BR102020026820A2

BR102020026820A2 - Cabeça eletro-óptica de instrumento sensor de tensão elétrica e harmônicos.

Info

Publication number: BR102020026820A2
Application number: BR102020026820-1A
Authority: BR
Inventors: Sergio Celaschi; Serguei Balachov; João Batista Rosolem
Original assignee: Fundacao Cpqd - Centro De Pesquisa E Desenvolvimento Em Telecomunicacoes; Centro De Tecnologia De Informação Renato Archer
Priority date: 2020-12-28
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2022-07-12

Abstract

CABEÇA ELETRO-ÓPTICA DE INSTRUMENTO SENSOR DE TENSÃO ELÉTRICA E HARMÔNICOS. Compreende um braço de entrada (15) óptico que direciona um feixe guiado (3) de luz polarizada para um circuito óptico (4), um interferômetro Mach-Zehnder, construído em meio translúcido e com atividade eletro-óptica (E-O), feixe guiado (3) esse que é dividido igualmente em intensidades e guiado pelos braços divergentes (36 e 37) para os braços paralelos (6 e 7), em que o braço paralelo (7) com eletrodo metálico (20) depositado, possui um transdutor, que envia sinal para dois fotodetectores que medem a diferença de intensidades nos dois feixes ópticos conduzidos pelas fibras ópticas nas portas de saída (16) e (17). O transdutor e o eletrodo metálico (20) em meio a um campo E induzem um deslocamento de fase diferencial nos braços bifurcados (58) e (59) do feixe guiado (3) que variam em magnitude, em resposta à magnitude instantânea de um campo elétrico externo E.

Description

CABEÇA ELETRO-ÓPTICA DE INSTRUMENTO SENSOR DE TENSÃO ELÉTRICA E HARMÔNICOS.

INTRODUÇÃO

[001] A presente Patente de Invenção refere-se a um dispositivo sensor de tensão elétrica, em miniatura 1x2 contendo uma entrada e duas saídas complementares, capaz de operar com precisão nas medições de altas tensões e harmônicos, utilizando um sensor eletro-óptico disposto adjacente e próximo do condutor no qual a tensão elétrica deve ser medida, mas sem contato elétrico direto. Destinado a medir as tensões trifásicas e harmônicos entregues a cada usuário, nas redes de distribuição de média voltagem (11,9 kV, 13,8kV e 34,5kV) e de alta voltagem (69 kV a 230 kV).

CAMPO DA INVENÇÃO

[002] O dispositivo sensor 1x2 é conformado em um Guia Integrado Monopolarizado de Supermodos (GIMS) sobre um material cristalino eletro-óptico sensível às variações externas de campo elétrico, que responde a tais variações de campo, modulando um feixe de luz procedente de uma fibra óptica. O sinal óptico modulado segue por outra fibra para detecção e processamento de sinal. O feixe de luz passando pelo sensor é modulado pelo efeito eletro-óptico de primeira ordem, denominado internacionalmente como efeito Pockels. O efeito eletro-óptico causa a mudança de fase no feixe de luz, que por sua vez é desdobrado em um par de feixes independentes, a partir dos quais a tensão elétrica é monitorada através do seu campo elétrico “E”. Essa tensão elétrica é determinada quando os dois feixes na saída do dispositivo sensor 1x2 são convertidos em sinais elétricos e esses analisados por um processador externo de sinal. A arquitetura do dispositivo sensor por possuir uma única entrada e duas saídas complementares agrega ao dispositivo substancial estabilidade perante variações do sinal de óptico de entrada em potência, e em polarização. Assim, a intensidade da tensão e seus componentes harmônicos são analisados de acordo com as normas vigentes de qualidade da energia elétrica transmitida por linhas de distribuição no Brasil, nesta forma de viabilização da invenção. O circuito óptico do GIMS sensor atua sobre o feixe de luz de entrada, que é dividido em dois, de acordo com os eixos do seu estado de polarização.

[003] Esta polarização varia entre circularmente polarizada no sentido horário e circularmente polarizada no sentido anti-horário em proporção à tensão monitorada. Os dois sinais são modulados em amplitude (AM) e são opticamente guiados, convertidos em sinais elétricos e analisados em um processador de sinal para determinar a tensão entre um condutor de aterramento e o condutor no qual a tensão está sendo medida.

[004] A presente invenção refere-se ao campo dos dispositivos sensores de tensão elétrica e harmônicos, mais particularmente a uma cabeça sensor de tensão que faz uso do efeito eletro-óptico (E-O) de primeira ordem sobre ondas guiadas através de um meio material E-O, para medir continuamente a tensão e seus harmônicos.

[005] Embora a presente invenção seja descrita em termos de uma cabeça de dispositivo 1X2 sensor com GIMS, deve se entender que o dispositivo e seu mecanismo de transdução em questão podem ser utilizados em qualquer campo de aplicação elétrica, de aplicação a telecomunicações ou óptica. Aqueles com conhecimentos correntes no campo desta invenção irão apreciar as vantagens da invenção e a sua aplicação a uma grande variedade de elementos elétricos (Bohnet,Frank,Müller,Yang,Lenner,Gabus,Gu and Marchese-Fiber Optic Current and Voltage Sensors for Electric Power Transmission Systems SPIE Procedings volume 10654 (12 may 2018). US Patent #5,267,336 (Nov 1993), Electo-optical Sensor for Detecting Electric Fields).

ESTADO DA TÉCNICA

[006] As medições de precisão em alta tensão têm sido tradicionalmente realizadas usando transformadores de potencial elétrico com núcleo ferromagnético (TPs). O desempenho desses dispositivos é restrito pela sua faixa dinâmica, largura de banda e linearidade substancialmente limitadas (E. Kuffel and W.S. Zaengl - High Voltage Engineering Fundamentals Second edition). O isolamento elétrico inadequado desses transformadores apresenta ainda outra desvantagem. Durante condições de falha elétrica, esses transformadores podem conduzir níveis perigosos de energia de falha para instrumentação e operadores, representando um risco substancial.

[007] O documento WO2017/152246 Al intitulado “OPTICAL SENSOR MODULE AND INTERROGATION SYSTEM FOR HIGH-VOLTAGE MEASURING AND MONITORING’’ - descreve uma variedade de sensores ópticos, a fibra, para medir tensão na tentativa de oferecer à indústria de energia uma alternativa superior sem a necessidade de contato elétrico direto com o condutor energizado.

[008] No documento acima, nos sensores ópticos de tensão, o contato se faz necessário pelo uso de um divisor de tensão que é utilizado para conectar o elemento sensor com o condutor energizado no qual uma medição deve ser feita. O contato elétrico direto com o condutor pode alterar ou interromper a operação do sistema de energia, apresentando uma sobrecarga ou carga.

[009] Além das desvantagens associadas ao contato elétrico direto com o condutor energizado, os sistemas convencionais de sensores de tensão, como mencionado anteriormente, são tipicamente volumosos, particularmente em aplicações de tensão extremamente alta. Isso porque o tamanho do divisor de tensão necessário é proporcional à tensão medida. O tamanho de tais sistemas pode torná-los difíceis e caros de instalar e abrigar em subestações. Um divisor capacitivo, utiliza de capacitores de baixa capacitância, mas com tensão de quebra dez vezes maior que a mensurada, o que aumenta o volume do componente em questão.

[010] Muitos sensores da técnica anterior baseiam-se em efeitos eletro-estritivos e que utilizam princípios de modulação interferométrica como antecipado no documento US 5396166 A intitulado “Fiber optic interferometric electric field and voltage sensor utilizing an electrostrictive transducer” e conversão eletro-óptica como antecipado no documento US 2013/293218 A1 intitulado “Optical sensor for non-contact volatage measurement”.

[011] Um limitante técnico da modulação interferométrica é ser extremamente sensível à temperatura. Esta sensibilidade de temperatura requer condições controladas para obter medições conformes de tensão. O requisito de condições controladas limita a utilidade de tais sistemas e os torna inadequados para aplicações externas ou não controladas.

[012] Além disso, a modulação interferométrica requer uma fonte de luz altamente coerente, que é relativamente cara.

[013] Sistemas que utilizam modulação mecânica da reflexão óptica dentro de uma fibra óptica também foram desenvolvidos. Entre outras desvantagens, a dependência de tais sistemas em peças móveis é um impedimento significativo para o uso generalizado.

[014] Sensores baseados em campo elétrico “E” ao ar livre também foram desenvolvidos, mas carecem de precisão quando usados para medir tensão. Porque o campo “E” ao ar livre varia com muitos parâmetros de ruído incluindo: a constante dielétrica ambiente; tensões adjacentes ao condutor em que se faz a medição; movimentação de estruturas condutoras como passagem automóveis; além de outras contribuições de ruído eletromagnético.

[015] Alguns aparelhos e métodos de técnicas anteriores para medição de alta tensão utilizam o efeito eletro-óptico em materiais tendo um coeficiente de Pockels ou Kerr, empregando um cristal compensador separado com uma tensão de referência conhecida, ou um divisor de tensão separado conectado diretamente ao condutor energizado, a fim de fazer uma determinação de tensão.

[016] A solução acima resultando em dispositivos volumosos que precisam de componentes eletrônicos adicionais para medir a tal referência conhecida, ou exige hardware extra, também apresenta tamanho, peso, confiabilidade e outros problemas (Klaus Schon- High Impulse Voltage and Current Measurement Techniques, Springer (2013), [6-4 Electro-optic sensor, pg 160-166] ).

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[017] É objetivo da presente invenção fornecer uma cabeça de dispositivo 1X2 sensor eletro-óptico com GIMS para medir tensão elétrica alternada e harmônicos que não exija contato elétrico com um condutor de energia elétrica.

[018] É objetivo da presente invenção propor uma cabeça de dispositivo 1X2 sensor de tensão electro-óptica com GIMS que possa vir a ser utilizada numa variedade de condições ambientais.

[019] É objetivo da presente invenção propor uma cabeça de dispositivo 1X2 sensor de tensão electro-óptica com GIMS que possa ser utilizada para medir com precisão altas tensões e harmônicos - (Power System Harmonics JWiley 2ndEdt (2003) / Ruth Pastora Saraiva Leão, R. Furtado Sampaio, F.L.M. Antunes- Harmônicos em Sistemas Elétricos Elsevier & Campus (2014) e US 7911196 B2 “Optical voltage sensor” - até a quadragésima quarta (44) ordem, sem o uso de hardware de divisão de voltagem dedicado.

[020] É objetivo da presente invenção propor uma cabeça de dispositivo 1X2 sensor de tensão electro-óptica com GIMS que possa ser permanentemente instalada.

[021] É objetivo da presente invenção propor uma cabeça de dispositivo 1X2 sensor de tensão electro-óptica com GIMS que seja completamente passiva e que minimize os componentes eletrônicos necessários para sua implementação.

[022] É objetivo da presente invenção propor uma cabeça de dispositivo 1X2 sensor de tensão electro-óptica com GIMS cuja referida cabeça tem a estrutura compacta, suficientemente pequena para ser convenientemente colocada ou instalada em dispositivos em que surgem campos elétricos, ou ser incorporada como parte do tal dispositivo.

[023] É objetivo da presente invenção propor uma cabeça de dispositivo 1X2 sensor de tensão electro-óptica com GIMS que no aparelho de transmissão e distribuição, por ser compacto, oferece uma vantagem no setor imobiliário em que o custo com energia (subestações) é elevado, decorrente da utilização de menor área útil.

[024] É objetivo da presente invenção propor uma cabeça de dispositivo 1X2 sensor de tensão electro-óptica com GIMS segura uma vez que o contato com o condutor energizado é substancialmente reduzido e, na maior parte dos casos, totalmente eliminado. Isto é vantajoso, visto que um condutor energizado pode apresentar riscos significativos à vida e à saúde, entre outros perigos e problemas associados com o uso dos divisores de voltagem.

[025] É objetivo da presente invenção propor uma cabeça de dispositivo 1X2 sensor de tensão electro-óptica com GIMS que possa ser integrada com os tipos existentes de equipamento de transmissão e distribuição de energia de alta tensão de modo a reduzir ou eliminar a necessidade de um grande aparelho de medição de tensão autônomo. Como são os Transformadores de Potencial - TPs e os Transformadores de Corrente -TCs.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[026] A invenção trata de uma cabeça do dispositivo 1X2 sensor com GIMS que inclui um transdutor constituído por um material birrefringente de transdução em que o efeito eletro-óptico de Pockels linear é observado (Klaus Schon- High Impulse Voltage and Current Measurement Techniques, Springer (2013), [6-4 Electro-optic sensor, pg 160166). Na prática da invenção, um feixe de luz polarizada é encaminhado, via fibra óptica, para o material de transdução. Embora a radiação eletromagnética utilizada na presente invenção possa compreender qualquer comprimento de onda (dentro ou fora do espectro visível), o termo "luz" será utilizado a seguir para significar radiação eletromagnética para fins de brevidade.

[027] Num feixe óptico, a luz tem dois componentes transversos, ao longo de dois eixos ortogonais, que se propagam ao longo do eixo de propagação, ortogonal aos outros dois.

[028] Se esses componentes são não coerentes temporalmente esse feixe é dito não polarizado. Se esses componentes tiverem coerência temporal esse feixe é dito polarizado. O feixe óptico polarizado passando pelo material de transdução, no braço do sensor sob um segmento de eletrodo depositado, sente o efeito eletro-óptico na cabeça do sensor quando o material de transdução é submetido a um campo elétrico externo transverso “E”. O efeito eletro-óptico causado por este campo elétrico transverso nos braços do interferômetro, um com e outro sem o eletrodo depositado, é observado como um deslocamento de fase entre os componentes ortogonais dos feixes ópticos que passam através do material de transdução do sensor por dois guias ópticos.

[029] Como os dois componentes ortogonais são deslocados independentemente, este deslocamento é referido aqui como um “deslocamento de fase diferencial” ou em campos externos alternados “modulação de fase diferencial". A forma de realização preferida da cabeça do sensor integra também um acoplador direcional 2x2, que recebe os dois sinais ópticos dos braços do interferômetro para compor os 2 estados de polarização dos feixes em dois sinais ópticos de saída, que são sinais complementares modulados em amplitude.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[030] A invenção será, a seguir, descrita em sua forma de realização, sendo que, para melhor entendimento, referências serão feitas aos desenhos anexos, nos quais estão representados:
FIGURA 1: Vista esquemática da cabeça do sensor eletro-óptico de tensão elétrica e harmônicos com GIMS, que detecta um campo elétrico externo;
FIGURA 2: Interferômetro de MZ discreto. F Feixe colimado / E1, 2, 3, 4 placas;
FIGURA 3: Equivalência dos braços do circuito da figura 1 com os feixes E1, E2, E3 e E1, E4 e E3 mostrados na figura 2;
FIGURA 4: Fluxo do campo elétrico “E” sobre o eletrodo 20 mostrado na figura 1.

DESCRIÇÃO TÉCNICA DETALHADA DA INVENÇÃO

[031] Uma medição de tensão é uma medida da diferença de tensão (ou diferença de potencial elétrico) entre dois objetos ou posições. A tensão é proporcional ao campo elétrico entre tais objetos (doravante, “campo elétrico” ou campo “E”) dependendo das geometrias, composições e distâncias entre o material condutor e o isolante. Na presente invenção, onde os efeitos de um campo “E” podem ser observados ou detectados, uma medição da tensão elétrica pode ser realizada.

[032] A medição é uma análise ao longo do tempo, das variações no formato do sinal de tensão lido, o que é realizado utilizando-se de um conversor Analógico Digital - A/D, operando em tempo real. O uso de tal conversor permite a medição e monitoração simultânea dos harmônicos presentes que são lidos pela mesma cabeça sensor da presente invenção.

[033] Como ilustrado na figura 1, o dispositivo sensor tem o braço de entrada (15) e os braços de saída (16 e 17). A resposta deste sensor será óptica, portanto a entrada do sensor é alimentada com uma luz, ou radiação polarizada e a saída é composta pelos sinais ópticos da mesma radiação na entrada já com informações a serem monitoradas.

[034] O circuito óptico usado como elemento leitor da tensão elétrica a ser medida nesta invenção, é conhecido como um interferômetro de Mach-Zehnder (M-Z) e compreende um circuito óptico (4) cuja entrada possui um derivador (splitter) balanceado que divide o feixe de luz guiada para dois guias ópticos, braços paralelos (6 e 7) ou armaduras, construídos sobre o substrato óptico do material eletro-óptico selecionado para a montagem do circuito óptico do sensor (1) de tensão elétrica. Tais braços paralelos (6 e 7) são guias ópticos monomodo: um dos quais é exposto a certa tensão elétrica aplicada com eletrodo metálico (20) depositado sobre o braço paralelo (7), devidamente posicionado no circuito eletro-óptico do sensor e o outro braço paralelo (6) do interferômetro segue fechando circuito óptico (4) sem sofrer efeito de campo externo aplicado. A presença do eletrodo metálico (20) sobre o braço paralelo (7) confina e direciona o campo elétrico transverso a direção de propagação do feixe óptico guiado, neste braço do interferômetro. O efeito do mensurando, por intermédio do eletrodo metálico (20) devidamente posicionado, é alterar continuamente o índice de refração no guia do material eletro-óptico exposto ao campo aplicado e redirecionado por este eletrodo metálico (20), de acordo com a variação da tensão aplicada. A variação local no índice de refração do guia sob o eletrodo metálico (20) faz variar a fase da luz no braço exposto, fazendo variar a intensidade do sinal de saída, resultante da interferência óptica entre os sinais defasados dos dois braços paralelos (6 e 7) no acoplador direcional (5). Um com a modulação introduzida e o outro sem modulação. Pressupondo que intensidades de luz iguais sigam por cada um dos dois braços paralelos (6 e 7) e com o mesmo estado de polarização. [034] Depois de reacoplar os sinais em cada um dos braços paralelos (6 e 7) do acoplador direcional (5), em cada braço de saída (16 e 17) óptica, pode-se escrever a soma das duas amplitudes de campo elétrico interferentes como ET(t) = E.senwt + E. cos(wt + φ), ω = 2π.f e f é a frequência da tensão alternada, φ contém a perturbação de fase introduzida pela ação do mensurando. A intensidade da luz recebida (em cada um dos fotodetectores) será proporcional ao quadrado do módulo do campo resultante; isso é,

[035] |ET|2 = e2.(1 + 2.cosφ) é a intensidade da luz recebida (pelo fotodetector) proporcional ao quadrado do módulo do campo resultante; isso é, PT = P( 1 + 2.cosφ), onde Pt é a intensidade de luz e P = E2 .

[036] A configuração interferométrica MZ tem uma vantagem significativa na medida em que há independência de quaisquer efeitos de modo comum nas fibras principais (da fonte óptica para M-Z, e do M-Z para os detectores), uma vez que esses efeitos não alteram a relação entre os dois sinais.

[037] O interferômetro MZ discreto (Malacara-Optical Shop Testing 2nd Edt. J. Wiley (1992)) ilustrado na figura 2, é uma variação do interferômetro de Michelson e assim como o interferômetro de Michelson, depende da divisão da amplitude da frente de onda.

[038] Um feixe de luz colimado por F entra no interferômetro, composto pelo quadro de espelhos arranjados. A porta de entrada é o espelho semirrefletor E1. O feixe é refletido e transmitido pelo espelho semitransparente E1, para E2 e E4. E2 e E4 redirecionam os feixes para E3, passando pela amostra A1, para os pontos de observação do padrão de interferência D1 e D2, que podem ser oculares (quando usada luz visível) ou detectores (para IR).

[039] O feixe transmitido pela amostra A1 combina com o feixe transmitido pelo espelho E4 para gerar interferência. Uma das aplicações desse instrumento é medir variações do “n”, índice de refração na amostra A1. Na figura 2 o objeto é colocado em um dos braços do interferômetro. Com variação de parâmetros externos, a que a amostra estiver exposta, (temperatura, campo elétrico, ou magnético aplicado) o índice de refração da amostra A1 varia e, assim, o comprimento efetivo do caminho da luz nesse feixe é uma função da posição.

[040] O circuito óptico (4), ilustrado na figura 1, é um interferômetro MZ integrado, em que o braço de entrada (15) e a derivação para os braços paralelos (6 e 7) correspondem a entrada para os espelhos E1 e E2, os braços de saída (16 e 17) e o eletrodo metálico (20) depositado correspondem aos espelhos E3, E4 e a amostra A1, como ilustrado na figura 3.

[041] Como ilustrado na figura 1, na forma preferencial de realização desta invenção, um feixe guiado (3), procedente da fibra de Polarização Mantida na porta de entrada (15), doravante “fibra PM”, é encaminhado para o circuito óptico do sensor (1) ao longo de um primeiro circuito óptico (4), um interferômetro MZ, composto por um circuito em guia óptico, construído no meio translúcido e com atividade eletro-óptica (E-O). O feixe guiado é então simetricamente dividido no final do braço (3) e guiado, via braços divergentes (36) e (37), para os braços paralelos (6 e 7) do circuito óptico (4). O braço paralelo (6) do interferômetro é um guia eletro-óptico sob o eletrodo metálico (20) depositado, onde a luz guiada sente ação do campo externo através do confinamento de campo do eletrodo ilhado, sobre o braço paralelo (7). Já o braço paralelo (6) do interferômetro é outro guia em material E-O que não percebe a ação intensificada do campo externo por estar afastado do eletrodo metálico (20). Os braços convergentes (65 e 75) levam o feixe guiado para o acoplador direcional (5). A interação construtiva, ou destrutiva entre os componentes com diferença de fase φ dos dois braços geram os sinais ópticos de saída nos braços (8 e 9) do guia E-O. Os sinais ópticos com informação seguem para dois fotodetectores que medem então a diferença de fase na luz procedente dos braços paralelos (6 e 7) do interferômetro MZ. O feixe guiado (3), modulado com sinal do sensor e bipartido nas portas de saída (12 e 13), é então encaminhado a partir do circuito óptico do sensor (1), por um par de fibras ópticas monomodo nos braços de saída (16 e 17). As fibras ópticas no braço de entrada (15) e nos braços de saída (16 e 17) isolam eletricamente a cabeça do sensor. Embora a fibra PM no braço de entrada (15) seja utilizada na concretização preferida para fornecer luz ao transdutor (6), outros meios também podem ser utilizados, incluindo fibra de baixa birrefringência, fibra monomodo e fibra multimodo, bem como um feixe colimado direcional. Caso as fibras nas portas de entrada (15) e saída (16 e 17) sejam fibras multimodo, ou monomodo convencionais, é necessário uso de polarizadores, previamente alinhados ao colimador (11) para as portas de entrada (15) e saída (16 e 17) do circuito da cabeça sensor com GIMS.

[042] Na configuração preferida da invenção, a cabeça sensor tem uma área de secção transversal de algumas dezenas de milímetros quadrados e um comprimento de dezenas de milímetros. A cabeça sensor, quando colocada num campo “E” (não representado), provoca uma modulação diferencial de fase proporcional a amplitude de “E” nos componentes ortogonais do feixe guiado (3) que é dividido para os braços de saída (6 e 7) do interferômetro MZ.

[043] A cabeça do sensor com GIMS compreende a porta de entrada (15), uma fibra óptica de polarização mantida e devidamente orientada na interface fibra/guia óptico no substrato E-O, um meio E-O translúcido mostrado como uma forma translúcida, este compõe o substrato óptico onde o circuito óptico do sensor (1) é construído. Este é o meio de transdução em que o sinal elétrico do campo “E”, a ser medido, imprime sobre a radiação óptica, que atravessa o braço do guia, um sinal proporcional ao campo “E” em forma e fase. Um acoplador direcional (5), com uma seção interativa da ordem de 2 mm entre os guias, separados axialmente em 4 micra, com os braços bifurcados (58 e 59) guiando a luz para as fibras nos braços de saída (16 e 17) presas ao circuito E-O pelos sulcos em forma de V (grooves) nas portas de saída (12 e 13). Os sulcos em forma de V na porta de entrada (2) e nas portas de saída (10, 12, 13 e 14) do sensor e nas portas de saída são de material vítreo ou polimérico de natureza passiva, são unidades a serem fixadas às portas do dispositivo, previamente alinhadas, para facilitarem a fixação precisa e casada das fibras com os guias ópticos através dos colimadores (11), caso a fibra usada seja MM nas portas de entrada e saída. Os meios translúcidos compreendem pelo menos um material selecionado do grupo constituído por: quartzo fundido, sílica fundida e meios translúcidos não condutores.

[044] A cabeça do sensor com GIMS é projetada para ser instalada em diversas variedades de aparelhos de transmissão e distribuição de média (11,9 kV, 13,8kV e 34,5kV) e de alta tensão (66 a 230 kV) nos quais um campo “E” externo existe. Este campo “E’ é radial a linha de transmissão, produzindo um fluxo elétrico radial intenso.

[045] De acordo com os princípios fundamentais do eletromagnetismo, um campo elétrico "E” também acompanha esse fluxo elétrico. Ao mergulhar o transdutor (cabeça do sensor com GIMS) em meio a este fluxo elétrico, um campo “E” proporcional à tensão é estabelecido dentro do transdutor, via sua interação pelo eletrodo metálico (20) sobre o material E-O de um dos braços paralelos (6 e 7) do sensor, figura 4, que por sua vez experimenta o efeito eletro-óptico. O meio E-O do substrato ótico, com respectivo guia do circuito óptico é usado como braço óptico de extensão para o feixe guiado (3) a partir do braço de entrada (15) com a mesma identificação até o transdutor no braço paralelo (6). O eletrodo metálico (20) sobre o material E-O do transdutor deve estar posicionado diretamente transverso no campo “E” intenso a ser medido. Devido à natureza rigorosamente controlada deste campo “E”, a medição de tensão baseada na magnitude do campo “E” como descrita aqui é altamente precisa e impermeável a influências externas.

[046] O transdutor no braço paralelo (7) e o eletrodo metálico (20), quando em meio a um campo “E” (não representado na figura 1), induz um deslocamento de fase diferencial entre os eixos ortogonais de parte da luz no feixe guiado (3), naquele braço do interferômetro MZ, através do efeito electro-óptico de Pockels. O deslocamento de fase diferencial varia em magnitude, em resposta à presença do campo “E”, significando que o deslocamento de fase diferencial que é induzido na ausência do campo "E” difere em magnitude do deslocamento de fase diferencial que é induzido na presença do campo “E”.

[047] O efeito eletro-óptico linear de Pockels, é observado em cristais de transdução de Pockels e meios similares. O efeito eletro-óptico de Pockels é observado como um deslocamento entre as fases relativas dos componentes do feixe. Este deslocamento é induzido na luz do feixe, no braço paralelo (7) / e eletrodo metálico (20), também chamado meio de transdução. A magnitude do efeito corresponde, geralmente é proporcional à magnitude do campo "E”.

[048] Na configuração preferida, o transdutor no braço paralelo (7) e o eletrodo metálico (20), ou meio de transdução, compreende um material que exibe o efeito electro-óptico de Pockels. Na presente invenção, o eletrodo metálico (20) é preferencialmente construído sobre um cristal de Niobato de Lítio (LiNbO3), embora outros materiais, tais como Di-hidrogenofosfato de Amônio, Fosfato Dideutério de Amônio, Fosfato de Dodoro-potássio, Niobato de Lítio dopado com óxido de magnésio, tantalato de Lítio, polímeros eletro-ópticos, materiais orgânicos entre outros podem ser usados.

[049] Em relação a figura 1, a mudança de fase diferencial entre componentes ortogonais da referida fração no braço divergente (36) do feixe guiado (3) produz uma alteração correspondente na fase do feixe guiado (3), identificado no braço convergente (65) permitindo assim a determinação da intensidade original do campo “E” a partir do efeito Pockels. A magnitude do deslocamento é proporcional à magnitude do campo “E”, portanto, à magnitude da tensão. Assim, a fase do feixe guiado “3” é diretamente o representativo da magnitude e tensão do campo “E”.

[050] O feixe guiado (3) atravessa o transdutor no braço paralelo (7) e o eletrodo metálico (20) e entra no acoplador direcional (5). A propriedade interativa no acoplador (5), entre as componentes ópticas procedentes dos braços convergentes (65 e 75) do interferômetro, induz uma variação diferencial da potência óptica transmitida nos braços (58) e (59) na saída do acoplador (5). Se houver um campo “E” presente, então haverá alguma mudança de fase diferencial já presente no feixe guiado no braço convergente (75). Enquanto um laser é usado na modalidade preferida, como fonte de radiação, outras fontes de radiação eletromagnética também podem ser usadas na prática da invenção.

[051] Os braços guia (8 e 9) do acoplador direcional (5) levam as duas parcelas do feixe guiado (3) que foi dividido conforme descrito anteriormente nos feixes guiados em sinais AM nos braços bifurcados (58) e (59). A intensidade dos componentes de feixe nos braços bifurcados (58 e 59) irá modular inversamente um ao outro em resposta a modulações (por outras palavras, estes são sinais independentes modulados em amplitude complementar) Os componentes de feixe nos braços bifurcados (58 e 59) são dois sinais AM, mostrados como setas vermelha e amarela na figura 1, que contêm as informações necessárias para determinar a voltagem.

[052] Os peritos na técnica apreciarão da descrição precedente que os objetivos indicados acima são vantajosamente alcançados pela presente invenção.

[053] Deve ser entendido que as disposições acima descritas são apenas ilustrativas da aplicação dos princípios da invenção. Numerosas modificações e disposições alternativas podem ser concebidas pelos especialistas na técnica sem sair do espírito e escopo da presente invenção e as reivindicações anexas destinam-se a cobrir tais modificações e disposições.

Claims

“CABEÇA ELETRO-ÓPTICA DE INSTRUMENTO SENSOR DE TENSÃO ELÉTRICA E HARMÔNICOS” para uso em combinação com pelo menos um feixe de radiação eletromagnética para detectar presença e magnitude de campo “E”, tensão elétrica e harmônicos presentes até 44a ordem, caracterizada por compreender um braço de entrada (15) óptico com luz polarizada em dois componentes do feixe guiado (3) em planos ortogonais; um meio de transdução no braço paralelo (7) para receber o feixe guiado (3) procedente do meio de polarização e induzir um deslocamento de fase diferencial nos componentes do feixe que variam em magnitude, em resposta à magnitude instantânea de um campo “E”; um ou mais eletrodos metálicos (20) depositados sobre o braço paralelo (7) do interferômetro óptico; e um meio para receber o feixe guiado (3) do meio de transdução e guiar o feixe para ser medido e analisado.
“CABEÇA ELETRO-ÓPTICA DE INSTRUMENTO SENSOR DE TENSÃO ELÉTRICA E HARMÔNICOS” de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo guia óptico direcional levar o resultado iterativo procedente dos braços paralelos (6 e 7) do interferômetro, o braço paralelo (7) sob o eletrodo metálico (20) depositado, a um acoplador direcional (5) e a dois fotodiodos e dois amplificadores de fase casada.
“CABEÇA ELETRO-ÓPTICA DE INSTRUMENTO SENSOR DE TENSÃO ELÉTRICA E HARMÔNICOS” de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelos meios de transdução compreenderem um material de transdução de Pockels.
“CABEÇA ELETRO-ÓPTICA DE INSTRUMENTO SENSOR DE TENSÃO ELÉTRICA E HARMÔNICOS” de acordo com a reivindicação 3 caracterizado pelo material de transdução de Pockels ser um material selecionado do grupo: Niobato de Lítio (LiNbO3), Di-hidrogenofosfato de amônio (NH4-H2PO4), Fosfato Dideutério de Amônio (NH4-D2PO4), Fosfato Dideutério de Potássio (KD2 PO4), Niobato de lítio dopado com MgO (MgO-LiNbO3), Tantalato de Lítio (LiTaO3), polímeros eletro-ópticos e Material orgânico.
“CABEÇA ELETRO-ÓPTICA DE INSTRUMENTO SENSOR DE TENSÃO ELÉTRICA E HARMÔNICOS” de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelos guias ópticos depositados e difundidos, ou polados no material E-O intrínseco, translúcidos dispostos entre a fibra na porta de entrada (15) o transdutor no braço paralelo (7) para receber o sinal óptico, impressiona-lo via eletrodo metálico (20) depositado sobre o braço paralelo (6) do circuito óptico, soma-los opticamente e transmitir o feixe guiado (3) para os meios de detecção.
“CABEÇA ELETRO-ÓPTICA DE INSTRUMENTO SENSOR DE TENSÃO ELÉTRICA E HARMÔNICOS” de acordo com a reivindicação 5 caracterizado pelo meio translúcido compreender um material que é substancialmente birrefringente e não condutor, além do eletrodo metálico (20) depositado no braço paralelo (7).
“CABEÇA ELETRO-ÓPTICA DE INSTRUMENTO SENSOR DE TENSÃO ELÉTRICA E HARMÔNICOS” de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por integrar um meio de separação para dividir nos braços bifurcados (58 e 59) os componentes de feixe correspondentes aos eixos maior e menor da elipse de polarização em pelo menos um feixe, formando pelo menos dois sinais a partir dele.
“CABEÇA ELETRO-ÓPTICA DE INSTRUMENTO SENSOR DE TENSÃO ELÉTRICA E HARMÔNICOS” de acordo com a reivindicação 7 caracterizado pelos meios de separação de feixes estarem dispostos adjacentes aos meios de transdução.
“CABEÇA ELETRO-ÓPTICA DE INSTRUMENTO SENSOR DE TENSÃO ELÉTRICA E HARMÔNICOS” de acordo com a reivindicação 8 caracterizada por compreender braços convergentes (65 e 75) dispostos entre o meio de transdução e o acoplador direcional (5) para receber os feixes do meio de transdução e após a passagem interativa, em seguida transmitir o batimento destes componentes de entrada pelo acoplador direcional (5) para os meios de detecção.
“CABEÇA ELETRO-ÓPTICA DE INSTRUMENTO SENSOR DE TENSÃO ELÉTRICA E HARMÔNICOS” de acordo com a reivindicação 9 caracterizada pelos meios mecânicos de fixação das fibras, no braço de entrada (15) e nos braços de saída (16 e 17), compreenderem um material que é substancialmente não birrefringente e não condutor.
“CABEÇA ELETRO-ÓPTICA DE INSTRUMENTO SENSOR DE TENSÃO ELÉTRICA E HARMÔNICOS” de acordo com as reivindicações 9 ou 10 caracterizado pelos meios translúcidos compreenderem pelo menos um material selecionado do grupo constituído por: quartzo fundido, sílica fundida e meios translúcidos não condutores.
“CABEÇA ELETRO-ÓPTICA DE INSTRUMENTO SENSOR DE TENSÃO ELÉTRICA E HARMÔNICOS” de acordo com as reivindicações 8 ou 11 caracterizado pelos meios translúcidos compreenderem pelo menos uma fibra selecionada do grupo consistindo em: fibra de baixa birrefringência e fibra óptica de polarização mantida.
“CABEÇA ELETRO-ÓPTICA DE INSTRUMENTO SENSOR DE TENSÃO ELÉTRICA E HARMÔNICOS” para utilização em combinação com um feixe de radiação eletromagnética para detectar um campo “E”, caracterizada por compreender a cabeça do sensor: meio de polarização para polarizar o feixe de tal modo que pelo menos um feixe compreende pelo menos dois componentes do feixe em pelo menos dois planos ortogonais; meio de transdução para receber o feixe a partir dos meios de polarização e induzir um deslocamento de fase diferencial dos componentes do feixe que varia em magnitude em resposta à magnitude de um campo “E”.
“CABEÇA ELETRO-ÓPTICA DE INSTRUMENTO SENSOR DE TENSÃO ELÉTRICA E HARMÔNICOS” de acordo com a reivindicação 13 caracterizada por compreender a cabeça do sensor: meios de polarização para polarizar pelo menos um feixe de tal modo que pelo menos um feixe compreende pelo menos dois componentes do feixe em pelo menos dois planos ortogonais; meios de transdução para receber pelo menos um feixe a partir dos meios de polarização e induzir um deslocamento de fase diferencial dos componentes do feixe que varia em magnitude em resposta à magnitude de um campo “E”; meios de separação do feixe para recepção de pelo menos um feixe e separação dos componentes do feixe e formando pelo menos dois sinais a partir do mesmo.
“MÉTODO” caracterizado por detectar um campo “E” usando pelo menos um feixe de radiação eletromagnética polarizada tendo pelo menos dois componentes de feixe propagando em pelo menos dois planos ortogonais, compreendendo as etapas de: (a) impor um campo “E” em pelo menos um meio de transdução, colocando os meios de transdução num aparelho contendo fluxo elétrico proporcional à tensão; (b) passar o feixe através do meio de transdução; (c) induzir uma mudança de fase diferencial entre os componentes do feixe quando o feixe passa através do meio de transdução no campo “E”, o deslocamento de fase diferencial indicando a presença e magnitude do campo “E”; (d) interferir o feixe após o feixe ter passado através dos meios de transdução com um feixe de referência em um acoplador direcional com duas saídas complementares; (e) separar os componentes do feixe em pelo menos um par de sinais modulados em amplitudes complementares (AM), em proporção à tensão, em que a intensidade ao longo de cada um dos feixes modula, inversamente, a intensidade exibida ao longo do outro eixo; (f) transmitir os sinais AM, em que a magnitude do campo “E” pode ser determinada.