CN104833846A - 光纤电流传感器智能电表 - Google Patents

Abstract

光纤电流传感器智能电表，包括电表用小电流光纤传感器，积分电路、模数转换电路、时钟电路、电能计量芯片、存储器、RS485通信电路、CPU，其中小电流光纤传感器依次连接积分电路、模数转换电路、电能计量芯片和CPU，CPU同时连接时钟电路、存储器和RS485通信电路，CPU用于控制模数转换元件、时钟元件、电能计量、RS485通信电路、显示器相互之间信息的转换或交换；存储器用于存储CPU所得到的用电量信息、转换或交换信息。

Description

光纤电流传感器智能电表

技术领域

本发明涉及一种电量计量装置，尤其是光纤电流传感器智能电表。

背景技术

智能电表已经公开了许多技术，如CN201410360178智能电表，包括：模数转换元件、时钟元件、电能计量元件、RS485通信元件、红外通信元件和载波/微功率无线通信元件和主控元件等，主控元件，用于累加、分析、统计及存储电能计量元件所统计的信息，另外也用于控制模数转换元件、时钟元件、电能计量元件、RS485通信元件、红外通信元件、载波/微功率无线通信元件、液晶显示器相互之间信息的转换或交换；存储器，用于存储主控元件所统计的用电量信息、转换或交换信息。但光纤电流传感器智能电表未见公开，现有技术公开的光纤智能电表只是用于信号的光纤信息传输。

现代工业的高速发展，对电流的测量要求已经提高很多，目前对电网的输送和检测提出了更高的要求，传统的高压大电流的测量手段将面临严峻的考验.随着光纤技术和材料科学的发展而发展起来的光纤电流传感系统，因具有很好的绝缘性和抗干扰能力，较高的测量精度，容易小型化，没有潜在的爆炸危险等一系列优越性，而受到人们的广泛重视.光纤电流传感器的主要原理是利用磁光晶体的法拉弟效应。激光束通过光纤，并经起偏器产生偏振光，经自聚焦透镜人射到磁光晶体:在电流产生的外磁场作用下，偏振面旋转θF角度；经过检偏器、光纤，进入信号检测系统，通过对θF的测量得到电流值，当设置系统中两偏振器透光主轴的夹角为45°，经过传感系统后的出射光强为:l＝(Io/2)(1+sin2θF)，式中Io为入射光强.通过对出射光强的测量，就可以得出θF，从而可测出电流的大小。

通过对法拉弟旋转角相位的测量(以电流强度为检测依据)，可得到电流所产生的磁场强度，从而可以计算出电流大小.由于光纤具有抗电磁干扰能力强、绝缘性能好、信号衰减小的优点，因而在法拉弟电流传感器研究中，一般均采用光纤作为传输介质，现有的电表用小电流传感器均采用电磁感应的线圈结构，未有光纤电流传感器，而采用光纤的低成本小电流传感器是将来的方向。

适合于安装在240伏-600安变电站主线上的电流传感器已经出现，这种传感器对变电站的电力输出进行监控，可以减少地方电网故障所造成的停电时间。电流传感器可以对供电电缆进行电流监控，若是电缆出线超负荷，这些电流传感器可将一部分负荷转移到其他相中，或者是新铺设的电缆中，保护电缆的安全使用和运行。

CN200710041685公开了一种直通式干涉型全光纤电流传感器，该全光纤电流传感器由3X3保偏光纤耦合器组成，包括光源、3X3保偏光纤耦合器、光纤偏振器、1/4光纤波片和传感光纤环；光源连接到3X3保偏光纤耦合器的一端,3X3保偏光纤耦合器的其中两端口分别和两个光纤偏振器连接；两个光纤偏振器的另一端分别通过1/4光纤波片接到传感光纤环；3X3保偏光纤耦合器的其中一端口空置；3X3保偏光纤耦合器的剩余两端口分别通过两个光电探测器与信号处理器相连接。

光纤的法拉弟旋转角相位的测量在低成本小电流传感器还存在应用上有所不足，主要是测量的法拉弟旋转角相位的偏移量小，信号弱化，此外，漂移温度导致信号不够稳定也是一个问题。尽管有其它方法可能解决此问题。

发明内容

本发明目的是，在保持光纤传感器的固有优势和前提下，提出一种电能表用的小电流光纤传感器制备的智能电表，甚至可以是家用型电能表，在利用光纤法拉弟旋转角相位的测量原理的基础上，制备一种用途广泛的智能电表。

本发明的技术方案是：光纤电流传感器智能电表，包括电表用小电流光纤传感器，积分电路、模数转换电路、时钟电路、电能计量芯片、存储器、RS485通信电路、CPU，其中小电流光纤传感器依次连接积分电路、模数转换电路、电能计量芯片和CPU，CPU同时连接时钟电路、存储器和RS485通信电路，CPU用于控制模数转换元件、时钟元件、电能计量、RS485通信电路、显示器相互之间信息的转换或交换；存储器用于存储CPU所得到的用电量信息、转换或交换信息。

本发明所用到的电表用小电流光纤传感器，包括光分合束器、光耦合器、法拉弟光纤环、四分之一波片、光纤反射镜以及保偏光纤环；所述光分合束器的合束端以及分束端；所述光分合束器的合束端的两端分别接光源与光电检测器，光分合束器的第一分束端接保偏光纤环的输出，所述光分合束器的第二分束端接光耦合器、光耦合器第三端通过四分之一波片与法拉弟光纤环相连，法拉弟光纤环端部设有光纤反光镜，光耦合器的第二端接保偏光纤环的输入端，所述光分合束器的第一和第二分束端均串联起偏器。

本发明的工作过程是：光纤电流传感器智能电表对电表用小电流光纤传感器的电流信号进行采集(经积分电路和模数转换电路)，光纤电流传感器的工作过程：法拉弟光纤环穿过待测量电流的导线，由于电流产生的磁场因法拉弟效应使法拉弟光纤环中的光的相位产生变化，此光速在光纤的保偏光纤环是一准Sagnac效应测试环经过后产生经外差的含相位信号的光(Sagnac效应将同光源发出的一束光分解为两束，让这两束光在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合产生干涉)，而摒弃了其它杂散信号的光，从而保偏光纤环经光分合束器后至光电检测器后就能够得到信噪比很高的信号；尤其是准Sagnac效应测试环可以设计得不完全对称，从而消除因法拉弟光纤环而产生的漂移信号，两束光相遇时的相位差的变化会直接反映电流大小。本发明的光纤电流传感器稍加修改保偏光纤环或法拉弟光纤环的光纤线圈圈数、直径等参数，可用于各种电压下的直流、交流电流传感。并且通过线偏振起偏器产生和线偏光和1/4波片实现两个互相垂直的线偏振光的信号的提取。

本发明的有益效果：光纤电流传感器智能电表保证了智能电表的功能，且采用光纤电流传感器的电磁兼容效果更好，且(1)容易安装，不用断开导线，仅将细长、柔软的绝缘光纤卷绕在导体上就可检测电流，能实现整个传感装置的小利轻量化；电压取样相对平衡；(2)电磁兼容好，无法对表进行电磁干扰，无电磁噪音的干扰。近年的计测控制系统中，一般将传感器的输出连接于半导体的电子回路，传感装置本身全部由光学器件构成，故具有抗电磁干扰(EMI)特性；(3)计测范围广，没有铁心磁饱和的制约，同时，法拉第效应的响应速度快，具有从低频到高频、到大电流的广阔测量范闱；(4)因为信号通过光纤传输。波形畸变小。传输损耗小，故可实现长距离的信号传输。实现了一种高精度信号转换方案，为整流器控制设备提供高精度模拟信号和标准数字通信接口。(5)与电磁式电流传感器相比，体积小、重量轻、无磁饱、无铁磁谐振问题、绝缘简单、动态范围大、输出更易数字化；基本克服温度噪声；实用性强，测量误差小于正负0.2％，适合实现产业化。

附图说明

图1是本发明结构框图。

图2是本发明电表用小电流光纤传感器结构示意图。

具体实施方式

图1框图中，光纤电流传感器智能电表，包括电表用小电流光纤传感器，积分电路、模数转换电路、时钟电路、电能计量芯片、存储器、RS485通信电路、CPU，其中小电流光纤传感器依次连接积分电路、模数转换电路、电能计量芯片和CPU，CPU同时连接时钟电路、存储器和RS485通信电路，CPU用于控制模数转换元件、时钟元件、电能计量、RS485通信电路、显示器相互之间信息的转换或交换；存储器用于存储CPU所得到的用电量信息、转换或交换信息。计量ASIC芯片为常用芯片，MCU还连接红外接口、脉冲指示灯、还可输出继电器的控制。还设有ESAM芯片，即嵌入式安全控制模块的实质为DIP或者SOP芯片封装的CPU卡芯片，最早被用于IC卡电表中做为钱包使用的芯片。

如图2所示，保偏光纤环1、法拉弟光纤环2、光纤反射镜3、光分合束器4、光耦合器5、起偏器6、四分之一波片7。

本发明的法拉弟光纤环2用光纤绕制100-200匝，绕在一个圆筒非导磁材料的骨架上，光分合束器实际上是一个双耦合器、具有二个合束端以及二个分束端；二个合束端分别与二个分束端均有光耦合的连接，二个合束端之间或二个分束端之间并无相关性；所述光分合束器的合束端的两端分别接光源(采用掺铒光纤放大器的激光)与光电检测器(采用光敏二极管)，光分合束器的第一分束端接保偏光纤环的输出，所述光分合束器的第二分束端接光耦合器、光耦合器第三端通过四分之一波片与法拉弟光纤环相连，法拉弟光纤环端部设有光纤反光镜，光耦合器的第二端接保偏光纤环的输入端，所述光分合束器的第一和第二分束端均串联起偏器。

保偏光纤环参考光纤陀螺是应用Sagnac效应测试旋转角速度的全固态陀螺仪所用光纤环，它的输入端的一束光分解为两束，让这两束光在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合产生干涉的Sagnac效应。本发明应用此原理，让法拉弟效应的信号直接产生干涉信号；保本发明偏光纤环采用四极对称绕法，并辅以密封胶填充，构成全固态的光纤环线圈。四极对称绕法可以有效地缓解因温度梯度和应力梯度造成的影响，能够提高光纤陀螺的稳定性。尤其二个环路圈数并不相等，接到法拉弟光纤环的保偏光纤环环路圈数低于保偏光纤环第二环路圈数。光纤环内径20～100mm，光纤环外径30～150mm，光纤长度50-200m，每层匝数20～150匝，环产品指标，测量参数单位指标：工作波长1310/1550nm、环串音dB<-15、环衰减<1.0dB/km、保偏光纤环典型长度:20-30米即可达到效果，圈数高分辨信号的强度更高。

本发明的核心是以光分合束器实现两个互相垂直的线偏振光的信号的提取。过光分合束器分合束后两束线偏振光用于负载信号，再经过四分之一波片时线偏振光被转换成右旋(左旋)圆偏振光，经过法拉弟光纤后被光纤反射镜转换旋向为左旋(右旋)圆偏振光，以相反的反向再次经过法拉弟光纤，再经过四分之一波片时被转换回线偏振光，但此时偏振态转化为原来的垂直偏振态，然后经保偏光纤环进行干涉提取需要的法拉弟光纤产生的信号进行输出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.光纤电流传感器智能电表，其特征是包括电表用小电流光纤传感器，积分电路、模数转换电路、时钟电路、电能计量芯片、存储器、RS485通信电路、CPU，其中小电流光纤传感器依次连接积分电路、模数转换电路、电能计量芯片和CPU，CPU同时连接时钟电路、存储器和RS485通信电路，CPU用于控制模数转换元件、时钟元件、电能计量、RS485通信电路、显示器相互之间信息的转换或交换；存储器用于存储CPU所得到的用电量信息、转换或交换信息。

2.根据权利要求1所述的光纤电流传感器智能电表，其特征是所述电表用小电流光纤传感器包括光分合束器、光耦合器、法拉弟光纤环、四分之一波片、光纤反射镜以及保偏光纤环；所述光分合束器的合束端以及分束端；所述光分合束器的合束端的两端分别接光源与光电检测器，光分合束器的第一分束端接保偏光纤环的输出， 所述光分合束器的第二分束端接光耦合器、光耦合器第三端通过四分之一波片与法拉弟光纤环相连，法拉弟光纤环端部设有光纤反光镜，光耦合器的第二端接保偏光纤环的输入端，所述光分合束器的第一和第二分束端均串联起偏器。

3.根据权利要求1所述的光纤电流传感器智能电表，其特征是保偏光纤环内径20~100 mm，光纤环外径30~150mm，光纤长度50-200m，每层匝数20~150匝。

4.根据权利要求2所述的光纤电流传感器智能电表，其特征是保偏光纤环的长度:20-30米。