Трансформаторы напряжения

Электрогирационный измерительный
преобразователь напряжения

Оглавление

Введение
1. Анализ существующих оптико-электронных методов преобразования высоких напряжений
1.1 Оптико-электронные методы измерений
1.2 Электрооптический эффект Керра
1.3 Электрооптический эффект Поккельса
1.4 Электрооптический эффект электрогирации
Выводы

2. Способы преобразования высокого напряжения с использованием эффекта электрогирации
2.1 Структурная схема электрогирационного измерительного преобразователя
2.2 Однолучевой способ преобразования высокого напряжения
2.3 Двухлучевой способ преобразования высокого напряжения
2.4 Двухпроходный способ преобразования высокого напряжения
2.5 Способы обработки сигналов фотоприемников
Выводы

3. Погрешности преобразования электрооптического измерительного преобразователя
3.1 Основные источники погрешности преобразования
3.2 Нелинейная зависимость преобразования
3.3 Погрешность из-за неточной установки поляризаторов
3.4 Погрешность из-за линейного двулучепреломления
3.5 Влияние вибраций световодов измерительного преобразователя
3.6 Влияние положения световодов
3.7 Влияние внешних электромагнитных полей
3.8 Влияние температуры окружающей среды
3.9 Погрешность из-за шумов фотоприемника
Выводы

4. Конструкция измерительного преобразователя
4.1 Конструкция первичного измерительного преобразователя
4.2 Структурная схема электронного блока
4.3 Функциональный преобразователь измеряемого сигнала
Выводы

5. Экспериментальные исследования погрешностей электрооптического измерительного преобразователя
5.1 Оценка погрешности функционального преобразователя
5.2 Способы установки поляризаторов под углом π/4 друг к другу
5.3 Определение постоянной электрогирации и ее дисперсии
5.4 Определение поправочных коэффициентов от двулучепреломления
5.5 Определение поправочных коэффициентов от распределения напряженности электрического поля
5.6 Динамический диапазон измерительного преобразователя
5.7 Оценка погрешности от вибраций световодов
5.8 Влияние внешних электрических полей
5.9 Влияние внешних магнитных полей
5.10 Влияние температуры окружающей среды
5.11 Определение электрической прочности кристаллов
Выводы

6. Метрологические испытания измерительного преобразователя
6.1 Программа и методика метрологических испытаний
6.2 Протокол метрологических испытаний
Выводы

Заключение
Литература

Введение.

   В энергетических и электротехнических установках возникает необходимость измерения параметров целого ряда электрических и магнитных величин: тока, напряжения, мощности, энергии, напряженностей электрических и магнитных полей. Диапазоны изменения измеряемых величин и их частотные спектры чрезвычайно широки. Для измерения этих величин используются трансформаторы тока и напряжения.
  Создание сверхмощных линий электропередач, энергетических объектов напряжением сотни киловольт и током десятки килоампер существенно повысило требования к высоковольтной измерительной аппаратуре. К таким требованиям относятся увеличение рабочих токов и напряжений, повышение точности измерения, расширение частотного диапазона, увеличение эксплуатационной надежности и уменьшение массо-габаритных характеристик.
  Именно по этой причине в большинстве развитых стран идут интенсивные поиски и разработки новых методов измерения параметров энергетических объектов. Особое внимание уделяется оптико-электронным трансформаторам тока и напряжения, в основе которых лежит использование светового потока для измерения параметров высоковольтных объектов и оптического канала связи для передачи информации из зоны высокого потенциала.
Преимуществами оптико-электронных трансформаторов являются:
  — полная электрическая развязка между исследуемой высоковольтной цепью и измерительным оборудованием,
  — исключение громоздких изоляционных конструкций,
  — малая чувствительность оптического канала связи к воздействию мощных электромагнитных помех,
  — высокое быстродействие,
  — практическая независимость габаритов, веса и стоимости измерительных устройств от класса рабочего напряжения,
  — большая перегрузочная способность и отсутствие насыщения.

1. Анализ существующих оптико-электронных методов преобразования высоких напряжений

1.1 Оптико-электронные методы измерений

  В основе оптико-электронных методов лежит преобразование в зоне высокого потенциала измеряемого сигнала в световой сигнал, передачи этого сигнала по оптическому каналу в зону низкого потенциала и обратное преобразование светового сигнала в электрический сигнал, пропорциональный измеряемой величине. Электрическая развязка обеспечивается использованием в качестве оптических каналов высоковольтных световодов, способных длительное время эксплуатироваться под высоким напряжением.
  Принято оптико-электронные методы делить на методы с внутренней и внешней модуляцией излучения.
  Под внутренней модуляцией понимается измерение сигнала традиционными методами и воздействие измеренного сигнала на излучение источника света, расположенного на высоком потенциале, передаче этого сигнала по световодам и обратное преобразование в электрический сигнал. Использование этого метода предусматривает применение автономного источника для питания электронной аппаратуры, расположенной в зоне высокого потенциала, поэтому он применяется при возможности периодического доступа обслуживающего персонала к этой аппаратуре.
  Под внешней модуляцией понимается передача по световодам светового потока от источника, расположенного в зоне низкого потенциала, в зону высокого потенциала. Взаимодействие измеряемого сигнала с параметрами пассивной среды, в которой распространяется световой поток источника, обратной передаче этого потока по световодам в зону низкого потенциала и преобразование его в электрический сигнал пропорциональный измеряемому сигналу. Такой метод измерения не требует наличия электронной аппаратуры в зоне высокого потенциала и может применяться для измерений сигнала в течение длительного времени без доступа обслуживающего персонала в зону высокого потенциала.
  В данной НИР будут рассматриваться только измерительные преобразователи напряжения с внешней модуляцией светового потока.

1.2 Эффект Керра

Квадратичный электрооптический эффект Керра проявляется в возникновении двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах (газах, жидкостях, кристаллах с центром симметрии, стёклах) под действием внешнего однородного электрического поля. Оптически изотропная среда, помещённая в электрическое поле, становится анизотропной, приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого направлена вдоль поля.
Регистрируется эффект Керра по возникновению эллиптичности в проходящем через вещество линейно поляризованном свете. Между скрещенными поляризатором и анализатором располагается Керра ячейка в виде плоского конденсатора, заполненного прозрачным изотропным веществом. Плоскость поляризации падающего на ячейку света составляет угол π/4 с направлением поля.
В отсутствие поля свет не проходит через анализатор. Индуцируемая электрическим полем оптическая анизотропия среды приводит к различию показателей преломления обыкновенной и необыкновенной составляющих светового потока, поляризованных соответственно вдоль и поперек поля. Имея разные скорости, эти составляющие по мере распространения через вещество приобретают фазовый сдвиг δ и образуют эллиптически поляризованный свет, который проходит через анализатор.

Большой интерес представляет эффект Керра в жидкостях и газах, так как они не обладают пьезоэффектом и в них отсутствует двулучепреломление в отсутствии измеряемого электрического поля. Постоянная Керра обладает дисперсией, обычно увеличивается при уменьшении длины волны света, может быть положительной и отрицательной, в зависимост от агрегатного состояния вещества, температуры и структуры молекул. Значения постоянных Керра для некоторых жидкостей приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Использование электрооптического эффекта Керра для измерения напряженности электрического поля ограничено из-за его нелинейной — квадратичной зависимости от измеряемой величины, большого температурного коэффициента постоянной Керра и высокой химической агрессивности используемых рабочих жидкостей.

1.3 Эффект Покельса

  Линейным электрооптическим эффектом Поккельса называется изменение линейного двулучепреломления света в кристалле, пропорциональное приложенному электрическому полю. Он отличается от эффекта Керра тем, что линеен по полю, в то время как эффект Керра квадратичен. Эффект Поккельса наблюдается только в пьезокристаллах, во всех центросимметричных телах (жидкости, газы, аморфные тела и т.д.) эффект Поккельса отсутствует. Большой интерес к применению линейного электрооптического эффекта для измерения напряженности электрического поля связано с наличием кристаллов обладающих этим эффектом, которые широко применяются в качестве ультразвуковых излучателей, акустооптических модуляторов и пьезодатчиков.
  Различают поперечный и продольный эффекты Поккельса. В первом случае световой поток в электрооптическом кристалле распространяется перпендикулярно силовым линиям измеряемого электрического поля, а во втором случае параллельно им. В обоих случаях под действием приложенного к электрооптическому кристаллу электрического поля появляется фазовый сдвиг между составляющими светового потока, поляризованными параллельно оптическим осям кристалла.
Для поперечного электрооптического эффекта фазовый сдвиг
   Для продольного электрооптического эффекта фазовый сдвиг
Параметры некоторых наиболее применяемых кристаллов приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Рассмотренный электрооптический эффект Поккельса обычно называют первичным или истинным. На практике этот эффект маскируется вторичным электрооптическим эффектом, обусловленным деформациями пьезокристалла, возникающими при наложении электрического поля. Эти деформации за счет упруго-оптического эффекта приводят к изменению показателя преломления. Деформации зависят от частоты измеряемого электрического поля и резко увеличиваются на частотах собственных колебаний кристаллов. На высоких частотах деформации кристаллов малы и проявляется только первичный электрооптический эффект, а на низких частотах всегда присутствует сумма первичного и вторичного эффектов. Кроме того эти кристаллы обладают значительным естественным двулучепреломлением, которое сильно зависит от температуры окружающей среды.
В измерительных преобразователей напряжения использующих эффект Поккельса электрооптические кристаллы обычно устанавливают в зоне действия электрического поля, создаваемого электродами к которым приложено измеряемое напряжение. При измерении низких напряжений электроды могут прижиматься к торцам кристалла, а при высоком напряжении электроды должны располагаться на расстоянии, обеспечивающем необходимую электрическую прочность конструкции. По изменению двулучепреломления кристалла определяют напряженность электрического поля в месте его установки, а измеряемое напряжение вычисляется по измеренной напряженности и коэффициенту пропорциональности, определяемому конфигурацией электрического поля. Недостатком этих измерительных преобразователей является сильная зависимость результата измерения высокого напряжения от влияния внешних электрических полей.

1.4 Электрооптический эффект электрогирации

  Эффектом электрогирации называется изменение кругового двулучупреломления света в кристалле пропорциональное приложенному электрическому полю и приводящее к изменению оптической активности кристалла. Эффект электрогирации является продольным, наблюдается в центросимметричных кристаллах и не сопровождается побочными явлениями присущими пьезоэлектрикам. Как явление пространственной дисперсии эффект электрогирации отличается от эффекта Фарадея поведением приращения оптической активности при изменении направления распространения света, то есть при изменении направления света на противоположное, изменение оптической активности при эффекте Фарадея изменяет знак, а при эффекте электрогирации не изменяет.
   Электрогирация проявляется в значительном числе известных кристаллов, но для практического использования пригодны обладающие наибольшим эффектом монокристаллы молибдата свинца PbMoO₄ и молибдата натрий висмута NaBi(MoO₄)₂.
  При реализации эффекта электрогирации световой поток в кристалле распространяется вдоль оптической оси параллельно силовым линиям приложенного электрического поля. Под действием этого поля появляется фазовый сдвиг между составляющими светового потока, имеющими правую и левую круговые поляризации. Следовательно, наблюдается вращение плоскости поляризации светового потока. Величина угла поворота плоскости поляризации

Параметры некоторых наиболее применяемых кристаллов приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3

В настоящее время разработаны технологии выращивания таких кристаллов значительных размеров, имеющих высокую электрическую прочность. Это позволяет разрабатывать измерительные преобразователи высокого напряжения, у которых электроды прижимаются непосредственно к электрооптическому кристаллу. Такая конструкция преобразователя обеспечивает измерение интеграла напряженности электрического поля от одного электрода до другого, который равен разности потенциалов между этими электродами и не зависит от внешних электрических полей.

Выводы к главе 1

1. Рассмотренные электрооптические эффекты однозначно показывают перспективность использования для измерения высоких напряжений эффекта электрогирации.
   2. Для создания экспериментального образца измерительного преобразователя необходимо провести следующие работы:
  — разработать оптическую схему первичного измерительного преобразователя;
  — разработать конструкцию первичного измерительного преобразователя, расположенного в зоне высокого потенциала;
  — разработать электронный блок, расположенный в зоне низкого потенциала и преобразующий изменения параметров светового потока в электрический сигнал;
  — разработать оптический канал передачи измерительной информации из зоны высокого потенциала в зону низкого потенциала;
  — исследовать электрическую прочность кристаллов и определить их геометрические размеры, обеспечивающие безотказную работу измерительного преобразователя в заданном диапазоне напряжений;
— провести лабораторные испытания экспериментального образца измерительного преобразователя высокого переменного и импульсного напряжения.

2. Способы преобразования высокого напряжения с использованием эффекта электрогирации

2.1 Структурная схема электрогирационного измерительного преобразователя

Электрооптический измерительный преобразователь состоит из первичного преобразователя, содержащего электрооптический кристалл, к торцам которого прижаты электроды, электронного блока и оптически связывающих их световодов. В электродах установлены линзы, обеспечивающие ввод-вывод светового потока из световодов, поляризатор и анализатор. Высокое измеряемое напряжение подключается к электродам первичного преобразователя, а выходное напряжение снимается с электронного блока, расположенного в зоне низкого потенциала. На рис.2.1. приведена структурная схема измерительного преобразователя.

Рис.2.1. Структурная схема электрогирационного
измерительного преобразователя

Световой поток от источника света, расположенного в электронном блоке, поступает по первому световоду в первичный преобразователь, после поляризатора становится линейно поляризованным и распространяется в электрооптическом кристалле. Благодаря эффекту электрогирации азимут поляризации светового потока в кристалле модулируется пропорционально измеряемому напряжению, а после анализатора изменения азимута преобразуются в пропорциональные изменения интенсивности светового потока. Этот поток возвращается по второму световоду в электронный блок, где преобразуется в пропорциональный ему электрический сигнал.

2.2 Однолучевой способ преобразования высокого напряжения

В кристалле электрооптического преобразователя распространяется световой поток, с углом расхождения задаваемым параметрами оптической схемы. Этот поток может быть представлен в виде пучка лучей, каждый из которых линейно поляризован и распространяется в конусе, определяемым этим углом. Из-за отклонения лучей от оптической оси кристалла между составляющими света, плоскости которых ориентированы параллельно и перпендикулярно плоскости образованной оптической осью кристалла и направлением луча, появляется фазовый сдвиг, являющийся причиной интерференции и наблюдения коноскопических фигур. На рис.2.2. приведены коноскопические фигуры одноосного кристалла.

Рис.2.2. Коноскопические фигуры одноосного кристалла

Для оценки влияния этих факторов на коэффициент преобразования первичный преобразователь заменяется моделью, которая для каждого светового луча представляет собой два ротатора с суммарным углом поворота плоскости поляризации равным измеряемой величине и, установленную между ними, фазовую пластинку с разностью фаз определяемой двулучепреломлением выбранного луча в электрооптическом кристалле. На рис.2.3. приведена модель однолучевого первичного преобразователя.

Рис.2.3. Модель однолучевого первичного преобразователя

Для такой модели вектор Джонса светового потока, выходящего из анализатора в координатах осей фазовой пластинки После преобразований интенсивность светового потока на выходе анализатора
При отсутствии двулучепреломления
Так как измеряемое напряжение является переменным, то мгновенное значение синуса угла поворота в электрогирационном преобразователе может быть определено по отношению переменной и постоянной составляющих светового потока

Преимуществом однолучевого измерительного преобразователя является простота его конструкции.

2.3 Двухлучевой способ преобразования высокого напряжения

При двухлучевом способе преобразования высокого напряжения анализатор выполняется двухлучевым и разделяет, падающий на него световой поток, на две ортогонально поляризованных составляющих. На рис.2.4. приведена модель двухлучевого первичного преобразователя.

Рис.2.4. Модель двухлучевого первичного преобразователя

Интенсивности световых потоков на выходах анализатора
При отсутствии двулучепреломления

Сумма и разность световых потоков

Так как измеряемое напряжение является переменным, то мгновенное значение синуса угла поворота в электрогирационном преобразователе может быть определено по отношению разностного светового потока к суммарному

Преимуществом двухлучевого измерительного преобразователя является измерение разности интенсивности световых потоков, которая мало зависит от шумов источника света и флуктуаций коэффициента затухания в оптической схеме.

2.4 Двухпроходный способ преобразования высокого напряжения

При двухпроходном способе преобразования высокого напряжения световой поток проходит кристалл электрооптического преобразователя дважды, в противоположных направлениях. На рис.2.5. приведена модель двухпроходного измерительного преобразователя.

Рис.2.5. Модель двухпроходного измерительного преобразователя

При эффекте электрогирации под действием электрического поля приложенного к кристаллу возникает или изменяется оптическая активность, при этом направление вращения азимута поляризации света не зависит от направления распространения света в кристалле, а зависит лишь от направления, напряженности приложенного электрического поля. При эффекте Фарадея под действием магнитного поля направление вращения азимута поляризации зависит и от направления распространения света и от направления напряженности приложенного магнитного поля.
Если свет последовательно проходит кристалл в ортогональных направлениях, суммарный азимут вращения будет зависеть от способа изменения направления распространения света. При изменении направления распространения света зеркалом, азимуты вращения поляризации, обусловленные эффектом электрогирации, взаимно компенсируются, а обусловленные эффектом Фарадея суммируются. При изменении направления распространения света поворотно-оборотной призмой, азимуты вращения поляризации, обусловленные эффектом электрогирации, суммируются, а обусловленные эффектом Фарадея взаимно компенсируются.
На рис.2.6. приведена конструкция поворотно-оборотной призмы.

Рис.2.6. Поворотно-оборотная призма

Световой поток входит в призму через плоскость YOX параллельно оси Z, отражается от наклонной плоскости под углом π/4 и распространяется параллельно плоскости YOX в направлении к оси Z. Далее свет, поочередно отражаясь от плоскостей XOZ и YOZ, возвращается в обратном направлении, повторно отражается от наклонной плоскости под углом π/4 и выходит из призмы параллельно оси Z в ортогональном входящему световому потоку направлении. Прошедший призму свет претерпевает четыре отражения и распространяется ортогонально падающему световому потоку. Фазовый сдвиг между p- и s- составляющими света при первом полном внутреннем отражении компенсируется фазовым сдвигом при втором отражении, так как составляющие меняются местами, а при третьем полном внутреннем отражении компенсируются при четвертом отражении. Следовательно, изменение направления происходит без изменения его поляризации.
В модели двухпроходного измерительного преобразователя поляризатор и анализатор совмещены в одной призме, поэтому их плоскости пропускания расположены под углом π/2 друг другу. Для оптимальной работы измерительного преобразователя этот угол должен составлять π/4, поэтому необходимо плоскость поляризации света дополнительно повернуть на угол π/4. Это может быть осуществлено, поворотом поворотно-оборотной призмы вокруг оси Z при юстировке первичного преобразователя. Аналитическое описание световых потоков модели двухпроходного измерительного преобразователя полностью совпадает с описанием однолучевого измерительного преобразователя.
Преимуществом двухпроходного измерительного преобразователя является расположение его входа и выхода с одной стороны, которая располагается в зоне низкого потенциала, и взаимная компенсация азимутов вращения поляризации обусловленных внешними магнитными полями.

2.5 Способы обработки сигналов фотоприемников

Измеряемое однолучевым измерительным преобразователем напряжение пропорционально отношению переменной составляющей выходного напряжения фотоприемника к его постоянной составляющей. Формирование этого отношения может быть реализовано различными способами.
Первый способ формирования отношения заключается в выделении с помощью фильтров верхних и нижних частот переменной и постоянной составляющих выходного напряжения усилителя фототока и последующего деления мгновенного значения переменного напряжения на постоянное напряжение. Использование аналоговых схем для такого деления напряжений не позволяет обеспечить высокую точность, а преобразование составляющих выходного напряжения фотоприемника в цифровые значения и деление этих значений в цифровой форме, усложняет преобразователь и ограничивает его полосу пропускания частотой дискретизации аналого-цифровых преобразователей.
Второй способ формирования отношения заключается в выделении с помощью фильтра нижних частот постоянной составляющей выходного напряжения усилителя фототока, и изменении его коэффициента передачи так, чтобы постоянная составляющая всегда была равна некоторому опорному напряжению U₀. В этом случае составляющие выходного напряжения усилителя фототока

Для реализации этого способа необходимо автоматически изменять коэффициент передачи усилителя фототока. Использование аналоговых схем приводит к появлению нелинейной зависимости коэффициента передачи от величины сигнала, а цифровые схемы усложняют преобразователь.
Третий способ формирования отношения заключается в выделении с помощью фильтра нижних частот постоянной составляющей выходного напряжения усилителя фототока, и изменении интенсивности источника света так, чтобы постоянная составляющая всегда была равна некоторому опорному напряжению U₀.
Это наиболее простой способ, при его реализации необходимо изменять только ток источника света, а параметры фотоприемника и усилителя фототока остаются неизменными.
Измеряемое двухлучевым измерительным преобразователем напряжение пропорционально отношению разности выходных напряжений фотоприемников к сумме этих напряжений. Формирование этого отношения может быть реализовано, аналогично способам однолучевых измерительных преобразователей. Однако в двухлучевых преобразователя необходимо выполнение равенства коэффициентов преобразования фотоприемников, которое может быть обеспечено только изменение коэффициента передачи усилителей фототока. Невыполнение этого равенства приводит к появлению постоянной составляющей в разности напряжений фотоприемников, что не желательно.
Для выравнивания коэффициентов преобразования фотоприемников необходимо выделить с помощью фильтров нижних частот постоянные составляющие выходного напряжения каждого усилителя фототока, и изменить его коэффициент передачи так, чтобы постоянная составляющая каждого усилителя всегда была равна некоторому опорному напряжению U₀.

Преимуществом двухлучевых измерительных преобразователей является удвоенный коэффициент преобразования.

Выводы к главе 2

1. Рассмотрена структурная схема электрогирационного измерительного преобразователя.
2. Аналитически определены выражения световых потоков, падающих на фотоприемник для различных способов преобразования высокого напряжения.
3. Рассмотрены всевозможные способы обработки сигналов фотоприемников и показаны их достоинства и недостатки.

3. Погрешности преобразования электрооптического измерительного преобразователя

3.1 Основные источники погрешности преобразования

При преобразовании высокого напряжения в поворот плоскости поляризации света, передаче его из зоны низкого потенциала в зону высокого потенциала и обратно, преобразования светового потока в электрический сигнал и его обработке возникает ряд источников погрешности, обусловленных влиянием следующих факторов:
— нелинейная зависимость преобразования, обусловленная законом Малюса,
— неточность установки плоскостей пропускания поляризационных приборов в измерительном преобразователе,
— линейное двулучепреломление света в электрооптическом кристалле, обусловленное дефектами его кристаллической решетки и отклонением направления распространения света от оптической оси кристалла,
— вибрация световодов измерительного преобразователя обусловленные условиями эксплуатации,
— положение световодов при их установке,
— внешние электромагнитные поля,
— температура окружающей среды, — шумы фотоприемника.

3.2 Нелинейная зависимость преобразования

Нелинейная зависимость преобразования угла поворота плоскости поляризации света в выходное напряжение измерительного преобразователя обусловлено законом Малюса. Это приводит к возникновению искажений формы измеряемого напряжения.
Если максимальное значение угла поворота превышает π/4, то выходное напряжение неоднозначно связано с измеряемым напряжением, поэтому максимальное измеряемое преобразователем напряжение ограничено этим значением. На рис.3.1. приведены искажения формы выходного напряжения измерительного преобразователя при измеряемом напряжении, изменяющемся по синусоидальному закону, и различных максимальных значениях угла поворота плоскости поляризации.

Рис.3.1. Искажения формы выходного напряжения при максимальных значениях угла поворота плоскости поляризации π/12, π/6, π/4, 3π/8, π/2.

Если максимальное значение угла поворота меньше π/4, то появляется систематическая функциональная составляющая погрешности преобразования

Эта составляющая погрешности всегда постоянна и может быть скомпенсирована в электронном блоке преобразователя. Для исключения или уменьшения этой погрешности электронный блок должен вычислять обратную синусоидальную тригонометрическую функцию из отношения переменой и постоянной составляющих.

3.3 Погрешность из-за неточной установки поляризаторов

При юстировке первичного измерительного преобразователя, плоскости пропускания света поляризаторов должны быть установлены под углом π/4 друг к другу. Из-за неточной установки поляризаторов возникает составляющая погрешности, которая может быть оценена рассмотрением выражения для интенсивности светового потока на выходе первичного измерительного преобразователя
Переменная составляющая светового потока

Постоянная составляющая светового потока

Зависимость постоянной составляющей от измеряемого напряжения позволяет контролировать неточность установки поляризаторов.
При малых углах неточности установки поляризаторов γ≪1, отношение переменной и постоянной составляющих интенсивности светового потока

Первый множитель выражения определяет систематическую мультипликативную составляющую погрешности преобразования, обусловленную неточностью установки поляризаторов

Первый член второго множителя пропорционален измеряемой величине. Второй член второго множителя обусловлен нелинейной зависимостью преобразования, рассмотренной выше, и содержит составляющую, изменяющуюся с утроенной частотой. Третий член второго множителя выражения изменяется с удвоенной частотой и определяет нелинейные искажения выходного сигнала измерительного преобразователя, обусловленные неточной установкой поляризаторов, которые могут быть оценены по отношению первой и второй гармоник выходного сигнала

Измерение амплитуды второй гармоники при юстировке поляризаторов первичного преобразователя позволяет более точно установить их плоскости поляризации и уменьшить нелинейные искажения и систематическую мультипликативную составляющую погрешности преобразования.

3.4 Погрешность из-за линейного двулучепреломления

Линейное двулучепреломление света в электрооптическом кристалле, обусловленное дефектами его кристаллической решетки и отклонением направления распространения света от оптической оси кристалла.
Дефекты решетки появляются в процессе выращивания кристаллов, они зависят от применяемой технологии и для электрооптических измерительных преобразователей отбираются кристаллы, имеющие минимальные дефекты.
Эффект электрогирации проявляется в центросимметричных кристаллах, у которых коэффициенты преломления в направлении кристаллической оси кристалла и в направлении перпендикулярном этой оси различны, поэтому при распространении света вдоль оси двулучепреломление отсутствует. При отклонении света от кристаллической оси между составляющими света, поляризованными в плоскости расположения оси и перпендикулярной этой плоскости возникает фазовый сдвиг пропорциональный разности коэффициентов преломления кристалла и углу отклонения света.

Для любого луча, распространяющегося под углом к кристаллической оси, переменная составляющая светового потока

а для всего светового потока, разность фаз составляющих которого ограничена

Для любого луча, распространяющегося под углом к кристаллической оси, постоянная составляющая светового потока

Так как световые лучи, падающие на кристалл, линейно поляризованы, а кристалл обладает центральной симметрией, то азимуты поляризации световых лучей относительно плоскости расположения кристаллической оси при одинаковом угле отклонения могут принимать все возможные значения в диапазоне 0≤α_i≤π , поэтому постоянная составляющая всего светового потока

Отношение переменной и постоянной составляющих интенсивности светового потока

При распространении света вдоль оптической оси кристалла двулучепреломление отсутствует, а при расходящемся световом потоке симметричном относительно этой оси возникает систематическая мультипликативная составляющая погрешности

На рис.3.2. приведена зависимость этой составляющей погрешности от максимального значения разности фаз ортогонально поляризованных составляющих света.

Рис.3.2. Зависимость мультипликативной составляющей погрешности от максимального значения разности фаз ортогонально поляризованных составляющих света.

При δ_m<1, разлагая в степенной ряд мультипликативная составляющая погрешности

Погрешность из-за линейного двулучепреломления является систематической составляющей погрешности, которая постоянна, определяется углом расхождения светового потока в электрооптическом кристалле, и может быть учтена при калибровке преобразователя.

3.5 Влияние вибраций световодов измерительного преобразователя

Для передачи когерентного монохроматического света от электронного блока к первичному преобразователю применяются многомодовые световоды. В световоде одновременно распространяется ряд типов электромагнитных волн, называемых модами. Общее число мод в многомодовых световодах определяется выражением

Выходящий из оптического волокна свет представляет собой пучок лучей, расходящийся в телесном угле, характеризуемом числовой апертурой световода. Каждый из лучей эллиптически поляризован, но оси эллипсов поляризации расположены произвольно. При эксплуатации энергетического оборудования возникают магнитные поля протекающих токов, которые приводят к вибрациям элементов оборудования с частотой равной или кратной частоте промышленной сети. Эти вибрации передаются световодам, поэтому наблюдается хаотическое изменение положения лучей в телесном угле и положения осей эллипсов поляризации. Выходящий из световода свет формируется линзой в параллельный пучок, который после поляризатора распространяется в электрооптическом кристалле. Поляризатор пропускает составляющие света, поляризованные только параллельно своей оптической оси, поэтому при вибрациях световода происходит паразитная модуляция светового потока по интенсивности.
Для оценки паразитной модуляции на выходе поляризатора рассмотрим модель, представляющую собой поляризатор, на который падает пучек лучей, каждый из которых имеет произвольную поляризацию. Вектор Джонса для — того луча на выходе поляризатора

После преобразований интенсивность — того луча

Математическое ожидание интенсивности — того луча

Дисперсия интенсивности — того луча

Математическое ожидание интенсивности суммарного светового потока

Дисперсия интенсивности суммарного светового потока

Среднее квадратичное отклонение интенсивности светового потока, характеризующее его паразитную модуляцию на выходе поляризатора

После первичного преобразователя и второго поляризатора световой поток фокусируется линзой на торец выходного световода, по которому поступает на фотоприемник. При этом происходит паразитная модуляция светового потока по интенсивности из-за вибраций выходного световода и неточной фокусировки светового потока в его центр. Случайная аддитивная составляющая погрешности преобразования, обусловленная вибрациями световодов

Для уменьшения этой составляющей погрешности необходимо увеличивать диаметр волокна входного оптического кабеля, это увеличит общее число мод и, следовательно, уменьшит паразитную модуляцию. Кроме того, общее число мод увеличивается при использовании некогерентных источников излучения с широкой спектральной полосой генерируемого светового потока. Значительное уменьшение этой составляющей погрешности достигается применением двухлучевого способа преобразования высокого напряжения.

3.6 Влияние положения световодов

Выходящий из световода свет формируется линзой в параллельный световой поток, угол расхождения которого определяется диаметром световедущей жилы световода и фокусным расстоянием линзы. После поляризатора свет становится линейно поляризованным в плоскости параллельной оси пропускания поляризатора, но в нем содержится паразитная составляющая с произвольной поляризацией, интенсивность которой зависит от качества поляризатора, а поляризация от вида поляризации света, падающего из световода на поляризатор. Так как при установке измерительного преобразователя световод может принимать произвольное положение, поляризация вышедшего из него света произвольна и, следовательно, паразитная составляющая имеет тоже произвольную поляризацию. Присутствие этой составляющей приводит к появлению случайной мультипликативной составляющей погрешности, пропорциональной степени поляризации света применяемого поляризатора. Для уменьшения этой погрешности необходимо применять поляризаторы с большей степенью поляризации.
Кроме того после поляризатора интенсивность света в сечении пучка зависит от взаимного положения плоскости пропускания поляризатора и поляризации соответствующего луча. При изменении положения световода происходит изменение поляризации лучей и, следовательно, изменение интенсивности света в сечении пучка, которые имеют порядок аналогичный среднему квадратичному отклонению интенсивности светового потока из-за его паразитной модуляции, обусловленной вибрациями световода

Эти изменения приводят к изменению систематической мультипликативной составляющей погрешности, обусловленной углом расхождения светового потока в электрооптическом кристалле, на величину этих изменений и к появлению случайной мультипликативной составляющей погрешности

3.7 Влияние внешних электромагнитных полей

В процессе преобразования на электрооптический кристалл действуют переменные электрические поля соседних проводников, например, соседних фаз и переменные магнитные поля токов, протекающих по элементам конструкции с измеряемым напряжением.
Влияние электрических полей исключается благодаря тому, что измеряемое напряжение прикладывается непосредственно к торцам электрооптического кристалла. Это обеспечивает измерение угла поворота плоскости поляризации света, пропорционального разности потенциалов, приложенных к электродам преобразователя.

Магнитные поля протекающих по элементам конструкции токов приводят к появлению угла поворота плоскости поляризации света, благодаря магнитооптическому эффекту Фарадея в электрооптическом кристалле.

Напряженность магнитного поля линейного проводника с током

Для уменьшения составляющей погрешности, обусловленной внешним магнитным полем необходимо первичный преобразователь располагать на достаточном удалении от источников магнитного поля.

3.8 Влияние температуры окружающей среды

Температура окружающей среды оказывает влияние на первичный преобразователь и на электронный блок.
При изменении температуры окружающей среды изменяется температура первичного преобразователя, изменяется постоянная электрогирации электрооптического кристалла и, следовательно, возникает погрешность преобразования. Для уменьшения этой погрешности необходимо измерять температуру, окружающей первичный преобразователь среды, и вносить поправку в результат преобразования.
Температура окружающей среды оказывает влияние на электронный блок, кроме того в процессе его эксплуатации выделяется тепло, которое так же изменяет температуру электронного блока. При изменении температуры электронного блока изменяется температура источника света и изменяется длина волны излучения. Так как постоянная электрогирации зависит от длины волны источника света, возникает дополнительная погрешность преобразования. Для уменьшения этой погрешности необходимо с помощью термостата температуру источника света поддерживать постоянной, либо вносить поправку, компенсирующую эту погрешность.

3.9 Погрешность из-за шумов фотоприемника

В измерительном преобразователе чувствительным элементом фотоприемника удобнее всего использовать фотодиод. Фотодиод может включаться в фотодиодном или фотогальваническом режиме. В первом режиме фотоприемник обладает большим быстродействием, но его выходное напряжение зависит от измеряемого светового потока и величины темнового тока фотодиода. Во втором режиме темновой ток отсутствует и для его реализации используется трансимпедансный усилитель фототока. Шум такого фотоприемника состоит из шумов источника света, дробового шума фотодиода и теплового шума резистора обратной связи усилителя. Шумы источника света малы по сравнению с шумами фотоприемника, но они существенно возрастают при вибрациях световода, которые рассмотрены выше.
Дробовой шум фотодиода

Тепловой шум усилителя

Действующее значение шумового напряжения на выходе усилителя

Это напряжение определяет случайную аддитивную составляющую погрешности преобразования измеряемого напряжения.

Выводы к гл. 3

1. Предложена упрощенная модель электрооптического измерительного преобразователя, которая позволила аналитически исследовать различные составляющие погрешности.
2. Рассмотрены основные источники погрешности преобразования высокого переменного напряжения, возникающие при использовании электрооптического эффекта электрогирации.
3. Получены аналитические выражения позволяющие оценить составляющие погрешности преобразования напряжения, обусловленные каждым влияющим фактором в отдельности.

4. Даны рекомендации, выполнение которых позволяет уменьшить отдельные составляющие погрешности и, следовательно, повысить точность преобразования измеряемого высокого напряжения.

4. Конструкция измерительного преобразователя

4.1. Конструкция первичного измерительного преобразователя

В разработанном электрооптическом измерительном преобразователе переменного напряжения чувствительным элементом является центросимметричный кристалл NaBi(MoO₄)₂ длиной 52 мм, 65 мм либо 90 мм, расположенный в высоковольтном диэлектрическом корпусе выполненным из полиамида Б. К торцам кристалла прижаты металлические электроды, в корпусе которых установлены поляризаторы и линзы. На рис.4.1. приведена упрощенная конструкция первичного измерительного преобразователя.

Рис.4.1. Конструкция первичного измерительного преобразователя.

Излучение, поступающее из зоны низкого потенциала по первому световоду формируется первой линзой в параллельный световой поток, который после первого поляризатора становится линейно поляризованным и через отверстия в электродах, распространяется в кристалле параллельно его оптической оси. Азимут поляризации потока поворачивается в кристалле на угол пропорциональный приложенному к электродам напряжению. После второго поляризатора, плоскость пропускания которого установлена под углом π/4 к плоскости пропускания первого поляризатора, изменения азимута поляризации преобразуются в пропорциональные изменения интенсивности этого потока. Вторая линза вводит модулированный по интенсивности световой поток во второй световод, который передает его в зону низкого потенциала.
Для увеличения электрической прочности чувствительного элемента пространство между электродами вокруг кристалла заполнено трансформаторным маслом, а для исключения коронного разряда вокруг электродов установлены тороидальные металлические экраны.
Такая конструкция обеспечивает измерение интегрального значения угла поворота плоскости поляризации света в чувствительном элементе на промежутке между электродами, величина которого пропорциональна разности потенциалов этих электродов.

Следует особо отметить, что такой преобразователь измеряет приложенное к его электродам напряжение, а не напряженность электрического поля, которая может изменяться от влияния внешних факторов.
Конструкция измерительного преобразователя полностью симметрична и равнозначно работает, как при распространении света в кристалле справа налево, так и наоборот слева направо. Кроме того конструкция позволяет измерять разность двух высоких напряжений, например, линейное напряжение трехфазной электрической сети. На рис.4.2. приведены фотографии электрооптических измерительных преобразователей напряжения.

Рис.4.2. Электрооптические измерительные преобразователи напряжения

4.2. Структурная схема электронного блока

Электронный блок измерительного преобразователя предназначен для генерации излучения, распространяющегося в первичном преобразователе, преобразования этого излучения в электрический сигнал и формирования выходного напряжения пропорционального высокому измеряемому переменному напряжению. На рис.4.3. приведена упрощенная структурная схема электронного блока.

Рис.4.3. Структурная схема электронного блока.

В разработанном электронном блоке, расположенном в зоне низкого потенциала, источником света является светодиод с длиной волны 0.94 мкм, 0.85 мкм либо 0.62 мкм, который имеет хороший тепловой контакт с корпусом электронного блока и передает по световоду излучение в зону высокого потенциала. Прошедший первичный измерительный преобразователь свет возвращается по второму световоду в зону низкого потенциала и преобразуется фотодиодом в пропорциональный интенсивности света ток. Усилитель фототока формирует напряжение пропорциональное этому току. Интегратор сравнивает это напряжение с напряжением опорного источника и управляет током светодиода таким образом, чтобы постоянная составляющая напряжения усилителя фототока была равна напряжению опорного источника.

Переменная составляющая напряжения усилителя фототока будет пропорциональна азимуту вращения плоскости поляризации света в первичном измерительном преобразователе.

Частота среза амплитудно-частотной характеристики усилителя фототока определяется элементами обратной связи и составляет 20 кГц, а шум на его выходе 0.12 мВ.
Функциональный преобразователь имеет передаточную функцию

Масштабный усилитель имеет коэффициент передачи, изменяющийся в пределах от K = 3 до К = 4.

4.3. Функциональный преобразователь измеряемого сигнала

Функциональный преобразователь представляет собой усилитель с нелинейным коэффициентом передачи, который сформирован с помощью диодно-резисторной матрицы. На рис.4.4. приведена упрощенная схема функционального преобразователя.

Рис.4.4. Принципиальная схема функционального преобразователя

Расчетная погрешность такого функционального преобразователя при выборе резисторов класса точности 1% не превышает 0.3% при максимальном угле вращения плоскости поляризации 0.5 рад. При меньших максимальных углах вращения резистор R15 уменьшается, и погрешность уменьшается пропорционально квадрату уменьшения этого угла. На рис.4.5. приведены результаты расчета и способ формирования выходного напряжения функционального преобразователя.

Рис.4.5. Результаты расчета и способ формирования выходного напряжения функционального преобразователя

Выводы к главе 4

   1. Предложена конструкция первичного измерительного преобразователя.
   2. Рассмотрена структурная схема электронного блока измерительного преобразователя.
   3. Рассмотрен способ формирования выходного напряжения функционального преобразователя.

5. Экспериментальные исследования погрешностей электрооптического измерительного преобразователя

5.1 Погрешности функционального преобразователя

Для оценки погрешности функционального преобразователя на его вход подавалось постоянное напряжение, изменяющееся в пределах от 0 до 10 В. Входное и выходное напряжения измерялись с помощью цифрового вольтметра постоянного тока класса 0.01. В таблице 5.1 приведены результаты измерений при различных значениях коэффициента линеаризации.

Таблица 5.1.а

Таблица 5.1.б

Таблица 5.1.в

На рис.5.1. Приведены передаточные функции функционального преобразователя при различных значениях коэффициента линеаризации.

Рис. 5.1. Передаточные функции функционального преобразователя
при различных значениях коэффициента линеаризации

5.2 Способы установки поляризаторов под углом π/4 друг к другу

Поляризаторы должны быть установлены под углом π/4 друг к другу, однако электрооптический кристалл NaBi(MoO₄)₂ может иметь некоторую постоянную оптическую активность, поэтому этот угол должен учитывать угол поворота плоскости поляризации вызванный оптической активностью. Удобнее всего устанавливать поляризаторы при одновременном измерении двух полярного входного сигнала, обеспечивающего азимут вращения плоскости поляризации света в первичном измерительном преобразователе превышающим π/4 в каждую сторону, и регистрации его выходного напряжения. Поляризаторы при этом устанавливаются таким образом, чтобы амплитуды положительного и отрицательного зарегистрированных сигналов были равны друг другу. Измеряемое высокое напряжение, обеспечивающее такой азимут вращение, будет составлять сотни тысяч вольт, что будет значительно превышать максимально допустимое измеряемое преобразователем напряжение и может привести к его электрическому пробою.
Необходимый азимут вращения плоскости поляризации света можно обеспечить используя магнитооптический эффект Фарадея. Для этого первичный преобразователь помещается в цилиндрическую катушку, стенда формирования больших токов, который работает в импульсном режиме и формирует мощные синусоидальные токи контура из высоковольтного конденсатора и цилиндрической катушки, намотанной медной шиной. На рис.5.2. приведена структурная схема стенда формирования больших токов.

Рис. 5.2. Структурная схема стенда формирования больших токов

Большие токи, протекающие по медной шине катушки, создают синусоидальное магнитное поле с затухающей амплитудой, в которое помещен первичный преобразователь. В электрооптическом кристалле благодаря эффекту Фарадея происходит вращение азимута поляризации света, который преобразуется в пропорциональное напряжение на выходе измерительного преобразователя. Это напряжение регистрируется запоминающим осциллографом. Испытания проводились на первичном измерительном преобразователе с кристаллом NaBi(MoO₄)₂ длиной 65 мм и длине волны источника света 0.85 мкм.
На рис.5.3. приведены осциллограммы выходного напряжения измерительного преобразователя, поляризаторы которого установлены под углом π/4 друг к другу на стенде больших токов.

Рис.5.3. Осциллограммы выходного напряжения

измерительного преобразователя

5.3. Определение постоянной электрогирации и ее дисперсии

Для определения постоянной электрогирации и ее дисперсии исследовались три первичных преобразователя с длиной электрооптического кристалла 52 мм, 65 мм и 90 мм. Они поочередно подключались к трем электронным блокам с длиной волны источника света 0.94 мкм, 0.85 мкм и 0.62 мкм. На рис.5.4. приведена структурная схема испытаний электрооптического измерительного преобразователя.

Рис.5.4. Структурная схема испытаний электрооптического измерительного преобразователя.

В таблицах 5.2, 5.3, 5.4 приведены результаты испытаний и средние коэффициенты преобразования.

Таблица 5.2

Кристалл NaBi(MoO₄)₂, L = 52х15х15 мм, F = 25 мм.

Таблица 5.3

Кристалл NaBi(MoO₄)₂ , L = 65х15х15 мм, F = 25 мм.

Таблица 5.4

Кристалл NaBi(MoO₄)₂ , L = 90х15х15 мм, F = 40 мм.

Из таблиц видно, что средние коэффициенты преобразования K_U для измерительных преобразователей с разной длиной электрооптического кристалла отличаются друг от друга на 10-15 %. Этот разброс обусловлен линейным двулучепреломлением света из-за его распространения под некоторым углом к кристаллической оси кристалла и неодинаковым распределением напряженности электрического поля в кристалле. Угол отклонения зависит от диаметра световода и фокусного расстояния линзы, формирующей параллельный световой поток, которые в разработанных первичных преобразователях составляют 25 мм и 40 мм.
Для уменьшения этого разброса необходимо учесть поправочные коэффициенты.

5.4. Определение поправочных коэффициентов от двулучепреломления

Для определения поправочных коэффициентов первичный преобразователь помещался в цилиндрическую катушку, стенда формирования больших токов, который работал в импульсном режиме и формировал мощные синусоидальные токи. Регистрировались выходные напряжения измерительных преобразователей с кристаллами длиной 52 мм, 65 мм, 90 мм и длине волны источника света 0.94 мкм, 0.85 мкм и 0.62 мкм и напряжение на шунте трансформатора тока. На рис.5.5…рис.5.13. приведены зарегистрированные выходные напряжения.

Если световой поток в кристалле распространяется строго параллельно оптической оси, то прошедший кристалл свет будет линейно поляризован и его плоскость поляризации будет повернута на угол пропорциональный напряженности магнитного поля. Размах зарегистрированного выходного напряжение измерительного преобразователя будет равен 2U₀ (0…10 В).
Если световой поток в кристалле расходяшийся, то прошедший кристалл свет будет эллиптически поляризован и большая ось эллипса будет повернута на тот же угол, пропорциональный напряженности магнитного поля. Размах зарегистрированного выходного напряжение измерительного преобразователя меньше и будет равен .
Поправочные коэффициенты определяются по отношению

5.5. Определение поправочных коэффициентов
от распределения напряженности электрического поля

В разработанном измерительном преобразователе для прохождения света через электрооптический кристалл в электродах имеются отверстия, которые приводят к искажению электрического поля в окрестностях этих отверстий. На рис.5.14. приведена структура распределения напряженности электрического поля в электрооптическом измерительном преобразователе, а на рис.5.15. приведена структура распределения напряженности поля в окрестности электродов.

Рис.5.14. Распределение напряженности электрического поля в электрооптическом измерительном преобразователе

Рис.5.15. Распределение напряженности электрического поля в окрестности электродов.

Поправочные для такого распределения напряженности электрического поля определяются по выражению.

В таблице 5.5 приведены результаты расчетов поправочных коэффициентов для первичных преобразователей различной длины.

Таблица 5.5

Искажения электрического поля в окрестностях отверстий электродов могут быть устранены с помощью нанесения прозрачных электропроводящих покрытий на торцах электрооптических кристаллов, поправочные коэффициенты в этом случае будут равны единице.
Для определения постоянной электрогирации средние коэффициенты преобразования необходимо разделить на поправочные коэффициенты.

В таблице 5.6 приведены результаты измерения коэффициента электрогирации и ее дсперсии с учетом поправочных коэффициентов.

Таблица 5.6

Из таблицы видно, что коэффициенты электрогирации для кристаллов разной длины, определены с погрешностью не более 1%.
На рис. 5.16 Приведена зависимость постоянной электрогирации от длины волны света.

Рис. 5.16. Зависимость постоянной электрогирации от длины волны света.

5.6. Динамический диапазон измерительного преобразователя

Динамический диапазон измерительного преобразователя определяется отношением максимального значения выходного напряжения, которое равно напряжению опорного источника, к напряжению шумов.

Напряжения шумов измерялось цифровым вольтметром переменного тока на выходе электронного блока при нулевом измеряемом напряжении, при этом контролировались показания вольтметра при закороченном входе. Измерения проводились с каждым электронным блоком, у которых изменялась верхняя частота среза полосы пропускания. В таблице 5.7 приведены результаты испытаний.

Таблица 5.7

В электронных блоках с источниками света с разной длиной волны постоянные составляющие фототоков равны между собой, поэтому шумы фотоприемников должны быть одинаковы. Из таблице видно, что напряжение шумов, при уменьшении полосы пропускания в 20 раз, уменьшается, приблизительно в 2 раза, а не в

как должно быть, следовательно, кроме шума фотоприемников присутствует шум и напряжение помех внешних источников. В таблице 5.8 приведены приблизительные оценки шума фотоприемника и внешних шумов и наводок для разных частот среза усилителей фототока.

Таблица 5.8

Шум и наводки от внешних источников могут быть уменьшены дополнительным экранированием фотоприемников, динамический диапазон при этом несколько увеличится.

5.7. Оценка погрешности от вибрации световодов

5.8. Влияние внешних электрических полей

Для определения влияния внешних электрических полей проводились испытания первичных измерительных преобразователей с длиной кристалла 52 мм, 65 мм, 90 мм и электронным блоком с длиной волны 0.62 мкм. На диэлектрический корпус первичного преобразователя в месте расположения высоковольтного электрода устанавливался металлический хомут, на который подавалось переменное напряжение от высоковольтной установки УИВ-50. Это напряжение создавало внешнее электрическое поле имитирующее поле от внешних источников. Величина этого поля может быть измерена при разомкнутых электродах. В рабочих условиях электроды замкнуты внутренним сопротивлением источника измеряемого переменного напряжения, поэтому измерения проводились при замкнутых и разомкнутых электродах первичного измерительного преобразователя. В таблице 5.9 приведены результаты испытаний.

Таблица 5.9

Из таблицы видно, что при замкнутых электродах влияние внешних электрических полей ослабляется примерно в 100 — 300 раз. Для первичных измерительных преобразователей с большей длиной кристалла ослабление влияния внешних полей больше, так как они имеют больший поправочный коэффициент распределения напряженности электрического поля в окрестности электродов.
Влияние внешних электрических полей может быть дополнительно ослаблено с помощью нанесения прозрачных электропроводящих покрытий на торцах электрооптических кристаллов.

5.9. Влияние внешних магнитных полей

Влияние внешних магнитных полей зависит от постоянной Верде электрооптического кристалла. Для ее определения первичный преобразователь помещался в цилиндрическую катушку, стенда формирования больших токов, который работал в режиме переменного тока.

Регистрировались выходные напряжения измерительных преобразователей с кристаллами длиной 52 мм, 65 мм, 90 мм и длине волны источника света 0.94 мкм, 0.85 мкм и 0.62 мкм и напряжение на шунте трансформатора тока, которое пропорционально напряженности магнитного поля. В таблицах 5.10, 5.11, 5.12 приведены результаты испытаний и средние коэффициенты преобразования.
Таблица 5.10

Таблица 5.11

Таблица 5.12

Для определения постоянной Верде средние коэффициенты преобразования необходимо разделить на длину кристалла и поправочный коэффициент.

В таблице 5.13 приведена постоянная Верде учетом поправочных коэффициентов и длины кристаллов.

Таблица 5.13

Уменьшение постоянной Верде с увеличением длины кристалла объясняется тем, что поворот азимута поляризации света происходит не только в кристалле, но и в поляризаторах и трансформаторном масле, которые вносят тем больший вклад, чем меньше длина кристалла.

5.10. Влияние температуры окружающей среды

Для определения влияния температуры окружающей среды на первичный преобразователь, последний помещался в термостат 1, температура которого изменялась от +20 до +60 градусов. На рис. 5.17 приведена структурная схема испытаний электрооптического преобразователя.

Рис. 5.17. Структурная схема испытаний электрооптического преобразователя.

При проведении испытаний использовался электронный блок с источником света с длиной волны 0.85 мкм и длиной электрооптического кристалла 90 мм. В таблице 5.13 приведены результаты испытаний и средние коэффициенты преобразования электрооптического измерительного преобразователя.

Таблица 5.14

Для определения влияния температуры окружающей среды на электронный блок, последний помещался в термостат 2, температура которого изменялась от +20 до +60 градусов. При проведении испытаний использовались электронные блоки с источниками света с длиной волны 0.62 мкм, 0.85 мкм и 0.94 мкм. Испытания проводились без компенсации температуры электронного блока и с компенсацией. На рис. 5.18 приведена схема электронного блока с компенсацией его температуры.

Рис. 5.18 Схема электронного блока с компенсацией его температуры.

В таблице 5.15 приведены результаты испытаний и средние коэффициенты преобразования электрооптического измерительного преобразователя без компенсации температуры электронного блока.

Таблица 5.15

В таблице 5.16 приведены результаты испытаний и средние коэффициенты преобразования электрооптического измерительного преобразователя с компенсацией температуры электронного блока.

Таблица 5.16

Из таблиц видно, что влияние изменений температуры на электронный блок при использовании источника света с длиной волны 0.62 мкм практически отсутствует. Это объясняется меньшей, чем у других источников света, зависимостью длины волны от температуры, поэтому компенсация температуры электронного блока не требуется. При использовании источников света с длиной волны 0.85 мкм и 0.94 мкм компенсация температуры источника света значительно уменьшает погрешность преобразования.

5.11. Определение электрической прочности кристаллов

Выводы к гл. 5

1. Экспериментально определена погрешность функционального преобразователя, которая определила диапазоны его использования для уменьшения погрешности до заданного значения.
2. Предложен способ установки поляризаторов под углом π/4 друг к другу, использующий сильные магнитные поля для вращения плоскости поляризации света на угол превышающий π/4 .
3. Определена постоянная электрогирации и ее дисперсия для кристаллов различной длины, и показано их равенство для кристаллов разной длины.

4. Определено влияние внешних электромагнитных полей на результат измерения напряжения.

6. Метрологические испытания измерительного преобразователя

6.1. Программа и методика метрологических испытаний

В рамках НИР проверяется линейность электрооптического измерительного преобразователя, его динамический диапазон и абсолютное значение коэффициента преобразования. На рис. 6.1. приведена структурная поверочная схема метрологических испытаний.

Рис.6.1. Структурная поверочная схема метрологических испытаний.

Для точного измерения линейности измерительного преобразователя используется компенсационный метод измерения. Переменное выходное напряжение электронного блока сравнивается с изменяющимся в противофазе переменным выходным напряжением образцового емкостного преобразователя ПВЕ-110. Сравнение производится на точном многооборотном потенциометре, а в качестве нуль органа используется чувствительный осциллограф. Выходное напряжение электронного блока представляет собой переменное синусоидальное напряжение, пропорциональное измеряемому высокому напряжению, изменяющееся на подставке 5 В, стабильного постоянного напряжения. Коэффициент преобразования электрооптического измерительного преобразователя определяется по отношению плеч резисторов многооборотного потенциометра, которое пропорционально коэффициенту деления этим потенциометром стабильного постоянного напряжения 5 В. Постоянное напряжение, полученное в результате этого деления, измеряется прецизионным вольтметром постоянного тока.
При испытаниях использовалось приборы и оборудование с следующими техническими характеристиками:

Таблица 6.1

Использование перечисленных приборов и оборудования позволяет определить линейность электрооптического измерительного преобразователя в диапазоне 0 – 50 кВ с погрешностью 0.1 %.
Для определения динамического диапазона электрооптического измерительного преобразователя его выходное напряжение измерялось вольтметром переменного тока GDM-78261 с погрешностью 0.1%.
Для определения абсолютного значения коэффициента преобразования выходные напряжения электрооптического измерительного преобразователя и преобразователя высоковольтного емкостного измерялись вольтметром переменного тока GDM-78261 с погрешностью 0.1%.

6.2. Протокол метрологических испытаний

При проведении испытаний высокое напряжение, подаваемое на первичный преобразователь, вначале увеличивалось от 0 до 50 кВ, а затем уменьшалось от 50 кВ до 0. В таблице 6.2 приведены результаты исследования линейности измерительного преобразователя с длиной волны источника света 0.85 мкм.

Таблица 6.2

Измеренные отклонения передаточной характеристики электрооптического измерительного преобразователя от линейной характеристики не превышает 0.1 %.
Динамический диапазон электрооптического измерительного преобразователя составляет 5х10⁴ .

Абсолютное значение коэффициента преобразования электрооптического измерительного преобразователя составляет 25 мВ/кВ.

Выводы к гл. 6

1. Программа и методика метрологических испытаний позволяет аттестовать электрооптические измерительные преобразователи в класс точности 2S.
2. Протокол метрологических испытаний подтвердил правильность выбранных в НИР технических решений.