RU2547753C2 - Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля с температурной компенсацией, нечувствительный к изменению параметров датчика - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Волоконно-оптический датчик тока, содержащий: измерительное волокно (5), на которое воздействует магнитное поле измеряемого тока, при этом указанное измерительное волокно (5) образует виток в плоскости датчика и имеет постоянную Верде V, устройство (4) запаздывания, расположенное между сохраняющим линейную поляризацию волокном (2) и измерительным волокном (5), для преобразования света между линейной поляризацией и эллиптической поляризацией, при этом главная ось указанного сохраняющего поляризацию (сп) волокна (2) непосредственно перед указанным устройством запаздывания поворачивается относительно перпендикуляра к указанной плоскости датчика на угол β и указанное устройство (4) запаздывания вносит дифференциальный фазовый сдвиг ρ=π/2+ε между световыми волнами, поляризованными вдоль своих главных осей, где ε - дополнительный ненулевой фазовый сдвиг, блок (1) управления, формирующий сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу Δφ. Технический результат заключается в уменьшении влияния температуры на измерения тока. 22 з.п. ф-лы, 12 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к волоконно-оптическому датчику тока или датчику магнитного поля, который содержит чувствительное волокно, подвергающееся воздействию магнитного поля, например, измеряемого тока. Датчики этого типа обычно используются при измерении высокого напряжения или сильного тока.

Уровень техники

Волоконно-оптические датчики тока обычно основаны на эффекте Фарадея в волокнах из плавленого кварца. Эффект Фарадея изменяется в зависимости от температуры. Постоянная V Верде волокна из плавленого кварца, которая является параметром для эффекта Фарадея, изменяется в соответствии с выражением (1/V) ∂V/∂T=7·10^-5°С^-1, то есть в диапазоне рабочих температур, например, от -40 до +80°С, сигнал датчика изменяется в пределах 0,84%. Тем не менее, во многих областях применения датчика требуется точность в пределах ±0,2% или ±0,1% и, следовательно, требуется предпринять меры по температурной компенсации. В документах ЕР 1107029, ЕР 1115000 и [1] описан способ собственной температурной компенсации для эффекта Фарадея в волоконно-оптических датчиках тока отражательного типа и волоконно-оптических датчиках тока на основе интерферометров Саньяка. Способ собственной температурной компенсации исключает необходимость в дополнительном датчике температуры, что особенно важно для измерения тока при большой разности потенциалов. Этот способ основан на температурной зависимости волоконно-оптического устройства запаздывания, которое порождает обычно циркулярно-поляризованные световые волны, распространяющиеся в измерительном волокне. Для температурной компенсации запаздывание установлено равным такому значению, которое отличается от обычного запаздывания в 90° на ненулевую величину ε. Изменение запаздывания в зависимости от температуры влияет на масштабный коэффициент датчика. При надлежащим образом выбранном запаздывании, например, при ε=10°, влияние устройства запаздывания на чувствительность датчика (масштабный коэффициент S) компенсирует изменение постоянной Верде в зависимости от температуры.

В документе WO 2005/111633 и [2] показано, что на масштабный коэффициент S датчика также оказывает влияние угол между перпендикуляром к плоскости катушки из волокна и осью наименьшей скорости распространения света сохраняющего поляризацию волокна перед устройством запаздывания, указанный угол называется азимутальным углом β=45°-β', где β' - это угол между перпендикуляром к плоскости катушки из волокна и осью наименьшей скорости распространения света для устройства запаздывания. В этом случае катушка из измерительного волокна состоит из единственного витка не подвергшегося отжигу одномодового волокна с большим радиусом витка и, таким образом, отличается малым вызванным изгибом линейным двулучепреломлением. Волокно расположено в капилляре с уменьшающим трение средством и упаковано в гибкую полосу армированной волокном эпоксидной смолы. Изменение масштабного коэффициента S в зависимости от азимутального угла β имеет синусоидальную форму и лежит в диапазоне 0,8% в случае устройства запаздывания с ε=10° и запаздыванием двулучепреломления в измерительном волокне, равным 1,5°. Следовательно, для получения стабильного масштабного коэффициента азимутальным утлом нужно управлять и его фиксировать. В той же заявке на патент заявлено, что азимутальные углы β=0° (по модулю 90°) и β=45° (по модулю 90°) позволяют достичь минимальной чувствительности масштабного коэффициента по отношению соответственно к изменениям вызванного изгибом двулучепреломления и азимутального угла. Влиянием температурной зависимости вызванного изгибом двулучепреломления [3] пренебрегли, так как в этом случае оно очень мало. Тем не менее, возможны катушки из измерительного волокна, которые состоит из нескольких (не подвергшихся отжигу) витков волокна малого диаметра. Такие катушки могут быть использованы, например, в высоковольтном оборудовании. Катушки этого типа могут характеризоваться большой величиной двулучепреломления волокна, что приводит к запаздыванию фазы при двулучепреломлении, например, на величину δ=5…25°.

В документах ЕР 0856737 и [1] описан способ высокотемпературного отжига, который эффективно уменьшает вызванное изгибом двулучепреломление в катушках из волокон, имеющих малый диаметр и несколько витков волокна. Волокно таких катушек может снова располагаться в стеклянном капилляре как во время процедуры отжига, так и в окончательной конфигурации датчика. В зависимости от диаметра катушки и количества витков после отжига измерительное волокно может сохранить некоторое двулучепреломление. Соответствующие фазовые сдвиги при двулучепреломлении могут иметь порядок нескольких градусов. Более того, при изготовлении двулучепреломление может до некоторой степени изменяться от катушки к катушке. Изменения двулучепреломления, являющиеся результатом допусков в процессе изготовления и/или изменении температуры, влияют на упомянутую выше температурную компенсацию эффекта Фарадея. Это верно как для подвергшихся отжигу катушек, так и для катушек, не подвергшихся отжигу.

Раскрытие изобретения

Таким образом, настоящее изобретение должно решить следующую задачу: предложить гибкий волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля с малой чувствительностью к изменениям двулучепреломления волокна, вызванного, например, допусками при изготовлении или изменениями температуры.

Эта задача решена с помощью волоконно-оптического датчика тока или магнитного поля, который содержит:

измерительное волокно, которое открыто для воздействия со стороны магнитного поля измеряемого тока I, при этом указанное измерительное волокно образует виток в плоскости датчика и имеет постоянную Верде, равную V,

по меньшей мере одно устройство запаздывания, расположенное между сохраняющим поляризацию волокном и указанным измерительным волокном и предназначенное для преобразования света линейной поляризации к свету эллиптической поляризации, при этом главная ось сохраняющего поляризацию (сп) волокна непосредственно перед указанным устройством запаздывания поворачивается относительно перпендикуляра к указанной плоскости датчика на угол β и указанное устройство запаздывания вносит дифференциальный фазовый сдвиг ρ=π/2+ε между световыми волнами, поляризованными вдоль своих главных осей, и ε является дополнительным ненулевым фазовым сдвигом, и

блок управления, вырабатывающий сигнал, в частности, пропорциональный индуцированному током фазовому сдвигу Δϕ, который может быть записан следующим образом:

$$\Delta \phi =4S\left(\epsilon ,\delta ,\beta ,{\varphi }_F\right)\cdot {\varphi }_F$$

,

где φ_F=V·N·I и N - количество витков указанного измерительного волокна, δ - вызванный линейным двулучепреломлением фазовый сдвиг указанного измерительного волокна и S - масштабный коэффициент, при этом нормированная производная S по температуре Т равна

$$Z\left(\epsilon \left(T\right),\delta \left(T\right),\beta ,{\varphi }_F\right)=\frac{1}{S}\frac{\partial S\left(\epsilon ,\delta ,\beta ,{\varphi }_F\right)}{\partial T}$$

.

Датчик отличается тем, что β и ε и $$Q=\frac{1}{\rho }\frac{\partial \rho }{\partial T}$$

таковы, что условие

$$\left|\frac{1}{\Delta \phi }\frac{\partial \left(\Delta \phi \right)}{\partial T}\right|<t_1$$

или эквивалентное условие

$$\left|Z+\frac{1}{V}\frac{\partial V}{\partial T}\right|<t_1$$

выполняется в диапазоне значений φ_F и для ненулевого значения вызванного двулучепреломлением фазового сдвига δ и его заданной температурной зависимостью $$P=\frac{1}{\delta }\frac{\partial \delta }{\partial T}$$

, по меньшей мере, при температуре Т₀, предпочтительно находящейся в центре диапазона рабочих температур датчика, t₁ является первым пороговым значением, которое меньше 7*10^-5 1/К, в частности меньше 2*10^-5 1/К. Это условие далее будем называть «первым условием».

Температурная зависимость $$Q=\frac{1}{\rho }\frac{\partial \rho }{\partial T}$$

дифференциального фазового запаздывания ρ волоконного устройства запаздывания может быть до некоторой степени адаптирована надлежащим выбором параметров волокна. Температурная зависимость или температурный коэффициент $$P=\frac{1}{\delta }\frac{\partial \delta }{\partial T}$$

линейного двулучепреломления в измерительном волокне соответствует приблизительно 6*10^-4 1/К [3].

В датчике, соответствующем настоящему изобретению, составляющая ε фазового сдвига, а также угол β направления сп-волокна до устройства запаздывания целесообразно выбирать так, чтобы нормированная производная масштабного коэффициента S по температуре Т была противоположна по знаку - и предпочтительно аналогична или наиболее предпочтительно совпадала по величине - нормированной производной постоянной V Верде по температуре Т. Как показано ниже, при этих условиях устройство запаздывания компенсирует - частично или полностью - температурную зависимость постоянной V Верде измерительного волокна. По сравнению с уровнем техники, эта схема имеет две дополнительные степени свободы, так как можно изменять не только ε, но также Q и β. Эта схема также имеет одну дополнительную степень свободы, если значение Q зафиксировано и равно Q₀. Эта ситуация будет рассмотрена в следующем разделе.

Дополнительная степень свободы может быть использована для различных оптимизаций.

В одном целесообразном варианте осуществления изобретения дополнительная степень свободы используется для такого выбора ε и β, что они удовлетворяют, в дополнение к первому условию, следующему условию (целесообразно при температуре Т₀, находящейся в центре диапазона рабочих температур датчика):

$$\left|\frac{\partial Z}{\partial \delta }\right|<t_2$$

,

где t₂ является вторым пороговым значением, меньшим 2*10^-3 (K^-1*рад^-1), в частности меньшим 0,5*10^-3 (K^-1*рад^-1).

Другими словами, ε и β выбирают так, что выполняется не только первое условие, но также первое условие справедливо (при линейном приближении) даже если изменяется двулучепреломление измерительного волокна. Это, в частности, полезно для датчиков тока, в которых измерительное волокно является подвергшимся отжигу волокном, то есть после сматывания в катушку волокно подверглось термическому отжигу, так как в таких системах остаточный вызванный двулучепреломлением фазовый сдвиг δ может до некоторой степени изменяться от устройства к устройству, что происходит из-за допусков в процессе отжига. Более того, это также полезно для датчиков с одним или несколькими витками не подвергшегося отжигу волокна. Такие не подвергшиеся отжигу катушки могут иметь значительно большее двулучепреломление по сравнению с подвергшимися отжигу катушками и в результате имеют большее абсолютное отклонение δ как функции температуры.

В другом целесообразном варианте осуществления изобретения дополнительную степень свободы используют для такого выбора ε и β, чтобы они удовлетворяли, помимо первого условия, следующему условию:

$$\left|\frac{\partial S}{\partial \delta }\right|<t_3$$

,

где t₃ является третьим пороговым значением, которое меньше 0,2 (рад^-1), в частности меньше 0,05 (рад^-1).

Другими словами, ε и β выбраны так, чтобы они удовлетворяли не только первому условию, но также чтобы масштабный коэффициент S был (при линейном приближении независим от изменений двулучепреломления измерительного волокна, например, из-за потенциальных изменений двулучепреломления, происходящих со временем.

В еще одном целесообразном варианте осуществления изобретение дополнительную степень свободы используют для такого выбора ε и β, чтобы они удовлетворяли, помимо первого условия, следующему условию:

$$\left|\frac{\partial S}{\partial \beta }\right|<t_4$$

,

где t₄ является четвертым пороговым значением, которое меньше 0,06 (рад^-1), в частности меньше 0,01 (рад^-1). В этом случае при линейном приближении S не зависит от β, что делает проектирование менее зависимым от допусков, связанных с изготовлением в отношении угла направления устройства запаздывания. Для случаев, в которых собственное двулучепреломление волокна пренебрежимо мало или оси собственного двулучепреломления совпадают с осями вызванного изгибом двулучепреломления, указанное выше условие выполняется для β mod 90°=45°, то есть для β=45°, 135° и так далее.

В еще одном целесообразном варианте осуществления изобретения дополнительную степень свободы используют для такого выбора ε и β, чтобы они удовлетворяли, помимо первого условия, следующему условию:

$$\left|\frac{\partial Z}{\partial \beta }\right|<t_5$$

,

где t₅ является пятым пороговым значением, меньшим 5*10^-4 (K^-1*рад^-1), в частности меньшим 1*10^-4 (K^-1*рад^-1). В этом случае, при линейном приближении, Z не зависит от β, что делает проектирование менее зависимым от допусков при изготовлении в отношении угла направления устройства запаздывания. Для случаев, в которых собственное линейное двулучепреломление в волокне пренебрежимо мало или ось наименьшей скорости распространения света совпадает с осью вызванного изгибом двулучепреломления, указанное выше условие выполняется для β mod 90°=45°, то есть для β=45°, 135° и так далее.

В случаях, когда температурная зависимость Q устройства запаздывания может быть выбрана, например, путем надлежащего выбора типа сохраняющего поляризацию волокна (например, сохраняющего поляризацию (сп) волокна, с эллиптической сердцевиной, с вызванным напряжением сп-волокном, таким как волокно типа «панда», «бабочка», с эллиптической сердцевиной) или путем надлежащего выбора параметров конкретного сп-волокна (например, примеси или геометрия сердцевины волокна), при этом предложенная схема датчика имеет две дополнительные степени свободы после выполнения первого условия. Две степени свободы могут быть использованы для дальнейшей оптимизации.

В еще одном целесообразном варианте осуществления изобретения две дополнительные степени свободы используют для такого выбора Q, ε и β, чтобы они удовлетворяли, помимо первого условия, следующим двум условиям:

$$\left|\frac{\partial Z}{\partial \delta }\right|<t_2$$

и $$\left|\frac{\partial S}{\partial \delta }\right|<t_3$$

,

где t₂ и t₃ являются определенными выше пороговыми значениями. В этом случае Q, ε и β выбраны так, что выполняется не только первое условие, но также при линейном приближении S и Z не зависят от δ, что делает проектирование менее зависимым от допусков при изготовлении и от потенциальных изменений со временем двулучепреломления в измерительном волокне как для подвергшихся отжигу, так и не подвергшихся отжигу измерительных катушек.

В еще одном целесообразном варианте осуществления изобретения две дополнительные степени свободы используют для такого выбора Q, ε и β, чтобы они удовлетворяли, помимо первого условия, следующим двум условиям:

$$\left|\frac{\partial Z}{\partial \delta }\right|<t_2$$

и $$\left|\frac{\partial Z}{\partial \beta }\right|<t_5$$

,

где t₂ и t₅ являются определенными выше пороговыми значениями. В этом случае Q, ε и β выбраны так, что выполняется не только первое условие, но также при линейном приближении Z не зависит от β и δ, что делает проектирование менее зависимым от допусков при изготовлении относительно двулучепреломления δ в измерительном волокне и угла ориентации β устройства запаздывания, а также менее зависимым от потенциальных изменений со временем двулучепреломления δ как для подвергшихся отжигу, так и не подвергшихся отжигу измерительных катушек.

В еще одном целесообразном варианте осуществления изобретения две дополнительные степени свободы используют для такого выбора Q, ε и β, чтобы они удовлетворяли, помимо первого условия, следующим двум условиям:

$$\left|\frac{\partial Z}{\partial \delta }\right|<t_2$$

и $$\left|\frac{\partial S}{\partial \beta }\right|<t_4$$

,

где t₂ и t₄ являются определенными выше пороговыми значениями. В этом случае Q, ε и β выбраны так, что выполняется не только первое условие, но также при линейном приближении Z не зависит от δ и S не зависит от β, что делает проектирование менее зависимым от допусков при изготовлении относительно δ и угла ориентации β устройства запаздывания, а также менее зависимым от потенциальных изменений со временем двулучепреломления в измерительном волокне как для подвергшихся отжигу, так и не подвергшихся отжигу измерительных катушек.

В еще одном целесообразном варианте осуществления изобретения две дополнительные степени свободы используют для такого выбора Q, ε и β, чтобы они удовлетворяли, помимо первого условия, следующим двум условиям:

$$\left|\frac{\partial S}{\partial \delta }\right|<t_3$$

и $$\left|\frac{\partial S}{\partial \beta }\right|<t_4$$

,

где t₃ и t₄ являются определенными выше пороговыми значениями. В этом случае Q, ε и β выбраны так, что выполняется не только первое условие, но также при линейном приближении S не зависит от β и δ, что делает проектирование менее зависимым от допусков при изготовлении относительно угла ориентации β устройства запаздывания, а также менее зависимым от потенциальных изменений со временем двулучепреломления в измерительном волокне как для подвергшихся отжигу, так и не подвергшихся отжигу измерительных катушек.

В еще одном целесообразном варианте осуществления изобретения две дополнительные степени свободы используют для такого выбора Q, ε и β, чтобы они удовлетворяли, помимо первого условия, следующим двум условиям:

$$\left|\frac{\partial S}{\partial \delta }\right|<t_3$$

и $$\left|\frac{\partial Z}{\partial \beta }\right|<t_5$$

,

где t₃ и t₅ являются определенными выше пороговыми значениями. В этом случае Q, ε и β выбраны так, что выполняется не только первое условие, но также при линейном приближении S не зависит от δ и Z не зависит от β, что делает проектирование менее зависимым от допусков при изготовлении относительно угла ориентации β устройства запаздывания, а также менее зависимым от потенциальных изменений со временем двулучепреломления в измерительном волокне как для подвергшихся отжигу, так и не подвергшихся отжигу измерительных катушек.

Для случаев, в которых собственное двулучепреломление волокна пренебрежимо мало или оси собственного двулучепреломления совпадают с осями вызванного изгибом двулучепреломления, при оптимальном выборе параметр β с целью достижения нечувствительности S и Z к углу направления β принимает тоже значение, а именно одновременно выполняется β mod 90°=45°, то есть для β=45°, 135° и так далее, и параметры ε и Q выбраны так, что выполняется первое условие и

$$\left|\frac{\partial Z}{\partial \delta }\right|<t_2$$

и $$\left|\frac{\partial S}{\partial \delta }\right|<t_3$$

.

Различные целесообразные варианты осуществления изобретения перечислены в зависимых пунктах формулы изобретения, а также в последующем описании.

Датчик, соответствующий различным вариантам осуществления изобретения, минимизирует чувствительность схемы температурной компенсации и/или масштабного коэффициента S к изменениям двулучепреломления δ в волокне или других параметров, имеющим место, например, из-за допусков при изготовлении или эффектов старения. Это особенно важно для катушек малых диаметров с несколькими витками, которые нужны, например, в высоковольтных приложениях, так как фазовое запаздывание δ при двулучепреломлении и его изменение в зависимости от температуры обычно больше, чем в случае витков одного волокна большего диаметра, которые используют, например, при измерении постоянных токов большой силы, смотри документ WO 2005/111633 и [2].

На изменение масштабного коэффициента S в зависимости от температуры влияет запаздывание ρ=90°+ε устройства запаздывания, азимутальный угол β и двулучепреломление δ в волокне. При надлежащем выборе ρ и β может быть спроектирована катушка датчика, которая будет нечувствительна к температуре и не будет зависеть от небольших изменений двулучепреломление δ в волокне. При учете температурной зависимости самого δ ясно, что надлежащий выбор азимутального угла β отклоняется от 0° - упомянутого выше угла - на значительную величину, например на Δβ=9°, для обычных свойств волокна. Выбор азимутального угла β и соответствующего запаздывания ρ основан на численном оценивании температурной зависимости масштабного коэффициента, которое основано на выражениях, приведенных в [2], и дополнительно на температурной зависимости вызванного изгибом двулучепреломления, как описано в [3].

Краткое описание чертежей

Из последующего подробного описания изобретение будет лучше понятно и станут яснее цели, отличающиеся от тех, которые приведены выше. Такое описание содержит ссылки на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - вид, показывающий схему волоконно-оптического датчика тока;

фиг.2 - вид, показывающий вариант осуществления волоконно-оптического устройства запаздывания;

фиг.3 - вид, показывающий направление поворота устройства запаздывания и сохраняющего поляризацию волокна, расположенного до устройства запаздывания, относительно плоскости измерительного волокна;

фиг.4 - вид, показывающий масштабный коэффициент S как функцию азимутального угла β;

фиг.5 - вид, показывающий температурную зависимость Z масштабного коэффициента S как функцию азимутального угла β;

фиг.6 - вид, показывающий в увеличенном масштабе секцию VI графика с фиг.5;

фиг.7 - вид, показывающий влияние Х изменения двулучепреломления на температурную зависимость Z масштабного коэффициента S как функцию азимутального угла β;

фиг.8 - вид, показывающий оптимальный азимутальный угол βopt в зависимости от двулучепреломления δ для Х=0;

фиг.9 - вид, показывающий допуск Δβ азимутального угла в зависимости от двулучепреломления δ для Х=0;

фиг.10 - вид, показывающий оптимальную величину составляющей εopt запаздывания в зависимости от двулучепреломления δ для Х=0;

фиг.11 - вид, показывающий составляющую масштабного коэффициента S, температурную зависимость постоянной Верде и их совместные вклады в датчик с температурной компенсацией как функции температуры Т для не подвергшейся отжигу катушке с четырьмя витками, при этом диаметр катушки равен 15 см, а диаметр волокна равен 80 мкм;

фиг.12 - вид, показывающий масштабный коэффициент S как функцию 4φ_F для трех различных запаздываний ρ при азимутальном угле β, равном 45°, 90° и 135°.

Варианты осуществления изобретения

Конструкция датчика

На фиг.1 показан принцип работы волоконно-оптического датчика тока, описанный в [1]. Две ортогональные линейно поляризованные световые волны посылают от блока 1 управления через соединительное сохраняющее поляризацию волокно 2 (сп-волокно) на измерительную головку, в целом обозначаемую ссылочной позицией 3. Измерительная головка 3 содержит оптическое устройство 4 запаздывания, измерительное волокно 5 и отражатель 7.

Устройство 4 запаздывания представляет собой, например, волоконно-оптическое устройство запаздывания, содержащее эллиптическую сердцевину и предназначенное для преобразования линейно поляризованного света в сп-волокне 2 в эллиптически поляризованный свет в измерительном волокне 5. Указанное устройство содержит две главные оси, и соответствующее запаздывание вызывает фазовый сдвиг на π/2+ε между световыми волнами, поляризованными вдоль указанных главных осей, при этом ε является дополнительным, ненулевым фазовым сдвигом.

Измерительное волокно 5 образует N>0 витков вокруг одного или нескольких проводников 6, по которым течет ток I, который необходимо измерить. В настоящем варианте осуществления изобретения отражатель 7 расположен в конце измерительного волокна 5 и предназначен для отражения света назад через измерительное волокно 5, устройство 4 запаздывания, сп-волокно 2 в блок 1 управления. Циркулярное право- и левополяризованные световые волны имеют разные фазовые скорости при перемещении в магнитном поле вокруг проводника, что объясняется эффектом Фарадея. В варианте осуществления с фиг.1 световые волны имеют разницу фаз Δϕ, определяемую из выражения

$$\Delta \phi =4.{\varphi }_F=4V.N.I.\left(1\right)$$

Здесь V - постоянная Верде, N - количество витков измерительного волокна вокруг проводника 6 и I - сила тока. Выражение (1) справедливо для катушек из волокна, свободных от какого-либо линейного двулучепреломления (δ=0) и абсолютно циркулярно-поляризованных световых волн (ε=0°).

После обратного преобразования в линейную поляризацию с помощью устройства 4 запаздывания блок 1 управления измеряет магнитное поле, индуцированное разностью фаз, с помощью технических приемов, приспособленных от волоконно-оптических гироскопов [1, 4].

Предпочтительно, чтобы устройство 4 запаздывания являлось волоконно-оптическим устройством запаздывания, изготовленным на конце участка сохраняющего поляризацию волокна 2 рядом с измерительным волокном 5 с малым двулучепреломлением, как показано на фиг.2. На фиг.2 главная ось наименьшей скорости распространения света для волокна с устройством запаздывания направлена под углом +45° по отношению к первой главной оси сп-волокна непосредственно перед устройством запаздывания, как показано на фиг.3. (Заметим, что для того, чтобы сделать определение β однозначным, главная ось сп-волокна 2 выбрана так, чтобы главная ось наименьшей скорости распространения света волокна с устройством запаздывания была отклонена на угол +45° относительно первой главной оси сп-волокна 2. Тогда главная ось наименьшей скорости распространения света для волокна с устройством запаздывания отклонена на угол -45° по отношению к другой второй главной оси сп-волокна 2.)

В качестве сохраняющего поляризацию волокна 2 может быть использовано несколько типов сохраняющих поляризацию волокон, например волокна с эллиптической сердцевиной или волокна с полем внутреннего напряжения (типа «панда», «бабочка», эллиптическая сердцевина). Устройство этого типа описано в документе ЕР 1107029.

Как упомянуто выше, запаздывание, соответствующее устройству 4 запаздывания, отклоняется от запаздывания π/2 совершенного четвертьволнового устройства запаздывания на подходящим образом выбранную величину (то есть фазовый сдвиг между двумя ортогональными поляризованными модами равен $$\rho >\pi /2$$

или $$\rho <\pi /2$$

), что сделано для компенсации температурной зависимости постоянной V Верде. Запаздывание, соответствующее устройству 4 запаздывания, выбрано так, чтобы два основных источника температурной зависимости масштабного коэффициента компенсировали друг друга: (i) V(T), увеличение постоянной V Верде при увеличении температуры Т, и (ii) S(T), уменьшение составляющей масштабного коэффициента S, происходят благодаря изменению запаздывания ρ, вызванного изменением температуры, и увеличению двулучепреломления δ, вызванного изменением температуры. Заметим, что для волокон с эллиптической сердцевиной, которые целесообразно использовать для изготовления устройства запаздывания, увеличение температуры приводит к уменьшению ρ. Корректно выбранная оптическая длина устройства запаздывания (например, ρ~100° для заданной температурной зависимости Q от ρ и малой величины двулучепреломления в волокне) позволяет компенсировать зависимость от температуры магнитооптического эффекта, то есть изготовить датчик с независимым от температуры общим масштабным коэффициентом. Выбор текущего запаздывания ρ устройства запаздывания также может быть следующим: $$\rho <{90}^{\circ }$$

, и указанное значение зависит от значений следующих параметров: двулучепреломление δ, присутствующее в измерительном волокне, и его температурная зависимость Р, азимутальный угол β и температурная зависимость Q от ρ. Температурная независимость датчика необходима для удовлетворения требованиям, предъявляемым к точности (точность в пределах ±0,2% или даже ±0,1% при температуре, изменяющейся в пределах, например, от -40 до 85°С) в обычных областях применения датчиков.

Принцип работы

Как показано в документах WO 2005/111633 и [2], на масштабный коэффициент датчика с температурной компенсацией $$\left(\rho \ne {90}^{\circ }\right)$$

и линейным двулучепреломлением волокна $$\left(\delta \ne 0^{\circ }\right)$$

влияют три главных параметра датчика: запаздывание $$\rho =\pi /2+\epsilon$$

устройства запаздывания, двулучепреломление δ в измерительном волокне и азимутальный угол β. Азимутальный угол β показан на фиг.3 как угол между главной осью х сп-волокна до устройства 4 запаздывания и вектором n, перпендикулярным к плоскости катушки из измерительного волокна 5.

Заметим, что параметр δ относится к вызванному изгибом линейному двулучепреломлению волокна или остаточному вызванному изгибом линейному двулучепреломлению волокна, оставшемуся после термического отжига катушки из волокна. Кроме того, может присутствовать собственное линейное двулучепреломление δi волокна, вызванное, например, анизотропией волокна или остаточным напряжением, возникшим при изготовлении. Обычно δi можно пренебречь благодаря соответствующим уровню техники измерительным волокнам с низким двулучепреломлением.

Магнитооптический фазовый сдвиг Δϕ, наблюдаемый в настоящем устройстве, может быть записан следующим образом:

$$\Delta \phi =4S\left(\epsilon ,\delta ,\beta ,{\varphi }_F\right)\cdot {\varphi }_F,\left(2\right)$$

где $${\varphi }_F=4V.N.I.$$

Параметр S представляет собой нормированную составляющую масштабного коэффициента. Параметр S равен единице при ε=0° и δ=0°. В общем случае значение Δϕ вычисляется по формуле из [2]

$$\Delta \phi =\arctan \left(\frac{2U}{1-U^2}\right),\left(3\right)$$

где

$$U=\frac{2{\varphi }_F\frac{\tan \left(Г\right)}{Г}}{\cos \left(\epsilon \right)-\delta \sin \left(\epsilon \right)\sin \left(2\left(\beta +\psi \right)\right)\frac{\tan \left(Г\right)}{Г}},(4)$$

$$Г={\left[\delta {\text{'}}^2+{\left(2{\varphi }_F\right)}^2\right]}^{1/2},\left(5\right)$$

$$\delta \text{'}={\left[{\delta }^2+{\delta }^2+2\delta {\delta }_i\cos \left(2\left({\beta }_i-\beta \right)\right)\right]}^{1/2},\left(6\right)$$

$$\psi =\arctan \left(\frac{{\delta }_i\sin \left(2\left({\beta }_i-\beta \right)\right)}{\delta +\delta \text{'}+{\delta }_i\cos \left(2\left({\beta }_i-\beta \right)\right)}\right)$$

.

Здесь через β_i обозначены оси собственного двулучепреломления волокна. Далее, если не указано обратное, собственным двулучепреломлением δ_i волокна пренебрегают. Более того, малые фазовые сдвиги Фарадея рассмотрены в примерах ниже, то есть предполагается, что $${\varphi }_F<<1$$

. Этот случай имеет место при обычных номинальных токах в подстанциях высокого напряжения (до нескольких килоампер) и катушках из волокон с небольшим количеством витков волокна (например, 1-10 витков). Модификации при больших фазовых сдвигах Фарадея рассмотрены ниже. При небольших фазовых сдвигах Фарадея составляющую масштабного коэффициента $$S=S\left(\epsilon ,\delta ,\beta ,{\varphi }_F\right)$$

можно считать независимой от φ_F, то есть в этом случае S является функцией только ε, δ и β. При приближениях точных при примерном выполнении $$\Delta S/S={10}^{-4}$$

параметр S удовлетворяет выражению из [2]

$$S\left(\epsilon ,\delta ,\beta \right)=\frac{1+\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.{\delta }^2}{\cos \left(\epsilon \right)-\delta \sin \left(2\beta \right)\sin \left(\epsilon \right)}.\left(7\right)$$

Зависимость составляющей масштабного коэффициента S от азимутального угла β показана на фиг.4 для различных значений δ. Ясно, что при учете двулучепреломления δ в измерительном волокне масштабный коэффициент S датчика становится чувствительным к азимутальному углу. Можно показать, что изменение S в зависимости от β от максимума до минимума увеличивается пропорционально произведению δ и ε. Отклонение среднего значения S от единицы приблизительно равно (1/3)δ²+(1/2)ε².

Для минимизации температурной зависимости фазового сдвига Δϕ из выражения (2) нормированная температурная зависимость Z масштабного коэффициента S должна быть равна нормированной температурной зависимости постоянной V Верде с противоположным знаком, то есть

$$Z=\frac{1}{S}\frac{\partial S\left(\epsilon ,\delta ,\beta \right)}{\partial T}=-\frac{1}{V}\frac{\partial V}{\partial T}.\left(8\right)$$

График с фиг.5 показывает изменение общей температурной зависимости Z+1/V.∂V/∂T для катушки из волокна как функции азимутального угла β для различных величин двулучепреломления δ и запаздывания ρ=99,2° устройства запаздывания. Для значения δ=7,5° Z изменяется приблизительно как ±4,5·10^-5 К^-1 в зависимости от β. В идеальной ситуации масштабный коэффициент S датчика должен не зависеть от температуры, то есть

$$Z=-\frac{1}{V}\frac{\partial V}{\partial T}.\left(9\right)$$

На практике не может быть достигнуто точного равенства в выражении (9), и, следовательно, отклонение от выражения (9) должно быть меньше приемлемо малого первого порогового значения t₁, то есть

$$\left|Z+\frac{1}{V}\frac{\partial V}{\partial T}\right|<t_1.\left(9\text{'}\right)$$

Обычно первое пороговое значение t₁ равно 7*10^-5 1/К, то есть температурной зависимости постоянной Верде. Во многих случаях температурная зависимость может быть достаточна, если t₁ меньше 2*10^-5 1/К или меньше 1*10^-5 1/К.

Выражение (9), вычисленное в предположении, что δ зависит от температуры, то есть $$\partial \delta /\partial T\ne 0$$

, приводит к условию на значения Q, ε и β, выполнение которого ведет к собственной температурной независимости устройства, причем учитываются последствия температурной зависимости постоянной Верде и температурной зависимости двулучепреломления δ. Тем не менее, необходимо заметить, что выражение (9) имеет две степени свободы, которые, например, могут быть использованы для оптимизации значений Q, ε и β с точки зрения дополнительных критериев проектирования.

Далее опишем примеры дополнительных критериев проектирования, которые могут быть использованы для оптимизации конструкции датчика путем выбора подходящих значений Q, ε или β.

Минимизация зависимости Z от δ

В документах ЕР 0856737 и [1] описан способ термического отжига, который эффективно уменьшает вызванное изгибом двулучепреломление для катушек из волокон с малым диаметром (например, диаметров, равных 100-200 мм), содержащих несколько витков, необходимых для высоковольтных подстанций. Несмотря на это, после отжига в измерительном волокне может остаться двулучепреломление, что может индуцировать дифференциальный фазовый сдвиг δ порядка нескольких градусов, что зависит от диаметра катушки и количества витков. Более того, это остаточное двулучепреломление может изменяться в определенных пределах от катушки к катушке при изготовлении: $$\delta ={\delta }_0\pm \Delta \delta$$

.

Таким образом, в идеальном случае значение Z не должно зависеть (при линейном приближении) от изменений δ, имеющих место, например, из-за допусков при изготовлении, то есть

$$X\left(\epsilon ,\beta ,\delta \right)=\frac{\partial Z}{\partial \delta }=\frac{\partial }{\partial \delta }\left(\frac{1}{S}\frac{\partial S}{\partial T}\right)=0.\left(10\right)$$

Аналогично сказанному выше, из-за допусков при изготовлении точное соответствие условию из выражения (10) не может быть достигнуто и, следовательно, ошибка в выражении (10) должна быть меньше приемлемо малого второго порогового значения t₂, то есть

$$\left|\frac{\partial Z}{\partial \delta }\right|<t_2.\left(10\text{'}\right)$$

Обычно второе пороговое значение t₂, дающее хорошую температурную независимость, но учитывающее допуски при изготовлении, равно 2*10^-3 (K^-1*рад^-1), в частности меньше 0,5*10^-3 (К^-1*рад^-1).

Согласно уровню техники, как описано в документе WO 2005/111633, предпочтителен азимутальный угол, равный β=0° (mod 90°). Здесь рассматривается катушка из измерительного волокна с единственным витком не подвергшегося отжигу волокна большого радиуса и, таким образом, малого вызванного изгибом двулучепреломления (δ=1°-2°). Такая конструкция катушки представляет интерес, например, в приложениях с электролитическим получением металлов, таких как алюминий. В этом случае пренебрегают изменениями δ в зависимости от температуры из-за малого значения δ. В случае больших величин двулучепреломления, например оставшегося лучепреломления в подвергшихся отжигу катушках малого диаметра из измерительных волокон или вызванного изгибом двулучепреломления в не подвергшихся отжигу катушках малого диаметра, оптимальное значение β - нужное для минимизации чувствительности к температуре и изменениям Δδ двулучепреломления - отклоняется от β=0° из-за того, что $$\partial \delta /\partial T\ne 0$$

. Это ясно из фиг.6, на которой в увеличенном масштабе показан участок VI с фиг.5, где точка пересечения нуля параметром Z(β) перемещается к большим значениям β для увеличивающихся величин двулучепреломления δ. Более того, взаимное пересечение соседних кривых Z(β) для различных значений δ также перемещается в направлении больших значений β. Ту же информацию можно получить из фиг.7, где Х=dZ/dδ, то есть где показана зависимость температурной зависимости Z масштабного коэффициента при изменениях двулучепреломления от β при различных значениях 8. Точка, где Х(β) пересекает нулевую линию (нечувствительность к изменениям δ) перемещается к большим значениям β.

Следовательно, цель этого аспекта изобретения заключается в том, чтобы предложить конструкцию измерительной катушки, которая для заданного значения δ отличается тем, что пара параметров ρ (или ε) и β выбрана так, чтобы одновременно достигалось Х=0 (то есть температурная зависимость масштабного коэффициента не зависит от изменения δ) и заранее заданное значение температурной зависимости датчика, а именно удовлетворяющее выражению (9). Численный алгоритм позволяет находить оптимальные параметры εopt (или ρopt) и βopt для заданной величины (измеренной или вычисленной) двулучепреломления δ в измерительном волокне. На фиг.8 показан вычисленный оптимальный азимутальный угол βopt в зависимости от вызванный двулучепреломлением фазовым углом δ для обычных значений Р и Q температурной зависимости от δ и ρ, соответственно. На графике с фиг.9 вычислен допуск Δβ азимутального угла, который должен быть выдержан для того, чтобы выполнялось следующее: ΔZ<±1·10^-5 К^-1 (ΔZ=изменения Z). Для малых величин двулучепреломления допуск для β велик, но для δ=10° оптимальное значение βopt равно 11±5°, что значительно отличается от β=0°, которое было бы оптимальным значением при игнорировании температурной зависимости для двулучепреломления. На фиг.10 показана соответствующая составляющая запаздывания εopt, необходимая для достижения температурной компенсации (Z+1/V. ∂V/∂T=0) при оптимальном азимутальном угле βopt для одного и того же набора параметров Р и Q, что и на фиг.8. Два параметра εopt и βopt были с помощью численных методов вычислены одновременно с помощью программы в пакете Matlab.

На фиг.11 показана зависимость общего масштабного коэффициента от температуры (сплошная линия) для датчика с температурной компенсацией и оптимально выбранным значением ε (и, следовательно, ρ) для заранее заданного β 135° при использовании не подвергшейся отжигу катушки из волокон с четырьмя витками, диаметром волокна, равным 80 мкм, и диаметром катушки, равным 0,15 м. Тогда запаздывание δ равно 18° при длине волны, равной 1310 нм. Для заданных параметров для достижения температурной компенсации значение ε должно быть выбрано равным 22.5°. Пунктирная линия с точками показывает нормированное изменение постоянной Верде в зависимости от температуры, а пунктирная линия показывает изменение составляющей масштабного коэффициента S, которая компенсирует увеличение постоянной Верде.

В описываемой далее процедуре как запаздывание ρ, так и азимутальный угол β принимают оптимальные значения для заданного значения 5. В принципе предусмотрено, чтобы было заранее задано значение или ρ или β и соответствующие два другие параметра регулировались так, чтобы принимать свои оптимальные значения.

Минимизация зависимости S от δ

В частности, при использовании не подвергшихся отжигу волокон, двулучепреломление δ измерительного волокна может быть известно более точно. Следовательно, может быть более выгодно не минимизировать влияние δ на Z, а минимизировать влияние на масштабный коэффициент S, что достигается при выполнении следующего условия:

$$\frac{\partial S}{\partial \delta }=0.\left(11\right)$$

Аналогично сказанному выше, из-за допусков при изготовлении точное выполнение условия из выражения (11) не может быть достигнуто, и, следовательно, ошибка в выражении (11) должна быть меньше приемлемо малого третьего порогового значения t₃, то есть

$$\left|\frac{\partial S}{\partial \delta }\right|<t_3.\left(11\text{'}\right)$$

Обычно третье пороговое значение t₃, дающее хорошую температурную независимость, но учитывающее допуски при изготовлении, равно 0,2 (рад^-1), в частности меньше 0,05 (рад^-1).

В этом случае масштабный коэффициент устройства будет линейно независим от двулучепреломления δ, например в случае изменения δ со временем.

Следовательно, во втором предпочтительном варианте осуществления изобретения значения Q, β и ε (и, следовательно, ρ) выбраны таким образом, чтобы выполнялись условия из выражений (11) и (9), что, аналогично описанному выше, приводит к оптимальным значениям ρopt и βopt.

Минимизация зависимости Z или S от β

При изготовлении устройства из-за допусков при изготовлении значение азимутального угла β может меняться от устройства к устройству. Следовательно, было бы целесообразно минимизировать зависимость Z или S от β, то есть

$$\frac{\partial S}{\partial \beta }=0или\left(12а\right)$$

$$\frac{\partial S}{\partial \beta }=0.\left(12б\right)$$

Можно показать, что для пренебрежимо малого собственного двулучепреломления, присутствующего в измерительном волокне, или при совпадении осей собственного и вызванного изгибом двулучепреломления, оба условия выполняются, если β mod 90°=45°. Следовательно, в еще одном варианте осуществления изобретения β должно быть выбрано таким образом, чтобы β mod 90°=45°, причем ε выбрано так, чтобы выполнялось выражение (9). Снова условие (12а) или (12б) не может быть точно выполнено и, следовательно, допустимо отклонение угла, такое как β mod 90°=45°±5°.

Большие фазовые сдвиги φ_F Фарадея

В приведенных выше рассуждениях предполагается, что фазовый сдвиг φ_F Фарадея мал (φ_F<<1). В большом количестве практических приложений это предположение достаточно обосновано при диапазоне значений φ_F ≈ <0,3 рад, в частности <0,1 рад. Значительно большие фазовые сдвиги (φ_F>0,3 рад) могут иметь место, например, при электролитическом получении металлов, в частности на заводах по производству алюминия, когда нужно измерять токи, сила которых доходит примерно до 500 кА. Здесь параметр 4φ_F может достичь значений, например, 2π. Тогда, как ясно из выражений (3)-(6), масштабный коэффициент S является не только функцией ε, δ и β, но также зависит от φ_F и, следовательно, от тока. Это показано на фиг.12, которая содержит масштабный коэффициент S как функцию 4 φ_F для трех различных запаздываний ρ=π/2+ε устройства запаздывания [2]. Для каждого запаздывания масштабный коэффициент вычисляется для азимутальных углов β, равных 45°, 90° и 135°. Датчик, который был оптимизирован в случае предположения φ_F<<1, может быть недостаточно оптимальным для больших φ_F, то есть когда не выполняется условие φ_F<<1. С учетом приведенных выше соображений, тем не менее, возможно, с использованием приведенной выше техники, снова определить набор параметров ε, δ, β и/или Q, которые оптимизируют датчик не при φ_F<<1, а вблизи другого значения 4φ_F, например при 4φ_F=π/2 и соответствующем токе.

Заметим, что при больших фазовых сдвигах Фарадея температурная зависимость Z масштабного коэффициента S=S(ε, δ, β, φ_F) (выражение 8) неявно содержит вклад от температурной зависимости постоянной Верде через параметр φ_F=VNI. Тем не менее, этот вклад в Z, например в (9), (9'), пренебрежимо мал по сравнению с температурной зависимостью самой постоянной Верде (1/V) ∂V/∂T.

Вывод выражений

В этом разделе описаны приближения для описанных выше величин Z и X.

Масштабный коэффициент S для малых токов (то есть 4φ_F<<π) может быть выражен следующим образом (согласно [2]):

$$S=\frac{\Delta \phi }{4{\varphi }_F}=\frac{1+\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.{\delta }^2+\raisebox{1ex}{$4$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.{\varphi }_F{}^2}{\cos \left(\epsilon \right)-\delta \sin \left(\epsilon \right)\sin \left(2\beta \right)\left(1+\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.{\delta }^2+\raisebox{1ex}{$4$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.{\varphi }_F{}^2\right)},\left(13\right)$$

где параметры φ_F, δ, β и ρ определены выше.

Предположим, что формула для масштабного коэффициента и его температурной зависимости должна выполняться с точностью порядка ΔS/S=10^-4. Для измерения тока на высоковольтных подстанциях измеренный фазовый сдвиг Фарадея обычно мал, то есть φ_F<0,05 рад, и также мало вызванное изгибом двулучепреломление, то есть δ<20° (≈0,35 рад). Величина ε обычно удовлетворяет условию ε<12° (≈0,2 рад). Если оставить только старшие члены, то формула упрощается до следующего вида:

$$S\left(\epsilon ,\delta ,\beta \right)=\frac{\Delta \varphi }{4{\varphi }_F}=\frac{M+\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.{\delta }^2}{\cos \left(\epsilon \right)-\delta \sin \left(\epsilon \right)},гдеM=1+\raisebox{1ex}{$4$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.{\phi }_{F^2}иg=\sin \left(2\beta \right).\left(14\right)$$

Температурная зависимость масштабного коэффициента (за исключением изменений постоянной Верде) $$Z=\frac{1}{S}\frac{\partial S}{\partial T}$$

зависит от температурной зависимости двулучепреломления δ в измерительном волокне в соответствии с [3]

$$\frac{\partial \delta }{\partial T}=P\cdot \delta ,гдеP=6\cdot {10}^{-4}\left[K^{-1}\right],\left(15\right)$$

и температурной зависимости δ в соответствии с

$$\frac{\partial \epsilon }{\partial T}=Q\cdot \rho ,где\left|Q\right|=\left(1\dots 6\right)\cdot {10}^{-4}\left[K^{-1}\right],\left(16\right)$$

где Q - обычное (измеренное) свойство волокна с устройством запаздывания. Коэффициенты Р и Q являются свойствами используемых волокон и не равны нулю.

Тогда эта температурная зависимость Z масштабного коэффициента выражается с помощью следующей формулы:

$$Z=\frac{1}{S}\frac{\partial S}{\partial T}=\frac{1}{S}\left(\frac{\partial S}{\partial \epsilon }\frac{\partial \epsilon }{\partial T}+\frac{\partial S}{\partial \delta }\frac{\partial \delta }{\partial T}\right)=\frac{1}{S}\left(\frac{\partial S}{\partial \epsilon }\cdot Q_{\rho }+\frac{\partial S}{\partial \delta }\cdot P\delta \right),\left(17\right)$$

или подробно

$$Z=Q\left(\epsilon +\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\right)\cdot \frac{\sin \left(\epsilon \right)+g\delta \cos \left(\epsilon \right)}{\cos \left(\epsilon \right)-g\delta \sin \left(\epsilon \right)}+P\delta \left(\frac{2\delta }{\left(3M+{\delta }^2\right)}+\frac{g\sin \left(\epsilon \right)}{\cos \left(\epsilon \right)-g\delta \sin \left(\epsilon \right)}\right).\left(18\right)$$

Для внедрения нечувствительности Z от небольших изменений двулучепреломления измерительной катушки, то есть для уменьшения влияния допусков при изготовлении, основные параметры проектирования датчика ε и β надо выбирать следующим образом:

$$X\left(\epsilon ,\beta ,\delta \right)=\frac{\partial Z}{\partial \delta }=\mathrm{0,}\left(19\right)$$

или подробно:

$$X=\frac{g\left(Q\rho +\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.P\sin \left(2\epsilon \right)\right)}{{\left(\cos \left(\epsilon \right)-g\delta \sin \left(\epsilon \right)\right)}^2}+\frac{4P\delta }{\left(3M+{\delta }^2\right)}\cdot \left[1-\frac{{\delta }^2}{\left(3M+{\delta }^2\right)}\right].\left(20\right)$$

Для заданной величины двулучепреломления δ в измерительном волокне (которую нужно измерить) параметры εopt и βopt можно вычислить численными методами, чтобы выполнялись граничные условия Z(ε, β)=Z₀ и Х(ε, β)=0, при этом указанное можно осуществить с помощью программы в пакете Matlab.

Замечания

Как сказано выше, целесообразно, чтобы измерительным волокном 5 было подвергшееся отжигу волокно. В частности, оно может быть расположено в подвергшемся отжигу стеклянном капилляре.

В качестве альтернативы, измерительное волокно 5 может не являться подвергшимся отжигу волокном, как и раньше, возможно, расположенным в капилляре. Предпочтительно (но не обязательно), чтобы волокно не содержало защитного покрытия и капилляр был бы наполнен средством, уменьшающим трение.

Хотя приведенное выше описание сосредоточено на датчике тока, те же самые технические приемы также могут быть использованы для датчика магнитного поля. Для измерения магнитного поля волокно не обязательно образует замкнутый виток, а оно может быть частично изогнуто или выровнено вдоль прямого пути. Тогда сигнал датчика пропорционален интегралу ⌡Н·ds по контуру, соединяющему два конца измерительного волокна.

Значение $$\left|Q\right|$$

обычно находится в диапазоне от 1·10^-4 до 6·10^-4 К^-1.

Литература

[1] К. Bohnert, P. Gabus, J. Nehring, H. Brändle, "Temperature and Vibration Insensitive Fiber-Optic Current Sensor", J. Lightwave Technol., 20(2), 267, (2002).

[2] К. Bohnert, P. Gabus, J. Nehring, H. Brändle, M. Brunzel, "Fiber-Optic Current Sensor for Electrowinning of Metals", J. Lightwave Technol., 25(11), 3602, (2007).

[3] Z.B. Ren, P. Robert, and P.-A. Paratte, "Temperature dependence of bend- and twist-induced birefringence in a low-birefringence fiber," Opt. Lett. 13(1), 62, (1988)

[4] H. Lefevre, "The Fiber-Optic Gyroscope", Artech House, London, 1993 and H. Lefevre, "Fundamentals of the Interferometric Fiber Optic Gyroscope", Proc. SPIE, 2837, pp.2-17, (1996).

Ссылочные позиции

1: блок управления

2: сп-волокно (сохраняющее поляризацию волокно)

3: измерительная головка

4: устройство запаздывания

5: измерительное волокно

6: проводник

7: отражатель

Н: магнитное поле

I: ток

L: длина устройства запаздывания

N: количество витков измерительного волокна

Р: температурная зависимость или температурный коэффициент для δ

Q: температурная зависимость или температурный коэффициент для ρ

S: масштабный коэффициент

Т: температура

U: смотри выражение (4)

V: постоянная Верде измерительного волокна

X: влияние изменения двулучепреломления

Z: нормированная производная температуры S

n: направление перпендикуляра или нормального вектора к плоскости катушки из измерительного волокна

β: 45°-β'

β': азимутальный угол устройства запаздывания

δ: вызванный двулучепреломлением фазовый сдвиг в измерительном волокне

ε: дополнительный фазовый сдвиг устройства запаздывания

ρ: (общий) фазовый сдвиг устройства запаздывания

Claims (23)

1. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля, содержащий:
измерительное волокно (5), на которое воздействует магнитное поле измеряемого тока I, при этом указанное измерительное волокно (5) образует виток в плоскости датчика и имеет постоянную Верде V,
по меньшей мере одно устройство (4) запаздывания, расположенное между сохраняющим линейную поляризацию волокном (2) и измерительным волокном (5), для преобразования света между линейной поляризацией и эллиптической поляризацией, при этом главная ось указанного сохраняющего поляризацию (сп) волокна (2) непосредственно перед указанным устройством запаздывания поворачивается относительно перпендикуляра к указанной плоскости датчика на угол β и указанное устройство (4) запаздывания вносит дифференциальный фазовый сдвиг ρ=π/2+ε между световыми волнами, поляризованными вдоль своих главных осей, где ε - дополнительный ненулевой фазовый сдвиг, и
блок (1) управления, формирующий сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу Δφ, причем указанный сигнал пропорционален 4 S(ε, δ, β, φ_F)·V·N·I=4 S(ε, δ, β, φ_F)·φ_F, где Ν - количество витков измерительного волокна (5), δ - вызванный линейным двулучепреломлением фазовый сдвиг измерительного волокна (5), φ_F - фазовый сдвиг Фарадея и S - масштабный коэффициент, при этом нормированная производная S по температуре Τ равна
$$Z\left(\epsilon \left(T\right),\delta \left(T\right),\beta ,{\varphi }_F\right)=\frac{1}{S}\frac{\partial S\left(\epsilon ,\delta ,\beta ,{\varphi }_F\right)}{\partial T}$$

,
при этом β, ε и $$Q=\frac{1}{\rho }\frac{\partial \rho }{\partial P}$$

- выбраны такими, что условие
$$\left|Z+\frac{1}{V}\frac{\partial V}{\partial T}\right|<t_1$$

выполняется в диапазоне значений φ_F для ненулевого значения, вызванного двулучепреломлением фазового сдвига δ и при данной температурной зависимости $$P=\frac{1}{\delta }\frac{\partial \delta }{\partial T}$$

, по меньшей мере, при температуре T₀, в частности для температуры в центре диапазона рабочих температур датчика, при этом t₁ - первое пороговое значение, меньшее 7*10^-5 1/K.

2. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по п.1, в котором Q, β и ε выбраны такими, что выполняется условие
$$\left|\frac{\partial Z}{\partial \delta }\right|<t_2$$

,
где t₂ - второе пороговое значение, меньшее 2*10^-3 (K^-1*рад^-1), в частности, меньше 0,5*10^-3 (K^-1*рад^-1).

3. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по п.1, в котором Q, β и ε выбраны такими, что выполняется условие
$$\left|\frac{\partial S}{\partial \delta }\right|<t_3$$

,
где t₃ - третье пороговое значение, меньшее 0,2 (рад^-1), в частности меньше 0,05 (рад^-1).

4. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по п.1, в котором β mod 90°=45±5°.

5. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по п.2, в котором Q, β и ε выбраны такими, что выполняется условие
$$\left|\frac{\partial S}{\partial \delta }\right|<t_3$$

,
где t₃ - третье пороговое значение, меньшее 0,2 (рад^-1), в частности меньше 0,05 (рад^-1).

6. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по п.2, в котором Q, β и ε выбраны такими, что выполняется условие
$$\left|\frac{\partial S}{\partial \beta }\right|<t_4$$

,
где t₄ - четвертое пороговое значение, меньшее 0,06 (рад^-1), в частности меньше 0,01 (рад^-1).

7. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по п.2, в котором Q, β и ε выбраны такими, что выполняется условие
$$\left|\frac{\partial Z}{\partial \beta }\right|<t_5$$

,
где t₅ - пятое пороговое значение, меньшее 5*10^-4 (K^-1*рад^-1), в частности меньше 1*10^-4 (K^-1*рад^-1).

8. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по п.3, в котором Q, β и ε выбраны такими, что выполняется условие
$$\left|\frac{\partial S}{\partial \beta }\right|<t_4$$

,
где t₄ - четвертое пороговое значение, меньшее 0,06 (рад^-1), в частности меньше 0,01 (рад^-1).

9. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по п.3, в котором Q, β и ε выбраны такими, что выполняется условие
$$\left|\frac{\partial Z}{\partial \beta }\right|<t_5$$

,
где t₅ - пятое пороговое значение, меньшее 5*10^-4 (K^-1*рад^-1), в частности меньше 1*10^-4 (K^-1*рад^-1).

10. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по п.1, в котором измерительное волокно (5) является волокном, подвергшимся отжигу.

11. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по п.10, в котором указанное отожженное измерительное волокно (5) расположено в отожженном стеклянном капилляре.

12. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по п.1, в котором измерительное волокно (5) является волокном, не подвергшимся отжигу.

13. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по п.1, в котором измерительное волокно (5) является не отожженным волокном, расположенным в капилляре.

14. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по п.1, в котором устройство (4) запаздывания содержит дополнительное сохраняющее поляризацию волокно.

15. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по п.1, в котором устройство (4) запаздывания содержит волокно с эллиптической сердцевиной.

16. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по любому из пп.1-15, в котором
$$Z=\frac{1}{S}\frac{\partial S}{\partial T}=\frac{1}{S}\left(\frac{\partial S}{\partial \epsilon }\cdot Q\rho +\frac{\partial S}{\partial \delta }\cdot P\delta \right)$$

,
где
$$\frac{\partial \delta }{\partial T}=P\cdot \delta$$

и $$\frac{\partial \epsilon }{\partial T}=Q\cdot \rho$$

,
а P и Q - ненулевые коэффициенты.

17. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по любому из пп.1-15, в котором |Q|=(1…6)·10^-4 K^-1.

18. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по любому из пп.1-15, в котором φ_F<0,3 рад, в частности φ_F<0,1 рад.

19. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по любому из пп.1-15, в котором φ_F>0,3 рад.

20. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по п.16, в котором |Q|=(1…6)·10^-4 K^-1.

21. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по п.16, в котором φ_F<0,3 рад, в частности φ_F<0,1 рад.

22. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по п.16, в котором φ_F>0,3 рад.

23. Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля по п.1, в котором первое пороговое значение t₁ составляет меньше 2*10^-5 1/K.

Images