Структурно-надлишковий волоконно-оптичний сенсор струму

Структурно-надлишковий волоконно-оптичний сенсор струму, який складається із першого мідного струмопровідника, обидва кінці якого сполучені з клемами різьбовим з'єднанням, першої багатовиткової котушки з волоконного світловоду, намотаної на перший мідний струмопровідник із наперед заданою площею перерізу, кінці якої сполучені із гніздами першого та другого світловодних роз'ємних з'єднувачів, причому перший світловодний роз'ємний з'єднувач призначений для підключення до джерела лінійно-поляризованого оптичного випромінювання, а другий світловодний роз'ємний з'єднувач – для підключення до приймача поляризаційно-модульованого оптичного випромінювання, який відрізняється тим, що додатково містить перетворювач "код-струм", C2 2 (19) 1 3 з'єднані із світловодними роз'ємними з'єднувачами. Недоліком даного сенсора струму є наявність мультиплікативної та адитивної складових систематичної похибки перетворення електричного струму в параметри потоку оптичного випромінювання. Дана похибка обумовлена зміною магніто-оптичних характеристик волоконного світловода від дії температури, а також дрейфом вихідного сигналу сенсора внаслідок зміни у часі втрат потоку оптичного випромінювання при його передачі по волоконному світловоду. Відомий також волоконно-оптичний сенсор струму [Пат. 3605013 США, МКИ G01R13/40. Current-measuring system utilizing Faraday effect element / Shogo Yoshikawa (Япония), Atsummi Ueki (Япония), 1969], що включає в себе струмопровідник з клемами, багатовиткову котушку з волоконного світловода, намотану на струмопровідник з наперед заданою площею перерізу, кінці якої з'єднані із світловодними роз'ємними з'єднувачами. Відомому сенсору струму властива недостатня точність перетворення електричного струму в параметри потоку оптичного випромінювання через наявність мультиплікативної та адитивної складових систематичної похибки перетворення. Дана похибка обумовлена температурною нестабільністю магніто-оптичних характеристик волоконного світловода, а також дрейфом вихідного сигналу сенсора струму через втрати потоку оптичного випромінювання при його передачі по волоконному світловоду. В основу винаходу покладена технічна задача створення структурно-надлишкового волоконнооптичного сенсора постійного струму, який завдяки додатковому введенню нових функціональних елементів та зв'язків між ними та з іншими функціональними елементами сенсора, забезпечував би розширення функціональних можливостей по магніто-оптико-електронному перетворенню струму для задач надлишкових вимірювань постійного струму та отримання додаткової інформації (інформативної надлишковості). Крім того, реалізація методів надлишкових вимірювань струму з використанням цього структурно-надлишкового волоконнооптичного сенсора направлена на забезпечення зменшення температурної нестабільності магнітооптичних характеристик волоконного світловода і виключення мультиплікативної та адитивної складових систематичної похибки магніто-оптикоелектронного перетворення електричного струму. Поставлена технічна задача вирішується завдяки тому, що у структурно-надлишковий волоконно-оптичний сенсор струму, який складається із першого мідного струмопровідника, обидва кінці якого сполучені з клемами різьбовим з'єднанням, першої багатовиткової котушки з волоконного світловода, намотаної на перший мідний струмопровідник із наперед заданою площею перерізу, кінці якої сполучені із гніздами першого та другого світловод-них роз'ємних 80715 4 з'єднувачів додатково встановлюють перетворювач „код-струм", перетворювач „кодпереміщення" зі штоком, другу багатовиткову котушку тороїдальної форми із волоконного світловода, поверх якої намотана котушка індуктивності з другого мідного струмопровідника із наперед заданою малою площею перерізу, причому між першим мідним струмопровід-ником і першою котушкою з волоконного світловоду послідовно розташовані циліндровий каркас, що виконаний з діелектричного матеріалу і жорстко з'єднаний із першим мідним струмопровідником, підшипник ковзання, зовнішня сторона якого жорстко з'єднана з циліндровим каркасом, та феромагнітна втулка довжиною lф, яка не менш ніж у два рази перевищує довжину lк першої багатовиткової котушки з волоконного світловоду, внутрішній діаметр феромагнітної втулки перевищує діаметр першого мідного струмопровідника на значення, при якому досягається мінімальне тертя ковзання між першим мідним струмопровідником і феромагнітною втулкою, один з торців якої жорстко з'єднаний зі штоком перетворювача „кодпереміщення", вхід управління якого підключений до загальної шини, з якою з'єднані і входи перетворювача „код-струм", виходи якого підключені до виходів котушки індуктивності. На рисунку зображено конструкцію структурнонадлишкового волоконно-оптичного сенсора постійного струму, де 1, 2 - перший та другий світловодні роз'ємні з'єднувачі; 3 - перший мідний струмопровідник; 4 - котушка індуктивності; 5 волоконний світловод; 6 - перша багатовиткова котушка з волоконного світловода; 7 - друга багатовиткова котушка тороїдальної форми із волоконного світловода; 8 - циліндровий каркас; 9 - підшипник ковзання; 10 - феромагнітна втулка; 11 - другий мідний струмопровідник; 12 - шток; 13 перетворювач „код-переміщення"; 14 перетворювач „код-струм"; 15 - загальна шина; СД - світло-діод; ПЛ - поляризатор; МО1, МO2 перший та другий мікрооб'єктиви; АН -аналізатор; ФД - фотодіод. Принцип дії запропонованого структурнонадлишкового волоконно-оптичного сенсора струму оснований на використанні магнітнооптичного ефекту Фарадея, який дозволяє поляризаційне модулювати лінійно поляризований потік оптичного випромінювання магнітним полем, яке утворюється постійним вимірюваним струмом. Структурно-надлишковий волоконно-оптичний сенсор струму складається із першого мідного струмопровідника 3, обидва кінці якого сполучені з клемами різьбовим з'єднанням, і першої багатовиткової котушки 6 з волоконного світловода 5, намотаної на перший мідний струмопровідник 3 із наперед заданою площею перерізу. Кінці першої багатовиткової котушки 6 сполучені із гніздами першого та другого світловодних роз'ємних з'єднувачів 1 і 2 відповідно. До клем першого мідного струмопровідника 3 підключається джерело вимірюваного струму (на рисунку не показано). 5 Причому перший струмопровідник 3 виконаний із мідного дроту з наперед заданою площею перерізу S, яка визначається з урахуванням максимального значення постійного струму, що вимірюється, згідно з аналітичним виразом S=Ix/sст де I x. - вимірюваний постійний струм виражений в амперах; sст - щільність струму в струмопровіднику виражена в амперах на квадратний міліметр. Практично значення щільності струму sст в першому мідному струмо-провіднику 3 вибирають (3 ... 5) А/мм2 у залежності від допустимої температури нагріву струмопровідника. У структурно-надлишковий волоконнооптичний сенсор струму додатково встановлюють перетворювач „код-струм" 14, перетворювач „кодпереміщення" 13 зі штоком 12 і другу багатовиткову котушку 7 тороїдальної форми із волоконного світловода 5. Поверх другої багатовиткової котушки 7 тороїдальної форми намотана котушка індуктивності 4 з другого мідного струмопровідника 11 із наперед заданою малою площею перерізу. Площа перерізу другого мідного струмопровідника 11 вибирається таким же чином як і для першого мідного струмопровідника 3. Значення щільності струму в другому струмопровіднику 11 вибирають (1 ... 3) А/мм2 у залежності від допустимої температури нагріву другої багатовиткової котушки 7 тороїдальної форми. Між першим мідним струмопровідником 3 і першою котушкою 6 з волоконного світловоду 5 послідовно розташовані циліндровий каркас 8, підшипник ковзання і феромагнітна втулка. Останній виконаний з діелектричного матеріалу, наприклад, із термопластичної пластмаси, придатної для виготовлення циліндрового каркасу 8 методом штамповки. Циліндровий каркас 8 жорстко з'єднаний із першим мідним струмопровідником 3 за допомогою клею Б-88 або іншого суперклею. Підшипник ковзання 9 своєю зовнішньою стороною жорстко з'єднаний з циліндровим каркасом 8. Підшипник ковзання 9 виконують з фторопласту ФТ-1 або ФТ-2. З'єднання циліндрового каркасу 8 з підшипником ковзання 9 здійснюють за рахунок вибору значень допусків і посадок по системі „отвір-вал". Для жорсткого з'єднання каркасу 8 з підшипником ковзання 9 можуть використовуватись полімерні смоли. Феромагнітна втулку 10 виконана спіканням феропорошку з високою магнітною проникністю. Довжина lф феромагнітної втулки 10 не менш ніж у два рази перевищує довжину lк першої багатовиткової котушки 6 з волоконного світловоду 5. Внутрішній діаметр феромагнітної втулки 10 перевищує діаметр першого мідного струмопровідника 3 на значення, при якому досягається мінімальне тертя ковзання між першим мідним струмопровідником 3 і феромагнітною втулкою 10. Один з торців феромагнітної втулки 10 жорстко з'єднаний зі штоком 12 перетворювача 80715 6 „код-переміщення" 13. Вхід управління перетворювача „код-переміщення" 13 підключений до загальної шини 15, з якою з'єднані і входи перетворювача „код-струм" 14, виходи якого підключені до виходів котушки індуктивності 4. Вхід першої багатовиткової котушки 6 через перший світловодний роз'ємний з'єднувач 1 підключений до виходу першого мікрооб'єктиву МО1, який через поляризатор ПЛ оптично з'єднаний із світлодіодом СД. Вихід другої багатовиткової котушки тороїдальної форми 7 через другий світловодний роз'ємний з'єднувач 2 підключений до входу другого мікрооб'єктиву МО2, який через аналізатор АН оптично з'єднаний із фотодіодом ФД. Причому кут між площинами поляризації потоку оптичного випромінювання, який проходить через поляризатор і аналізатор дорівнює 45 °. Запропонований структурно-надлишковий волоконно-оптичний сенсор струму реалізує три режими роботи. У першому режимі по загальній шині 15 подають і записують в регістр числа перетворювача „код-переміщення" 13 код числа NL1. У результаті перетворювач „код-переміщення" 13 встановлює феромагнітну втулку 10 у перше положення, показане на рисунку. Це дає можливість виключити дію на чутливий елемент структурно-надлишкового волоконно-оптичного сенсора струму магнітного поля, яке утворене невідомим постійним струмом Ix, що протікає через перший мідний струмопровідник 3. У регістр числа перетворювача „код-струм" 14 подають по загальній шині 15 код числа N10 , що відповідає нульовому значенню струму у котушці індуктивності 4. Потік оптичного випромінювання від світлодіода СД через поляризатор ПЛ подають на перший мікрооб'єктив МО1. Лінійно-поляризований потік оптичного випромінювання Фп з виходу першого мікрооб'єктиву МО1 вводять через перший світловодний роз'ємний з'єднувач 1 і волоконній світловод 5 у першу багатовиткову котушку 6 з волоконного світловода 5. Оскільки на чутливий елемент структурнонадлишкового волоконно-оптичного сенсора струму магнітне поле, що утворене постійним струмом Ix, не діє, то кут повороту площини поляризації лінійно-поляризованого потоку оптичного випромінювання Фп дорівнює нулю. Потік оптичного випромінювання, отриманий на виході першої багатовиткової котушки 6 з волоконного світловода 5, вводять у другу багатовиткову котушку тороїдальної форми 7 із волоконного світловода 5. Оскільки у котушці індуктивності 4 струм відсутній, то кут повороту площини поляризації лінійно-поляризованого потоку оптичного випромінювання Фп дорівнює нулю. З виходу другої багатовиткової котушки тороїдальної форми 7 із волоконного світловода 5 потік оптичного випромінювання через другий світло-водний роз'ємний з'єднувач 2 подають на другий мікрооб'єктив МО2. Значення потужності 7 потоку оптичного випромінювання Ф`п, що подають на другий мікрооб'єктив МO2 дорівнює {Ф`п}={Фп)-{Δф}, (1) де Δф - втрати потужності потоку оптичного випромінювання Фп при передачі його по світловоду 5 та у першому і другому світловодних роз'ємних з'єднувачах 1 і 2 відповідно. Потік оптичного випромінювання Ф`п з виходу другого мікрооб'єктиву МO2 подають на аналізатор АН. Значення потужності потоку оптичного випромінювання Ф'a1 на виході аналізатора АН дорівнює {Ф`ф1}={Ф’п}/2. (2) Потік оптичного випромінювання Ф’а1 реєструють за допомогою фото-діода ФД. Таким чином, у першому режимі роботи сенсора забезпечується одержання інформації про втрати потужності потоку оптичного випромінювання Фп при передачі його по світловоду 5 та у першому і другому світловодних роз'ємних з'єднувачах 1 і 2 відповідно. У другому режимі здійснюється модуляція лінійно-поляризованого потоку оптичного випромінювання нормованим за розміром струмом. Для цього феромагнітну втулку 10 залишають в у першому положенні. У регістр числа перетворювача „код-струм" 14 по загальній шині 15 подають код числа NI1, що відповідає нормованому за розміром струму IH у котушці індуктивності 4. Потік оптичного випромінювання від світлодіода СД через поляризатор ПЛ подають на перший мікрооб'єктив МОЇ. Лінійно-поляризований потік оптичного випромінювання Фп з виходу першого мікрооб'єктиву МО1 вводять через перший світловодний роз'ємний з'єднувач 1 і волоконній світловод 5 у першу багатовиткову котушку 6 з волоконного світловода 5. Потік оптичного випромінювання, отриманий на виході першої багато-виткової котушки 6 з волоконного світловода 5, вводять у другу багатовиткову котушку тороїдальної форми 7 із волоконного світловода 5. Магнітне поле, що утворене нормованим за розміром струмом IН, взаємодіє з лінійнополяризованим потоком оптичного випромінювання і повертає площину поляризації на кут αН, значення якого дорівнює {αН}={VB}w2w3{IH}, (3) де w2 – число витків волоконного світловода 5 в другій багатовитковій котушці тороїдальної форми 7; w3 - число витків у котушці індуктивності 4. З виходу другої багатовиткової котушки тороїдальної форми 7 із волоконного світловода 5 поляризаційно-модульований потік оптичного випромінювання через другий світловодний роз'ємний з'єднувач 2 подають на другий мікрооб'єктив МO2. Поляризаційно-модульований потік оптичного випромінювання з виходу другого мікрооб'єктиву МO2 подають на аналізатор АН. Значення потужності потоку оптичного випромінювання Ф^ на виході аналізатора АН дорівнює 80715 8 {Ф`а2}={Ф`п}(1+sin2{VB}w2w3{IH})/2, (4) де VB - постійна Верде. Потік оптичного випромінювання Ф`a2 реєструють за допомогою фото-діода ФД. Таким чином, у другому режимі роботи структурно-надлишковий волоконно-оптичний сенсор струму забезпечує модуляцію лінійнополяризованого потоку оптичного випромінювання нормованим за розміром струмом IH. Третій режим роботи структурнонадлишкового волоконно-оптичного сенсора струму забезпечує модуляцію лінійнополяризованого потоку оптичного випромінювання струмом невідомого розміру. У третьому режимі по загальній шині 15 подають і записують в регістр числа перетворювача „код-переміщення" 13 код числа NL2. У результаті перетворювач „код-переміщення" 13 встановлює феромагнітну втулку 10 у друге положення, яке показане на рисунку пунктиром. На чутливий елемент структурно-надлишкового волоконно-оптичного сенсора струму діє магнітне поле, що утворене постійним струмом Ix. У регістр числа перетворювача „код-струм" 14 по загальній шині 15 подають код числа NI0, що відповідає нульовому значенню струму. Потік оптичного випромінювання від світлодіода СД через поляризатор ПЛ подають на перший мікрооб'єктив МО1. Лінійно-поляризований потік оптичного випромінювання Фп з виходу першого мікрооб'єктиву МО1 вводять через перший світловодний роз'ємний з'єднувач 1 і волоконній світловод 5 у першу багатовиткову котушку 6 з волоконного світловода 5. Магнітне поле утворене невідомим струмом Іх взаємодіє з лінійно-поляризованим потоком оптичного випромінювання і повертає площину поляризації на кут αх значення якого дорівнює {αх}={VB}w1{Ix}, (5) де w1 - число витків волоконного світловода 5 в першій багатовитковій котушці 6. Поляризаційно-модульований потік оптичного випромінювання отриманий на виході першої багатовиткової котушки 6 з волоконного світловода 5 вводять у другу багатовиткову котушку тороїдальної форми 7 із волоконного світловода 5. Оскільки у котушці індуктивності 4 струм відсутній, то кут повороту площини поляризації лінійно-поляризованого потоку оптичного випромінювання, що подають від першої багатовиткової котушки 6, не змінюється. З виходу другої багатовиткової котушки тороїдальної форми 7 із волоконного світловода 5 поляризаційно-модульований потік оптичного випромінювання через другий світловодний роз'ємний з'єднувач 2 подають на другий мікрооб'єктив МO2. Поляризаційно-модульований потік оптичного випромінювання з виходу другого мікрооб'єктиву МO2 подають на аналізатор АН. Значення потужності потоку оптичного випромінювання Ф`a1 на виході аналізатора АН дорівнює {Ф`a3}={Ф`п}(1+sin2{VB}w1{Ix})/2. (6) 9 Потік оптичного випромінювання Ф`a3 реєструють за допомогою фото-діода ФД. Таким чином, у третьому режимі здійснюється модуляція лінійно-поляризованого потоку оптичного випромінювання магнітним полем, що створене струмом Ix. невідомого розміру. Якщо за допомогою запропонованого структурно-надлишкового волоконно-оптичного сенсора струму реалізувати всі три режими роботи, то можливо визначити значення невідомого струму Ix. згідно з рівнянням числових значень æ {Ф ' } ö arcsinç а3 - 1÷ ç {Ф ` } ÷ w w {I } è a1 ø {I x } = 2 3 H (7) w1 æ {Ф ` } ö ç a2 - 1÷ arcsin ç {Ф ` } ÷ è a1 ø При обробці результатів проміжних вимірювань (2), (4) і (6) за рівнянням числових значень (7) забезпечується зменшення температурної нестабі-льністі магніто-оптичних характеристик волоконного світловода і виключення мультиплікативної та адитивної складових систематичної похибки перетворення електричного струму в параметри потоку оптичного випромінювання. Це неважко показати, якщо у рівняння числових значень (7) підставити рівняння числових значень (2), (4) та (6) і привести подібні. Завдяки створенню описаного структурнонадлишкового волоконно-оптичного сенсора струму був досягнутий позитивний ефект створення сенсора струму з широкими функціональними можливостями. Позитивний ефект отриманий завдяки додатковому введенню нових функціональних елементів та їх зв'язків між собою та з іншими функціональними елементами структурнонадлишкового волоконно-оптичного сенсора постійного струму. Таким чином, структурно-надлишковий волоконно-оптичний сенсор постійного струму забезпечує вирішення зазначеної технічної задачі. 80715 10