RU2035048C1

RU2035048C1 - Optoelectronic meter of permanent magnetic fields and direct currents

Info

Publication number: RU2035048C1
Application number: RU93025946A
Authority: RU
Inventors: Владимир Алексеевич Варнавский; Сергей Викторович Лебедев; Николай Александрович Толокнов
Original assignee: Владимир Алексеевич Варнавский; Сергей Викторович Лебедев; Николай Александрович Толокнов
Priority date: 1993-04-30
Filing date: 1993-04-30
Publication date: 1995-05-10

Abstract

FIELD: instruments. SUBSTANCE: device uses Faraday's effect in light-sensitive magnetic film 4 having surface anisotropy. Degree of magnetization of this magnetic film depends on external magnetic fields. Film 4 is positioned on optical contact surface of hypotenuse of prism 3. Polarized light from light-emitting diode 1 is modulated in the film according to its degree of magnetization. Beams with orthogonal polarization are separated by analyzer 5 and are detected by photo diodes 6 an d7 which are connected to differential amplifier 8. This signal is filtered at low-pass filter 9 and is received by comparison unit 10 where it is compared to zero. Signal from output of comparison unit 10 serves as control signal of current amplifier 11 which supplies coil 13. Coil 13 serves for compensation of external magnetic fields. Measured value is judged by level of current running through coil. Effect of coercion in film 4 is eliminated by introduced second coil 12 which is connected to high-frequency signal oscillator 14. EFFECT: measuring magnetic fields and currents of power supply units. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения магнитных полей постоянных и электромагнитов, а также для бесконтактного измерения постоянных токов в системах питания электроустановок. The invention relates to measuring equipment and can be used to measure the magnetic fields of constants and electromagnets, as well as for non-contact measurement of direct currents in power systems of electrical installations.

Известно устройство для измерения постоянных магнитных полей и токов, основанное на использовании эффекта Холла в полупроводниках [1]
Однако значительная температурная зависимость в устройствах прямого измерения без обратной связи и значительные шумы приводят к большим погрешностям измерений. Применение компенсационных методов в таких устройствах, когда чувствительный элемент управляет цепью отрицательной обратной связи, ведет к существенному снижению температурной нестабильности, но не устраняет влияние шумов.A device for measuring constant magnetic fields and currents, based on the use of the Hall effect in semiconductors [1]
However, significant temperature dependence in direct measurement devices without feedback and significant noise lead to large measurement errors. The use of compensation methods in such devices, when the sensitive element controls the negative feedback circuit, leads to a significant reduction in temperature instability, but does not eliminate the effect of noise.

Кроме того, шина, по которой протекает измеряемый ток, часто пропускается внутрь замкнутого магнитопровода, в котором создается компенсирующее магнитное поле, а это требует разрыва токоведущей цепи для монтажа датчика, что не позволяет сделать измерители тока переносными [2]
При этом значительно увеличиваются габариты и масса таких устройств.In addition, the bus through which the measured current flows is often passed inside a closed magnetic circuit in which a compensating magnetic field is created, and this requires breaking the current-carrying circuit for mounting the sensor, which does not allow making current meters portable [2]
At the same time, the dimensions and weight of such devices are significantly increased.

Наиболее близким является устройство, основанное на эффекте Фарадея и использующее влияние измеряемой величины на угол поворота плоскости поляризации света, прошедшего магнитооптическую пленку, расположенную вблизи источника магнитного поля, в том числе токоведущей шины. Устройство содержит в оптической части светодиод и расположенные по ходу его луча входной поляризатор, стопу магнитооптических пленок, двулучепреломляющий анализатор с пространственным разведением лучей взаимно ортогональных поляризаций и два фотодиода, расположенных по ходу разведенных лучей. Каждая магнитооптическая пленка в стопе характеризуется одноосной перпендикулярной анизотропией, т.е. ее ось легкого намагничивания лежит перпендикулярно плоскости пленки. Стопа пленок, являющаяся чувствительным элементом, помещена в электромагнитную катушку, создающую перпендикулярное плоскости пленок магнитное поле и служащую для компенсации внешнего магнитного поля, индуцируемого шиной с измеряемым током. Электронная часть устройства содержит элементы для реализации заданного алгоритма обработки выходных сигналов фотодиодов, в том числе вычислительное устройство, содержащее дифференциальный усилитель, компаратор и усилитель тока, соединенный выходом с компенсационной катушкой. Вычислительное устройство определяет разность сигналов фотодиодов, нормированную на их сумму. Компаратор, сравнивая нормированную разность фотосигналов с нулем, выдает управляющий сигнал на усилитель тока, который изменяет величину тока в компенсирующей катушке, а, следовательно, и ее магнитное поле, до такого значения, при котором происходит полная компенсация магнитного поля шины с током. По величине ока через компенсационную катушку судят о величине тока в шине [3]
Недостатками описанного выше устройства являются невысокая точность измерения токов и полей и, как следствие, ограниченный снизу диапазон измеряемых величин. Указанные недостатки являются следствием того, что в устройстве применены магнитооптические пленки с одноосной перпендикулярной анизотропией, которые характеризуются достаточно высоким полем насыщения и, следовательно, небольшой крутизной передаточной характеристики "угол вращения плоскости поляризации измеряемое поле". С другой стороны, в описанном устройстве отсутствуют элементы, снижающие влияние коэрцитивности, присущей ферромагнитным материалам, на разброс результатов измерения, что особенно важно в области малых сигналов.The closest is a device based on the Faraday effect and using the influence of the measured value on the angle of rotation of the plane of polarization of light transmitted through a magneto-optical film located near a magnetic field source, including a busbar. The device contains an LED in the optical part and an input polarizer located along its beam, a stack of magneto-optical films, a birefringent analyzer with spatial dilution of beams of mutually orthogonal polarizations, and two photodiodes located along the path of the separated rays. Each magneto-optical film in the foot is characterized by uniaxial perpendicular anisotropy, i.e. its axis of easy magnetization lies perpendicular to the plane of the film. A stack of films, which is a sensitive element, is placed in an electromagnetic coil that creates a magnetic field perpendicular to the film plane and serves to compensate for the external magnetic field induced by the bus with the measured current. The electronic part of the device contains elements for implementing a given algorithm for processing the output signals of photodiodes, including a computing device containing a differential amplifier, a comparator, and a current amplifier connected to the output by a compensation coil. The computing device determines the difference in the signals of the photodiodes, normalized to their sum. The comparator, comparing the normalized difference of the photosignals with zero, provides a control signal to the current amplifier, which changes the amount of current in the compensating coil, and, consequently, its magnetic field, to such a value that the bus’s magnetic field is completely compensated with the current. By the magnitude of the eye through the compensation coil judge the magnitude of the current in the bus [3]
The disadvantages of the above device are the low accuracy of the measurement of currents and fields and, as a consequence, the limited range of measured values from below. These disadvantages are due to the fact that magneto-optical films with uniaxial perpendicular anisotropy are used in the device, which are characterized by a sufficiently high saturation field and, therefore, a small steepness of the transfer characteristic “angle of rotation of the plane of polarization measured field”. On the other hand, in the described device there are no elements that reduce the influence of coercivity inherent in ferromagnetic materials on the scatter of measurement results, which is especially important in the field of small signals.

Целью изобретения является увеличение точности и расширение диапазона измеряемых постоянных полей и токов. The aim of the invention is to increase accuracy and expand the range of measured constant fields and currents.

Указанная цель достигается тем, что в известное устройство, включающее светодиод и расположенные по ходу его луча входной поляризатор, магнитооптическую пленку, анализатор с разведением лучей взаимно ортогональных поляризаций, два фотодиода, расположенные по ходу разведенных лучей, а также электромагнитную катушку, дифференциальный усилитель, компаратор и усилитель тока, соединенный выходом с катушкой, дополнительно введены прямая оптическая призма с основанием в виде равнобедренного прямоугольного треугольника, дополнительная электромагнитная катушка, фильтр нижних частот и генератор, при этом магнитооптическая пленка выбрана с плоскостной анизотропией и расположена на оптическом контакте на гипотенузной грани призмы, оптические оси светодиода и анализатора перпендикулярны второй и третьей боковым граням призмы, соответственно, фотодиоды соединены с входами дифференциального усилителя, выход которого через фильтр нижних частот соединен с первым входом компаратора, второй вход которого заземлен, а выход соединен с усилителем тока, генератор соединен с дополнительной катушкой, причем обе катушки выполнены на одном полом каркасе, имеющем форму прямоугольного параллелепипеда, призма расположена внутри каркаса гипотенузной гранью в непосредственной близости к внутренней поверхности одной из его граней и параллельно ей, оси катушек ориентированы вдоль линии пересечения плоскости пленки и плоскости распространения света, при этом усилитель тока выполнен с выходным индикатором. This goal is achieved by the fact that in the known device, which includes an LED and an input polarizer located along the beam, a magneto-optical film, an analyzer with the separation of beams of mutually orthogonal polarizations, two photodiodes located along the path of the separated rays, as well as an electromagnetic coil, differential amplifier, comparator and a current amplifier connected to the output by a coil, a direct optical prism with an base in the form of an isosceles right triangle is additionally introduced, an additional ele a magnetic coil, a low-pass filter and a generator, while the magneto-optical film is selected with planar anisotropy and is located on the optical contact on the hypotenuse face of the prism, the optical axis of the LED and the analyzer are perpendicular to the second and third side faces of the prism, respectively, the photodiodes are connected to the inputs of the differential amplifier, output which through a low-pass filter is connected to the first input of the comparator, the second input of which is grounded, and the output is connected to a current amplifier, the generator is connected to a single coil, both coils made on the same hollow frame, having the shape of a rectangular parallelepiped, the prism is located inside the frame with a hypotenuse face in close proximity to the inner surface of one of its faces and parallel to it, the axis of the coils are oriented along the line of intersection of the film plane and the light propagation plane, while the current amplifier is made with an output indicator.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого измерителя. The drawing shows a schematic diagram of the proposed meter.

Измеритель содержит светодиод 1, свет от которого через поляризатор 2 попадает в оптическую призму 3, на гипотенузной грани которой на оптическом контакте расположена магнитооптическая пленка 4. Отразившись от внешней поверхности пленки 4, свет после выхода из призмы 3 попадает в двулучепреломляющий анализатор 5, в котором происходит разделение лучей взаимно ортогональных поляризаций. Разделенные световые потоки детектируются фотодиодами 6 и 7, выходы которых соединены с входами дифференциального усилителя 8, сигнал с которого через фильтр 9 нижних частот попадает на вход компаратора 10 для сравнения с нулем. Выход компаратора через усилитель 11 тока с индикатором соединен с электромагнитной компенсационной катушкой 12, намотанной на прямоугольном каркасе. На этом же каркасе намотана дополнительная катушка 13, соединенная с генератором 14, служащим для высокочастотного подмагничивания. Чувствительным элементом устройства является магнитооптическая пленка 4 с плоскостной анизотропией, расположенная так, что измеряемое магнитное поле или поле измеряемого тока, текущего в шине 15, ориентировано по линии пересечения плоскости падения света и плоскости пленки. The meter contains an LED 1, the light from which passes through the polarizer 2 into the optical prism 3, on the hypotenous face of which the magneto-optical film 4 is located on the optical contact 4. Reflecting from the outer surface of the film 4, the light after leaving the prism 3 enters the birefringent analyzer 5, in which there is a separation of the rays of mutually orthogonal polarizations. Separated light fluxes are detected by photodiodes 6 and 7, the outputs of which are connected to the inputs of a differential amplifier 8, the signal from which through a low-pass filter 9 goes to the input of the comparator 10 for comparison with zero. The output of the comparator through a current amplifier 11 with an indicator is connected to an electromagnetic compensation coil 12 wound on a rectangular frame. An additional coil 13 is wound on the same frame, connected to a generator 14, which serves for high-frequency magnetization. The sensitive element of the device is a magneto-optical film 4 with planar anisotropy, located so that the measured magnetic field or the field of the measured current flowing in the bus 15 is oriented along the line of intersection of the plane of incidence of light and the plane of the film.

Измеритель работает следующим образом. The meter works as follows.

Под воздействием измеряемого магнитного поля или магнитного поля измеряемого постоянного тока происходит изменение намагниченности чувствительного элемента магнитооптической пленки 4 с плоскостной анизотропией. Плоскополя- ризованное поляризатором 2 излучение светодиода 1, проходя дважды магнитооптическую пленку 4 и полностью отражаясь на ее внешней границе, взаимодействует с пленкой, что приводит к фарадеевскому повороту плоскости поляризации света. При этом для более эффективного ввода-вывода наклонно падающего излучения в магнитоптическую пленку применена оптическая призма 3. Плоскость падения света перпендикулярна плоскости пленки, а измеряемое магнитное поле или поле измеряемого тока должно быть ориентировано вдоль линии пересечения этих плоскостей. В качестве чувствительного элемента выбрана магнитооптическая пленка с плоскостной анизотропией, что приводит к существенному увеличению тангенса угла наклона передаточной характеристики "угол вращения плоскости поляризации измеряемое поле" по сравнению с пленками с одноосной перпендикулярной анизотропией, так как последние характеризуются значительно большими полями насыщения при практически одинаковых фарадеевских константах взаимодействия. Это позволяет значительно уменьшить порог срабатывания по магнитному полю и, следовательно, расширить диапазон и увеличить точность измерений. Under the influence of the measured magnetic field or the magnetic field of the measured direct current, the magnetization of the sensing element of the magneto-optical film 4 with planar anisotropy changes. The radiation of the LED 1 plane-polarized by polarizer 2, passing twice through the magneto-optical film 4 and completely reflecting at its outer boundary, interacts with the film, which leads to a Faraday rotation of the plane of polarization of light. In this case, an optical prism 3 was used to more efficiently input / output obliquely incident radiation into the magnetoptic film. The plane of light incidence is perpendicular to the film plane, and the measured magnetic field or the field of the measured current should be oriented along the line of intersection of these planes. A magneto-optical film with planar anisotropy was chosen as a sensitive element, which leads to a significant increase in the slope of the transfer characteristic “angle of rotation of the plane of polarization of the measured field” compared to films with uniaxial perpendicular anisotropy, since the latter are characterized by significantly larger saturation fields with almost identical Faraday interaction constants. This allows you to significantly reduce the threshold for magnetic field and, therefore, to expand the range and increase the accuracy of measurements.

Кроме этого, измеритель снабжен генератором 14 для высокочастотного подмагничивания, соединенным с электромагнитной катушкой 13, что эффективно снижая коэрцитивность чувствительного элемента на постоянном токе, также способствует достижению цели изобретения. In addition, the meter is equipped with a generator 14 for high-frequency magnetization connected to an electromagnetic coil 13, which effectively reduces the coercivity of the sensor element at direct current, also helps to achieve the objective of the invention.

Из призмы 3 световое излучение попадает в двулучепреломляющий анализатор 5 с пространственным разведением лучей взаимно ортогональных поляризаций. Поляризатор 2 и анализатор 5 должны быть ориентированы своими главными осями под 45^о друг относительно друга. Применение дифференциальной фотоприемной схемы, состоящей из фотодиодов 6 и 7 и дифференциального усилителя 8 их сигналов, обеспечивает полное подавление фотосигналов от фоновых световых потоков (не зависящих от внешних магнитных полей) и удвоение сигнала перемагничивания, измеряемого каждым каналом, при этом изменение направления намагничивания магнитооптической пленки приводит к смене знака постоянной составляющей выходного сигнала дифференциального усилителя. Содержащаяся в нем высокая частота генератора 14 подмагничивания полностью отфильтровывается фильтром 9 нижних частот. Постоянная составляющая выходного сигнала дифференциального усилителя подается на вход компаратора 10, где сравнивается с нулем. Выход компаратора через усилитель 11 тока соединен с компенсационной катушкой 12 таким образом, что ее магнитное поле полностью компенсирует измеряемое постоянное магнитное поле или поле тока, протекающего в шине 15, т. е. реализуется принцип общей отрицательной обратной связи, а магнитооптическая пленка по сути является "нуль-детектором" в схеме измерителя. Току в компенсационной катушке, измеряемому по встроенному в усилитель 11 индикатору, может быть расчетным методом или методом калибровки поставлено в соответствие измеряемое магнитное поле или измеряемый ток, текущий в шине 15.From the prism 3, the light radiation enters a birefringent analyzer 5 with spatial dilution of the rays of mutually orthogonal polarizations. The polarizer 2 and the analyzer 5 must be oriented with their principal axes at ⁴⁵ ° relative to each other. The use of a differential photodetector circuit consisting of photodiodes 6 and 7 and a differential amplifier 8 of their signals provides a complete suppression of the photo signals from background light fluxes (independent of external magnetic fields) and a doubling of the magnetization signal measured by each channel, while changing the direction of magnetization of the magneto-optical film leads to a change in the sign of the constant component of the output signal of the differential amplifier. The high frequency of the bias generator 14 contained therein is completely filtered out by the low-pass filter 9. The constant component of the output signal of the differential amplifier is fed to the input of the comparator 10, where it is compared with zero. The output of the comparator through the current amplifier 11 is connected to the compensation coil 12 so that its magnetic field completely compensates for the measured constant magnetic field or the field of the current flowing in the bus 15, i.e., the principle of general negative feedback is realized, and the magneto-optical film is essentially "null detector" in the meter circuit. The current in the compensation coil, measured by the indicator built into the amplifier 11, can be calculated or the calibration magnetic field or the measured current flowing in the bus 15 are matched with the calibration method.

Оптоэлектронный измеритель постоянных магнитных полей и токов может найти широкое применение в силовых подстанциях электротранспорта, в цепях управления и автоматического регулирования различного электропривода, в гальванике, робототехнике и т.п. The optoelectronic meter of constant magnetic fields and currents can be widely used in power substations of electric vehicles, in control circuits and automatic regulation of various electric drives, in galvanic, robotics, etc.

Claims

OPTOELECTRONIC METER OF CONSTANT MAGNETIC FIELDS AND CURRENTS, including an LED and an input polarizer located along its beam, a magneto-optical film, an analyzer with the separation of mutually orthogonal polarization beams, two photodiodes located along the separated beams, as well as an electromagnetic amplifier, a differential coil and a differential coil current connected by the output to the coil, characterized in that a direct optical prism with a base in the form of an isosceles rectangular t a triangle, an additional electromagnetic coil, a low-pass filter and a generator, while the magneto-optical film is selected with planar anisotropy and is located at the optical contact on the hypotenuse face of the prism, the optical axis of the LED and the analyzer are perpendicular to the second and third side faces of the prism, respectively, the photodiodes are connected to the inputs of the differential an amplifier, the output of which through a low-pass filter is connected to the first input of the comparator, the second input of which is grounded, and the output is connected to the amplifier current, the generator is connected to an additional coil, and both coils are made on the same hollow frame, having the shape of a rectangular parallelepiped, the prism is located inside the frame with a hypotenuse face in close proximity to the inner surface of one of its faces and parallel to it, the axis of the coils are oriented along the intersection line of the film plane and the plane of light distribution, while the current amplifier is made with an output indicator.