RU2720187C1 - Ac and dc optical laboratory meter - Google Patents
Ac and dc optical laboratory meter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2720187C1 RU2720187C1 RU2019127079A RU2019127079A RU2720187C1 RU 2720187 C1 RU2720187 C1 RU 2720187C1 RU 2019127079 A RU2019127079 A RU 2019127079A RU 2019127079 A RU2019127079 A RU 2019127079A RU 2720187 C1 RU2720187 C1 RU 2720187C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- prism
- base
- current
- light
- quadrangular
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
- G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
- G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
- G01R15/245—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect
- G01R15/246—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect based on the Faraday, i.e. linear magneto-optic, effect
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптическим приборам, в которых используется эффект Фарадея для измерения электрического тока. Изобретение будет использовано в качестве образцового измерителя тока в лабораториях Госстандарта и предприятий электроэнергетики.The invention relates to optical devices that use the Faraday effect to measure electric current. The invention will be used as an exemplary current meter in the laboratories of Gosstandart and electric power enterprises.
Образцовый измеритель тока должен быть универсален по роду тока, иметь большой диапазон измерения, высокую точность измерения тока, а также удобен для использования.An exemplary current meter should be universal in terms of current type, have a large measuring range, high accuracy of current measurement, and is also convenient for use.
Существующие электромагнитные эталонные трансформаторы тока ИТТ-5000-5, ТТИП-5000/5 и методика поверки традиционных трансформаторов переменного тока по ГОСТ 8.217-2003 мало пригодны для проведения поверок электронных (цифровых) трансформаторов тока, изготовленных по ГОСТ Р МЭК 60044-8-2010 «Трансформаторы измерительные. Часть 8 Электронные трансформаторы тока». Основной причиной трудностей являются различия систем регистрации измеренных токов.The existing electromagnetic standard current transformers ITT-5000-5, TTIP-5000/5 and the verification procedure of traditional AC transformers according to GOST 8.217-2003 are not very suitable for testing electronic (digital) current transformers made according to GOST R IEC 60044-8-2010 “Measuring transformers.
В настоящее время на рынке измерителей тока для высоковольтных сетей появились электронные оптические измерители тока [1], принцип работы которых основан на эффекте Фарадея [2].Currently, electronic optical current meters [1] have appeared on the market of current meters for high-voltage networks, the principle of operation of which is based on the Faraday effect [2].
Основным узлом оптических измерителей тока является так называемая ячейка Фарадея, состоящая из двух линейных поляризаторов, между которыми установлено магниточувствительное изотропное прозрачное вещество, например, оптическое стекло, обладающее большой постоянной Верде, помещенное в магнитное поле проводника с током так, что вектор напряженности магнитного поля совпадает с направлением распространения линейно поляризованного света в данном веществе. Фрагмент проводника может быть в виде прямой шины или в виде соленоида, содержащего от одного до нескольких витков.The main unit of optical current meters is the so-called Faraday cell, which consists of two linear polarizers, between which a magnetically sensitive isotropic transparent substance is installed, for example, optical glass with a large Verdet constant, placed in the magnetic field of the conductor with the current so that the magnetic field vector coincides with the direction of propagation of linearly polarized light in a given substance. A fragment of the conductor may be in the form of a straight bus or in the form of a solenoid containing from one to several turns.
Под воздействием продольного магнитного поля фрагмента проводника с током магниточувствительное вещество (стекло) приобретает способность вращать (преобразовывать) плоскость поляризации линейно поляризованного света на уголUnder the influence of a longitudinal magnetic field of a conductor fragment with current, a magnetically sensitive substance (glass) acquires the ability to rotate (convert) the plane of polarization of linearly polarized light by an angle
где: Н - величина напряженности магнитного поля, действующего на активный элемент ячейки Фарадея;where: H is the magnitude of the magnetic field acting on the active element of the Faraday cell;
V - постоянная Верде магниточувствительного вещества (стекла);V is the Verdet constant of a magnetically sensitive substance (glass);
L - длина пути, пройденного пучком поляризованного света в веществе;L is the length of the path traveled by a beam of polarized light in a substance;
β - угол между направлением распространения света и направлением силовых линий магнитного поля фрагмента проводника;β is the angle between the direction of light propagation and the direction of the lines of force of the magnetic field of the conductor fragment;
N - число витков фрагмента проводника;N is the number of turns of the conductor fragment;
i - ток, протекаемый по проводнику;i is the current flowing through the conductor;
k - конструктивный коэффициент, учитывающий расстояние магниточувствительного вещества до проводника, усреднение напряженности магнитного поля в различных точках магниточувствительного элемента.k is a design coefficient that takes into account the distance of the magnetically sensitive substance to the conductor, averaging the magnetic field at various points of the magnetically sensitive element.
Если предположить, что магнитное поле Н постоянное, а магниточувствительное вещество изотропное, то по воздействию на линейно поляризованный свет его можно представить матрицей ротатора [3]If we assume that the magnetic field H is constant and the magnetically sensitive substance is isotropic, then according to the effect on linearly polarized light it can be represented by a rotator matrix [3]
где α - угол поворота плоскости поляризации в соответствии с формулой (1).where α is the angle of rotation of the plane of polarization in accordance with formula (1).
Обычно в ячейках Фарадея, используемых в оптических измерителях тока, плоскости пропускания поляризаторов отличаются на угол ±45°, то интенсивность света I на выходе ячейки Фарадея можно найти из уравненияUsually, in the Faraday cells used in optical current meters, the transmission planes of the polarizers differ by an angle of ± 45 °, then the light intensity I at the output of the Faraday cell can be found from the equation
где: - вектор Стокса не поляризованного света интенсивностью I0;Where: is the Stokes vector of non-polarized light of intensity I 0 ;
[МП]45° [МП]0 - табличные матрицы для идеальных поляризаторов [3] с плоскостями пропускания 0° и 45° соответственно.[M P ] 45 ° [M P ] 0 — tabular matrices for ideal polarizers [3] with
После перемножения матриц преобразования (3) находим первый параметр вектора Стокса, который характеризует интенсивность света I, прошедшего через ячейку Фарадея,After multiplying the transformation matrices (3), we find the first parameter of the Stokes vector, which characterizes the intensity of the light I passing through the Faraday cell,
Если по фрагменту проводника протекает переменный ток i=imaxsinωt частоты сети ω=50 Гц, тоIf an alternating current i = i max sinωt of the mains frequency ω = 50 Hz flows through a conductor fragment, then
а интенсивность света I на выходе ячейки Фарадея изменяется по законуand the light intensity I at the output of the Faraday cell changes according to the law
Отношение Q переменной составляющей к постоянной составляющей интенсивности света I несет в себе информацию о угле поворота α и о величине тока i, а именно:The ratio Q of the variable component to the constant component of the light intensity I carries information on the rotation angle α and on the magnitude of the current i, namely:
Из уравнений (6, 7, 8) видно, что ячейки Фарадея для оптических измерителей переменного тока должны быть выполнены так, чтобы амплитуда изменения угла поворота плоскости поляризации а не превышала ±45°. Желательно, чтобы угол α удовлетворял условию |α|<±30°.It is seen from equations (6, 7, 8) that the Faraday cells for optical AC meters should be made so that the amplitude of the change in the angle of rotation of the plane of polarization a does not exceed ± 45 °. It is desirable that the angle α satisfy the condition | α | <± 30 °.
Следовательно, в зависимости от величины измеряемого тока i должны быть правильно выбраны: вещество магнитооптического элемента по постоянной Верде V, длина пути L пучка света в магнитооптическом элементе, конструкция фрагмента проводника с током (число витков N соленоида), формирующего продольное магнитное поле.Therefore, depending on the magnitude of the measured current i, the following should be correctly selected: the material of the magneto-optical element with respect to the Verde constant V, the path length L of the light beam in the magneto-optical element, the design of the conductor fragment with current (number of turns N of the solenoid), which forms a longitudinal magnetic field.
Конструкция проводника с током должна быть такой, чтобы магнитные силовые линии совпадали с направлением света и коэффициент k был наибольшим. Например, если это соленоид, то следует стремиться к тому, чтобы диаметр соленоида был наименьшим (проводник с током должен быть ближе к магнитооптическому элементу), а его длина должна быть как можно больше диаметра.The design of the conductor with the current must be such that the magnetic field lines coincide with the direction of light and the coefficient k is the largest. For example, if this is a solenoid, then you should strive to ensure that the diameter of the solenoid is the smallest (the current conductor should be closer to the magneto-optical element), and its length should be as large as possible.
Обычно номинальный измеряемый ток i может быть от 100 А до нескольких килоампер. Сечение S фрагментов проводников измерителей тока должны соответствовать току i. Так, для медных проводников при i=300 А должно быть S≥120 мм2, а при i=5000 А должно быть S≥2000 мм2. При этом возникают две проблемы. Во-первых, если в качестве проводников использовать толстые шины, то существуют ограничения для минимальных радиусов изгиба шин и изготовлении из них соленоидов малых диаметров затруднено. Во-вторых, при переменном токе в толстых шинах возникают вихревые токи Фуко, что приводит к дополнительному нагреву проводника с током и нагреву магнитооптического элемента.Typically, the nominal measured current i can be from 100 A to several kiloamperes. The cross section S of the fragments of the conductors of the current meters must correspond to the current i. So, for copper conductors at i = 300 A there should be S≥120 mm 2 , and at i = 5000 A it should be S≥2000 mm 2 . This raises two problems. Firstly, if thick tires are used as conductors, then there are restrictions for the minimum bending radii of the tires and it is difficult to manufacture solenoids of small diameters. Secondly, with alternating current in thick tires, Foucault eddy currents occur, which leads to additional heating of the conductor with current and heating of the magneto-optical element.
Магнитооптический элемент ячейки Фарадея должен быть изотропным даже при воздействий температуры при нагреве фрагмента проводника (соленоида), чтобы не происходило появление термических натяжений и возникновения эффектов двойного лучепреломления, преобразования линейно поляризованного света в эллиптически поляризованный и, в конечном итоге, к эффекту деполяризации света.The magneto-optical element of a Faraday cell must be isotropic even when exposed to temperature when a conductor fragment (solenoid) is heated, so that thermal stresses and birefringence effects do not occur, linearly polarized light is converted to elliptically polarized and, ultimately, to the effect of light depolarization.
Для обеспечения большого диапазона измерения токов в образцовом измерителе тока конструкция фрагмента проводника с током должна позволять регулировать напряженность создаваемого им магнитного поля, например, путем изменения числа витков сечения проводника.To ensure a large range of current measurements in an exemplary current meter, the design of a fragment of a conductor with current should allow it to control the intensity of the magnetic field created by it, for example, by changing the number of turns of the conductor cross section.
Известны цифровые оптические измерители тока, у которых в качестве магниточувствительного вещества используют оптическое одномодовое волокно, которое наматывают в виде катушки и надевают на фрагмент проводника с током так, что витки волокна совпадают с направлением силовых линий магнитного поля проводника [4, 5, 6].Digital optical current meters are known, in which an optical single-mode fiber is used as a magnetically sensitive substance, which is wound in the form of a coil and put on a conductor fragment with current so that the fiber turns coincide with the direction of the magnetic field lines of the conductor [4, 5, 6].
Подобные устройства имеют ряд существенных недостатков.Such devices have a number of significant disadvantages.
Главный недостаток состоит в том, что принцип работы любого оптического волокна основан на явлении полного внутреннего отражения света, при котором неизбежно возникает разность фаз δ между взаимоортогональными компонентами поляризованного света и линейно поляризованный свет становится эллиптически поляризованным.The main disadvantage is that the principle of operation of any optical fiber is based on the phenomenon of total internal reflection of light, in which a phase difference δ inevitably arises between mutually orthogonal components of polarized light and linearly polarized light becomes elliptically polarized.
Величина разности фаз δ и степень эллиптичности зависит от ориентации плоскости поляризации падающего света относительно плоскости границы раздела сердцевины оптического волокна и его оболочки, а так же от угла преломления при каждом акте внутреннего отражения внутри оптического волокна. Кроме того, при изгибе оптического волокна в нем неизбежно возникают механические нагрузки, которые приводят к появлению двойного лучепреломления и к дополнительной разности фаз. Следовательно, оптическое волокно является анизотропным веществом. Любое волокно можно представить в виде набора фазовых пластинок с различными направлениями главных осей, преобразующих линейно поляризованный свет в эллиптический.The magnitude of the phase difference δ and the degree of ellipticity depends on the orientation of the plane of polarization of the incident light relative to the plane of the interface of the core of the optical fiber and its cladding, as well as on the angle of refraction for each event of internal reflection inside the optical fiber. In addition, when an optical fiber bends, mechanical loads inevitably arise in it, which lead to the appearance of birefringence and to an additional phase difference. Therefore, an optical fiber is an anisotropic substance. Any fiber can be represented as a set of phase plates with different directions of the main axes, converting linearly polarized light to elliptical.
В процессе распространения линейно поляризованного света в оптическом волокне происходит хаотическое преобразование состояния поляризации света и на выходе оптического волокна вместо линейно поляризованного света получаем частично поляризованный свет (если волокно одномодовое) или полностью не поляризованный свет (если волокно многомодовое).During the propagation of linearly polarized light in an optical fiber, a chaotic transformation of the state of polarization of light occurs, and instead of linearly polarized light, at the output of the optical fiber we obtain partially polarized light (if the fiber is single-mode) or completely non-polarized light (if the fiber is multi-mode).
В результате в одномодовом волокне одновременно с эффектом поворота плоскости поляризации на угол α происходит частичная деполяризация света с коэффициентом деполяризации Δр.As a result, in a single-mode fiber, simultaneously with the effect of rotation of the plane of polarization by an angle α, partial depolarization of light occurs with a depolarization coefficient Δp.
Следовательно, магниточувствительный элемент ячейки Фарадея, выполненный на основе одномодового оптического волокна, по воздействию на линейно поляризованный свет можно представить матрицей преобразованияTherefore, the magnetically sensitive element of the Faraday cell, made on the basis of a single-mode optical fiber, can be represented by a transformation matrix by the effect on linearly polarized light
где: р=1-Δр - степень поляризации света;where: p = 1-Δp is the degree of polarization of light;
α - угол поворота плоскости поляризации света оптическим волокном под воздействием магнитного поля.α is the angle of rotation of the plane of polarization of light by an optical fiber under the influence of a magnetic field.
Если матрицу (9) подставить в уравнение (3), то после перемножения матриц найдем интенсивность света, выходящего из оптического волокна после второго поляризатораIf we substitute matrix (9) into equation (3), then after multiplying the matrices we find the intensity of the light emerging from the optical fiber after the second polarizer
В этом случае величину измеряемого тока можно представить выражениемIn this case, the value of the measured current can be represented by the expression
Из уравнения (11) видно, что с уменьшением степени поляризации р уменьшается амплитуда оптического сигнала, несущего информацию о эффекте Фарадея (о угле поворота α) и, соответственно, вносится ошибка в результате измерения тока.From equation (11) it is seen that with decreasing degree of polarization p, the amplitude of the optical signal that carries information about the Faraday effect (rotation angle α) decreases and, accordingly, an error is introduced as a result of measuring the current.
Известен магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока [7], в котором ячейка Фарадея выполнена в виде четырех стеклянных призм типа АР-180° склеенных последовательно так, что они охватывают по кругу проводник с током. На входе первой призмы и на выходе четвертой призмы закреплены линейные поляризаторы, плоскости пропускания которых составляют между собой угол ±45°.Known magneto-optical measuring transformer of alternating current [7], in which the Faraday cell is made in the form of four glass prisms of the type AR-180 ° glued in series so that they surround the conductor with current in a circle. At the entrance of the first prism and at the output of the fourth prism, linear polarizers are fixed, the transmission planes of which make an angle of ± 45 ° between themselves.
Свет от источника, находящегося под нулевым потенциалом земли, направляется на ячейку Фарадея, находящуюся под высоким напряжением сети, с помощью многомодового оптического волокна и установленного за ним коллиматора.Light from a source located at zero ground potential is directed to a Faraday cell under a high voltage network using a multimode optical fiber and a collimator installed behind it.
Прошедший через ячейку Фарадея свет направляется на фотоприемник так же с помощью многомодового оптического волокна.The light transmitted through the Faraday cell is sent to the photodetector using a multimode optical fiber as well.
Эта известная ячейка Фарадея, используемая в патенте [7], работает следующим образом.This well-known Faraday cell used in the patent [7] works as follows.
Свет от источника с помощью первого многомодового оптического волокна передается в фокальную плоскость коллиматора. Далее после коллиматора свет проходит первый линейный поляризатор, становится линейно поляризованным, последовательно проходит все четыре призмы АР-180°, второй поляризатор, собирающую линзу и с помощью второго многомодового оптического волокна подается на фотоприемник.The light from the source is transmitted through the first multimode optical fiber to the focal plane of the collimator. Further, after the collimator, the light passes through the first linear polarizer, becomes linearly polarized, all four AR-180 ° prisms pass sequentially, the second polarizer, which collects the lens and is fed to the photodetector using a second multimode optical fiber.
Если по фрагменту проводника проходит переменный ток частоты ω=50 Гц, то вокруг проводника создается переменное магнитное поле, магнитные силовые линии которого в виде концентрических колец пронизывают призмы, по которым проходит линейно поляризованный свет по прямой, параллельной осевой линии каждой призмы. Продольная составляющая этих силовых линий, совпадающая с направлением распространения света в каждой из четырех призм создает эффект поворота плоскости поляризации света на уголIf an alternating current of frequency ω = 50 Hz passes through a fragment of a conductor, then an alternating magnetic field is created around the conductor, the magnetic lines of force of which in the form of concentric rings penetrate the prisms along which linearly polarized light passes in a straight line parallel to the axial line of each prism. The longitudinal component of these lines of force, which coincides with the direction of light propagation in each of the four prisms, creates the effect of rotation of the plane of polarization of light by an angle
где: αmax=HmaxVLcosβ;where: α max = H max VLcosβ;
Hmax - максимальная амплитуда напряженности магнитного поля вокруг проводника;H max - the maximum amplitude of the magnetic field around the conductor;
V - постоянная Верде стекла призм;V is the Verdet constant of glass prisms;
L - длина пути поляризованного света, пройденного вдоль магнитных силовых линий;L is the path length of polarized light traveled along magnetic field lines;
β - угол между направлением распространения света и направлением силовых линий магнитного поля.β is the angle between the direction of light propagation and the direction of the lines of force of the magnetic field.
Благодаря тому, что главное сечение последующей призмы находится под углом 90° к главному сечению предыдущей призмы, то разность фаз δ между компонентами поляризованного света, возникающая при полном внутреннем отражении в предыдущей призме, компенсируется в последующей призме (если все призмы выполнены из одной марки стекла). Поэтому в отличие от оптического волокна в процессе прохождения поляризованного света по всем четырем призмам деполяризация света не происходит.Due to the fact that the main cross section of the subsequent prism is at an angle of 90 ° to the main cross section of the previous prism, the phase difference δ between the components of polarized light, which occurs when total internal reflection is in the previous prism, is compensated in the subsequent prism (if all the prisms are made of the same glass grade ) Therefore, unlike an optical fiber, during the passage of polarized light through all four prisms, depolarization of light does not occur.
Однако, это известное устройство [7] имеет существенные недостатки.However, this known device [7] has significant drawbacks.
Во-первых, в данном устройстве [7] не эффективно используется магнитное поле, возникающее вокруг проводника с током. Так, в каждой из четырех призм свет распространяется по прямой, составляя траекторию четырехугольника, а силовые линии вокруг проводника имеет форму концентрических колец. Причем, напряженность магнитного поля у поверхности проводника наибольшая, а с увеличением радиуса г кольца убывает по законуFirst, in this device [7] the magnetic field arising around the current conductor is not used effectively. So, in each of the four prisms, light propagates in a straight line, making up the trajectory of the quadrangle, and the lines of force around the conductor are in the form of concentric rings. Moreover, the magnetic field strength at the surface of the conductor is greatest, and with increasing radius r of the ring decreases according to the law
Поэтому в зоне центральной части каждой призмы напряженность поля Н наибольшая, а у концов призм существенно меньше. К тому же у концов призм на участках перехода света от одной призмы к другой свет распространяется перпендикулярно плоскости колец магнитных силовых линий и не вносит никакого вклада в эффект Фарадея.Therefore, in the zone of the central part of each prism, the field strength H is greatest, and at the ends of the prisms it is substantially less. Moreover, at the ends of the prisms in the light transition from one prism to another, the light propagates perpendicular to the plane of the rings of magnetic lines of force and makes no contribution to the Faraday effect.
Во-вторых, если требуется достичь высокой точности измерений переменного тока, то данное устройство не имеет перспектив существенного увеличения пути L поляризованного света в призмах и увеличения числа витков проводника с током.Secondly, if you want to achieve high accuracy in measuring AC current, this device does not have the prospects of significantly increasing the path L of polarized light in prisms and increasing the number of turns of a conductor with current.
В-третьих, это известное устройство не может измерять постоянный ток. В известном оптическом измерителе переменного тока в высоковольтных сетях по патенту РФ (полезная модель) №171401, G01R 15/24 [8] используется более совершенный магнитооптический элемент в виде четырехугольной призмы.Thirdly, this known device cannot measure direct current. In the known optical meter of alternating current in high voltage networks according to the patent of the Russian Federation (utility model) No. 171401,
Это известное устройство содержит источник коллимированного пучка света 1 диаметром D (фиг. 1), в пучке света установлены последовательно первый линейный поляризатор 2, четырехугольная стеклянная призма 3 высотой h, которая установлена внутри скобы 4, выполненной из медной шины. Первое основание 5 призмы 3 полировано и на нем нанесено зеркальное покрытие в виде прямоугольной полоски 6. Другое основание призмы 3 содержит две полированные поверхности с зеркальными покрытиями 7, 8, которые наклонены относительно первого основания 5 под равными углами γ=arctg(0,5D/h) и образует между собой в центре основания ребро 9, параллельное длинной стороне зеркальной полоски 6.This known device contains a collimated
Плоскость пропускания первого поляризатора 2 перпендикулярна ребру 9 и параллельна большой грани призмы 3. После призмы 3 по ходу пучка света установлен второй поляризатор 10, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° относительно плоскости пропускания первого поляризатора 2.The transmission plane of the
Известное устройство [8] работает следующим образом. Коллимированный пучок света от источника 1 проходит поляризатор 2 и становится линейно поляризованным, азимут поляризации которого ψ перпендикулярен ребру 9 и параллелен большой грани призмы 3. Линейно поляризованный коллимированный пучок света проходит стеклянную призму 3 и под углом γ падает на зеркальную поверхность 7, отражается от нее, второй раз проходит призму 3, под углом 2γ падает на зеркальную поверхность полоски 6, отражается от нее, третий раз проходит призму 3 и под углом γ падает на зеркальную поверхность 8, после отражения от нее проходит в четвертый раз призму 3 и проходит второй поляризатор 10.The known device [8] operates as follows. The collimated light beam from
Поскольку в данном примере плоскость поляризации света падающего на границу стекло-зеркальное покрытие совпадает с плоскостью падения, то для модулей комплексных коэффициентов отражения для параллельной и перпендикулярной составляющих поляризованного света можно записать а азимут преимущественной поляризации после отраженияSince in this example the plane of polarization of the light incident on the glass-mirror coating boundary coincides with the plane of incidence, for the modules of complex reflection coefficients for the parallel and perpendicular components of polarized light, we can write and the azimuth of preferential polarization after reflection
Таким образом, граница стекло-зеркальное покрытие при указанных выше условиях является изотропной системой с коэффициентом отражения .Thus, the glass-mirror coating interface under the above conditions is an isotropic system with a reflection coefficient .
Если ток i по шине 4 не проходит и магнитное поле отсутствует, а на призму 3 не действуют механические или термические нагрузки, то интенсивность света на выходе ячейки ФарадеяIf current i does not pass through
где I0 - интенсивность света, падающего на первый поляризатор 2.where I 0 is the intensity of the light incident on the
Если по шине 4 протекает переменный ток i=imaxsinωt частоты сети ω=50 Гц, то интенсивность света на выходе ячейки Фарадея изменяется по законуIf alternating current i = i max sinωt of the mains frequency ω = 50 Hz flows through
а амплитуду переменного тока можно определить по формуле (8):and the amplitude of the alternating current can be determined by the formula (8):
Из формул (8) и (17) видно, что известная ячейка Фарадея, используемая в известном устройстве [8], является более совершенной по сравнению с теми, у которых в качестве магнитооптического элемента используется оптическое волокно.From formulas (8) and (17) it can be seen that the well-known Faraday cell used in the known device [8] is more advanced than those in which an optical fiber is used as a magneto-optical element.
Однако, и это известное устройство имеет существенные недостатки.However, this known device also has significant drawbacks.
Во-первых, известное устройство предназначено для измерения только переменного тока.Firstly, the known device is designed to measure only alternating current.
Во-вторых, фрагмент проводника 4 с переменным током выполнен из широкой и толстой шины, в которой возникают вихревые токи и скин-эффект, искажается магнитное поле и увеличивается нагрев фрагмента проводника.Secondly, the fragment of the
В-третьих, фрагмент проводника 4 имеет форму скобы, что не позволяет максимально использовать возникающее вокруг проводника магнитное поле. Известно, например, что напряженность магнитного поля Н в центре полного витка в 1,36 раза больше, чем в центре скобы.Thirdly, the fragment of the
В-четвертых, для увеличения точности измерения тока в известном устройстве затруднено увеличение пути L, пройденного пучком света в четырехугольной стеклянной призме 3 ячейки Фарадея.Fourthly, to increase the accuracy of measuring current in the known device, it is difficult to increase the path L traveled by the light beam in a
Известен более совершенный измеритель тока оптический [9], содержащий источник монохроматического коллимированного пучка света 1 (фиг. 2, 3) длиной волны λ и диаметром D, в котором установлены первый поляризатор в виде призмы Волластона 2, магнитооптический элемент 3 ячейки Фарадея, находящийся в продольном магнитном поле соленоида 4 с током. Магнитооптический элемент ячейки Фарадея выполнен в виде четырехугольной стеклянной призмы 3 высотой h, ее первое основание 5 полировано, на нем в центре основания 5 частично нанесено зеркальное покрытие в виде полоски 6 шириной D, равной диаметру коллимированного пучка света. Второе основание призмы 3 содержит две полированные поверхности 7, 8 с зеркальными покрытиями и наклоненные относительно первого основания 5 под равными углами γ=arctg(0,5D/h), составляющие между собой в центре ребро 9. Далее по ходу лучей установлен второй поляризатор 10, дополнительная призма 11, линзы 13, 14 (фиг. 3) и фотоприемники 15, 16, которые подключены к электронному блоку с индикатором результатов измерений и интерфейсом. Плоскость пропускания поляризатора 10 составляет углы ±45° с плоскостями поляризации лучей, вышедших из призмы Волластона 2. Дополнительная призма 11 выполнена из того же стекла, что и призма 3, ее две полированные грани образуют ребро, перпендикулярное плоскости разведения лучей призмой Волластона 2, и образуют с третьей полированной гранью дополнительной призмы 11 одинаковые углы θ, удовлетворяющие условиюKnown for a more advanced optical current meter [9], containing a monochromatic collimated light source 1 (Fig. 2, 3) of wavelength λ and diameter D, in which the first polarizer in the form of a
где: β - угол разведения лучей призмой Волластона 2;where: β is the angle of ray dilution with the
n - показатель преломления стекла призм 3 и 11.n is the refractive index of the glass of
Известный измеритель тока оптический универсальный работает следующим образом. Коллимированный, монохроматический пучок света от источника 1 (фиг. 2, 3) падает на первый поляризатор 2, выполненный в виде призмы Волластона и разделяется ею под углом 2β на два одинаковые по интенсивности линейно поляризованные пучка света с взаимоортогональными плоскостями поляризации.The known optical current meter universal works as follows. A collimated, monochromatic light beam from a source 1 (Fig. 2, 3) falls on the
Далее разделенные пучки света, лежащие в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа (фиг. 2), проходят магнитооптический элемент (призму 3), отражаются от зеркальной поверхности 7, вторично проходят элемент 3, отражаются от зеркальной плоскости 6, третий раз проходят элемент 3, отражаются от зеркальной поверхности 8, в четвертый раз проходят элемент 3, проходят второй поляризатор 10, преломляются в призме 11 и линзами 13, 14 (фиг. 3) направляются на фотоприемники 15, 16. Если по соленоиду 4 протекает постоянный ток, то фотоприемники 15, 16 преобразуют пучки света с интенсивностями I1 и I2 в электрические сигналыNext, the separated light beams lying in a plane perpendicular to the plane of the drawing (Fig. 2) pass through the magneto-optical element (prism 3), are reflected from the
где α - угол поворота плоскости поляризации света.where α is the angle of rotation of the plane of polarization of light.
В электронном блоке вычисляется отношениеIn the electronic unit, the ratio is calculated
и величина измеренного постоянного токаand the value of the measured direct current
где с=NVLK - постоянная величина, зависящая от числа витков N соленоида 4, постоянной Верде V стекла призмы 3, от длины пути света в призме 3 и от коэффициента использования магнитного поля k.where c = NVLK is a constant value depending on the number of turns N of the
Если по соленоиду 4 течет переменный ток частоты сети ω и напряженность магнитного поля внутри соленоида 4, также переменна H=Hmaxsinωt, то на выходе фотоприемников 15, 16 будут электрические сигналыIf an alternating current of the mains frequency ω and a magnetic field inside the
Переменные составляющие сигналов U1 и U2 частоты ω находятся в противофазе, поэтомуThe variable components of the signals U 1 and U 2 of frequency ω are in antiphase, therefore
Переменная составляющая электрического сигнала детектируется, сглаживается, поэтому микропроцессор электронного блока находит отношение Q и величину измеряемого тока по формулам (21) и (22).The variable component of the electrical signal is detected, smoothed, so the microprocessor of the electronic unit finds the ratio Q and the magnitude of the measured current according to formulas (21) and (22).
Рассматриваемое известное устройство [9] является универсальным как по роду измеряемого тока (переменный или постоянный), так и по напряжению (от класса высокого напряжения зависит только конструкция. изолятора).The known device under consideration [9] is universal both in terms of the type of measured current (alternating or direct) and in voltage (only the design of an insulator depends on the high voltage class).
Однако, и это известное устройство [9] имеет недостатки, которые не позволяют использовать его в качестве образцового лабораторного измерителя тока.However, this known device [9] also has drawbacks that prevent it from being used as an exemplary laboratory current meter.
Известное устройство не содержит конструктивных признаков для регулировки диапазона измерения токов при сохранении высокой чувствительности и точности измерений токов. Так, например, при соленоиде из медных проводников сечением S=240mm2, состоящего из четырех витков (N=4), допустимый номинальный ток iном=240мм2⋅2,5А/мм2=600А и Н=i⋅N=600⋅4=2400А⋅витка. Если световой пучок проходит в магнитооптическом веществе путь L=280 мм, то согласно эксперименту номинальный угол поворота плоскости поляризации α=NiVkL=±9,67°, что при чувствительности измерения угла поворота αmin=±0,006° соответствует чувствительности по току Δi=±0,415A, то есть 0,18° от измеряемой величины.The known device does not contain structural features for adjusting the range of measurement of currents while maintaining high sensitivity and accuracy of measurement of currents. So, for example, with a solenoid made of copper conductors with a cross-section S = 240 mm 2 , consisting of four turns (N = 4), the permissible rated current i nom = 240 mm 2 ⋅ 2.5 A / mm 2 = 600 A and H = i⋅N = 600 ⋅4 = 2400A⋅volka. If a light beam travels in a magneto-optical substance with a path L = 280 mm, then according to the experiment, the nominal angle of rotation of the plane of polarization is α = NiVkL = ± 9.67 °, which, with the sensitivity of measuring the angle of rotation α min = ± 0.006 °, corresponds to the current sensitivity Δi = ± 0.415A, i.e. 0.18 ° of the measured value.
Если требуется измерять большие токи, например, i=2000A, то сечение соленоида S=240мм2 недостаточное (требуется S≥800мм2), а угол поворота плоскости поляризации при таком токе α>32°, что за пределами допустимого.If it is required to measure large currents, for example, i = 2000A, then the cross section of the solenoid S = 240mm 2 is insufficient (S≥800mm 2 is required), and the angle of rotation of the plane of polarization at such a current is α> 32 °, which is outside the permissible range.
А если номинальный измеряемый ток меньше, например, iном ~ 100А, то при той же конструкции чувствительность по току Δi=±0,373А, что соответствует погрешности измерений тока 0,373% (почти вдвое хуже предусмотренной ГОСТ 7746-2001). Следовательно, в образцовом измерителе тока должна быть высокая чувствительность измерения тока и регулировка (подбор) сечения S проводника и числа витков N соленоида.And if the nominal measured current is less, for example, i nom ~ 100A, then with the same design the current sensitivity is Δi = ± 0.373A, which corresponds to an error of current measurements of 0.373% (almost half as much as stipulated by GOST 7746-2001). Therefore, in the model current meter should be a high sensitivity current measurement and adjustment (selection) of the cross section S of the conductor and the number of turns N of the solenoid.
Предлагается новый измеритель переменного и постоянного тока оптический лабораторный свободный от упомянутых недостатков.A new ac and dc optical laboratory meter is offered, free of the aforementioned drawbacks.
Измеритель переменного и постоянного тока оптический лабораторный содержит источник монохроматического коллимированного пучка света длиной волны λ и диаметром D, в котором установлены первый поляризатор, магнитооптический элемент ячейки Фарадея, который находится в продольном магнитном поле соленоида с током. Магнитооптический элемент выполнен в виде четырехугольной стеклянной призмы высотой h, ее первое основание полировано, на нем закреплена дополнительная призма из такого же стекла и частично нанесено зеркальное покрытие. Второе основание четырехугольной призмы содержит две полированные поверхности с зеркальными покрытиями наклонены относительно первого основания под равными углами γ=arctg(0,5D/h) и составляют между собой в центре ребро. Далее по ходу лучей установлены второй поляризатор в виде призмы Волластона с плоскостями поляризации разделенных ею лучей под углами ±45° относительно плоскости пропускания первого поляризатора, линзы, фотоприемники и электронный блок.The optical laboratory AC and DC current meter contains a source of a monochromatic collimated light beam of wavelength λ and diameter D, in which the first polarizer, the magneto-optical element of the Faraday cell, which is located in the longitudinal magnetic field of the solenoid with current, are installed. The magneto-optical element is made in the form of a quadrangular glass prism of height h, its first base is polished, an additional prism of the same glass is fixed on it, and a mirror coating is partially applied. The second base of the quadrangular prism contains two polished surfaces with mirror coatings inclined relative to the first base at equal angles γ = arctan (0.5D / h) and constitute an edge between them in the center. Further along the rays, a second polarizer is installed in the form of a Wollaston prism with polarization planes of the rays separated by it at angles of ± 45 ° relative to the transmission plane of the first polarizer, lenses, photodetectors, and an electronic unit.
С целью увеличения пути прохождения поляризованного пучка света в четырехугольной призме и, соответственно, увеличения чувствительности и точности измерений тока, на первом основании четырехугольной призмы зеркальное покрытие нанесено на 2/3 ее поверхности так, что линия раздела между чистой и зеркальной поверхностями параллельна ребру второго основания четырехугольной призмы. Дополнительная призма наклеена на чистую поверхность первого основания так, что ее ребро перпендикулярно ребру четырехугольной призмы, а ее полированные грани наклонены к ее основанию под равными угламиIn order to increase the path of the polarized light beam in the quadrangular prism and, accordingly, increase the sensitivity and accuracy of current measurements, a mirror coating is applied to 2/3 of its surface on the first base of the quadrangular prism so that the interface between the clean and mirror surfaces is parallel to the edge of the second base quadrangular prism. An additional prism is glued to the clean surface of the first base so that its edge is perpendicular to the edge of the quadrangular prism, and its polished faces are inclined to its base at equal angles
где nλ - показатель преломления стекла дополнительной призмы для длины волны λ, излучения источника света;where n λ is the refractive index of the glass of the additional prism for wavelength λ, radiation of the light source;
l - расстояние между центрами входящего в призму и выходящего из нее пучка света;l is the distance between the centers of the light beam entering and leaving the prism;
L - длина пути пучка света в четырехугольной и дополнительной призмах.L is the path length of the light beam in a quadrangular and additional prisms.
Для достижения стабильно высокой точности измерений токов в широком диапазоне соленоид выполнен так, что охватывает четырехугольную призму по всей ее высоте h и выполнен в виде набора отдельных плоских, одинаковых по внутреннему диаметру многослойных витков из обмоточных проводников, например, плоских шин, уложенных слоями друг на друга и соединенных между собой параллельно. Многослойные витки образуют катушки, содержащие от одного до четырех многослойных витков. Катушки снабжены стандартными наконечниками для соединения их с токопроводящими шинами и между собой параллельно при измерениях больших номинальных токов (например, от 500А до нескольких килоампер), последовательно при измерениях малых номинальных токов (например, до 300А) и для смешанного соединения (например, для измерения номинальных токов от 200 до 600А).To achieve consistently high accuracy in measuring currents over a wide range, the solenoid is designed to cover a quadrangular prism over its entire height h and is made up of a set of separate flat, identical in diameter inner multilayer turns of winding conductors, for example, flat buses laid in layers on top of each other friend and interconnected in parallel. Multilayer coils form coils containing one to four multilayer coils. The coils are equipped with standard lugs for connecting them to conductive busbars and to each other in parallel when measuring high rated currents (for example, from 500A to several kiloamperes), sequentially when measuring low rated currents (for example, up to 300A) and for mixed connection (for example, for measuring rated currents from 200 to 600A).
На фиг. 1 показана структурная схема известного оптического измерителя переменного тока в высоковольтных сетях по патенту РФ №171401.In FIG. 1 shows a structural diagram of a known optical meter of alternating current in high voltage networks according to the patent of the Russian Federation No. 171401.
На фиг. 2 показана структурная схема известного измерителя тока оптического универсального по патенту РФ №2682133 (вид спереди, в разрезах).In FIG. 2 shows a structural diagram of a known optical universal current meter according to the patent of the Russian Federation No. 2682133 (front view, in sections).
На фиг. 3 показана структурная схема известного измерителя тока оптического универсального по патенту РФ №2682133 (вид сбоку, в разрезах).In FIG. 3 shows a structural diagram of a known optical universal current meter according to the patent of the Russian Federation No. 2682133 (side view, in sections).
На фиг. 4, 5 показана структурная схема предлагаемого нового измерителя переменного и постоянного тока оптического лабораторного.In FIG. 4, 5 shows a structural diagram of the proposed new meter AC and DC optical laboratory.
На фиг. 6 показана конструкция одного полного витка соленоида.In FIG. 6 shows the design of one full turn of the solenoid.
На фиг. 7 показана конструкция предлагаемой катушки из четырех витков, состоящая из четырех слоев обмоточных проводников в виде прямоугольной шины.In FIG. 7 shows the design of the proposed coil of four turns, consisting of four layers of winding conductors in the form of a rectangular bus.
На фиг. 8 показана конструкция одного полного витка соленоида, состоящего из двух многослойных витков обмоточных медных проводников в виде шины 2×4 мм2, соединенных между собой параллельно с помощью стандартных наконечников.In FIG. Figure 8 shows the design of one full turn of a solenoid, consisting of two multilayer turns of winding copper conductors in the form of a 2 × 4 mm 2 bus connected in parallel using standard tips.
На фиг. 9 показана конструкция соленоида, состоящего из пяти катушек (фиг. 7), соединенных параллельно.In FIG. 9 shows the construction of a solenoid consisting of five coils (FIG. 7) connected in parallel.
На фиг. 10 показана конструкция соленоида, состоящего из пяти катушек (фиг. 7) по четыре многослойных витка обмоточных проводников в каждой, соединенных последовательно.In FIG. 10 shows the construction of a solenoid consisting of five coils (Fig. 7), four multilayer turns of winding conductors in each, connected in series.
На фиг. 11 показана конструкция соленоида, состоящего из семи спаренных витков (фиг. 8), соединенных параллельно.In FIG. 11 shows the construction of a solenoid consisting of seven paired turns (FIG. 8) connected in parallel.
Предлагаемый измеритель переменного и постоянного тока оптический лабораторный содержит источник монохроматического коллимированного пучка света 1 (фиг. 4, 5) длиной волны λ и диаметром D. В пучке света установлены первый поляризатор 2, например, в виде поляроида, магнитооптический элемент ячейки Фарадея, выполненный в виде четырехугольной стеклянной призмы 3 высотой h.The proposed AC and direct current optical laboratory meter contains a source of a monochromatic collimated light beam 1 (Fig. 4, 5) of wavelength λ and diameter D. The
Магнитооптический элемент 3 находится внутри соленоида 4, то есть в продольном магнитном поле и выполнен в виде четырехугольной стеклянной призмы 3 высотой h. Первое основание 5 призмы 3 полировано, на 2/3 ее поверхности нанесено зеркальное покрытие 6.The magneto-
Второе основание четырехугольной призмы 3 содержит две полированные поверхности 7, 8 (фиг. 5) с зеркальными покрытиями, которые наклонены относительно первого основания под равными углами γ=arctg(0,5D/h) и в центре основания составляют между собой ребро 9.The second base of the
После четырехугольной призмы 3 установлен второй поляризатор в виде призмы Волластона 10 (фиг. 4) с плоскостями поляризации разделенных ее лучей под углами ±45° относительно плоскости пропускания первого поляризатора 2.After the
Линия разделена между зеркальным покрытием 6 (фиг. 5) и чистой поверхностью первого основания 5 параллельна ребру 9. На чистую поверхность первого основания 5 наклеена дополнительная призма 11 из такого же стекла, что и призма 3, причем так, что ее ребро 12 (фиг. 4) перпендикулярно ребру 9 четырехугольной призмы 3. Полированные грани дополнительной призмы 11 наклонены к ее основанию и, следовательно, к первому основанию 5 призмы 3 под углами (27)The line is divided between the mirror coating 6 (Fig. 5) and the clean surface of the
где nλ - показатель преломления стекла призмы 11 для длины волны света λ;where n λ is the refractive index of the glass of the
l - расстояние между центрами входящего в призму 11 и выходящего из нее пучка света;l is the distance between the centers of the light entering the
L - длина пути пучка света в четырехугольной 3 и дополнительной 11 призмах.L is the path length of the light beam in a quadrangular 3 and an additional 11 prisms.
В разделенных призмой Волластона 10 пучках установлены линзы 13, 14 (фиг. 4), которые собирают свет на фотоприемники 15, 16. Фотоприемники 15, 16 подключены к электронному блоку 17.In the beams separated by the
С целью достижения стабильно высокой точности измерений токов в широком диапазоне их номинальных величин соленоид 4 охватывает четырехугольную призму 3 по всей ее высоте h и выполнен в виде набора отдельных катушек одинаковых по внутреннему диаметру, содержащих от одного до четырех многослойных витков из обмоточных проводников (фиг. 6, 7, 8).In order to achieve a consistently high accuracy in measuring currents in a wide range of their nominal values, the
Так на фиг. 6 показана конструкция одного полного витка многослойного 18 содержащего четыре отрезка медной шины сечением 2×4 мм2 уложенные слоями друг на друга и соединенных параллельно.So in FIG. 6 shows the design of one full turn of a multilayer 18 containing four segments of a copper bus bar with a section of 2 × 4 mm 2 laid in layers on top of each other and connected in parallel.
На фиг. 7 показана конструкция катушки 19 из четырех многослойных витков, состоящих из четырех слоев проводника в виде медной шины сечением 2×4 мм2. На концах катушки припаяны наконечники 20 для удобства ее монтажа в составе соленоида.In FIG. 7 shows the construction of a
На фиг. 8 показана конструкция катушки из одного витка, содержащего два многослойных витка 18, соединенных между собой параллельно.In FIG. 8 shows the design of a coil of a single turn, containing two multilayer turns 18, interconnected in parallel.
В качестве примера на фиг. 9 показан общий вид одного из вариантов предлагаемого соленоида, предназначенного для измерения токов до 600А, в котором установлено пять катушек 19 (фиг. 6), соединенных между собой параллельно. Для подачи тока катушкам 19 наконечники 20, соединенные с началом катушек, соединены с медной шиной 21 (фиг. 8), а наконечники 20, соединенные с концами катушек 19 - с шиной 22 (фиг. 9) с помощью винтов 23.As an example in FIG. 9 shows a General view of one of the options of the proposed solenoid, designed to measure currents up to 600A, in which there are five coils 19 (Fig. 6), interconnected in parallel. To supply current to the
Шины 21 и 22 закреплены на выступах 24 основания 25, выполненных из диэлектрического материала. Шины 21, 22 имеют площадки с резьбовыми отверстиями 26, 27 для подключения к проводнику с измеряемым током.
На фиг. 10 показан общий вид варианта предлагаемого соленоида, предназначенного для измерения токов до 100А, в котором установлено пять катушек 19 (фиг. 7), но соединенных последовательно. Для этого катушки 19 через одну развернуты (фиг. 10) вокруг оси на 180°, а для соединения их последовательно предусмотрены медные перемычки 28. Перемычки 28 имеют лыски 29 и вставлены в пазы 30, выполненные в выступах 24 основания 25.In FIG. 10 shows a General view of a variant of the proposed solenoid, designed to measure currents up to 100A, in which there are five coils 19 (Fig. 7), but connected in series. For this, the
На фиг. 11 показан общий вид варианта предлагаемого соленоида, предназначенного для измерения токов до 1400А, в котором установлено семь спаренных многослойных витка 18 (фиг. 8), соединенных параллельно.In FIG. 11 shows a General view of a variant of the proposed solenoid, designed to measure currents up to 1400A, in which seven paired multi-layer coils 18 (Fig. 8) are installed, connected in parallel.
Предлагаемый измеритель переменного и постоянного тока оптический лабораторный работает следующим образом.The proposed meter AC and DC optical laboratory operates as follows.
Свет от источника 1 (фиг. 4) проходит поляризатор 2, становится линейно поляризованным, азимут поляризации которого перпендикулярен ребру 9 призмы 3 (на фиг. 5 находится в плоскости чертежа), преломляется в плоскости главного сечения призмы 11 и через первое основание 5 входит в призму 3 с отклонением относительно первоначального направления на уголThe light from the source 1 (Fig. 4) passes through the
где - угол наклона входной грани призмы 11 относительно ее основания;Where - the angle of inclination of the input face of the
nλ - показатель преломления стекла призм 3 и 11;n λ is the refractive index of the glass of
l - расстояние между центрами входящего в призму 11 и выходящего из нее пучка света;l is the distance between the centers of the light entering the
L - длина пути пучка света в четырехугольной призме 3 и дополнительной призме 11.L is the path length of the light beam in the
Отклоненный в плоскости чертежа (фиг. 4) линейно поляризованный коллимированный пучок света проходит стеклянную призму 3, падает на зеркальную поверхность 7 (фиг. 5) и отражается от нее с отклонением дополнительно уже в плоскости главного сечения призмы 3 на уголA linearly polarized collimated light beam deflected in the plane of the drawing (Fig. 4) passes through the
где D - диаметр пучка света;where D is the diameter of the light beam;
h - высота призмы 3.h is the height of the
Далее пучок света проходит второй раз стеклянную призму 3, отражается от зеркальной поверхности 6 в зоне 31, третий раз проходит призму 3, отражается от зеркальной поверхности 8, в четвертый раз проходит призму 3, отражается от зеркальной поверхности 6 в зоне 32, в пятый раз проходит призму 3, отражается от зеркальной поверхности 8, в шестой раз проходит призму 3, отражается от зеркальной поверхности 6 в зоне 33, седьмой раз проходит призму 3, отражается от зеркальной поверхности 7, восьмой раз проходит призму 3, преломляется на поверхности призмы 11 (фиг. 4) и падает на призму Волластона 10.Next, the light beam passes the second time the
Призма 10 разводит параллельный пучок света на два пучка, лежащие в плоскости разведения, которая составляет угол ±45° по отношению к плоскости пропускания первого поляризатора 2. Линзы 13, 14 собирают разделенные призмой 10 пучки света и направляют соответственно на фотоприемник 15 и 16.
Интенсивности света I1 и I2, воспринимаемые фотоприемниками 15, 16, пропорциональны первым параметрам Стокса, которые находим после перемножения матриц преобразования элементов оптики согласно уравненияThe light intensities I 1 and I 2 , perceived by the
где: вектор Стокса, характеризующий излучение источника света 1;Where: Stokes vector characterizing the radiation of a
- матрица преобразования линейного поляризатора 2; - transformation matrix of the
- матрица преобразования призмы 3, когда по соленоиду протекает постоянный ток, зеркальные поверхности которой характеризуются общим коэффициентом отражения R; -
- матрица преобразования призмы Волластона 10, развернутой по отношению к поляризатору 2 на угол ±45°, знак плюс для одного пучка света, а знак минус для другого пучка света. - the transformation matrix of the
После перемножения матриц преобразования элементов оптики находимAfter multiplying the matrices of transformation of the elements of optics we find
Фотоприемники 15, 16 преобразуют пучки света с интенсивностями света I1, I2 в электрические сигналы (19, 20)
U1=U0(1+sin2α),U 1 = U 0 (1 + sin2α),
U2=U0(1-sin2α).U 2 = U 0 (1-sin2α).
Электронный блок 17 (фиг. 4) суммирует сигналыThe electronic unit 17 (Fig. 4) summarizes the signals
вычитает сигналыsubtracts signals
находит их отношение (21)finds their relationship (21)
и величину измеряемого тока (22)and the size of the measured current (22)
где с=NVLK - постоянный конструктивный коэффициент, зависящий от числа витков N соленоида 4, коэффициента использования магнитного поля k, от постоянной Верде V стекла призмы 3 и длины пути L пучка света в призме 3.where c = NVLK is a constant design coefficient depending on the number of turns N of the
Если по соленоиду 4 течет переменный ток частоты со и напряженность магнитного поля внутри соленоида 4, также переменна H=Hmaxsinωt, то фотоприемники 15, 16 будут воспринимать интенсивности светаIf an alternating current of frequency co and magnetic field strength inside
Соответственно на выходах фотоприемников 15,16 будут электрические сигналы (23), (24)Accordingly, at the outputs of the photodetectors 15.16 there will be electrical signals (23), (24)
U1=U0[1+sin(2αmaxsinωt)],U 1 = U 0 [1 + sin (2α max sinωt)],
U2=U0[1-sin(2αmaxsinωt)].U 2 = U 0 [1-sin (2α max sinωt)].
После детектирования и сглаживания электронный блок 17 находит отношениеAfter detection and smoothing, the
Из уравнений (35), (36), (37) видно, что предлагаемый измеритель тока оптический универсален по роду тока, то есть может измерять как переменный, так и постоянный ток.From equations (35), (36), (37) it can be seen that the proposed optical current meter is universal in terms of current type, that is, it can measure both alternating and direct current.
Увеличение площади зеркального покрытия 6 на первом основании 5 четырехугольной призмы 3 до 2/3 ее поверхности и закрепление на оставшейся чистой поверхности основания 5 дополнительной призмы 11 позволило увеличить вдвое число прохождений поляризованного пучка света в призме 3 по сравнению с прототипом [9], то есть удалось вдвое увеличить длину пути света L, что согласно формулы (1) увеличивает угол поворота плоскости поляризации света и тем самым увеличивает чувствительность и точность измерения тока.The increase in the area of the
Кроме того, отклонение поляризованного пучка света от оптической оси призмы 3 в двух взаимоперпендикулярных направлениях и многократные отражения его в ортогональных плоскостях от зеркальных поверхностей призмы 3 позволяет скомпенсировать дополнительные неконтролируемые эффекты преобразования азимута плоскости поляризации света Δα, которые происходят при каждом отражении. Исследования [10] показали, что при нормальном отражении от зеркальной поверхности коэффициенты отражения и компонент линейно поляризованного света равны, а если угол падения не равен 90°, то и азимут линейной поляризации изменяется на величинуIn addition, the deviation of the polarized light beam from the optical axis of the
где α - угол поворота плоскости поляризации света, вызванный эффектом Фарадея.where α is the angle of rotation of the plane of polarization of light caused by the Faraday effect.
Так, например, расчеты показывают, что при алюминиевом зеркальном напылении на стекло ТФ относительный показатель преломления отражающей поверхности является комплексной величиной [10] So, for example, the calculations show that with aluminum mirror spraying on TF glass, the relative refractive index of the reflecting surface is a complex quantity [10]
Следовательно, при угле падения γ=2,8 на поверхность 7 призмы 3 и при одном проходе света, когда эффект Фарадея дает αmax ≈ 3°, азимут линейно поляризации дополнительно изменяется на величинуTherefore, with the angle of incidence γ = 2.8 on the
При четырехкратном прохождении поляризованного света Δα ≈ 0,03°, что существенно влияет на точность измерения тока i. Поэтому в известном устройстве [9] это явление частично нейтрализуется введением поправки в зависимости от величины измеренного отношения Q по формуле (21), которое зависит от угла α.With four times the passage of polarized light, Δα ≈ 0.03 °, which significantly affects the accuracy of measuring the current i. Therefore, in the known device [9], this phenomenon is partially neutralized by introducing a correction depending on the value of the measured ratio Q according to formula (21), which depends on the angle α.
В предлагаемом измерителе переменного и постоянного тока оптическом лабораторном происходит компенсация дополнительного эффекта преобразования азимута плоскости поляризации Δα за счет того, что при отражении поляризованного света во взаимно ортогональных плоскостях коэффициенты отражения и изменяются практически на одну и ту же величину и согласно формулы (38) Δα ≈ 0.In the proposed AC and DC optical optical laboratory meter, the additional effect of the transformation of the azimuth of the plane of polarization Δα is compensated due to the fact that, when polarized light is reflected in mutually orthogonal planes, the reflection coefficients and change by almost the same value and according to formula (38) Δα ≈ 0.
Если заранее известны пределы изменений измеряемого тока, то оператор выбирает соответствующий вариант набора отдельных плоских одинаковых по внутреннему диаметру многослойных витков (фиг. 6, 7, 8).If the limits of changes in the measured current are known in advance, then the operator selects the appropriate option for a set of separate flat multilayer coils of the same inner diameter (Fig. 6, 7, 8).
Так, например, если требуется образцовый измеритель тока для поверки измерителей тока, используемых в распределительных сетях, где iном≤500А, то оператор выбирает вариант набора катушек 19 (фиг. 7) собранный как показано на фиг. 9. Измеряемый ток с помощью контактных шин 21 и 22 (фиг. 7) и наконечников 20 разветвляется и протекает по пяти катушкам 19, которые охватывают стеклянную призму 3 по всей ее высоте h. Создаваемое при этом в центре соленоида 4 магнитное поле пропорционально 4⋅iном=4⋅500A=2000A витков. Общее сечение проводников S=2⋅4⋅5⋅5мм2=200мм2. При этом плотность тока в проводниках соленоида 4j=500A/200мм2=2,5A/мм2, что не превышает нормы для медных открытых проводников.So, for example, if an exemplary current meter is required to verify current meters used in distribution networks, where i nom ≤500A, the operator selects the option of a set of coils 19 (Fig. 7) assembled as shown in Fig. 9. The measured current with the help of
Если измеряемый номинальный ток iном≤100A, то оператор выбирает вариант соединения катушек 19 последовательно, как показано на фиг. 10. Для этого четные катушки разворачивают на 180° вокруг оси (вокруг призмы 3) и все катушки соединяются между собой последовательно с помощью перемычек 28. При этом общее число витков соленоида N=4⋅5=20 и напряженность магнитного поля в центре соленоида будет вит., а общее сечение проводников S=2⋅4⋅5=40мм2. Плотность тока j=100A/40мм2=2,5А/мм2, то есть в пределах нормы.If the measured rated current i nom is ≤100A, the operator selects the option of connecting the
Если требуется измерять ток i≤1400A, то оператор выбирает вариант конструкции соленоида, показанного на фиг. 11, который содержит семь отдельных витков (фиг. 8), соединенных между собой параллельно. В этом случае число витков N=1, общее сечение соленоида S=40⋅2⋅7=560мм2, напряженность поля в центре соленоида 4 вит., а плотность тока j=1400A/560мм2=2,5А/мм2, т.е. в пределах допустимого.If it is required to measure the current i≤1400A, the operator selects the design of the solenoid shown in FIG. 11, which contains seven separate turns (Fig. 8), interconnected in parallel. In this case, the number of turns N = 1, the total section of the solenoid S = 40⋅2⋅7 = 560 mm 2 , the field strength in the center of the
Экспериментальные исследования показали, что при ходе линейно поляризованного пучка света L=560 мм в призме 3 высотой h=70 мм, изготовленной из стекла ТФ5 и находящейся в продольном магнитном поле соленоида 4 фиг. 9 Н=300А⋅4витка=1200А вит., происходит эффект поворота плоскости поляризации света на величину α=6,2°, а чувствительность по току Δimin ≈ 0,24А, что составляет 0,08% от измеряемой величины. Если соленоид собран по схеме, показанной на фиг. 10, а номинальный ток iном=100А, плотность тока j=100/40мм2=2,5А/мм2, то Н=2000А/вит. и α2=10,3°, a Δimin ≈ 0,048А, что составляет 0,048% от измеряемой величины.Experimental studies showed that during a linearly polarized light beam L = 560 mm in a
Если соленоид собран по схеме, показанной на фиг. 11, а номинальный ток iном=1400А/вит., то угол поворота α3=7,23°, a Δiном ≈ 0,968А, что составляет 0,07% от измеряемой величины.If the solenoid is assembled according to the circuit shown in FIG. 11, and the rated current i nom = 1400 A / vit., Then the rotation angle α 3 = 7.23 °, and Δi nom ≈ 0.968 A, which is 0.07% of the measured value.
Сравнивая полученные данные с требованиями ГОСТ 7746-2001 «Трансформаторы тока. Общетехнические условия» (таблица 8), можно сделать вывод, что предлагаемый измеритель переменного и постоянного тока оптический лабораторный соответствует классу точности 0,1 и может использоваться в качестве образцового (эталонного) измерителя тока при поверке цифровых измерителей тока класса точности 0,2S, используемых для коммерческого учета электроэнергии.Comparing the data obtained with the requirements of GOST 7746-2001 "Current transformers. General technical conditions ”(table 8), we can conclude that the proposed AC and DC optical laboratory meter corresponds to an accuracy class of 0.1 and can be used as a reference (reference) current meter when calibrating digital current meters with an accuracy class of 0.2S used for commercial metering of electricity.
Если не производить перекоммутацию соленоида 4 и работать в диапазоне измерений тока iном=1400A, то соленоид 4 должен иметь сечение S≥1400А/2,5 А/мм2=560 мм2. При N=1 и чувствительности Δi=0,968A обеспечивается класс точности 0,1. А при измерениях токов в диапазоне до iн=100А при той же чувствительности относительная погрешность измерений будет соответствовать уже 1 классу точности вместо класса точности 0,1, что неприемлемо.If you do not reconnect the
Таким образом, предлагаемая конструкция измерителя переменного и постоянного тока оптического лабораторного позволяет производить подбор и перекоммутацию катушек 18, 19 (фиг. 6, 7, 8) и при переходе от одного диапазона к другому добиваться примерно одного уровня напряженности магнитного поля, что позволяет без изменения конструкции оптически активного элемента добиваться наибольшей точности измерений тока в широком диапазоне измерений. В этом состоит удобство конструкции и простота в ее обслуживании. В случае необходимости измерения токов в несколько килоампер есть возможность увеличения числа слоев в витках 18 и перехода на другой сортамент медных проводников, но при сохранении главных преимуществ:Thus, the proposed design of an AC and DC optical optical laboratory meter allows the selection and switching of
- виток 18 (фиг. 6) должен быть многослойный, но плоский;- coil 18 (Fig. 6) should be multi-layer, but flat;
- катушка 19 (фиг. 7) должна иметь желательно от двух до шести многослойных витков;- the coil 19 (Fig. 7) should preferably have from two to six multilayer turns;
- проводники должны быть медными.- conductors must be copper.
Предлагаемый измеритель переменного и постоянного тока оптический лабораторный найдет применение в лабораториях метрологических центров, занимающиеся поверкой как традиционных электромагнитных трансформаторов тока, так и новых цифровых измерителей тока, в которых используется оптический эффект Фарадея.The proposed AC and DC optical laboratory meters will be used in the laboratories of metrological centers involved in the verification of both traditional electromagnetic current transformers and new digital current meters that use the Faraday optical effect.
Актуальность предлагаемого устройства состоит в том, что при переходе на цифровые технологии в энергетике, в том числе на цифровые измерители тока требуются новые методики их поверки и новое оборудование, то есть новые высокоточные образцовые измерители тока близкие по технологии изготовления и по принципу работы.The relevance of the proposed device is that in the transition to digital technologies in the energy sector, including digital current meters, new verification methods and new equipment are required, that is, new high-precision reference current meters that are similar in manufacturing technology and in principle of operation.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION
1. Гуртовцев А.Л. Оптические трансформаторы и преобразователи тока//Новости электротехники. - 2009. - №6.1. Gurtovtsev A.L. Optical transformers and current converters // Electrical Engineering News. - 2009. - No. 6.
2. Ландсберг Г.С. Оптика: 5-ое изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1976. с. 618-620.2. Landsberg G.S. Optics: 5th ed., Revised. and add. - M .: Nauka, 1976. 618-620.
3. Шерклифф У. Поляризованный свет. - М.: Мир, 1965.3. Sherkliff U. Polarized light. - M.: Mir, 1965.
4. Патент РФ №2438138, G01R 15/24.4. RF patent No. 2438138,
5. Патент РФ №2321000, G01R 15/24.5. RF patent №2321000,
6. Патент Германии №19547021, G01R 15/24.6. German patent No. 19547021,
7. Патент РФ (полезная модель) №123965, G01R 15/24.7. RF patent (utility model) No. 123965,
8. Патент РФ (полезная модель) №171401, G01R 15/24.8. RF patent (utility model) No. 171401,
9. Патент РФ №2682133, G01R 15/246.9. RF patent No. 2682133,
10. Пеньковский А.И. «ОМП», 1986, №5. с. 9.10. Penkovsky A.I. "WMD", 1986, No. 5. with. 9.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019127079A RU2720187C1 (en) | 2019-08-27 | 2019-08-27 | Ac and dc optical laboratory meter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019127079A RU2720187C1 (en) | 2019-08-27 | 2019-08-27 | Ac and dc optical laboratory meter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2720187C1 true RU2720187C1 (en) | 2020-04-27 |
Family
ID=70415588
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019127079A RU2720187C1 (en) | 2019-08-27 | 2019-08-27 | Ac and dc optical laboratory meter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2720187C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU206139U1 (en) * | 2020-08-26 | 2021-08-24 | Публичное акционерное общество "Межрегиональная распределительная сетевая компания Северо-Запада" | CURRENT MEASURING DEVICE |
RU2767166C1 (en) * | 2021-04-26 | 2022-03-16 | Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро "ФОТОН" | Optical interference current meter |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5500909A (en) * | 1993-02-17 | 1996-03-19 | Abb Research Ltd. | Sensor head for a fiber-optic current measuring device |
DE19547021A1 (en) * | 1995-12-15 | 1997-06-19 | Siemens Ag | Optical measuring method and optical measuring arrangement for measuring an alternating variable with intensity normalization |
US20150097551A1 (en) * | 2013-10-07 | 2015-04-09 | Xiaotian Steve Yao | Faraday current and temperature sensors |
RU2682133C1 (en) * | 2018-04-24 | 2019-03-14 | Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" | Optical universal current meter |
-
2019
- 2019-08-27 RU RU2019127079A patent/RU2720187C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5500909A (en) * | 1993-02-17 | 1996-03-19 | Abb Research Ltd. | Sensor head for a fiber-optic current measuring device |
DE19547021A1 (en) * | 1995-12-15 | 1997-06-19 | Siemens Ag | Optical measuring method and optical measuring arrangement for measuring an alternating variable with intensity normalization |
US20150097551A1 (en) * | 2013-10-07 | 2015-04-09 | Xiaotian Steve Yao | Faraday current and temperature sensors |
RU2682133C1 (en) * | 2018-04-24 | 2019-03-14 | Акционерное общество "Швабе - Технологическая лаборатория" | Optical universal current meter |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU206139U1 (en) * | 2020-08-26 | 2021-08-24 | Публичное акционерное общество "Межрегиональная распределительная сетевая компания Северо-Запада" | CURRENT MEASURING DEVICE |
RU2767166C1 (en) * | 2021-04-26 | 2022-03-16 | Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро "ФОТОН" | Optical interference current meter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2700288C1 (en) | Universal optical current meter | |
US4492436A (en) | Polarization independent beam splitter | |
RU2720187C1 (en) | Ac and dc optical laboratory meter | |
CN106526277B (en) | A kind of Novel light path sensing unit for low pressure optical current sensor | |
JPH0475470B2 (en) | ||
RU2620927C1 (en) | Optical ac measuring device | |
EP0284346B1 (en) | Improved optical interface for a magneto-optical current transducer | |
JP2818301B2 (en) | Method and apparatus for measuring current with two opposite optical signals utilizing Faraday effect | |
JPH10504396A (en) | Method and apparatus for measuring current from at least two measurement ranges | |
Song et al. | A prototype clamp-on magneto-optical current transducer for power system metering and relaying | |
RU171401U1 (en) | OPTICAL AC METER IN HIGH VOLTAGE NETWORKS | |
JPS5897669A (en) | Magnetic field-light converter | |
JPS6350671B2 (en) | ||
KR0173672B1 (en) | Fiber optic device for measuring current strength | |
CN102565509B (en) | Multi-light-path reflecting optical fiber current sensor | |
WO2015149473A1 (en) | Optical current sensor | |
CN110007125A (en) | Double light path optical current sensor | |
RU2663545C1 (en) | Optical measurement of variable and constant currents in high-voltage networks | |
RU2682133C1 (en) | Optical universal current meter | |
EP0774669B1 (en) | Optical fiber magnetic-field sensor | |
RU2723238C1 (en) | Faraday cell for current meters in high-voltage networks | |
RU2627987C1 (en) | Optical ac voltage meter in high-voltage networks | |
RU2762886C1 (en) | Faraday cell for measuring alternating current in high-voltage networks | |
CN109781386A (en) | A kind of polarised light extinction ratio test device of magneto-optic optical fiber | |
US20150023629A1 (en) | Collimator holder for electro-optical sensor |