ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ФОРМЫ ИМПУЛЬСОВ СВЕРХБОЛЬШИХ ТОКОВ Российский патент 2000 года по МПК G01R19/00 G01R33/32 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в экспериментах по термоядерному синтезу для регистрации формы импульса тока в электрофизических установках типа Z-пинч, в которых имеется необходимость регистрации импульсов тока с амплитудой ~10⁶-10⁸ A при длительностях импульса ~ 1 мкс.

Хорошо известно применение магнитооптического датчика для измерения электрического тока в электроэнергетике. Магнитооптический датчик основан на использовании эффекта Фарадея - свойстве магнитного поля вращать плоскость поляризации света, проходящего сквозь чувствительный элемент, изготовленный из магнитооптического материала. Также хорошо известно применение оптического волокна в качестве чувствительного элемента магнитооптического датчика.

Известен поляризационный датчик электрического тока [1], состоящий из источника оптического излучения, который через поляризатор оптически подключен к входу чувствительного элемента в виде оптического волокна, намотанного на токопровод с измеряемым током. Выход чувствительного элемента оптически подключен к входу анализатора в виде призмы Волластона, расщепляющей пучок на два пучка с взаимно ортогональными линейными поляризациями. Выходы анализатора оптически подключены к входам фотоприемного блока, выход которого подключен к регистратору. Если величина угла между поляризатором и призмой Волластона составляет 45^o, фотоприемный блок формирует на своем выходе сигнал, описываемый формулой
U_вых = k • sin (2V•I), (1)
где k - постоянная величина, определяемая выполнением фотоприемного блока, V - постоянная Верде, I - измеряемый ток. Так как область однозначности синуса равна π/2, то максимально измеряемая сила тока I_max в силу формулы (1) равна
I_мах= 0.25 π V. (2)
Постоянная Верде V в материале оптического волокна, как правило, составляет V ≈ 4.6 • 10^-6 Рад/A, в этом случае максимальный измеряемый ток будет равен I_мах= 1.7•10⁵ A, что ниже требуемого.

Известно устройство для измерения сверхбольших токов [2], содержащее n магнитооптических датчиков с чувствительным элементом в виде протяженного световода из магнитооптического материала и измерительно-вычислительный блок. Положение оптического входа световода каждого из n магнитооптических датчиков совпадает с оптическим выходом световода соседнего датчика таким образом, что световоды всех датчиков образуют замкнутый односвязный контур, охватывающий только токопровод с измеряемым током, а выходы n магнитооптических датчиков соединены с соответствующими им входами измерительно-вычислительного блока, число n выбирается из условия n > 4V•I_maxπ, где V - постоянная Верде материала световода, I_max - максимальный измеряемый ток, а измерительно-вычислительный блок выполнен с возможностью реализации функции
,
где I - измеряемый ток; U_outk - выходной сигнал с k-го магнитооптического датчика. Недостатком данного устройства является то, что для измерения тока 10⁸A необходимо использовать ~ 600 магнитооптических датчиков, что сильно усложняет конструкцию.

Для регистрации формы сигнала используются аналоговые и цифровые осциллографы, например цифровой регистратор СРГ8. Однако они могут запоминать форму сигнала, преобразованного в напряжение. Поэтому при регистрации формы импульсов сверхбольших токов необходимо преобразование силы тока в напряжение, что и является задачей предлагаемого изобретения.

Наиболее близким к заявляемому является волоконно-оптическое устройство для измерения сверхбольших импульсных токов, содержащее волоконно-оптический измерительный блок и регистратор [3]. Волоконно-оптический измерительный блок содержит источник светового излучения, который через поляризатор оптически подключен к входу чувствительного элемента, выполненного в виде оптического волокна, намотанного на токопровод с измеряемым током. Выход чувствительного элемента подключен к входу оптического делителя, выходы которого подключены к первой и второй призмам Волластона, два выхода каждой из которых являются выходами волоконно оптического измерительного блока. На выходах волоконно-оптического измерительного блока формируются сигналы, световая мощность которых пропорциональна: 1) 1+sin 2VI; 2) 1-sin 2VI; 3) 1+cos 2VI; 4) 1-cos 2VI. В прототипе выходы первой и второй призм Волластона подключены соответственно к оптическим входам первого и второго, третьего и четвертого фотоприемников. Выходы первого и второго фотоприемников подключены к входам первого аналогового электронного блока, а выходы третьего и четвертого фотоприемников подключены соответственно к входам второго аналогового электронного блока. Выходы первого и второго аналоговых электронных блоков подключены к входам первого и второго аналого-цифровых регистраторов, выходы которых подключены к компьютеру. Угол между входным поляризатором и первой призмой Волластона составляет 45^o и с выхода первого аналогового электронного блока снимается сигнал, определяемый формулой U_вых1 = k • sin(2V•I), (3), где k - параметр, определяемый реализацией схемы аналогового электронного блока.

Вторая призма Волластона повернута относительно первой на угол 45^o и со второго аналогового электронного блока снимается сигнал, определяемый формулой U_вых2 = k • cos (2V•I), (4). Регистратор фиксирует сигналы с первого и второго аналоговых электронных блоков, а компьютер по измеренным значениям U_вых1 и U_вых2 может вычислить форму измеряемого импульсного тока I при любых значениях его амплитуды. (В данном случае используется регистратор, способный запоминать форму сигнала в цифровом или аналоговом виде).

Недостатками данного устройства являются высокие требования к частотной полосе регистраторов, необходимость использования двух аналого-цифровых регистраторов.

Так, длительность фронта сигналов t_ф', описываемых формулой (3) или (4), можно оценить по упрощенной формуле t_ф' = π• t_ф/(4V • I_max), (5), где t_ф - длительность фронта импульса измеряемого тока; I_max - амплитуда измеряемого тока. При длительности фронта импульса тока 1 мкс и амплитуде 10⁸ A необходимо регистрировать двуполярные сигналы с длительностями фронтов 3 нс, что соответствует необходимости увеличить частотную полосу пропускания аналого-цифровых регистраторов с 350 кГц до 120 Мгц.

Техническими результатами, обеспечиваемыми заявляемым изобретением, являются снижение частотной полосы сигналов, поступающих на вход регистратора, т. е. снижение требований к регистратору, и упрощение устройства благодаря сокращению числа регистраторов в два раза.

Технический результат достигается тем, что волоконно-оптическое устройство для измерения сверхбольших импульсных токов, содержащее волоконно-оптический измерительный блок и регистратор, дополнительно содержит аналоговый дифференциально-интегрирующий блок, два входа которого подключены к соответствующим выходам волоконно-оптического измерительного блока, а выход - к входу регистратора.

Технический результат в устройстве обеспечивается также тем, что аналоговый дифференциально-интегрирующий блок содержит два дифференциатора, два умножителя, сумматор, интегратор, причем первый вход аналогового дифференциально-интегрирующего блока подключен к первому входу второго умножителя и через первый дифференциатор - к второму входу первого умножителя, второй вход аналогового дифференциально-интегрирующего блока подключен к первому входу первого умножителя и через второй дифференциатор - к второму входу второго умножителя, прямой выход первого и инвертированный выход второго умножителя подключены к входам сумматора, выход которого подключен через интегратор к выходу аналогового дифференциально-интегрирующего блока.

Технический результат в устройстве обеспечивается также тем, что аналоговый дифференциально-интегрирующий блок содержит дифференциатор, два умножителя, интегратор, сумматор, причем первый вход аналогового дифференциально-интегрирующего блока подключен к первым входам первого и второго умножителя, а второй вход аналогового дифференциально-интегрирующего блока подключен к второму выходу первого умножителя и через дифференциатор к второму входу второго умножителя, прямой выход первого умножителя подключен к первому входу сумматора, инвертированный выход второго умножителя подключен через интегратор к второму входу сумматора, выход которого является выходом аналогового дифференциально-интегрирующего блока.

Существо изобретения заключается в преобразовании двух высокочастотных сигналов в один сигнал с частотной полосой, совпадающей с частотной полосой измеряемого тока, и линейно зависящий от измеряемого тока. Это позволяет использовать один регистратор (а в прототипе - два) и, кроме того, снизить требования к частотной полосе регистратора, что существенно упрощает предлагаемое устройство.

На фиг.1 приведена функциональная схема волоконно-оптического устройства для измерения сверхбольших импульсных токов. На фиг.2 и 3 приведены функциональные схемы выполнения аналогового дифференциально-интегрирующего блока. На фиг. 4 приведены эпюры сигналов измеряемого тока с выходов волоконно-оптического измерительного блока и выхода аналогового дифференциально-интегрирующего блока.

Волоконно-оптическое устройство для измерения сверхбольших импульсных токов состоит из волоконно-оптического измерительного блока 1, аналогового дифференциально-интегрирующего блока 2 и регистратора 3.

Аналоговый дифференциально-интегрирующий блок 2 может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.2. В этом случае он состоит из дифференциаторов 4, 5, умножителей 6, 7, сумматора 8, интегратора 9. Первый вход аналогового дифференциально-интегрирующего блока 2 подключен к входу дифференциатора 4 и к одному из входов умножителя 7. Второй вход аналогового дифференциально-интегрирующего блока 2 подключен к входу дифференциатора 5 и к одному из входов умножителя 6. Выходы дифференциаторов 4,5 подключены к другим входам умножителей 7,6 соответственно. Выходы умножителей подключены к прямому и инвертирующему входам сумматора 8, выход которого через интегратор 9 подключен к выходу аналогового дифференциально-интегрирующего блока 2.

Аналоговый дифференциально-интегрирующий блок 2 может быть выполнен и по схеме, приведенной на фиг.3. В этом случае он состоит из дифференциатора 10, умножителей 11, 12, интегратора 13 и блока вычитания 14. Первый вход аналогового дифференциально-интегрирующего блока 2 подключен к первому входу умножителя 11 и второму входу умножителя 12. Второй вход аналогового дифференциально-интегрирующего блока 2 подключен к второму входу умножителя 11 и через дифференциатор 10 - к первому входу умножителя 12. Выход умножителя 11 подключен к прямому входу сумматора 14, к инвертирующему входу подключен через интегратор 13 выход умножителя 12. Выход сумматора 14 является выходом аналогового дифференциально-интегрирующего блока 2.

В качестве волоконно-оптического блока 1 может быть взят, например, волоконно-оптический датчик тока, описанный в прототипе. Аналоговый дифференциально-интегрирующий блок может быть построен из элементов, описанных в [4].

В качестве регистратора может быть взят любой цифровой или запоминающий аналоговый осциллограф с полосой пропускания более 1 МГц, например цифровой осциллограф СРГ8, выпускаемый НИИ импульсной техники.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

При воздействии измеряемого тока I с формой импульса, приведенной на фиг. 4а, на волоконно-оптический измерительный блок на его выходах формируются сигналы U₁ и U₂, описываемые формулами (3),(4) и изображенные на фиг.4б и в. Эти сигналы поступают на первый и второй входы аналогового дифференциально-интегрирующего блока 2, на выходе которого формируется сигнал U, определяемый по формуле U= A•I+B, (6), где A, B - параметры, определяемые реализацией схемы дифференциально-интегрирующего блока 2. Полученный сигнал U, форма которого приведена на фиг.4г, запоминается регистратором 3.

Работа дифференциально-интегрирующего блока 2, выполненного по схеме, приведенной на фиг.2, описывается следующим образом. Сигнал U₁, поступающий на первый вход дифференциально-интегрирующего блока, дифференцируется на дифференциаторе 4 и в результате получается сигнал U₁':
.

Аналогично, сигнал U₂ дифференцируется на дифференциаторе 5 и в результате получается сигнал U₂':
.

На умножителе 6 производится перемножение сигналов U₁' и U₂, при этом на его выходе образуется сигнал U_х1, описываемый формулой
.

На умножителе 7 производится перемножение сигналов U₂' и U₁, при этом на его выходе образуется сигнал U_x2, описываемый формулой
.

На сумматоре 8 производится суммирование сигнала U_x1 и инвертированного сигнала U_x2 и на его выходе образуется сигнал, определяемый формулой
.

На интеграторе 9 сигнал U_Σ интегрируется, вследствие чего на его выходе образуется сигнал U, описываемый формулой U=2V•(I(t)-I₀), где I₀ - значение тока в начальный момент времени, которое считается известным.

Работа дифференциально-интегрирующего блока 2, выполненного по схеме, приведенной на фиг.3, описывается следующим образом. На первый и второй входы дифференциально-интегрирующего блока 2 поступают соответствующие сигналы U₁, U₂, определяемые по формулам (3),(4). Сигналы U₁ и U₂ перемножаются на умножителе 11 и на его выходе образуется сигнал U_x1, описываемый формулой
.

Сигнал U₂ дифференцируется на дифференциаторе 10 и в результате получается сигнал U₂':

После перемножения сигналов U₂' и U₁ на умножителе 12 на его выходе образуется сигнал U_x2 описываемый формулой

На интеграторе 13 производится интегрирование сигнала U_x2 и усиление проинтегрированного сигнала в два раза, в результате чего на ее выходе образуется сигнал U_i:

Сигналы U_x1 и U_i поступают на прямой и инвертирующий входы сумматора 14, где осуществляется вычитание из U_x1 U_i и на его выходе образуется выходной сигнал U, описываемый формулой

Использование аналогового дифференциально-интегрирующего блока 2 позволяет преобразовать два высокочастотных сигнала с волоконно-оптического блока в один сигнал с частотной полосой, совпадающей с частотной полосой измеряемого тока, так как с выхода этого блока идет сигнал, линейно зависящий от измеряемого тока.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом значительно проще, т.к. в нем благодаря введенному блоку обеспечены условия для использования одного регистратора с пониженными требованиями к частотной полосе. В прототипе использованы два регистратора с повышенными требованиями к частотной полосе.

Литература
1. Бусурин В. И. , Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 85.

2. Устройство для измерения сверхбольших токов. Заявка на изобретение N 97110903 от 26.06.97. Решение о выдаче патента 25.2.98.

3. Lassing H.S., Oomens A.A.M. and Woltjer R. Rev. Sci. Instrum. 57, p. 851 (1986) (прототип).

4. Кауфман М. , Сидман А. Практическое руководство по расчетам схем в электронике. Справочник, т. 1. - М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 249-255.

Волоконно-оптическое устройство для регистрации формы импульсов сверхбольших токов содержит волоконно-оптический измерительный блок, регистратор и аналоговый дифференциально-интегрирующий блок, два входа которого подключены к выходам волоконно-оптического измерительного блока соответственно, а выход - к входу регистратора, способного запомнить форму сигнала в цифровом или аналоговом виде. В одном из вариантов выполнения аналоговый дифференциально-интегрирующий блок содержит дифференциатор, два умножителя, интегратор и сумматор, выход которого является выходом аналогового дифференциально-интегрирующего блока. В другом варианте аналоговый дифференциально-интегрирующий блок содержит два дифференциатора, два умножителя, сумматор, выход которого через интегратор подключен к выходу аналогового дифференциально-интегрирующего блока. Технический результат заключается в снижении частотной полосы сигналов, поступающих на вход регистратора, упрощении устройства. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Волоконно-оптическое устройство для регистрации формы импульсов сверхбольших токов, содержащее волоконно-оптический измерительный блок и регистратор, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит аналоговый дифференциально-интегрирующий блок, два входа которого подключены к выходам волоконно-оптического измерительного блока соответственно, а выход - к входу регистратора, способного запомнить форму сигнала в цифровом или аналоговом виде. 2. Волоконно-оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что аналоговый дифференциально-интегрирующий блок содержит два дифференциатора, два умножителя, сумматор, интегратор, причем первый вход аналогового дифференциально-интегрирующего блока подключен к первому входу второго умножителя и через первый дифференциатор к второму входу первого умножителя, второй вход аналогового дифференциально-интегрирующего блока подключен к первому входу первого умножителя и через второй дифференциатор к второму входу второго умножителя, прямой выход первого и инвертированный выход второго умножителей подключены к входам сумматора, выход которого подключен через интегратор к выходу аналогового дифференциально-интегрирующего блока. 3. Волоконно-оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что аналоговый дифференциально-интегрирующий блок содержит дифференциатор, два умножителя, интегратор, сумматор, причем первый вход аналогового дифференциально-интегрирующего блока подключен к первым входам первого и второго умножителей, а второй вход аналогового дифференциально-интегрирующего блока подключен к второму выходу первого умножителя и через дифференциатор к второму входу второго умножителя, прямой выход первого умножителя подключен к первому входу сумматора, инвертированный выход второго умножителя через интегратор - к второму входу сумматора, выход которого является выходом аналогового дифференциально-интегрирующего блока.