RU162955U1 - FIBER-OPTICAL SENSITIVE ELEMENT WITH INTEGRATED TEMPERATURE SENSOR FOR ELECTRIC CURRENT TRANSMITTER - Google Patents

FIBER-OPTICAL SENSITIVE ELEMENT WITH INTEGRATED TEMPERATURE SENSOR FOR ELECTRIC CURRENT TRANSMITTER Download PDF

Info

Publication number
RU162955U1
RU162955U1 RU2015115330/28U RU2015115330U RU162955U1 RU 162955 U1 RU162955 U1 RU 162955U1 RU 2015115330/28 U RU2015115330/28 U RU 2015115330/28U RU 2015115330 U RU2015115330 U RU 2015115330U RU 162955 U1 RU162955 U1 RU 162955U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fiber
optical fiber
polarizing
temperature sensor
optic
Prior art date
Application number
RU2015115330/28U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Андреевич Гусев
Николай Иванович Старостин
Original Assignee
Акционерное общество "Профотек" (АО "Профотек")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Профотек" (АО "Профотек") filed Critical Акционерное общество "Профотек" (АО "Профотек")
Priority to RU2015115330/28U priority Critical patent/RU162955U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU162955U1 publication Critical patent/RU162955U1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)

Abstract

Волоконно-оптический чувствительный элемент со встроенным датчиком температуры для измерительного преобразователя электрического тока, содержащий магниточувствительное оптическое волокно со встроенной спиральной структурой осей линейного двулучепреломления и отражателем излучения на конце, а также термочувствительное оптическое волокно с отражателем излучения на конце, соединенное с волокном, сохраняющим поляризацию и далее с изгибным поляризующим волокном поляризационного волоконно-оптического датчика температуры, которые вместе с магниточувствительным оптическим волокном, охватывают проводник с измеряемым током, а витки магниточувствительного оптического волокна и термочувствительное оптическое волокно поляризационного волоконно-оптического датчика температуры свободно уложены внутри кварцевой оболочки, отличающийся тем, что изгибное поляризующее волокно и волокно сохраняющее поляризацию поляризационного волоконно-оптического датчика температуры уложены в радиусные элементы, принадлежащие выпуклому многоугольнику со скругленными углами и с числом сторон не менее трех.A fiber-optic sensor with an integrated temperature sensor for measuring an electric current transducer, comprising a magnetically sensitive optical fiber with an integrated spiral structure of the linear birefringence axes and a radiation reflector at the end, as well as a heat-sensitive optical fiber with a radiation reflector at the end, connected to a polarizing and further with a bending polarizing fiber polarizing fiber optic temperature sensor, which in naturally with a magnetically sensitive optical fiber, they cover the conductor with the measured current, and the turns of the magnetically sensitive optical fiber and the thermosensitive optical fiber of the polarizing fiber-optic temperature sensor are freely laid inside the quartz shell, characterized in that the bending polarizing fiber and the fiber preserving the polarization of the polarizing optical fiber temperature sensor stacked in radius elements belonging to a convex polygon with rounded corners and with numbers scrap of at least three sides.

Description

Полезная модель относится к волоконно-оптическим интерферометрическим датчикам с температурной компенсацией, предназначенным для точного 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 temperature-compensated fiber-optic interferometric sensors designed for accurate measurement of 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 волоконно-оптический чувствительный элемент, имеющий на концах отражатель излучения и поляризационный конвертор (четвертьволновую пластинку), и состоящий из целого числа витков магниточувствительного оптического волокна со встроенной спиральной структурой осей линейного двулучепреломления, намотанных вокруг проводника с электрическим током. 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. Если магниточувствительное оптическое волокно с постоянной по длине чувствительностью к магнитному полю намотано вокруг проводника с электрическим током в виде контура с целым числом витков N, тогда фазовый сдвиг между световыми волнами на выходе 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 fiber optic sensitive element having a radiation reflector and a polarization converter (quarter-wave plate) at the ends, and consisting of an integer number of turns of a magnetically sensitive optical fiber with a built-in the spiral structure of the linear birefringence axes wound around an electric current conductor. 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. If a magnetically sensitive optical fiber with a constant sensitivity to magnetic field is wound around a conductor with an electric current in the form of a circuit with an integer number of turns N, then the phase shift between the light waves at the circuit output 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

Figure 00000002
Figure 00000002

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 оптического волокна замкнутого контура произвольной формы. Замкнутость контура обеспечивают совмещением отражателя излучения и четвертьволновой пластинки, которые ограничивают длину магниточувствительного волокна. Детектирование и цифровая обработка сигнала позволяют измерять электрические токи (магнитные поля) с погрешностью измерения 0,2% и меньше.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 closed-loop optical fiber of arbitrary shape. The loop is closed by combining a radiation reflector and a quarter-wave plate, which limit the length of the magnetically sensitive fiber. Detection and digital signal processing allow you to measure electric currents (magnetic fields) with a measurement error of 0.2% or less.

Волоконно-оптический чувствительный элемент из магниточувствительного оптического волокна размещают в корпусе сенсорной головки, которая защищает его от внешних воздействий. В центральном отверстии корпуса сенсорной головки размещают проводник с измеряемым током. При измерении электрического тока высокого напряжения сенсорную головку располагают, как правило, на высоковольтных изоляторах. Внутри изолятора размещают диэлектрический волоконно-оптический кабель, связывающий волоконно-оптический чувствительный элемент с блоком обработки сигнала. Расстояние между волоконно-оптическим чувствительным элементом и блоком обработки сигнала может достигать 1000 м.A fiber optic sensor element of a magnetically sensitive optical fiber is placed in the body of the sensor head, which protects it from external influences. A conductor with a measured current is placed in the central hole of the sensor head housing. When measuring high-voltage electric current, the sensor head is usually located on high-voltage insulators. A dielectric fiber-optic cable is placed inside the insulator, connecting the fiber-optic sensitive element with the signal processing unit. The distance between the fiber optic sensor and the signal processing unit can reach 1000 m.

Сенсорная головка, предназначенная для точного измерения рабочих токов, должна иметь температурную компенсацию зависимости постоянной Верде V магниточувствительного оптического волокна от температуры [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]. Температурная зависимость постоянной Верде дает погрешность в (1,0-1,5)% при измерении электрического тока в диапазоне рабочих температур от минус 60°С до 60°С и требует внесения в конструкцию сенсорной головки элемента измерения температуры магниточувствительного оптического волокна с целью температурной коррекции измерений электрического тока.A sensor head designed for accurate measurement of operating currents should have temperature compensation for the temperature dependence of the Verdet constant V of the magnetically sensitive optical fiber [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]. The temperature dependence of the Verdet constant gives an error of (1.0-1.5)% when measuring electric current in the range of operating temperatures from minus 60 ° С to 60 ° С and requires the introduction of a temperature measuring element of a magnetically sensitive optical fiber in order to correction of measurements of electric current.

В корпусе сенсорной головки кроме основного измерительного, могут располагаться и дополнительные волоконно-оптические чувствительные элементы для измерения тока.In the housing of the sensor head, in addition to the main measuring head, additional fiber-optic sensitive elements for measuring current can also be located.

Для уменьшения влияния температуры на измеряемый электрический ток используют, например, [Волоконно-оптический чувствительных элемент измерительного преобразователя тока. Патент РФ RU №100630]. Чувствительный элемент выполнен в виде охватывающих проводник с измеряемым током витков оптического волокна с отражающим зеркалом на конце, которые размещены в трубке из изоляционного материала, оснащенной устройством для прокачки диэлектрического теплоносителя и устройством измерения его температуры. Указанное техническое решение способно решать задачу выравнивания температурного поля и контроля температуры волоконно-оптического чувствительного элемента значительной длины. Недостатком данного технического решения является сложность и высокие затраты подвода теплоносителя для измерительных контуров, устанавливаемых на высоковольтных изоляторах.To reduce the effect of temperature on the measured electric current, for example, use [Fiber-optic sensitive element of the measuring current transducer. RF patent RU No. 100630]. 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 tube of insulating material equipped with a device for pumping the dielectric coolant and a device for measuring its temperature. The specified technical solution is able to solve the problem of leveling the temperature field and controlling the temperature of the fiber-optic sensitive element of considerable length. The disadvantage of this technical solution is the complexity and high costs of supplying a coolant for measuring circuits installed on high-voltage insulators.

Известно устройство [Волоконно-оптический чувствительный элемент измерительного преобразователя тока стационарного исполнения. Патент РФ RU 108633]. Волоконно-оптический 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, покрыты теплоизолятором и оснащены электрически безопасным устройством измерения температуры волокна. В качестве устройства измерения температуры используется оптоволоконный пирометр. Вариант устройства предусматривает расположение дополнительных устройств измерения температуры в разных точках по длине чувствительного элемента.A device is known [Fiber optic sensing element of a stationary current measuring transducer. RF patent RU 108633]. The fiber-optic sensing element is made in the form of turns of an optical fiber spanning a conductor with a measured current with a reflective mirror at the end, which are placed in a dielectric with high thermal conductivity, are coated with a heat insulator, and are equipped with an electrically safe device for measuring the temperature of the fiber. An optical fiber pyrometer is used as a temperature measuring device. A variant of the device provides for the location of additional temperature measuring devices at different points along the length of the sensing element.

Указанное техническое решение способно частично выравнивать температурное поле магниточувствительного оптического волокна и контролировать температуру в одной или нескольких точках. Это является особенно актуальным для волоконно-оптических чувствительных элементов больших размеров. Недостатком технического решения является сложность его использования в малогабаритных сенсорных головках, устанавливаемых на изоляторах высоковольтных токопроводов. Размещение термоголовок пирометров в сенсорной головке приводит к увеличению габаритов последней и усложнению узла герметизации дополнительного оптического кабеля пирометра в высоковольтном изоляторе. Кроме того, используемый оптоволоконный пирометр имеет ограничение по длине оптического кабеля связи с ЭОБ, имеет малый диапазон в области отрицательных температур и обладает высокой ценой.The specified technical solution is able to partially align the temperature field of the magnetically sensitive optical fiber and control the temperature at one or more points. This is especially true for large fiber optic sensors. The disadvantage of the technical solution is the difficulty of its use in small-sized sensor heads mounted on insulators of high-voltage conductors. Placing the thermometer heads of the pyrometers in the sensor head leads to an increase in the dimensions of the latter and to the complication of the sealing unit for the additional optical cable of the pyrometer in the high-voltage insulator. In addition, the used fiber-optic pyrometer has a limitation in the length of the optical cable for communication with the EOB, has a small range in the region of negative temperatures and has a high price.

Наиболее близким техническим решением является устройство [Сенсорная головка волоконно-оптического датчика электрического тока. Патент РФ RU 130718 U1]. Устройство содержит герметичный корпус, кварцевую оболочку, закрепленную в пазе корпуса, чувствительные элементы, выполненные из магниточувствительного оптического волокна со встроенной спиральной структурой осей линейного двулучепреломления и волокна волоконно-оптического датчика температуры, витки которых свободно уложены внутри кварцевой оболочки и охватывают проводник с измеряемым током, каждый чувствительный элемент датчика тока 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. Внутри кварцевой оболочки уложены также волокна волоконно-оптического датчика температуры и выходной конец волокна, сохраняющего линейно поляризованное излучение и являющегося частью оптического тракта измерительного канала датчика температуры.The closest technical solution is the device [Touch head fiber-optic sensor of electric current. RF patent RU 130718 U1]. The device contains a sealed case, a quartz shell fixed in the groove of the case, sensitive elements made of a magnetically sensitive optical fiber with an integrated helical structure of the axes of linear birefringence and fiber of a fiber-optic temperature sensor, the turns of which are freely laid inside the quartz shell and cover the conductor with the measured current, each sensitive element of the current sensor contains a radiation reflector at one end and a quarter-wave plate at the other end coupled to an optical fiber, polarization-preserving, the radiation reflector and the quarter-wave plate are aligned with each other. The fibers of the fiber-optic temperature sensor and the output end of the fiber, which stores linearly polarized radiation and is part of the optical path of the measuring channel of the temperature sensor, are also placed inside the quartz shell.

Достоинством технического решения является расположение магниточувствительного и термочувствительного оптических волокон датчика тока и датчика температуры внутри кварцевой оболочки, что обеспечивает абсолютное равенство их температур. Такое размещение предполагает, что для возбуждения рабочих световых волн в волоконном термочувствительном волокне датчика температуры к нему подводится линейно поляризованное излучение, сформированное в электронно-оптическом блоке или при помощи изгибного поляризующего волокна, размещенного внутри корпуса сенсорной головки. Недостатком технического решения является необходимость использования, в качестве транслирующего излучения, линейно поляризованного излучения, а также использование дорогостоящего оптического волокна сохраняющего поляризацию (типа Panda) значительной длины, определяемой расстоянием от места установки электронно-оптического блока преобразователя тока (ЭОБ) до места установки сенсорной головки. Размещение же изгибного поляризующего волокна, требующего рабочего диаметра его изгиба около 100 мм внутри корпуса сенсорной головки, значительно увеличивает габариты последней.The advantage of the technical solution is the location of the magnetically and thermosensitive optical fibers of the current sensor and the temperature sensor inside the quartz shell, which ensures absolute equality of their temperatures. This arrangement suggests that in order to excite the working light waves in the temperature-sensitive fiber of the temperature sensor, linearly polarized radiation is generated to it, generated in the electron-optical block or with the help of a bending polarizing fiber located inside the body of the sensor head. The disadvantage of the technical solution is the need to use, as the transmitting radiation, linearly polarized radiation, as well as the use of expensive optical fiber preserving polarization (Panda type) of considerable length, determined by the distance from the installation site of the electron-optical current transducer block (EOB) to the installation location of the sensor head . The placement of a bending polarizing fiber, requiring a working diameter of its bend of about 100 mm inside the body of the sensor head, significantly increases the dimensions of the latter.

Техническим результатом заявленной полезной модели является уменьшение габаритов сенсорной головки с расположенным внутри волокном, сохраняющим поляризацию и изгибным поляризующим волокном волоконно-оптического датчика температуры.The technical result of the claimed utility model is to reduce the size of the sensor head with a fiber located inside, which preserves the polarization and flexural polarizing fiber of the fiber-optic temperature sensor.

В предлагаемом техническом решении использован цельноволоконный поляризационный датчик температуры, дискретный аналог которого представлен в патенте [Оптический поляризационный датчик температуры. Патент СССР SU №1547495]. Датчик температуры состоит из волоконного источника широкополосного излучения, одномодового ответвителя 2×2, волоконной соединительной линии на основе одномодового связного оптического волокна, формирователя линейно поляризованного света на основе изгибного поляризующего волокна (изгибного поляризатора), оптического тракта длиной (8-10) м на основе оптического волокна, сохраняющего поляризацию (типа Panda), и термочувствительного оптического волокна с отражателем излучения (зеркалом) на конце. В качестве термочувствительного оптического волокна используется волокно сохраняющее поляризацию (типа Panda) длиной, определяемой диапазоном измеряемых температур и длиной поляризационных биений. Термочувствительное оптическое волокно подваривается с 45-градусной ориентацией своих осей двулучепреломления к осям двулучепреломления волокна оптического тракта, сохраняющего поляризацию излучения. В результате подводимое линейно поляризованное излучение возбуждает в термочувствительном оптическом волокне две ортогональные линейно поляризованные волны. Информационным сигналом о температуре является разность фаз между поляризованными световыми волнами, определяемая температурной зависимостью двулучепреломления термочувствительного оптического волокна. После отражения от отражателя излучения и интерференции, световые волны попадают на приемную площадку фотоприемника. Амплитуда сигнала фотоприемника определяется сдвигом фазы между линейно поляризованными волнами, индуцируемым в термочувствительном оптическом волокне. Для устранения погрешности из-за дрейфа мощности источника излучения в оптическую схему введен опорный канал. Фотоприемник преобразует оптический сигнал в электрический. Далее электрический сигнал обрабатывается электронной схемой, которая рассчитывает величину температуры. Особенностью работы предлагаемого датчика температуры является использование дешевого связного одномодового волокна в качестве оптической линии передачи излучения от электронно-оптического блока к сенсорной головке. Однако это требует размещения формирователя линейно поляризованного излучения (изгибного поляризующего волокна) непосредственно в сенсорной головке преобразователя электрического тока. Сохранение нормальной работоспособности изгибного поляризующего волокна и, соответственно, необходимой погрешности температурного датчика в диапазоне рабочих температур более 100°С возможно при диаметре изгиба поляризующего волокна около 100 мм. При этом изгиб с таким радиусом для волокна, сохраняющего поляризацию, не критичен. В то же время диаметральный размер волоконно-оптического чувствительного элемента измерительного преобразователя электрического тока зависит от размеров поперечного сечения проводника. Так, согласно табл. 1.3.31 [Правила устройства электроустановок ПУЭ, 7-е изд. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, М, 2004] для допустимого длительного тока 1900 А требуется алюминиевая прямоугольная шина сечением (120×8) мм. С учетом зазоров и стенок корпуса сенсорной головки диаметральный размер витков магниточувствительного оптического волокна составит не менее 200 мм.The proposed technical solution used a solid fiber polarizing temperature sensor, a discrete analogue of which is presented in the patent [Optical polarizing temperature sensor. USSR patent SU No. 1547495]. The temperature sensor consists of a fiber broadband radiation source, a 2 × 2 single-mode coupler, a fiber connecting line based on a single-mode coupled optical fiber, a linearly polarized light shaper based on a bending polarizing fiber (bending polarizer), an optical path (8-10) m long based on polarization-preserving optical fiber (Panda type), and a heat-sensitive optical fiber with a radiation reflector (mirror) at the end. As a heat-sensitive optical fiber, a fiber that maintains polarization (Panda type) is used with a length determined by the range of measured temperatures and the length of the polarization beats. The thermosensitive optical fiber is welded with a 45-degree orientation of its birefringence axes to the birefringence axes of the fiber of the optical path, which preserves the radiation polarization. As a result, the supplied linearly polarized radiation excites two orthogonal linearly polarized waves in the heat-sensitive optical fiber. An information signal about the temperature is the phase difference between polarized light waves, determined by the temperature dependence of the birefringence of a thermosensitive optical fiber. After reflection from the reflector of the radiation and interference, the light waves enter the receiving area of the photodetector. The amplitude of the photodetector signal is determined by the phase shift between linearly polarized waves induced in a thermosensitive optical fiber. To eliminate the error due to the power drift of the radiation source, a reference channel is introduced into the optical circuit. A photodetector converts an optical signal into an electrical one. Next, the electrical signal is processed by an electronic circuit that calculates the temperature. A feature of the proposed temperature sensor is the use of a cheap connected single-mode fiber as an optical line for transmitting radiation from an electron-optical block to a sensor head. However, this requires the placement of a linearly polarized radiation former (flexural polarizing fiber) directly in the sensor head of the electric current transducer. Maintaining normal operability of the bending polarizing fiber and, accordingly, the necessary error of the temperature sensor in the operating temperature range of more than 100 ° C is possible with a bending diameter of the polarizing fiber of about 100 mm. Moreover, bending with such a radius is not critical for a fiber preserving polarization. At the same time, the diametrical size of the fiber optic sensing element of the measuring transducer of electric current depends on the size of the cross section of the conductor. So, according to the table. 1.3.31 [Rules for the installation of electrical installations PUE, 7th ed. - M .: Publishing House NTs ENAS, M, 2004] for an admissible continuous current of 1900 A, an aluminum rectangular bus with a section of (120 × 8) mm is required. Taking into account the gaps and walls of the sensor head housing, the diameter of the turns of the magnetically sensitive optical fiber will be at least 200 mm.

Стоит задача конструктивно разместить магниточувствительное оптическое волокно, а также термочувствительное оптическое волокно, изгибное поляризующее волокно и волокно сохраняющее поляризацию датчика температуры, имеющие вышеуказанные диаметральные размеры, в малом габарите сенсорной головки.The task is to constructively construct a magnetically sensitive optical fiber, as well as a thermosensitive optical fiber, a bending polarizing fiber and a fiber that preserves the polarization of the temperature sensor, having the above diametrical dimensions, in the small size of the sensor head.

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

- Волоконно-оптический чувствительный элемент со встроенным датчиком температуры для измерительного преобразователя электрического тока, содержащий магниточувствительное оптическое волокно со встроенной спиральной структурой осей линейного двулучепреломления и отражателем излучения на конце. Признак обеспечивает возможность измерения электрического тока или магнитного поля на основе эффекта Фарадея.- A fiber optic sensor with an integrated temperature sensor for measuring an electric current transducer, comprising a magnetically sensitive optical fiber with a built-in helical structure of linear birefringence axes and a radiation reflector at the end. The sign provides the ability to measure electric current or magnetic field based on the Faraday effect.

- Содержит термочувствительное оптическое волокно с отражателем излучения на конце, соединенное с волокном сохраняющим поляризацию и далее с изгибным поляризующим волокном поляризационного волоконно-оптического датчика температуры. Обеспечивает возможность измерения температуры поляризационным волоконно-оптическим датчиком.- Contains a thermosensitive optical fiber with a radiation reflector at the end, connected to a polarizing fiber and then to a bending polarizing fiber of a polarizing optical fiber temperature sensor. Provides the ability to measure temperature with a polarizing fiber optic sensor.

- Которые (термочувствительное оптическое волокно с отражателем излучения на конце, соединенное с волокном сохраняющим поляризацию и далее с изгибным поляризующим волокном поляризационного волоконно-оптического датчика температуры) вместе с магниточувствительным оптическим волокном охватывают проводник с измеряемым током. Такое расположение указанных оптических волокон обеспечивает уменьшение габаритов сенсорной головки в диаметральном направлении. При расположении витков изгибного поляризующего волокна и волокна сохраняющего поляризацию поляризационного волоконно-оптического датчика температуры над или под витками магниточувствительного оптического волокна (фиг. 1, фиг. 2) отпадает необходимость размещать витки поляризующего волокна значительного диаметра (100 мм) в плоскости сенсорной головки, что вызвало бы увеличение размеров последней.- Which (a thermosensitive optical fiber with a radiation reflector at the end, connected to a polarizing fiber and then to a bending polarizing fiber of a polarizing optical fiber temperature sensor) together with a magnetically sensitive optical fiber enclose a conductor with a measured current. This arrangement of these optical fibers provides a reduction in the size of the sensor head in the diametrical direction. When the coils of the bending polarizing fiber and the fiber of the polarization-preserving polarizing fiber-optic temperature sensor are located above or below the coils of the magnetically sensitive optical fiber (Fig. 1, Fig. 2), there is no need to place coils of the polarizing fiber of significant diameter (100 mm) in the plane of the sensor head, which would cause an increase in the size of the latter.

- Витки магниточувствительного оптического волокна и термочувствительное оптическое волокно поляризационного волоконно-оптического датчика температуры свободно уложены внутри кварцевой оболочки. Близкое размещение указанных элементов обеспечивает измерение фактической температуры магниточувствительного волокна измерительного преобразователя электрического тока в реальном масштабе времени, что необходимо для коррекции влияния температуры на точность измерения электрического тока. Свободная укладка элементов снижает механическое и температурное воздействие внешней среды на оптические волокна и оптических волокон друг на друга за счет жесткости кварцевой оболочки и близкого коэффициента линейного расширения кварцевой оболочки и оптических волокон.- The coils of a magnetosensitive optical fiber and a thermosensitive optical fiber of a polarizing optical fiber temperature sensor are freely laid inside a quartz shell. The close placement of these elements provides the measurement of the actual temperature of the magnetically sensitive fiber of the measuring transducer of electric current in real time, which is necessary to correct the effect of temperature on the accuracy of measuring electric current. The free laying of elements reduces the mechanical and temperature effects of the external environment on the optical fibers and optical fibers on each other due to the rigidity of the quartz shell and the close coefficient of linear expansion of the quartz shell and optical fibers.

Изгибное поляризующее волокно и волокно сохраняющее поляризацию поляризационного волоконно-оптического датчика температуры уложены в радиусные элементы, принадлежащие выпуклому многоугольнику со скругленными углами и с числом сторон не менее трех. Размещение указанных оптических волокон в радиусных элементах, образующих скругления углов выпуклого многоугольника, обеспечивает изгиб изгибного поляризующего оптического волокна с требуемым радиусом r при одновременном размещении его вокруг проводника с измеряемым током большого сечения на диаметре большем, чем радиус изгиба волокна r. При этом диаметральные габаритные размеры кварцевой оболочки и расположения радиусных элементов незначительно отличаются друг от друга (фиг. 1, фиг. 2). Обеспечивает создание линейно поляризованного излучения, сформированного на основе изгибного поляризующего волокна, размещенного в радиусных элементах. Волокно сохраняющее поляризацию при изгибе с радиусом r сохраняет свои свойства, поэтому, для экономии места также уложено в радиусные элементы. Выпуклый многоугольник преимущественно выполняют правильным. Однако он может быть и неправильным, особенно при прямоугольном поперечном сечении токопровода (см. фиг. 3). Минимальное число сторон многоугольника три, максимальное число сторон не ограничено и определяется конструкцией сенсорной головки, оно зависит от ширины зоны 4 (фиг. 1, 2) и соотношений размеров радиусных элементов и кварцевой оболочки. Радиусные элементы, определяющие требуемый изгиб изгибного поляризующего оптического волокна, могут быть конструктивно выполнены как стенка, паз, трубка, направляющая и т.д., и конструктивно объединены.A bending polarizing fiber and a fiber retaining the polarization of the polarizing fiber-optic temperature sensor are stacked in radius elements belonging to a convex polygon with rounded corners and with at least three sides. The placement of these optical fibers in the radius elements forming rounding corners of a convex polygon provides bending of a bending polarizing optical fiber with a required radius r while placing it around a conductor with a measured current of large cross section at a diameter larger than the bending radius of the fiber r. In this case, the diametrical overall dimensions of the quartz shell and the arrangement of the radius elements slightly differ from each other (Fig. 1, Fig. 2). It provides the creation of linearly polarized radiation formed on the basis of a bending polarizing fiber placed in radius elements. A fiber that preserves polarization during bending with a radius r retains its properties, therefore, to save space, it is also laid in radius elements. A convex polygon is predominantly regular. However, it may be incorrect, especially with a rectangular cross-section of the current lead (see Fig. 3). The minimum number of sides of the polygon is three, the maximum number of sides is not limited and is determined by the design of the sensor head, it depends on the width of zone 4 (Fig. 1, 2) and the ratio of the sizes of the radius elements and the quartz shell. Radius elements that determine the required bending of a bending polarizing optical fiber can be structurally made as a wall, groove, tube, guide, etc., and are structurally combined.

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

- Изгибное поляризующее волокно и волокно сохраняющее поляризацию поляризационного волоконно-оптического датчика температуры уложены в радиусные элементы, принадлежащие выпуклому многоугольнику со скругленными углами и с числом сторон не менее трех.- Flexural polarizing fiber and fiber that maintains the polarization of the polarizing fiber optic temperature sensor are stacked in radius elements belonging to a convex polygon with rounded corners and with at least three sides.

Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема размещения кварцевой оболочки и радиусных элементов, принадлежащих правильному многоугольнику с тремя сторонами и круглой шиной токопровода (проводника с измеряемым током). На фиг. 2 изображена схема размещения кварцевой оболочки и радиусных элементов, принадлежащих неправильному многоугольнику с четырьмя сторонами и плоской шиной токопровода. На фиг. 3 изображен вариант выполнения четырех радиусных элементов в виде пазов, объединенных в направляющую. На фиг. 4 изображен разрез А-А направляющей, изображенной на фиг. 3. На фиг. 1-4 оптические волокна условно не показаны. Цифрами на фиг. 1-4 обозначены: 1 - радиусный элемент, 2 - многоугольник, 3 - направляющая, 4 - зона (между пунктирными линиями) размещения кварцевой оболочки, радиусных элементов, термочувствительного оптического волокна, изгибного поляризующего волокна и волокна сохраняющего поляризацию поляризационного волоконно-оптического датчика температуры, 5 - токопровод (проводник с измеряемым током), 6 - кварцевая оболочка. Буквами обозначены: а - сторона многоугольника, r - радиус радиусного элемента (радиус скругления углов многоугольника).The essence of the utility model is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a layout of a quartz shell and radius elements belonging to a regular polygon with three sides and a round busbar of a current lead (a conductor with a measured current). In FIG. 2 shows a layout of a quartz shell and radius elements belonging to an irregular polygon with four sides and a flat busbar. In FIG. 3 shows an embodiment of four radius elements in the form of grooves combined in a guide. In FIG. 4 shows a section AA of the guide shown in FIG. 3. In FIG. 1-4 optical fibers are conventionally not shown. The numbers in FIG. 1-4 are indicated: 1 - a radius element, 2 - a polygon, 3 - a guide, 4 - a zone (between the dashed lines) for the placement of a quartz shell, radius elements, a thermosensitive optical fiber, a bending polarizing fiber, and a fiber that preserves the polarization of a polarized optical fiber temperature sensor 5 - current lead (conductor with measured current), 6 - quartz shell. The letters denote: a - side of the polygon, r - radius of the radius element (radius of rounding of the corners of the polygon).

В герметичном корпусе сенсорной головки выполнено центральное отверстие, где размещают токопровод 5. В корпусе, в зоне 4 размещают кварцевую оболочку, термочувствительное оптическое волокно, радиусные элементы, изгибное поляризующее волокно и волокно сохраняющее поляризацию поляризационного волоконно-оптического датчика температуры. Внутри кварцевой оболочки 6 свободно уложены витки магниточувствительного оптического волокна с отражателем излучения и четвертьволновой пластинкой λ/4, а также термочувствительное оптическое волокно волоконно-оптического датчика температуры с отражателем излучения на конце. Изгибное поляризующее оптическое волокно и волокно сохраняющее поляризацию волоконно-оптического датчика температуры укладывают в радиусные элементы 1, которые обеспечивают требуемый радиус изгиба r поляризующего волокна. Между радиусными элементами 1 поляризующие оптические волокна лежат свободно (вдоль сторон а многоугольника). Оптические волокна, соединяющие сенсорную головку и ЭОБ, размещают в диэлектрическом оптическом кабеле, который крепят на входе в сенсорную головку для предотвращения его перемещения вдоль и вокруг своей оси. Герметичность места входа оптического кабеля в сенсорную головку обеспечивают конструкцией сопрягаемых деталей.In the sealed housing of the sensor head, a central hole is made where the current lead 5 is placed. In the case, in zone 4, a quartz shell, a heat-sensitive optical fiber, radius elements, a bending polarizing fiber and a fiber that preserves the polarization of the polarized fiber-optic temperature sensor are placed. Inside the quartz shell 6, loops of a magnetically sensitive optical fiber with a radiation reflector and a quarter-wavelength λ / 4 plate, as well as a heat-sensitive optical fiber of a fiber-optic temperature sensor with a radiation reflector at the end, are freely laid. A bending polarizing optical fiber and a fiber that maintains the polarization of the fiber-optic temperature sensor are stacked in radius elements 1, which provide the required bending radius r of the polarizing fiber. Between the radius elements 1, the polarizing optical fibers lie freely (along the sides a of the polygon). The optical fibers connecting the sensor head and the ELF are placed in a dielectric optical cable, which is mounted at the entrance to the sensor head to prevent it from moving along and around its axis. The tightness of the entry point of the optical cable into the sensor head is ensured by the design of the mating parts.

Примером выполнения полезной модели является волоконно-оптический чувствительный элемент со встроенным датчиком температуры для измерительного преобразователя электрического тока, содержащий три контура магниточувствительного оптического SPUN-волокна с различным количеством витков и поляризационный волоконно-оптический датчик температуры с волокном сохраняющим поляризацию и изгибным поляризующим волокном, размещенными в сенсорной головке. Отражатели излучения получены скалыванием оптических волокон и напылением металла. Четвертьволновые пластинки выполнены из оптического волокна сохраняющего поляризацию излучения. Использовался широкополосный источник оптического излучения с рабочей длиной волны λ=1550 нм. Магниточувствительные оптические волокна и термочувствительное оптическое волокно поляризационного волоконно-оптического датчика температуры помещены в кварцевую оболочку со средним диаметром D=206 мм. Габариты кварцевой оболочки не превышали 212 мм и ограничивались габаритными размерами поперечного сечения проводников. Радиусные элементы объединены в направляющую, выполненную в виде кольца из немагнитного, диэлектрического материала с габаритными размерами D=220 мм/d=190 мм, толщиной 7 мм, с 5-ю радиусными элементами, выполненными в виде пазов, имеющими радиусы r=57 мм и с 5-ю открытыми пазами для свободного размещения волокон. Проводились измерения электрического тока в диапазоне до 5000 А. В процессе измерения сенсорная головка помещалась в термокамеру где изменялась и контролировалась температура магниточувствительных оптических волокон в диапазоне от минус 60°С до 60°С. Данные о фактической температуре магниточувствительных оптических волокон использовались для корректировки показаний измеренного электрического тока. Выполненные измерения переменного электрического тока показали относительную погрешность ±0,1%.An example of the utility model is a fiber-optic sensor with a built-in temperature sensor for measuring an electric current transducer, containing three circuits of a magnetically sensitive optical SPUN fiber with a different number of turns and a polarizing fiber-optic temperature sensor with a polarizing and bending polarizing fiber placed in touch head. Radiation reflectors are obtained by cleaving optical fibers and spraying a metal. The quarter-wave plates are made of optical fiber preserving the polarization of radiation. We used a broadband optical radiation source with a working wavelength of λ = 1550 nm. Magnetosensitive optical fibers and a thermosensitive optical fiber of a polarizing fiber-optic temperature sensor are placed in a quartz shell with an average diameter of D = 206 mm. The dimensions of the quartz shell did not exceed 212 mm and were limited by the overall dimensions of the cross section of the conductors. Radius elements are combined into a guide made in the form of a ring of non-magnetic, dielectric material with overall dimensions D = 220 mm / d = 190 mm, thickness 7 mm, with 5 radius elements made in the form of grooves having radii r = 57 mm and with 5 open slots for free placement of fibers. 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 magnetically sensitive optical fibers was varied and controlled in the range from minus 60 ° С to 60 ° С. Data on the actual temperature of magnetically sensitive optical fibers were used to correct the readings of the measured electric current. The measurements of alternating electric current showed a relative error of ± 0.1%.

Claims (1)

Волоконно-оптический чувствительный элемент со встроенным датчиком температуры для измерительного преобразователя электрического тока, содержащий магниточувствительное оптическое волокно со встроенной спиральной структурой осей линейного двулучепреломления и отражателем излучения на конце, а также термочувствительное оптическое волокно с отражателем излучения на конце, соединенное с волокном, сохраняющим поляризацию и далее с изгибным поляризующим волокном поляризационного волоконно-оптического датчика температуры, которые вместе с магниточувствительным оптическим волокном, охватывают проводник с измеряемым током, а витки магниточувствительного оптического волокна и термочувствительное оптическое волокно поляризационного волоконно-оптического датчика температуры свободно уложены внутри кварцевой оболочки, отличающийся тем, что изгибное поляризующее волокно и волокно сохраняющее поляризацию поляризационного волоконно-оптического датчика температуры уложены в радиусные элементы, принадлежащие выпуклому многоугольнику со скругленными углами и с числом сторон не менее трех.
Figure 00000001
A fiber-optic sensor with an integrated temperature sensor for measuring an electric current transducer, comprising a magnetically sensitive optical fiber with an integrated spiral structure of the linear birefringence axes and a radiation reflector at the end, as well as a heat-sensitive optical fiber with a radiation reflector at the end, connected to a polarizing and further with a bending polarizing fiber polarizing fiber optic temperature sensor, which in naturally with a magnetically sensitive optical fiber, they cover the conductor with the measured current, and the turns of the magnetically sensitive optical fiber and the thermosensitive optical fiber of the polarizing fiber-optic temperature sensor are freely laid inside the quartz shell, characterized in that the bending polarizing fiber and the fiber preserving the polarization of the polarizing optical fiber temperature sensor stacked in radius elements belonging to a convex polygon with rounded corners and with numbers scrap of at least three sides.
Figure 00000001
RU2015115330/28U 2015-04-24 2015-04-24 FIBER-OPTICAL SENSITIVE ELEMENT WITH INTEGRATED TEMPERATURE SENSOR FOR ELECTRIC CURRENT TRANSMITTER RU162955U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015115330/28U RU162955U1 (en) 2015-04-24 2015-04-24 FIBER-OPTICAL SENSITIVE ELEMENT WITH INTEGRATED TEMPERATURE SENSOR FOR ELECTRIC CURRENT TRANSMITTER

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015115330/28U RU162955U1 (en) 2015-04-24 2015-04-24 FIBER-OPTICAL SENSITIVE ELEMENT WITH INTEGRATED TEMPERATURE SENSOR FOR ELECTRIC CURRENT TRANSMITTER

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU162955U1 true RU162955U1 (en) 2016-07-10

Family

ID=56370164

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015115330/28U RU162955U1 (en) 2015-04-24 2015-04-24 FIBER-OPTICAL SENSITIVE ELEMENT WITH INTEGRATED TEMPERATURE SENSOR FOR ELECTRIC CURRENT TRANSMITTER

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU162955U1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019160437A1 (en) * 2018-02-16 2019-08-22 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Производственный центр "Профотек" Combined current and voltage transformer

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019160437A1 (en) * 2018-02-16 2019-08-22 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Производственный центр "Профотек" Combined current and voltage transformer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8624579B2 (en) Fiber optic current sensor
Bohnert et al. Optical fiber sensors for the electric power industry
US7450792B2 (en) Fiber-optic sensor coil and current or magnetic-field sensor
CN108761168B (en) Non-contact voltage sensor
RU2481682C2 (en) Substation of ac to dc transformation or dc to high-voltage ac transformation with fibre-optic current sensor
RU2547753C2 (en) Fibre-optic sensor of current or magnetic field with temperature compensation, insensitive to variation of sensor parameters
KR101972935B1 (en) Optoelectric measuring device and method for measuring an electrical current
EP2223129A1 (en) Gas-insulated switchgear device with optical current sensor
CN102033147A (en) Method for manufacturing a fiber optic current sensor with inherent temperature compensation of the faraday effect
RU162955U1 (en) FIBER-OPTICAL SENSITIVE ELEMENT WITH INTEGRATED TEMPERATURE SENSOR FOR ELECTRIC CURRENT TRANSMITTER
ES2146571T3 (en) ALTERNATE OR CONTINUOUS CURRENT MEASUREMENT DEVICE.
Wang et al. Design of the portable fiber-optic current transformer for electrolytic aluminum industry
RU130718U1 (en) SENSOR HEAD OF FIBER OPTICAL ELECTRIC SENSOR
Willsch Fiber optical sensors in power generation
Bosselmann Electric and magnetic field sensing for high-voltage applications
RU108633U1 (en) FIBER OPTICAL SENSITIVE ELEMENT OF STATIONARY PERFORMANCE CURRENT TRANSMITTER
CN113030547A (en) Vernier effect based orthogonal arm type MZ interferometer optical fiber current sensor
Wang et al. Influence of conductor eccentricity on Faraday phase shift errors of portable fiber-optic current transformer
RU96986U1 (en) FIBER OPTICAL SENSOR
EP3118634B1 (en) Optical current transducer alignment
RU155519U1 (en) UNIVERSAL DEVICE FOR CALIBRATION OF ELECTRONIC OPTICAL CURRENT TRANSFORMERS
Müller et al. Temperature compensation of fiber-optic current sensors in different regimes of operation
JPS60203863A (en) Gas-insulated three-phase current transformer
EP3602092B1 (en) A voltage measuring system with an optical fibre cable
RU100630U1 (en) FIBER OPTICAL SENSITIVE CURRENT TRANSMITTER

Legal Events

Date Code Title Description
QB9K Licence granted or registered (utility model)

Free format text: PLEDGE FORMERLY AGREED ON 20200723

Effective date: 20200723

MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20210425

NF9K Utility model reinstated

Effective date: 20220126