HU208869B - Fibreoptic measuring arrangement for measuring electric current - Google Patents

Description

A találmány száloptikás mérő elrendezés villamos áramerősség mérésére a Faraday-hatás alapján, miszerint az áram-átjárta vezetőt körülvevő mágneses mező hatással van egy optikai szálban terjedő fény polarizációjára, amely optikai szál tekercs formájában veszi körül a vezetőt, és az optikai szálból kicsatolt fény sugárhasítóval van két résznyalábba osztva, amely résznyalábok útjában egy-egy polarizátort követően egy-egy intenzitást mérő fotodetektor van elhelyezve.

Ilyen típusú elrendezéseket különösen a nagyfeszültségű rendszereknél alkalmaznak, ahol valamely nagyfeszültségű vezetéken átfolyó áram mérése a feladat. Mivel a fénysugarat vezető közeg üvegből van, amely köztudottan jó villamos szigetelő, így nem jelentkezik az a probléma, hogy hogyan szigeteljük el a földpotenciálon levő mérőberendezést a nagyfeszültségen levő vezetéktől, amelyen átfolyó áramot mérni szeretnénk.

Ilyen típusú mérő elrendezés ismeretes többek között például a DE 2261 151 számú közzétételi iratból. Itt a fényforrásból származó fényt egy polarizátoron és egy félig áteresztő lemezen vezetik keresztül. Onnan a polarizált fény egy optikai szálba jut (az iratban nyaláb hullámvezetőként van említve). Ez az optikai szál egy részében tekerccsé van kiképezve és a mérendő áram átjárta vezető ezen tekercs tengelyvonalában húzódik. Az optikai szál a végén fémezett tükörként van kialakítva. A polarizált fény végighalad a teljes optikai szálon, a Faraday-hatás értelmében az áram-átjárta vezető keltette mágneses mező függvényében végbemegy az optikai szál tekercs formátumú részében az abban haladó fény polarizációs síkjának elfordulása. A tekercs végén a fénysugár visszaverődik és még egyszer végighalad az üvegszálon és a tekercsen, amikor is a polarizációs sík elfordulása még egyszer megtörténik. A polarizáció síkjában elfordult fény kilép az optikai szálból és egy félig áteresztő lemezen keresztül egy analizátor eszközbe jut, amely meghatározza és kijelzi az optikai szálba belépő, majd később az abból kilépő fénysugár polarizációs síkja közötti elfordulás szögét, amely arányos a mágneses térerősség vonal mentén vett integráljával.

Egy másik, a DE 2 835 794 számú közzétételi iratból egy olyan száloptikás mérőelrendezést ismerhetünk meg villamos áramerősség mérésére, amely szintén a Farady-hatást használja fel a méréshez. Az áram-átjárta vezető körül kialakuló mágneses mező hatással van a fény polarizációs jellemzőire, amely fény egy optikai szálban a villamos vezetőt körülölelő tekercs formájában terjed. Ellentétben a DE 2261 151 közzétételi irat szerinti megoldással, ebben az esetben az elrendezés nem tartalmaz reflektáló felületet a szál egyik végén, hanem a fényt a szál egyik végén vezetik be abba, a másik végén kicsatolják abból és ebben az esetben az optikai szálból kialakított tekercsnek kétszeres menetszámúnak kell lennie ahhoz, hogy ugyanolyan mértékű polarizációs síkbeli szögelfordulást érjünk el, mint a másik esetben, mivel a fény csak egyszer halad keresztül a tekercsen.

Mindkét fent említett esetben az eszköz egy analizátor-, illetve Wollaston-prizmából áll, amely a kicsatolt fénysugarat két rész-nyalábba osztja, amely két rész-nyaláb polarizációs síkja egymáshoz viszonyítva merőleges lesz, és az intenzitások mérésére két fotodetektort használnak, amelyeknek fotoárama a következő lesz:

Ii =I₀ (1 + sin 2Θ) és

I₂=I₀ (1 - sin 2 Θ) ahol a Θ szög a következő:

Θ = VNI

Az optikai szál áram-átjárta vezetőt körülölelő meneteinek száma N. Az anyagfüggő arányossági tényező a következő:

V = 2,6xl0-⁶ rád/A

A két fotoáramból a következő képlet szerint

U_A = (1,-12)/(1, +1₂) = sin 2 Θ = sin 2 VNI az U_A kimenőjel - mint a mérendő áram szinuszfüggvénye - nyerhető.

Azért, hogy a valós időben végrehajtandó számítási igény kicsi legyen, az érzékelő úgy van méretezve, hogy az áramfüggő Θ szög kicsi maradjon. Ekkor a szinuszfüggvényt lineáris közelítéssel tudjuk helyettesíteni. A kicsiny szögek szinusza ugyanis közelítőleg egyenlő magával a radiánban kifejezett szöggel.

Igen nagy áramok, mint például azok, amelyek rövidzár esetén állnak elő, nem mérhetőek a polarizációs sík elfordulása útján, mivel a fény polarizációs síkelfordulása meghaladja a 45°-ot és ez nem detektálható a fent leírt eljárás útján, mivel a szinuszfüggvény csak a ±90° tartományban egyértékű. Pontosan ezen célból például a DE 2541072 számú közzétételi irat szerint egy külön kompenzációs tekercs és egy szabályozó hurok segítségével a polarizációs sík elfordulása még csökkentésre kerül. Az áram-végfokozat beállítási értékének elkerülhetetlen korlátozásából adódóan a dinamika és a sávszélesség rendkívül kicsiny. Továbbá ezen végfokozat nagy energiafelhasználása is ezen megoldási módozat ellen szól.

A jelen találmány célkitűzése egy olyan, a bevezetésben már ismertetett típusú száloptikás mérőelrendezésnek a kialakítása volt, amely lehetővé teszi megnövelt áramérték tartományban a mérést, de nem igényel nagyobb energiafelhasználást.

Találmányunk szerint célkitűzésünket úgy érjük el, hogy a szokásos 45° szögben való elforgatás helyett a polarizátorokat egymáshoz képest szimmetrikusan forgatjuk el.

A találmány egy előnyös kiviteli alakjának megfelelően a polarizátorok és az optikai szálba belépő fény polarizációs síkjai által bezárt szög +20° és +40° között, illetve -20° és -40° között van.

A találmány azon a felismerésen alapul és előnye is éppen abban rejlik, hogy az (U_A) kimenő feszültség lienáris közelítése lényegesen nagyobb elfordulási szögtartományokra érvényes. Következésképpen a dinamika tartomány lényegesen nagyobb, mint például az ismert mérőelrendezések analizátorainak dinamika tartománya. Továbbá számítógéppel segített analízis útján, amikor az (I, és ₂) fotoáramokat közvetlenül

HU 208 869 Β detektáljuk, a polarizációs sík 45°-ot meghaladó elfordulása még mindig kimutatható.

Egy kiviteli alak a mellékelt rajzon látható, ahol az ábrák a következőket tartalmazzák:

Az 1. ábra a találmány szerinti mérőelrendezés vázlatos felépítése; és

A 2. ábra a találmány szerinti mérőelrendezés analizátor eszközének kimenő jele a polarizációs sík elfordulási (Θ) szögének függvényében.

Az 1. ábra szerinti villamos áramerősség mérésére szolgáló száloptikás mérőelrendezés tartalmaz egy (2) optikai szálat, amely a (7) lencsénél levő egyik (6) végénél kezdődik, tovább halad a nagyfeszültségen levő (1) vezető felé, majd az (1) vezetőt egy (3) tekercs formájában körülveszi, ahol a menetek egymás után sorban vannak kialakítva, majd a szál visszafordul a (7) lencse felé, ahol annak (4) vége fémezett (5) felülettel van ellátva, amely merőleges a (2) optikai szál tengelyére.

A (10) lézer kibocsátotta fény a (7) lencse segítségével kerül a (2) optikai szálba bevezetésre, illetőleg a fénysugár kilépve a (8) sugárhasítóra kerül. A (2) optikai szál belsejében azon a részen, ahol a (3) tekercs van kialakítva, az optikai hullámvezető mágneses térben halad, amely mágneses teret az (1) vezetőben folyó áram hozzá létre. A Faraday-hatás következtében a fénysugár polarizációs síkja elfordul, miközben az a (3) tekercsen keresztülhalad, ezáltal ki van téve a mágneses tér hatásának és a szögelfordulás mértéke a mágneses térerősség útmenti vonalintegráljával arányos.

Áthaladva a (3) tekercsen a fény a (2) optikai szál másik (4) végéhez ér, ott a fémezett (5) felületről viszszaverŐdik és így még egyszer végighalad ugyanazon az úton a (2) optikai szálban. Egyúttal, amikor a (3) tekercsen keresztülhalad a mágneses térben - csak ezúttal ellenkező irányban -, a polarizációs sík elfordulása ismét megtörténik, mégpedig úgy, hogy amikor a fény a (7) lencséhez ér, az elfordulás mértéke éppen kétszerese annak, mint amekkora elfordulás az (5) felületnél lett volna tapasztalható.

A fény be- és kicsatolása a (7) lencsével történik. Kicsatoláskor a (2) optikai szálból a fény a (8) sugárhasító után egy analizátor eszközhöz érkezik, amely tartalmaz egy további (9) sugárhasítót, két (11 és 12) polarizátort és két (13 és 14) fotodetektort, valamint ez az analizátor eszköz alkalmas arra, hogy kimutassuk vele a polarizációs sík elfordulását a fény esetében, amely elfordulás a (2) optikai szálon való áthaladás után következik be, és amelynek mérése egyben az (1) vezetőn átfolyó áram erősségének a mérését is jelenti.

A (11 és 12) polarizátorok szimmetrikusan vannak elforgatva egymáshoz képest, szemben az elterjedten és szokásosan alkalmazott 45°-os elforgatási szöggel, különösen pedig olyan módon, hogy a (11 és 12) polarizátorok közötti és a (2) optikai szálba becsatolt fény polarizációs síkja közötti szög +20° és +40° között, vagy -20° és -40° között legyen. Ezen polarizációs (a) szög segítségével kifejezve a fotoáramokat, a következő összefüggéseket kapjuk:

I, = I_o {1 + cos (2Θ+2α)} és

I₂ = Ιο {1 + cos (2Θ-2α)}

Az (U_A) kimenő jelet a korábban említett módon határozzuk meg a fotoáramokból. Az eredményül kapott görbét a 2. ábra mutatja be, ahol az (U_A) kimenő jel az elfordulás (Θ) szögének függvényében van ábrázolva, a (11, 12) polarizátorok különböző (a) szögű helyzetének esetére. A 2. ábrának megfelelően az (U_A) kimenő jel függése a polarizációs sík (Θ) szögű elfordulásától - amely utóbbi a mérendő áram értékével arányos - a (11, 12) polarizátorok 20° és 40° közötti szögelfordulására nézve nagymértékben linearizáltnak tekinthető. Az (U_A) kimenő jel lineáris közelítése az elfordulás lényegesen nagyobb szögtartományára nézve is jó közelítésnek tekinthető. Következésképpen a dinamika tartományt ki tudtuk terjeszteni nagymértékben, összevetve a hagyományos mérési módszerekkel. Egy számítógéppel segített analízis rendszerben, ahol az (L és ₂) fotoáramokat közvetlenül kezeli a gép, a polarizációs sík 45°-ot meghaladó elfordulása még mindig könnyen detektálható.

Claims (2)

1. Száloptikás mérő elrendezés villamos áramerősség mérésére a Faraday-hatás alapján, miszerint az áram-átjárta vezetőt (1) körölvevő mágneses tér hatással van egy optikai szálban (2) terjedő fény polarizációjára, amely optikai szál (2) tekercs (3) formájában veszi körül a vezetőt (1), és az optikai szálból (2) kicsatolt fény sugárhasítóval (9) van két résznyalábba osztva, amely résznyalábok útjában egy-egy polarizátort (12, 11) követően egy-egy intenzitást (Ij, I₂) mérő fotodetektor (14,13) van elhelyezve, azzal jellemezve, hogy a polarizátorok (12, 11) egymáshoz képest szimmetrikusan vannak elforgatva.

2. Az 1. igénypont szerinti száloptikai mérő elrendezés, azzal jellemezve, hogy a polarizátorok (12, 11) és az optikai szálba (2) belépő fény polarizációs síkjai által bezárt szög (a) +20° és +40° között, illetve -20° és -40° között van.