RU127480U1

RU127480U1 - FIBER OPTICAL DEVICE FOR CONTROL OF ELECTRIC CURRENT, TEMPERATURE AND PRESSURE

Info

Publication number: RU127480U1
Application number: RU2012148649/28U
Authority: RU
Inventors: Татьяна Михайловна Левина; Марат Абдуллович Ураксеев; Мусса Гумерович Баширов
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2013-04-27

Abstract

Волоконно-оптическое устройство контроля электрического тока, температуры и давления, содержащее последовательно соединенные источник оптического излучения в виде лазера или лазерного диода, поляризатор, оптическое волокно, обладающее двойным лучепреломлением, свернутое в катушку, внутри которого расположен проводник с током, анализатор, фотоприемник оптического излучения, отличающееся тем, что состоит из трех параллельных волоконно-оптических цепочек, на одной из которых последовательно соединены источник оптического излучения в виде лазера или лазерного диода, поляризатор, оптическое волокно, обладающее линейным двойным лучепреломлением, свернутое в катушку, внутри которой расположены электроды, анализатор, фотодиод в качестве фотоприемника оптического излучения с выхода анализатора, усилитель, аналого-цифровой преобразователь; вторая цепочка содержит чувствительный элемент, контролирующий температуру, третья цепочка содержит чувствительный элемент, контролирующий давление, выходы чувствительных элементов связаны с усилителями и аналого-цифровыми преобразователями (АЦП); выходы с АЦП трех волоконно-оптических цепочек подключены к электронно-вычислительной машине (ЭВМ), выход ЭВМ соединен с жидкокристаллическим индикатором (ЖКИ), устройством вывода данных на печать и устройством ввода данных в ЭВМ, выход ЭВМ посредством устройства передачи управляющего сигнала связан с регулируемым источником питания.Fiber-optic device for monitoring electric current, temperature and pressure, containing a series-connected source of optical radiation in the form of a laser or a laser diode, a polarizer, an optical fiber having birefringence, rolled into a coil, inside which there is a current conductor, an analyzer, an optical radiation detector characterized in that it consists of three parallel optical fiber chains, on one of which an optical radiation source is connected in series in the form of a laser or a laser diode, a polarizer, an optical fiber having linear birefringence, rolled up into a coil, inside of which there are electrodes, an analyzer, a photodiode as a photodetector of optical radiation from the output of the analyzer, an amplifier, an analog-to-digital converter; the second chain contains a temperature-sensitive sensor, the third chain contains a pressure-sensitive sensor, the outputs of the sensors are connected to amplifiers and analog-to-digital converters (ADCs); the outputs from the ADC of three fiber-optic circuits are connected to an electronic computer (computer), the computer output is connected to a liquid crystal display (LCD), a data output device for printing and a data input device in a computer, the computer output via a control signal transmission device is connected to an adjustable power source.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим устройствам и может быть использована в нефтегазовой промышленности, сильноточной электронике и энергетике для управления электрическим током, давлением и температурой на производственных установках.The utility model relates to measuring equipment, namely to fiber-optic devices and can be used in the oil and gas industry, high-current electronics and energy to control electric current, pressure and temperature in industrial plants.

Известно информационно-измерительное устройство контроля электрическим током и магнитным полем (авторское свидетельство СССР №1383267. Кл. G01R 3/032, 1988), содержащее источник когерентного излучения, чувствительный элемент из волоконного световода, навитого на цилиндр из магнитострикционного материала с щелевидным разрезом вдоль образующей фотодетектор и блок обработки сигнала.Known information-measuring device for controlling electric current and magnetic field (USSR author's certificate No. 1383267. CL. G01R 3/032, 1988), containing a source of coherent radiation, a sensing element of a fiber waveguide, wound on a cylinder of magnetostrictive material with a slit-like cut along the generatrix photodetector and signal processing unit.

Недостатком данного устройства является его относительная громоздкость и недостаточно высокая точность вследствие косвенного метода измерения, заключающегося в том, что магнитное поле приводит к деформации цилиндра из магнитострикционного материала, и, следовательно, оптического волокна, намотанного на цилиндр. В результате изменяется оптическая длина пути, что приводит к изменению фазового сдвига, регистрируемого блоком обработки сигнала.The disadvantage of this device is its relative bulkiness and insufficiently high accuracy due to the indirect measurement method, which consists in the fact that the magnetic field deforms a cylinder of magnetostrictive material, and, therefore, an optical fiber wound on a cylinder. As a result, the optical path length changes, which leads to a change in the phase shift recorded by the signal processing unit.

За прототип принято информационно-измерительное устройство контроля электрического тока и магнитного поля (патент US, №5463312, кл. G01R 1/04, 1995), содержащее последовательно соединенные источники оптического излучения в виде лазера или лазерного диода, поляризатор; оптическое волокно, обладающее линейным двойным лучепреломлением, свернутое в катушку, внутри которой расположен проводник с током, анализатор, фотоприемник оптического излучения.For the prototype adopted information-measuring device for monitoring the electric current and magnetic field (US patent No. 5463312, class G01R 1/04, 1995), containing serially connected optical radiation sources in the form of a laser or laser diode, polarizer; an optical fiber with linear birefringence, rolled up into a coil, inside of which there is a current conductor, an analyzer, an optical radiation photodetector.

Недостатком данного устройства является его недостаточно высокая точность и надежность.The disadvantage of this device is its lack of accuracy and reliability.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности и надежности измерения.The task to which the utility model is directed is to increase the accuracy and reliability of measurement.

Поставленная задача решается тем, что волоконно-оптическое устройство контроля электрического тока, температуры и давления, содержащее последовательно соединенные источник оптического излучения в виде лазера или лазерного диода, поляризатор, оптическое волокно, обладающее двойным лучепреломлением, свернутое в катушку, внутри которого расположен проводник с током, анализатор, фотоприемник оптического излучения, согласно полезной модели состоит из трех параллельных волоконно-оптических цепочек, на одной из которых последовательно соединены источник оптического излучения в виде лазера или лазерного диода, поляризатор, оптическое волокно, обладающее линейным двойным лучепреломлением, свернутое в катушку, внутри которой расположены электроды, анализатор, фотодиод в качестве фотоприемника оптического излучения с выхода анализатора, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП).The problem is solved in that the fiber-optic device for monitoring electric current, temperature and pressure, containing a series-connected source of optical radiation in the form of a laser or a laser diode, a polarizer, an optical fiber with birefringence, rolled into a coil, inside which there is a current conductor , an analyzer, an optical radiation photodetector, according to a utility model, consists of three parallel fiber-optic chains, on one of which in series with the only source of optical radiation in the form of a laser or a laser diode, a polarizer, an optical fiber having linear birefringence, rolled into a coil inside which there are electrodes, an analyzer, a photodiode as a photodetector of optical radiation from the output of the analyzer, an amplifier, an analog-to-digital converter (ADC) )

Во второй волоконно-оптической цепочке сигнал с чувствительного элемента - контролирующего температуру Т, в виде электрического сигнала попадает на усилитель и также поступает на АЦП.In the second fiber-optic chain, the signal from the sensing element, which controls the temperature T, enters the amplifier in the form of an electric signal and also goes to the ADC.

Третья волоконно-оптическая цепочка работает также как и вторая только через чувствительный элемент - контролирующий давление Р, усилитель и АЦП.The third fiber-optic chain works in the same way as the second only through a sensitive element - pressure control P, amplifier and ADC.

Выходы АЦП трех волоконно-оптических цепочек подключены к ЭВМ, который соединен с жидкокристаллическим индикатором (ЖКИ), устройством вывода данных на печать и устройством ввода данных в ЭВМ, выход ЭВМ посредством устройства передачи управляющего сигнала связан с регулируемым источником питания.The ADC outputs of the three fiber-optic circuits are connected to a computer, which is connected to a liquid crystal display (LCD), a data output device for printing and a computer data input device, the computer output is connected to an adjustable power source by means of a control signal transmission device.

Сущность изобретения поясняется на фигуре.The invention is illustrated in the figure.

Устройство содержит регулируемый источник питания 1; лазерный диод 2; поляризатор 3; чувствительный элемент 4, контролирующий электрический ток i через напряженность магнитного поля Н (свернутое в катушку оптическое волокно); анализатор 5; фотодиод 6; усилитель 7; аналого-цифровой преобразователь 8; чувствительный элемент 9, контролирующий температуру T; усилитель 10; аналого-цифровой преобразователь 11; чувствительный элемент 12, контролирующий давление Р; усилитель 13; аналого-цифровой преобразователь 14; электронно-вычислительную машину 15; жидкокристаллический индикатор 16; устройство 17 вывода данных на печать; устройство 18 ввода данных; устройство 19, передающее управляющий сигнал.The device contains an adjustable power source 1; laser diode 2; polarizer 3; a sensing element 4 that controls the electric current i through the magnetic field H (optical fiber rolled into a coil); analyzer 5; photodiode 6; amplifier 7; analog-to-digital converter 8; temperature sensing element 9; amplifier 10; analog-to-digital Converter 11; a sensing element 12 controlling pressure P; amplifier 13; analog-to-digital Converter 14; electronic computer 15; liquid crystal indicator 16; print output device 17; data input device 18; a device 19 transmitting a control signal.

Заявляемое устройство работает следующим образом.The inventive device operates as follows.

В первой волоконно-оптической цепочке, при прохождении электрического тока i по электродам создается магнитное поле, напряженность которого по закону полного тока определяется как:In the first fiber-optic chain, when an electric current i passes through the electrodes, a magnetic field is created, the intensity of which, according to the law of the total current, is defined as:

где I_m - амплитудное значение электрического тока; dl - элемент тока; Θ - угол между проводником с током и радиус-вектором, проведенным к произвольной точке поля; R - расстояние от произвольной точки поля до проводника с измеряемым током.where I _m is the amplitude value of the electric current; dl is the current element; Θ is the angle between the conductor with the current and the radius vector drawn to an arbitrary point on the field; R is the distance from an arbitrary point of the field to the conductor with the measured current.

В случае контроля электрического поля, данное магнитное поле непосредственно воздействует на чувствительный элемент системы в виде катушки 4 из оптического волокна.In the case of monitoring the electric field, this magnetic field directly affects the sensitive element of the system in the form of a coil 4 of optical fiber.

Она же является магнитооптическим элементом Фарадея (Волоконно-оптические датчики / Под ред. Т.Окоси: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат, 1990, с.207). При воздействии на нее внешнего магнитного поля Н_внеш происходит поворот плоскости поляризации на угол фарадеевского вращения:It is also a magneto-optical element of Faraday (Fiber Optic Sensors / Edited by T. Okoshi: Translated from Japanese. - L .: Energoatomizdat, 1990, p.207). When exposed to an external magnetic field H _ext , the plane of polarization rotates by the angle of Faraday rotation:

где V - удельное фарадеевское вращение (постоянная Верде); L=2πrN - длина оптического волокна (r - радиус витка оптического волокна, N - число витков волокна).where V is the specific Faraday rotation (Verdet constant); L = 2πrN is the length of the optical fiber (r is the radius of the turn of the optical fiber, N is the number of turns of fiber).

В анализаторе 5 угол поворота плоскости поляризации φ_F преобразуется в изменение интенсивности светового излучения (Волоконно-оптические датчики / Под ред. Т.Окоси: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат, 1990, с. 158).In analyzer 5, the angle of rotation of the plane of polarization φ _{F is} converted into a change in the intensity of light radiation (Fiber Optic Sensors / Edited by T. Okoshi: Translated from Japanese. - L .: Energoatomizdat, 1990, p. 158).

где J₀ - интенсивность света за поляризатором; γ - угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора (угол скрещивания), который устанавливается предварительно при настройке чувствительного элемента в пределах от 0° до 90°.where J ₀ is the light intensity behind the polarizer; γ is the angle between the polarization planes of the polarizer and the analyzer (crossing angle), which is pre-set when setting the sensitive element in the range from 0 ° to 90 °.

Интенсивность оптического излучения (2) с выхода анализатора воздействует на фотодиод 6, электрический сигнал с выхода которого усиливается усилителем 7 и поступает на АЦП 8.The intensity of the optical radiation (2) from the output of the analyzer acts on the photodiode 6, the electrical signal from the output of which is amplified by the amplifier 7 and fed to the ADC 8.

Во второй волоконно-оптической цепочке сигнал с чувствительного элемента 9, контролирующего температуру Т, в виде электрического сигнала попадает на усилитель 10 и также поступает на АЦП 11.In the second fiber-optic circuit, the signal from the temperature sensing element 9, T, in the form of an electric signal enters the amplifier 10 and also enters the ADC 11.

Третья волоконно-оптическая цепочка работает также как и вторая только через чувствительный элемент 12, контролирующий давление Р, усилитель 13 и АЦП 14.The third fiber-optic chain works in the same way as the second only through the sensing element 12, which controls the pressure P, amplifier 13, and ADC 14.

Сигналы с элементов 8, 11, 14 поступают в ЭВМ 15, выход 15 соединен с ЖКИ 16, устройством 17 вывода данных на печать и устройством 18 ввода данных в ЭВМ в виде управляющей клавиатуры, выход ЭВМ связан с регулируемым источником питания 1 посредством устройства 19 передачи управляющего сигнала.The signals from the elements 8, 11, 14 are received in the computer 15, the output 15 is connected to the LCD 16, the device 17 for outputting data to the printer and the device 18 for entering data into the computer in the form of a control keyboard, the computer output is connected to an adjustable power source 1 through the transmission device 19 control signal.

Таким образом, предлагаемое волоконно-оптическое устройство контроля электрического тока, температуры и давления, отличается от аналогичных устройств более высокой точностью и надежностью измерения.Thus, the proposed fiber-optic device for monitoring electric current, temperature and pressure, differs from similar devices in higher accuracy and reliability of measurement.

Claims

Fiber-optic device for monitoring electric current, temperature and pressure, containing a series-connected source of optical radiation in the form of a laser or a laser diode, a polarizer, an optical fiber having birefringence, rolled into a coil, inside which there is a current conductor, an analyzer, an optical radiation detector characterized in that it consists of three parallel optical fiber chains, on one of which an optical radiation source is connected in series in the form of a laser or a laser diode, a polarizer, an optical fiber having linear birefringence, rolled up into a coil, inside of which there are electrodes, an analyzer, a photodiode as a photodetector of optical radiation from the output of the analyzer, an amplifier, an analog-to-digital converter; the second chain contains a temperature-sensitive sensor, the third chain contains a pressure-sensitive sensor, the outputs of the sensors are connected to amplifiers and analog-to-digital converters (ADCs); the outputs from the ADC of three fiber-optic circuits are connected to an electronic computer (computer), the computer output is connected to a liquid crystal display (LCD), a data output device for printing and a data input device in a computer, the computer output via a control signal transmission device is connected to an adjustable power source.