Устройство для бесконтактного измерения электрических токов Советский патент 1984 года по МПК G01R15/24 

Э5

N9

:п

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначег: но для использования в системах электроснабжения с токами повьшенной величины.

Известно устройство для бесконтактного измерения электрических токов, содержащее расположенный вокруг токрпровода с измеряемым током кольцевой газовый лазер с квазиизотропным резонатором, в который поме щен модулятор лазерного излучения, генератор сигналов на частоте межмодовых биений, выход которого соединен с управляющим входом модулятора, анализатор, установленный на выходе лазера, фотоприемник, вход которого оптически подключен к выходу анализатора, а. выход электрически соединен с входом блока регистрации. Принцип действия, этого устройства основан на расщеплении частоты гене.-рацииГ кольцевого лазера под действием магнитного поля измеряемого тока. Частота биенийортогонально поля ризованных волн оказывается пропорциональной величине измеряемого тока. При помощи модулятора осуществляется синхронизация продольных мод лазера, обеспечивающая расширенный диапазон измерения Q .

Недостаток известного устройства заключается в значительной зоне захвата частот ортогонально поляризованных волн при мальпс значениях измеряемого тока (в случае измерения частоты биений однонаправленных волн кольцевого лазера).. .

Подобный захват не позволяет измерять переменные и импульсные токи с точностью выще , Кроме того, устройство имеет частотную невзаимность между встречными волнами (в ; случае измерения частоты биений встречных волн кольцевого лазера), величина которой определяется геометрией резонатора и меняется независимо от измеряемого тока. В результате возникает существенная погрешность измерения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для бесконтактного измерения электрических токов, содержащее расположенный вокруг токопровода с измеряемым током кольцевой газовый лазер с квазиизотропным резонатором, в который помещена отражающая пластина с единичным, в частном случае, коэффициентом отражения и нормалью,, совмещенной с направлением распространения света в резонаторе, анализатор, установленный на вьосоде лаЗера, фотоприемник, вход которого оптически подключен к выходу анализатора а выход- электрически соединен с входом блока регистрации. Принцип измерения, реализуемый указанным устройсвом, также основан на эффекте расщепления частоты генерации в кольцевом лазере, расположенном в продольном магнитном поле измеряемого тока.

Недостаток известного устройства заключается в большой зоне захвата частот ортогонально поляризованных волн за счет их взаимодействия в активной среде (например, в лазере, работающем на длине волны 3,39 мкм,зона захвата составляет около 1,5 кА при верхнем пределе измерения 6кА). Это не позволяет измерять переменные и импульсные токи с достаточной точностью. Кроме того, устройство рабо|тает в одномодовом режиме, что (Обусловливает наличие зависимости частоты биений от длины резонатора, ограничивает верхний предел диапазона измерения током 6-10 кА из-за расщепления компонент линии усиления более чем на ширину самой линии.

Цель изобретения - повышение точности подобного измерительного устройства и расширение его диапазона измерения.

Поставленная цель достигается тем что устройство для бесконтактного измерения электрических токов, содержащее расположенный вокруг токопровода с измеряемым током кольцевой газовый лазер с квазиизотропным резонатором, в который помещена отражающая пластина с единичным коэффициентом отражения и нормалью, совмещенной с направлением распространения света в резонаторе, анализатор, установленный на выходе лазера, фотоприемник, вход которого оптически подключен к выходу анализатора, а выход электрически соединен с входом блока регистрации, снабжено генератором сигналов на частоте межмодовых биений, а в резонатор лазера дополнительно введены ;модулятор: лазерного излучения и две четвертьволновые пластины с взаимно перпендикулярным расположением осей, причем модулятор удален от отражающей пластины на расстояние, равное половине длины резонатора, и размещен между четверт волновыми пластинами, оси которых составляют с направлениями максималь ной глубины модуляции угол равный 45, а управляющий вход модулятора подключен к выходу упомянутого гене ратора сигналов. .На чертеже представлена оптичес.кая схема предложенного устройства для бесконтактного измерения электри ческих токов. Токопровод 1 с измеряемым током окружен кольцевым газовым Лазером, квазиизотропный резонатор которого состоит из восьми зеркал 2-9.. В плечи резонатора помещены активные усиливающие элементы 10-13 и отражающая пластина 14 с единичным коэффициентом отражения, нормаль которой совмещена с оптической осью резонатора. Кроме того, в резонатор введен модулятор 15, имеющий различную глубину модуляции для ортогональных линейно поляризованных волн. Модулятор 15 помещен между четвертьволновыми плас тинами 16 и 17, расположенными в непосредственной близости от него.Расстояние от модулятора 15 до отражающей пластины 14 соответствует половине длины резонатора. Оси четвертьволновых пластин 16 и 17 составляют с направлениями максимальной глубины модуляции угол равный 45°. Управляющий вход модулятора 13 подключен к выходу генератора 18 сигналов на частоте межмодовых биений. На выходе лазера установлен анализатор 19, оптически связанный с фотоприемником 20, выход которого электрически соединен с входом блока регистрации 21 (частотомером, электронновычислительной машиной и т.п.). Работа устройства происходит еледующим образом. Дпина резонатора выбирается такой чтобы в линию усиления активной среды попадало несколько продольных мод. В лазере возбуждаются волны цир кулярных поляризаций за счет фарадеевского вращения плоскости поляризации излучения в активной среде, помещенной в продольное магнитное поле изйеряемого тока. При подаче напряжения на частоте межмодовых бие ний от генератора 18 на модулятор 15 в лазере осуществляется режим син ронизации продольных мод.Это означает, что внутри резонатора лазера распространяются два импульса, поляризации которых ортогональны.Несущие частоты импульсов различаются на частоту биений ортогонально поляризованных волн, которая пропорциональна измеряемому току в токопроводе 1 . Особенность работы предложенного устройства состоит в том, как импульсы проходят через модулятор 15.Последний имеет различную глубину модуляции для излучения с ортогональныйи линейными поляризациями. В этом случае оба импульса должны проходить через модулятор 15 в момент наименьших потерь. Поскольку модулятор 15 имеет разную глубину модуляции для ортогонально линейно поляризованных волн, то импульсы должны проходить через модулятор в момент наименьших потерь для составляющей модуляции с наибольшей глубиной. Ортогонально циркулярно поляризованные импульсы, проходя через четвертьволновую пластину 16, становятся ортогонально ли- . нейно поляризованными. При этом,если , один из импульсов (например, с правой круговой поляризацией) поступает Нс модулятор 15 и для этого импульса выполняется условие минимума потерь для составляющей модуляции с наибольшей глубиной, то для ортогонально поляризованного импульса это условие не выполняется. Условие выполняется только в том случае, если импульсы поступают на модулятор 15 с противО положных сторон (т.е. один из импуЛЬ сов поступает от пластины 16,дру гой - от пластины 17). При этом по ляризации импульсов (которые во всем резонаторе, кроме области между пластинами 16 и 17, являются ортогоналй ными циркулярными) совпадают друг с другом и импульсы проходят одновре- менно черГез модулятор 15 в момент наименьщих потерь для составлякндей модуляции с наибольшей глубиной. Импульсы могут второй раз за ; время обхода резонатора взаимодейсТ вовать с модулятором. В этом случае между ,пластинами 16 и 17 поляризации импульсов также одинаковы. Азимут поляризации развернут н.а 90 относительно направления максимальной глу4 : бины, поэтому воздействие на импульсы мало и не определяет их в пространст-, венное положение. Расчеты показыва-

ют, что при отношении ортогонально линейно поляризованньгх глубин модуляций равномили более 2 влиянием этого второго взаимодействия импульсов и модулятора 15 на положение импульсов можно пренебречь.

Таким образом, в предложенном устройстве в результате использова ПИЯ анизотропных по поляризации свойств модуляции и четвертьволновых пластин, возможно осуществление взаимодействия импульсов и модулятора 15 преимущественно один раз за время обхода резонатора. При этом ортогонально поляризованные импульсы (частота биений между которыми пропорциональна измеряемому току) распространяются навстречу друг .другу в. области расположения модулятора 15. Импульсы оказываются пространственно разделенными, если поместить систему пластина 16 - модулятор 15 - пластина 17 вдали от пластины 14, например на половине длины резонатора, как показано на схеме.

Рассмотрим, к чему приводит пространственное разделение импул.сов.11ри уменьшении значения измеряемого тока уменьшается и частота биений между .ортогонально поляризованными импульсами. В результате при достижении определенной величины частоты Киений происходит захват частот; несущие частоты Импульсов становятся одинаковыми. Захват возникает; из-за взаимодействия волн через общие уровни активной газовой среды. Взаимодействие и, следовательно, величина захвата уменьшаются при пространственном разделении волн. В зтом случае ортогонально поляризованные импульсы проходят через активную среду в разные моменты времени. Разность населенностей релаксирует к стационарному значению за интервал времени между появлениями импульсов в активной среде, В связи с этим взаимовлияние и взаимодействие ортогонально поляризованных импульсов устраняется. 5

Таким образом, выбор коэффициента отражения пластины 14 равным е.цинице полностью исключает влияние невзаимности : в кольцевом лазере на часто0 ту биений. Помещение в резонатор модулятора 15 приводит к синхронизации продольных одинаково поляризованных мод, что дает расширение диапазона измерения и устранение зависимости

5 частоты биений от длины резонатора. Помещение скрещенных четвертьволновых пластин 16 и 17 по обе стороны модулятора 15 приводит к качественно новому режиму работы устройства, Ор0 тогонально поляризованные импульсы разделяются в пространстве, что уменьшает величину захвата частот,

В пре.цложенном устройстве удачно сочетаются свойства кольцевого лазе ра (малая зона захвата, линейность выходной характеристики) и линейного лазера (отсутствие невзаимности между встречными волнами, отсутствие конкуренции) в результате применения

0 синхронизации мод, осуществляющегося при помощи оригинальной системы, состоящей из модулятора 15 и четвертьволновых пластин 16 и 17.Использование TaKoli системы позволяет

5 увеличить значение максимального и уменьшить значение минимального измеряемого тока за счет уменьшения зоны захвата при пространственном разделении волн. Устройство позволя0 ет измерять как постоянные, так и переменные (импульсные) тока с одинаковой точностью, которая (в относительных единицах)составляет 10 10.Диапазон измерения данного уст5 ройства располагается от сотен ампер до 200 кА.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ, содержащее расположенный вокруг токопровода с измеряемым током кольцевой газовый лазер с :квазиизотропнь1м резонс1тором, в которьш помещена отражающая пластина с единичным коэффициентом отражения и 1нормалью,|.. совмещенной с направлением распространения света в резонаторе, анализатор, установленный на выходе лазера, фотоприемник, вход которого оптически подключен к выходу анализатора, a выход электрически соединен с входом блока регистрации, отличающ е е с я тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерения, оно снабжено генератором сигналов на частоте межмодовых биений, a в резонатор лазера дополнительно введены модулятор лазерного излучения и две нетвертьволновые пластины с взаимно -перпендикулярным расположением осей, причем модулятор удален от отражающей пластины на расстояние, равное половине длины резонатора, и размещен между (Л четвертьволновыми пластинами, оси которых составляют с направлениями максимальной глубины модуляции угол равный 45, a управляющий вход модуп лятора подключен к выходу упомянутого генератора сигналов.