SU1272258A1

SU1272258A1 - Method and apparatus for measuring high voltage

Info

Publication number: SU1272258A1
Application number: SU843701020K
Authority: SU
Inventors: Владимир Митрофанович Свищ
Original assignee: Предприятие П/Я М-5156
Priority date: 1984-02-15
Filing date: 1984-02-15
Publication date: 1986-11-23
Also published as: SU1173325A1

Abstract

Изобретение относитс к электроизмерительной технике и может быть использовано в контрольно-измерительной аппаратуре высоковольтных электроустановок , а также дл измерени физических величин, предварительно преобразованных в напр жение. Цель изобретени состоит в повышении точности измерени и в обеспечении сравнени двух напр жений. Спо соб предусматривает оптическую обработку луча света с круговой пол ризацией при пропускании его через активную среду, на которую воздействуют измер емым напр жением. С этой целью в устройство дл осуществлени способа дополнительно введены делитель 2 светового потока, дихроичное, зеркало 11, второй пол ризатор 4 и втора чейка 6 Керра. На чертеже изображены источник 1 монохроматического излучени , делитель 2 светового потока, пол ризаторы 3 и 4, чейки (Л 5 и 6 Керра, клеммы 7, 8 и 9, 10, дихроичное зеркало 11, анализатор 12, фотоприемник 13 и вспомогательные зеркала 14 и 15. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.The invention relates to electrical measuring equipment and can be used in the instrumentation of high-voltage electrical installations, as well as for measuring physical quantities previously converted to voltages. The purpose of the invention is to improve the measurement accuracy and to provide a comparison of two voltages. The method provides for optical processing of a beam of light with circular polarization by passing it through an active medium, which is affected by the measured voltage. For this purpose, a divider 2 of the luminous flux, a dichroic mirror, a mirror 11, a second polarizer 4, and a second Kerr cell 6 are added to the device for carrying out the method. The drawing shows a monochromatic radiation source 1, a luminous flux divider 2, polarizers 3 and 4, cells (L 5 and 6 Kerr, terminals 7, 8 and 9, 10, dichroic mirror 11, analyzer 12, photodetector 13 and auxiliary mirrors 14 and 15. 2 sec. F-ly, 1 ill.

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике, предназначено для использования в контрольноизмерительной аппаратуре высоковольтных электроустановок и может быть также использовано для измерения других физических величин, предварительно преобразованных в напряжение .The invention relates to electrical engineering, is intended for use in control equipment of high-voltage electrical installations and can also be used to measure other physical quantities previously converted to voltage.

Цель изобретения - повышение точности измерения путем компенсации температурной погрешности и обеспечение возможности сравнения двух напряжений между собой.The purpose of the invention is to increase the measurement accuracy by compensating for the temperature error and making it possible to compare two voltages with each other.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для измерения высокого напряжения, реализующего предлагаемый способ.The drawing shows a functional diagram of a device for measuring high voltage that implements the proposed method.

Устройство содержит источник 1The device contains source 1

J монохроматического излучения, делитель 2 светового потока, поляризаторы 3 и 4, ячейки 5 и 6 Керра, электрический вход ячейки 5 Керра соединен с клеммами 7 и 8 для подключения первого источника напряжения, электрический вход ячейки 6 Керра соединен с клеммами 9 и 10 для подключения второго источника напряжения, дихроичное зеркало 11, анализатор 12, фотоприемник 13, вспомогательные зеркала 14 и 15. Делитель 2 светового потока установлен между выходом источника 1 монохроматического излучения и входами поляризаторов 3 и 4, оси поляризации которых ориентированы взаимно перпендикулярно. Световой вход ячейки 5 Керра оптически связан с выходом поляризатора 3, а световой вход ячейки 6 Керра - с выходом поляризатора 4. Дихроичное зеркало 11 оптически связано по прозрачному входу с выходом ячейки 5 Керра, по отражающему входу - с выходом ячейки 6 Керра, а по выходу - с входом анализатора 12, ось поляризации которого ориентирована под углом 45 к осям поляризации обоих поляризаторов. Вход фотоприемника 13 оптически связан с выходом анализатора 12. Вспомогательные зеркала 14 и 15 обеспечивают организацию соответствующих оптических связей.J monochromatic radiation, light flux divider 2, polarizers 3 and 4, Kerr cells 5 and 6, Kerr cell 5 input connected to terminals 7 and 8 for connecting the first voltage source, Kerr cell 6 electrical input connected to terminals 9 and 10 for connection the second voltage source, dichroic mirror 11, analyzer 12, photodetector 13, auxiliary mirrors 14 and 15. A light flux divider 2 is installed between the output of the monochromatic radiation source 1 and the inputs of the polarizers 3 and 4, whose polarization axes are reference Ovans are mutually perpendicular. The light input of the Kerr cell 5 is optically connected to the output of the polarizer 3, and the light input of the Kerr cell 6 is connected to the output of the polarizer 4. The dichroic mirror 11 is optically coupled through the transparent input to the output of Kerr 5, the reflective input to the output of Kerr 6, and the output - with the input of the analyzer 12, the polarization axis of which is oriented at an angle of 45 to the polarization axes of both polarizers. The input of the photodetector 13 is optically connected to the output of the analyzer 12. Auxiliary mirrors 14 and 15 provide the organization of the corresponding optical links.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В исходном состоянии световой поток с круговой поляризацией от источника 1 монохроматического излучения попадает на делитель 2 и делится им на две равные части также с круговой поляризацией. Одна часть светового потока поступает на поляризатор 3, а другая, отражаясь от зеркала 14, 5 на поляризатор 4. Так как оси поляризации их взаимно перпендикулярны, то плоскости поляризации световых потоков после поляризаторов 3 и 4 также оказываются взаимно перпендикулярными и попадают на световые входы ячеек 5 и 6 Керра.In the initial state, the light flux with circular polarization from the source 1 of monochromatic radiation falls on the divider 2 and is divided into two equal parts by it with circular polarization as well. One part of the light flux enters the polarizer 3, and the other, reflected from the mirror 14, 5, to the polarizer 4. Since their polarization axes are mutually perpendicular, the planes of polarization of the light flux after the polarizers 3 and 4 also turn out to be mutually perpendicular and enter the light inputs of the cells 5 and 6 Kerr.

Ячейки 5 и 6 Керра установлены так, что их электроды 7, 8 и 9, перпендикулярны плоскостям поляризации входных световых потоков. Это обеспечивает параллельность плоскостей поляризации проходящих через ячейки 5 и 6 Керра световых потоков и электрических полей, возникающих в них при приложении напряжений к управляющим электродам 7, 8 и 9, 10. Однако в исходном состоянии напряжения к электродам 7, 8 и 9, 10 не приложены и с выходов ячеек 5 и 8 . Керра выходят световые потоки с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации.Kerr cells 5 and 6 are installed so that their electrodes 7, 8 and 9 are perpendicular to the polarization planes of the input light fluxes. This ensures parallelism of the polarization planes of the light fluxes passing through the Kerr cells 5 and 6 and the electric fields that arise in them when voltage is applied to the control electrodes 7, 8 and 9, 10. However, in the initial state, the voltage to the electrodes 7, 8 and 9, 10 does not applied from the outputs of cells 5 and 8. Kerr light flows with mutually perpendicular planes of polarization.

С выхода ячейки 5 Керра световой поток поступает на дихроичное зерка³⁰ ло 11 со стороны пропускания, ас ¹выхода ячейки 6 Керра, отражаясь от зеркала 15, - со стороны отражения, В результате после дихроичного зеркала 11 получается суммарный световой 35 поток, составляющие которого имеют взаимно перпендикулярные плоскости поляризации. Кроме того, в результате идентичности ячеек 5 и 6 Керра и соответствующей установки осталь40 ных оптических элементов после делителя 2 светового потока до дихроичного зеркала 11, обеспечивающих равную оптическую длину путей двух световых потоков, колебания элек45 трической (и магнитной) составляющих в обоих слагаемых и в световом потоке после дихроичного зеркала 11 оказываются синфазными. Оптические длины путей этих световых потоков могут быть и неравными, но отличающимися на целое число длин волны светового потока.From the output of Kerr cell 5, the luminous flux enters the dichroic mirror ³⁰ LO 11 from the transmission side, as ^{1 of the} output of Kerr 6 cell, reflected from the mirror 15, from the reflection side. As a result, after the dichroic mirror 11, the total luminous flux 35 is obtained, the components of which have mutually perpendicular planes of polarization. In addition, as a result of the identity of Kerr cells 5 and 6 and the corresponding installation of the remaining 40 optical elements after the light flux divider 2 to the dichroic mirror 11, which provide equal optical path lengths of the two light fluxes, oscillations of the electrical (and magnetic) components in both terms and luminous flux after the dichroic mirror 11 are in-phase. The optical path lengths of these light fluxes can be unequal, but differing by an integer number of wavelengths of the light flux.

Таким образом, после дихроичного зеркала 11 в результате сложения 55 двух световых потоков с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации без сдвига фаз образуется линейно поляризованный световой поток с плоскостью поляризации, расположенной под углом 45°(по диагонали) к плоскостям поляризации слагаемых световых потоков, который попадает на анализатор 12 с плоскостью поляризации, перпендикулярной (диагонали) плоскости поляризации падающего светового потока. В результате световой поток через анализатор не проходит и на фотоприемник не попадает.Thus, after dichroic mirror 11, as a result of addition of 55 two light fluxes with mutually perpendicular planes of polarization without phase shift, a linearly polarized light flux is formed with a polarization plane located at an angle of 45 ° (diagonal) to the polarization planes of the terms of the light flux, which falls on an analyzer 12 with a plane of polarization perpendicular (diagonal) to the plane of polarization of the incident light flux. As a result, the light flux through the analyzer does not pass and does not enter the photodetector.

При измерении одного напряжения оно прикладывается к управляющим электродам одной из ячеек Керра, например к электродам 7 и 8 ячейки 5 Керра. В результате этого пропорционально приложенному напряжению изменяется коэффициент преломления активного вещества ячейки 5 Керра для светового потока с плоскостью поляризации, перпендикулярной управляющим электродам 7 и 8. Изменяется оптическая, длина пути светового потока, прошедшего через ячейку 5 Керра, и вносится сдвиг фазы этого светового потока по отношению к световому потоку, прошедшему через ячейку 6 Керра. Плоскость поляризации светового потока после дихроичного зеркала 11 разворачивается и проходит через фазы круговой и эллиптической поляризации в зависимости от величины приложенного к ячейке 5 ' Керра напряжения. Световой поток на выходе анализатора 12 изменяет интенсивность, и выходной электрический сигнал фотоприемника 13 зависит от величины измеряемого напряжения.When measuring one voltage, it is applied to the control electrodes of one of the Kerr cells, for example, to the electrodes 7 and 8 of Kerr cell 5. As a result of this, the refractive index of the active substance of the Kerr cell 5 for the light flux with a plane of polarization perpendicular to the control electrodes 7 and 8 changes in proportion to the applied voltage, and the optical path length of the light flux passing through the Kerr cell 5 changes and the phase shift of this light flux along relative to the luminous flux passing through Kerr cell 6. After the dichroic mirror 11, the plane of polarization of the light flux unfolds and passes through the phases of circular and elliptical polarization, depending on the magnitude of the voltage applied to the Kerr cell 5 '. The light flux at the output of the analyzer 12 changes the intensity, and the output electric signal of the photodetector 13 depends on the magnitude of the measured voltage.

При изменении температуры окружающей среды изменяется температура активного вещества обеих ячеек 5 и 6 Керра. Одновременно одинаково изменяются оптические длины путей обоих световых потоков и тем самым исг ключается погрешность измерения напряжения от изменения температуры.When the ambient temperature changes, the temperature of the active substance of both cells 5 and 6 Kerr changes. At the same time, the optical path lengths of both light fluxes change equally, and thereby the error of voltage measurement from temperature changes is excluded.

При подаче напряжений на управляющие электроды 7, 8 и 9, 10 ячеек 5 и 6 Керра при их равенстве одинаково изменяют оптические длины путей обоих световых потоков и сдвиг фаз их отсутствует. В результате на выходах анализатора 12 и фотоприемника 13 сигналы также отсутствуют. Если подаваемые на управляющие электроды 7, 8 и 9, 10 ячеек 5 и 6 Керра напряжения различны, например на ячейке 5 Керра напряжение больше, то различны оптические дпины путей световых потоков. При этом разность их зависит от величины разности напряжений и на выходах анализатора 12 и фотопри5 емника 13 появляются сигналы, также зависящие от величины разности приложенных к ячейкам 5 и 6 Керра напряжений.When voltages are applied to the control electrodes 7, 8 and 9, 10 of Kerr cells 5 and 6, when they are equal, the optical path lengths of both light fluxes are equally changed and there is no phase shift. As a result, the outputs of the analyzer 12 and the photodetector 13 also have no signals. If the voltages supplied to the control electrodes 7, 8 and 9, 10 of cells 5 and 6 of Kerr are different, for example, the voltage on cell 5 of Kerr is higher, then the optical dips of the paths of the light flux are different. In this case, their difference depends on the magnitude of the voltage difference, and signals appear on the outputs of the analyzer 12 and photodetector 13, which also depend on the difference in the voltage applied to the Kerr cells 5 and 6.

Таким образом, обеспечивается поΌ вишенная точность измерения напряжения за счет исключения погрешности из-за изменения температуры окружающей среды. Кроме того, имеется возможность сравнивать два напряжения, ’5 например, производить их сложение или вычитание.Thus, an increased accuracy of voltage measurement is ensured by eliminating the error due to changes in the ambient temperature. In addition, it is possible to compare two voltages, ’5 for example, to add or subtract them.

Claims

The invention relates to electrical measuring equipment, is intended for use in test instrumentation of high voltage electrical installations and can also be used to measure other physical quantities previously converted to voltage. The purpose of the invention is to increase the measurement accuracy by compensating for the temperature error and making it possible to compare two voltages with each other. The drawing shows a functional diagram of a device for measuring high voltage that implements the proposed method. The device contains a source of monochromatic radiation, a divider 2 of the luminous flux, polarizers 3 and 4, cells 5 and 6 Kerr, electrical input of cell 5 Kerr is connected to terminals 7 and 8 for connecting the first voltage source, electrical input of cell 6 Kerr is connected with terminals 9 and 10. for connecting a second voltage source, a diode mirror 11, an analyzer 12, a photodetector 13, auxiliary mirrors 14 and 15. A light flux divider 2 is installed between the output of the monochromatic radiation source 1 and the polarizers 3 and 4 inputs The polarization axes of which are oriented mutually perpendicular. The light input of the Kerr cell 5 is optically coupled to the polarizer 3 output, and the Kerr light cell 6 input is connected with the polarizer 4 output. The dichroic mirror 11 is optically coupled through the transparent input with the Kerr cell 5 output, and the cell 6 output through the reflecting input Kerr, and the output - with the input of the analyzer 12, the polarization axis of which is oriented at an angle of 45 to the axis of polarization of both polarizers. The input of the photodetector 13 is optically connected with the output of the analyzer 12. Auxiliary mirrors 14 and 15 ensure the organization of the corresponding optical bridges Zey . The device works as follows. In the initial state, the luminous flux with circular polarization from the source 1 of monochromatic radiation falls on divider 2 and is divided into two equal parts also with circular polarization. One part of the light flux enters the polarizer 3, and the other, reflecting from mirror 14, on the polarizer 4. Since their polarization axes are mutually perpendicular, the polarization planes of the light fluxes after polarizers 3 and 4 also appear to be mutually perpendicular Rnymi and fall on the light inputs of the cells 5 and 6 Kerr. Cells 5 and 6 of Kerr are installed so that their electrodes 7, 8, and 9 are perpendicular to the polarization planes of the input light fluxes. This ensures the parallelism of the polarization planes of the light fluxes passing through cells 5 and 6 of Kerr and the electric fields arising in them when voltages are applied to control electrodes 7, 8 and 9, 10. However, in the initial state, the voltage to electrodes 7, 8 and 9, 10 are not attached to the outputs of cells 5 and 8. Kerr output light streams with mutually perpendicular polarization planes. From the output of the Kerr cell 5, the luminous flux enters the dichroic mirror 11 from the transmission side, and the output of the Kerr cell 6 is reflected from the mirror 15, from the reflection side. As a result, after the dichroic mirror 11, the total luminous flux is obtained, the components of which are mutually perpendicular polarization planes. In addition, as a result of the identity of the Kerr cells 5 and 6 and the corresponding installation of the remaining optical elements after the divider 2 of the light flux to the dichroic mirror 11, providing equal optical length of the paths of the two light fluxes, the electric (and magnetic) component oscillates in both terms and in the light the flow after the dichroic mirror 1I is in-phase. The optical path lengths of these light fluxes may be uneven, but differ by an integer number of wavelengths of the light flux. Thus, after the dichroic mirror 11, as a result of the addition of two light fluxes with mutually perpendicular polarization planes without a phase shift, a linearly polarized light flux 3 is formed with a polarization plane located at an angle of 45 (diagonal) to the polarization planes of the components light flux, which falls on the analyzer 12 with the plane of polarization, perpendicular (diagonal) plane of polarization of the incident light flux. As a result, the luminous flux does not pass through the analyzer 12 and does not reach the photodetector 13. When measuring a single voltage, it is applied to the control electrode of one of the Kerr cells, for example, to electrodes 7 and 8 of the Kerr cell 5. As a result, the refractive index of the active substance of the Kerr cell 5 for a luminous flux with a polarization plane perpendicular to the control electrodes 7 and 8 changes proportionally to the applied voltage. The optical path length of the luminous flux passed through the Kerr cell 5 changes. and the phase shift of this light flux is introduced relative to the luminous flux transmitted through the 6 Kerr cell. The polarization plane of the light flux after the dichroic mirror I1 unfolds and passes through the phases of circular and elliptical polarization depending on the magnitude of the voltage applied to the 5 Kerr cell. The luminous flux at the output of the analyzer 12 changes the intensity, and the electrical output of the photodetector 13 depends on the magnitude of the measured voltage. When the ambient temperature changes, the active substance temperature of both Kerr 5 and 6 cells changes. At the same time, the optical lengths of the paths of both of their light fluxes are equally changed, thereby eliminating the error in measuring the voltage from temperature changes. When voltages are applied to control electrodes 7, 8 and 9, 10 cells 5 and 6 Kerr, if they are equal, the optical path lengths of both light fluxes are equally changed and there is no phase shift. As a result, the outputs of the analyzer 12 and the photodetector 13 signals are also absent. If the voltages supplied to the control electrodes 7 8 and 9, 10 cells 5 and 6 of the Kerr voltage are different, for example, cell 5 of the Kerr voltage is greater, then 584 optical dp lines of the light fluxes are different. In this case, their difference depends on the magnitude of the voltage difference, and at the outputs of the analyzer 12 and the photodetector 13, signals appear that also depend on the magnitude of the difference of the voltages applied to the cells 5 and 6 of the Kerr. In this way, increased accuracy of voltage measurement is provided by eliminating uncertainty due to a change in ambient temperature. In addition, it is possible to compare two stresses, for example, to add or subtract them. Claim 1. A method for measuring high voltage, which consists in emitting from a beam of light with circular polarization a linearly polarized light flux and passing it through an optically active medium under the influence of a measured voltage that differs from In order to increase the accuracy and to make it possible to compare two voltages with each other, an additional linearly polarized light flux with a polarization plane perpendicular to the polarization plane of the main flux, they let it along an additional optical path, equal in length to the main wavelength or different from it by an integer number of wavelengths of the light flux, through an additional active medium identical to the main one, after which both light streams are added, the component with the polarization plane is extracted, the perpendicular diagonal of the two planes of polarization of the light fluxes, and the magnitude of this component determines the magnitude of the measured voltage.

2. A device for measuring high voltage, containing a source of monochromatic light, a first polarizer, a first Kerr cell, whose light input is optically connected to the output of the first polarizer, and an electrical input connected to the terminals for connecting the first voltage source, an analyzer and a photodetector whose input is optically connected with the output of the analyzer, p 51

Introduced by the introduction of a light beam divider, a dichroic mirror, a second polarizer and a second Kerr cell, the light beam divider being installed between the output of the monochromatic radiation source and the inputs of both polarizers whose polarization axes are mutually perpendicularly oriented, the dichroic mirror is optically connected by a transparent input with an output of one Kerr cell, by a reflected input - with an output of another,

722586

on the output, to the analyzer input, the polarization axis of which is oriented at an angle of 45 to the polarization axis of both polarizers, the 5 light input of the second Kerr cell is optically connected to the second polarizer output, the electrical input is connected to the terminals for connecting a second source and the electrodes of both Kerr cells are oriented perpendicular to the polarization of the corresponding polarizers.