ТЕМПЕРАТУРНО-СТАБИЛИЗИРОВАННАЯ СЕНСОРНАЯ КАТУШКА И ДАТЧИК ТОКА Российский патент 2009 года по МПК G01R15/24 

Область техники

Изобретение относится к области волоконно-оптической сенсорики. Оно относится к сенсорной головке и датчику тока или магнитного поля, согласно ограничительной части независимых пунктов формулы.

Уровень техники

Подобная сенсорная головка известна, например, из ЕР 0856737 А1. Здесь описан волоконно-оптический датчик тока с сенсорной головкой, включающей в себя расположенное в капилляре сенсорное волокно. Сенсорное волокно освобождено от своей защитной оболочки, а затем термообработано с тем, чтобы устранить механические напряжения, приводящие к возмущающим влияниям из-за нежелательного двойного лучепреломления. Этим достигается лучшая температурная стабильность сенсорных измерений. Капилляр заполнен защитным газом или маслом с целью предотвращения проникновения внутрь капилляра влаги или химически агрессивных паров, из-за чего могло бы быть химически повреждено лишенное защитной оболочки сенсорное волокно.

Такая сенсорная головка имеет тот недостаток, что она сложна в монтаже и почти непригодна для температурно-стабильного измерения токов в проводниках большого диаметра.

Из уровня техники известны еще другие возможности подавления возмущающего двойного лучепреломления в оптических волокнах: использование волокон с высоким двулучепреломлением. У волокон с высоким двулучепреломлением возмущающее двойное лучепреломление подавляется посредством “замороженного” кругового двойного лучепреломления. Недостаток при этом состоит в том, что измерительный сигнал относительно сильно изменяется с температурой (обычно несколько процентов на 100°С). Могут использоваться также волокна из флинта. Упруго-оптические коэффициенты флинта очень малы, так что внешние усилия вызывают лишь небольшое линейное двойное лучепреломление. Однако волокна из флинта обладают по сравнению с кварцевыми волокнами меньшей химической и механической стойкостью, а соединение расплавлением (сращивание волокна, fusion splice) с подводящим волокном или элементом фазовой задержки из кварцевого стекла невозможно. Кроме того, известно использование механически скрученных волокон. Однако соответствующие катушки сложны в изготовлении, а их длительная надежность сомнительна.

Изложение изобретения

Задачей изобретения является поэтому создание сенсорной головки и датчика тока или магнитного поля описанного выше рода, которые были бы лишены перечисленных недостатков. В частности, должно быть создано в значительной степени независимое от температуры измерение тока или магнитного поля с помощью легко монтируемой сенсорной головки, обеспечивающей измерение при больших диаметрах сенсорной катушки, необходимых, например, для измерения токов в проводниках большого сечения.

Эта задача решается посредством сенсорной головки и датчика с признаками, указанными в независимых пунктах формулы.

Волоконно-оптическая сенсорная головка для датчика тока или магнитного поля содержит оптическое волокно, которое включает в себя в оптическом соединении магнитооптически активное сенсорное волокно и, по меньшей мере, одно подводящее волокно, причем сенсорное волокно освобождено от своей защитной оболочки, и капилляр, в котором расположено, по меньшей мере, сенсорное волокно.

Сенсорная головка отличается тем, что она выполнена с возможностью сгибания в зоне сенсорного волокна и что для уменьшения сил трения между сенсорным волокном и капилляром в последнем имеется антифрикционное средство.

Благодаря этому можно легко установить сенсорную головку и, тем не менее, в значительной степени устранить зависимые от температуры и сгибания возмущающие воздействия на осуществляемые посредством сенсорной головки измерения. У известных из ЕР 0856737 А1 сенсорных головок сенсорное волокно при температуре его размягчения на некоторое время темперировано. За счет такой термообработки сенсорное волокно приобретает постоянную форму. Его механическое разрушающее напряжение снижено. При попытке деформирования такого сенсорного волокна оно сломается или же в нем, по меньшей мере, будет индуцировано новое большое нежелательное двойное лучепреломление, так что цель термообработки, а именно освобождение сенсорного волокна от двойного лучепреломления, снова не достигается.

Двойное лучепреломление в сенсорном волокне нежелательно, в частности, если оно обладает еще зависимостью от температуры, поскольку в результате двойного лучепреломления, например, состояние круговой поляризации распространяющегося в сенсорном волокне света не сохраняется, а нарушается. Для получения погрешности измерения менее примерно 0,2% вызванный двойным лучепреломлением фазовый сдвиг во всем основном интервале температур не должен превышать примерно 10° и должен изменяться самое большее на несколько градусов. Двойное лучепреломление возникает за счет воздействия на сенсорное волокно внешних сил.

Оказалось, однако, что, в частности, у катушек большого диаметра и с соответственно большими радиусами кривизны сенсорного волокна влияние вызванного кривизной самого сенсорного волокна двойного лучепреломления меньше, чем влияние нежелательных двойных лучепреломлений, вызванных сгибанием сенсорной головки в катушку силами трения между капилляром и расположенным в нем волокном. Первые, вызванные сгибанием двойные лучепреломления составляют, например, при диаметре катушки 1 м, диаметре волокна 80 мкм и длине световой волны 800 нм около 1,1° на виток катушки. Вторые двойные лучепреломления показывают, с одной стороны, невоспроизводимую температурную зависимость, так что полученный посредством сенсорной головки измерительный сигнал нежелательным образом зависит от температуры. С другой стороны, силы трения и вызванное ими двойное лучепреломление изменяются, если катушку, например для транспортировки и монтажа, открывают и закрывают или иным образом изменяют ее форму. Следствием является нежелательное изменение чувствительности измерения и/или калибровки датчика. При изменениях температуры может изменяться также взаимное расположение волокна и капилляра, вследствие чего из-за сил взаимодействия между волокном и капилляром при изменениях температуры возникают другие нежелательные изменения двойного лучепреломления сенсорного волокна. Эти обусловленные трением нежелательные двойные лучепреломления могут быть в значительной степени устранены антифрикционным средством.

За счет того, что сенсорная головка выполнена сгибаемой и, тем не менее, обладает очень малым двойным лучепреломлением, она проста в монтаже. Если, например, должен быть измерен протекающий через проводник ток, то проводник не требуется прерывать, чтобы уложить вокруг него сенсорное волокно. Также геометрию формируемой из сенсорной головки катушки не требуется задавать. Форма катушки в зависимости от применения (геометрия сечения проводника) может быть круглой, эллиптической, овальной или ипподромной. Могут быть получены одна, две или более витков катушки, так что сенсорная головка может быть гибко приспособлена к измерительной задаче.

Магнитооптическая активность сенсорного волокна означает, что оно имеет неисчезающую постоянную Верде.

Подводящее волокно служит для пропускания света и оптического соединения сенсорной головки с оптоэлектронным модулем, который служит для вырабатывания и детектирования света и обработки измерительных сигналов.

То, что сенсорное волокно освобождено от своей защитной оболочки, предотвращает нежелательное двойное лучепреломление под действием механических усилий, которые защитная оболочка оказывает на волокно и которые возникают, как правило, при изменении температуры, поскольку, как правило, коэффициенты теплового расширения защитной оболочки волокна и покрытия различны. Такие возмущающие двойные лучепреломления приводят обычно к неточностям измерения 1-2% и более.

Капилляр осуществляет механическую защиту освобожденного от защитной оболочки волокна.

В одной предпочтительной форме выполнения предмета изобретения сенсорное волокно не подвергнуто термообработке, по меньшей мере, при температуре размягчения материала сенсорного волокна. Благодаря этому сенсорное волокно остается в особенно гибком состоянии, что значительно упрощает изготовление сенсорных головок для катушек большого диаметра и монтаж сенсорной головки.

В другой предпочтительной форме выполнения сенсорное волокно имеет в смонтированном состоянии радиус кривизны, по меньшей мере, 0,25 м, в частности, по меньшей мере, 0,4 м или, по меньшей мере, 0,5 м. При таких больших радиусах кривизны и соответствующих диаметрах катушек вызванное сгибанием сенсорного волокна двойное лучепреломление относительно мало. Кроме того, при таких больших диаметрах катушек могут быть измерены токи в проводниках очень большого сечения, встречающиеся, например, в производстве алюминия.

В одной особенно предпочтительной форме выполнения часть, по меньшей мере, одного подводящего волокна расположена внутри капилляра. Эта форма выполнения имеет то преимущество, что также часть подводящего волокна механически защищена капилляром. Кроме того, в этой форме выполнения предусмотренный при случае, по меньшей мере, на одном конце капилляра держатель или предусмотренное там закупоривающее средство может быть механически соединено с обычно механически невосприимчивым к сенсорному волокну подводящим волокном, так что за счет держателя или закупоривающего средства в сенсорном волокне не возникает возмущающего двойного лучепреломления.

Предпочтительно капилляр и сенсорное волокно состоят, по существу, из кварцевого стекла. За счет этого оба имеют одинаковый коэффициент теплового расширения, а, кроме того, получение сплайсов из кварцевого стекла является простым делом.

В другой предпочтительной форме выполнения капилляр окружен оболочкой. Это предотвращает возникновение микротрещин, возникающих на поверхности капилляра при частом сгибании сенсорной головки. Такие микротрещины могут привести к разрушению капилляра.

Предпочтительно капилляр расположен внутри защитного полого кабеля. Защитный полый кабель служит для защиты волокна и капилляра от механических воздействий из вне.

Особенно предпочтительно антифрикционным средством является жидкость, в частности масло, или порошок.

В одной предпочтительной форме выполнения капилляр закупорен по своим концам закупоривающим средством и содержит в качестве антифрикционного средства жидкость, а для восприятия обусловленных температурой изменений объема антифрикционного средства - газ. Таким образом, реализован надежно закупоренный, работающий в большом интервале температур капилляр. В желаемом интервале температур обусловленное изменением температуры расширение антифрикционного средства можно компенсировать легко сжимаемым газом, так что давление в капилляре не должно быть ниже задаваемого минимального или выше задаваемого максимального значения. Газ может быть расположен в виде единственного объема (один столб) на одном конце капилляра или в виде двух объемов (столбов), расположенных каждый на одном конце капилляра, или же в виде еще большего числа отдельных объемов, распределенных вдоль оси капилляра. В частности, можно взять предпочтительно также смесь, эмульсию, из антифрикционного средства и газа. Закупоривание капилляра обычно предпочтительно, если антифрикционное средство может вытечь или испариться.

В другой предпочтительной форме выполнения антифрикционное средство имеет вид тонкого, уменьшающего трение слоя на волокне и/или на внутренней стороне капилляра. В этом случае требуется меньше антифрикционного средства. В некоторых случаях можно также отказаться от закупоривания капилляра. Слоями могут быть, например, масляные пленки или слои из сухой смазки, такой как MoS₂, или наносмазка, состоящая из одного или нескольких молекулярных слоев.

Предпочтительно капилляр может быть закупорен по своим концам клеем в качестве закупоривающего средства. За счет этого можно простым образом реализовать надежное закупоривание капилляра для защиты сенсорного волокна и/или для предотвращения выхода антифрикционного средства или содержащегося в капилляре газа.

Для закупоривания капилляра он может быть предпочтительно снабжен на каждом из своих концов трубчатой насадкой, причем каждая насадка имеет первый участок, который на одном конце капилляра охватывает извне капилляр или, его оболочку, и второй участок, который выдается в осевом направлении за соответствующий конец капилляра, причем закупоривающее средство помещено во второй участок насадки.

В одной предпочтительной форме выполнения оптическое волокно содержит, по меньшей мере, один элемент фазовой задержки, который находится в оптическом соединении с сенсорным волокном и, по меньшей мере, одним поляризуемым подводящим волокном, причем, по меньшей мере, один элемент фазовой задержки расположен между сенсорным волокном и, по меньшей мере, одним подводящим волокном, а, по меньшей мере, одно подводящее волокно является поляризуемым волокном.

В другом варианте последней предпочтительной формы выполнения оптическое волокно содержит два элемента фазовой задержки и два подводящих волокна, причем между сенсорным волокном и каждым из двух подводящих волокон расположено по одному элементу фазовой задержки. Такая сенсорная головка пригодна для измерений в компоновке на основе явления Саньяка.

Датчик тока или магнитного поля отличается тем, что он содержит сенсорную головку, согласно изобретению. Преимущества датчика вытекают из преимуществ сенсорной головки.

Другие предпочтительные формы выполнения и преимущества следуют из зависимых пунктов и фигур.

Краткое описание чертежей

Ниже объект изобретения более подробно поясняется с помощью предпочтительных примеров выполнения, изображенных на прилагаемых чертежах, на которых схематично представлены:

фиг.1 - датчик тока, согласно изобретению, в компоновке на основе явления Саньяка;

фиг.2 - датчик тока, согласно изобретению, в отражательной конфигурации;

фиг.3 - сенсорную головку, согласно изобретению, в компоновке на основе явления Саньяка;

фиг.4 - сенсорную головку, согласно изобретению, в отражательной компоновке;

фиг.5 - сенсорную головку, согласно изобретению, в катушке ипподромной формы с одним витком, в отражательной компоновке;

фиг.6 - температурную зависимость температурно-компенсированного датчика тока, согласно изобретению.

Используемые на чертежах ссылочные позиции и их значение приведены в перечне. В принципе, одинаковые или одинаково действующие части обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Описанные примеры выполнения являются примерами объекта изобретения и не имеют ограничивающего действия.

Пути реализации изобретения

На фиг.1 схематично изображен датчик 1 тока, согласно изобретению, в компоновке на основе явления Саньяка. Датчик 1 состоит из оптоэлектронного модуля 13 и сенсорной головки 2, оптически соединенных между собой двумя предпочтительно поляризуемыми подводящими волокнами 5. За исключением некоторых деталей сенсорной головки 2, датчик 1 может быть предпочтительно выполнен так, как это описано в публикации ЕР 1154278, которая поэтому со всем своим раскрытым содержанием включена в описание. Кроме того, датчик предпочтительно также температурно-компенсирован, как это описано в ЕР 1115000 или в РСТ/СН02/00473 (дата подачи международной заявки 29.08.2002), и потому обе публикации со всем своим раскрытым содержанием включены в описание.

Принципиальное устройство и лежащая в основе функция датчика приведены еще раз, несмотря на включенные в описание публикации.

Оптоэлектронный модуль 13 включает источник 14 света, преимущественно сверхлюминесцентный диод или работающий ниже порога генерации лазера лазерный диод, или деполяризатор 15. Выработанный источником 14 света и деполяризованный деполяризатором 15 свет направляют через волоконный копплер 16 в фазовый модулятор 17, преимущественно в качестве фазового модулятора 17 используют интегрально-оптический фазовый модулятор из ниобата лития, который работает в замкнутом регулирующем контуре (closed loop gyroscope). Вызванный током фазовый сдвиг снова компенсируется при этом в оптоэлектронном модуле 13. Это имеет преимущество высокой точности измерения, широкого динамического диапазона и очень хорошей линейности по всему диапазону измерений. Фазовый модулятор 17 одновременно действует как поляризатор.

Фазовый модулятор 17 через управляющую линию 21 находится во взаимодействии с сигнальным процессором 20 и управляется им так, что достигается необратимая фазовая модуляция. Сигнальный процессор 20 через сигнальную линию 19 находится во взаимодействии с детектором 18 для обработки его световых сигналов. Детектор 18 оптически соединен со второй ветвью волоконного копплера 16 преимущественно еще внутри оптоэлектронного модуля 13, по меньшей мере, в одном из обоих подводящих волокон 5 предусмотрен сплайс 22 или штепсельный разъем 22. Там подводящее волокно 5 может быть разомкнуто для монтажа сенсорной головки 2, а затем снова замкнуто. В случае штепсельного разъема 22 он предпочтительно внедрен в стенку корпуса оптоэлектронного модуля 13.

Сенсорная головка 2 включает сенсорное волокно 3, которое каждым из своих обоих концов посредством элемента 4 фазовой задержки оптически соединено с подводящим волокном 5. Сенсорное волокно 3 в изображенном смонтированном положении расположено в виде катушки с одним, как показано, или также двумя или более витками вокруг проводника L, который пропускает измеряемый электрический ток I. Предпочтительно числом витков, образованных сенсорной головкой 2, является целое число, поскольку тогда достигается замкнутый путь интегрирования и, тем самым, измеряемое значение (ток I) не зависит от положения проводника L внутри катушки. У датчика 1 (фиг.2) элемент 4 фазовой задержки и зеркало 24 лежат тогда рядом друг с другом. У датчика на основе явления Саньяка (фиг.1) оба элемента 4 фазовой задержки лежат рядом друг с другом. Предпочтительно Cladding и сердечник сенсорного волокна состоят из кварцевого стекла. Это относится также к элементам 4 фазовой задержки и к подводящим волокнам 5. Сечение сердечника сенсорного волокна 3 является предпочтительно круглым. Сечение элементов 4 фазовой задержки и подводящих волокон 5 является предпочтительно эллиптическим.

Сенсорное волокно 3 и элементы 4 фазовой задержки, а также часть подводящих волокон 5 расположены внутри капилляра 6. Кроме того, в капилляре 6 содержится антифрикционное средство 7, например силиконовое масло.

При работе через сенсорное волокно 3 пробегают две встречные световые волны с круговой или приблизительно круговой поляризацией одинакового направления вращения. Световые волны приобретают пропорциональный току I необратимый оптический фазовый сдвиг Δϕ_S, который в случае волн с совершенно круговой поляризацией составляет Δϕ_S=2VNI, где V обозначает постоянную Верде сенсорного волокна 3, а N - число витков волокна катушки. Случай некруговых (эллиптически поляризованных) световых волн описан в приведенных публикациях ЕР 1115000 и РСТ/СН02/00473, а также K.Bohnert, P.Gabus, J.Nehring and H.Brändle „Temperature and vibration insensitive fiber-optic current sensor", Journal of Lightwave Technology, Vol.20(2), 2002, стр.267-276. В этих публикациях приведено также соответствующее значение Δϕ_S при эллиптической поляризации.

Круговые (или эллиптические) волны получают с помощью волоконно-оптических элементов 4 фазовой задержки из распространяющихся в подводящих волокнах 5 линейно поляризованных волн. При выходе из сенсорного волокна 3 элементы 4 фазовой задержки преобразуют круговые (или эллиптические) волны снова в линейные волны. Фазовый сдвиг измеряют преимущественно посредством метода и соответствующего оптоэлектронного устройства, известных у волоконно-оптических гироскопов. В этой связи см. также публикацию R.A.Bergh, H.C.Lefevre and H.J.Shaw „An overview of fiber-optic gyroscopes", J.Lightw. TechnoL, Vol.2(2), 1984, стр.91-107, которая поэтому со всем своим раскрытым содержанием включена в описание.

Другие детали сенсорной головки 2 изображены более подробно на фиг.3 и обсуждаются в связи с фиг.3.

На фиг.2, аналогично фиг.1, схематично изображен датчик тока, согласно изобретению, в отражательной компоновке. К оптоэлектронному модулю 13 относится сказанное в связи с фиг.1, за исключением того, что не требуется предусматривать 0°-сплайс 22 или штепсельный разъем 22, поскольку сенсорная головка иначе, чем в компоновке на основе явления Саньяка, образует петлю и, тем самым, нет необходимости размыкать волокно для монтажа. Два выхода фазового модулятора 17 соединяют в поляризуемом копплере 25, причем в одной из обеих ветвей волокна предусмотрен 90°-сплайс 23. 90°-сплайс 23 не нужен, если копплер 25 соединить с фазовым модулятором 17 так, чтобы на одном конце волокна параллельно направлению поляризации была ориентирована быстрая ось волокна, на другом конце волокна - медленная. Выход поляризуемого копплера 25 оптически соединен с подводящим волокном 5. Подводящее волокно 5 оптически соединено через элемент 4 фазовой задержки с одним концом сенсорного волокна 3. Другой конец сенсорного волокна 3 является зеркальным или содержит зеркало. Капилляр 6 охватывает часть подводящего волокна 5, элемент 4 фазовой задержки и сенсорное волокно 3 и содержит антифрикционное средство 7.

Через образованную сенсорной головкой 2 волоконную катушку пробегают две круговые или приблизительно круговые световые волны со встречным направлением вращения и одинаковым направлением распространения. Волны отражаются от зеркального конца сенсорного волокна 3 и пробегают через катушку второй раз в обратном направлении. Вызванный током I полный оптический фазовый сдвиг составляет здесь в случае световых волн с совершенно круговой поляризацией Δϕ_R=4VNI. Обе волны с круговой поляризацией создаются посредством элемента 4 фазовой задержки из двух линейно поляризованных ортогонально друг другу волн и при выходе из катушки снова преобразуются в линейно поляризованные ортогонально друг другу волны. Фазовый сдвиг Δϕ_R измеряют преимущественно с помощью оптоэлектронного устройства, как это известно из публикации ЕР 1154278 (модифицированный гироскопный модуль). В остальном справедливо сказанное в связи с фиг.1.

На фиг.3 схематично изображена сенсорная головка 2, согласно изобретению, в компоновке на основе явления Саньяка, которая может быть использована, например, в датчике на фиг.1. Как уже сказано, каждое из двух подводящих волокон 5 оптически соединено элементом 4 фазовой задержки с одним концом сенсорного волокна 3. Часть каждого из подводящих волокон 5, а также оба элемента 4 фазовой задержки и все сенсорное волокно 3 расположены внутри капилляра 6. Простоты ради сенсорная головка 2 изображена в развернутом состоянии, а не в смонтированном образующем катушку состоянии.

Подводящие волокна 5, предпочтительно, содержат частично защитную оболочку 26, которая, предпочтительно, срезана на обращенном к соответствующему элементу 4 фазовой задержки конце. Сенсорное волокно 3 и, предпочтительно, также элементы 4 фазовой задержки свободны от своих защитных оболочек, так что окружающее сердечник волокна покрытие не защищено защитной оболочкой. Капилляр 6 выполняет, по существу, роль защитной оболочки по механической защите волокна (покрытие и сердечник), причем за счет капилляра 6 возможна значительно лучшая механическая защита, чем за счет защитной оболочки. Капилляр 6 выполнен предпочтительно из кварцевого стекла. Поскольку капилляр 6 имеет тогда тот же коэффициент теплового расширения, что и кварцевое волокно (в частности, сенсорное волокно 3), это уменьшает влияние изменений температуры. Сенсорное волокно 3 лежит в капилляре 6 свободно.

В промежуток между волокном и внутренней стороной капилляра 6 помещено антифрикционное средство 7, например силиконовое масло. Для предотвращения вытекания антифрикционного средства 7 из капилляра 6 последний закупорен по своим обоим концам закупоривающим средством 10. В качестве закупоривающего средства 10 может быть предварительно изготовленная крышка или, лучше, клей 10, в частности клей 10, отверждаемый под действием ультрафиолетового света. Предпочтительно волокно содержит в зоне закупоривающего средства 10 защитную оболочку 26.

Поскольку сцепление между клеем 10 и смоченной маслом внутренней стенкой капилляра 6 плохое, предпочтительно, снаружи на каждом из концов капилляра размещают трубчатую насадку 11. Первый участок 11а трубчатой насадки 11 охватывает конец капилляра, а второй участок 11b выдается на конце капилляра в осевом направлении, обычно на несколько миллиметров. Клей 10 помещают во второй участок 11b трубчатой насадки 11. Само собой, клей 10 может дополнительно находиться также внутри капилляра 6. Предпочтительно в качестве трубчатой насадки 11 может использоваться термоусадочная трубка. Предпочтительно отверждение клея 10 происходит после термоусадки трубки на капилляре 6.

Для восприятия теплового расширения силиконового масла 7 в капилляре 6 содержится также газ 12. В качестве газа 12 можно просто взять, например, сухой воздух или азот. Как показано на фиг.3, воздух 12 может иметь вид расположенного на одном конце капилляра 6 воздушного столба. Длину масляного столба предпочтительно всегда выбирают так, чтобы он даже при самой низкой предусмотренной рабочей температуре сенсорной головки 2 полностью покрывал сенсорное волокно 3 и предпочтительно также элементы 4 фазовой задержки. Длину воздушного столба выбирают предпочтительно так, чтобы не превышалось задаваемое максимальное давление в капилляре 6.

Числовой пример. Коэффициент объемного расширения силиконового масла составляет порядка 10^-3/°C. Длина столба силиконового масла, например, в 5 м изменяется при изменениях температуры ±50°С на ±25 см. Если максимальное давление в воздушном столбе должно оставаться ограниченным, например, до 0,2 МПа (2 бар), то длина воздушного столба при исходной температуре должна составлять, по меньшей мере, 50 см, если предполагается, что при исходной температуре господствует атмосферное давление.

Для своей наружной механической защиты капилляр 6 содержит предпочтительно оболочку 8. Она изготовлена предпочтительно из полиимида. Это предотвращает повреждения внешней поверхности капилляра (микротрещины), которые могут привести к разрушению капилляра 6 при частых сгибаниях.

Для защиты капилляра 6 и волокна капилляр 6 и, по меньшей мере, часть подводящих волокон 5 расположены в защитном полом кабеле 9. Защитный полый кабель 9 механически прочный и защищает оставшуюся часть сенсорной головки 2 и, в данном случае, подводящие волокна 5 от механических влияний и повреждений. Предпочтительно, что защитный полый кабель 9 окружает сенсорную головку 2 и подводящие волокна 5 оптоэлектронного модуля 13 и вплоть до него.

На фиг.4, аналогично фиг.3, изображена сенсорная головка 2 в отражательной компоновке, как она может использоваться, например, в датчике 1 по фиг.2. Левая часть фиг.4 идентична левой части фиг.3. Правая часть показывает, что сенсорное волокно 3 имеет на одном конце зеркальное покрытие 24. Закупоривающее средство 10 в правой части фиг.4 не имеет отверстия для подводящего волокна 5. Защитный полый кабель 9 содержит на конце затвор 27.

На фиг.4 также показано, что газ 12 может содержаться также в виде двух объемов, каждый из которых расположен на одном конце капилляра 6. В принципе, газ может быть также распределен в капилляре 6 иначе, например, в виде множества меньших, распределенных по длине капилляра 6 объемов. Очень предпочтительным является также использование эмульсии газа 12 и жидкого антифрикционного средства 7, которая, с одной стороны, обеспечивает равномерное уменьшение трения, а, с другой стороны, обладает подходящей сжимаемостью.

Можно также предусмотреть на внутренней стороне капилляра и/или на наружной стороне волокна жидкие или же порошкообразные антифрикционные средства 7. В случае использования масла в качестве антифрикционного средства 7 можно, например, при помещении волокна в капилляр 6 пролить через него масло, так что остаются подходящие слои (масляные пленки). В случае слоеобразных антифрикционных средств 7 капилляр 6, как правило, не требуется закупоривать.

В случае масел в качестве антифрикционного средства 7 можно использовать самые разные масла, которые в предусмотренном интервале рабочих температур имеют подходящую вязкость. Точно так же возможно использование в качестве антифрикционного средства 7 консистентных смазок. Могут использоваться также различные, преимущественно порошкообразные сухие смазки 7 (антиадгезивы 7), например сульфид молибдена, графит или дисульфид вольфрама. Частицы сухой смазки 7 действуют при этом как крошечные шарикоподшипники. Возможны также новые наносмазки, состоящие из одного или нескольких, нанесенных на волокно молекулярных слоев. Примеры: перфторполиэфир (PFPE), карбоновые нанотрубки (carbon nano tubes, CNT), перфторполиэфир с концевой гидроксильной группой (PFPE-OH). В случае сухих смазок 7 капилляр 6 может иногда оставаться незакупоренным, и, как правило, можно отказаться также от трубчатой насадки 11, поскольку многие клеи 10 достаточно сцепляются с сухими смазками 7, так что клей может быть помещен непосредственно в капилляр 6.

На фиг.5 схематично изображена сенсорная головка 2, которая образует катушку в форме ипподрома с одним витком. Сенсорная головка расположена вокруг шести ведущих шинопроводов, вместе измеряющих постоянный ток I. За счет возможности гибкого расположения сенсорной головки 2, согласно изобретению, можно реализовать самые разные геометрические формы катушек, так что сенсорная головка 2 выполнена очень варьируемой и с возможностью приспосабливания к самым разным задачам измерений.

Для монтажа сенсорной головки 2, согласно изобретению, ее располагают так, чтобы она охватывала проводник L, ток I которой должен быть измерен, или располагают в зоне измеряемого магнитного поля. Для этого сенсорная головка 2 может быть гибко деформирована, согнута. Поэтому сенсорную головку 2, предпочтительно, не подвергают термообработке, по меньшей мере, при ее температуре стеклования. Во избежание зависимых от температуры явлений за счет защитной оболочки волокна, по меньшей мере, сенсорное волокно 3 освобождено от ее защитной оболочки. За счет сгибания сенсорной головки 2 и, в частности, сенсорного волокна 3 при транспортировке и/или монтаже возникают силы взаимодействия между волокном и стенкой капилляра. Поэтому, если волокно сцепляется с капилляром 6, то это вызывает двойное (луче)преломление в волокне, которое изменяет в возмущающей массе состояние поляризации проходящего в волокне света. Такие нарушения могут возникнуть также при изменениях температуры.

Числовой пример того, как при сгибании капилляра вследствие растяжения или сжатия стенок капилляра механические усилия могут передаваться на волокно:

Внутренний диаметр капилляра 0,53 мм. Капилляр 6 сгибают из растянутого состояния в круговую форму. Лежащая снаружи стенка капилляра тогда растягивается на каждый виток на величину π×0,53 мм =1,66 мм; обращенная к центру окружности стенка капилляра сжимается на ту же величину. При диаметре окружности (диаметр катушки), например, 0,7 м относительное растяжение составляет, таким образом, 1,66 мм/(π×700 мм)=0,76×10^-3. У волокна диаметром 80 мкм (типично при применении в датчике тока) это соответствует растягивающему напряжению в осевом направлении 0,27 Н. Поскольку это усилие воздействует на волокно асимметрично (на поверхность касания между волокном и капилляром), в волокне возникает асимметричное поле напряжений и связанное с этим нежелательное двойное лучепреломление.

Возможность монтажа сенсорной головки 2 улучшена за счет ее сгибаемости, поскольку катушка должна быть приведена в окончательную форму только при монтаже, а число витков и габариты и геометрическая форма катушки могут быть приспособлены к внешним условиям и должны быть установлены только после изготовления сенсорной головки, в частности, поскольку разъединение проводника L для монтажа не требуется. Кроме того, калибровка датчика 1 (или сенсорной катушки 2) не должна изменяться в результате монтажа и транспортировки. Достигаемая точность измерения составляет 0,1-0,2% в интервале температур обычно от 0 до 60°С или от -40 до 85°С.

На фиг.6 изображен нормированный сигнал S_N датчика 1 тока, согласно изобретению, с отражающей катушкой по фиг.4 как функция температуры Т катушки 0-50°С. Сенсорная катушка имеет два витка диаметром около 80 см. Температурная зависимость закона Фарадея (т.е. температурная зависимость постоянной Верде сенсорного волокна 3) компенсирована способом, описанным в ЕР 1115000. Нормированный сигнал S_N в пределах ±0,1% независим от температуры, а это говорит о том, что способом, согласно изобретению, надежно подавляются названные возмущающие явления, объясняемые взаимодействием между волокном и внутренней стенкой капилляра. Обеспечиваются, следовательно, весьма температурно-стабильные измерения.

Типичные диаметры волокна составляют около 80 мкм, а диаметры капилляра - около 320 мкм или 530 мкм при толщине стенок капилляра около 50 мкм.

В одном капилляре 6 могут быть расположены также несколько волокон, в частности несколько сенсорных волокон 3. Подводящие волокна 5 могут быть расположены в комплекте также вне капилляра 6. Можно также расположить элемент или элементы фазовой задержки не в капилляре.

По сравнению с термообработанными сенсорными волокнами 3, описанными, например, в ЕР 0856737 А1, сенсорные головки, согласно изобретению, обладают тем преимуществом, что их можно изготавливать и манипулировать ими без больших затрат даже в случае больших катушек. Для термообработки катушек диаметром один метр и более потребовалась бы непрактично большая печь, а транспортировка такой большой катушки очень сложна.

В качестве антифрикционного средства 7 могут рассматриваться также другие масла, такие как моторные или гидравлические масла, или консистентные смазки.

Само собой, сенсорная головка 2, согласно изобретению, может использоваться не только с описанными выше датчиками с поляризуемыми подводящими волокнами 5 и элементами 4 фазовой задержки. В качестве примера других возможных типов датчиков, которые могут содержать предпочтительно сенсорную головку 2, согласно изобретению, следует назвать здесь датчики на основе явления Саньяка с 3×3-копплером, как они описаны, например, в J.H.Haywood et al. „Application on the NIMI Technique to the 3×3 Sagnac Fiber Current Sensor - Experimental Results", 15th Optical Fiber Sensors Conference, Portland, 6-10 May 2002, Portland, OR, USA, Technical Digest, стр.553-556 или в К.В.Rochford et al. "Polarization dependence of response functions in 3×3 Sagnac optical fiber current sensors", J. Lightwave Technology 12, 1994, стр.1504-1509. В публикации J.H.Haywood et al. Волокно с высоким двойным лучепреломлением названо сенсорным волокном 3, которое, однако, может быть заменено волокном с низким двойным лучепреломлением с сердечником круглого сечения. В публикации К.В.Rochford et al. приведено термообработанное сенсорное волокно 3, которое, однако, может быть заменено также не подвергнутым термообработке волокном. В качестве подводящих волокон 5 у датчиков на основе явления Саньяка с 3×3-копплерами могут использоваться неполяризуемые волокна (преимущественно с сердечником круглого сечения). Здесь не требуется, чтобы сенсорная головка 2 содержала элемент 4 фазовой задержки.

В качестве другого примера возможных типов датчиков, которые предпочтительно могут содержать сенсорную головку 2, согласно изобретению, следует назвать еще поляриметрические датчики, описанные, например, в А.Рарр, H.Harms „Magneto-optical current transformer. 1: Principles", Applied Optics, 19, 1980, стр.3729-3734 или в A.J.Rogers et al. "Vibration immunity for optical fiber current measurement" in 10th Optical Fiber Sensors Conference, Glasgow, 11-13 October, 1994, В.Culshaw, J.Jones Editors, Proceedings SPIE 2360, 1994, стр.40-44. У поляриметрического датчика на обоих концах сенсорного волокна расположено по одному поляризатору, причем поляризаторы при исчезающем магнитном поле ориентированы по отношению друг к другу под 45°. Обычно между сенсорным волокном 3 и каждым из двух подводящих волокон 5, 5′ расположено по одному поляризатору. Подводящие волокна содержат сердечник предпочтительно круглого сечения. В случае датчика, описанного в публикации А.Рарр и H.Harms, сенсорное волокно является одновременно и подводящим волокном.

Перечень ссылочных позиций

1 - датчик тока

2 - сенсорная головка

3 - сенсорное волокно

4 - элемент фазовой задержки

5 - подводящее волокно

6 - капилляр

7 - антифрикционное средство, масло

8 - оболочка капилляра

9 - защитный полый кабель волокна

10 - закупоривающее средство, клей

11 - трубчатая насадка

11а -первая часть трубчатой насадки

11b - вторая часть трубчатой насадки

12 - газ, воздух

13 - оптоэлектронный модуль

14 - источник света, лазер, сверхлюминесцентный диод

15 - деполяризатор

16 - волоконный копплер

17 - фазовый модулятор

18 - детектор, фотодиод

19 - сигнальная линия

20 - сигнальный процессор

21 - управляющая линия

22 - 0°-сплайс или штепсельный разъем

23 - 90°-сплайс

24 - зеркало, зеркальный конец

25 - поляризуемый волоконный копплер

26 - защитная оболочка волокна подводящего кабеля

27 - концевой затвор защитного полого кабеля

I - электрический ток

L - проводник, шинопровод

N - число витков сенсорной катушки

S_N - нормированный сигнал

Т - температура

Изобретение относится к области волоконно-оптической сенсорики, в частности к сенсорной головке и датчику тока или магнитного поля. Технический результат заявленного изобретения - создание независимого от температуры измерения тока или магнитного поля с помощью легко монтируемой сенсорной головки, обеспечивающей измерение при больших диаметрах сенсорной катушки, необходимых, например, для измерения токов в проводниках большого сечения. Волоконно-оптическая сенсорная головка (2) для датчика тока или магнитного поля содержит оптическое волокно, которое включает в оптическом соединении магнитооптически активное сенсорное волокно (3) и, по меньшей мере, одно поляризуемое подводящее волокно (5), причем сенсорное волокно (3) освобождено от своей защитной оболочки. Кроме того, сенсорная головка (2) содержит капилляр (6), в котором расположено, по меньшей мере, одно сенсорное волокно (3). Сенсорная головка (2) выполнена далее с возможностью сгибания в зоне сенсорного волокна (3) для уменьшения трения между сенсорным волокном (3) и капилляром (6), в капилляре имеется антифрикционное средство. Антифрикционным средством (7) является масло или сухая смазка. Капилляр окружен оболочкой (8). Сенсорная головка (8) обеспечивает в самой значительной степени независимые от температуры измерения, проста в монтаже и обеспечивает измерения на проводниках большого сечения. 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Волоконно-оптическая сенсорная головка (2) для датчика (1) тока или магнитного поля, содержащая оптическое волокно, которое включает в оптическом соединении магнитооптически активное сенсорное волокно (3) и, по меньшей мере, одно подводящее волокно (5), причем сенсорное волокно (3) освобождено от своей защитной оболочки, и капилляр (6), в котором расположено, по меньшей мере, сенсорное волокно (3), отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью сгибания в зоне сенсорного волокна (3), при этом для уменьшения сил трения между сенсорным волокном (3) и капилляром (6) в последнем имеется антифрикционное средство (7).

2. Головка по п.1, отличающаяся тем, что сенсорное волокно (3) представляет собой волокно, не подвергнутое термообработке, по меньшей мере, при температуре размягчения материала сенсорного волокна.

3. Головка по п.1, отличающаяся тем, что сенсорное волокно (3) в смонтированном состоянии имеет радиус кривизны, по меньшей мере, 0,25 м.

4. Головка по п.2, отличающаяся тем, что сенсорное волокно (3) в смонтированном состоянии имеет радиус кривизны, по меньшей мере, 0,25 м.

5. Головка по п.1, отличающаяся тем, что часть, по меньшей мере, одного подводящего волокна (5) расположена в капилляре (6).

6. Головка по п.2, отличающаяся тем, что часть, по меньшей мере, одного подводящего волокна (5) расположена в капилляре (6).

7. Головка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что капилляр (6) и сенсорное волокно (3) состоят, по существу, из кварцевого стекла.

8. Головка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что капилляр (6) окружен оболочкой (8).

9. Головка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что капилляр (6) расположен внутри защитного полого кабеля (9).

10. Головка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что антифрикционное средство (7) представляет собой жидкость, в частности масло, или порошок.

11. Головка по п.7, отличающаяся тем, что антифрикционное средство (7) представляет собой жидкость, в частности масло, или порошок.

12. Головка по п.8, отличающаяся тем, что антифрикционное средство (7) представляет собой жидкость, в частности масло, или порошок.

13. Головка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что капилляр (6) закупорен по своим концам закупоривающим средством (10) и содержит в качестве антифрикционного средства (7) жидкость, а для восприятия обусловленных температурой изменений объема антифрикционного средства (7) - газ (12).

14. Головка по п.7, отличающаяся тем, что капилляр (6) закупорен по своим концам закупоривающим средством (10) и содержит в качестве антифрикционного средства (7) жидкость, а для восприятия обусловленных температурой изменений объема антифрикционного средства (7) - газ (12).

15. Головка по п.9, отличающаяся тем, что капилляр (6) закупорен по своим концам закупоривающим средством (10) и содержит в качестве антифрикционного средства (7) жидкость, а для восприятия обусловленных температурой изменений объема антифрикционного средства (7) - газ (12).

16. Головка по п.10, отличающаяся тем, что капилляр (6) закупорен по своим концам закупоривающим средством (10) и содержит в качестве антифрикционного средства (7) жидкость, а для восприятия обусловленных температурой изменений объема антифрикционного средства (7) - газ (12).

17. Головка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что антифрикционное средство (7) имеет вид тонкого, уменьшающего трение слоя на волокне и/или на внутренней стороне капилляра (6).

18. Головка по п.7, отличающаяся тем, что антифрикционное средство (7) имеет вид тонкого, уменьшающего трение слоя на волокне и/или на внутренней стороне капилляра (6).

19. Головка по п.8, отличающаяся тем, что антифрикционное средство (7) имеет вид тонкого, уменьшающего трение слоя на волокне и/или на внутренней стороне капилляра (6).

20. Головка по п.10, отличающаяся тем, что антифрикционное средство (7) имеет вид тонкого, уменьшающего трение слоя на волокне и/или на внутренней стороне капилляра (6).

21. Головка по пп.1-6, отличающаяся тем, что капилляр (6) закупорен по своим концам клеем (10) в качестве закупоривающего средства (10).

22. Головка по п.13, отличающаяся тем, что капилляр (6) закупорен по своим концам клеем (10) в качестве закупоривающего средства (10).

23. Головка по п.13, отличающаяся тем, что капилляр (6) снабжен на каждом из своих концов трубчатой насадкой (11), причем каждая насадка имеет первую часть (11а), которая на одном конце капилляра (6) охватывает извне капилляр (6) или, при необходимости, его оболочку (8), и вторую часть (11b), которая выдается в осевом направлении за соответствующий конец капилляра (6), причем закупоривающее средство (10) помещено во вторую часть (11b) насадки (11).

24. Головка по п.21, отличающаяся тем, что капилляр (6) снабжен на каждом из своих концов трубчатой насадкой (11), причем каждая насадка имеет первую часть (11а), которая на одном конце капилляра (6) охватывает извне капилляр (6) или, при необходимости, его оболочку (8), и вторую часть (11b), которая выдается в осевом направлении за соответствующий конец капилляра (6), причем закупоривающее средство (10) помещено во вторую часть (11b) насадки (11).

25. Головка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что оптическое волокно содержит, по меньшей мере, один элемент (4) фазовой задержки, который находится в оптическом соединении с сенсорным волокном (3) и, по меньшей мере, одним поляризуемым подводящим волокном (5), причем, по меньшей мере, один элемент (4) фазовой задержки расположен между сенсорным волокном (3) и, по меньшей мере, одним подводящим волокном (5), а, по меньшей мере, одно подводящее волокно (5) является поляризуемым волокном.

26. Головка по п.7, отличающаяся тем, что оптическое волокно содержит, по меньшей мере, один элемент (4) фазовой задержки, который находится в оптическом соединении с сенсорным волокном (3) и, по меньшей мере, одним поляризуемым подводящим волокном (5), причем, по меньшей мере, один элемент (4) фазовой задержки расположен между сенсорным волокном (3) и, по меньшей мере, одним подводящим волокном (5), а, по меньшей мере, одно подводящее волокно (5) является поляризуемым волокном.

27. Головка по п.25, отличающаяся тем, что оптическое волокно (3) содержит два элемента (4,4′) фазовой задержки и два подводящих волокна (5,5′), причем между сенсорным волокном (3) и каждым из двух подводящих волокон (5,5′) расположено по одному элементу (4) фазовой задержки.

28. Датчик (1) тока или магнитного поля, отличающийся тем, что он содержит сенсорную головку по любому из пп.1-27.