известной матрицей [5].

Но учитывая то, что фотоупругий коэффициент С стекла мал и вносимая нагрузками разность фаз мала (δ_g≤5°), матрица стеклянного цилиндра 6 как эквивалентная фазовая пластинка может быть представлена в виде

После двукратного прохождения горизонтального линейно поляризованного света через цилиндр 6 на его выходе свет будет характеризоваться вектором Стокса

Из (11) видно, что при двухкратном прохождении цилиндра 6 линейно поляризованный свет преобразуется в эллиптически поляризованный, причем эллиптичность удваивается.

После поляризатора 4 первый параметр Стокса, характеризующий интенсивность света I, будет иметь вид

Сравнивая формулы (4) и (12), видим, что с появлением термических или механических нагрузок в стекле цилиндра 6 постоянная составляющая интенсивности света I изменяется, причем неконтролируемым образом, потому что направление главных осей ϕ может быть произвольным.

Если по соленоиду протекает переменный ток с частотой сети ω=50 Гц, то интенсивность света I после поляризатора 4 меняется по закону

В этом случае отношение будет характеризоваться зависимостью:

Сравнивая формулы (7) и (14) и учитывая формулу (8), видим, что термические или механические нагрузки непосредственно влияют на точность измерения тока i.

Для минимизации этого влияния приходится применять ряд конструктивных решений, усложняющих и удорожающих известные измерители тока оптические.

Таким сложным и наиболее близким к объекту заявки является известное устройство для измерения электрического тока [6, 7], принцип работы которого основан на измерении интерферометрическим методом фазового сдвига δ_ф между циркулярно поляризованными компонентами света левой и правой циркуляции согласно формуле (1).

Структурная схема известного интерферометра [7] показана на фиг. 2.

Известное устройство содержит волоконный источник света 1 (фиг. 2), максимум спектральной плотности излучения которого соответствует длине волны λ=1550 нм (ИК диапазон света). Далее по ходу распространения света установлены: волоконный световод 2, линейный волоконный поляризатор 3, устройства 4 и 4' для разделения линейно поляризованного света на два пучка с взаимно ортогональными плоскостями поляризации света, четвертьволновое устройство 5 (волоконная четвертьволновая пластинка λ/4), диэлектрический магниточувствительный элемент 6 в виде нескольких витков spun-волокна, находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника с током 7, зеркало 8, второй волоконный световод 9, фотоприемник 10, который подсоединен к электронному блоку 11.

Схема известного устройства работает следующим образом. Излучение от источника света 1 проходит волоконный световод 2, поляризатор 3. Поляризатор 3 преобразует свет в линейно поляризованный. Далее поляризованный свет попадает в волоконный модулятор двулучепреломления 4. Благодаря ориентации плоскости пропускания поляризатора под углом 45° к главным осям модулятора двулучепреломления 4 в волокне формируются две когерентные равные по интенсивности взаимоортогональные линейно поляризованные волны. Модулятор 4 обеспечивает синусоидальную модуляцию разности фаз δ_м между этими волнами. Модулятор 4 является взаимным элементом, поэтому для получения требуемой фазовой модуляции между компонентами световых волн свет проходит через волоконную линию задержки 4'. Временная задержка осуществляется на половину периода модуляционного сигнала. Волны с взаимоортогональными линейными поляризациями поступают на четвертьволновую пластинку 5. Пластинка 5 преобразует линейно поляризованные волны в ортогональные циркулярно поляризованные волны. Эти волны проходят через магниточувствительные spun-волокна 6, находящиеся в продольном магнитном поле фрагмента проводника 7, отражаются от зеркала 8 и распространяются в обратном направлении.

При зеркальном отражении циркулярная поляризация каждой из волн преобразуется в ортогональную (левоциркулярная волна преобразуется в правоциркулярную, а правая в левую). После обратного прохода четвертьволновой пластинки 5 волны вновь преобразуются в линейно поляризованные, но ортогональные исходным. Преобразование циркулярно поляризованных волн в ортогональные исходным при обратном проходе после отражения приводит к тому, что фазовый сдвиг δ_g между линейно поляризованными волнами, приходящими к поляризатору 3, оказывается равным нулю для взаимных эффектов, в том числе разность фаз δ_g, вызванная линейным двулучепреломлением от термических или механических нагрузок, воздействующих на spun-волокно, а разность фаз δ_ф, вызванная эффектом Фарадея, удваивается.

После прохождения света в прямом и обратном направлениях прошедшие поляризатор 3 волны интерферируют. Интенсивность света после светового волновода 9 воспринимается фотоприемником 10. В общем случае, например, при измерении постоянного тока величину (уровень) сигнала фотоприемника 10 в зависимости 6 можно представить в виде:

где U₀ - постоянная составляющая сигнала фотоприемника 10;

K - контрастность (видность) интерференционной картины;

δ=δ_ф+δ_мcos(2πf_mt) - разность фаз между компонентами поляризованного света, вызванная эффектом Фарадея;

f_m - частота модуляции модулятора 4 (фиг. 2);

δ_м - амплитуда модуляции разности фаз волн;

δ_ф=4VNI.

Соотношение (15) является основой для вычисления измеряемого тока модуляционным методом.

При отсутствии протекаемого тока во фрагменте проводника 7 (δ_ф=0) в выходном сигнале фотоприемника 10 присутствуют только четные гармоники с преобладанием второй гармоники.

Если по фрагменту проводника 7 протекает ток и δ_ф ≠ 0, то в сигнале фотоприемника 10 появляются также нечетные гармоники с преобладанием первой гармоники. Величина фазового сдвига δ_ф вычисляется в электронном блоке 11 из отношения амплитуда гармоник, а затем вычисляется измеряемый ток.

Главным достоинством известного способа и устройства для измерения электрического тока [6] является использование двух одинаковых по амплитуде циркулярно поляризованных компонент света с правой и левой циркуляциями, что позволяет после отражения от зеркала 8 компенсировать линейное двулучепреломление, вызванное механическими или термическими нагрузками в магниточувствительном элементе 6.

Однако рассмотренное известное устройство [6, 7] имеет ряд существенных недостатков.

Во-первых, известное устройство сложное, требует особых волоконных световодов с встроенным двойным лучепреломлением и spun-волокно, а также особых модуляторов и линий задержек.

Во-вторых, в этом устройстве используется не полная, а частичная циркулярная поляризация, поскольку на степень поляризации света влияет шаг спиральной структуры spun-волокна, что снижает чувствительность и точность измерения тока.

В-третьих, сравнивая эффект Фарадея в стекле, при использовании источника света, излучающего свет в видимой области спектра, например, обычный светодиод с , и излучающего в ИК области с находим, что в видимой области спектра эффект Фарадея больше в 6 раз! Это означает, что известное устройство [7] имеет в 6 раз меньшую чувствительность в сравнении с подобными устройствами, работающими в видимой области спектра.

В-четвертых, известное устройство [6, 7] содержит несколько сварных соединений волоконных световодов, которые в принципе не могут выполняться без термических напряжений в материале оптического волокна. А термические напряжения вызывают появление двойного лучепреломления, которое искажает состояние поляризации света. Это тоже отрицательно сказывается на точности измерения тока.

Предлагается новый измеритель тока оптический интерференционный свободный от упомянутых недостатков.

Предлагаемое устройство содержит источник квазимонохроматического света в видимой области спектра с максимумом спектральной плотности излучения, совпадающим с длиной волны λ, и установленные последовательно обычный многомодовый волоконный световод, линейный поляризатор, устройство для разделения света на два линейно поляризованных пучка с взаимно ортогональными плоскостями поляризации света, четвертьволновую пластинку λ/4, диэлектрический прозрачный для света с длиной волны λ магниточувствительный элемент, находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника с током, зеркало, второй волоконный световод, фотоприемник и электронный блок.

Устройство для разделения света на два линейно поляризованных пучка выполнено в виде призмы Волластона с углом разведения лучей 2β. Магниточувствительный элемент выполнен в виде прямоугольной призмы из оптического стекла. Первое и второе (по ходу света) основания полированы. Второе основание служит зеркалом и выполнено в виде двух покрытых зеркальным покрытием одинаковых по размеру плоскостей, наклоненных к первому основанию под углами β и образующие по середине основания ребро, перпендикулярное плоскости разведения лучей призмой Волластона. Плоскость пропускания поляризатора и «быстрая» кристаллографическая ось четвертьволновой пластинки λ/4 составляют углы ±45° с плоскостями поляризации лучей, выходящих из призмы Волластона.

Ниже приводится подробное описание предлагаемого устройства и иллюстрируется чертежами.

На фигуре 1 показана структурная схема известного оптического измерителя переменного тока по патенту РФ №2620927 от 05.02.2016 г. МПК G01R 15/24.

На фигуре 2 показана структурная схема волоконно-оптического устройства для измерения величины электрического тока и магнитного поля по патенту РФ №2497135 от 18.05.2012 г., МПК G01R 15/24.

На фигуре 3 показана структурная схема предлагаемого измерителя тока оптического интерференционного.

На фигуре 4 показана структурная схема электронного блока.

Предлагаемый измеритель тока оптический интерференционный содержит источник квазихроматического света 1 (фиг. 3), максимум спектральной плотности излучения μ(λ) которого соответствует длине волны λ, например, λ=650 нм. Далее последовательно (по ходу лучей света) установлены простой обычный многомодовый волоконный световод 2, линейный поляризатор 3, устройство для разделения света на два линейно поляризованных пучка с взаимно ортогональными плоскостями поляризации света в виде призмы Волластона 4 с углом разведения 2β, четвертьволновую пластинку 5 (пластинку λ/4), например, из слюды, диэлектрический прозрачный для света с длиной волны λ магниточувствительный элемент в виде прямоугольной призмы 6 из оптического стекла, например, ТФ5. Призма 6 размещена в продольном магнитном поле фрагмента проводника с током, например, в виде соленоида 7. Первое и второе основания призмы 6 полированы. На первом основании призмы 6 наклеены четвертьволновая пластинка 5 и призма Волластона 4. Второе основание призмы 6 служит зеркалом 8 и выполнено в виде двух покрытых зеркальным покрытием одинаковых по размеру плоскостей, наклоненных к первому основанию под углами β и образуют по середине основания ребро, перпендикулярное плоскости разведения лучей призмой Волластона 4. Плоскость пропускания поляризатора 3 и «быстрая» кристаллографическая ось четвертьволновой пластинки 5 составляют углы ±45° с плоскостями поляризации лучей, выходящих из призмы Волластона 4. В отраженном от зеркала 8 пучке света установлен второй обычный многомодовый световод 9, после которого установлен фотоприемник 10, подключенный к электронному блоку 11. Перед вторым волоконным световодом 9 установлен второй поляризатор 12, плоскость пропускания которого составляет угол 45° с плоскостью пропускания первого поляризатора 3.

Для формирования параллельного пучка света после первого поляризатора 3 установлена линза 13 так, что в ее фокальной плоскости находится торец волоконного световода 2. Рядом с волоконным световодом 2 в этой же фокальной плоскости линзы 13 размещен торец второго волоконного световода 9. Их торцы смещены относительно оптической оси устройства на одинаковые расстояния.

Пленочные поляризаторы 3 и 12 заклеены между покровными стеклянными пластинами встык таким образом, что плоскость пропускания поляризатора 3 составляет угол ±45° по отношению к плоскости разведения лучей призмы Волластона 4, а плоскость пропускания поляризатора 12 совпадает с плоскостью разведения лучей призмой Волластона 4, т.е. отличается от плоскости пропускания поляризатора 3 на 45°. Между линзой 13 и призмой Волластона установлена прямоугольная (щелевая) диафрагма размером щели h так, что ее короткая сторона размером h перпендикулярна плоскости разведения призмы Волластона 4.

Электронный блок 11 содержит предварительный усилитель 15 (фиг. 4) с активной нагрузкой 16. К выходу усилителя 15 последовательно подключены условно показанные дифференциатор, например, в виде емкости 17 и резистора 18, двухполупериодный детектор 19 и сглаживающая емкость 20. К выходу усилителя 15 подсоединен также интегратор, например, в виде резистора 21 и емкости 22, который нагружен переменным резистором 23. Выход детектора 19 и ползунок резистора 23 подключены к микроконтроллеру 24. В свою очередь микроконтроллер 24 подключен к плате интерфейса 25 с индикатором 26. Электронный блок 11 содержит стабилизированный источник питания 27.

Предлагаемый измеритель тока оптический интерференционный работает следующим образом.

Свет от источника 1 (фиг. 3), который в общем случае частично поляризован по волоконному световоду 2, подается в фокальную плоскость коллимирующей линзы 13.

Вышедший из многомодового волоконного световода 2 расходящийся пучок света можно представить вектором Стокса для неполяризованного света, а именно:

где

- частично поляризованный свет источника 1, у которого относительные параметры Стокса Р₁≈Р₂≈Р₃<<1;

- матрица идеального деполяризатора, которым является многомодовый световод;

τ - коэффициент пропускания волокна.

После прохождения света через поляризатор 3 свет становится линейно поляризованным с азимутом поляризации 45°, что видно из перемножения известных матриц:

Линза 13 изотропна и преобразует линейно поляризованный свет в коллимированный пучок, который диафрагмой 14 ограничивается в плоскости чертежа.

Коллимированный линейно поляризованный пучок света проходит призму Волластона 4 и в плоскости чертежа разделяется на два равных по интенсивности линейно поляризованных пучка света, плоскости поляризации которых взаимно ортогональны.

Плоскость поляризации одного из них совпадает с плоскостью разведения лучей призмой 4 (совпадает с плоскостью чертежа) и его можно представить вектором Стокса

а плоскость поляризации другого перпендикулярна этой плоскости, что соответствует вектору Стокса

После призмы Волластона оба пучка света проходят через четвертьволновую пластинку 5, кристаллографические оси которой под углами ±45° к плоскостям поляризации пучков и преобразуются ею в циркулярно поляризованные пучки света, что можно представить векторами Стокса и

где - матрица четвертьволновой пластинки 5 с быстрой кристаллографической осью под 45° по отношению к плоскости чертежа. Если по соленоиду 7 ток не идет , то одинаковые по амплитуде циркулярно поляризованные пучки света проходят без изменения состояния поляризации призму 6, отражаются от зеркальных поверхностей зеркала 8 и возвращаются обратно абсолютно тем же путем.

Известно, что при нормальном отражении циркулярно поляризованного света от зеркальной поверхности происходит изменение разности фаз δ на 180°. Поэтому зеркало 8 можно представить матрицей

а отраженные от зеркала 8 пучки света можно представить векторами

То есть после отражения состояние поляризации пучков поменялось: пучок света с правой циркуляцией вектора (20) преобразовался в вектор с левой циркуляцией (23), пучок света с левой циркуляцией (21) преобразовался в вектор с правой циркуляцией (24).

Оба пучка проходят второй раз изотропную призму 6, второй раз четвертьволновую пластинку 5 и обратно преобразуются ею в пучки с линейными поляризациями, а именно:

Далее одинаковые по амплитуде и по фазе линейно поляризованные пучки света входят в призму Волластона 4 под такими же углами β, как прежде, когда выходили из нее (в прямом направлении), и интерферируют.

В результате интерференции этих двух векторов (25), (26) с взаимно ортогональными линейными поляризациями пучков света на выходе призмы Волластона 4 получается линейно поляризованный свет с азимутом поляризации 45°, что соответствует вектору Стокса

На обратном пути после призмы Волластона свет проходит линзу 13, поляризатор 12, фокусируется на торце волоконного световода 9 и передается фотоприемнику 10.

Интенсивность света I, воспринимаемая фотоприемником 10, пропорциональна первому параметру вектора Стокса

то есть

Если по соленоиду 7 идет переменный ток i=i_maxsinωt с частотой сети (ω=50 Гц), то под действием продольного магнитного поля в стеклянной призме 6 возникает циркулярное двойное лучепреломление (n_л-n_пр) и появляется разность фаз δ_ф (1) между компонентами правой и левой циркуляции поляризованных пучков света.

Четвертьволновой пластинкой 5 обе компоненты преобразуются в линейно поляризованные, которые призмой Волластона 4 преобразуются в один плоскополяризованный пучок света с азимутом поляризации

что можно представить вектором Стокса

После прохождения изотропной линзы 13 и линейного поляризатора 12 пучок света фокусируется на торце волоконного световода 9 и его можно представить вектором Стокса

В процессе прохождения света по многомодовому волоконному световоду 9 происходит его полная деполяризация и фотоприемник 10 воспринимает свет интенсивностью

Фотоприемник 10 (фиг. 4) преобразует свет в электрический сигнал, который усиливается линейным усилителем 15. На выходе усилителя 15 (на нагрузке 16) формируется сигнал в виде суммы постоянной и переменной составляющих

Переменная составляющая U=U₀sin2(α_maxsinωt) частоты ω=50 Гц отфильтровывается дифференциатором (например, емкостью 17 и резистором 18), детектируется двухполупериодным детектором 19, сглаживается емкостью 20 и в виде потенциала, уровень которого пропорционален измеряемому току, подается на вход АЦП процессора 24.

Постоянная составляющая сигнала U₌=U₀ формируется интегратором (резистор 21 и емкость 22), делится переменным резистором 23 и подается на второй вход АЦП процессора 24.

Процессор 24 находит отношение угол поворота плоскости поляризации α=arcsinQ и значение измеренного переменного тока

где М - масштабный коэффициент, который устанавливается резистором 23 при отладке по эталонным токам от поверенных эталонных источников тока.

Далее результаты измерений подаются на плату интерфейса 25 и индицируются на табло 26.

Если в прямом ходе лучей под действием температурных градиентов или других воздействий в стекле призмы 6 возникает линейное двойное лучепреломление и образуется разность фаз δ_g (9), то благодаря циркулярной поляризации света, проходящего по призме 6, в процессе обратного хода и интерференции лучей разность фаз δ_g компенсируется. Для доказательства этого факта рассмотрим простой случай, когда ток i по фрагменту проводника 7 не протекает.

Так при прямом (первом) прохождении пучка с правой циркулярной поляризацией света через призму 6 можно записать

После отражения пучка света от зеркала 8 вектор Стокса будет преобразован согласно уравнению

После вторичного прохождения света через призму 6

Соответственно для другого пучка света с левой циркуляцией можно записать

В процессе отражения этого пучка света от зеркала 8 вектор Стокса будет преобразован согласно уравнению

После вторичного прохождения этого пучка света через призму 6

Оба пучка света (38) и (41) на обратном пути снова проходят четвертьволновую пластинку 5 и преобразуются ею в вектора и следующим образом

Пучки света, состояние поляризации которых характеризуются векторами и , входят в призму Волластона 4 и интерферируют, т.е. эти вектора складываются (согласно правилу [5] каждая строка одного вектора Стокса складывается с соответствующей строкой другого вектора):

Результат сложения векторов доказывает тот факт, что в процессе интерференции разность фаз δ_g между компонентами поляризованного света при линейном двулучепреломлении, вызванном, например, термическими воздействиями на стекло призмы 6, полностью компенсируется обратным ходом (взаимный эффект).

Если по фрагменту проводника 7 протекает переменный ток и в стекле призмы 6 возникает эффект Фарадея, то разность фаз δ_ф между компонентами циркулярно поляризованного света с правой и левой циркуляцией удваивается (невзаимный эффект).

Поэтому фотоприемник 10 (фиг. 4) будет воспринимать свет как прежде, изменяющийся по формуле (33), а микропроцессор 24 находить (рассчитывать) измеряемый ток i по формуле (35).

В этом заключается основное преимущество предлагаемого устройства в сравнении с известными измерителями тока оптическими.

Кроме того, сочетание отличительных признаков, указанных в формуле изобретения, позволило создать простой компактный измеритель тока оптический интерференционный, который свободен от недостатков известных устройств, решающих подобную задачу измерения тока в высоковольтных сетях.

В сравнении с известным прототипом [6, 7] предлагаемый измеритель тока оптический интерференционный имеет ряд преимуществ.

Во-первых, предлагаемое устройство проще в изготовлении, наладке, не содержит особых волоконных световодов типа spun-волокна с встроенным двулучепреломлением, одномодовых волокон, искажающих состояние поляризации света.

Во-вторых, в предлагаемом устройстве между поляризаторами нет никаких волокон, поэтому степень поляризации света равна единице.

В-третьих, в предлагаемом устройстве в качестве источника света используется обычный светодиод или квантовый модуль, излучающие свет в видимой области спектра, с максимумом спектральной плотности излучения μ(λ)_max=630 нм. Это означает, что чувствительность предлагаемого устройства в 6 раз выше известного прототипа.

Предлагаемый измеритель тока оптический интерференционный может стать базовым устройством при создании ряда измерителей переменного тока для электрических высоковольтных сетей различного класса, а также для низковольтной аппаратуры.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. ГОСТ 7746-2001. Трансформаторы тока. Общие технические условия.

2. Годжаев Н.М. Оптика. Учебное пособие для вузов. - М.: Мир, 1965, с. 301.

3. Патент РФ №2620927, G01R 15/24.

4. Фрохт М.М. Фотоупругость. Гостехиздат.М.-Л., 1950.

5. Васильев Б.И. Оптика поляризационных приборов: «Машиностроение», М., 1969.

6. Патент РФ №2497135, G01R 15/24.

7. Губин В.П. и др. Волоконно-оптические трансформаторы электрического тока: физические основы и технические реализации, «Фотоника», т. 12, №7 и №8, 2018.

Измеритель тока оптический интерференционный, содержащий источник квазимонохроматического света, максимум спектральной плотности излучения которого соответствует длине волны λ, и установленные последовательно первый волоконный световод, линейный поляризатор, устройство для разделения света на два линейно поляризованных пучка с взаимно ортогональными плоскостями поляризации света, четвертьволновую пластинку λ/4, диэлектрический прозрачный для света с длиной волны λ магниточувствительный элемент, находящийся в продольном магнитном поле фрагмента проводника с током, зеркало, второй волоконный световод, фотоприемник и электронный блок, отличающийся тем, что с целью упрощения конструкции и повышения точности устройство для разделения света на два линейно поляризованных пучка выполнено в виде призмы Волластона с углом разведения лучей 2β, магниточувствительный элемент выполнен в виде прямоугольной призмы из оптического стекла с полированными первым и вторым основаниями, у которого второе основание служит зеркалом и выполнено в виде двух покрытых зеркальным покрытием одинаковых по размеру плоскостей, наклоненных к первому основанию под равными углами β и образующих по середине основания ребро, перпендикулярное плоскости разведения лучей призмой Волластона, плоскость пропускания поляризатора и «быстрая» кристаллическая ось четвертьволновой пластинки λ/4 составляют углы ±45° с плоскостями поляризации лучей, выходящих из призмы Волластона, а перед вторым волоконным световодом установлен второй поляризатор, плоскость пропускания которого составляет угол 45° с плоскостью пропускания первого поляризатора.