ДАТЧИК ТОКА Российский патент 2001 года по МПК G01R19/00 G01R15/24 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования в зонах с ионизирующим излучением при контроле тока с гальваническим разделением измерительной и регистрирующей цепей.

Известно устройство для измерения тока /Кирин И.Г., Бессонов Е.В. Оптоэлектронный преобразователь тока //Информационно управляющие системы электрофизическими установками. Ташкент: ФАН, 1989, с. 18-21/, содержащее измерительный преобразователь, нагруженный на светоизлучающий элемент, волоконно-оптический канал связи, состоящий из двух волоконно-оптических модулей, между которыми включен волоконно-оптический изолятор, фотоприемное устройство, регистратор.

Это устройство обладает низкой точностью измерений, поскольку внешние воздействия на волоконно-оптический канал связи (изменения температуры, переменные механические нагрузки, радиация) и меняющиеся в процессе сборки и разборки потери в опто-разъемах вносят неконтролируемые потери светового сигнала, передаваемого от светоизлучателя к фотоприемнику.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство, содержащее измерительный преобразователь, нагруженный на модулятор, включающий корпус, линзу, пьезокерамическую мембрану с зеркальным покрытием, волоконно-оптический канал связи, два фотоприемных устройства, регистратор, источник света /Кирин И.Г., Хакимжанов Р.Г. Автоколлимационный оптоэлектрический преобразователь переменного и импульсного тока/ Приборы и системы управления. - 1989 г., N 7, с.28/.

Это устройство также обладает низкой точностью измерений, поскольку внешнее воздействие на волоконно- оптический канал связи (изменение температуры, переменные механические нагрузки, радиация) и меняющиеся в процессе сборки и разборки потери вносят неконтролируемые потери светового сигнала от источника света к фотоприемникам.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение точности измерений и расширение области применения устройства за счет обеспечения возможности измерений в условиях ионизирующего излучения.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве, содержащем измерительный преобразователь, пьезокерамическую мембрану с зеркальным покрытием, линзу, волоконно-оптический канал связи, фотоприемное устройство, регистратор, источник света, введены: усилитель переменного тока, два фокона, делитель, усилитель постоянного тока, емкость, сумматор, источник опорного напряжения, затвор с изменяющимся коэффициентом пропускания, в качестве источника света применен непрерывный ИАГ: Nd⁺³ лазер (лазер на иттрий-алюминиевом гранате - Справочник по лазерам. М., 1982), волоконно-оптический ветвитель, причем ИАГ: Nd⁺³ лазер и фотоприемник оптически связаны между собой через затвор с изменяющимся коэффициентом пропускания, первый фокон, вход волоконно-оптического ветвителя, волоконно-оптический канал связи, линзу, пьезокерамическую мембрану с зеркальным покрытием, выход волоконно-оптического ветвителя, второй фокон, а выход фотоприемника связан с входом усилителя постоянного тока и через емкость с входом усилителя переменного тока, выход которого связан с первым входом делителя, второй вход делителя связан с первым выходом усилителя постоянного тока, выход делителя - с входом регистратора, а второй выход усилителя постоянного тока связан с первым входом сумматора, второй вход которого электрически связан с выходом источника опорного напряжения, а выход - с затвором с изменяющимся коэффициентом пропускания.

На чертеже приведена функциональная схема устройства. Устройство содержит: 1 - волоконно-оптический канал связи; 2- волоконно-оптический ветвитель; 3 - токовый проводник; 4 - линзу; 5 - пьезокерамическую мембрану с зеркальным покрытием; 6 - корпус модулятора; 7 - первый фокон; 8 - второй фокон; 9 - затвор с изменяющимся коэффициентом пропускания; 10 - ИАГ: Nd⁺³ лазер; 11 - фотоприемное устройство; 12 - измерительный преобразователь; 13 - усилитель переменного тока; 14 - делитель; 15 - усилитель постоянного тока; 16 - сумматор; 17 - источник опорного напряжения; 18 - регистратор; 19 - емкость.

Конструктивно линза 4, пьезокерамическая мембрана 5 с зеркальным покрытием и корпус модулятора 6 выполнены в виде отдельного узла - передающего блока, расположенного в непосредственной близости от области измерения. Остальные элементы выполнены в виде приемно-регистрирующего блока. Связь передающего блока с приемно-регистрирующим осуществляется волоконно-оптическим каналом связи 1.

В статическом состоянии при отсутствии тока в токовом проводнике 3 устройство работает следующим образом. Пучок света от ИАГ: Nd⁺³ лазера, пройдя затвор с изменяющимся коэффициентом пропускания 9 и первый фокон 7, направляется на вход волоконно- оптического ветвителя 2 и через него по волоконно-оптическому каналу связи 1, пройдя линзу 4, поступает на вход волоконно- оптического ветвителя 2 и через него по волоконно-оптическому каналу связи 1, пройдя линзу 4, поступает на пьезокерамическую мембрану с зеркальным покрытием 5, отразившись от которой вновь через линзу 4, волоконно-оптический канал связи поступает на волоконно-оптический ветвитель 2 и через его выход, пройдя второй фокон 8, поступает на фотоприемное устройство 11, где преобразовывается в электрический сигнал. С выхода фотоприемного устройства 11 сигнал поступает на вход усилителя постоянного тока 15 и через емкость 19 на вход усилителя переменного тока 13. С первого выхода усилителя постоянного тока 15 и с выхода усилителя переменного тока 13 электрические сигналы поступают соответственно на первый и второй входы делителя 14. С выхода делителя 14 сигнал, равный отношению сигнала от усилителя постоянного тока 15 и от усилителя переменного тока 13, пропорциональный измеряемому току, поступает на регистратор 18, где и фиксируется. Одновременно электрический сигнал со второго выхода усилителя постоянного тока 15 поступает на первый вход сумматора 16, на второй вход которого поступает сигнал от источника опорного напряжения 17. Сигнал разбаланса с выхода сумматора 16 поступает на затвор с изменяющимся коэффициентом пропускания 9. Таким образом, устанавливается такой уровень интенсивности лазерного излучения в световоде, при котором обеспечивается необходимый для нормального режима работы уровень освещенности на фотоприемном устройстве 11.

При появлении тока в контролируемой цепи электрический сигнал с выхода измерительного преобразователя 12 поступает на пьезокерамическую мембрану с зеркальным покрытием 5, вызывая ее деформацию, что вызывает изменение пространственно- угловых характеристик лазерного излучения, поступающего на нее по волоконно-оптическому каналу связи 1. В свою очередь, изменение пространственно-угловых характеристик излучения, отраженного от пьезокерамической мембраны с зеркальным покрытием, при его вводе в волоконно-оптический канал связи 1, вызывает изменения условий его ввода, вызывая таким образом модуляцию лазерного излучения, поступающего на фотоприемное устройство света 11. Возникающий таким образом сигнал на выходе приемника света фиксируется регистратором 18.

При воздействии внешних факторов на волоконно-оптический канал связи 1 (ионизирующее излучение, механические нагрузки, температурный нагрев и т. д. ) или изменение уровня потерь, вносимых оптическими разъемами при повторной сборке устройства, изменяется величина лазерного сигнала, поступающего на фотоприемное устройство 11, однако в связи с тем, что мощность света, поступающего на него, можно представить в виде /Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения, Москва, Энергоатомиздат, -1990, 156 с./:
P = P₀(1+m),
где P - среднее значение мощности, m - глубина модуляции, а на выходе усилителя переменного тока 13 выделяется переменная составляющая сигнала, пропорциональная mP₀, а на входе усилителя постоянного тока 15, постоянная составляющая, пропорциональная P₀, отношение этих сигналов на выходе делителя 14 пропорционально только глубине модуляции и не зависит от дестабилизирующих факторов.

Тем самым компенсируется влияние внешних факторов на прохождение информационного сигнала от передающего блока к регистратору. Таким образом, устройство позволяет повысить точность измерения путем автоматической компенсации влияния дестабилизирующих факторов на канал передачи информации от передающего блока к регистратору.

Предлагаемое устройство имеет большую устойчивость по сравнению с прототипом к воздействию ионизирующего излучения, под действием которого в оптическом канале наводятся стабильные и нестабильные полосы поглощения /Сайгир Дж. Х. Потери в оптических волокнах, вызываемые сильным поглощением ионизирующего излучения. ТИИЭР,1990 г., т. 68, N 10, с. 81-105/. Возникновение наведенного поглощения уменьшает коэффициент пропускания волоконно-оптического канала связи 1, снижая уровень мощности лазерного излучения, поступающего на фотоприемное устройство 11, вплоть до уровня, который ниже уровня шума фотоприемника, что как следствие может полностью нарушить работу датчика.

Это достигается тем, что лазерное излучение от непрерывного ИАГ: Nd⁺³ лазера выполняет еще и функцию защитного излучения. Причем в зависимости от величины потерь и типа наведенного излучением потерь (стабильные или нестабильные полосы поглощения) изменяется мощность лазерного излучения. Это достигается путем сравнения сигнала со второго выхода усилителя постоянного тока 15 и сигнала с выхода от источника опорного напряжения 17 в сумматоре 16. Сигнал разбаланса с выхода этого сумматора подается на вход затвора с изменяющимся коэффициентом пропускания 9, который уменьшает свое поглощение (соответственно увеличивается мощность лазерного излучения на его выходе), если затухание волоконно-оптического канала возросло и наоборот, если затухание этого канала стремится к своему первоначальному значению. Исследование принципа изменения мощности лазерного излучения от ИАГ: Nd⁺³ лазера, расположенного в приемно-регистрирующем блоке, позволяет проводить фотообесцвечивание как нестабильных полос поглощения, так и стабильных полос поглощения. Фотообесцвечивание стабильных полос поглощения происходит за счет поглощения лазерного излучения в волоконно-оптическом канале связи и, как следствие, его термического разогрева, который приводит его к термо-отжигу волоконно-оптического канала связи и восстановлению его пропускания.

При сборке устройства производится калибровка затухания волоконно-оптического канала связи. Для этого на измерительный преобразователь подается калибровочный сигнал и путем изменения опорного напряжения источника опорного напряжения выдается такой уровень выходного сигнала с выхода сумматора, при котором сигнал с выхода приемника света соответствует уровню оптимального расположения рабочей точки на ватт-амперной характеристике фотоприемника. Величина этого опорного напряжения - паспортная характеристика устройства. При дальнейшей разборке и сборке устройства, воздействии на него различных дестабилизирующих факторов, корректировка результатов измерений производится автоматически.

Использование предлагаемого устройства позволяет по сравнению с существующими аналогичными устройствами проводить измерения в замкнутых объемах различных технологических установок с высокой достоверностью. Это обстоятельство позволяет исключить из измерительных преобразователей устройства, обеспечивающие преобразование в широтно-импульсный и частотно-модулированный код. Тем самым отпадает необходимость в автономном электропитании этих узлов. Особенно важное значение аспект обеспечения автономным электропитанием элементов измерительного преобразователя приобретает тогда, когда измерения ведутся на высоковольтной платформе, например на ускорителе напряжения частиц, когда доступ к измерительному преобразователю связан с отключением сложного оборудования и его разборкой.

Использование предлагаемого устройства позволяет производить измерения в условиях воздействия ионизирующего излучения даже такой интенсивности, когда различные виды модуляции неприменимы, из-за того, что величина дополнительных потерь волоконно-оптического канала связи, вызванных стабильными или нестабильными полосами поглощения, настолько велика, что уровень сигнала на выходе волоконно-оптического канала недостаточен для его фиксации.

Использование предлагаемого устройства позволяет упростить конструкцию фотоприемного устройства, так как использование лазерного излучения в качестве защищающего позволяет обеспечить более высокий уровень сигнала на выходе волоконно- оптического сигнала связи.

Поставленная задача достигнута.

Использование в зонах с ионизирующим излучением при контроле тока с гальваническим разделением измерительной и регистрирующей цепей. Технический результат - повышение точности измерений и расширение области применения устройства за счет обеспечения возможности измерений в условиях ионизирующего излучения. Устройство содержит маштабируемый первичный преобразователь, модулятор, который включает корпус, пьезокерамическую мембрану с зеркальным покрытием, линзу, волоконно-оптический канал связи, фотоприемное устройство, регистратор, источник света. В качестве источника света применен непрерывный ИАГ: Nd⁺³ лазер, причем ИАГ:Nd⁺³ лазер и фотоприемное устройство оптически связаны между собой через затвор с изменяющимся коэффициентом пропускания, первый фокон, вход волоконно-оптического ветвителя, волоконно-оптический канал связи, линзу, пьезокерамическую мембрану с зеркальным покрытием, выход волоконно-оптического ветвителя, второй фокон. Выход фотоприемного устройства связан со входом усилителя постоянного тока и через разделительную емкость со входом усилителя переменного тока. Его выход связан с первым входом делителя, второй вход делителя связан с первым выходом усилителя постоянного тока. Выход делителя связан с входом регистратора. Второй выход усилителя постоянного тока связан с первым входом сумматора, второй вход которого электрически связан с выходом источника опорного напряжения, а его выход - с затвором с изменяющимся коэффициентом пропускания. 1 ил.

Датчик тока, содержащий измерительный преобразователь, пьезокерамическую мембрану с зеркальным покрытием, линзу, волоконно-оптический канал связи, фотоприемное устройство, регистратор, источник света, отличающийся тем, что устройство содержит усилитель переменного тока, два фокона, делитель, усилитель постоянного тока, емкость, сумматор, источник опорного напряжения, затвор с изменяющимся коэффициентом пропускания, волоконно-оптический ветвитель, в качестве источника света использован непрерывный ИАГ: Nd⁺³ лазер, причем ИАГ: Nd⁺³ лазер и фотоприемное устройство оптически связаны между собой через затвор с изменяющимся коэффициентом пропускания, первый фокон, вход волоконно-оптического ветвителя, волоконно-оптический канал связи, линзу, пьезокерамическую мембрану с зеркальным покрытием, выход волоконно-оптического ветвителя, второй фокон, а выход фотоприемного устройства связан со входом усилителя постоянного тока и через емкость со входом усилителя переменного тока, выход которого связан с первым входом делителя, второй вход делителя связан с первым выходом усилителя постоянного тока, выход делителя со входом регистратора, а второй выход усилителя постоянного тока связан с первым входом сумматора, второй вход которого связан с выходом источника опорного напряжения, а его выход с затвором с изменяющимся коэффициентом пропускания.