Магнитооптический измерительный
преобразователь переменного тока
на основе эффекта Фарадея
Оглавление
Введение
1. Анализ существующих оптико-электронных методов преобразования больших токов
1.1. Оптико-электронные методы измерения токов
1.2. Магнитооптический эффект Фарадея
1.3. Магнитооптический эффект Фарадея в оптическом волокне
Выводы
2. Первичный измерительный преобразователь переменного тока
2.1. Стержневая ячейка Фарадея
2.2 . Астатическая ячейка Фарадея
2.3. Кольцевая ячейка Фарадея
Выводы
3. Способы преобразования больших токов
3.1. Структурная схема измерительного преобразователя
3.2. Однолучевой способ преобразования переменного тока
3.3. Двухлучевой способ преобразования переменного тока
3.4. Способы обработки сигналов фотоприемников
Выводы
4. Погрешности преобразования магнитооптического измерительного преобразователя переменного тока
4.1. Основные источники погрешности преобразования
4.2. Нелинейная зависимость преобразования
4.3. Погрешность из-за неточной установки поляризаторов
4.4. Погрешность из-за линейного двулучепреломления
4.5. Многократные отражения света
4.6. Расположение шины с током и влияние внешних полей
4.7. Влияние вибраций световодов при эксплуатации
4.8. Влияние положения световодов при установке
4.9. Влияния температуры окружающей среды
4.10. Шумы фотоприемников
Выводы
5. Конструкция измерительного преобразователя
5.1. Конструкция первичного измерительного преобразователя
5.2. Структурная схема электронного блока
5.3. Функциональный преобразователь измеряемого сигнала
Выводы
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 классические аналоговые измерительные преобразователи, такие как магнитоэлектрические, электромагнитные, термоэлектрические, электродинамические и другие.
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 методам измерения, 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 методов измерения 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 больших токов
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 тока с внешней модуляцией светового потока.
1.2. Магнитооптический эффект Фарадея
Оптические эффекты, в которых проявляется влияние магнитного поля на излучение света некоторым источником или на его распространение в веществе, находящемся в этом поле, называются магнитооптическими.
К известным магнитооптическим эффектам относится эффект Зеемана, в котором проявляется влияние магнитного поля на спектр излучения атомов и молекул, эффекты Коттона-Мутона, Фохта, Фарадея при прохождении света сквозь вещество и эффект Керра при отражении света от намагниченной поверхности. Для измерения токов и магнитных полей наибольшее распространение получили приборы, основанные на использовании эффекта Фарадея.
Магнитооптическим эффектом Фарадея называется изменение кругового двулучепреломления вещества пропорциональное приложенному магнитному полю. Эффект Фарадея наблюдается в той или иной степени во всех веществах, твердых, жидких и газообразных. При реализации эффекта Фарадея световой поток распространяется в веществе параллельно силовым линиям приложенного магнитного 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
По магнитной восприимчивости все вещества могут выть разделены на диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные.
К числу диамагнетиков, обладающих сильно выраженным эффектом Фарадея и нашедшим наиболее широкое распространение, относятся стекла, содержащие окись свинца (флинты, кроны) и плавленый кварц. Все диамагнитные вещества дают правое (положительное) вращение плоскости поляризации, т.е. при распространении света по направлению силовой линии магнитного поля плоскость поляризации поворачивается по часовой стрелке. Важным достоинством диамагнетиков является практически полное отсутствие зависимости постоянной Верде от температуры.
К числу парамагнетиков, обладающих сильно выраженным эффектом Фарадея, относятся стекла, содержащие окислы редкоземельных элементов. Все парамагнитные стекла дают левое (отрицательное) вращение плоскости поляризации. Температурная зависимость постоянной Верде парамагнетиков обратно пропорциональна абсолютной температуре.
К числу ферромагнетиков, нашедших наиболее широкое распространение, относятся феррит-гранаты и ортоферриты. Так как ферромагнетики обладают доменной структурой, поворот плоскости поляризации света определяется не внешнем магнитным полем, а намагниченностью вещества, внешнее поле играет роль лишь ориентирующего воздействия на доменную структуру ферромагнетика.
Для измерения больших токов, магнитные поля которых имеют значительную величину, в качестве рабочего материала первичного измерительного преобразователя тока целесообразно использовать диамагнитные стекла, широко применяемые в различных оптических преобразователях.
Параметры некоторых наиболее применяемых стекол приведены в таблице 1.
Таким образом, напряженность магнитного поля измеряемого тока определяется по углу поворота плоскости поляризации света, прошедшего элемент из магнитооптического стекла.
Магнитооптические преобразователи больших переменных токов, основанных на эффекте Фарадея в стеклянны стержнях, успешно разрабатывались в НИИПТ, в настоящее время проводятся работы в ООО НПП «Марс-Энерго», Холдинге «Швабе», фирме Trench и других.
1.3. Магнитооптический эффект Фарадея в оптическом волокне
В оптическом волокне, помещенном в магнитное поле, из-за эффекта Фарадея происходит изменение поляризации распространяющегося в нем света.
Оптические волокна делятся на два основных типа: многомодовые и одномодовые, отличающиеся друг от друга диаметром световедущей жилы. При распространении света в многомодовом волокне говорить о его поляризации затруднительно, так как каждая мода имеет свою поляризацию, и наблюдается суммарный эффект, поэтому интерес представляют только разновидности одномодовых волокон. В обычном одномодовом волокне, в зависимости от его расположении в пространстве, возникает многообразие упругих напряжений, которые приводят к сложной поляризационной анизотропии стекловолокна, в результате проявление эффекта Фарадея становится расплывчатым и малоинформативным. Поэтому для измерений магнитных полей и токов используются специальные spun- волокна, которые отличаются от обычных технологией изготовления и оптическими характеристиками. Эти волокна обладают сильным внутренним циркулярным двулучепреломлением, на фоне которого теряется двулучепреломление, возникающее из-за упругих напряжений. Для измерения эффекта Фарадея в spun- волокне распространяется две световых волны, имеющих правую и левую круговые поляризации, а напряженность магнитного поля измеряемого тока определяется интерферометром по разности фаз волн, прошедших волокно.
Измерительные преобразователи, основанные на эффекте Фарадея в оптическом волокне, разрабатываются и успешно изготавливаются в настоящее время отечественными и зарубежными фирмами «Профотек», Alstom, NxtPhase, ABB и другими. Их основной недостаток высокая стоимость из-за уникальной технологии изготовления специальных волокон и сложной оптической и электронной аппаратуры.
1. Рассмотренные оптико-электронные методы измерения однозначно показывают перспективность использования для измерения больших токов магнитооптического эффекта Фарадея.
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;
— провести лабораторные испытания экспериментального образца измерительного преобразователя больших переменных токов.
2. Первичный измерительный преобразователь переменного тока
2.1. Стержневая ячейка Фарадея
Первичным измерительным преобразователем тока является магнитооптическая ячейка Фарадея, которая располагается в непосредственной близости от проводника с измеряемым током и преобразует магнитное поле тока в поворот плоскости поляризации распространяющегося в ячейке Фарадея линейно поляризованного света.
Наиболее простой представляется оптическая схема стержневой ячейки Фарадея (рис.2.1), которая представляет собой стержень из магнитооптического стекла, расположенный так, что световой поток распространяется в нем вдоль силовых линий магнитного поля измеряемого тока.
Рис. 2.1. Стержневая ячейка Фарадея
Угол поворота плоскости поляризации света в такой ячейке
Так как напряженность магнитного поля пропорциональна измеряемому току, то угол поворота плоскости поляризации оказывается пропорциональным этому току. Недостатком стержневых ячеек Фарадея является зависимость угла поворота плоскости поляризации от внешних магнитных полей и взаимного расположения ячейки Фарадея и проводника с измеряемым током.
2.2. Астатическая ячейка Фарадея
Недостатки стержневой ячейки Фарадея уменьшаются при использовании астатической оптической схемы (рис.2.2), которая представляет собой две стержневые ячейки из одинакового магнитооптического стекла, расположенные симметрично относительно проводника с измеряемым током.
Рис. 2.2. Астатическая ячейка Фарадея
Для изменения направления света необходимо использовать поворотные призмы. При отражении света в поворотных призмах появляется фазовый сдвиг между составляющими светового потока, поляризованными параллельно и перпендикулярно плоскости падения света на отражающую поверхность. Это недопустимо, поэтому для компенсации фазового сдвига необходимо использовать ортогональные призмы, в которых имеется две отражающие поверхности (рис.2.3). Эти поверхности расположены таким образом, что фазовый сдвиг, возникающий при первом отражении, полностью компенсируется при втором отражении и поворот светового пучка осуществляется без изменений его поляризации.
Рис.2.3. Ортогональная поворотная призма
Применение астатической ячейки Фарадея позволяет полностью исключить влияние однородных магнитных полей на угол поворота плоскости поляризации и уменьшить его зависимость от взаимного расположения ячейки и проводника с измеряемым током.
Наилучшие результаты достигаются при использовании кольцевой оптической схемы ячейки Фарадея (рис.2.4).
Рис. 2.4. Кольцевая ячейка Фарадея
Такая ячейка представляет собой набор стержней и ортогональных призм из магнитооптического стекла, образующих вокруг проводника с измеряемым током замкнутый контур, по которому распространяется линейно поляризованный свет. Угол поворота плоскости поляризации в такой ячейке, согласно закону полного тока
Таким образом, угол поворота плоскости поляризации света зависит только от постоянной Верде магнитооптического стекла, измеряемого тока и не зависит от внешних магнитных полей и расположения проводника внутри кольцевой ячейки Фарадея.
1. Оптическую схему измерительного преобразователя тока целесообразно строить на основе кольцевой ячейки Фарадея, которая позволяет реализовать в преобразователе закон полного тока и исключить зависимость коэффициента преобразования от внешних магнитных полей и расположения проводника внутри кольцевой ячейки Фарадея.
2. Для изменения направления света в ячейке Фарадея необходимо использовать ортогональные поворотные призмы, не изменяющие поляризацию света при его повороте в пространстве.
3. Способы преобразования больших токов
3.1. Структурная схема измерительного преобразователя тока
Магнитооптический измерительный преобразователь состоит из кольцевой ячейки Фарадея, расположенной в зоне высокого потенциала и охватывающей проводник с измеряемым током. На входе и выходе ячейки установлены линзы, обеспечивающие ввод-вывод светового потока из световодов, поляризатор и анализатор. Магнитное поле проводника с измеряемым током воздействует на ячейку Фарадея, а выходное напряжение снимается с электронного блока, расположенного в зоне низкого потенциала. На рис.3.1. приведена структурная схема измерительного преобразователя.
Рис. 3.1. Структурная схема измерительного преобразователя тока
Световой поток от источника света, расположенного в электронном блоке, поступает по первому световоду в первичный преобразователь, после поляризатора становится линейно поляризованным и распространяется в ячейке Фарадея. Благодаря эффекту Фарадея азимут поляризации светового потока в кристалле модулируется пропорционально измеряемому току, 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.
3.2 Однолучевой способ преобразования переменного тока
Линейно поляризованный световой поток распространяется в кольцевой ячейке Фарадея, которая поворачивает его плоскость поляризации на угол пропорциональный измеряемому току. Из-за остаточных упругих напряжений стеклянных стержней и неполной компенсации разности фаз в ортогональных поворотных призмах, ячейка Фарадея обладает некоторым двулучепреломлением, приводящим к эллиптичности выходящего из нее светового потока. Этот поток падает на анализатор, плоскость пропускания которого устанавливается под углом π⁄4 к плоскости пропускания поляризатора, преобразующим изменения поляризации в изменения его интенсивности.
Для оценки влияния этих факторов на коэффициент преобразования первичный преобразователь заменяется моделью, которая представляет собой два ротатора с суммарным углом поворота плоскости поляризации равным измеряемой величине и, установленную между ними, фазовую пластинку с разностью фаз определяемой двулучепреломлением в ячейке Фарадея. На рис.3.2. приведена модель однолучевого первичного преобразователя.
Рис.3.2. 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
Если плоскости пропускания поляризатора и анализатора установлены под углом π/4 друг к другу
При отсутствии двулучепреломления
Так как измеряемое напряжение является переменным, то мгновенное значение синуса угла поворота в ячейке Фарадея может быть определено по отношению переменной и постоянной составляющих светового потока
При малом угле φ≪1 поворота это отношение пропорционально углу.
Преимуществом однолучевого измерительного преобразователя является простота его конструкции.
3.3. Двухлучевой способ преобразования переменного тока
При двухлучевом способе преобразования тока анализатор выполняется двухлучевым и разделяет, падающий на него световой поток, на две ортогонально поляризованных составляющих. На рис.3.3. приведена модель двухлучевого первичного преобразователя.
Рис.3.3. Модель двухлучевого первичного преобразователя
Интенсивности световых потоков на выходах анализатора
Если плоскости пропускания поляризатора и анализатора установлены под углом π/4 друг к другу
При отсутствии двулучепреломления
Сумма и разность световых потоков
Так как измеряемое напряжение является переменным, то мгновенное значение синуса угла поворота в ячейке Фарадея может быть определено по отношению разностного светового потока к суммарному
При малом угле φ≪1 поворота это отношение пропорционально углу.
Преимуществом двухлучевого измерительного преобразователя является измерение разности интенсивности световых потоков, которая мало зависит от шумов источника света и флуктуаций коэффициента затухания в оптической схеме.
3.4. 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.
1. Рассмотрена структурная схема магнитооптического измерительного преобразователя переменного тока.
2. Аналитически определены выражения световых потоков, падающих на фотоприемник для различных способов преобразования переменного тока.
3. Рассмотрены всевозможные способы обработки сигналов фотоприемников и показаны их достоинства и недостатки.
4. Погрешности преобразования магнитооптического
измерительного преобразователя переменного тока
4.1. Основные источники погрешности преобразования
При преобразовании переменного тока 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 относительно друг друга,
— линейное двулучепреломление света в кольцевой ячейке Фарадея,
— многократные отражения света в кольцевой ячейке Фарадея,
— расположение шины с током в ячейке Фарадея и влияние внешних полей,
— вибрация световодов обусловленные условиями эксплуатации,
— положение световодов при их установке,
— шумы фотоприемника.
4.2 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.4.1. приведены искажения формы выходного напряжения измерительного преобразователя при измеряемом токе, изменяющемся по синусоидальному закону, и различных максимальных значениях угла поворота плоскости поляризации.
Рис.4.1. 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.
4.3 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
Если измеряемый ток изменяется по синусоидальному закону, то ограничиваясь двумя первыми членами степенного ряда
Переменная составляющая светового потока
Постоянная составляющая светового потока
Зависимость постоянной составляющей от измеряемого тока 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.
4.4. Погрешность из-за линейного двулучепреломления
Линейное двулучепреломление света в ячейке Фарадея, обусловлено остаточными упругими напряжениями стеклянных стержней и неполной компенсацией разности фаз в ортогональных поворотных призмах, это приводит к эллиптичности выходящего из нее светового потока. Если эллиптичность невелика, то световой поток
а отношение переменной и постоянной составляющих интенсивности светового потока
Следовательно, появляется систематическая мультипликативная погрешность
Эта погрешность может быть скомпенсирована при калибровке измерительного преобразователя переменного тока.
4.5. Многократные отражения света
Многократные отражения света возникают в ячейках Фарадея, состоящих из нескольких оптических элементов. Световой поток, претерпевший ряд отражений проходит в ячейке Фарадея больший путь, чем основной поток, поэтому он получает больший поворот плоскости поляризации, в результате измеряется угол поворота отличный от угла поворота основного потока.
Для уменьшения влияния многократных отражений необходимо конструировать ячейки Фарадея с минимальным числом оптических элементов, на отражающие поверхности оптических элементов наносить просветляющие покрытия, зазоры между элементами заполнять иммерсионными жидкостями, либо склеивать оптическим клеем с коэффициентом преломления близким к коэффициенту преломления стекла ячейки Фарадея.
При неизменной в процессе эксплуатации геометрии преобразователя, влияние многократных отражений на коэффициент преобразования ячейки Фарадея носит систематический характер и может быть скомпенсирован при калибровке преобразователя.
4.6. Расположение шины с током и влияние внешних полей
Кольцевая ячейка Фарадея обычно располагается вокруг прямолинейной силовой шины так, что измеряемый ток протекает в центре ячейки по нормали к ее плоскости. Вектор напряженности магнитного поля тока лежит в плоскости ячейки и его составляющие ориентированные перпендикулярно этой плоскости отсутствуют.
Для исключения влияния смещения шины относительно центра ячейки достаточно, чтобы все элементы ячейки были выполнены из стекла с одинаковой постоянной Верде, а проекция пути света в элементах ячейки на плоскость ее расположения представляла собой замкнутый вокруг силовой шины квадрат.
При выполнении этих условий реализуется закон полного тока, и смещение шины внутри ячейки на коэффициент ее преобразования не влияет.
Если нормаль к плоскости ячейки Фарадея составляет некоторый угол с направлением протекания тока или силовая шина имеет сложную конфигурацию, то вектор напряженности магнитного поля тока выходит из плоскости ячейки, и появляются его составляющие ориентированные перпендикулярно этой плоскости.
В реальной ячейке Фарадея всегда существует некоторое смещение между входным и выходным световыми потоками, которое обусловлено размерами сечения стеклянных элементов. Это смещение вносит разрыв в замкнутый вокруг силовой шины контур. Появляется зависимость коэффициента преобразования ячейки Фарадея от ее расположения относительно силовой шины. Для минимизации этой зависимости необходимо уменьшать разрыв, уменьшая по мере возможности сечение стеклянных элементов ячейки и располагать ячейку так, чтобы вектор напряженности магнитного поля в разрыве располагался перпендикулярно разрыву, в плоскости ячейки Фарадея.
При неизменном в процессе эксплуатации положении преобразователя и силовой шины коэффициент преобразования ячейки Фарадея не изменяется, поэтому может быть определен при калибровке преобразователя.
Внешние магнитные поля вызывают дополнительный поворот плоскости поляризации распространяющегося в ячейке светового потока. Величина и ориентация напряженности внешних магнитных полей заранее обычно неизвестна.
Если путь света в ячейке Фарадея представляет собой замкнутый контур, то реализуется закон полного тока, и влияние внешних магнитных полей на коэффициент преобразования ячейки отсутствует.
Если путь света в элементах ячейки представляет собой замкнутый контур, в котором присутствует разрыв, то влияние внешних магнитных полей зависит от величины поля, размера разрыва контура и его ориентации относительно вектора напряженности внешнего магнитного поля.
4.7. Влияние вибраций световодов при эксплуатации
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 ячейке Фарадея. 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 k — того луча
Математическое ожидание интенсивности k — того луча
Дисперсия интенсивности k — 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.
4.8. Влияние положения световодов при установке
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.
4.9 Влияния 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 Верде стеклянных стержней и изменяется их взаимное расположение из-за теплового расширения материала конструкции первичного преобразователя. Температурная зависимость постоянной Верде диамагнитных стекол имеет порядок 10-6%⁄С0 , поэтому она практически не влияет на погрешность измерений, а для уменьшения теплового расширения необходимо либо применять материалы с малым тепловым расширением, либо ячейку Фарадея изготавливать монолитной.
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 Верде 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.
4.10. 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.
1. Рассмотрены основные источники погрешности, возникающие при использовании магнитооптического преобразователя переменного тока.
2. Получены аналитические выражения позволяющие оценить составляющие погрешности преобразования тока, обусловленные каждым влияющим фактором в отдельности.
3. Даны рекомендации, выполнение которых позволяет уменьшить отдельные составляющие погрешности и, следовательно, повысить точность преобразования измеряемого переменного тока.
5. Конструкция измерительного преобразователя
5.1. Конструкция первичного измерительного преобразователя
В разработанном магнитооптическом измерительном преобразователе переменного тока кольцевая ячейка Фарадея представляет собой четыре призмы, расположенные последовательно по ходу распространения света, выполненные из стандартного диамагнитного стекла ТФ-1 и образующие замкнутый контур вокруг проводника с измеряемым током. На рис.5.1. приведена упрощенная конструкция первичного измерительного преобразователя.
Рис.5.1.Первичный измерительный преобразователь.
Поляризаторы выполнены интерференционными, интегрированы в призмы и расположены на минимальном расстоянии друг от друга по оси, параллельной проводнику с измеряемым током. Ортогональные призмы, расположенные в углах ячейки Фарадея, образуются наклонными поверхностями стеклянных стержней.
Излучение, поступающее из зоны низкого потенциала по первому световоду формируется линзой в параллельный световой поток, который после поляризатора становится линейно поляризованным и распространяется в ячейке Фарадея. Нормаль к рабочей поверхности поляризатора лежит в плоскости перпендикулярной плоскости ячейки Фарадея и ориентирована под углом π⁄4 к направлению распространения света. Для поворота светового потока вокруг проводника с измеряемым током, выходные поверхности стержней ориентированы под углом π⁄4 к направлению распространения сета так, что пара поверхностей соседних стержней образуют ортогональную призму, обеспечивающие поворот света без изменения его поляризации. Для ориентации плоскости пропускания анализатора под углом π⁄4 к плоскости пропускания поляризатора нормаль к его рабочей поверхности ориентирована под углом π⁄4 к плоскости ячейки Фарадея и к направлению распространения света.
Азимут поляризации потока поворачивается в ячейке Фарадея на угол пропорциональный измеряемому току. После анализатора, 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.
Такая конструкция обеспечивает измерение интегрального значения угла поворота плоскости поляризации света в замкнутом контуре, образованном кольцевой ячейкой Фарадея, величина которого пропорциональна измеряемому току.
Номинальное значение измеряемого тока определятся постоянной Верде материала стержней и коэффициентом преобразования электронного блока. Для расширения диапазона измерения в нижнюю сторону проводник с измеряемым током может образовывать несколько витков вокруг кольцевой ячейки Фарадея, это увеличивает коэффициент преобразования первичного преобразователя и уменьшает погрешность преобразования от влияния внешних магнитных полей.
На рис.5.2. приведена фотография первичных измерительных преобразователей с одним и несколькими витками проводника с измеряемым током.
Рис.5.2. Первичные измерительные преобразователи.
5.2. 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.5.3. приведена упрощенная структурная схема электронного блока.
Рис.5.3. Структурная схема электронного блока.
В разработанном электронном блоке, расположенном в зоне низкого потенциала, источником света является светодиод с длиной волны 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 5 кГц, а шум на его выходе 0.1 мВ.
Функциональный преобразователь имеет передаточную функцию
Масштабный усилитель имеет коэффициент передачи, изменяющийся в пределах от K=3 до K=4.
5.3. Функциональный преобразователь измеряемого сигнала
Функциональный преобразователь представляет собой усилитель с нелинейным коэффициентом передачи, который сформирован с помощью диодно-резисторной матрицы. На рис.5.4. приведена упрощенная схема функционального преобразователя.
Рис.5.4. 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.5.5. приведены результаты расчета и способ формирования выходного напряжения функционального преобразователя.
Рис.5.5. Результаты расчета и способ формирования выходного напряжения функционального преобразователя
1. Предложена конструкция первичного измерительного преобразователя.
2. Рассмотрена структурная схема электронного блока измерительного преобразователя.
3. Рассмотрен способ формирования выходного напряжения функционального преобразователя.