ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК С ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЯЮЩИМ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ SPUN-ВОЛОКНОМ Российский патент 2019 года по МПК G01R15/24 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к волоконно-оптическому датчику тока (FOCS), который включает в себя измерительное волокно, которое подвергается магнитному полю тока, подлежащего измерению, как правило использующиеся в применениях высокого напряжения или большой силы тока.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Волоконно-оптические датчики тока основываются на магнитооптическом круговом двулучепреломлении в оптоволокне, которое намотано вокруг проводника тока. Это двулучепреломление проявляется как фазовый сдвиг между состояниями света с левой и правой круговой поляризацией, который накапливается вдоль измерительного волокна. Полный фазовый сдвиг является пропорциональным линейному интегралу магнитного поля, который, в случае замкнутой (или петлеобразной) измерительной волоконной катушки, где два конца измерительного волокна находятся в непосредственной пространственной близости, просто является пропорциональным окруженному току I, умноженному на количество витков волокна N.

Более точно, магнитооптический фазовый сдвиг между состояниями света с левой и правой круговой поляризацией сводится к 4VNI (волоконная катушка, работающая в датчике отражающего типа) или 2VNI (волоконная катушка, работающая в датчике пропускающего типа), где V является постоянной Верде кварцевого волокна. Например, при 1310 нм в волокне из плавленого кварца.

Существуют разные схемы и датчики обнаружения для определения этого фазового сдвига: Простые схемы работают в пределах диапазона < [1, 2, 19], тогда как более сложные схемы с замкнутым контуром часто охватывают диапазон от до [3]. Соответственно, количество витков волокна датчика вокруг проводника тока определяет диапазон измерения датчика в отношении тока, так как большее количество витков увеличивает магнитооптический фазовый сдвиг и, таким образом, отношение сигнала к шуму, но уменьшает максимальный ток, который может измеряться для соответствующего фиксированного диапазона обнаруживаемых фазовых сдвигов. Например, в случае одного витка волокна, максимальный обнаруживаемый ток при 1310 нм соответствует, для максимального обнаруживаемого фазового сдвига, равного (или ), приблизительно 390 кА (или 780 кА) для датчика тока, работающего в режиме отражения. На этот диапазон тока могут дополнительно оказывать влияние нелинейные характеристики датчика при больших магнитооптических фазовых сдвигах.

Измерение больших электрических токов выполняется, например, во время управления технологическим процессом при получении металлов электролизом, а также для защиты против тока повреждения и для измерения электроэнергии с целью расчета оплаты при передаче электроэнергии.

В известных датчиках используются разные типы измерительного волокна. Одним конкретным типом волокна является spun-волокно (крученое волокно) с высоким двулучепреломлением, которое производится посредством вращения заготовки для вытягивания волокна в случае линейного двулучепреломляющего волокна во время процесса волочения. Соответственно, главные оси локального линейного двулучепреломления вращаются вдоль волокна, что приводит к эллиптическому двулучепреломлению волокна и обеспечивает состояниям с почти круговой поляризацией большую устойчивость к упругооптической связи и, следовательно, к возмущающим внешним источникам механического напряжения, но все еще поддерживает в широком диапазоне параметров достаточную чувствительность к магнитному полю тока. Таким образом, использование spun-волокна с высоким двулучепреломлением в качестве измерительного волокна обеспечивает возможность упрощенного упаковывания по сравнению измерительным волокном без двулучепреломления или с низким двулучепреломлением. Spun-волокно с высоким двулучепреломлением описывается посредством локального линейного двулучепреломления, например, выраженного посредством линейной длины биений , которая является участком длины эквивалентного не-spun-волокна (некрученого волокна) с высоким двулучепреломлением, которое формирует двулучепреломляющий фазовый сдвиг, равный , и шага кручения , который является длиной участка spun-волокна с высоким двулучепреломлением, обеспечивающего полный оборот главных осей локального линейного двулучепреломления в spun-волокне с высоким двулучепреломлением. В качестве компромиссного соотношения между хорошей устойчивостью и чувствительностью к большой силе тока, эти параметры часто выбираются таким образом, чтобы отношение кручения x было больше, чем единица:

Вследствие изменения двулучепреломления волокна с температурой, сигнал как функция температуры волоконно-оптического датчика тока, использующего spun-волокно с высоким двулучепреломлением, может демонстрировать колебательное поведение. Это является нежелательным, так как это ограничивает точность датчика. Хорошо известно, что эти нестабильности могут в достаточной степени подавляться посредством использования широкополосного источника света (центральная длина волны , полная спектральная ширина на уровне половинной амплитуды (FWHM) ) и измерительного волокна достаточной длины L [4]. В случае волоконно-оптического датчика тока, работающего в режиме отражения, длина L измерительного волокна предпочтительно удовлетворяет следующему требованию:

,

где

для , см., например, [4, 5]. Обычными значениями являются, например, =10 мм, p=5 мм, =1310 нм, и =40 нм, так что >1.3 м. Для датчика тока, работающего в режиме пропускания, вышеупомянутое выражение становится

.

Очевидно, в обоих случаях, это правило проектирования некоторой минимальной длины волокна увеличивает диаметр измерительной катушки, если необходимо обнаруживать большие электрические токи, так как допускается только малое количество витков измерительной катушки, чтобы оставаться в пределах диапазона обнаруживаемых магнитооптических фазовых сдвигов (например, в пределах < или <), соответственно.

Поэтому в качестве задачи изобретения рассматривается обеспечение оптических датчиков вышеупомянутого типа, таких как волоконно-оптические датчики тока (FOCS), которые уменьшают неблагоприятные эффекты напряжения в волокне и упрощают монтаж измерительной волоконной катушки, предотвращая уменьшение точности датчика вследствие обычных характеристик spun-волокна с высоким двулучепреломлением (колебательной компоненты в сигнале датчика при изменении температуры) и, в частности, обеспечивая поддержание высокого максимального обнаруживаемого тока для заданной минимальной длины измерительного spun-волокна с высоким двулучепреломлением.

Известно некоторое количество специальных волоконных измерительных систем для волоконно-оптических датчиков тока не относящиеся к датчикам, которые направлены на вышеупомянутую задачу, как, например:

- Устройства для волоконно-оптических датчиков тока на основе интерферометра Саньяка со встречными волнами в волокне датчика, содержащие измерительную волоконную катушку и, чтобы уменьшать чувствительность к колебаниям, волоконную катушку со встречной намоткой [6, 7, 8, 18]. В качестве примера, указанного в источнике [6], эта форма компенсации требует того же произведения количества встречно намотанных витков или оборотов, умноженного на область, окруженную петлей или катушкой, что и произведение для измеряющей ток петли или катушки, то есть NsAs=-NcAc (где "s" обозначает измерительную катушку и "c" обозначает катушку компенсации). Эта форма компенсации является характерной для интерферометров Саньяка и не обнаруживается в отражающих интерферометрах, которые не склонны к эффекту Саньяка. Следует дополнительно отметить, что, чтобы быть эффективной, катушка компенсации должна быть ориентирована в той же плоскости, что и измерительная катушка. В большинстве вариантов осуществления, катушка компенсации сделана из участка волокна, отделенного посредством оптического замедлителя от измерительной волоконной катушки.

- В [18], варианты осуществления также раскрываются только с частичной компенсацией эффекта Саньяка, то есть вышеупомянутое условие на окруженную область не выполняется.

- Датчик с двумя отражающими волоконными катушками с противоположным направлением намотки волокна [9].

- Датчики тока, содержащие первую измерительную волоконную катушку, окружающую первичный проводник тока, и вторую катушку, окружающую вторичные электрические обмотки, при этом вторичные обмотки являются частью схемы обратной связи с замкнутым контуром для компенсации магнитооптического фазового сдвига первой катушки [10].

- Сенсорные головки с магнитным экранированием промежутка между двумя концами катушки датчика [11].

- Волоконно-оптические датчики тока для измерения суммы или разности электрических токов, переносимых в разных проводниках, содержащие более чем одну измерительную волоконную катушку, отделенные посредством оптических замедлителей и нечувствительного оптоволокна [12].

- Волоконно-оптический датчик тока с двумя волоконными катушками в плоскостях, ортогональных друг к другу, через которые проходит прямой проводник тока, с целью устранять влияние участка волокна с чувствительностью к магнитному полю, которое изменяется вдоль длины участка [13].

- Модуль для контроля кабеля, состоящий из первого и второго волоконно-оптического датчика тока утечки, при этом каждый содержит первую и вторую измеряющую ток катушку с предпочтительно одним и тем же количеством витков волокна с противоположным направлением вращения. Первая и вторая катушка первого датчика концентрируются на первом и втором конце подлежащего контролю кабеля. Первая катушка второго датчика концентрируется на первом конце, в то время как вторая катушка распределена по кабелю [17].

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно первому аспекту изобретения, обеспечивается волоконно-оптический датчик тока, имеющий оптоэлектронную модульную часть для обнаружения магнитооптического фазового сдвига, вызванного в измерительном волокне магнитным полем тока, и сенсорную головку, включающую в себя измерительное волокно, при этом измерительное волокно является spun-волокном с высоким двулучепреломлением, имеющим длину , определенную посредством линейного интеграла вдоль пространственной кривой, описанной измерительным волокном, при этом измерительная длина определяется как для пропускающего оптического датчика (здесь, в частности, пропускающего оптического датчика, использующего совместно-распространяющиеся световые волны) и как для измерительного волокна, которое оканчивается отражателем, и , где , и x является отношением кручения spun-волокна с высоким двулучепреломлением, является отношением центральной длины волны λ к спектральной ширине света в измерительном волокне (12), и является локальным линейным двулучепреломлением spun-волокна с высоким двулучепреломлением, и при этом , где равняется 50 см или меньше и a и b являются двумя наибольшими длинами ребер кубоида минимального размера, окружающего измерительное волокно, и магнитооптический фазовый сдвиг, накопленный в волокне, уменьшается при наличии, по меньшей мере, одного из следующих признаков:

(i) один или более участков измерительного волокна формирующие петли, окружающие ток, но со встречной намоткой по отношению к другим участкам измерительного волокна, формирующим петли, окружающие ток,

(ii) один или более участков измерительного волокна, по меньшей мере, частично магнитно экранированы, и

(iii) один или более участков измерительного волокна формирующие петли, не окружающие ток (то есть проводник тока).

В вариантах осуществления изобретения, сенсорная головка соединена посредством сохраняющего поляризацию волокна с оптоэлектронным модулем.

В вариантах осуществления, датчик не является пропускающим оптическим датчиком, использующим встречные световые волны. В дополнительных вариантах осуществления, измерительное волокно оканчивается отражателем, или датчик является пропускающим оптическим датчиком, использующим совместно-распространяющиеся световые волны.

В вариантах осуществления, измерительное волокно имеет один или более участков, формирующих петли, окружающие ток или которые предназначены для окружения тока или проводника тока, несущего ток.

В вариантах осуществления то, что упомянутые один или более участков измерительного волокна формируют петли, окружающие ток, означает, в частности, что упомянутые один или более участков измерительного волокна формируют петли, которые предназначены для окружения тока или проводника тока, несущего ток; и то, что упомянутые один или более участков измерительного волокна формируют петли, не окружающие ток, означает, в частности, что петли не предназначены для окружения тока или проводника тока, несущего ток.

В другом варианте осуществления количество встречно намотанных петель, окружающих ток, отличается от количества не встречно намотанных петель, окружающих ток.

Таким образом, обеспечивается волоконно-оптический датчик тока, имеющий оптоэлектронную модульную часть для обнаружения оптического фазового сдвига, вызванного магнитным полем в измерительном волокне, при этом этот модуль может включать в себя, например, источник света, средство поляризации и активную или пассивную систему обнаружения фазового сдвига, сенсорную головку, включающую в себя измерительное волокно, соединенное посредством сохраняющего поляризацию волокна с оптоэлектронным модулем, при этом измерительное волокно является spun-волокном с высоким двулучепреломлением, имеющим геометрическую длину, определенную посредством линейного интеграла вдоль пространственной кривой, заданной посредством измерительной волоконной катушки, и эффективное количество витков волокна N_eff, при этом эффективная длина L_eff волокна ассоциирована с этим эффективным количеством витков волокна для заданных размеров волоконной катушки, где L_eff<L, так что геометрическая длина измерительного волокна является достаточно длинной, чтобы подавлять нестабильности сигнала вследствие spun-характера волокна, в то время как эффективное количество витков волокна является достаточно низким, чтобы достигать достаточно высокий максимальный обнаруживаемый ток.

Магнитооптический фазовый сдвиг, который пропорционален измеряемому току, уменьшается при наличии одного или более участков измерительного волокна, формирующих петли, не окружающие ток, подлежащий измерению, или при наличии одного или более участков измерительного волокна, формирующих петли, окружающие ток, подлежащий измерению, в противоположном направлении по сравнению с оставшимися участками (участком), окружающими ток, подлежащий измерению, или при наличии одного или более участков измерительного волокна, которые магнитно экранированы, или комбинации двух или более из этих уменьшающих чувствительность элементов. Следует отметить, что петли или катушки могут быть простыми укладками в случаях, когда измерительное волокно не намотано вокруг проводника тока. Однако в одном предпочтительном варианте осуществления этого изобретения оба конца измерительного волокна находятся в непосредственной пространственной близости, в частности ближе чем 10 мм или даже ближе чем 5 мм. В дополнение или в качестве альтернативы в случае магнитно-экранированных участков измерительного волокна, неэкранированный конец измерительного волокна находится в непосредственной пространственной близости с началом магнитно-экранированного участка измерительного волокна.

Участок измерительного волокна определяется как экранированный от тока, когда влияние тока или магнитного поля, подлежащего измерению, уменьшается в местоположении этого участка, например, посредством заключения участка измерительного волокна внутри магнитно-экранирующего материала.

Как упомянуто во введении, дополнительные петли измерительного волокна до сих пор использовались только для датчиков интерферометров типа Саньяка (см. источники [6, 7, 8]), где в оптический путь введены дополнительные петли волоконной катушки со встречной намоткой с условием NsAs=-NcAc, чтобы компенсировать колебания.

В одном варианте изобретения, датчик имеет эффективное количество витков , удовлетворяющее условию

где является линейным интегралом вектора магнитного поля H вдоль пространственной кривой (определенной посредством векторных элементов пространственной кривой ds) измерительной волоконной катушки (имеющей геометрическую длину L), I является током, подлежащим измерению, и |I| является абсолютным значением тока, подлежащего измерению,

,

где a и b являются двумя наибольшими длинами ребер кубоида минимального размера, окружающего измерительную волоконную катушку, является длиной, характеризующей доступный объем для сенсорной головки, и является числовым коэффициентом, в частности, C=1, 0.9, 0.8, 0.5, или 0.3.

Вышеупомянутые аспекты наилучшим образом применяются в случаях, в которых объем, доступный сенсорной головке, является ограниченным. Следовательно, является предпочтительным ограничивать максимальную длину посредством 50 см или даже 30 см, обеспечивая возможность конструкции компактных сенсорных головок.

Длина волокна датчика L является такой, что

в случае, когда измерительное волокно оканчивается отражателем, или

в случае пропускающего оптического датчика.

В вариантах осуществления, длина L волокна датчика является такой, что

в случае, когда измерительное волокно оканчивается отражателем, или

в случае пропускающего оптического датчика.

В особенно предпочтительном варианте этого варианта осуществления, нижний предел длины L выбирается таким образом, чтобы ожидаемые амплитуды K (термических) нестабильностей сигнала в измерительном волокне, определенные в соответствии с

для отражающей конфигурации или в соответствии с

для датчика, работающего в режиме пропускания,

где K ниже 0.5% или даже ниже 0.1% среднего сигнала, и где x является отношением кручения и находится в диапазоне от 1 до 20, или, в частности, от 2 до 10.

Является дополнительно предпочтительным, чтобы эффективное количество витков было малым положительным целым числом, в частности, =1 или =2.

Следует понимать, что участок измерительного волокна с длиной L является предпочтительно одиночной непрерываемой частью волокна. Является, в частности, предпочтительным, чтобы шаг p кручения или периодичность измерительного волокна был постоянным вдоль длины L, и/или чтобы свойства измерительного волокна были однородными вдоль длины L. Таким образом, в этом варианте осуществления изобретения, исключаются измерительные волокна, в которых участок волокна, имеющий длину L, сделан из двух или более разных участков волокна, сращенных ли вместе или прерываемых участками волокон разного типа или дополнительными оптическими элементами, такими как замедлители.

Элементы, которые упомянуты выше, являются предпочтительно интегрированными в датчик отражающего типа, то есть, где измерительное волокно оканчивается отражателем.

Однако элементы также могут использоваться для датчика пропускающего типа, в частности, пропускающих оптических датчиков, использующих совместно-распространяющиеся световые волны.

Магнитный экран предпочтительно сделан из магнитно-мягких материалов, таких как железоникелевые сплавы (например, Ni₈₀Fe₂₀), железокобальтовые сплавы, и аморфные магнитные сплавы.

Элементы, как описаны выше, могут быть интегрированы в датчик с системой обнаружения фазы, включающей в себя активный фазовый модулятор или пассивный оптический элемент для введения фазового смещения между волновыми модами. Такие системы обнаружения фазы являются известными сами по себе.

Вышеупомянутые и другие аспекты настоящего изобретения вместе с дополнительными предпочтительными вариантами осуществления и применениями изобретения описываются в дополнительных подробностях в последующем описании и фигурах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Фиг. 1A является схематической диаграммой известных компонентов волоконно-оптического датчика тока;

Фиг. 1B и 1C иллюстрируют модификации для датчика из фиг. 1A в соответствии с примерами изобретения с неэффективными петлями;

Фиг. 2A и 2B иллюстрируют примеры дополнительных вариантов изобретения с петлями отрицательных вкладов в сигнал датчика; и

Фиг. 3A и 3B иллюстрируют примеры дополнительных вариантов изобретения с магнитным экранированием.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Варианты осуществления волоконно-оптических датчиков тока, использующих компоновки измерительного волокна, раскрытые в последующем, содержат широкополосный источник света, такой как сверхлюминесцентный диод, светоизлучающий диод, или волоконный источник света, блок обработки сигналов, содержащий один или более фотодетекторов и дополнительные оптические элементы для обнаружения магнитооптического фазового сдвига, вызванного в измерительном волокне. Эти оптические элементы могут содержать электрооптический модулятор в случае интерферометрических датчиков тока [3] или только пассивные оптические элементы, такие как замедлители, поляризаторы, и фарадеевские вращатели в случае более простых поляриметрических схем обнаружения [1, 2].

Обычно, зондирующий свет передается в сенсорную головку через участок сохраняющего поляризацию (PM) волокна. Во многих конфигурациях датчика, суперпозиция ортогональных световых волн с линейной поляризацией направляется посредством этого PM волокна и преобразуется в световые волны с левой и правой круговой поляризацией или с близкой к левой и правой круговой поляризацией посредством замедлителя на входе в измерительное волокно. Световые волны с левой и правой круговой поляризацией получают дифференциальный магнитооптический фазовый сдвиг в измерительном волокне. Отражатель на дальнем конце измерительного волокна отражает входящие световые волны, что меняет их спиральность, так что магнитооптические фазовые сдвиги дополнительно накапливаются на обратном пути. Замедлитель на входе измерительного волокна преобразует возвращающиеся световые волны назад в линейные (или близкие к линейным) поляризации света.

Так как поляризации света меняются на обратном пути, линейный двулучепреломляющий фазовый сдвиг в PM волокне компенсируется на обратном пути и разность фаз возвращающихся световых волн задается только посредством магнитооптического фазового сдвига.

Другие варианты осуществления датчиков тока полагаются на когерентную суперпозицию лево и право циркулярных световых волн в измерительном волокне, то есть, света с линейной или близкой к линейной поляризацией. В этом случае, PM волокно передает световые волны только одной линейной поляризации света в измерительное волокно. Магнитооптический фазовый сдвиг дает результатом здесь вращение линейной поляризации света. Здесь, замедлитель между измерительным волокном и PM волокном не необходимо используется.

В последующем, описываются варианты осуществления раскрытого изобретения для сенсорных головок, используемых в волоконно-оптических датчиках тока, как описано выше, состоящих из проводника PM волокна, необязательного замедлителя, и измерительного spun-волокна, оканчивающегося отражателем. Раскрытое изобретение может непосредственно применяться к дополнительным вариантам осуществления волоконно-оптических датчиков тока, использующих сенсорные головки, работающие в режиме отражения или в режиме пропускания, таких как волоконно-оптические датчики тока на основе интерферометра Саньяка [3], датчики тока, использующие ответвитель 3×3 [14], или простые поляриметрические датчики тока, работающие в режиме пропускания [15].

Таким образом, на фиг. 1A показан пример конфигурации оптического датчика тока, использующего схему обнаружения сигналов с невзаимной фазовой модуляцией. Для дополнительных подробностей и возможных модификаций известных элементов из фиг. 1A ссылка может делаться на [3].

В конструкции волоконно-оптического датчика тока с невзаимной фазовой модуляцией, как показано на фиг. 1A, свет вводится, предпочтительно от низко когерентного источника 1 света, такого как сверхлюминесцентный диод, после прохождения через оптоволокно, волоконный ответвитель 101 и начальный волоконно-оптический поляризатор 2, который приводит излученный свет в одиночное состояние линейной поляризации, вводимое при соединении 3 волокон под 45° в оба ортогональные состояния поляризации PM волокна 11, которые в свою очередь проецируются на циркулярные или близкие к циркулярным состояниям света в измерительном волокне 12 посредством волоконно-оптического замедлителя 14. Упомянутые два состояния света в измерительном волокне получают магнитооптическую фазовую задержку вследствие приложенного электрического тока (эффект Фарадея). Фазовая задержка обнаруживается посредством схемы обнаружения с замкнутым контуром, которая включает в себя оптический фазовый модулятор 4 и детектор 5, соединенный с оптическим путем с волоконным ответвителем 101. Оптический фазовый модулятор 4 и детектор 5 также электрически соединены через сигнальный процессор 6 для обнаружения с замкнутым контуром. Альтернативно, может использоваться схема обнаружения с открытым контуром.

Следует понимать, что в этих, как и в последующих примерах упоминаемые компоненты, могут заменяться на компоненты с идентичными или аналогичными функциональными возможностями. Например, упомянутый источник света может заменяться на другие типы источников света, такие как светоизлучающие диоды (LED), диоды LED с торцевым излучением, лазеры поверхностного излучения с вертикальным (VCSEL), источники света на легированном волокне, или лазерные диоды. Аналогично, модулятор 4 из фиг. 1A может, например, быть интегрированным оптическим модулятором двулучепреломления, таким как модулятор ниобате лития, или пьезоэлектрический модулятор.

Большинство компонентов датчика за исключением компонентов сенсорной головки 10-1 и частей волокна 11 PM показаны как оптоэлектронная модульная часть 10-2. Оптоэлектронный модуль 10-2 и сенсорная головка 10-1 оптически соединены посредством волокна 11 PM. Сенсорная головка 10-1 включает в себя часть датчика, окружающую проводник 13 тока. Дифференциальная магнитооптическая фаза между состояниями круговой поляризации для одиночного прохода через измерительное волокно вычисляется согласно

,

где V является постоянной Верде измерительного материала и H является компонентой магнитного поля, параллельной бесконечно малому участку волокна ds (и интеграл берется по длине L измерительного волокна). В случае замкнутого линейного интеграла, то есть, если измерительное волокно описывает замкнутую петлю, интеграл магнитного поля соответствует согласно уравнениям Максвелла окруженному электрическому току, то есть, в случае волоконно-оптического датчика тока, работающего в режиме пропускания, со световыми волнами, совместно-распространяющимися только в одном направлении, или в случае сравнительной конструкции основанного на интерферометре Саньяка датчика тока со встречными световыми волнами

ϕ=2NVI

(где N является количеством витков волокна), или в случае отражающего датчика тока, где свет распространяется дважды вдоль магнитного поля:

ϕ=4NVI.

К сенсорной головке добавляются неэффективные или менее эффективные участки измерительного волокна для увеличения длины измерительного волокна при удержании граничных условий ограниченного пространства и требуемого максимального обнаруживаемого тока, что в свою очередь дает результатом допустимое максимальное количество эффективных витков волокна. В математических терминах, количество эффективных витков волокна определяется как , где путь интегрирования проходит вдоль измерительного волокна L. Эффективная длина L_eff следует из и диаметра измерительной волоконной петли. Неэффективные или менее эффективные участки измерительного волокна, как раскрыто в последующих абзацах, располагаются таким способом, что они не вносят вклад или вносят меньший вклад в магнитооптический фазовый сдвиг, даже хотя они могут находиться в непосредственной пространственной близости к измеряемому электрическому току I. В частности, эффективное количество Neff витков волокна меньше, чем

Здесь, является числовым коэффициентом, в частности, C=1, 0.9, 0.8, 0.5, 0.3. Дополнительно,

,

где a и b являются двумя наибольшими длинами ребер кубоида минимального размера, окружающего измерительную волоконную катушку, является длиной, характеризующей доступный объем для сенсорной головки. Величины a и b указаны на соответствующих фигурах, где уместно. Отметим, что в случае простой круговой компоновки измерительного волокна из предшествующего уровня техники, D является диаметром измерительной волоконной катушки. Соответственно, этот аспект изобретения обеспечивает катушки волоконно-оптического датчика тока с заданным количеством эффективных витков волокна, которые имеют более длинное измерительное волокно, чем стандартные круговые катушки датчика предшествующего уровня техники с таким же размером и количество витков волокна, соответствующее эффективному количеству витков волокна в соответствии с этим аспектом изобретения.

Измерение электричества при передаче энергии высокого напряжения часто требует точность датчика в пределах ±0.2%. Упомянутые колебания сигнала, происходящие из spun-волокна с высоким двулучепреломлением, тогда должны быть значительно меньше, чем ±0.2%. Например, <±0.05%. С использованием источников [4, 5, 16] в качестве основы, можно вывести, что амплитуда нестабильностей сигнала, описанных в разделе предшествующего уровня техники, задаются для отражающего датчика посредством

В случае датчика, работающего в режиме пропускания, это выражение становится:

Предполагая, что параметры волокна являются такими, как указаны в разделе предшествующего уровня техники выше, длина L волокна должна тогда быть более длинной чем 1625 мм. Если дополнительно предполагать, что должны обнаруживаться токи вплоть до 150 кА (например, сверхтоки в случае неисправностей), максимальный диаметр измерительной катушки вследствие ограниченного пространства, равного 150 мм, диапазона обнаруживаемых магнитооптических фазовых сдвигов между -π/2 и +π/2, длины волны работы, равной 1310 нм (и соответствующей постоянной Верде), волоконная катушка может иметь только 2 эффективных петли, соответствующих 942 мм волокна, чтобы не превосходить диапазон измерения при максимальном токе.

В последующем, разные варианты осуществления раскрытого изобретения описываются подробно, при этом в описании и в примерах, где уместно, эффективный участок измерительного волокна 12 обозначается посредством ссылочной позиции 12-1, в то время как неэффективный или менее эффективный участок обозначается посредством ссылочной позиции 12-2.

В первом варианте осуществления, нечувствительные витки датчика добавляются к измерительному волокну 12, как показано на фиг. 1B и 1C. Как описано ранее, магнитооптический фазовый сдвиг замкнутой измерительной волоконной петли соответствует окруженному току, и, в частности, магнитооптический фазовый сдвиг в замкнутой измерительной волоконной петле, не окружающей ток, равняется нулю.

Согласно примеру выше, например, три дополнительных нечувствительных витка волокна диаметра 100 мм будут обеспечивать требуемую минимальную длину L волокна и дают результатом требуемую устойчивость сигнала. Следует отметить, что в этом примере произведение области и витков эффективных волоконных петель отличается от такого же произведения неэффективных волоконных петель.

На фиг. 1B и 1C, показаны два примера увеличения длины L измерительного волокна при поддержании максимального обнаруживаемого тока (при заданном максимальном обнаруживаемом магнитооптическом фазовом сдвиге). Эффективное количество витков измерительного волокна определяется только волоконными петлями, окружающими проводник 13 тока.

Чтобы достигать независимости сигнала конкретной геометрии, оба конца измерительного волокна 12 должны быть в непосредственной пространственной близости.

В примере из фиг. 1B, элементы оптоэлектронного модуля 10-2, использующего невзаимную схему обнаружения фазы, являются идентичными элементам, описанным, когда делалась ссылка на фиг. 1A. В сенсорной головке, волоконные петли измерительного волокна 12 расположены в форме цифры 8, при этом петли эффективного участка 12-1 измерительного волокна окружают проводник 13 тока, и петли неэффективного участка 12-2 измерительного волокна исключают проводник 13 тока. Два диаметра петель могут быть одним и тем же или могут выбираться различным образом в зависимости от механических граничных условий в применении датчика, в частности, доступного объема сенсорной головки 10-1, как характеризуется ее поперечным размером.

Как упомянуто, оба конца измерительного волокна находятся в непосредственной пространственной близости друг к другу. Упомянутые два набора петель в виде цифры 8 могут находиться в одиночной плоскости или могут быть расположены под углом друг к другу, например, ортогонально друг к другу.

Другое расположение волокна согласно одному примеру изобретения показано на фиг. 1C. В примере из фиг. 1C оптоэлектронный модуль 10-2 использует схему обнаружения фазы на основе введения статического оптического фазового смещения между двумя частями или модами света, проходящего через измерительное волокно.

В этом примере оптоэлектронный модуль включает в себя интегрированный модуль оптического поляризационного делителя для создания статического оптического фазового сдвига смещения, который в показанном примере основывается на интегрированном оптическом 1×3 модуле 40 деления/комбинирования (SC), формирующем модуль вместе с поляризаторами 41, 45 и замедлителем 44 и пластиной 46 распорки, прикрепленной к нему. Свет от источника 1 света входит в первый из трех портов стороны источника через первый поляризатор 41 (P1), который поляризует свет на входе в SC 40. Предпочтительно, направление поляризации находится под 45° по отношению к нормали плоскости SC. Волноводы внутри SC 40 имеют низкое двулучепреломление, чтобы не изменять состояние поляризации передаваемого света.

На противоположной стороне SC (также упоминаемой как обращенная к катушке сторона) свет вводится в гибкий проводник 11 сохраняющего поляризацию (PM) волокна. Главные оси волокна 11 PM являются параллельными и перпендикулярными к плоскости SC, то есть, под 45° к направлению поляризации P1 поляризатора 41. Как результат обе ортогональные моды поляризации волокна 11 PM возбуждаются с одной и той же амплитудой.

Сенсорная головка работает, как уже описано выше, и SC 40 разделяет возвращающиеся ортогональные световые волны на два оптических канала обнаружения. Пластина 44 четвертьволнового замедлителя (QWR) на обращенной к источнику стороне используется в качестве элемента для ввода статического оптического фазового сдвига смещения, который в этом примере равняется 90° дифференциальной фазовой задержке между ортогональными волнами обоих каналов обнаружения. Главные QWR оси 44 выровнены параллельно осям гибкого проводника 11 PM волокна и под 45° к поляризатору P1 41.

Ортогональные волны первого из каналов детектора интерферируют в поляризаторе 41 (который является в этом примере общим для канала источника света и первого канала детектора). Ортогональные волны второго канала детектора интерферируют во втором поляризаторе 45. Направление поляризации для 45 находится под 90° к направлению поляризации для 41. Интенсивность света в упомянутых двух каналах обнаруживаются посредством фотодетекторов 5-1 и 5-2.

Отметим, что SC 40 не должен располагаться в близости к источнику 1 света и детекторам 5-1 и 5-2, но может располагаться близко к сенсорной головке 10-1 или даже в общем корпусе с сенсорной головкой 10-1.

В примере из фиг. 1C, сенсорная головка 10-1 включает в себя снова петли, формирующие эффективный участок 12-1 измерительного волокна и окружающие проводник 13 тока, и петли, формирующие неэффективный участок 12-2 измерительного волокна, исключающий проводник 13 тока. По сравнению с примером из фиг. 1B, петли расположены как две отдельные катушки.

В примерах из фиг. 1B и 1C длина измерительного волокна была продлена, чтобы быть рядом с или превосходить длину, требуемую для подавления термической нестабильности ниже требуемого предела (см. выше) посредством добавления участков 12-2 измерительного волокна, которые не окружают проводник 13 тока.

Однако неэффективная в отношении Фарадея длина измерительного волокна также может добавляться с использованием участков, которые намотаны вокруг проводника 13 тока. Такие варианты настоящего изобретения являются предпочтительными в случаях, когда доступное пространство внутри сенсорной головки, то есть, пространство вокруг проводника (проводников) тока, обеспечивает только малое пространство для укладывания или намотки волокон в объеме, отделенном от местоположения проводника 13 тока.

В примерах из фиг. 2A и 2B, используется то, что знак обнаруженного фазового сдвига зависит от направления распространения световых волн в измерительном волокне 12 по отношению к направлению магнитного поля и, таким образом, от направления намотки волокна по отношению к направлению тока. Соответственно, в примере из фиг. 2A витки измерительного волокна вокруг проводника 13 включает в себя два набора петель 12-1 и 12-2.

Неэффективный (в отношении Фарадея) участок скомпонован из некоторого количества петель с направлением намотки, таким же как и эффективный участок, и из равного количества витков волокна с противоположным направлением намотки, так что полный магнитооптический фазовый сдвиг уменьшается, так как фазовые сдвиги в этих двух участках аннулируют друг друга.

В других вариантах осуществления изобретения, упомянутые две катушки со встречной намоткой могут располагаться внутри одной и той же плоскости или могут быть сложены в стопы сверху друг друга. В последнем случае, обратная петля является ортогональной к плоскости катушки. В первом размещении, обратная петля может быть либо внутри плоскости, либо ортогональной к плоскости катушки. Требуется, чтобы оба конца волокна датчика были в непосредственной пространственной близости.

С использованием таких же предположений как в предыдущем примере, например, 3 витка волокна диаметра 150 мм в одном направлении вращения и 1 встречно намотанный виток измерительного волокна диаметра 150 мм, могут использоваться, чтобы удовлетворять требования к датчику.

Как проиллюстрировано в примере из фиг. 2B, такой же эффект может достигаться посредством обращения направления проводника 13 тока между двумя наборами петель 12-1, 12-2 при поддержании направления, в котором намотаны петли упомянутых двух участков. В примере из фиг. 2B, используется компоновка измерительного волокна в форме галстука-бабочки, состоящая из трех разных участков. Два внешних участка 12-1, 12-2 измерительного волокна намотаны вокруг проводника 13 перед и после того, как он изгибается с изгибом в 180 градусов, соответственно, но намотаны в одном и том же направлении.

В третьем варианте уменьшение магнитооптического фазового сдвига может достигаться посредством уменьшения магнитного поля, распознаваемого посредством, по меньшей мере, части измерительного волокна. В этом варианте полная длина измерительного волокна 12 может снова быть намотана вокруг проводника 13 (как в примерах из фиг. 2A и 2B), однако, витки для эффективного участка 12-1 и неэффективного участка 12-2 намотаны в одном и том же направлении вокруг проводника 13 тока (с током, текущим в одном и том же направлении).

Эффективное экранирование может достигаться при наличии, по меньшей мере, частей измерительного волокна 12-2, которые магнитно экранированы и, таким образом, вносят меньший вклад или не вносят вклад вовсе в обнаруживаемые магнитооптические фазовые сдвиги, как проиллюстрировано на фиг. 3A и 3B. Это также может достигаться посредством разделения проводника 13 на два или более параллельных участка и намотки измерительного волокна вокруг только одного из участков.

На фиг. 3A пунктирная часть 12-2 измерительного волокна делается нечувствительной для магнитного поля через экран, такой как полый тороид 16, показанный на фиг. 3B, сделанный из экранирующего материала.

Подходящими материалами для экранирования являются ферромагнитные материалы высокой магнитной проницаемости и низкой коэрцитивности, так называемые магнитно-мягкие материалы, такие как железоникелевые сплавы (например, Ni80Fe20), железокобальтовые сплавы, и аморфные магнитные сплавы. Магнитный экран 16 может конструироваться как тороид с входным отверстием 161 для измерительного волокна (как изображено на фиг. 3B) или как трубка. Чтобы достигать достаточно высокого магнитного экранирования конструкция может оптимизироваться посредством вычислений электромагнитных конечных элементов. Неэкранированные петли 12-1 должны формировать замкнутую катушку. В вариантах осуществления, экранированные волоконные петли 12-2 также являются замкнутыми, чтобы гарантировать, что сигналы датчика являются независимыми от геометрии проводника даже в случае низкого магнитного экранирования.

При предположении, как используется в предыдущих примерах выше, требования к датчику могут, например, удовлетворяться посредством 2 неэкранированных и 2 экранированных витков датчика диаметра 150 мм. Умеренный коэффициент экранирования, равный 100, является достаточным. Альтернативно, полностью экранированное измерительное волокно, формирующее четыре витка, может использоваться с экраном с коэффициентом экранирования, равным 2.

Другой аспект или сравнительный пример относится к волоконно-оптическому датчику 10 тока, имеющему оптоэлектронная модульная часть 10-2 для обнаружения магнитооптического фазового сдвига, вызванного в измерительном волокне 12 магнитным полем тока, сенсорную головку 10-1, включающую в себя измерительное волокно 12 и соединенную посредством сохраняющего поляризацию волокна 11 с оптоэлектронным модулем 10-2, при этом измерительное волокно 12 является spun-волокном с высоким двулучепреломлением, имеющим длину , определенную посредством линейного интеграла вдоль пространственной кривой, описанной измерительным волокном, так что

в случае пропускающего оптического датчика, использующего встречные световые волны:

и при этом магнитооптический фазовый сдвиг, накопленный в волокне, уменьшается при наличии, по меньшей мере, одного из

(i) один или более участков 12-2 измерительного волокна формируют петли, окружающие ток, но являющиеся встречно намотанными по отношению к другим участкам 12-1 измерительного волокна, формирующим петли, окружающие ток,

(ii) один или более участков 12-2 измерительного волокна, по меньшей мере, частично магнитно экранированы, и

(iii') один или более участков измерительного волокна формируют петли, не окружающие проводник тока, при этом, когда встречно намотаны по отношению к участкам 12-1 измерительного волокна, формирующим петли, окружающие ток, произведение количества встречно намотанных витков или оборотов, умноженного на область, окруженную петлей или катушкой, не равняется произведению для измеряющих ток петель или катушки,

при этом , и x является отношением кручения spun-волокна с высоким двулучепреломлением, является отношением центральной длины волны λ к спектральной ширине света в измерительном волокне (12), и является локальным линейным двулучепреломлением spun-волокна с высоким двулучепреломлением. Варианты осуществления раскрыты для случаев измерительного волокна, которое оканчивается отражателем, или пропускающего оптического датчика, использующего совместно-распространяющиеся световые волны.

ИСТОЧНИКИ

[1] WO2007/121592A1

[2] F. Briffod et al., "Polarimetric current sensor using in-line Faraday rotator", IEICE Trans. Electron. E83-C, 331 (2000).

[3] K. Bohnert et al., "Temperature and vibration insensitive fiber-optic current sensor", J. Lightw. Technol. 20, 267 (2002).

[4] R. I. Laming and D. N. Payne, "Electric current sensors employing spun highly-birefringent optical fibers", J. Lightw. Technol. 7, 2084 (1989).

[5] J.R. Qian et al., "Spun linear birefringence fibres and their sensing mechanism in current sensors with temperature compensation", IEE Proc.-Optoelectron. 141, 373-380 (1994).

[6] US 6301400 B1.

[7] WO 01/63302 A2.

[8] CN 101930019 A.

[9] CN 102539873 A.

[10] WO 96/10187.

[11] US 7602198 B2.

[12] US 7876448 B2.

[13] CN 203011982 U.

[14] US 6611337 B1.

[15] A. Papp and H. Harms, "Magnetooptical current transformer. 1: Principles", Applied Optics, 19, 3729, 1980.

[16] Barlow et al., "Birefringence and polarization mode-dispersion in spun single-mode fibers", Appl. Opt. 20, 2962 (1981).

[17] DE 42 27 903 C1.

[18] WO 2009/103126 A1.

[19] EP 2 682 765 A1.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 источник света

101 волоконный ответвитель

2 волоконно-оптический поляризатор

3 соединение волокон под 45°

4 оптический фазовый модулятор

40 интегрированный-оптический 1×3 модуль деления/комбинирования (SC)

41, 45 поляризатор

44 фазосдвигающая пластина

46 распорка

5, 5-1, 5-2 детектор

6 сигнальный процессор

10 волоконно-оптический датчик тока

10-1 сенсорная головка

10-2 оптоэлектронный модуль

11 сохраняющее поляризацию волокно

12 измерительное волокно

12-1 измерительное волокно (эффективный участок)

12-2 измерительное волокно (неэффективный участок)

13 проводник

14 оптический замедлитель

15 отражатель

16 магнитный экран

161 входное отверстие

Изобретение относится к волоконно-оптическим датчикам тока. Описан волоконно-оптический датчик тока, имеющий оптоэлектронную модульную часть (10-2) для обнаружения оптического фазового сдвига, вызванного измеряемым полем в измерительном волокне (12), сенсорную головку (10-1), включающую в себя измерительное волокно (12), при этом измерительное волокно (12) является spun-волокном с высоким двулучепреломлением, имеющим длину, определенную посредством линейного интеграла вдоль пространственной кривой, заданной посредством измерительной волоконной катушки, так что длина L измерительного волокна (12) является достаточно длинной, чтобы подавлять термические нестабильности сигнала вследствие spun-характера измерительного волокна (12), в то время как эффективное количество витков волокна является достаточно низким, чтобы поддерживать максимальную чувствительность над полным диапазоном измерения волоконно-оптического датчика (10). Технический результат заключается в уменьшении неблагоприятных эффектов напряжения в волокне и упрощении монтажа измерительной волоконной катушки. 21 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Волоконно-оптический датчик (10) тока, имеющий оптоэлектронную модульную часть (10-2) для обнаружения магнитооптического фазового сдвига, вызванного в измерительном волокне (12) магнитным полем тока, и сенсорную головку (10-1), включающую в себя измерительное волокно (12), при этом измерительное волокно (12) является spun-волокном с высоким двулучепреломлением, имеющим длину , определенную посредством линейного интеграла вдоль пространственной кривой, описанной измерительным волокном,

при этом измерительная длина определяется как для пропускающего оптического датчика и как для измерительного волокна, которое оканчивается отражателем, и

,

где и x является отношением кручения spun-волокна с высоким двулучепреломлением , является отношением центральной длины волны к спектральной ширине света в измерительном волокне (12) и является локальным линейным двулучепреломлением spun-волокна с высоким двулучепреломлением, и

при этом

,

где равняется 50 см или меньше и a и b являются двумя наибольшими длинами ребер кубоида минимального размера, окружающего измерительное волокно (12), отличающийся тем, что

магнитооптический фазовый сдвиг, накопленный в волокне, уменьшается при наличии по меньшей мере одного из следующих признаков:

(i) один или более участков (12-2) измерительного волокна, формирующих петли, окружающие ток, но со встречной намоткой по отношению к другим участкам (12-1) измерительного волокна, формирующим петли, окружающие ток,

(ii) один или более участков (12-2) измерительного волокна, по меньшей мере частично магнитно-экранированных, и

(iii) один или более участков (12-2) измерительного волокна, формирующих петли, не окружающие ток.

2. Датчик по п. 1, в котором сенсорная головка (10-1) соединена посредством сохраняющего поляризацию волокна (11) с оптоэлектронным модулем (10-2).

3. Датчик по любому из предыдущих пунктов, не являющийся пропускающим оптическим датчиком, использующим встречные световые волны.

4. Датчик по любому из предыдущих пунктов с измерительным волокном, которое оканчивается отражателем.

5. Датчик по любому из пп. 1-3, который является пропускающим оптическим датчиком, использующим совместно распространяющиеся световые волны.

6. Датчик по любому из предыдущих пунктов, в котором измерительное волокно имеет один или более участков, формирующих петли, окружающие ток или которые предназначены для окружения тока или проводника тока, несущего ток.

7. Датчик по любому из предыдущих пунктов, в котором упомянутые один или более участков измерительного волокна, формирующих петли, окружающие ток, означает, в частности, что упомянутые один или более участков измерительного волокна формируют петли, которые предназначены для окружения тока или проводника тока, несущего ток; и/или упомянутые один или более участков измерительного волокна, формирующих петли, не окружающие ток, означает, в частности, что упомянутые один или более участков измерительного волокна формируют петли, которые предназначены, чтобы не окружать ток или проводник тока, несущий ток.

8. Датчик по любому из предыдущих пунктов, в котором количество встречно намотанных петель, окружающих ток, отличается от количества невстречно намотанных петель, окружающих ток.

9. Датчик по любому из предыдущих пунктов, имеющий эффективное количество витков с

,

где является линейным интегралом вектора H магнитного поля вдоль пространственной кривой, определенной измерительным волокном, по длине измерительного волокна L, I является током и |I| является абсолютным значением тока, подлежащего измерению,

и C является числовым коэффициентом, где

10. Датчик по любому из предыдущих пунктов, в котором оба конца измерительного волокна (12) находятся в непосредственной пространственной близости, в частности ближе чем 10 мм или даже ближе чем 5 мм, друг к другу.

11. Датчик по любому из предыдущих пунктов, в котором в случае магнитно-экранированного участка измерительного волокна неэкранированный конец измерительного волокна (12) находится в непосредственной пространственной близости, в частности ближе чем 10 мм или даже ближе чем 5 мм, к началу магнитно-экранированного участка измерительного волокна.

12. Датчик по любому из предыдущих пунктов, в котором длина L измерительного волокна (12) является такой, что ожидаемые амплитуды K нестабильностей сигнала датчика, определенные в соответствии с

для отражающей конфигурации датчика или в соответствии с

для конфигурации датчика, работающей в режиме пропускания,

где K ниже 0.5% или даже ниже 0.1% среднего сигнала и где отношение кручения x находится в диапазоне от 1 до 20 или в частности, в диапазоне от 2 до 10.

13. Датчик по любому из предыдущих пунктов, имеющий целое число в качестве эффективного количества витков

,

где является линейным интегралом вектора H магнитного поля вдоль пространственной кривой, определенной измерительным волокном, I является током, подлежащим измерению, и |I| является абсолютным значением тока, подлежащим измерению, в частности N_eff равняется 1 или 2.

14. Датчик по любому из предыдущих пунктов, в котором шаг (p) кручения измерительного волокна (12) является постоянным вдоль длины L измерительного волокна.

15. Датчик по любому из предыдущих пунктов, в частности по п. 14, в котором свойства измерительного волокна являются однородными вдоль длины L измерительного волокна.

16. Датчик по любому из предыдущих пунктов, в котором шаг (p) кручения находится между 1 мм и 20 мм, в частности между 2 мм и 10 мм.

17. Датчик по любому из предыдущих пунктов, в котором отношение (x) кручения находится между 1 и 20, в частности между 2 и 10.

18. Датчик по любому из предыдущих пунктов, в котором D_max равняется 30 см или меньше.

19. Датчик по любому из предыдущих пунктов, в котором магнитный экран (16) для экранирования участков измерительного волокна (12-2) сделан из магнитно-мягких материалов, в частности, выбранных из группы, состоящей из: железоникелевых сплавов (например, Ni₈₀Fe₂₀), железокобальтовых сплавов и аморфных магнитных сплавов.

20. Датчик по любому из предыдущих пунктов, в котором обнаружение фазы включает в себя активный фазовый модулятор (4).

21. Датчик по любому из пп. 1-19, в котором обнаружение фазы включает в себя пассивные оптические элементы (40, 41, 44, 45) для введения фазового смещения между интерферирующими световыми волнами.

22. Датчик по любому из предыдущих пунктов,

в котором является линейной длиной биений, которая является участком длины эквивалентного не-spun-волокна с высоким двулучепреломлением, которое формирует двулучепреломляющий фазовый сдвиг, равный ; и/или

в котором отношение кручения x spun-волокна с высоким двулучепреломлением дается посредством , где L_LB является линейной длиной биений, которая является длиной эквивалентного высоко-двулучепреломляющего не-spun-волокна, которое формирует двулучепреломляющий фазовый сдвиг, равный , и p является шагом кручения, который является длиной участка spun-волокна с высоким двулучепреломлением, который обеспечивает полный оборот главных осей локального линейного двулучепреломления в spun-волокне с высоким двулучепреломлением.