RU2451941C1 - Fibre-optic current measuring transducer - Google Patents
Fibre-optic current measuring transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2451941C1 RU2451941C1 RU2010154720/28A RU2010154720A RU2451941C1 RU 2451941 C1 RU2451941 C1 RU 2451941C1 RU 2010154720/28 A RU2010154720/28 A RU 2010154720/28A RU 2010154720 A RU2010154720 A RU 2010154720A RU 2451941 C1 RU2451941 C1 RU 2451941C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- spun
- sensitivity
- beam splitter
- radiation
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электромагнитных измерений и может быть использовано в электроэнергетике, в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматики.The invention relates to the field of electromagnetic measurements and can be used in the electric power industry, in high voltage measuring equipment, in the field of relay protection and automation.
Традиционно для измерения переменных токов в электроэнергетике и промышленности используются электромагнитные измерительные трансформаторы тока, обладающие рядом специфических ограничений по условиям функционирования, изоляционным параметрам, точности и стабильности измерений и т.д. Альтернативой измерительным трансформаторам являются волоконно-оптические измерительные преобразователи тока, основанные на использовании магнитооптического эффекта Фарадея - вращения плоскости поляризации света в продольном магнитном поле, применяемые в сочетании с современными цифровыми технологиями обработки сигналов и передачи данных.Traditionally, for measuring alternating currents in the electric power industry and industry, electromagnetic measuring current transformers are used, which have a number of specific limitations on operating conditions, isolation parameters, accuracy and stability of measurements, etc. An alternative to measuring transformers is fiber-optic current measuring transducers based on the use of the magneto-optical Faraday effect - rotation of the plane of polarization of light in a longitudinal magnetic field, used in combination with modern digital signal processing and data transmission technologies.
В волоконно-оптических измерительных преобразователях тока используются световоды типа twist и spun. Первый тип световода обычно изготавливается из одномодового стекловолокна с предельно малым (~1÷2°/м) сдвигом фаз внутреннего двойного лучепреломления (ДЛП). Для изготовления чувствительного элемента датчика волокно упруго закручивается вокруг собственной оси с целью создания в нем сильного циркулярного ДЛП, многократно превышающего по величине любые линейные двулучепреломления, наведенные внешними воздействиями. Такая операция необходима для уменьшения зависимости чувствительности датчика от степени искривления волокна в процессе намотки его вокруг проводника с измеряемым током. Однако необходимость принятия специальных мер для «удержания» закрученного состояния волокна в оптическом кабеле существенно усложняет технологию изготовления непосредственно чувствительного элемента датчика, особенно при свободной форме измерительного контура.Fiber optic current transducers use twist and spun fibers. The first type of fiber is usually made of single-mode fiberglass with an extremely small (~ 1 ÷ 2 ° / m) phase shift of internal birefringence (DLP). To manufacture the sensor’s sensitive element, the fiber is twisted elastically around its own axis in order to create a strong circular birefringence in it, many times exceeding any linear birefringence induced by external influences. This operation is necessary to reduce the dependence of the sensitivity of the sensor on the degree of curvature of the fiber during winding around the conductor with the measured current. However, the need to take special measures to “hold” the twisted state of the fiber in the optical cable significantly complicates the manufacturing technology of the directly sensitive sensor element, especially with the free form of the measuring circuit.
Второй тип световода (spun) изготавливают из заготовки с сильным встроенным линейным ДЛП, которую вращают в процессе термической вытяжки волокна. Поскольку закручивание волокна в этом случае не является упругим, в нем не возникает циркулярное ДЛП, обусловленное упругооптическим эффектом. Поэтому механизм подавления воздействия добавочных ДЛП в местах изгибов волокна, другой - такие двулучепреломления теряются на фоне сильного встроенного линейного ДЛП. Влияние последнего на чувствительность датчика, в свою очередь, нивелируется очень быстрым вращением осей ДЛП относительно проходящего света. «Замороженность» закрученного состояния spun волокна упрощает технологию изготовления чувствительного элемента по сравнению с twist световодом.The second type of fiber (spun) is made from a workpiece with a strong integrated linear DLP, which is rotated during the thermal drawing of the fiber. Since the twisting of the fiber in this case is not elastic, circular birefringence due to the elasto-optical effect does not occur in it. Therefore, the mechanism of suppressing the effect of additional DLP in places of fiber bending, and the other, such birefringence is lost against the background of a strong built-in linear DLP. The influence of the latter on the sensitivity of the sensor, in turn, is offset by a very fast rotation of the axes of the DLP relative to the transmitted light. The "frozen" state of the twisted state of the spun fiber simplifies the manufacturing technology of the sensitive element compared to a twist fiber.
Особенностью эффекта Фарадея является его «невзаимность»: при смене направления распространения света направление магнитооптического вращения поляризации не меняется. Поэтому разработчики волоконно-оптических измерительных преобразователей тока предпочитают использовать схему с двойным проходом излучения по волокну (туда и обратно), позволяющую при одинаковых размерах чувствительного контура потенциально вдвое увеличить угол магнитооптического поворота - физический механизм измерения тока.A feature of the Faraday effect is its “non-reciprocity": when the direction of light propagation changes, the direction of the polarization magneto-optical rotation does not change. Therefore, the developers of fiber-optic measuring current transducers prefer to use a scheme with a double radiation pass through the fiber (there and back), which allows for the same size sensitive circuit to potentially double the magneto-optical rotation angle - a physical mechanism for measuring current.
Известна схема регистрации тока на основе эффекта Фарадея в одномодовом стекловолокне [Kim B.Y., Park D, Choi S.S. Use of polarizationoptical time domain reflectometry for observation of Faraday effect in singlemode fibers // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1982. V.18, №4. P.455-456], включающая источник света (лазерный диод), размещенную по ходу луча формирующую оптику (микрообъектив), поляризатор, выполненный в виде поляризационного светоделителя и оптически связанный с блоком регистрации интенсивности света из линзы и фотодетектора, узел ввода излучения в сердцевину волокна в виде микрообъектива, чувствительный элемент в виде петли из нескольких витков одномодового стекловолокна, и зеркала на торце световода. Чувствительность преобразователя, построенного по такой схеме, крайне нелинейная и зависит от многих факторов.A known current recording scheme based on the Faraday effect in single-mode fiberglass [Kim B.Y., Park D, Choi S.S. Use of polarizationoptical time domain reflectometry for observation of Faraday effect in singlemode fibers // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1982. V.18, No. 4. P.455-456], including a light source (laser diode), an optics (micro lens) placed along the beam, a polarizer made in the form of a polarizing beam splitter and optically coupled to a light intensity registration unit from the lens and photodetector, a radiation input unit into the core fibers in the form of a micro lens, a sensitive element in the form of a loop of several turns of single-mode fiberglass, and a mirror at the end of the fiber. The sensitivity of the converter constructed according to such a scheme is extremely non-linear and depends on many factors.
Известен волоконно-оптический измерительный преобразователь тока, выбранный нами в качестве прототипа [Laming R.I., Payne D.N. Electric current sensor employing spun highly birefringent optical fibers // J. Lightw. Technol. 1989. V.7, №12. P.2084-2094.], включающий источник света (лазерный диод), размещенную по ходу луча формирующую оптику, поляризатор, поляризационно-нейтральный светоделитель, оптически связанный с блоком регистрации интенсивности ортогональных составляющих света, состоящим из анализатора в виде поляризационного светоделителя и двух фотодетекторов, узел ввода излучения в волокно, чувствительный элемент в виде петли из нескольких витков spun световода, узел обратного ввода излучения в сердцевину волокна в виде формирующей оптики и зеркала Фарадея, состоящего из 45-градусного вращателя Фарадея и зеркала. Использование в схеме датчика зеркала Фарадея позволило в значительной степени нивелировать влияния ДЛП вдоль волокна, обусловленные его изгибами при формировании чувствительного контура. Однако условия оптимальной ориентации анализатора (рабочей точки) нарушаются в связи с конечными температурной и спектральной зависимостями характеристик магнитооптического стекла и возможной временной деградацией свойств постоянного магнита, используемых во вращателе Фарадея. Это приводит к возникновению дополнительных ошибок измерения.Known fiber-optic measuring current transducer, selected by us as a prototype [Laming R.I., Payne D.N. Electric current sensor employing spun highly birefringent optical fibers // J. Lightw. Technol. 1989. V.7, No. 12. P.2084-2094.], Comprising a light source (laser diode), forming optics along the beam, a polarizer, a polarization-neutral beam splitter, optically coupled to an intensity recording unit for orthogonal light components, consisting of an analyzer in the form of a polarization beam splitter and two photodetectors , a node for inputting radiation into a fiber, a sensing element in the form of a loop of several turns of a spun fiber, a node for returning radiation to a fiber core in the form of forming optics and a Faraday mirror, consisting of and h 45 degree Faraday rotator and mirrors. The use of a Faraday mirror in the sensor circuit made it possible to substantially level the effects of DLP along the fiber due to its bends during the formation of the sensitive contour. However, the conditions for the optimal orientation of the analyzer (operating point) are violated due to the finite temperature and spectral dependences of the characteristics of magneto-optical glass and the possible temporary degradation of the properties of the permanent magnet used in the Faraday rotator. This leads to additional measurement errors.
Мной было обосновано и экспериментально подтверждено, что существует строго определенная зависимость между величинами чувствительности измерительного преобразователя тока и возможными колебаниями чувствительности при изменении ориентации плоскости чувствительного контура в пространстве, с одной стороны, и поляризационными характеристиками spun световода и размерами измерительного контура - с другой. Выведены формулы такой зависимости.I justified and experimentally confirmed that there is a strictly defined relationship between the sensitivity values of the current transducer and possible sensitivity fluctuations when the orientation of the plane of the sensitive contour in space changes, on the one hand, and the polarization characteristics of the spun fiber and the dimensions of the measuring circuit, on the other. Formulas of such a dependence are derived.
Предложен высокоточный и стабильный волоконно-оптический измерительный преобразователь тока на основе spun световода, положение рабочей точки которого не зависит от спектральных, температурных и геометрических условий прохождения света по волокну, а также от характеристик магнитооптического стекла и свойств постоянного магнита, используемых во вращателе Фарадея.A high-precision and stable fiber-optic measuring current transducer based on a spun fiber is proposed, the position of the operating point of which does not depend on the spectral, temperature, and geometric conditions of light transmission through the fiber, as well as on the characteristics of magneto-optical glass and the properties of a permanent magnet used in a Faraday rotator.
Такой технический результат получен, когда в волоконно-оптическом измерительном преобразователе тока на основе spun световода, включающем источник света, расположенные по ходу луча формирующую оптику в виде микрообъектива, поляризатор, поляризационно-нейтральный светоделитель, оптически связанный с блоком регистрации интенсивности ортогонально поляризованных составляющих света, состоящим из анализатора в виде поляризационного светоделителя и двух фотодетекторов, узел ввода излучения в сердцевину spun световода, из которого выполнен чувствительный элемент в виде охватывающей проводник с измеряемым током петли по крайней мере из одного витка волокна, и узел обратного ввода излучения в волокно в виде микрообъектива и зеркала Фарадея, новым является то, что торцы световода выполнены без осевого отражения света, шаг Lβ биений встроенного линейного двойного лучепреломления spun световода выбран из условия:Such a technical result was obtained when in a fiber-optic measuring current transducer based on a spun fiber, which includes a light source, forming optics in the form of a micro-lens located along the beam, a polarizer, a polarization-neutral beam splitter, optically coupled to an intensity recording unit of orthogonally polarized light components, consisting of an analyzer in the form of a polarization beam splitter and two photodetectors, a radiation input unit into the spun core of the fiber, from which an element in the form of a loop enclosing a conductor with a measured current from at least one turn of fiber, and a node for returning radiation into the fiber in the form of a micro lens and a Faraday mirror, new is that the ends of the fiber are made without axial reflection of light, step L β beats built linear birefringence spun fiber selected from the condition:
где ±Δη - заданные максимально возможные колебания чувствительности измерительного преобразователя относительно заданного среднего значения 
LR - длина биений линейного двойного лучепреломления, обусловленного искривлением волокна с радиусом изгиба R, имеет размерность длины;L R - the length of the beats of linear birefringence due to the curvature of the fiber with a bending radius R, has a dimension of length;
шаг Lγ закрутки осей линейного двойного лучепреломления spun световода выбран из условия:the pitch L γ of the spin axis of the linear birefringence spun of the fiber is selected from the condition:
где Lβ - шаг биений встроенного линейного двойного лучепреломления spun световода, имеет размерность длины;where L β is the beat beat of the built-in linear birefringence spun fiber, has a dimension of length;
a spun световод выбран с разными знаками относительных температурных коэффициентов V константы Верде материала сердцевины волокна (V-1dV/dT) и длины Lβ биений встроенного линейного двойного лучепреломления (L-1 βdLβ/dT).a spun fiber is selected with different signs of the relative temperature coefficients V of the Verde constant of the fiber core material (V -1 dV / dT) and the length L β of the beats of the built-in linear birefringence (L -1 β dL β / dT).
Подходы к выполнению торцов spun световода без осевого отражения света известны.Approaches to the implementation of the ends of the spun fiber without axial reflection of light are known.
Подходы к нахождению длины LR биений линейного двойного лучепреломления, обусловленного искривлением волокна с радиусом изгиба R, известны.Approaches to finding the length L R of beats of linear birefringence due to the curvature of a fiber with a bending radius R are known.
Подходы к определению чувствительности
Если хотят повысить устойчивость преобразователя к изменениям температурных, спектральных или геометрических условий функционирования, то в узел обратного ввода излучения в волокно между микрообъективом и зеркалом Фарадея дополнительно вводят анизотропный кристалл, оптические и геометрические параметры которого выбраны такими, что траектории ортогонально поляризованных пучков света внутри кристалла меняются местами после отражения от зеркала Фарадея (п.2 формулы).If you want to increase the resistance of the converter to changes in temperature, spectral or geometric operating conditions, then an anisotropic crystal is additionally introduced into the fiber return node between the micro lens and the Faraday mirror, the optical and geometric parameters of which are chosen such that the trajectories of orthogonally polarized light beams inside the crystal change places after reflection from the Faraday mirror (claim 2 of the formula).
Подходы к выбору и выполнению анизотропного кристалла с необходимыми оптическими параметрами и геометрией известны.Approaches to the selection and implementation of an anisotropic crystal with the necessary optical parameters and geometry are known.
Если источник излучения выполнен в виде лазерного диода и необходима стабилизация интенсивности его генерации, то поляризатор выполняют в виде светоделителя, и в схему дополнительно вводят оптически связанное с ним зеркало. Зеркало выполняет функцию внешнего зеркала составного резонатора лазерного диода (п.3 формулы).If the radiation source is made in the form of a laser diode and stabilization of the intensity of its generation is necessary, then the polarizer is made in the form of a beam splitter, and an optically coupled mirror is additionally introduced into the circuit. The mirror acts as an external mirror of the composite resonator of the laser diode (claim 3 of the formula).
На чертеже представлена общая схема измерительного преобразователя, где источник 1 света (например, лазерный диод), формирующая оптика - микрообъектив 2, поляризатор (поляризационный светоделитель) 3, поляризационно-нейтральный светоделитель 4, микрообъектив 5, оптический коннектор 6, чувствительный элемент 7, проводник 8 с измеряемым током, оптический коннектор 9, микрообъектив 10, анизотропный кристалл 11, стержень 12 из магнитооптического стекла, магнит 13, зеркало 14, линза 15, поляризационный светоделитель 16 (призма Волластона), фотодиоды 17 и 18, зеркало 19.The drawing shows a general diagram of a measuring transducer, where the light source 1 (for example, a laser diode), the forming optics are a micro lens 2, a polarizer (polarization beam splitter) 3, a polarization-neutral beam splitter 4, a micro lens 5, an optical connector 6, a sensing element 7, a conductor 8 with measured current, optical connector 9, micro lens 10, anisotropic crystal 11, magneto-optical glass rod 12, magnet 13, mirror 14, lens 15, polarizing beam splitter 16 (Wollaston prism), photodiodes 17 and 18, The mirror is 19.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Излучение источника 1 коллимируется микрообъективом 2, проходит через фильтр - поляризационный светоделитель 3, поляризационно-нейтральный светоделитель 4 (оптимальный коэффициент деления 50%/50%) и микрообъективом 5 фокусируется в сердцевину стекловолокна, концы которого вклеены в стандартные оптические коннекторы 6 и 9 световода. Последний образует чувствительный контур 7 из n витков волокна вокруг проводника 8 с измеряемым током. Для предотвращения интерференционных эффектов между торцами световода, а также нежелательного наложения на полезный сигнал френелевского отражения от торцов срезы волокна полируются наклонно по отношению к оси излучения, либо на срезы волокна наносится просветляющее покрытие. Излучение с выхода волокна коллимируется микрообъективом 10 и после отражения от зеркала Фарадея вновь фокусируется в сердцевину световода. В результате для обратно проходящего по световоду излучения быстрые и медленные оси локальных линейных ДЛП в волокне меняются местами, и, при отсутствии магнитооптического (МО) эффекта, трансформация состояния поляризации (СП) происходит в обратном порядке до восстановления линейного состояния поляризации, ортогонального входному. Таким образом осуществляется ортогональное преобразование СП, что приводит к нивелированию влияний ДЛП, возникающих при изгибах световода. Однако вариации СП света вдоль световода приводят к тому, что вклад различных частей световода в суммарное проявление эффекта Фарадея становится неодинаковым, а общая величина эффекта Фарадея остается зависимой от поляризационных параметров световода и геометрии измерительного контура.The radiation of source 1 is collimated by a micro lens 2, passes through a filter - a polarizing beam splitter 3, a polarization-neutral beam splitter 4 (optimal division ratio 50% / 50%) and a micro lens 5 focusing in the fiberglass core, the ends of which are glued into standard optical connectors 6 and 9 of the fiber. The latter forms a sensitive circuit 7 of n turns of fiber around the conductor 8 with the measured current. To prevent interference effects between the ends of the fiber, as well as an undesirable overlap on a useful signal with Fresnel reflection from the ends, the fiber sections are polished obliquely with respect to the radiation axis, or an antireflection coating is applied to the fiber sections. The radiation from the fiber exit is collimated by the micro-lens 10 and, after reflection from the Faraday mirror, is again focused into the core of the fiber. As a result, for the radiation passing back through the fiber, the fast and slow axes of the local linear DLPs in the fiber are interchanged, and, in the absence of the magneto-optical (MO) effect, the transformation of the polarization state (SP) occurs in the reverse order until the linear polarization state orthogonal to the input is restored. Thus, the orthogonal transformation of the SP is carried out, which leads to the leveling of the effects of the DLP arising during bending of the fiber. However, variations in the SP of the light along the fiber lead to the fact that the contribution of various parts of the fiber to the total manifestation of the Faraday effect becomes uneven, and the total value of the Faraday effect remains dependent on the polarization parameters of the fiber and the geometry of the measuring circuit.
Часть излучения с выхода световода отражается от диагональной грани светоделителя 4 и через собирающую линзу 15 попадает на анализатор - призму Волластона 16, разделяющую пучок на две линейно-ортогональные поляризационные составляющие. Интенсивности последних (I1 и I2) регистрируются с помощью фотодиодов 17 и 18 и обрабатываются по определенному алгоритму для нахождения величины измеряемого тока. Подходы к определению алгоритма обработки измерительных сигналов известны.Part of the radiation from the output of the fiber is reflected from the diagonal face of the beam splitter 4 and, through a collecting lens 15, is incident on the analyzer — the Wollaston prism 16, which divides the beam into two linearly orthogonal polarizing components. The intensities of the latter (I 1 and I 2 ) are recorded using photodiodes 17 and 18 and processed according to a certain algorithm to find the magnitude of the measured current. Approaches to the definition of an algorithm for processing measuring signals are known.
Для обеспечения долговременной стабильной работы преобразователя задают требуемые значения чувствительности и максимально допустимый размах ее колебаний в процессе эксплуатации. Среднее значение
а возможные вариации чувствительности ±Δη относительно среднего значения определяются выражением:and possible sensitivity variations ± Δη relative to the average value are determined by the expression:
Последняя формула определяет параметр долговременной стабильности реакции преобразователя на измеряемый ток. Другими словами, задавая на этапе проектирования измерительного преобразователя величину максимально допустимых вариаций чувствительности относительно заданной величины среднего значения чувствительности, и опираясь на известные геометрические размеры предполагаемого чувствительного контура, мы можем определять необходимые поляризационные параметры spun световода.The last formula determines the parameter of long-term stability of the transducer response to the measured current. In other words, setting the value of the maximum allowable sensitivity variations relative to a given value of the average sensitivity value at the design stage of the measuring transducer, and based on the known geometric dimensions of the proposed sensitive circuit, we can determine the necessary polarization parameters of the fiber spun.
Таким образом, построение измерительного преобразователя по предложенной схеме, со spun световодом, параметры которого определены заранее, исходя их поставленной измерительной задачи, обеспечивает высокоточное и стабильное измерение тока.Thus, the construction of a measuring transducer according to the proposed scheme, with a spun fiber, the parameters of which are determined in advance, based on their stated measurement task, provides a highly accurate and stable current measurement.
Если в узле обратного ввода излучения в волокно дополнительно разместить анизотропный кристалла 11 (п.2 формулы), оптические параметры и геометрия которого подобраны таким образом, что траектории ортогонально поляризованных пучков света внутри кристалла меняются местами после двойного прохода МО стержня 12, расположенного по оси кольцевого магнита 13, с промежуточным отражением от плоского зеркала 14, то мы обеспечим фиксирование положения рабочей точки измерительного преобразователя относительно анализатора независимо от реального угла МО поворота плоскости поляризации вовращателе Фарадея и от возможных изменений температурных, спектральных или геометрических условий прохождения излучения по волокну. Это приведет к повышению точности измерения тока в реальных условиях.If an anisotropic crystal 11 is additionally placed in the radiation return to the fiber node (claim 2 of the formula), the optical parameters and geometry of which are selected in such a way that the paths of orthogonally polarized light beams inside the crystal change places after a double passage of the MO rod 12 located along the ring axis magnet 13, with intermediate reflection from a flat mirror 14, then we will provide a fixation of the position of the operating point of the measuring transducer relative to the analyzer, regardless of the actual angle MO polarization plane rotation and Faraday vovraschatele of possible changes of temperature, spectral or geometrical conditions radiation passing through the fiber. This will increase the accuracy of current measurement in real conditions.
Если источник излучения выполнен в виде лазерного диода и необходима стабилизация мощности его генерации, для реализации режима пассивной стабилизации интенсивности генерации лазерного диода в схеме с протяженным составным резонатором, поляризатор 3 выполняют в виде светоделителя, и в схему дополнительно вводят оптически связанное с ним зеркало 19, жестко установленное на некотором расстоянии от излучающей поверхности кристалла диода и выполняющее роль внешнего зеркала составного резонатора (п.3 формулы). Оптическая связь с зеркалом осуществляется за счет отражения части излучения диода от диагональной грани поляризационного светоделителя 3 при небольшом фиксированном развороте последнего вокруг оси излучения относительно положения с максимальным пропусканием.If the radiation source is made in the form of a laser diode and it is necessary to stabilize the power of its generation, to implement the passive stabilization of the intensity of the generation of the laser diode in a circuit with an extended composite resonator, the polarizer 3 is made in the form of a beam splitter, and an optically coupled mirror 19 is additionally introduced into the circuit, rigidly mounted at a certain distance from the radiating surface of the diode crystal and acting as an external mirror of the composite resonator (claim 3 of the formula). Optical communication with the mirror is due to the reflection of part of the radiation of the diode from the diagonal face of the polarizing beam splitter 3 with a small fixed turn of the latter around the axis of radiation relative to the position with maximum transmittance.
Пример конкретного исполнения (по п.2 и п.3 формулы).An example of a specific implementation (according to claim 2 and claim 3 of the formula).
На предприятии ФГУП «НИИКИ ОЭП» изготовлен макетный образец волоконно-оптического измерительного преобразователя тока. Техническое задание Заказчика предусматривало разработку и изготовление измерительного преобразователя класса точности 0,5 для измерения переменного тока с номинальным значением 3 кА (rms - среднеквадратичное значение) в объемном токопроводе диаметром 75 мм, находящемся под высоким напряжением 5 кВ. В качестве источника излучения был выбран одномодовый лазерный диод ML1016R фирмы «Mitsubishi» (длина волны излучения λ=658 нм, средняя мощность излучения 30 мВт). Исходя из допустимой погрешности измерения номинального тока (±0,5%) и опираясь на минимальный радиус изгиба волокна, ограниченный поперечным размером токопровода (R=39 мм - с учетом внешней оболочки световода), были рассчитаны необходимые поляризационные параметры spun световода, используемого в качестве чувствительного элемента:At the enterprise FSUE “NIIKI OEP” a prototype of a fiber-optic measuring current transducer was manufactured. The Customer’s technical task provided for the development and manufacture of a measuring transducer of accuracy class 0.5 for measuring alternating current with a nominal value of 3 kA (rms is the rms value) in a bulk current conductor with a diameter of 75 mm and under a high voltage of 5 kV. As a radiation source, a Mitsubishi ML1016R single-mode laser diode was chosen (radiation wavelength λ = 658 nm, average radiation power 30 mW). Based on the permissible error in the measurement of the nominal current (± 0.5%) and relying on the minimum bending radius of the fiber, limited by the transverse size of the current lead (R = 39 mm, taking into account the outer sheath of the fiber), the necessary polarization parameters of the spun fiber used as sensitive element:
Здесь LR=400 πR2 - приведенное для стекловолокна с внешним диаметром 125 мкм выражение из [1] для рабочей длины волны излучения λ=658 нм. Исходя из номенклатуры spun волокна изготовителя, остановились на значении LR=4 мм для длины волны 600 нм, что соответствует LR=4,39 мм для рабочей длины волны. Предполагая достижение относительной величины средней чувствительности преобразователя
Измеренное значение шумов интенсивности генерации лазерного диода, применяемого в схеме измерительного преобразователя, составило не более 0,01÷0,015% (rms) при использовании внешнего зеркала составного резонатора. С учетом того, что класс точности 0,5 предусматривает измерение тока величиной 5% от номинального значения (нижняя граница диапазона измерения с нормируемой ГОСТом погрешностью) с погрешностью не более 1,5%, определили, что при номинальном токе общая величина переменного магнитооптического вращения должна составлять ~0,2 рад (rms). Используя значение константы Верде для плавленого кварца V≈4,25 мкрад/А (λ=658 нм) [2] и учитывая относительную величину чувствительности преобразователя, определили необходимое число витков чувствительного контура n=16. С учетом полуметровых свободных концов светопровода для обеспечения изоляции от высокого напряжения получили общую длину светопровода L≈5 м. Таким образом, в качестве чувствительного элемента измерительного преобразователя был выбран светопровод общей длиной 5 м из стекловолокна марки «LBSpun» производства «Oxford electronics» (длина биений Lβ=4 мм для λ=600 нм, шаг закрутки осей ДЛП Lγ=3,333 мм). Торцы волокна вклеивались в стандартные оптические коннекторы типа FC/ARS. В качестве анизотропного кристалла использовался кристалл кальцита СаСО3 длиной 17 мм, рабочие грани которого были обработаны под углами 45° и 25° к оптической оси кристалла. В качестве сердечника вращателя Фарадея использовался стержень из магнитооптического стекла МОС 101. В качестве постоянного магнита использовался набор магнитных колец из сплава Nd-Fe-B. Измеренная величина угла поворота плоскости поляризации света при однократном прохождении вращателя Фарадея составляла 31,5°. Это значение не совпадало с оптимальной величиной угла поворота (45°), однако использование анизотропного кристалла позволило осуществить строго ортогональное преобразование СП света при прохождении в прямом и обратном направлении кристалла и зеркала Фарадея. Для измерения интенсивности ортогонально поляризованных компонент света использовались фотодиоды ФД-256, работающие в фотодиодном режиме. Для оцифровки измеренных сигналов использовался 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь DAQCard-Al-16XE-50 фирмы «National Instruments». Для обработки измерительных сигналов и представления результатов использовалась среда графического программирования LabVIEW.The measured value of the noise emission intensity of the laser diode used in the measuring transducer circuit was not more than 0.01–0.015% (rms) when using an external mirror of the composite resonator. Taking into account that accuracy class 0.5 provides for measuring a current of 5% of the nominal value (the lower limit of the measuring range with an error standardized by GOST) with an error of not more than 1.5%, it was determined that at rated current the total magnitude of the alternating magneto-optical rotation should be ~ 0.2 rad (rms). Using the value of the Verdet constant for fused silica V≈4.25 mcrad / A (λ = 658 nm) [2] and taking into account the relative value of the sensitivity of the transducer, we determined the required number of turns of the sensitive circuit n = 16. Taking into account the half-meter free ends of the optical fiber to ensure insulation from high voltage, we obtained a total optical fiber length of L≈5 m. Thus, a fiber optic cable with a total length of 5 m made of fiberglass “LBSpun” manufactured by Oxford electronics was selected as a sensitive element of the measuring transducer (length beats L β = 4 mm for λ = 600 nm, the pitch of the twist axis of the DLP L γ = 3.333 mm). The ends of the fiber were glued into standard optical connectors of the FC / ARS type. A 17-mm-long calcite CaCO 3 crystal was used as an anisotropic crystal, the working faces of which were processed at angles of 45 ° and 25 ° to the optical axis of the crystal. The core of the MOS 101 magneto-optical glass was used as the core of the Faraday rotator. A set of magnetic rings from the Nd-Fe-B alloy was used as a permanent magnet. The measured angle of rotation of the plane of polarization of light with a single passage of the Faraday rotator was 31.5 °. This value did not coincide with the optimal angle of rotation (45 °), however, the use of an anisotropic crystal made it possible to carry out strictly orthogonal transformation of the superconducting light when the crystal and the Faraday mirror passed in the forward and backward directions. To measure the intensity of the orthogonally polarized light components, we used FD-256 photodiodes operating in the photodiode mode. To digitize the measured signals, a 16-bit analog-to-digital converter DAQCard-Al-16XE-50 from National Instruments was used. To process the measuring signals and present the results, the LabVIEW graphical programming environment was used.
Результаты измерения переменного тока макетным образцом волоконно-оптического преобразователя подтвердили правильность выбора необходимых параметров spun световода и чувствительного контура. Долговременная погрешность измерения тока в диапазоне от 5 до 120% от номинального значения не выходила за рамки допустимых для класса точности 0,5.The results of measuring alternating current with a prototype fiber-optic converter confirmed the correct choice of the necessary parameters of the spun fiber and the sensitive circuit. The long-term error of current measurement in the range from 5 to 120% of the nominal value did not go beyond the limits admissible for an accuracy class of 0.5.
Оценка температурной стабильности реакции макетного образца измерительного преобразователя проводилась с использованием естественного нагрева световода при длительном протекании номинального тока по проводнику. При росте температуры от 20°С до 40°С относительные изменения чувствительности измерительного преобразователя составили ~+0,3%. Рост чувствительности за счет возрастания константы Верде, исходя из ее относительной температурной зависимости V-1dV/dT=+0,7×10-4 К-1 [3], мог составить в этих условиях не более 0,15%. Очевидно, что дополнительный сдвиг чувствительности обусловлен температурной зависимостью соотношения Lβ/Lγ используемого нами spun световода. Пренебрегая относительным изменением шага закрутки вследствие малого коэффициента линейного расширения плавленого кварца (L-1dL/dT<0,6×10-6 К-1 [4]), получили для используемого в макетном образце измерительного преобразователя spun светопровода температурный коэффициент изменения длины биений встроенного ДЛП L-1 βdLβ/dT ~+4×10-4 К-1. Отрицательный знак температурного коэффициента обсуждаемой величины позволил бы полностью нейтрализовать температурную зависимость чувствительности датчика при использовании spun световода с специально подобранным соотношением параметров Lβ/Lγ.Assessment of the temperature stability of the reaction of the prototype of the measuring transducer was carried out using natural heating of the fiber with long-term flow of the rated current through the conductor. With an increase in temperature from 20 ° С to 40 ° С, the relative changes in the sensitivity of the measuring transducer amounted to ~ + 0.3%. The increase in sensitivity due to an increase in the Verdet constant, based on its relative temperature dependence V -1 dV / dT = + 0.7 × 10 -4 K -1 [3], could be no more than 0.15% under these conditions. Obviously, the additional shift in sensitivity is due to the temperature dependence of the ratio L β / L γ of the spun fiber used by us. Neglecting the relative change in the spin pitch due to the small coefficient of linear expansion of fused silica (L -1 dL / dT <0.6 × 10 -6 K -1 [4]), we obtained the temperature coefficient of the beating length change for the optical fiber spun measuring transducer used in the prototype embedded DLP L -1 β dL β / dT ~ + 4 × 10 -4 K -1 . A negative sign of the temperature coefficient of the discussed quantity would completely neutralize the temperature dependence of the sensor sensitivity when using a spun fiber with a specially selected ratio of parameters L β / L γ .
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Ulrich R., Rashleigh S.C., Eickhoff W. Bending-induced birefringence in single mode fibers // Opt. Lett. 1980. V.5. P.273-275.1. Ulrich R., Rashleigh S.C., Eickhoff W. Bending-induced birefringence in single mode fibers // Opt. Lett. 1980. V. 5. P.273-275.
2. Rose A.H., Etzel S.M., Wang C.M. Verdet constant dispersion in annealed optical fiber current sensor // J.Lightw. Technol. 1997. V.15, №5, P.803-807.2. Rose A.H., Etzel S.M., Wang C.M. Verdet constant dispersion in annealed optical fiber current sensor // J. Lightw. Technol. 1997. V. 15, No. 5, P.803-807.
3. Williams P.A., Rose A.H., Day G.W., Milner Т.Е., Deeter M.N. Temperature dependence of the Verdet constant in several diamagnetic glasses // Appl. Opt. 1991. V.30, №10. P.1176-1178.3. Williams P.A., Rose A.H., Day G.W., Milner T.E., Deeter M.N. Temperature dependence of the Verdet constant in several diamagnetic glasses // Appl. Opt. 1991. V.30, No. 10. P.1176-1178.
4. Marvin J.W. Handbook of optical materials // CRC Press, 2003.4. Marvin J.W. Handbook of optical materials // CRC Press, 2003.
Claims (3)
где ±Δη - заданные максимально возможные колебания чувствительности измерительного преобразователя относительно заданного среднего значения
LR - длина биений линейного двойного лучепреломления, обусловленного искривлением волокна с радиусом изгиба R, имеет размерность длины;
шаг Lγ закрутки осей линейного двойного лучепреломления spun световода выбран из условия:
где Lβ - шаг биений встроенного линейного двойного лучепреломления spun световода, размерность длины;
a spun световод выбран с разными знаками относительных температурных коэффициентов V константы Верде материала сердцевины волокна (V-1dV/dT) и длины Lβ биений встроенного линейного двойного лучепреломления (L-1 βdLβ/dT).1. A fiber-optic measuring current transducer based on a spun fiber, including a light source located along the beam forming an optics in the form of a micro lens, a polarizer, a polarization-neutral beam splitter, optically coupled to an intensity recording unit of orthogonally polarized light components, consisting of an analyzer in the form a polarizing beam splitter and two photodetectors, a node for introducing radiation into the spun core of the optical fiber, from which a sensitive element is made in the form of a female windows explorer with measured current loops of at least one fiber coil, and reverse radiation input node into a fiber in the form of microlens and mirrors Faraday, characterized in that the ends of the fiber are made without axial light reflection, Step L β beats embedded linear birefringence spun fiber is selected from the condition:
where ± Δη are the specified maximum possible fluctuations in the sensitivity of the measuring transducer relative to a given average value
L R - the length of the beats of linear birefringence due to the curvature of the fiber with a bending radius R, has a dimension of length;
the pitch L γ of the spin axis of the linear birefringence spun of the fiber is selected from the condition:
where L β - beat beat of the built-in linear birefringence spun fiber, length dimension;
a spun fiber is selected with different signs of the relative temperature coefficients V of the Verde constant of the fiber core material (V -1 dV / dT) and the length L β of the beats of the built-in linear birefringence (L -1 β dL β / dT).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010154720/28A RU2451941C1 (en) | 2010-12-27 | 2010-12-27 | Fibre-optic current measuring transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010154720/28A RU2451941C1 (en) | 2010-12-27 | 2010-12-27 | Fibre-optic current measuring transducer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2451941C1 true RU2451941C1 (en) | 2012-05-27 |
Family
ID=46231761
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010154720/28A RU2451941C1 (en) | 2010-12-27 | 2010-12-27 | Fibre-optic current measuring transducer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2451941C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2539114C1 (en) * | 2013-07-23 | 2015-01-10 | Открытое акционерное общество "Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы" | Fibre-optic voltage meter |
| US10466278B2 (en) | 2015-01-14 | 2019-11-05 | Abb Schweiz Ag | Spun highly-birefringent fiber for current sensing with inherent insensitivity to temperature |
| RU2785967C1 (en) * | 2022-02-09 | 2022-12-15 | АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (АО "НИИ ОЭП") | Fiber-optic current sensor |
| CN116626113A (en) * | 2023-07-21 | 2023-08-22 | 浙江朗德电子科技有限公司 | Dual-channel hydrogen sensor, preparation method and detection method |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0853765B1 (en) * | 1995-10-04 | 2000-05-17 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Verdet constant temperature-compensated current sensor |
| EP1133703B1 (en) * | 1998-10-31 | 2004-07-28 | THE TEXAS A & M UNIVERSITY SYSTEMS | Fiber optic current sensor |
| US6891622B2 (en) * | 1999-02-11 | 2005-05-10 | Kvh Industries, Inc. | Current sensor |
| US7339680B2 (en) * | 2003-09-03 | 2008-03-04 | Abb Research Ltd | Temperature-stabilized sensor coil and current sensor |
| US7679753B2 (en) * | 2007-06-26 | 2010-03-16 | Huang Hung-Chia | Passively biased fiber-optic gyroscope and current sensor |
| RU96986U1 (en) * | 2010-02-11 | 2010-08-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Уникальные волоконные приборы" | FIBER OPTICAL SENSOR |
-
2010
- 2010-12-27 RU RU2010154720/28A patent/RU2451941C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0853765B1 (en) * | 1995-10-04 | 2000-05-17 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Verdet constant temperature-compensated current sensor |
| EP1133703B1 (en) * | 1998-10-31 | 2004-07-28 | THE TEXAS A & M UNIVERSITY SYSTEMS | Fiber optic current sensor |
| US6891622B2 (en) * | 1999-02-11 | 2005-05-10 | Kvh Industries, Inc. | Current sensor |
| US7339680B2 (en) * | 2003-09-03 | 2008-03-04 | Abb Research Ltd | Temperature-stabilized sensor coil and current sensor |
| US7679753B2 (en) * | 2007-06-26 | 2010-03-16 | Huang Hung-Chia | Passively biased fiber-optic gyroscope and current sensor |
| RU96986U1 (en) * | 2010-02-11 | 2010-08-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Уникальные волоконные приборы" | FIBER OPTICAL SENSOR |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2539114C1 (en) * | 2013-07-23 | 2015-01-10 | Открытое акционерное общество "Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы" | Fibre-optic voltage meter |
| US10466278B2 (en) | 2015-01-14 | 2019-11-05 | Abb Schweiz Ag | Spun highly-birefringent fiber for current sensing with inherent insensitivity to temperature |
| RU2785967C1 (en) * | 2022-02-09 | 2022-12-15 | АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (АО "НИИ ОЭП") | Fiber-optic current sensor |
| CN116626113A (en) * | 2023-07-21 | 2023-08-22 | 浙江朗德电子科技有限公司 | Dual-channel hydrogen sensor, preparation method and detection method |
| CN116626113B (en) * | 2023-07-21 | 2023-10-13 | 浙江朗德电子科技有限公司 | Dual-channel hydrogen sensor, preparation method and detection method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2437106C2 (en) | Fibre-optic current sensor | |
| Peng et al. | Fiber optic current sensor based on special spun highly birefringent fiber | |
| Robalinho et al. | High enhancement strain sensor based on Vernier effect using 2-Fiber loop mirrors | |
| CN106030318A (en) | Fiber-optic sensor and method | |
| Chen et al. | Resonantly enhanced Faraday rotation in an microcoil current sensor | |
| MacDougall et al. | Development of a fiber optic current sensor for power systems | |
| KR101916940B1 (en) | a optic-fiber current sensor system | |
| RU2451941C1 (en) | Fibre-optic current measuring transducer | |
| KR101923705B1 (en) | a optic-fiber current sensor system | |
| KR101704731B1 (en) | Optical current sensors with photonic crystal fibers and a method of its prodution | |
| Temkina et al. | Manufacturing method and stability research of the fiber quarter-wave plate for fiber optic current sensor | |
| EP3084451A1 (en) | Fiber-optic sensor and method | |
| Gao et al. | A method for suppressing error of fiber optic current transformer caused by temperature based on λ/4 wave plate fabricated with polarization maintaining photonic crystal fiber | |
| RU2723238C1 (en) | Faraday cell for current meters in high-voltage networks | |
| Cao et al. | Magnetic field sensor based on peanut-shape structure and multimode fiber | |
| Zhao et al. | A heterodyne optical fiber current sensor based on a nanowire-grid in-line polarizer | |
| JP4467842B2 (en) | Optical applied measuring equipment | |
| Lovchiĭ | Numerical modelling and investigation of a polarimetric current transducer with a spun-type lightguide | |
| RU2792207C1 (en) | Fibre optic sensing element of electric current and magnetic field sensor | |
| Nascimento et al. | Intensity-modulated optical fiber sensor for AC magnetic field detection | |
| RU96986U1 (en) | FIBER OPTICAL SENSOR | |
| RU2785967C1 (en) | Fiber-optic current sensor | |
| KR102591296B1 (en) | Fiber-based Faraday Rotating Mirror and Optical Fiber Current Sensing System Using the Same | |
| Lovchiĭ | Modelling the parameters of a polarimetric ac magnetooptical sensor with a sensitive loop made from a twist-type lightguide | |
| Zhao et al. | Study on the performance of in-line closed-loop polarization maintaining fiber temperature sensor |