RU2208798C1 - Facility measuring heavy currents - Google Patents

Facility measuring heavy currents Download PDF

Info

Publication number
RU2208798C1
RU2208798C1 RU2001134908A RU2001134908A RU2208798C1 RU 2208798 C1 RU2208798 C1 RU 2208798C1 RU 2001134908 A RU2001134908 A RU 2001134908A RU 2001134908 A RU2001134908 A RU 2001134908A RU 2208798 C1 RU2208798 C1 RU 2208798C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
analyzer
fiber
output
optical
current
Prior art date
Application number
RU2001134908A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Ю.П. Казачков
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт импульсной техники"
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 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт импульсной техники" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт импульсной техники"
Priority to RU2001134908A priority Critical patent/RU2208798C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2208798C1 publication Critical patent/RU2208798C1/en

Links

Abstract

FIELD: physics of high-density energies. SUBSTANCE: invention is intended for measurement of strength of current in high-power electric physical installations. Facility measuring heavy currents has source of luminous radiation polarized linearly, turns of two light guides, polarization- insensitive connector of light guides, analyzer and register. Turns of light guides embrace wire with measured current in opposite directions. Source of luminous radiation is optically coupled to input of first light guide which output is optically coupled through light guide connector to input of second light guide which output is optically connected to analyzer. Output of the later is connected to register. Light guides are produced from magnetooptical materials with Verdet constant correspondingly V1, V2, V2 = V1-T/2Imax where T is period of unambiguity of conversion function of analyzer; Imax is upper limit of range of measured currents. EFFECT: expanded upper boundary of range of measured currents. 1 dwg

Description

Устройство относится к области физики энергии высоких плотностей и предназначено для измерения силы тока в мощных электрофизических установках. Оно должно позволять измерять силу тока до 10 МА. The device relates to the field of high-density energy physics and is intended to measure the current strength in powerful electrophysical installations. It should allow measuring current strength up to 10 MA.

Известно применение магнитооптического датчика для измерения электрического тока в электроэнергетике. Магнитооптический датчик основан на использовании эффекта Фарадея - свойстве магнитного поля вращать плоскость поляризации света, проходящего сквозь чувствительный элемент, изготовленный из магнитооптического материала. Для измерения тока магнитооптический датчик выполняется в виде замкнутого светопроводящего контура, охватывающего токопровод с измеряемым током. It is known to use a magneto-optical sensor for measuring electric current in the electric power industry. The magneto-optical sensor is based on the use of the Faraday effect - the property of a magnetic field to rotate the plane of polarization of light passing through a sensitive element made of magneto-optical material. To measure current, the magneto-optical sensor is made in the form of a closed light-conducting circuit, covering the current-carrying conductor with the measured current.

Известно устройство для измерения электрического тока [1], состоящее из источника линейно поляризованного светового излучения, который оптически подключен к входу витка оптического волокна, охватывающего токопровод с измеряемым током. Выход оптического волокна оптически подключен к входу анализатора, состоящего из призмы Волластона, выходы которой подключены к оптическим входам двух фотоприемников. Электрические выходы фотоприемников подключены соответственно к двум входам аналогового модуля обработки сигналов. При угле между поляризацией источника излучения и призмой Волластона анализатора в 45o на выходе анализатора формируется сигнал, описываемый формулой:
U=ε•sin(2V•I),
где ε - постоянная величина, определяемая выполнением анализатора; V - постоянная Верде; I - измеряемый ток. Из этого сигнала методами математической обработки выделяется значение тока I по формуле:

Figure 00000002

Так как область определения арксинуса лежит в границах от -π/2 до π/2, то максимально измеряемая сила тока однополярного сигнала Imax равна:
Imax=0,25π/V.A device for measuring electric current [1], consisting of a source of linearly polarized light radiation, which is optically connected to the input of a coil of optical fiber, covering the conductor with the measured current. The output of the optical fiber is optically connected to the input of the analyzer, consisting of a Wollaston prism, the outputs of which are connected to the optical inputs of two photodetectors. The electrical outputs of the photodetectors are connected respectively to the two inputs of the analog signal processing module. When the angle between the polarization of the radiation source and the Wollaston prism of the analyzer is 45 o , a signal is generated at the analyzer output, described by the formula:
U = ε • sin (2V • I),
where ε is a constant value determined by the execution of the analyzer; V is the Verdet constant; I is the measured current. From this signal, the methods of mathematical processing extract the current value I according to the formula:
Figure 00000002

Since the domain of definition of the arcsine lies in the range from -π / 2 to π / 2, the maximum measured current strength of a unipolar signal I max is equal to:
I max = 0.25π / V.

Недостатком устройства является невозможность измерения больших токов, так как при постоянной Верде в материале оптического волокна V≈4,6•10-6 рад/А максимальный измеряемый ток будет равен Imax=0,17 МА, что ниже требуемого.The disadvantage of this device is the impossibility of measuring high currents, since with a Verde constant in the material of the optical fiber V≈4.6 • 10 -6 rad / A, the maximum measured current will be I max = 0.17 MA, which is lower than the required one.

Известно устройство для измерения сверхбольших токов [2], содержащее n магнитооптических датчиков в виде протяженного световода из магнитооптического материала, и измерительно-вычислительный блок. Положение оптического входа каждого из n магнитооптических датчиков, совпадает с оптическим выходом соседнего датчика таким образом, что световоды всех датчиков образуют замкнутый односвязный контур, охватывающий только токопровод с измеряемым током, а выходы n магнитооптических датчиков соединены с соответствующими им входами измерительно-вычислительного блока, число n выбирается из условия:
n>4V•Imax/π,
где V - постоянная Верде материала световода; Imax - максимальный измеряемый ток, а измерительно-вычислительный блок выполнен с возможностью реализации функции:

Figure 00000003

где I - измеряемый ток; Uout k - выходной сигнал с k-го магнитооптического датчика. Недостатком данного устройства является сложность конструкции, так как для измерения тока 10 МА необходимо использовать ~60 магнитооптических датчиков.A device for measuring ultra-large currents [2], containing n magneto-optical sensors in the form of an extended fiber of magneto-optical material, and a measuring and computing unit. The position of the optical input of each of the n magneto-optical sensors coincides with the optical output of the neighboring sensor in such a way that the optical fibers of all the sensors form a closed, simply connected circuit that covers only the current-carrying conductor with the measured current, and the outputs of the n magneto-optical sensors are connected to the corresponding inputs of the measuring and computing unit, the number n is selected from the condition:
n> 4V • I max / π,
where V is the Verdet constant of the fiber material; I max - the maximum measured current, and the measuring and computing unit is configured to implement the function:
Figure 00000003

where I is the measured current; U out k is the output signal from the k-th magneto-optical sensor. The disadvantage of this device is the design complexity, since ~ 60 magneto-optical sensors must be used to measure 10 mA current.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для измерения больших импульсных токов [3], состоящее из источника линейно поляризованного светового излучения, который оптически подключен к входу витка оптического волокна из магнитооптического материала, охватывающего токопровод с измеряемым током, анализатора и регистратора. Выход оптического волокна подключен к входу анализатора, построенного на основе светоделителя и двух призм Волластона, четыре выхода которого подключены через фотоприемники к соответствующим входам регистратора. На выходе анализатора формируются два сигнала:
U1=ε•sin(2V•I),
U2=ε•cos(2V•I),
из которых методами математической обработки в регистраторе выделяется значение измеряемого тока I, например по формуле:

Figure 00000004

Как известно из математики по известным значениям синуса и косинуса их фаза может быть вычислена в пределах от 0 до 2π. Поэтому по измеренным значениям U1 и U2 можно вычислить значение измеряемого тока I, если его величина не превышает Imax=π/V.The closest technical solution to the claimed one is a device for measuring large pulsed currents [3], consisting of a linearly polarized light source, which is optically connected to the input of an optical fiber coil of magneto-optical material, covering the current-conducting conductor with a measured current, an analyzer, and a recorder. The output of the optical fiber is connected to the input of an analyzer built on the basis of a beam splitter and two Wollaston prisms, the four outputs of which are connected through photodetectors to the corresponding inputs of the recorder. At the output of the analyzer, two signals are generated:
U 1 = ε • sin (2V • I),
U 2 = ε • cos (2V • I),
of which the values of the measured current I are extracted by mathematical processing methods in the recorder, for example, by the formula:
Figure 00000004

As is known from mathematics, from the known values of the sine and cosine, their phase can be calculated in the range from 0 to 2π. Therefore, from the measured values of U 1 and U 2, it is possible to calculate the value of the measured current I, if its value does not exceed I max = π / V.

Недостатком прототипа является невозможность измерения больших токов. Так, при постоянной Верде в материале оптического волокна V≈4,6•10-6 рад/А максимальный измеряемый ток будет равен Imax=0,68 MA, что ниже требуемого.The disadvantage of the prototype is the inability to measure high currents. So, with Verdet constant in the material of the optical fiber V≈4.6 • 10 -6 rad / A, the maximum measured current will be I max = 0.68 MA, which is lower than the required one.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является расширение верхней границы диапазона измеряемых токов. The technical result provided by the claimed invention is to expand the upper limit of the range of measured currents.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения больших токов, содержащее источник линейно поляризованного светового излучения, виток световода из магнитооптического материала с постоянной Верде V1, охватывающий токопровод с измеряемым током, анализатор, регистратор, источник излучения оптически подключен к входу световода, анализатор подключен к регистратору, дополнительно содержит поляризационно нечувствительный соединитель световодов и виток второго световода, выполненного из магнитооптического материала с постоянной Верде V2, определяемой по формуле
V2=V1-T/(2Imax),
где Т - период однозначности функции преобразования анализатора; Imax - верхний предел диапазона измеряемых токов; охватывающий токопровод с измеряемым током в направлении, противоположном направлению витка первого световода, выход первого световода через соединитель оптически подключен к входу второго световода, выход последнего оптически подключен к входу анализатора.The technical result is achieved by the fact that a device for measuring high currents, containing a source of linearly polarized light radiation, a coil of fiber from a magneto-optical material with a constant Verde V 1 , covering a conductor with a measured current, an analyzer, a recorder, a radiation source is optically connected to the input of the fiber, the analyzer is connected to the registrar, further comprises a polarization-insensitive connector of the optical fibers and a coil of the second optical fiber made of magneto-optical material 2 Verdet constant V defined by the formula
V 2 = V 1 -T / (2I max ),
where T is the period of uniqueness of the analyzer conversion function; I max - the upper limit of the range of measured currents; covering the current lead with the measured current in the opposite direction to the turn of the first fiber, the output of the first fiber through the connector is optically connected to the input of the second fiber, the output of the latter is optically connected to the input of the analyzer.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для измерения больших токов. The drawing shows a functional diagram of a device for measuring high currents.

Устройство для измерения больших токов состоит из источника линейно поляризованного светового излучения 1, витков световодов 2, 3, охватывающих токопровод с измеряемым током в противоположных направлениях, поляризационно нечувствительного соединителя световодов 4, анализатора 5, регистратора 6. Источник светового излучения 1 оптически подключен к входу световода 2, выход которого оптически подключен через соединитель световодов 4 к входу витка световода 3. Выход витка световода 3 оптически подключен к анализатору 5, выход которого подключен к регистратору 6. Световоды 2, 3 выполнены из магнитооптического материала с постоянными Верде V1, V2 причем
V2=V1-T/(2Imax),
где Т - период однозначности функции преобразования анализатора; Imax - верхний предел диапазона измеряемых токов.A device for measuring high currents consists of a source of linearly polarized light radiation 1, turns of optical fibers 2, 3, covering a conductor with a measured current in opposite directions, a polarization-insensitive connector of optical fibers 4, analyzer 5, recorder 6. Light source 1 is optically connected to the input of the optical fiber 2, the output of which is optically connected through a fiber optic connector 4 to the input of the fiber 3. The coil output of the fiber 3 is optically connected to the analyzer 5, the output of which n to the registrar 6. The optical fibers 2, 3 are made of magneto-optical material with Verdet constants V 1 , V 2 and
V 2 = V 1 -T / (2I max ),
where T is the period of uniqueness of the analyzer conversion function; I max - the upper limit of the range of measured currents.

В качестве источника линейно поляризованного светового излучения 1 можно взять устройство на основе лазерного светодиода HFE40500114ADA (Honeywell) с пленочным поляризатором на выходе. As a source of linearly polarized light radiation 1, we can take a device based on a HFE40500114ADA laser LED (Honeywell) with a film polarizer at the output.

В качестве световодов 2, 3 можно использовать оптические волокна, описанные в [4] с постоянными Верде V1=4,71•10-6 рад/А и V2=4,54•10-6 рад/А.Optical fibers described in [4] with Verdet constants V 1 = 4.71 • 10 -6 rad / A and V 2 = 4.54 • 10 -6 rad / A can be used as optical fibers 2, 3.

В качестве поляризационно нечувствительного соединителя 4 световодов можно использовать разъемные соединители типа SMA. As a polarization-insensitive connector 4 of the optical fibers can be used plug-in connectors type SMA.

В качестве анализатора 5 может быть использовано устройство, описанное в прототипе, с периодом однозначности функции преобразования Т=2π. As the analyzer 5 can be used the device described in the prototype, with a period of uniqueness of the conversion function T = 2π.

В качестве регистратора 6 можно использовать компьютер типа PC/AT с аналого-цифровыми преобразователями ADC200. As a recorder 6, you can use a PC / AT computer with ADC200 analog-to-digital converters.

Устройство работает следующим образом. Линейно поляризованное излучение от источника светового излучения 1 поступает в световод 2, где его плоскость поляризации под действием магнитного поля

Figure 00000005
измеряемого электрического тока поворачивается на угол f1, определяемой по формуле
Figure 00000006

где интегрирование ведется по контуру, образованного витком световода 2 в направлении распространения света, которое выбирается как положительное. Так как световод 2 образует виток вокруг токопровода и поэтому контур световода является практически замкнутым, то по закону полного тока интеграл по замкнутому контуру равен току, протекающему внутри контура, т.е. справедлива формула
f1=V1•I.The device operates as follows. The linearly polarized radiation from the light source 1 enters the fiber 2, where its plane of polarization under the influence of a magnetic field
Figure 00000005
the measured electric current is rotated by an angle f 1 determined by the formula
Figure 00000006

where integration is carried out along the contour formed by the coil of the light guide 2 in the direction of light propagation, which is selected as positive. Since the fiber 2 forms a coil around the current path and therefore the fiber path is practically closed, according to the law of the total current, the integral over the closed path is equal to the current flowing inside the path, i.e. the formula is valid
f 1 = V 1 • I.

С выхода витка световода 2 оптическое излучение через поляризационно нечувствительный соединитель 4 световодов поступает на вход световода 3, где его плоскость поляризации под действием магнитного поля измеряемого тока поворачивается на угол f2. Так как положительный обход контура, образованного световодом 3, происходит в направлении, противоположном направлению распространения света, то f2 определяется по формуле

Figure 00000007

Соответственно для f2 будет справедлива формула
f2=-V2•I.From the output of the coil of the optical fiber 2, the optical radiation through the polarization-insensitive connector 4 of the optical fibers enters the input of the optical fiber 3, where its plane of polarization under the influence of the magnetic field of the measured current is rotated through an angle f 2 . Since a positive bypass of the circuit formed by the light guide 3 occurs in a direction opposite to the direction of light propagation, f 2 is determined by the formula
Figure 00000007

Accordingly, for f 2 , the formula
f 2 = -V 2 • I.

Результирующий угол fs поворота плоскости поляризации оптического излучения будет равен
fs=f1+f2=(V1-V2)I.The resulting angle of rotation f s of the plane of polarization of the optical radiation will be equal to
f s = f 1 + f 2 = (V 1 -V 2 ) I.

Анализатор 5 преобразует состояние поляризации светового излучения, зависящее от величины измеряемого тока, в выходной сигнал(ы) напряжения, функционально зависящий от угла fs. По этому сигналу(ам) методами математической обработки в регистраторе 6 выделяется информация об измеряемом токе.The analyzer 5 converts the state of polarization of light radiation, depending on the magnitude of the measured current, into the output signal (s) voltage, functionally dependent on the angle f s . According to this signal (s) by methods of mathematical processing in the recorder 6 is allocated information about the measured current.

Если анализатор выбран как в прототипе, то силу тока в регистраторе 6 можно рассчитать по формуле

Figure 00000008

Тогда максимальное значение тока в предлагаемом устройстве можно оценить в виде
Figure 00000009

При постоянных Верде V1= 4,71•10-6 рад/А и V2=4,54•10-6 рад/А максимальное значение измеряемого тока будет равно 18 МА.If the analyzer is selected as in the prototype, then the current strength in the recorder 6 can be calculated by the formula
Figure 00000008

Then the maximum current value in the proposed device can be estimated as
Figure 00000009

With Verdet constants, V 1 = 4.71 • 10 -6 rad / A and V 2 = 4.54 • 10 -6 rad / A, the maximum value of the measured current will be 18 MA.

Таким образом, предлагаемое устройство для измерения больших токов позволяет расширить верхнюю границу диапазона измеряемых токов по сравнению с прототипом более чем в 20 раз. Thus, the proposed device for measuring high currents allows you to expand the upper limit of the range of measured currents in comparison with the prototype more than 20 times.

Источники информации
1. В. И. Бусурин, Ю.Р. Носов "Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения", М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 85.Sources of information
1. V.I. Busurin, Yu.R. Nosov "Fiber-optic sensors: physical foundations, issues of calculation and application", Moscow: Energoatomizdat, 1990, p. 85.

2. Устройство для измерения сверхбольших токов. Патент РФ 2120128, 1997 г. 2. Device for measuring ultra-large currents. RF patent 2120128, 1997

3. H. S. Lassing, A. A. M. Oomens, and R. Woltjer, "Development of a magneto-optic current sensor for high, pulsed currents" Rev. Sci. Instrum. 57(5), May 1986 (прототип). 3. H. S. Lassing, A. A. M. Oomens, and R. Woltjer, "Development of a magneto-optic current sensor for high, pulsed currents" Rev. Sci. Instrum. 57 (5), May 1986 (prototype).

4. Zhanbing Ren et al. Journal of Lightwave Technology, v. 7, N 8, August 1989, p.1275. 4. Zhanbing Ren et al. Journal of Lightwave Technology, v. 7, No. 8, August 1989, p. 1275.

Claims (1)

Устройство для измерения больших токов, содержащее источник линейно поляризованного светового излучения, виток световода, выполненного из магнитооптического материала с постоянной Верде V1, охватывающий токопровод с измеряемым током, анализатор и регистратор, источник светового излучения оптически подключен к входу световода, выход анализатора подключен к регистратору, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит поляризационно нечувствительный соединитель световодов и виток второго световода, выполненного из магнитооптического материала с постоянной Верде V2=V1-T/2Imax, где Т - период однозначности функции преобразования анализатора, Imax - верхний предел диапазона измеряемых токов, охватывающий токопровод с измеряемым током в направлении, противоположном направлению витка первого световода, выход первого световода через соединитель оптически подключен к входу второго световода, а выход последнего оптически подключен к входу анализатора.A device for measuring high currents, containing a source of linearly polarized light radiation, a fiber coil made of magneto-optical material with a Verde constant V 1 , covering a current conducting conductor with a measured current, an analyzer and a registrar, a light radiation source is optically connected to the fiber input, the analyzer output is connected to a registrar characterized in that it further comprises a polarization-insensitive connector of the optical fibers and a coil of a second optical fiber made of magneto-optical of material with a Verdet constant V 2 = V 1 -T / 2I max , where T is the period of unambiguity of the analyzer conversion function, I max is the upper limit of the range of measured currents, covering the conductor with the measured current in the direction opposite to the direction of the turn of the first fiber, the output of the first The fiber through the connector is optically connected to the input of the second fiber, and the output of the latter is optically connected to the input of the analyzer.
RU2001134908A 2001-12-25 2001-12-25 Facility measuring heavy currents RU2208798C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001134908A RU2208798C1 (en) 2001-12-25 2001-12-25 Facility measuring heavy currents

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001134908A RU2208798C1 (en) 2001-12-25 2001-12-25 Facility measuring heavy currents

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2208798C1 true RU2208798C1 (en) 2003-07-20

Family

ID=29211195

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001134908A RU2208798C1 (en) 2001-12-25 2001-12-25 Facility measuring heavy currents

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2208798C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Н.S. LASSING et all. Development of a magneto-optic current sensor for high, pulsed currents. - Rev. Sci. Instrum. 57(5), May 1986. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0254396A1 (en) A direct current magneto-optic current transformer
RU2086988C1 (en) Fiber-optic device for measurement of current strength
CN110007125A (en) Double light path optical current sensor
RU2208798C1 (en) Facility measuring heavy currents
Ghosh et al. Development of a fiber-optic current sensor with range-changing facility using shunt configuration
RU2120128C1 (en) Device for measuring of superstrong currents
EP2715375B1 (en) Fiber-optic voltage sensor
KR100452301B1 (en) The Apparatus and Method for Simultaneous Measurement of Current and Voltage Using Optic Fiber
JP3140546B2 (en) Optical magnetic field measuring apparatus and method
RU2158428C2 (en) Fiber-optical device to register shape of pulses of superheavy currents
KR100659564B1 (en) Optical Current Sensor
SU515065A1 (en) Opto-electronic current meter
Dey et al. Simplified high-current measurement probe based on a single-mode optical fiber
RU62713U1 (en) INFORMATION AND MEASURING DEVICE FOR MAGNETIC FIELD AND ELECTRIC CURRENT CONTROL
Shui et al. Current measurement method based on integral reconstruction of magnetic rotation angle
Neyer et al. Calibrated Faraday current and magnetic field sensor
Boriskin et al. Diagnostic methods of measuring megavolt voltages and megaampere currents
Grigoriev et al. Development of fiber optic current sensor
SU1453330A1 (en) Magnetooptic method of measuring current intensity
Błażejczyk et al. Measurements of current in bus bar using fiber optic sensors
Breglio et al. Magnetic field reconstruction with optical fiber sensors in plasma lenses
SU1323967A1 (en) Magnetooptic device for measuring current intensity
Bi et al. Overvoltage measurement based on the electro-optic E-field sensor
Chen et al. Signal processing schemes for optical voltage transducer
Błażejczyk et al. Experimental Comparison of Two Various Optical Fibre Current Sensors Dedicated to High Current Applications

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20100915

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20111226