RU130718U1

RU130718U1 - SENSOR HEAD OF FIBER OPTICAL ELECTRIC SENSOR

Info

Publication number: RU130718U1
Application number: RU2013112226/28U
Authority: RU
Inventors: Андрей Андреевич Гусев; Николай Иванович Старостин; Ян Владимирович Пржиялковский; Александр Иванович Сазонов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Профотек"
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2013-07-27

Abstract

1. Сенсорная головка волоконно-оптического датчика электрического тока, содержащая корпус, герметично закрытый крышкой, кварцевую оболочку, закрепленную в пазе корпуса, чувствительные элементы, выполненные из магниточувствительного оптического волокна со встроенным линейным двойным лучепреломлением и волокна волоконно-оптического датчика температуры, витки которых свободно уложены внутри кварцевой оболочки и охватывают проводник с измеряемым током, каждый чувствительный элемент содержит на одном конце отражатель излучения, а на другом конце четвертьволновую пластинку, далее соединенную с оптическим волокном, сохраняющим поляризацию, причем отражатель излучения и четвертьволновая пластинка совмещены друг с другом, отличающаяся тем, что в корпусе выполнены дополнительный паз с закрепленным в нем модулем оптического кабеля с волокнами, сохраняющими поляризацию, и волокном датчика температуры, карман для размещения кабеля и указанных волокон, которые на участке от модуля до кварцевой оболочки уложены свободно с избыточной длиной, оптический кабель закреплен в корпусе без возможности перемещения вдоль и вокруг своей оси, кварцевая оболочка выполнена в виде замкнутой трубки со сквозным замкнутым пазом, расположенным на ее наружной поверхности наибольшего радиуса.2. Сенсорная головка по п.1, отличающаяся тем, что кварцевая оболочка и модуль оптического кабеля упруго закреплены в каждом пазе корпуса не менее чем в трех местах.1. The sensor head of a fiber-optic electric current sensor, comprising a housing sealed by a lid, a quartz shell fixed in the groove of the housing, sensitive elements made of a magnetically sensitive optical fiber with integrated linear birefringence and fiber optic temperature sensor, the turns of which are free laid inside a quartz shell and cover a conductor with a measured current, each sensitive element contains a radiation reflector at one end, and at the other end at the other end, a quarter-wave plate, further connected to a polarization-preserving optical fiber, the radiation reflector and the quarter-wave plate being combined with each other, characterized in that the housing has an additional groove with an optical cable module secured therein with polarizing fibers and a sensor fiber temperature pocket for accommodating the cable and these fibers, which in the section from the module to the quartz shell are laid freely with an excess length, the optical cable is fixed in pus without the ability to move along and around its axis, the quartz shell is made in the form of a closed tube with a through closed groove located on its outer surface of the greatest radius. 2. The sensor head according to claim 1, characterized in that the quartz shell and the optical cable module are resiliently fixed in each groove of the housing in at least three places.

Description

Полезная модель относится к волоконно-оптическим интерферометрическим датчикам для измерения электрического тока или магнитного поля и может быть использована в электроэнергетике, в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматики.The utility model relates to fiber-optic interferometric sensors for measuring electric current or magnetic field and can be used in the electric power industry, in high voltage measurement technology, in the field of relay protection and automation.

Большинство известных волоконно-оптических датчиков электрического тока работают на магнитооптическом эффекте Фарадея, например, [Волоконно-оптический датчик тока. Патент РФ RU 2437106]. Датчик состоит из оптического и электронного модулей. Оптический модуль включает в себя источник излучения, направленный ответвитель, поляризатор излучения, модулятор двулучепреломления, волоконную линию и измерительный контур, состоящий из целого числа витков магниточувствительного оптического волокна, имеющий на концах отражатель излучения и поляризационный конвертор (четвертьволновую пластинку). Электронный модуль включает в себя блок обработки сигнала. Электрический ток в проводнике индуцирует магнитное поле, которое посредством эффекта Фарадея вносит фазовый сдвиг между световыми волнами с ортогональными циркулярными поляризациями, распространяющимися в магниточувствительном оптическом волокне, намотанном вокруг проводника. Если чувствительное волокно с постоянной по длине чувствительностью к магнитному полю намотано вокруг проводника с током в виде контура с целым числом витков N, тогда фазовый сдвиг между световыми волнами на выходе чувствительного контура определяется током в проводнике и не зависит от любых внешне генерируемых магнитных полей, например от токов в соседних проводниках. Величина фазового сдвига определяетсяMost of the known fiber-optic electric current sensors operate on the Faraday magneto-optical effect, for example, [Fiber-optic current sensor. RF patent RU 2437106]. The sensor consists of optical and electronic modules. The optical module includes a radiation source, a directional coupler, a radiation polarizer, a birefringence modulator, a fiber line and a measuring circuit consisting of an integer number of turns of a magnetically sensitive optical fiber having a radiation reflector and a polarization converter (quarter-wave plate) at the ends. The electronic module includes a signal processing unit. An electric current in the conductor induces a magnetic field which, through the Faraday effect, introduces a phase shift between light waves with orthogonal circular polarizations propagating in a magnetically sensitive optical fiber wound around the conductor. If a sensitive fiber with a constant sensitivity to magnetic field is wound around a conductor with a current in the form of a circuit with an integer number of turns N, then the phase shift between the light waves at the output of the sensitive circuit is determined by the current in the conductor and does not depend on any externally generated magnetic fields, for example from currents in adjacent conductors. The magnitude of the phase shift is determined

,

где V - постоянная Верде для материала оптического волокна, Н - напряженность магнитного поля, dl - элемент замкнутого контура l, I - ток в проводнике. Интеграл берется по замкнутому пути контура l вокруг проводника с током. На практике это означает целое число витков магниточувствительного волокна замкнутого измерительного контура произвольной формы. Замкнутость контура обеспечивают совмещением в пространстве отражателя излучения и четвертьволновой пластинки, которые ограничивают выбор длины магниточувствительного волокна. Очевидно, что при измерении малых токов для получения значимой величины фазового сдвига φ следует увеличивать число витков измерительного контура N (длину магниточувствительного волокна).where V is the Verdet constant for the material of the optical fiber, H is the magnetic field strength, dl is the closed loop element l, I is the current in the conductor. The integral is taken along the closed path of the circuit l around the current conductor. In practice, this means an integer number of turns of a magnetically sensitive fiber of a closed measuring loop of arbitrary shape. The loop is closed by combining the space of the radiation reflector and the quarter-wave plate, which limit the choice of the length of the magnetically sensitive fiber. Obviously, when measuring low currents to obtain a significant value of the phase shift φ, the number of turns of the measuring circuit N (the length of the magnetically sensitive fiber) should be increased.

Детектирование и цифровая обработка сигнала позволяют измерять электрические токи (магнитные поля) с погрешностью измерения 0,2% и меньше. Данный метод измерения реализован как для гибких разъемных, так и для жестких неразъемных проводников (токопроводов, шинопроводов). В первом случае используют неразмыкаемую волоконно-оптическую измерительную петлю, внутри которой размещают токопровод. В этом случае, волоконно-оптическую петлю, как правило, выполняют в виде многовиткового волоконного контура, защищенного от внешних воздействий и уложенного в корпус. Во втором случае используют размыкаемую волоконно-оптическую измерительную петлю, конструктивные возможности которой позволяют произвольным образом располагать измерительную петлю без демонтажа и разрыва шинопровода. В этом случае, волоконно-оптическую петлю выполняют, как правило, из отрезка волоконно-оптического кабеля, охватывающего проводник с током, намотанного на каркас или на сам проводник. Сенсорные головки используют как для точного измерения рабочих токов, так и для грубого измерения токов короткого замыкания и тока молнии. В электроэнергетике для измерения электрических токов одной фазы наиболее часто используют 1 измерительный контур и 2 защитных контура, что требует либо 3-х сенсорных головок, либо размещения 3-х чувствительных элементов в одной комбинированной сенсорной головке, что затрудняет процесс укладки волокон, особенно при большом числе витков. Кроме того, существует зависимость изменения постоянной Верде V магниточувствительного волокна от его температуры (приблизительно 10^-4/°К) [А.Н.Rose, S.М.Etzel, С.М.Wang. Verdet constant dispersion in annealed optical fiber current sensors, J. Lightwave Technol., 15, pp. 803-807, 1997], что дает погрешность в несколько десятых процента при измерении электрического тока в диапазоне рабочих температур и требует внесения в конструкцию сенсорной головки элементов измерения температуры магниточувствительного волокна с целью корректировки измерений.Detection and digital signal processing allow you to measure electric currents (magnetic fields) with a measurement error of 0.2% or less. This measurement method is implemented both for flexible detachable and for rigid one-piece conductors (current conductors, busbars). In the first case, an unbreakable fiber-optic measuring loop is used, inside which a conductive wire is placed. In this case, the fiber optic loop, as a rule, is made in the form of a multi-turn fiber circuit, protected from external influences and laid in the case. In the second case, an openable fiber-optic measuring loop is used, the design capabilities of which allow you to arbitrarily position the measuring loop without dismantling and breaking the busbar. In this case, the fiber optic loop is performed, as a rule, from a segment of a fiber optic cable covering a current-carrying conductor wound on a frame or on the conductor itself. Sensor heads are used both for accurate measurement of operating currents and for coarse measurement of short circuit currents and lightning current. In the electric power industry, 1 measuring circuit and 2 protective circuits are most often used to measure electric currents of one phase, which requires either 3 sensor heads or placement of 3 sensitive elements in one combined sensor head, which complicates the process of laying fibers, especially for large number of turns. In addition, there is a dependence of the change in the Verdet constant V of a magnetically sensitive fiber on its temperature (approximately 10 ^-4 / ° K) [A.N. Rose, S.M. Etzel, S.M. Wang. Verdet constant dispersion in annealed optical fiber current sensors, J. Lightwave Technol., 15, pp. 803-807, 1997], which gives an error of several tenths of a percent when measuring electric current in the range of operating temperatures and requires the introduction of magnetically sensitive fiber temperature measuring elements in the design of the sensor head in order to correct the measurements.

Отдельной проблемой является подвижность оптических волокон относительно оптического модуля соединительного кабеля при изменении температуры эксплуатации сенсорной головки. Экспериментально установлено, что перемещения оптических волокон на выходе из оптического модуля кабеля могут достигать ±15 мм и более. В стесненных условиях размещения оптических волокон внутри сенсорной головки это приводит, в зависимости от направления перемещения волокон, либо к их растяжению, либо к изгибу. Магниточувствительное волокно в условиях эксплуатации подвергается воздействию климатических и механических внешних воздействующих факторов таких, как изменение температуры окружающей среды, механические воздействия и др. Однако любые механические или термические воздействия на магниточувствительное волокно вызывают наведенное линейное двойное лучепреломление, что крайне негативно влияет на точность измерения и требует принятия специальных мер по компенсации перемещений волокон и снижения уровня таких воздействий.A separate problem is the mobility of optical fibers relative to the optical module of the connecting cable when the operating temperature of the sensor head changes. It was experimentally established that the displacements of optical fibers at the exit from the optical module of the cable can reach ± 15 mm or more. In cramped conditions of placement of optical fibers inside the sensor head, this leads, depending on the direction of movement of the fibers, either to their stretching or to bending. In operation, a magnetically sensitive fiber is exposed to climatic and mechanical external factors such as changes in ambient temperature, mechanical stresses, etc. However, any mechanical or thermal effects on a magnetically sensitive fiber cause induced linear birefringence, which negatively affects the measurement accuracy and requires taking special measures to compensate for the movement of fibers and reduce the level of such effects.

Для уменьшения влияния внешних воздействующих факторов используют, например, сенсорную головку с чувствительным элементом [Волоконно-оптический чувствительный элемент измерительного преобразователя тока стационарного исполнения. Патент РФ RU 108633 U1]. Чувствительный элемент выполнен в виде охватывающих проводник с измеряемым током витков оптического волокна с отражающим зеркалом на конце, которые размещены в диэлектрике с высокой теплопропроводностью, покрыто теплоизолятором и оснащен электрически безопасным устройством измерения температуры волокна. Указанное техническое решение способно решать задачу выравнивания температурного поля и контроля температуры магниточувствительного волокна в одной или двух точках при больших диаметрах намотки витков.To reduce the influence of external factors, use, for example, a sensor head with a sensing element [Fiber-optic sensing element of a stationary current measuring transducer. RF patent RU 108633 U1]. The sensitive element is made in the form of turns of an optical fiber covering a conductor with a measured current with a reflecting mirror at the end, which are placed in a dielectric with high thermal conductivity, coated with a heat insulator, and equipped with an electrically safe device for measuring the temperature of the fiber. The indicated technical solution is capable of solving the problem of leveling the temperature field and controlling the temperature of the magnetically sensitive fiber at one or two points with large winding diameters.

Недостатком известного технического решения является сложность его использования для малогабаритных многовитковых контуров из-за ограничений допускаемых радиусов изгибов оптических кабелей и необходимости намотки витков в защитных оболочках увеличенного диаметра.A disadvantage of the known technical solution is the difficulty of its use for small multi-turn loops due to restrictions on the allowable bending radii of optical cables and the need for winding coils in protective shells of increased diameter.

Для уменьшения влияния внешних воздействующих факторов также используют, например, сенсорную головку [Температурно-стабилизированная сенсорная катушка и датчик тока. Патент РФ RU 2358268 С2], которое является наиболее близким техническим решением. Сенсорная головка (чувствительная катушка) содержит освобожденное от защитного покрытия магниточувствительное оптическое волокно, свободно уложенное в гибкий капилляр из кварцевого стекла, частично заполненный антифрикционным средством и закупоренный по концам, капилляр окружен оболочкой и размещен внутри защитного полого кабеля, причем волокно в смонтированном состоянии имеет большой радиус кривизны. Выполнение капилляра из кварцевого стекла, имеющего температурный коэффициент линейного расширения α_LK близкий к коэффициенту линейного расширения оптического волокна α_LOB, позволяет практически исключить влияние температурных деформаций капилляра на параметры магниточувствительного волокна.To reduce the influence of external factors, also use, for example, a sensor head [Temperature-stabilized sensor coil and current sensor. RF patent RU 2358268 C2], which is the closest technical solution. The sensor head (sensitive coil) contains a magnetically sensitive optical fiber freed from the protective coating, freely placed in a flexible quartz glass capillary, partially filled with antifriction agent and corked at the ends, the capillary is surrounded by a sheath and placed inside a protective hollow cable, and the fiber in the mounted state has a large radius of curvature. The implementation of a quartz glass capillary having a temperature coefficient of linear expansion α _LK close to the coefficient of linear expansion of the optical fiber α _LOB allows one to virtually eliminate the influence of temperature deformations of the capillary on the parameters of the magnetically sensitive fiber.

Недостатком известного технического решения является значительный радиус кривизны чувствительного волокна (кабеля), обусловленный в т.ч. ограниченной изгибной прочностью кварцевого капилляра, что затрудняет размещение сенсорной головки в стесненных условиях. Кроме того, при измерении малых токов требуется значительная длина (большое число витков) магниточувствительного волокна, что вызывает трудности при его прокладке внутри капилляра и увеличение затрат на изготовление сенсорной головки. Использование данного технического решения для создания неразмыкаемой волоконно-оптической измерительной петли также весьма затруднительно даже при использовании вместо капилляра малого диаметра незамкнутой кварцевой трубки большего диаметра с последующей герметизацией ее разрыва. Это связано с тем, что укладка большого числа витков (100 и более) в кварцевую трубку является весьма трудоемкой операцией. Еще одним недостатком известного технического решения является некомпенсированное влияние зависимости постоянной Верде магниточувствительного волокна от его температуры на точность измерения электрического тока.A disadvantage of the known technical solution is the significant radius of curvature of the sensitive fiber (cable), including limited bending strength of the quartz capillary, which makes it difficult to place the sensor head in cramped conditions. In addition, when measuring small currents, a significant length (a large number of turns) of the magnetically sensitive fiber is required, which causes difficulties in laying it inside the capillary and increases the cost of manufacturing the sensor head. The use of this technical solution to create an indelible fiber-optic measuring loop is also very difficult even when an open quartz tube of a larger diameter is used instead of a small-diameter capillary, followed by sealing of its rupture. This is due to the fact that laying a large number of turns (100 or more) in a quartz tube is a very time-consuming operation. Another disadvantage of the known technical solution is the uncompensated effect of the dependence of the Verdet constant of a magnetically sensitive fiber on its temperature on the accuracy of measuring electric current.

Техническим результатом заявленной полезной модели является уменьшение габаритов сенсорной головки и упрощение процесса укладки оптических волокон. Сопутствующим техническим результатом является повышение точности измерения электрического тока или величины магнитного поля за счет компенсации температурных деформаций и свободной укладки оптических волокон внутри сенсорной головки.The technical result of the claimed utility model is to reduce the size of the sensor head and simplify the process of laying optical fibers. The accompanying technical result is to increase the accuracy of measuring the electric current or magnetic field by compensating for temperature deformations and free laying of optical fibers inside the sensor head.

Указанный технический результат достигается тем, что сенсорная головка волоконно-оптического датчика электрического тока содержит корпус герметично закрытый крышкой, кварцевую оболочку, закрепленную в пазе корпуса, чувствительные элементы, выполненные из магниточувствительного оптического волокна со встроенным линейным двойным лучепреломлением и волокно волоконно-оптического датчика температуры, витки которых свободно уложены внутри кварцевой оболочки и охватывают проводник с измеряемым током, каждый чувствительный элемент содержит на одном конце отражатель излучения, а на другом конце четвертьволновую пластинку далее соединенную с оптическим волокном, сохраняющим поляризацию, причем отражатель излучения и четвертьволновая пластинка совмещены друг с другом, в корпусе выполнены дополнительный паз с закрепленным в нем модулем оптического кабеля с волокнами, сохраняющими поляризацию, и волокном датчика температуры, карман для размещения кабеля и указанных волокон, которые на участке от модуля до кварцевой оболочки уложены свободно с избыточной длиной, оптический кабель закреплен в корпусе без возможности перемещения вдоль и вокруг своей оси, кварцевая оболочка выполнена в виде замкнутой трубки со сквозным замкнутым пазом на ее наружной поверхности наибольшего радиуса.The specified technical result is achieved in that the sensor head of the fiber-optic electric current sensor comprises a housing hermetically sealed with a lid, a quartz shell fixed in the groove of the housing, sensitive elements made of magnetically sensitive optical fiber with integrated linear birefringence and fiber optical fiber temperature sensor, the turns of which are freely laid inside the quartz shell and cover a conductor with a measured current, each sensitive element a radiation reflector at one end and a quarter-wave plate further connected to the polarization-preserving optical fiber at the other end, the radiation reflector and the quarter-wave plate being combined with each other, an additional groove is made in the housing with an optical cable module fixed to it with polarizing fibers and a temperature sensor fiber, a pocket for accommodating the cable and these fibers, which are freely laid with an excess length in the section from the module to the quartz shell cue cable is secured within the housing without the possibility of displacement along and around its axis, the quartz envelope is made as a closed tube closed with a through groove on its outer surface the largest radius.

В варианте исполнения сенсорной головки кварцевая оболочка и модуль оптического кабеля упруго закреплены в каждом пазе корпуса не менее чем в трех местах.In the embodiment of the sensor head, the quartz shell and the optical cable module are resiliently fixed in each groove of the housing in at least three places.

Существенными признаками заявленной полезной модели, являются:The essential features of the claimed utility model are:

- Сенсорная головка волоконно-оптического датчика электрического тока содержит корпус герметично закрытый крышкой. Признак обеспечивает устранение влияния механических и части климатических факторов (проникновение влаги, пыли и пр.) на оптический кабель и оптические волокна, расположенные внутри корпуса.- The sensor head of the fiber optic electric current sensor comprises a hermetically sealed housing. The sign provides the elimination of the influence of mechanical and part of climatic factors (penetration of moisture, dust, etc.) on the optical cable and optical fibers located inside the case.

- (Содержит) кварцевую оболочку, закрепленную в пазе корпуса. Признак обеспечивает защиту оптических волокон и уменьшается влияние на них температурных и связанных с ними механических воздействий, влияющих на точность измерения.- (Contains) a quartz shell fixed in the groove of the case. The feature protects the optical fibers and reduces the influence on them of temperature and related mechanical stresses affecting the measurement accuracy.

- (Содержит) чувствительные элементы, выполненные из магниточувствительного оптического волокна со встроенным линейным двойным лучепреломлением и волокно волоконно-оптического датчика температуры. Признак обеспечивает возможность измерения электрического тока или магнитного поля на основе эффекта Фарадея, а также фактическую температуру оптических волокон внутри кварцевой оболочки в реальном масштабе времени, что необходимо для коррекции влияния температуры волокон на точность измерения электрического тока (магнитного поля).- (Contains) sensitive elements made of magnetically sensitive optical fiber with integrated linear birefringence and fiber optic fiber temperature sensor. The feature provides the ability to measure the electric current or magnetic field based on the Faraday effect, as well as the actual temperature of the optical fibers inside the quartz shell in real time, which is necessary to correct the influence of the temperature of the fibers on the accuracy of measuring the electric current (magnetic field).

- Витки (оптических волокон) свободно уложены внутри кварцевой оболочки и охватывают проводник с измеряемым током. Признак обеспечивает за счет зазоров между оптическими волокнами и стенками кварцевой оболочки возможность свободного (без натяга и сдавливаний) размещения волокон при температурных деформациях волокон и кварцевой оболочки. При этом уменьшается влияние механических воздействий на волокно, влияющих на точность измерения. Проводник с током образует магнитное поле, которое воздействует на чувствительные элементы.- Coils (optical fibers) freely laid inside the quartz shell and cover the conductor with the measured current. The feature provides due to the gaps between the optical fibers and the walls of the quartz shell the possibility of free (without interference and squeezing) the placement of fibers during thermal deformation of the fibers and the quartz shell. At the same time, the influence of mechanical stresses on the fiber, which affects the measurement accuracy, is reduced. A current conductor forms a magnetic field that acts on sensitive elements.

- Каждый чувствительный элемент содержит на одном конце отражатель излучения, а на другом конце четвертьволновую пластинку далее соединенную с оптическим волокном, сохраняющим поляризацию, причем отражатель излучения и четвертьволновая пластинка совмещены друг с другом. Признак обеспечивает независимость измерения электрического тока в проводнике от всех внешне генерируемых магнитных полей, например от токов в соседних проводниках. Кроме того, вследствие эффекта Фарадея индуцируется фазовый сдвиг между световыми волнами, распространяющимися в магниточувствительном оптическом волокне, намотанном вокруг проводника, обеспечивается сохранение и передача фазового сдвига, обусловленного измеряемым током, по оптическому волокну соединительного кабеля до оптико-электронного блока обработки выходного оптического сигнала.- Each sensor element contains at one end a radiation reflector, and at the other end a quarter-wave plate further connected to an optical fiber that maintains polarization, and the radiation reflector and quarter-wave plate are aligned with each other. The sign ensures that the measurement of the electric current in the conductor is independent of all externally generated magnetic fields, for example, from currents in adjacent conductors. In addition, due to the Faraday effect, a phase shift is induced between the light waves propagating in the magnetically sensitive optical fiber wound around the conductor, and the phase shift caused by the measured current is stored and transmitted through the optical fiber of the connecting cable to the optoelectronic processing unit of the output optical signal.

- В корпусе выполнен(ы) дополнительный паз с закрепленным в нем модулем оптического кабеля с волокнами, сохраняющими поляризацию, излучения и волокном датчика температуры. Признак обеспечивает стабилизацию радиуса изгиба модуля кабеля и подвод модуля к участку свободной укладки волокон с избыточной длиной в кармане корпуса.- An additional groove is made in the housing (s) with an optical cable module fixed in it with fibers that preserve polarization, radiation, and the fiber of the temperature sensor. The sign provides stabilization of the bending radius of the cable module and the supply of the module to the area of free laying of fibers with excess length in the pocket of the housing.

- (В корпусе выполнен) карман для размещения кабеля и указанных волокон. Признак обеспечивает возможность размещения герметичного ввода кабеля в корпус, подвода кабеля к пазу корпуса, а также образует необходимое пространство для зоны компенсации изменения длины оптических волокон выходящих из модуля.- (In the housing is made) a pocket for accommodating the cable and the specified fibers. The feature provides the possibility of placing a sealed cable entry into the housing, supplying the cable to the housing groove, and also forms the necessary space for the compensation zone for changing the length of the optical fibers emerging from the module.

- (Волокна) на участке от модуля до кварцевой оболочки уложены свободно с избыточной длиной. Признак обеспечивает однородность среды размещения оптических волокон, как в кабеле, так и в модуле кабеля, тем самым снижая вероятность механических воздействий на волокна. Задание избыточных длин оптических волокон, обеспечивает устранение напряжений растяжения в волокнах, положение которых относительно модуля может изменяться по длине при изменении температуры. При этом изгибные напряжения в волокнах ограничены допускаемыми радиусами изгиба волокон.- (Fibers) in the section from the module to the quartz shell are laid freely with an excess length. The feature ensures uniformity of the optical fiber placement environment both in the cable and in the cable module, thereby reducing the likelihood of mechanical stresses on the fibers. Setting the excess lengths of the optical fibers eliminates tensile stresses in the fibers, the position of which relative to the module can vary in length with temperature. In this case, the bending stresses in the fibers are limited by the permissible bending radii of the fibers.

- Оптический кабель закреплен в корпусе без возможности перемещения вдоль и вокруг своей оси. Признак обеспечивает стабильность положения оптического модуля кабеля при возможных перемещениях свободного конца кабеля при монтажных работах и при эксплуатации.- The optical cable is fixed in the housing without the ability to move along and around its axis. The feature ensures the stability of the position of the optical module of the cable during possible movements of the free end of the cable during installation and operation.

- Кварцевая оболочка, выполнена в виде замкнутой трубки со сквозным замкнутым пазом, расположенном на ее наружной поверхности наибольшего радиуса. Признак обеспечивает упрощение процесса намотки витков оптических волокон одного или нескольких чувствительных элементов и волоконно-оптического датчика температуры, и размещение их в одной кварцевой оболочке (трубке), что уменьшает габариты устройства. При этом размер отверстия в кварцевой трубке выбирают из условия свободного размещения витков всех оптических волокон.- Quartz shell, made in the form of a closed tube with a through closed groove located on its outer surface of the greatest radius. The sign provides a simplification of the process of winding coils of optical fibers of one or more sensitive elements and a fiber-optic temperature sensor, and placing them in one quartz shell (tube), which reduces the dimensions of the device. The size of the hole in the quartz tube is selected from the condition of free placement of coils of all optical fibers.

- Кварцевая оболочка и модуль оптического кабеля упруго закреплены в каждом пазе корпуса не менее чем в трех местах. Признак обеспечивает снижение передачи температурных и др. деформаций корпуса на деформации кварцевой оболочки и модуля оптического кабеля за счет упругого подвеса каждого элемента не менее чем в 3-х точках, определяющих положение элемента в пространстве. Точечное закрепление в отличие от сплошного закрепления в меньшей степени передает усилия тепловой деформации корпуса на кварцевую оболочку и оптический модуль. Упругое закрепление выполняют, например, заливкой силиконовым герметиком.- The quartz shell and the optical cable module are resiliently fixed in each groove of the housing in at least three places. The sign provides a decrease in the transmission of temperature and other deformations of the case to deformations of the quartz shell and the optical cable module due to the elastic suspension of each element at at least 3 points that determine the position of the element in space. Point fixing, in contrast to continuous fixing, to a lesser extent transfers the forces of thermal deformation of the housing to the quartz shell and the optical module. Elastic fastening is performed, for example, by pouring with silicone sealant.

Существенными отличительными признаками, влияющими на получение технического результата являются:Salient features that affect the receipt of a technical result are:

- В корпусе выполнен(ы) дополнительный паз с закрепленным в нем модулем оптического кабеля с волокнами, сохраняющими поляризацию, и волокном датчика температуры.- An additional groove is made in the housing (s) with an optical cable module fixed in it with fibers preserving polarization and the fiber of the temperature sensor.

- (В корпусе выполнен) карман для размещения кабеля и указанных волокон.- (In the housing is made) a pocket for accommodating the cable and the specified fibers.

- (Волокна) на участке от модуля до кварцевой оболочки уложены свободно с избыточной длиной.- (Fibers) in the section from the module to the quartz shell are laid freely with an excess length.

- Оптический кабель закреплен в корпусе без возможности перемещения вдоль и вокруг своей оси.- The optical cable is fixed in the housing without the ability to move along and around its axis.

- Кварцевая оболочка, выполнена в виде замкнутой трубки со сквозным замкнутым пазом, расположенном на ее наружной поверхности наибольшего радиуса.- Quartz shell, made in the form of a closed tube with a through closed groove located on its outer surface of the greatest radius.

- Кварцевая оболочка и модуль оптического кабеля упруго закреплены в каждом пазе корпуса не менее чем в трех местах.- The quartz shell and the optical cable module are resiliently fixed in each groove of the housing in at least three places.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен общий вид сенсорной головки со снятой крышкой (на фиг. не показана). Цифрами на фиг.1 обозначены: 1 - корпус, 2 - оптический кабель, 3 - модуль оптического кабеля, 4 - силовые элементы оптического кабеля, 5 - оптические волокна, 6 и 7 - элементы крепления, предотвращающие возможность перемещения оптического кабеля вдоль и вокруг своей оси, 8 - паз, 9 - кварцевая оболочка, 10 - дополнительный паз, 11 - карман, 12 - места упругих креплений модуля оптического кабеля и кварцевой оболочки к корпусу 1, 13 - резьбовые отверстия крепления крышки и корпусу 1. Буквой на фиг.1 обозначена: К - зона компенсации (заштрихована) изменения длины оптических волокон.The essence of the utility model is illustrated in the drawing, where Fig. 1 shows a general view of the sensor head with the cover removed (not shown in Fig.). The numbers in FIG. 1 indicate: 1 — the case, 2 — the optical cable, 3 — the optical cable module, 4 — power elements of the optical cable, 5 — optical fibers, 6 and 7 — fastening elements that prevent the optical cable from moving along and around its axis, 8 — groove, 9 — quartz shell, 10 — additional groove, 11 — pocket, 12 — places of elastic fastenings of the optical cable module and the silica sheath to the housing 1, 13 — threaded holes for fastening the cover and the housing 1. The letter in FIG. 1 marked: K - compensation zone (shaded) changes in the length of the opt iCal fibers.

Сенсорная головка содержит: 1 - корпус, 2 - оптический кабель, 3 - модуль оптического кабеля, 4 - силовые элементы оптического кабеля, 5 - оптические волокна, 6 и 7 - элементы крепления, предотвращающие возможность перемещения оптического кабеля вдоль и вокруг своей оси, 8 - паз, 9 - кварцевая оболочка, 10 - дополнительный паз, 11 - карман, 12 - места упругих креплений модуля оптического кабеля и кварцевой оболочки к корпусу 1, 13 - резьбовые отверстия крепления крышки и корпусу 1, 14 - проводник с измеряемым током.The sensor head contains: 1 - housing, 2 - optical cable, 3 - optical cable module, 4 - power elements of the optical cable, 5 - optical fibers, 6 and 7 - fastening elements that prevent the optical cable from moving along and around its axis, 8 - groove, 9 - quartz shell, 10 - additional groove, 11 - pocket, 12 - places of elastic fastenings of the optical cable module and quartz shell to the housing 1, 13 - threaded holes for fastening the cover and the housing 1, 14 - conductor with the measured current.

В корпусе 1 выполнено центральное отверстие для размещения проводника с током 14. В корпусе 1 также выполнены радиусные пазы 8 и 10, а также карман 11. В кармане 11 корпуса 1 расположен оптический кабель 2. На входе в наружный радиусный паз 10 оптический кабель 2 жестко закреплен элементами крепления 6 и 7, предотвращающими возможность его перемещения вдоль и вокруг своей оси. В качестве элемента 6 используют, например, клеммовый зажим оптического кабеля, а в качестве элемента 7 - зажимную втулку силовых элементов 4 оптического кабеля, установленную в отверстии корпуса. Оптический модуль 3 кабеля 2 размещен в радиусном пазе 10 и упруго закреплен не менее чем в трех местах 12, например, силиконовым герметиком. Во внутреннем радиусном пазе 8 установлена кварцевая оболочка 9, выполненная в виде замкнутой трубки со сквозным замкнутым пазом, расположенном на ее максимальном диаметре. Кварцевая оболочка 9 также упруго закреплена в трех местах 12. Корпус 1 герметично закрыт крышкой (на фиг. не показана). Герметичность обеспечивается, например, упругой прокладкой и/или герметиком. Герметичность места выхода оптического кабеля 2 из корпуса 1 обеспечивают конструкцией сопрягаемых деталей. Волокна 5 чувствительных элементов и волоконно-оптического датчика температуры размещены в кварцевой оболочке 9. Оболочка 9 выполнена в виде замкнутой кварцевой трубы. На ее наружной поверхности наибольшего радиуса выполнен сквозной замкнутый паз. Ширина паза больше толщины любого из волокон 5. Во внутреннем объеме кварцевой трубы свободно (без натяжения) уложены витки волокон 5, в т.ч. витки магниточувствительных оптических волокон с отражателями излучения и четвертьволновыми пластинками

, заходы оптических волокон, сохраняющих поляризацию излучения, а также волокно волоконно-оптического датчика температуры. Наличие кольцевого паза позволяет использовать стандартное намоточное оборудование для укладки волокон 5 внутри кварцевой оболочки. Свободную укладку волокон обеспечивают изменением радиуса волокон после их намотки. Паз кварцевой оболочки 9 в местах ее закрепления 12 закрыт герметизирующей лентой, которая перекрывает длину места закрепления. При работе устройства возможные перемещения оптических волокон относительно торца оптического модуля компенсируются распрямлением или дополнительным изгибом оптических волокон в зоне К компенсации изменения длины оптических волокон.In case 1, a central hole is made for accommodating a conductor with current 14. In case 1,

radius grooves

8 and 10 are also made, as well as pocket 11. In pocket 11 of case 1 there is an optical cable 2. At the entrance to the outer radius groove 10, the optical cable 2 is rigidly fixed by

fastening elements

6 and 7, preventing the possibility of its movement along and around its axis. As element 6, for example, a terminal clamp of an optical cable is used, and as element 7, a clamping sleeve of power elements 4 of an optical cable mounted in an opening of the housing. The optical module 3 of the cable 2 is placed in a radius groove 10 and is resiliently fixed in at least three places 12, for example, with silicone sealant. In the inner radius groove 8, a quartz shell 9 is installed, made in the form of a closed tube with a through closed groove located at its maximum diameter. The quartz shell 9 is also elastically fixed in three places 12. The housing 1 is hermetically closed by a lid (not shown in Fig.). Tightness is provided, for example, by an elastic gasket and / or sealant. The tightness of the exit point of the optical cable 2 from the housing 1 is provided by the design of the mating parts. The fibers 5 of the sensing elements and the fiber optic temperature sensor are located in the quartz shell 9. The shell 9 is made in the form of a closed quartz tube. On its outer surface of greatest radius, a through closed groove is made. The width of the groove is greater than the thickness of any of the fibers 5. In the inner volume of the quartz tube, loops of fibers 5 are freely (without tension) laid, incl. turns of magnetically sensitive optical fibers with radiation reflectors and quarter-wave plates

, approaches of optical fibers that preserve the polarization of radiation, as well as fiber optic fiber temperature sensor. The presence of an annular groove allows the use of standard winding equipment for laying fibers 5 inside the quartz shell. Free laying of fibers is provided by changing the radius of the fibers after they are wound. The groove of the quartz shell 9 in the places of its fastening 12 is closed with a sealing tape that overlaps the length of the fastening place. During operation of the device, possible displacements of the optical fibers relative to the end of the optical module are compensated by straightening or by additional bending of the optical fibers in the compensation zone K for changing the length of the optical fibers.

Примером выполнения полезной модели является сенсорная головка, содержащая 3 чувствительных элемента из магниточувствительного оптического SPUN волокна с различными числами витков и волоконно-оптический датчик температуры. Отражатели излучения получены скалыванием волокон и напылением металла. Четвертьволновые пластинки выполнены из оптического волокна, сохраняющего поляризацию излучения. Использовался источник оптического излучения с рабочей длиной волны λ=1550 нм. Кварцевая оболочка имеет кольцевой паз шириной 1 мм, края паза оплавлены. Все волокна размещены во внутренней части кварцевой оболочки свободно, без натяжения. Проводились измерения электрического тока в диапазоне до 5000 А. В процессе измерения сенсорная головка помещалась в термокамеру где изменялась и контролировалась температура чувствительных элементов в диапазоне от минус 40°С до 60°С. Данные о фактической температуре чувствительных элементов использовались для корректировки показаний измеренного сигнала. При этом была обеспечена простота намотки волокон, габариты измерительной петли сенсорной головки не превышали 220 мм и ограничивались габаритными размерами поперечного сечения проводника, а погрешность измерений не превышала заявленных величин.An example of a utility model is a sensor head containing 3 sensing elements from a magnetically sensitive optical SPUN fiber with different numbers of turns and an optical fiber temperature sensor. Radiation reflectors are obtained by cleaving fibers and spraying a metal. The quarter-wave plates are made of optical fiber that preserves the polarization of radiation. An optical radiation source with a working wavelength of λ = 1550 nm was used. The quartz shell has an annular groove 1 mm wide, the edges of the groove are fused. All fibers are placed in the inner part of the quartz shell freely, without tension. The electric current was measured in the range up to 5000 A. During the measurement, the sensor head was placed in a heat chamber where the temperature of the sensitive elements was changed and controlled in the range from minus 40 ° С to 60 ° С. Data on the actual temperature of the sensitive elements were used to correct the readings of the measured signal. In this case, simplicity of winding the fibers was ensured, the dimensions of the measuring loop of the sensor head did not exceed 220 mm and were limited by the overall dimensions of the cross section of the conductor, and the measurement error did not exceed the declared values.

Claims

1. The sensor head of a fiber-optic electric current sensor, comprising a housing sealed by a lid, a quartz shell fixed in the groove of the housing, sensitive elements made of a magnetically sensitive optical fiber with integrated linear birefringence and fiber optic temperature sensor, the turns of which are free laid inside a quartz shell and cover a conductor with a measured current, each sensitive element contains a radiation reflector at one end, and at the other end at the other end, a quarter-wave plate, further connected to a polarization-preserving optical fiber, the radiation reflector and the quarter-wave plate being combined with each other, characterized in that the housing has an additional groove with an optical cable module secured therein with polarizing fibers and a sensor fiber temperature pocket for accommodating the cable and these fibers, which in the section from the module to the quartz shell are laid freely with an excess length, the optical cable is fixed in pus without the ability to move along and around its axis, the quartz shell is made in the form of a closed tube with a through closed groove located on its outer surface of the greatest radius.

2. The sensor head according to claim 1, characterized in that the quartz shell and the optical cable module are resiliently fixed in each groove of the housing in at least three places.