Меню

Оптические датчики тока напряжения

Оптические трансформаторы

Сегодня для контроля и учёта активной и реактивной электроэнергии и мощности на промышленных предприятиях используют автоматизированные информационно-измерительные системы коммерческого учёта электроэнергии (АИИС КУЭ). Их метрологические характеристики определяются в первую очередь установленными измерительными приборами и масштабирующими преобразователями — измерительными трансформаторами тока (ТТ) и напряжения (ТН), необходимыми для сопряжения измерителей с цепями высокого напряжения и тока.

Широко применяемые в настоящее время в АИИС КУЭ индукционные измерительные ТТ и ёмкостные и индукционные ТН имеют ряд существенных недостатков, влияющих на точность измерений, таких, как:
* значительный тангенс диэлектрических потерь и ухудшенные переходные характеристики ёмкостных ТН;
* малая ширина полосы пропускания и неравномерная частотная характеристика;
* влияние вторичных цепей на точностные характеристики информационно-измерительного комплекса (далее ИИК).

На производстве не менее важны эксплуатационные характеристики (промышленная безопасность, эксплуатационные расходы), на которые негативно влияют следующие факторы:
* насыщение ТТ при коротком замыкании;
* явление феррорезонанса;
* опасность размыкания вторичных цепей ТТ;
* наличие внутри корпуса наполнителя (масло или элегаз);
* большие габариты и масса устройств;
* низкая сейсмостойкость.

Погрешность ИИК на основе индукционных и ёмкостных трансформаторов не бывает менее 0,2%. Большую точность измерений можно получить с помощью оптических измерительных ТТ и ТН, оснащённых цифровыми измерительными системами.

Световые эффекты

В основе работы оптического измерительного ТТ лежит магнитооптический эффект Фарадея (см. статью здесь), который заключается в повороте плоскости поляризации света при его прохождении через вещество, находящееся в магнитном поле. Используя этот эффект, можно добиться высокой точности измерений, а при регистрации параметров световой волны, отражаемой в конце оптического волокна, выходной сигнал датчика оказывается независимым от температурных воздействий и механических вибраций.

Первопроходцем в деле разработки оптических измерительных трансформаторов в конце прошлого века стала канадская компания NxtPhase, сегодня входящая в состав Группы Alstom. В таблице приведены основные характеристики её оптического измерительного ТТ.

В основе работы оптического измерительного ТН лежит электрооптический эффект Поккельса. Благодаря двухканальному методу измерения обеспечивается устойчивость к колебаниям температуры, вибрациям и изменениям яркости лазерного источника света. Оптические измерительные ТН разработки компании NxtPhase рассчитаны на токи 100-4000 А и напряжения от 110 до 800 кВ и обеспечивают такие же точностные характеристики, как оптические измерительные ТТ. При этом электронный блок выдаёт информацию с разрядностью 32 бита по 80 отсчётов на период (частота 4000 Гц) для систем защиты и по 256 отсчётов на период (12800 Гц) для систем измерения и контроля показателей качества электроэнергии.

Выше точность

Используя при построении ИИК индукционные трансформаторы, можно получить погрешность измерений 0,2%. Оптические ТТ с аналоговыми выходами в подобных схемах позволяют достичь погрешности 0,15%. Если же использовать оптические трансформаторы с цифровым выходом, вполне реально снизить погрешность до 0,11-0,1%.

Отметим другие ключевые преимущества оптических трансформаторов тока и напряжения по сравнению с индукционными и ёмкостными:
* высокая точность сохраняется в широком диапазоне температур;
* отсутствие электрических связей между силовыми и измерительными цепями исключает повреждения при аварийных режимах работы силовых сетей;
* точное воспроизведение формы тока при коротком замыкании;
* расширенная полоса пропускания и линейность амплитудно-частотной характеристики в широком диапазоне позволяют контролировать качество электроэнергии с учётом до 100 гармоник;
* на порядок меньшая масса, позволяющая уменьшить размеры фундаментов и стальной арматуры, упростить инсталляцию;
* увеличенный срок эксплуатации;
* низкая восприимчивость к вибрации и повышенная сейсмостойкость;
* повышенная безопасность вследствие отсутствия масла и элегаза;
* вандалостойкость;
* стойкость к загрязнённости полимерного изолятора;
* простота утилизации.

Реальная экономия

При оценке экономического эффекта от использования оптических трансформаторов в ИИК на подстанциях 110 кВ мы пришли к выводу, что их установка целесообразна при коренной реконструкции имеющихся подстанций или построении новых. При этом комплексный измеритель параметров электрической энергии, встроенный в оптические трансформаторы, будет выдавать данные сразу для АИИС КУЭ, систем телемеханики и измерения параметров качества электроэнергии. Существенная экономия также достигается за счёт увеличения межповерочного интервала с 4 до 12 лет и исключения ряда поверочных процедур.

Об авторе: Дмитрий Каневский — ведущий инженер технического отдела ООО «ЛУКОЙЛ-ЭНЕРГОСЕРВИС».

Источник

Оптические датчики тока напряжения

Серийные высоковольтные оптические измерительные трансформаторы тока (ОТТ) и преобразователи тока (ОПТ) появились на рынке несколько лет назад, открыв новую эру учета электроэнергии в энергетике и промышленности, причем как для переменных, так и для постоянных или импульсных токов.
Энергетикам в связи с этим предстоит осмыслить и научиться использовать в долговременной перспективе непривычные для себя понятия из области волновой и геометрической оптики, волоконно-оптической техники и оптоэлектроники, цифровой обработки сигналов и данных. Первый шаг в освоении нового класса устройств поможет сделать статья Аркадия Лазаревича Гуртовцева.


Аркадий Гуртовцев,
к.т.н., ведущий научный сотрудник РУП «БелТЭИ»

Более ста лет в электроэнергетике и промышленности при высоковольтных измерениях переменных токов используют электромагнитные измерительные трансформаторы тока (ТТ), работа которых основана на явлении и законе электромагнитной индукции, открытом Фарадеем еще в 1831 г. Другое явление, открытое им же в 1845 г., – поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света в постоянном магнитном поле [1]. Это явление, названное в честь автора эффектом Фарадея, стало первым доказательством прямой связи оптических и электромагнитных явлений и ждало своего крупномасштабного технического применения более 150 лет.
В СССР первые работы по созданию оптических датчиков тока на основе эффекта Фарадея проводились в ВЭИ им. В.И. Ленина еще в начале 70-х годов прошлого века. В те же годы в мире появилось и первое промышленное оптическое волокно (ОВ), которое пытались использовать не только для дистанционной передачи оптических сигналов, но, в частности, и в качестве чувствительного элемента волоконно-оптических датчиков тока (ВОДТ), использующих эффект Фарадея. Однако в то время технология еще не созрела для создания конкурентоспособных промышленных образцов ОТТ.
В России первые зарубежные серийные ОТТ были представлены на выставке «ЛЭП – 2006» [2]. Канадская компания NхtPhase Corporation, один из мировых лидеров на сегодня в серийном производстве ОТТ и ОПТ (а также оптических трансформаторов напряжения), представила тогда свой первый высоковольтный ОТТ типа NXCT. Вот что заметил по этому поводу один из авторов обзора [2]: «Отмечу то единственное, что мне понравилось. Это стенд канадской компании, которая представила оптический трансформатор тока на высокие напряжения.
Пускай пока это очень дорогой продукт, но направление крайне интересное. Электромагнитные трансформаторы тока и напряжения – уже устаревшая технология. Пройдет буквально пять лет – и то, что сегодня представили канадцы, будет стоять на половине стендов выставки».
Сегодня в России поставкой зарубежных изделий указанного вида и разработкой собственных занимаются несколько организаций. Одним из лидеров в области собственных разработок является московская фирма «Уникальные Волоконные Приборы» (ООО «УВП»), которая недавно анонсировала промышленный выпуск собственного ОТТ на напряжение 110–220 кВ и ток 100–4000 А [3–5].
К настоящему времени терминология по устройствам рассматриваемого вида еще окончательно не установилась. В литературе встречаются различные наименования: «оптические», «магнитооптические», «оптоэлектронные», «оптоволоконные», «волоконно-оптические», «оптикоэлектрические» и другие подобные определения данных трансформаторов, преобразователей или датчиков тока. Строго говоря, указанные устройства не являются в традиционном смысле трансформаторами тока (масштабными преобразователями), а относятся скорее к виду передающих преобразователей, преобразующих переменный или постоянный ток большого масштаба в соответствующий ему измерительный сигнал иного рода и/или вида. Будем называть все эти устройства кратко ОТТ или ОПТ (различия между ними станут ясны из дальнейшего текста).

ПРЕИМУЩЕСТВА ОТТ/ОПТ

Основные преимущества ОТТ/ОПТ по сравнению с их электромагнитными аналогами заключаются в следующем:

  • возможность масштабного преобразования и измерения как переменного (до 100 кА), так и постоянного или импульсного (до 600 кА) тока различных уровней напряжений (до 800 кВ);
  • оптико-электронное малоинерционное преобразование световых сигналов с отсутствием явлений гистерезиса, магнитного насыщения и остаточного намагничивания, характерных для электромагнитных аналогов и ограничивающих их динамический диапазон и точность измерений;
  • большой динамический диапазон (0,1–200% I1ном) и высокая точность (0,1–0,2%) для измерений и защиты токовых цепей, достигаемые за счет использования поляризованных световых сигналов и их цифровой обработки; при этом одно и то же изделие, в отличие от электромагнитных аналогов, может использоваться при 10-кратно различающихся первичных номинальных токах за счет электронной перенастройки коэффициентов трансформации;
  • широкая полоса пропускания сигналов (не менее 6 кГц), позволяющая производить полный анализ не только количества, но и качества электроэнергии в части гармоник (до 100 гармоник) и переходных процессов (для защиты);
  • возможность интеграции в измерительные и информационные системы с использованием различных интерфейсов – аналоговых, дискретных и цифровых – и исключением влияния вторичной нагрузки на процессы измерения;
  • полная эколого-, пожаро-, взрыво- и электробезопасность за счет отсутствия вредных веществ и электропроводящих материалов в ВОДТ, а также за счет использования маломощных световых сигналов, исключающих возможности искрения и возгорания в нештатных ситуациях (например, при обрыве ОВ);
  • высокая помехоустойчивость к электромагнитным помехам, позволяющая монтировать изделия в сложной электромагнитной обстановке без ее предварительного анализа и коррекции;
  • долговечность, долговременная стабильность и высокая повторяемость метрологических параметров изделий;
  • низкая восприимчивость к вибрациям и изменениям температуры;
  • малые весогабаритные параметры, упрощающие и облегчающие монтаж, а также позволяющие устанавливать изделия в ограниченном пространстве, в любом положении, с установкой на опору или путем подвешивания к жесткой шине;
  • простота и надежность конструкции ВОДТ, высокая надежность и самодиагностика электронно-оптических блоков (ЭОБ) минимизируют требования к техническому обслуживанию и поверке изделий.

Все эти преимущества являются следствием применения в рассматриваемых изделиях маломощных поляризованных световых сигналов, распространяющихся в ОВ, помещенном в магнитное поле измеряемого тока, бесконтактного воздействия поля на данные сигналы в виде эффекта Фарадея и электронной цифровой обработки результатов измерений поворота плоскости поляризации.
Рассмотрим подробнее физические принципы явлений, используемых в ОТТ/ОПТ.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Свет в узком смысле – это видимое излучение, т.е. электромагнитные волны в интервале частот f = (7,5–4,0) · 10 14 Гц (или 750–400 ТГц) и длин волн λ = 0,4–0,76 мкм, воспринимаемые глазом. Световые волны различных частот идентифицируются человеком как различные цвета – от длинноволнового красного до коротковолнового фиолетового. Под светом в широком смысле понимают оптическое излучение, включающее, кроме видимого, ультрафиолетовое (λ = 0,01–0,4 мкм) – УФ и инфракрасное (λ = 0,74–2000 мкм) – ИК-излучения. Электромагнитное излучение одной определенной и строго постоянной частоты называют монохроматическим (одноцветным) [1].
Электромагнитные волны (ЭМВ) представляют собой распространяющиеся в пространстве колебания электромагнитного поля. В ЭМВ объединены изменения электрического и магнитного полей: всякое изменение напряженности Е электрического поля в какой-нибудь точке пространства вызывает в смежных точках появление переменного магнитного поля, изменение напряженности Н которого в свою очередь порождает меняющееся электрическое поле. Если источником электрического поля в физической среде являются неподвижные электрические заряды, а источником магнитного поля – равномерно движущиеся электрические заряды (постоянный ток), то источник ЭМВ – это неравномерно (ускоренно) движущиеся электрические заряды, в частности, их колебания и любой переменный ток [6].
Общим свойством любой ЭМВ является поперечность ее колебаний: в изотропных средах векторы напряженности электрического Е и магнитного Н полей волны перпендикулярны друг к другу и к направлению распространения волны – ее лучу (или вектору скорости распространения волны v).
На рис. 1 приведен график ЭМВ, созданной электрическим вертикально направленным вибратором (штыревой антенной). Колебания векторов Е и Н изображены происходящими строго в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, пересекающих луч волны, – вертикальной для Е и горизонтальной для Н. Это обусловлено вертикальным расположением источника излучения – единичного электрического вибратора, в котором колебания вектора Е происходят вдоль оси у. При повороте вибратора в вертикальной плоскости х0у по часовой стрелке на угол α поворачиваются соответствующим образом и плоскости колебаний векторов Е и Н (рис. 1б, штриховые векторы). Волну, в которой направления колебаний векторов Е и Н происходят в строго фиксированных плоскостях, называют линейно или плоско поляризованной волной. В случае аналогичной световой волны говорят о линейно поляризованном свете. Плоскость, в которой колеблется вектор Е, называют плоскостью поляризации [1] (поскольку почти всегда векторы Е и Н перпендикулярны друг другу, то для полного описания состояния поляризации, вообще говоря, достаточно знания поведения лишь одного вектора Е). Поляризация характеризует поперечную анизотропию ЭМВ, т.е. неэквивалентность различных направлений в плоскости, перпендикулярной лучу волны. Это свойство лишает волну осевой симметрии относительно ее луча из-за наличия выделенных направлений колебаний векторов Е и Н.
Обычный источник света, например, Солнце или любое раскаленное тело, можно рассматривать как систему огромного множества элементарных электрических вибраторов, имеющих произвольную и постоянно меняющуюся во времени пространственную ориентацию. В световой волне такого источника отсутствуют выделенные фиксированные направления колебаний вектора Е: все колебания хаотичны, происходят по всем направлениям, перпендикулярным лучу, и равновероятно распределены по фронту волны относительно ее луча. Такой свет называют естественным светом и говорят, что он неполяризован. Полную поляризацию монохроматического света характеризуют проекцией траектории конца вектора Е в некоторой точечной области луча на плоскость, перпендикулярную лучу, – фронтальную плоскость (начало вектора Е всегда находится на луче, т.е. на оси z). На этой плоскости проекция конца вектора Е в любой момент времени может быть представлена некоторой точкой с координатами Ех и Еy, определяющими вершины двух ортогональных векторов Ех и Еy, на которые может быть разложен любой вектор Е: Е = Ех + Еy (рис. 2а). Гармоническое колебание вектора Е имеет вид Е = Еmsin(ωt + φ), где круговая частота ω, амплитуда Еm и начальная фаза φ являются константами.
Как известно, при сложении двух гармонических колебаний с одинаковой частотой, но разными амплитудами и фазами, образуется гармоническое колебание той же частоты. Поэтому ортогональные векторы такого колебания представляются в виде Ех = Еsin(ωt + φх) и Еу = Еsin(ωt + φу). В реальных световых колебательных процессах, в отличие от гармонических, частота, амплитуда и фаза колебаний могут постоянно и хаотически меняться. Так как монохроматический свет имеет постоянную частоту ω, то указанные изменения относятся к амплитуде и фазе колебаний (на фронтальной плоскости они отображаются как изменения модуля Е вектора Е и его фазы φ или как соответствующие изменения его ортогональных векторов Ех и Еу).
Фронтальную плоскость неполяризованной световой волны можно представить в виде равновероятно распределенного множества точек, каждая из которых совпадает с проекцией конца вектора Еi или Еj (i j; i, j = 0, 1, 2,…) (рис. 2б). Векторы Еi или Еj определяют одно из возможных положений вектора общего излучения Е, проекция конца которого в каждый фиксированный момент времени случайно совпадает с одной из точек i или j, имеющих соответственно фазы φi или φj. За ненулевой интервал времени проекция вектора на фронтальной плоскости совершает хаотическое перемещение от одних ее точек к другим по непредсказуемой траектории. Если направления колебаний вектора Е упорядочены каким-либо образом, то свет называют поляризованным. Различают частично (колебания одних направлений преобладают над колебаниями других направлений) и полностью поляризованный свет (колебания происходят по строго определенным траекториям). Обычно частично поляризованный свет состоит из естественной и поляризованной составляющих.
В полностью поляризованном монохроматическом свете траектория перемещения конца вектора Е предсказуема и в общем случае описывает поверхность эллиптического цилиндра, проекция которого на фронтальную плоскость представляет собой эллипс поляризации (рис. 3а, 3б). Условием эллиптической поляризации является строгое постоянство во времени разности фаз Δφ = (φi – φj) между любыми двумя векторами Еi или Еj или их соответствующими ортогональными проекциями (в неполяризованном свете эта разность фаз непрерывно и хаотически меняется) [1]. Такая поляризация дополнительно характеризуется право- или левосторонним направлением вращения вектора Е в световой волне (на рис. 3 показано правое вращение – правый винт).
Предельными случаями эллиптической поляризации являются линейная и циркулярная (круговая) поляризация. В линейно поляризованном свете разность фаз Δφ = 0 (или кратна π, т.е. равна nπ, где n = 1, 2, 3… – целое число), эллиптический цилиндр вырождается в плоскость, а эллипс – в отрезок прямой линии, по которой перемещается проекция вектора Е (рис. 3в). Для определения состояния линейно или плоско поляризованного света достаточно указать положение его плоскости поляризации (например, указать угол α отклонения плоскости от вертикали). При круговой поляризации Δφ = (2n – 1)π/2, эллиптический цилиндр становится круговым, а эллипс превращается в окружность (рис. 3г). Подобно тому, как вектор Е представим на плоскости суммой двух ортогональных векторов Ех и Еу, его же можно представить в линейно поляризованном свете суперпозицией двух форм круговой поляризации Е+ и Е с противоположным направлением вращения: Е = Е+ + Е (если, например, разность фаз Δφ = φ+ – φ = 0, то α = 0, а при φ+ > φ будет α > 0, т.е. плоскость поляризации займет положение, показанное на рис. 3в).
Поляризация света может производиться различными способами. Среды, обладающие свойством поляризации света, называют поляризаторами, а приборы, с помощью которых обнаруживается положение плоскости поляризации, – анализаторами [7].

Читайте также:  Изготовление стабилизатора тока для с

ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ

Линейно поляризованный свет можно подвергать в физических средах операциям поворота его плоскости поляризации в целях решения тех или иных технических задач. Такой поворот могут вызывать как оптически активные вещества (различные кристаллы, их расплавы и растворы), так и внешние физические поля, воздействующие на среду прохождения света. Возможность воздействия на поляризованный свет в среде при помощи постоянного магнитного поля лежит в основе эффекта Фарадея – вращения плоскости поляризации линейно (циркулярно) поляризованного света, распространяющегося в среде вдоль постоянного магнитного поля, в котором находится эта среда. Основная особенность эффекта Фарадея заключается в его невзаимности, т.е. в нарушении принципа обратимости светового луча: его движение «назад» дает такой же угол поворота и в ту же сторону, что и движение «вперед». Изменение же направления магнитного поля, напротив, изменяет направление вращения плоскости поляризации на противоположное.
Феноменологическое объяснение этого явления дает возникающая в среде под действием магнитного поля циркулярная анизотропия, связанная с неэквивалентностью двух направлений вращения в плоскости, перпендикулярной полю. Как следствие, при распространении в среде вдоль магнитного поля пучка линейно поляризованного монохроматического света фазовые скорости (скорости пространственного перемещения фазы волны) его право- и левоциркулярной поляризованных составляющих различны, за один и тот же интервал времени они проходят в среде различные пути, что и приводит к вращению плоскости поляризации результирующего пучка света. В эффекте Фарадея магнитное поле влияет на поляризацию света лишь косвенно, изменяя оптические характеристики среды прохождения света (в вакууме магнитное поля не оказывает на свет влияния).
Вращение плоскости поляризации монохроматического линейно поляризованного света, распространяющегося в изотропной немагнитной среде вдоль магнитного поля, подчиняется закону Верде [1]:

где Θ – угол поворота (угол Фарадея [радиан в СИ; угловая минута в СГСМ]); Н – магнитная напряженность поля [А/м в СИ; Э в СГСМ]; l – длина пути светового луча в среде вдоль силовой линии магнитного поля [м в СИ; см в СГСМ]; V – постоянная Верде (удельное магнитное вращение) [рад/А в СИ; мин/Э·см в СГСМ], зависящая от длины волны света (частоты), плотности среды и от ее температуры (слабо).
Для большинства сред V > 0 (правостороннее вращение) и составляет сотые доли угловой минуты (‘): V = (0,01–0,02) мин/Э·см.
Знак угла поворота плоскости поляризации связан с направлением магнитного поля и не зависит от направления распространения луча (по полю или против поля). При многократном прохождении света через среду, помещенную в постоянное магнитное поле, угол поворота плоскости поляризации возрастает в соответствующее число раз. Это свойство используется в конструкции ОТТ/ОПТ для повышения их чувствительности.
Продолжение материала – в следующем номере.

ЛИТЕРАТУРА

1. Физика / Большой энциклопедический словарь. М.: Большая российская энциклопедия, 1999.
2. Палей Э., Аношин О. Электротехнический рынок России. Застой или временная передышка? Итоги выставки «Электрические сети России – 2006» // Новости ЭлектроТехники. 2006. № 6.
3. Некрашевич Е., Старостин Н. Волоконно-оптические датчики тока // Электронные компоненты. 2006. № 11.
4. Зырянова С. Единая сеть – единая страна // газета «Новые Контакты». 2007. № 12.
5. ООО «Уникальные Волоконные Приборы» – www.ufdgroup.ru
6. Элементарный учебник физики / под ред. акад. Г.С. Ландсберга. Т. 3. М.: Наука, 1952.
7. Яворский В.М., Пинский А.А. Основы физики. Т. 2. М.: Наука, 1972.

© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Источник

Оптоволоконные датчики тока

Принцип эффекта Фарадея в работе волоконно-оптических датчиков тока. Разработка и исследование микроструктурных оптических волокон. Сравнение оптоволоконного датчика и трансформатора тока. Потенциальные сферы применения оптоволоконных датчиков тока.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 12.11.2015

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт — Неразрушающего контроля

Направление — Электроника и наноэлектроника

Кафедра — Промышленной и медицинской электроники

На тему: ОПТОВОЛОКОННЫЕ ДАТЧИКИ ТОКА

Выполнил студент гр.1A31 — П.В. Дмитренко

Проверил — А. А. Аристов

Сенсоризация производственной деятельности, т. е. замена органов чувств человека на датчики, должна рассматриваться в качестве третьей промышленной революции вслед за первыми двумя — машинно-энергетической и информационно компьютерной. Потребность в датчиках стремительно растет в связи с бурным развитием автоматизированных систем контроля и управления, внедрением новых технологических процессов, переходом к гибким автоматизированным производствам. Помимо высоких метрологических характеристик датчики должны обладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоемкости изготовления и небольшой стоимости. Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические датчики.

Волоконно-оптический датчик — это датчик, который в качестве основного элемента использует оптическое волокно. Волоконно-оптические датчики можно грубо разделить на датчики, в которых оптическое волокно используется в качестве линии передачи, и датчики в которых оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента.

Первые попытки создания датчиков на основе оптических волокон можно отнести к середине 1970-х годов. Публикации о более или менее приемлемых разработках и экспериментальных образцах подобных датчиков появились во второй половине 1970-х годов. Однако считается, что этот тип датчиков сформировался как одно из направлений техники только в начале 1980-х годов. Тогда же появился и термин «волоконно-оптические датчики» (optical fiber sensors). Таким образом, волоконно-оптические датчики — очень молодая область техники.

Современная волоконная оптика стала развиваться в начале 70-х годов, когда практически одновременно в нескольких странах для изготовления оптических волокон (ОВ) была использована технология осаждения из га- зовой фазы (MCVD технология). В это же время начались и первые работы по созданию высококачественных ОВ в СССР для телекоммуникационных применений, главным образом в Академии Наук. Данная технология позволила резко понизить уровень потерь света в кварцевых волокнах сначала до 10 дб/км, а затем и менее 1дб/км. MCVD технология была выбрана так успешно, что и до настоящего времени является одной из основных технологий как для промышленного производства, так и для разработки новых типов ОВ. Кроме телекоммуникационных применений становление и развитие волоконно-оптических технологий от- крыло широкие возможности их применения в приборостроении и измерительной технике. Практически одно- временно с созданием волокон с малыми потерями появились работы по созданию волоконно-оптических датчи- ков (ВОД) физических величин, которые также развивались в Академии наук.[1]

Читайте также:  Материалы которые не пропускают ток

Известные волоконно-оптические датчики тока работают на принципе эффекта Фарадея. Ток, протекающий в проводе, индуцирует магнитное поле, которое через эффект Фарадея поворачивает плоскость поляризации излучения, распространяющегося в оптическом волокне, намотанном вокруг токонесущего провода. Согласно теореме о циркуляции магнитного поля имеем

где I — электрический ток, H — магнитное поле и интеграл берется по замкнутому пути вокруг тока. Если чувствительное волокно с постоянной по длине чувствительностью к магнитному полю намотано вокруг провода с током в виде контура с целым числом витков N, тогда поворот плоскости поляризации излучения на выходе из контура зависит от тока в проводе и не зависит от всех внешне генерируемых магнитных полей, например от токов в соседних проводах. Угол поворота плоскости поляризации равен

где V — константа Верде для материала волокна (кварца). Чувствительное оптическое волокно выполняет линейное интегрирование магнитного поля вдоль его пути, интеграл пропорционален току в проводе, когда этот путь замкнут сам на себя. Вращение плоскости поляризации излучения из-за присутствия электрического тока измеряют путем введения излучения с линейной поляризацией в чувствительный волоконный контур, и последующего анализа состояния поляризации излучения после того, как он выйдет из чувствительного волоконного контура.[2]

Техническое описание датчика

Датчик состоит из электронного и оптического модулей. Оптический модуль включает в себя источник излучения, направленный ответвитель, последовательно расположенные поляризатор излучения, модулятор поляризации излучения, волоконная линия и измерительный чувствительный волоконный контур. Электронный модуль включает в себя блок обработки сигнала, фотодетектор и генератор сигнала, связанный с модулятором. Модулятор поляризации излучения выполнен в виде волоконного контура, расположенного в продольном магнитном поле соленоида. Волоконная линия выполнена в виде двойной бифилярной волоконной линии. Волоконный контур модулятора и двойная бифилярная волоконная линия выполнены из магниточувствительного оптического волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением. В волоконно-оптическом датчике тока в качестве магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением может быть использовано микроструктурное волокно.[3]

Микроструктурные оптические волокна

В последние годы наибольший интерес привлекает разработка и исследование микроструктурных оптических волокон (МОВ), называемых также и фотонно-кристаллическими или «дырчатыми» оптическими волокнами. Это вызвано такими свойствами и возможностями МОВ, как широкий одномодовый диапазон, уникальные дисперсионные характеристики и их сильная зависимость от геометрических параметров волокна, большое значение нелинейного коэффициента за счет сильной локализации поля, увеличенное двулучепреломление по сравнению с обычным, поддерживающим поляризацию (Hi-Bi), волокном. При этом часто МОВ позволяют реализововать оптические характеристики, которые невозможно получать в «обычных» ОВ. Идея МОВ была «заимствована» из физики твердого тела и фотонных кристаллов и заключается в создании периодической структуры в сечении ОВ. Для реализации такой структуры была использована технология сборки кварцевых капилляров и их последующей перетяжки в волокно, при этом центральный канал может быть как воздушной дыркой (МОВ с запрещенной зоной) или кварцевым стержнем (МОВ на основе эффективного показателя преломления).

Волоконно-оптические датчики магнитного поля и электрического тока на основе эффекта Фарадея в кристаллах Bi12GeO20 и Bi12SiO20

ВОД магнитного поля и электрического тока на основе эффекта Фарадея в кристаллах со структурой силленитов (Bi12GeO20 и Bi12SiO20) находят достаточно широкое применение в системах измерения магнитных полей и электрических токов в энергетике, экспериментальной и ядерной физике, импульсной технике и т.д. Они обладают рядом известных преимуществ перед традиционными датчиками. Магнитооптическая модуляция света в кристаллах Bi12GeO20 и Bi12SiO20 возникает как следствие наводимого магнитным полем H кругового двулучепреломления (эффект Фарадея). Особенностью данных кристаллов является наличие у них естественной оптической активности, что приводит к усложненной зависимости угла Фарадея и коэффициента модуляции от магнитного поля, однако, при этом за счет выбора параметров кристаллов и ориентации осей поляризаторов могут быть созданы чувствительные элементы с повышенной термостабильностью. Чувствительность ВОД к магнитному полю и электрическому току определяется коэффициентом преобразования чувствительного элемента (ЧЭ) или первичного измерительного преобразователя (ИПП), который пропорционален углу Фарадея :

где V — константа Верде Bi12GeO20;

H — проекция вектора приложенного магнитного поля на направление распространения световой волны в кристалле;

L — длина кристалла;

И — коэффициент оптической активности Bi12GeO20.

Для расчета коэффициента преобразования при заданных поляризации и интенсивности света на входе ЧЭ необходимо определить состояние поляризации световой волны и ее интенсивности на выходе, что обычно делается с помощью формализма матриц Джонса.

Разработаны и исследованы три схемы чувствительных элементов ВОД на основе кристаллов Bi12GeO20 и Bi12SiO20: проходного типа, отражательного и многопроходного.[6]

Рис. 1. Оптическая схема двухпроходного чувствительного элемента. 1 — градиентная линза; 2,6 — входной и выходной поляризаторы, соответственно; 3 — делительный кубик; 4 — магнитооптический кристалл; 5 — зеркало; I0, Iвых -интенсивность света на входе и выходе соответственно

Рис. 2. Оптическая схема чувствительного элемента проходного типа. 1,4 — градиентные линзы; 2 — поляризационные дели- тельные кубики; 4- магнитооптический кристалл; I0, Iвых -интенсивность света на входе и выходе соответственно

Рис. 3. Схема ВОД с многопроходным чувствительным элементом. 1?источник излучения; 2?оптические волокна; 3?градиентные линзы; 4,7? призменные поляризаторы; 5?кристалл Bi12GeO20; 6?диэлектрические зеркала; 8 ? фотоприемник; 9 ? ротатор р/4

На основе этих элементов реализованы датчики со следующими параметрами:

а) ВОД с однопроходным чувствительным элементом на основе Bi12GeO20 для измерения переменных магнитных полей и токов:

пороговая чувствительность к магнитному полю — ;

быстродействие до 10-8 с (определяется полосой часто ФПУ); температурный дрейф — не более ±0,6% на 1000 С.

б) ВОД с двухпроходным чувствительным элементом для измерения постоянных магнитных полей с параметрами:

пороговая чувствительность к магнитному полю — ?35 А/м;

динамический диапазон до 103;

температурный дрейф коэффициента преобразования — ±2% на 1000 С.

в) Применение многопроходного чувствительного элемента позволило увеличить пороговую чувствительность до.

Принципиально пороговая чувствительность ВОД ограничивалась шумами источника излучения.

Свет от источника 1 распространяется через ответвитель 2 и поляризатор 3 к 45-градусной сварке 4, где он разделяется поровну в два состояния поляризации, сохраняемые на всем остатке оптической цепи. Пьезоэлектрический модулятор двойного лучепреломления 5 модулирует по-разному фазы света в двух состояниях поляризации. Модулятор 5 управляется с помощью генератора 6 сигнала модулятора, который обеспечивает электрический сигнал, имеющий синусоидальную или прямоугольную форму. Свет затем распространяется через волоконную линию задержки 7, выполненную из сохраняющего линейную поляризацию волокна (РМ волокна), необходимую для повышения эффективности модулятора, далее через конвертор мод 8 (четвертьволновую пластинку), который преобразует два линейных состояния поляризации в два циркулярных состояния поляризации, и через оптимизированный чувствительный контур 9 датчика. Чувствительный контур 9 датчика выполнен из spun-волокна с оптимально выбранными параметрами и намотан вокруг токонесущего провода 11. Свет отражается отражающим концом 10 (зеркалом) и повторяет свой путь в обратном направлении через оптическую цепь, попадая в конце цепи на детектор 12. Блок обработки сигнала 13 преобразует продетектированный сигнал к выходу 14, который показывает ток, протекающий в проводе 11.[8]

Рис.4. Схема датчика тока.

Основные характеристики и преимущества

Основные характеристики таковы:

¦ датчики позволяют измерять токи как в одном, так и в двух направлениях при силе тока до ±500 кА (допускается превышение на 100 кА),

¦ погрешность датчика — в пределах ±0,1% при токах 1 до 120% от максимального,

¦ частота дискретизации: 4 кГц,

¦ диапазон рабочих температур головки датчика: от -40 до 85 °C, для электроники контроллера: от -20 до 55 °C.

В сравнении с традиционными преобразователями постоянного тока на эффекте Холла, оптоволоконный датчик обладает рядом преимуществ:

¦ Установка датчика производится значительно проще и быстрее.

¦ Нет необходимости в центровке измерительной головки в магнитном поле. Благодаря этому заказчик получает значительную свободу при установке датчика.

¦ Ограничения по месту расположения измерительных головок несущественны. Легкость монтажа датчика позволяет очень быстро осуществить на предприятии замену действующей измерительной системы.

¦ В отличие от традиционных преобразователей тока, ошибки, связанные с асимметричным распределением поля и магнитными помехами, компенсируются благодаря самому принципу действия прибора.

¦ Головка датчика была существенно упрощена. Это, в свою очередь, снижает вероятность отказов.

¦ Датчик может работать с двунаправленными магнитными полями. Местное обращение вектора магнитного поля, вызванное сильными токами, протекающими по соседним проводникам, не приводит к погрешностям в измерениях. Более того, датчик сообщает об обратных токах.

¦ Широкая полоса пропускания (частота дискретизации 4 кГц) позволяет восстанавливать переменные составляющие тока, такие как пульсации и кратковременные нестационарные токи, а также обеспечивает очень малое время реагирования системы управления ТП и делает возможным проведение гармонического анализа. Таким образом, датчик открывает новые возможности по сбору данных на сильноточных технологических линиях на постоянном токе.

¦ Головка датчика полностью состоит из диэлектрических материалов, а значит, совершенно безопасна. Электронные схемы обработки сигналов полностью гальванически развязаны от шин.

¦ Потребление энергии оптическим датчиком пренебрежимо мало по сравнению с обычными датчиками, которые потребляют до нескольких киловатт.

Таблица 1. Сравнение оптоволоконного датчика и трансформатора тока

Источник

Оптические преобразователи тока и напряжения для цифровой подстанции

Неизбежность замены традиционных СИ

Что влечет за собой развитие сетей Smart Grid и внедрение идеологии цифровых подстанций? Неизбежность замены традиционных
аналоговых СИ (трансформаторов тока и напряжения, систем учета, защиты и автоматики) на цифровые СИ.
Основные требования к цифровым СИ, включая датчики, сенсоры тока, напряжения:
 быстродействие, широкий частотный диапазон до 6 кГц;
 большая перегрузочная способность, динамический диапазон;
 отсутствие влияния коротких замыканий;
 высокая электрическая изоляция при компактных размерах;
 малый вес, удобство монтажа;
 пожаробезопасность, экологичность.
Имеются альтернативные варианты традиционным трансформаторам (в основном электромагнитным). Это датчики тока на основе
катушек Роговского, магнитотранзисторов и датчики напряжения на основе емкостных и резистивных делителей. Но наиболее перспективными, с нашей точки зрения, являются датчики, основанные на оптических технологиях.

Проблемы внедрения оптических трансформаторов, в особенности на кл. напряжения 35 кВ и ниже

Высокая себестоимость производства оптических ИТН, сконструированных на основе эффекта Покельса, по оценке специалистов связана с техническими и технологическими проблемами и ограничивает их широкое внедрение.

Но оптические ИТН на классе напряжения 110 кВ и выше (см. рис.) выпускаются серийно несмотря на высокую стоимость. Это объясняется тем, что высокая стоимость самого оптического трансформатора компенсируется меньшими затратами на монтаж по сравнению с традиционными трансформаторами. Но этот выигрыш по общим затратам достигается лишь на уровне напряжения выше 110 кВ.

И возможно по этой причине оптические ИТН на кл. напряжения 35 кВ и ниже отсутствуют на рынке электроэнергетики для широкого применения.

Магнитооптический измерительный преобразователь тока и электрооптический измерительный преобразователь напряжения

В «НПП Марс-Энерго» решили восполнить пробелы с предложением оптических трансформаторов напряжения на кл. 35 кВ и ниже и тока с простой конструкцией и доступной ценой. В результате были разработаны:

1) Магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока, основанный на использовании магнитооптического эффекта Фарадея.

Читайте также:  Пусковой ток для лифта

2) Электрооптический измерительный преобразователь переменного напряжения, основанный на использовании электрооптического эффекта электрогирации.

На рисунке приведена упрощенная структурная схема универсального измерительного преобразователя, который в зависимости от используемого чувствительного элемента может использоваться для измерения тока или напряжения.

Перспективные СИ. Магнитооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного тока МПР-МЭ-5

Назначение

Преобразователь, состоящий из чувствительного элемента (ячейки Фарадея) и оптоэлектронного блока, предназначен для преобразования первичных мгновенных значений переменных и импульсных токов в пропорциональные значения низкого вторичного тока или цифровой сигнал. Он основан на использовании магнитооптического эффекта Фарадея.

Принцип действия

Эффект Фарадея проявляется в повороте плоскости поляризации линейно поляризованного света.

Особенности конструкции:

1. В разработанном преобразователе чувствительным элементом являются четыре призмы, расположенные последовательно
по ходу распространения света, выполненные из стандартного диамагнитного стекла и образующие замкнутый контур вокруг проводника с измеряемым током.
2. Поляризаторы интегрированы в призмы.

Преимущества исполнения преобразователя:

1. Низкий уровень шумов
2. Простота оптоэлектронного блока

Технические характеристики опытного образца – прототипа

Предварительные результаты испытаний

Испытания проводились в лаборатории при н. у.

Структурная схема преобразователя тока

Электрооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного напряжения ЭПР-МЭ-35,100:

Назначение

Преобразователь предназначен для масштабного преобразования мгновенных значений высоких переменных и импульсных напряжений в пропорциональные значения низкого напряжения. Он основан на использовании электрооптического эффекта электрогирации.

Принцип действия

Эффект электрогирации проявляется в появлении оптической активности центрально симметричных кристаллов под действием напряженности электрического поля измеряемого напряжения.

Электрооптический эффект электрогирации 50 лет спустя

История открытий в оптике

1845 год — Продольный магнитооптический эффект Фарадея

1893 год — Линейный электрооптический эффект Поккельса

1964 год — Открыт эффект электрогирации, одновременно исследованный японским ученым К. Аизу и русским ученым И.С. Желудевым. В 1969 году украинским ученым О.Г. Влохом были проведены экспериментальные работы.

Эффект электрогирации

Эффект электрогирации заключается в возникновении или изменении оптической активности в кристаллах, находящихся в электрическом поле, которая вызывает поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света при его распространении через кристалл на угол, пропорциональный напряженности электрического поля и длине пути света в кристалле. Коэффициент пропорциональности равен постоянной электрогирации кристалла.

Конструкция

 ячейка электрогирации, входные электроды которой подключены к измеряемому напряжению
 электронный блок, формирующий нормированный выходной сигнал

Особенности конструкции: в преобразователе измеряемое напряжение прикладывается непосредственно к торцам центрально симметричного кристалла.

Преимущества конструкции:
1) возможность измерения межфазного напряжения;
2) отсутствие пьезоэффекта.

Технические характеристики опытного образца – прототипа

Структурная схема преобразователя напряжения

Предварительные результаты испытаний

Испытания проводились в лаборатории при н. у. 30.04.2014

Электрооптический измерительный преобразователь переменного и импульсного напряжения ЭПР-МЭ-35,100

Исполнение ИТН и ИТТ для работы в составе ЦПС

Метрологическое обеспечение электронных (цифровых) трансформаторов тока и напряжения

Комплекс средств поверки трансформаторов тока и напряжения «КСП-61850»:

1. Многофункциональный эталонный прибор «Энергомонитор-61850»

2. Высоковольтный измерительный комплект поверки ИТН

3. Комплект поверки ИТТ

Переход от индуктивных традиционных к оптическим измерительным трансформаторам

Взгляд на перемены в технологии производства

Традиционные трансформаторы

Основное сырье: металлическая руда, уголь + Большие производственные площади + Вредные технологии с использованием компаунда на основе эпоксидных смол + Традиционная технология производства с начала прошлого века = Индуктивные измерительные трансформаторы

Оптические трансформаторы

Песок – основа производства опт. стекла и выращивания кристаллов + Электроника + Наукоемкие высокие технологии обработки = Оптические трансформаторы

Аналогии трансформирования стоимости

© «НПП Марс-Энерго», 1999–2021
Адрес: Санкт-Петербург, В. О., 13 линия, д. 6-8, лит. А, пом. 40Н
Бесплатный звонок по России: 8 (800) 333-10-51

Источник



Оптические датчики тока напряжения

Ресурсоэффективное энергопотребление это одно из основных путей развития современных технологий. Актуальность данного направления деятельности вызывает огромный интерес к прецизионным способам и приборам по измерению основных характеристик транспортирующих, генерирующих, распределяющих и электрических устройств. Величина электрического тока, протекающего через токопроводящие элементы устройства, является одним из этих параметров

Весомым недостатком, используемых в современных системах измерения тока, является характеристика первичного преобразователя — высоковольтного трансформатора тока. Он требует трудоемкого и регулярного обслуживания, его погрешность напрямую зависит от режима нагрузки и она имеет свойство накапливаться. А также для анализирования сигнала с первичного преобразователя используется электросчетчик, на показания которого сильно влияет качество электроэнергии. В роли замены первичного преобразователя, можно рассматривать распространившиеся датчики, основанные на эффекте Холла, которые позволяют измерять постоянный ток, а также имеют на много более высокую точность, нежели трансформаторы тока. Но в целом, общим недостатком трансформаторов и датчиков, основанных на эффекте Холла, является присутствие эффекта насыщения, что сильно ограничивает диапазон измеряемых токов.

Эффект Фарадея

Волоконно-оптические датчики тока проектируются на основе эффекта Фарадея. Магнитооптический эффект, в результате которого в процессе распространения линейно поляризованного света, находящегося в магнитном поле, через оптически неактивное вещество, наблюдается изменение угла плоскости поляризации света называется эффект Фарадея (рис. 1).

Рис. 1. Изменение угла плоскости поляризации света

Эффект Фарадея применяется в волоконно-оптических датчиках тока [3], поскольку существует огромное кол-во стекол, зеркал и оптических волокон, в которых эффект достаточно хорошо проявляется [4]. Эти оптические составляющие имеют высокую постоянную Верде (физическая величина, характеризующая магнитное вращение плоскости поляризации в веществе) [1, 2], которая связывает угол поворота плоскости линейно поляризованного света ΔФ, прошедшего через оптический контур и значение интеграла напряженности магнитного поля Н, взятого по всей длине оптического контура L,:

Этот угол ΔФ также равен невзаимному сдвигу по фазе циркулярно поляризованной волны, проходящей через оптоволоконный контур. Для право циркулярной волны ΔФ положителен, для лево циркулярной — отрицателен.

Конструкция ВОДТ

Одним из простых вариантов ВОДТ на основе эффекте Фарадея является поляриметрический датчик представленный на рисунке 2. В нем сила тока, в проводящем элементе, ставится в соответствие с углом поворота плоскости поляризации света, который прошел замкнутый контур, сквозь который пущен токоведущий элемент.

Рис. 2. Конструкция поляриметрического ВОДТ

Линейно-поляризованная волна из источника пройдя через поляризатор направляется в оптоволокно, которое обернуто вокруг проводника, в котором течет ток. В роли чувствительного элемента было использовано стандартное одномодовое оптоволокно сверхвысокого качества. Количество оборотов оптоволокна вокруг проводящей жилы зависит от диапазона измеряемых токов. В моменты прохода плоскости поляризации волны по контуру, она изменяется на угол ΔФ, который является следствием, образующегося магнитным полем, циркулярного двулучепреломления. Линейная поляризация при этом рассматривается как результат некоторой суперпозиции волн с поляризацией с противоположным крутящим моментом. Затем, волна раскладывается с помощью поляризационного светоделителя, повернутого на 45° относительно входного поляризатора, на две ортогональные поляризации. Каждая из которых направляется на соответствующий фотодетектор. Таким образом, измеренные интенсивности света и при довольно малых потерях в данной системе зависят от угла ΔФ:

где Int — интенсивность входного света.

Поскольку волоконный контур в замкнутом состоянии, угол ΔФ равен:

Это уравнение соответствует одномодовому оптическому волокну в приближении, когда постоянные Верде сердечника и оболочки не очень отличаются, иначе угол ΔФ определяется зависимо от этих постоянных, а также от показателей преломления центральной части и оболочки оптоволокна [5].

Создание лабораторной установки для ВОДТ

Для тестирования разработанного образца ВОДТ нужно создать аппарат, симулирующий в лабораторных условиях перемещение по токопроводящей жиле высокой силы тока и косвенно измерить ее. Также необходимо разработать аппаратный комплекс по изучению продольного электрооптического эффекта Фарадея [6]. Было решено создать установку с расчетом на возможность проверки в ней источника магнитного поля независимым способом.

Схема установки показана на рисунке 3.

Рис. 3. Принципиальная схема комплекса

Источником излучения является гелий – неоновый лазер 1, свет которого имеет длину волны равную 635 нм. Это излучение входит в патч корд 2, на конце которого располагается коллиматор 3. Затем, практически параллельные пучки света попадают на поляризатор 4, который пропускает только одну форму поляризации. После этого свет проходит сквозь исследуемое стекло 6, находящееся в магнитном поле. Поле практически однородно и направлено вдоль распространения света. Катушка с током 5 является источником магнитного поля. Источник постоянного напряжения 7 обеспечивает ток в катушке. Затем излучение проходит сквозь анализатор 8, расположенный во вращающейся раме со шкалой углов, далее через коллиматор 9 и затем регистрируется фотоприемником 10.

Измерение постоянной Верде проводится следующим образом. Разрабатываются два режима процесса работы установки: без тока (режим 1) и с током (режим 2). Интенсивность света, пропущенного через оба поляризатора, по закону Малюса, на прямую зависит от угла α (угол между осями пропускания поляризаторов друг относительно друга):

Int = Intcos 2 α

Это равенство справедливо при первом режиме. Во втором режиме магнитное поле создает дополнительный сдвиг поляризованного излучения на Δα. В этом режиме равенство выглядит так:

Int = Intcos 2 (α+Δα)

С помощью экспериментальной установки проводится измерение интенсивности света Int в зависимости от углов между осями двух поляризаторов в разных режимах (ток отсутствует, ток пущен). На основе измеренных значений, построим две кривые и аппроксимируем их функциями вида (для режима 1) и (для режима 2).

Промежуток между кривыми по Х координате (ось углов) и есть Δа, этот угол, на который изменяется плоскость поляризации во время воздействии магнитного поля, определяется как разность между коэффициентами k1, и k2

Постоянная Верде находится по формуле:

где I – ток в катушке

N = 4000 – кол-во витков в катушке

Lкат = 8 см – толщина стекла

В установке используется ток силой 1,5 Ампера, поддерживаемый с помощью прецизионного мультиметра Rigol DM3051 с погрешностью (0.01% + 0.7 мА) для используемого диапазона. Вычислен модуль индукции магнитного поля в Теслах и получена напряженность магнитного поля в Эрстедах:

На основании экспериментальных данных, произведен расчет и усреднение величины угла поворота плоскости поляризации, полученные точки и аппроксимирующие кривые показаны на рисунке 4:

Рис. 4. Аппроксимирующие кривые в 2-ух режимах

По рисунку видно что Δα = 0.18 рад = 10.313 0 .

Постоянная Верде V находится следующим образом:

Известно, что постоянная Верде для используемого магнитоактивного стекла равна 0,0819 , а это свидетельствует о правильном расчете параметров предложенной установки, и позволяет использовать ее для симуляции высоких токов при испытаниях ВОДТ.

Результаты

Для получения угла ΔФ, при этом независимо от интенсивности Int0, в процессе которой нет стабильности во времени, выходной сигнал S высчитывается как зависимость:

В результате измерения, ток, создаваемый в установке, пошагово изменялся в доступном для источника питания диапазоне, а данные с макета измерителя тока и амперметра (±0,01% ±7 е.м.р) записывалась на компьютер с частотой 2500 Гц. Результаты испытания макета измерителя тока представлены на рис. 5.

Рис. 5. Результаты испытания макета измерителя тока

На представленном графике видна лишь одна прямая, ввиду наложения кривых с макета и амперметра. Для приблизительной оценки погрешности макета рассматриваются отсчеты, в которых сила тока была постоянна, и по ним видно, что в исследуемом диапазоне(от -1.2 кА до +1.2 кА) абсолютная погрешность не превышает 2 А, а относительная погрешность меньше 0.1%.

В результате, представленный макет позволяет показать работу измерителя, созданного по предложенной конструкции на основе созданных и исследованных составляющих частей, а предложенный метод помогает минимизировать некоторое влияние магнитных полей на проведенные измерения.

Рецензенты:

Агафонников В.Ф., д.т.н., профессор кафедры конструирования узлов и деталей РЭС Томского университета систем управления и радиоэлектроники, г. Томск;

Ким В.Л., д.т.н., профессор кафедры вычислительной техники Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск.

Источник