ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ТОКОВ Российский патент 2005 года по МПК G01R15/24 G01R19/00 G01R33/32 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к приборам для измерения силы тока, и предназначено для измерения однократного импульса тока с длительностью, лежащей в наносекундном диапазоне длительностей, в мощных электрофизических установках типа линейных импульсных ускорителей электронов.

Известно применение магнитооптического датчика для измерения электрического тока. Магнитооптический датчик основан на использовании эффекта Фарадея - свойстве магнитного поля вращать плоскость поляризации света, проходящего сквозь магнитооптический материал.

Простейший магнитооптический датчик [1] состоит из последовательно соединенных источника светового излучения, входного поляризатора, чувствительного элемента из магнитооптического материала, анализатора - выходного поляризатора, и фотоприемника. Свет от источника излучения падает на входной поляризатор, где преобразуется в линейно-поляризованное излучение, которое поступает в чувствительный элемент, где под действием магнитного поля происходит поворот плоскости поляризации этого излучения. С выхода чувствительного элемента линейно-поляризованное излучение поступает на анализатор, в котором угол поворота плоскости поляризации преобразуется в изменение мощности проходящего излучения. С анализатора световое излучение поступает на фотоприемник, где происходит преобразование его оптической мощности в электрический аналог. В качестве чувствительного элемента магнитооптического датчика может быть использовано оптическое волокно.

Если между входным поляризатором и анализатором угол составляет 45°, то выходной сигнал U с фотоприемника может быть представлен в виде:

где U₀ - сигнал с фотоприемника при отсутствии магнитного поля; ϕ - угол фарадеевского вращения в чувствительном элементе. За счет нормализации сигнала в фотоприемнике выходной сигнал U может быть представлен в виде:

Угол фарадеевского вращения связан с магнитным полем по формуле:

где V - постоянная Верде; L - длина чувствительного элемента; H_l - напряженность магнитного поля и ее проекция вдоль чувствительного элемента.

Для постоянного тока, в случае, когда чувствительный элемент образует замкнутый контур вокруг токопровода с измеряемым током, интеграл формулы (3) является интегралом по замкнутому контуру и в соответствии с законом полных токов угол фарадеевского вращения будет пропорционален измеряемому току I_s.

Согласно (2), (4) измеряемый ток I_s, связан с сигналом U по формуле:

При измерении переменных или импульсных токов формула (3) записывается в виде:

где υ_g - скорость распространения сигнала в оптическом волокне.

Здесь при интегрировании по замкнутому контуру закон полных токов не выполняется и магнитооптический датчик нельзя использовать для измерения тока. Однако, если длительность t_s импульса тока много больше времени распространения оптического сигнала в чувствительном элементе L/υ_g:

то законом полного тока можно пользоваться приближенно. При этом угол фарадеевского вращения будет выражаться в следующем виде:

Таким образом, условие (7) является необходимым требованием, предъявляемым к длине чувствительного элемента магнитооптического датчика, при выполнении которого магнитооптический датчик можно использовать в качестве датчика тока.

По конструктивным особенностям регистрации электрических токов в мощных электрофизических установках длина контура, вдоль которого может быть расположен чувствительный элемент, охватывающего токопровод с измеряемым током, не может быть меньше ˜1 м и при скорости оптического сигнала υ_g=2·10⁸ м/с время распространения оптического сигнала вдоль чувствительного элемента составит ˜5 нс, что не позволяет регистрировать импульсы тока с длительностью, лежащей в наносекундном диапазоне.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для измерения сверхбольших токов [2], содержащее n магнитооптических датчиков и измерительно-вычислительный блок. Каждый их n магнитооптических датчиков состоит из источника линейно-поляризованного светового излучения (источника света с поляризатором на выходе), чувствительного элемента в виде протяженного световода из магнитооптического материала и поляризационно-чувствительного фотоприемника (с анализатором на входе). 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. Измерительно-вычислительный блок выполнен с возможностью реализации функции:

где U_k - выходной сигнал с k-ого магнитооптического датчика, который связан с углом фарадеевского вращения ϕ_k по формуле (2).

Угол ϕ_k фарадеевского вращения на k-ом датчике будет описываться формулой:

где интегрирование ведется вдоль дуги контура световода чувствительного элемента k-ого датчика. Так как конец (k-1)-ого датчика совпадает с началом k-ого датчика, то суммарный угол ϕ поворота плоскости поляризации на всем контуре будет равен:

где L_n - длина контура, L_n=nL. Так как световоды магнитооптических датчиков образуют замкнутый односвязный контур, то для постоянных токов выполняется закон полных токов и суммарный угол ϕ будет пропорционален измеряемому току I_s. Учитывая эту формулу и связь между U_k и ϕ_k легко получить формулу (9).

Время распространения оптического сигнала вдоль чувствительного элемента каждого из n магнитооптических датчиков не превышает L/υ_g. Поэтому условие (7) для всего контура L_n может быть переписано в виде:

которое всегда может быть выполнено за счет выбора достаточно большого числа n магнитооптических датчиков. Для измерения импульсов тока наносекундного диапазона при длине контура ˜1 м необходимо использовать ˜10 датчиков, тогда время распространения оптического сигнала вдоль чувствительного элемента не превысит 0,5 нс.

Недостатком прототипа является необходимость использования большого числа быстродействующих магнитооптических датчиков при измерении импульсных токов наносекундного диапазона, что сильно усложняет устройство для измерения тока.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является упрощение устройства для измерения импульсного тока за счет уменьшения числа магнитооптических датчиков до одного.

Технический результат достигается тем, что в волоконно-оптическом устройстве для измерения импульсных токов, содержащем источник линейно-поляризованного светового излучения, n чувствительных элементов в виде одинаковых дуг волоконного световода из магнитооптического материала, образующих замкнутый контур, охватывающий токопровод с измеряемым током, поляризационно-чувствительный фотоприемник и измерительно-вычислительный блок, вход которого подключен к выходу фотоприемника, чувствительные элементы световода последовательно соединены между собой (n-1) одинаковыми линиями задержки, выполненными в виде катушек с витками того же волоконного световода, что и чувствительные элементы, расположенными таким образом, что плоскости витков перпендикулярны силовым линиям магнитного поля, создаваемого измеряемым током, начало первого чувствительного элемента подключено к источнику светового излучения, а конец последнего чувствительного элемента подключен к входу фотоприемника, число n чувствительных элементов выбирается из условия:

n≫L_a/ν_gt_s,

где υ_g - скорость оптического сигнала в волоконном световоде; L_a - длина световода одного чувствительного элемента; t_s - ожидаемая длительность измеряемого импульса тока, длина световода одной линии задержки L_d выбирается из условия:

L_d>ν_gt_s,

а измерительно-вычислительный блок выполнен с возможностью реализации функции:

где I_s - измеряемый ток; V - постоянная Верде материала световода; U(t) - выходной сигнал с поляризационно-чувствительного фотоприемника.

На фиг.1 приведена функциональная схема волоконно-оптического устройства для измерения импульсных токов для n=4. На фиг.2 приведены графики сигналов: а - исходный импульс тока; б - выходной сигнал с поляризационно-чувствительного фотоприемника; в - измеренный импульс тока.

Волоконно-оптическое устройство для измерения импульсных токов состоит из источника линейно-поляризованного светового излучения 1, который через волоконный световод 2 из магнитооптического материала, подключен к входу поляризационно-чувствительного фотоприемника 3, выход которого подсоединен к измерительно-вычислительному блоку 4. Волоконный световод 2 состоит из n чувствительных элементов 5_1...n в виде одинаковых дуг, образующих замкнутый контур, охватывающий токопровод с измеряемым током, последовательно соединенных между собой (n-1) одинаковыми волоконно-оптическими линиями задержки 6_1...n-1. Начало первого чувствительного элемента 5₁ подключено к источнику светового излучения 1, конец последнего чувствительного элемента 5_n подключен к входу фотоприемника 3.

Волоконно-оптические линии задержки 6_1...n-1 выполнены в виде катушек с витками волоконного световода 2. Витки катушек располагаются таким образом, что плоскости этих витков перпендикулярны силовым линиям магнитного поля, создаваемого измеряемым током.

Число n чувствительных элементов 5_1...n световода 2 выбирается из условия:

где υ_g - скорость оптического сигнала в световоде; L_a - длина дуги 5_1...n; t_s - ожидаемая длительность импульса тока.

Длина линии задержки 6_1...n-1 L_d выбирается из условия пропускания импульса тока:

Измерительно-вычислительный блок 4 выполнен с возможностью реализации функции:

где I_s(t) - измеряемый ток; V - постоянная Верде материала световода чувствительного элемента 2; U(t) - выходной сигнал с поляризационно-чувствительного фотоприемника 3.

Устройство работает следующим образом. При протекании измеряемого импульсного тока по токопроводу создается магнитное поле, которое модулирует угол поляризации ϕ(t) линейно-поляризованного света, распространяющегося вдоль световода 2 от источника излучения 1 к фотоприемнику 3 по следующей формуле:

где V - постоянная Верде; l - координата длины вдоль световода 2; L_t - длина световода 2, равная сумме длин всех чувствительных элементов 5_1...n и (n-1) линий задержки 6_1...n-1:

H_l(l, t) - проекция вектора напряженности магнитного поля, создаваемая измеряемым током на вектор касательной к световоду 2 в точке l.

Линейно-поляризованный свет с световода 2 поступает на оптический вход фотоприемника 3, где преобразуется в электрический сигнал U(f) следующего вида:

Этот сигнал с фотоприемника 3 поступает на измерительно-вычислительный блок 4, где производится его аналого-цифровое преобразование и вычисление значений импульсного тока по следующей формуле:

Интеграл (16) можно разбить на сумму интегралов, каждый из которых соответствует отдельным элементам волоконного световода 2 - чувствительным элементам 5_1...n и линиям задержки 6_1...n-1 соответственно:

где L_a - длина одной дуги 5_1...n; L_d - длина одной линии задержки 6_1...n-1; l_k, l'k - координаты начал k-ой дуги 5_k и линии задержки 6_k, определяемые по формулам:

Из условия перпендикулярности плоскостей витков катушек линий задержки 6_1...n-1 силовым линиям магнитного поля, создаваемого измеряемым током, следует, что проекцию напряженности магнитного поля H_l, стоящая под знаком второго интеграла в сумме, можно положить равной нулю, а следовательно, будет равен нулю и весь интеграл. Поэтому формулу (20) можно переписать в виде:

где ϕ_k(t) - угол фарадеевского вращения на k-ом чувствительном элементе 5_k, равный следующему выражению:

где t_k - начало измерения на k-ом чувствительном элементе 5_k, вычисляемое по формуле:

Если магнитное поле от импульса измеряемого тока отлично от нуля в интервале [0, t_s], угол ϕ_k(t) будет отличен от нуля в интервале:

Для того чтобы сигналы от соседних чувствительных элементов 5_1...n не смешивались друг с другом, необходимо выполнение условия:

Очевидно, оно будет выполняться, когда выполняется следующее условие:

которое накладывает ограничение на минимальный размер длины одной линии задержки 6_1...n-1. При этом будет выполняться следующее равенство:

где t' - временной диапазон измерения устройства:

При этом углу ϕ_k фарадеевского вращения будет соответствовать сигнал на выходе фотоприемника 3:

С учетом сделанных обозначений интеграл (23) запишется в следующем виде:

Если выбрать длину L_a дуги 5_1...n, такую, что время распространения оптического сигнала вдоль дуги много меньше длительности импульса измеряемого тока:

то временной задержкой вдоль k-ой дуги 5_k можно пренебречь и формула (31) для ϕ_k запишется в виде:

Так как дуги 5_1...n образуют замкнутый контур, то сумма всех ϕ_k(t'+t_k) есть интеграл по замкнутому контуру:

По закону полных токов интеграл по контуру равен току, протекающему по токопроводу, охватываемому этим контуром. В данном случае это будет измеряемый ток I_s(t):

или с учетом (30) эта формула может быть переписана в виде:

Для подтверждения характеристик предлагаемого волоконно-оптического устройства для измерения импульсных токов было проведено математическое моделирование устройства, в котором волоконный световод 2 состоит из n=8 чувствительных элементов 5_1...8, каждый из которых представляет собой дугу окружности, соединенных между собой линиями задержки 6_1...7 в виде одного витка винтовой линии. Длина чувствительного элемента 5_1...8 была L_a=0,23 см. Длина линии задержки 6_1...7 была L_d=6,28 м. Суммарная длина световода 2 была L_t=45,80 м. Таким образом, в предложенном примере устройство должно регистрировать импульсы тока длительностью не более 30 нс и не менее 1 нс.

В математической модели импульс тока был задан в виде формулы двух экспонент, часто используемой в математическом моделировании электрических импульсных систем, в виде следующей формулы:

I_s(t)=A·(exp(-αt)-exp(-βt)),

где α, β - параметры импульса, А - величина, определяемая амплитудой импульса тока I_{s max}, по формуле:

Для демонстрации работы устройства в наносекундном временном диапазоне измерения тока были выбраны следующие параметры импульса:

I_{s max}=1 МА, α=0,25 1/нс; β=0,35 1/нс

На фиг.2 а) приведен график импульса тока. Длительность импульса на полувысоте составляет t_0.5точ=8.30 нс.

На фиг.2 б) приведен график сигнала U(t) на выходе поляризационно-чувствительного фотоприемника 3. Число импульсов соответствует числу сегментов 5_1...8 чувствительного элемента 2. Импульсы друг с другом не перекрываются, что говорит о правильном выборе длительности линий задержки 6_1...7. На фиг.2 в) приведен график импульса тока, восстановленный в измерительно-вычислительном блоке 4. Время выборки аналого-цифрового преобразователя измерительно-вычислительного блока 4 составляло 0,32 нс, число выборок 1000. Такие измерения вполне возможно осуществить на высокоскоростных записывающих осциллографах фирмы Textronics. Амплитуда восстановленного импульса тока составила 0,987 МА, длительность по полувысоте составляет t_0.5изм=8,33 нс. Погрешность измерения амплитуды составила 1,3%, погрешность измерения длительности импульса - 0.4%, что вполне допустимо для подобных измерений.

Проведенное математическое моделирование подтвердило возможность реализации предлагаемого устройства.

Таким образом, существенное упрощение конструкции достигается тем, что предлагаемое устройство имеет всего один магнитооптический датчик в отличие от прототипа, имеющего n датчиков.

Источники информации

1. A.D.Kersey et al. "Sensitivity-bandwidth limitations in optical-fibre Faraday-rotation current sensors", International Journal of Optoelectronics, 1988, vol.3, №4, 323-332.

2. Устройство для измерения сверхбольших токов. Патент РФ на изобретение №2120128. 26.06.1997, МКИ⁶ G 01 R 19/00.

Устройство предназначено для измерения однократных импульсов тока с длительностью, лежащей в наносекундном диапазоне длительностей. Устройство состоит из магнитооптического датчика, подключенного к входу измерительно-вычислительного блока. Магнитооптический датчик содержит источник линейно-поляризованного светового излучения, который через волоконный световод из магнитооптического материала подключен к входу поляризационно-чувствительного фотоприемника. Волоконный световод состоит из n чувствительных элементов в виде одинаковых дуг, образующих замкнутый контур и охватывающих токопровод с измеряемым током. Чувствительные элементы соединены между собой (n-1) одинаковыми волоконно-оптическими линиями задержки. Волоконно-оптические линии задержки выполнены в виде катушек с витками того же волоконного световода. Плоскости витков катушек перпендикулярны силовым линиям магнитного поля, создаваемого измеряемым током. Такая конструкция позволяет использовать всего один магнитооптический датчик, в отличие от ближайшего аналога. 2 ил.

Волоконно-оптическое устройство для измерения импульсных токов, содержащее источник линейно-поляризованного светового излучения, n чувствительных элементов в виде одинаковых дуг волоконного световода из магнитооптического материала, образующих замкнутый контур, охватывающий токопровод с измеряемым током, поляризационно-чувствительный фотоприемник и измерительно-вычислительный блок, вход которого подключен к выходу фотоприемника, отличающееся тем, что в нем чувствительные элементы световода последовательно соединены между собой (n-1) одинаковыми линиями задержки, выполненными в виде катушек с витками того же самого волоконного световода, что и чувствительные элементы, расположенными таким образом, чтобы плоскости витков были перпендикулярны силовым линиям магнитного поля, создаваемого измеряемым током, начало первого чувствительного элемента подключено к источнику светового излучения, а конец последнего чувствительного элемента подключен к входу фотоприемника, число n чувствительных элементов выбирается из условия

n≫L_a/v_gt_s,

где v_g - скорость оптического сигнала в волоконном световоде;

L_a - длина световода одного чувствительного элемента;

t_s - ожидаемая длительность измеряемого импульса тока, длина световода одной линии задержки L_d выбирается из условия

L_d>v_gt_s,

а измерительно-вычислительный блок выполнен с возможностью реализации функции

где I_s - измеряемый ток;

V - постоянная Верде материала световода;

U(t) - выходной сигнал с поляризационно-чувствительного фотоприемника.