RU89717U1

RU89717U1 - INFORMATION AND MEASURING SYSTEM FOR ELECTRIC CURRENT AND MAGNETIC FIELD CONTROL

Info

Publication number: RU89717U1
Application number: RU2009133632/22U
Authority: RU
Inventors: Марат Абдуллович Ураксеев; Надежда Алексеевна Авдонина
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2009-12-10

Abstract

Информационно-измерительная система контроля электрического тока и магнитного поля, содержащая последовательно соединенные источник оптического излучения в виде лазера или лазерного диода, волоконный световод, поляризатор, анализатор, приемник оптического излучения в виде фотодиода, отличающаяся тем, что в качестве чувствительного элемента использована магнитооптическая ячейка Фарадея, размещенная между поляризатором и анализатором, выход которого соединен с последовательно включенным вторым волоконным световодом, фотодиодом, усилителем, аналого-цифровым преобразователем и микроконтроллером, к которому подключены печатающее и записывающее устройства, жидкокристаллический индикатор и клавиатура управления.Information-measuring system for monitoring the electric current and magnetic field, containing a series-connected optical radiation source in the form of a laser or a laser diode, a optical fiber, a polarizer, an analyzer, an optical radiation receiver in the form of a photodiode, characterized in that a Faraday magneto-optical cell is used as a sensitive element located between the polarizer and the analyzer, the output of which is connected to the second fiber optic waveguide, photodiode, an amplifier, an analog-to-digital converter and a microcontroller, to which printing and recording devices, a liquid crystal display and a control keyboard are connected.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим измерительным системам и может быть использована в энергетике, машиностроении, металлургии, нефтегазовой промышленности, сильноточной электронике для контроля электрического тока и магнитного поля.The utility model relates to measuring equipment, namely to fiber-optic measuring systems and can be used in energy, engineering, metallurgy, oil and gas industry, high-current electronics to control electric current and magnetic field.

Известно информационно-измерительное устройство контроля электрического тока и магнитного поля (авторское свидетельство СССР №1383267, кл G01R 3/032, 1988), содержащее источник когерентного оптического излучения, чувствительный элемент из волоконного световода, навитого на цилиндр из магнитострикционного материала с щелевидным разрезом вдоль образующей, фотодетектор и блок обработки сигнала.Known information-measuring device for monitoring electric current and magnetic field (USSR author's certificate No. 1383267, class G01R 3/032, 1988), containing a source of coherent optical radiation, a sensing element of a fiber waveguide, wound on a cylinder of magnetostrictive material with a slit-like cut along the generatrix , photodetector and signal processing unit.

Недостатком данного устройства является его относительная громоздкость и недостаточно высокая точность вследствие деформации цилиндра из магнитооптического материала под действием колебания температуры окружающей среды, а, следовательно, волоконного световода, намотанного на цилиндр. В результате изменяется оптическая длина пути, что приводит к изменению фазового сдвига, регистрируемого блоком обработки сигнала.The disadvantage of this device is its relative bulkiness and insufficiently high accuracy due to deformation of a cylinder of magneto-optical material under the influence of fluctuations in ambient temperature, and, consequently, a fiber waveguide wound on the cylinder. As a result, the optical path length changes, which leads to a change in the phase shift recorded by the signal processing unit.

За прототип принято информационно-измерительное устройство контроля электрического тока и магнитного поля (патент US, №5463212, кл. G01R 1/04, 1996), содержащее последовательно соединенные источник оптического излучения в виде лазера или лазерного диада, волоконный световод, поляризатор, анализатор, приемник оптического излучения в виде фотодиода.The prototype is an information-measuring device for monitoring electric current and magnetic field (US patent No. 5463212, class G01R 1/04, 1996), which contains a series-connected optical radiation source in the form of a laser or laser dyad, a fiber optic fiber, a polarizer, an analyzer, optical radiation receiver in the form of a photodiode.

Недостатком данного устройства является недостаточно высокая точность измерений вследствие колебания температуры и изменения длины волны источника оптического излучения, а также ограниченные функциональные возможности из-за отсутствия устройств обработки, хранения, записи и отображения информации об измеряемых величинах магнитного поля и электрического тока.The disadvantage of this device is the insufficiently high measurement accuracy due to temperature fluctuations and changes in the wavelength of the optical radiation source, as well as limited functionality due to the lack of devices for processing, storage, recording and displaying information about the measured values of the magnetic field and electric current.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей.The task to which the utility model is directed is to increase the accuracy of measurements and expand the functionality.

Поставленная задача решается тем, что в информационно-измерительной системе контроля электрического тока и магнитного поля, содержащей последовательно соединенные источник оптического излучения в виде лазера или лазерного диода, волоконный световод, поляризатор, анализатор, приемник оптического излучения в виде фотодиода, в отличие от прототипа, в качестве чувствительного элемента использована магнитооптическая ячейка Фарадея, размещенная между поляризатором и анализатором, выход которого соединен с последовательно включенными вторым волоконным световодом, фотодиодом, усилителем, аналого-цифровым преобразователем и микроконтроллером, к которому подключены печатающее и записывающее устройства, жидкокристаллический индикатор и клавиатура управления.The problem is solved in that in the information-measuring system for monitoring the electric current and magnetic field, containing a series-connected source of optical radiation in the form of a laser or a laser diode, a fiber light guide, a polarizer, an analyzer, an optical radiation receiver in the form of a photodiode, in contrast to the prototype, the magneto-optical Faraday cell placed between the polarizer and the analyzer, the output of which is connected to series-connected volts, is used as a sensitive element a single optical fiber, a photodiode, an amplifier, an analog-to-digital converter, and a microcontroller, to which a printing and recording device, a liquid crystal display, and a control keyboard are connected.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На фигуре, приведена структурная схема заявляемой информационно-измерительной системы контроля электрического тока и магнитного поля.The invention is illustrated in the drawing. The figure shows a structural diagram of the inventive information-measuring system for monitoring the electric current and magnetic field.

Система содержит последовательно оптически соединенные источник оптического излучения в виде лазера или лазерного диода 1, волоконный световод 2, поляризатор 3, магнитооптическую ячейку Фарадея 4, анализатор 5, волоконный световод 6, приемник оптического излучения в виде фотодиода 7. Выход фотодиода электрически соединен с последовательно включенными усилителем 8, аналого-цифровым преобразователем 9 и микроконтроллером 10, содержащим микропроцессор. К выходу микроконтроллера подключены печатающее 11 и записывающее 12 устройства, обеспечивающие распечатку и запись информации об измеряемых магнитных полях и электрических токах.The system contains a series of optically connected optical radiation source in the form of a laser or a laser diode 1, a fiber optical fiber 2, a polarizer 3, a Faraday magneto-optical cell 4, an analyzer 5, a fiber optical fiber 6, an optical radiation receiver in the form of a photodiode 7. The output of the photodiode is electrically connected to series-connected an amplifier 8, an analog-to-digital converter 9, and a microcontroller 10 containing a microprocessor. Printing 11 and recording 12 devices are connected to the output of the microcontroller, which print and record information about the measured magnetic fields and electric currents.

Подключенный к микроконтроллеру жидкокристаллический индикатор 13 отображает контролируемые токи и магнитные поля. Соединенная с микроконтроллером клавиатура управления 14 обеспечивает управление микроконтроллером.Connected to the microcontroller, the liquid crystal indicator 13 displays the monitored currents and magnetic fields. A control keypad 14 connected to the microcontroller provides control of the microcontroller.

Заявляемая информационно-измерительная система работает следующим образом.The inventive information-measuring system operates as follows.

При прохождении света, излучаемого источником оптического излучения 1 в виде лазера или лазерного диода, через волоконный световод 2 и поляризатор 3 он становится плоскополяризованным.With the passage of the light emitted by the optical radiation source 1 in the form of a laser or a laser diode, through the optical fiber 2 and the polarizer 3, it becomes plane-polarized.

При воздействии на магнитооптическую ячейку Фарадея (МОЯФ) 4 магнитного поля, вектор напряженности которого Н совпадает по направлению с плоскополяризованным лучом света, происходит поворот плоскости поляризации света на угол фарадеевского вращенияWhen a magnetic field is applied to the Faraday magnetooptical cell (MOJAF) 4, whose intensity vector H coincides in direction with a plane-polarized light beam, the plane of polarization of light rotates by the angle of Faraday rotation

где V - постоянная Верде, величина которой зависит от типа магнитооптического материала ячейки Фарадея и характеризует активность эффекта Фарадея для данного вещества; L - длина светового пути в МОЯФ.where V is the Verdet constant, the value of which depends on the type of magneto-optical material of the Faraday cell and characterizes the activity of the Faraday effect for a given substance; L is the light path length at the MOJAF.

В МОЯФ из оптически активных ферромагнитных материалов вследствие высокой намагниченности насыщения 4 πМs эффект Фарадея проявляется сильнее. Тогда в зависимости от соотношения между напряженностью внешнего магнитного поля и намагниченностью насыщения угол поворота определяется следующим образомIn the MOJAF of optically active ferromagnetic materials, due to the high saturation magnetization of 4 πMs, the Faraday effect is more pronounced. Then, depending on the relationship between the strength of the external magnetic field and the saturation magnetization, the rotation angle is determined as follows

где φ_s - угол поворота при Н=4πMs.where φ _s is the angle of rotation at H = 4πMs.

В МОЯФ из оптически активных диамагнитных материалов поворот плоскости поляризации происходит за счет не только эффекта Фарадея, но и оптической активности. Поэтому угол поворота φ будет выражаться суммойIn the MOJAF of optically active diamagnetic materials, the rotation of the plane of polarization occurs due not only to the Faraday effect, but also to optical activity. Therefore, the rotation angle φ will be expressed as the sum

где θ_A - оптическая активность.where θ _A is the optical activity.

Значение угла поворота φ по формулам (1)÷(4) преобразуется анализатором 5 в значение интенсивности света, которое определяется по закону Малюса. Далее свет передается волоконным световодом 6 в фотодиод 7. При этом, если установить угол между поляризатором и анализатором 45°, то световая мощность на поверхности фотодиода находится по формулеThe value of the rotation angle φ according to formulas (1) ÷ (4) is converted by the analyzer 5 into the value of light intensity, which is determined according to the Malus law. Further, the light is transmitted by the fiber 6 to the photodiode 7. Moreover, if you set the angle between the polarizer and analyzer 45 °, the light power on the surface of the photodiode is found by the formula

Где Р₀ - мощность света, излучаемого источником оптического излучения, т.е. мощность света при отсутствии магнитного поля.Where P ₀ is the power of the light emitted by the optical radiation source, i.e. light power in the absence of a magnetic field.

Выходной ток фотодиода 7 преобразуется в напряжение с помощью преобразователя «ток - напряжение» (обычно сопротивления на входе усилителя), усиливается усилителем 8 ив аналого-цифровом преобразователе 9 преобразуется в цифровой код, который подается в микроконтроллер 10.В жидкокристаллическом индикаторе 13 отображается в цифровом виде значение измеряемого электрического тока или напряженности магнитного поля.The output current of the photodiode 7 is converted into voltage using a current-voltage converter (usually the resistance at the input of the amplifier), amplified by an amplifier 8 and an analog-to-digital converter 9 is converted into a digital code, which is supplied to the microcontroller 10. In the liquid crystal display 13 is displayed in digital form the value of the measured electric current or magnetic field strength.

Измерение величины напряженности магнитного поля осуществляется в предлагаемой информационно-измерительной системе непосредственным воздействием магнитного поля на МОЯФ, т.е. посредством прямого метода измерения.The measurement of the magnitude of the magnetic field is carried out in the proposed information-measuring system by the direct influence of the magnetic field on the MOJAF, i.e. through a direct measurement method.

Измерение величины электрического тока осуществляется посредством косвенного метода измерения, когда об измеряемой величине - электрическом токе - судят по напряженности магнитного поля, создаваемого этим током.The measurement of the magnitude of the electric current is carried out by means of an indirect method of measurement, when the measured quantity - the electric current - is judged by the magnetic field created by this current.

По закону полного тока напряженность магнитного поля, создаваемого вокруг проводника с током I на расстоянии R, определяется по формулеAccording to the law of total current, the magnetic field created around a conductor with current I at a distance R is determined by the formula

Таким образом, для определения величины тока 1 следует подставить формулу (6) в одну из формул (1)÷(4) в зависимости от используемого оптически активного материала МОЯФ.Thus, to determine the current value 1, it is necessary to substitute the formula (6) into one of the formulas (1) ÷ (4) depending on the optically active material of the MOJAF used.

Предлагаемая информационно-измерительная система контроля электрического тока и магнитного поля отличается от аналогичных систем более высокой точностью измерений и расширенными функциональными возможностями. Увеличение точности измерений достигается программно-аппаратными средствами: использование программируемого контроллера позволяет исключить погрешности из-за колебаний температуры и длины волны источника оптического излучения.The proposed information-measuring system for monitoring the electric current and magnetic field differs from similar systems in higher measurement accuracy and advanced functionality. An increase in measurement accuracy is achieved by software and hardware: the use of a programmable controller eliminates errors due to temperature and wavelength fluctuations of the optical radiation source.

Расширение функциональных возможностей достигается введением микроконтроллера, печатающего и записывающего устройств, жидкокристаллического индикатора и клавиатуры управления, которые обеспечивают выполнение функций обработки, хранения, отображения информации, печатания ее на бумажный или иной носитель, сброс информации на другие носители в виде дисков, флэшек, перезапись и управление работой микроконтроллера с помощью клавиатуры.The expansion of functionality is achieved by the introduction of a microcontroller, printing and recording devices, a liquid crystal display and a control keyboard that provide functions for processing, storing, displaying information, printing it on paper or other media, dumping information to other media in the form of disks, flash drives, dubbing and microcontroller operation using the keyboard.

Claims

Information-measuring system for monitoring the electric current and magnetic field, containing a series-connected optical radiation source in the form of a laser or a laser diode, a optical fiber, a polarizer, an analyzer, an optical radiation receiver in the form of a photodiode, characterized in that a Faraday magneto-optical cell is used as a sensitive element located between the polarizer and the analyzer, the output of which is connected to the second fiber optic waveguide, photodiode, an amplifier, an analog-to-digital converter and a microcontroller, to which printing and recording devices, a liquid crystal display and a control keyboard are connected.