Устройство для бесконтактного измерения силы тока Советский патент 1985 года по МПК G01R13/40 

хронного детектора подключен к выходу второго селективного усилителя, а другой вход - к второму выходу генератора частоты модуляции, соединенному с управляющим входом первого

источника излучения, другой конец второго волоконного световода подключен к второму входу поляризатора, а вход регистрирующего прибора .соединен с выходом первого синхронного детектора.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ ТОКА, содержащее на стороне высокого потенциала установленные последовательно по ходу световых лучей поляризатор, преобразователь силы тока в угол поворота плоскости поляризации и двухлучевой анализатор, а на стороне низкого потенциала - первьй и второй источники излучения, сопряженные с двумя индвидуальными колоконными световодами, первый из которых другим концом подключен к первому входу поляризатора, генератор частоты модуляции, первый выход которого соединен с одним из управляющих входов второго источ1шка излучения, два фотоприемника, оптически связанных через третий и четвертьм волоконные световоды с выходами , вухлучевого анализатора, два усилителя фототока с регулируемыми коэффициентами передачи, сигнальные входы которых соединены с выходами соответствующих фотоприемников, блок суммирования и блок вычитания, входы которых подключены к выходам усилители фототока, первьй дифференциальный усилитель, один из входов которого соединен с шиной нулевого потенциала, а выход с управляющим входом одного из усилителей фототока, второй дифференци: альньш усилитель, один из входов которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход - к управляющему входу другого усилителя фототока, первьй селективнь.й усилитель, вход .которого соединен с выходом блока вычитания, первьй синхронный детектор, один из входов кото(Л рого подключен к выходу первого селективного усилителя, а другой вход к второму выходу генератора частоты модуляции, фильтр нижних частот и регистрирующий прибор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены третий дифференциальньй уси00 литель, второй селективнй усилитель и второй синхронньй детектор, а по ляризатор выполнен в виде двухлучевой о призмы, причем один из.входов третьего дифференциального усилителя САд соединен с шиной нулевого потенциала, другой вход - с выходом второго синхронного детектора, а выход с другим управляющим входом второго источника излучения, выход блока суммирования подключен к входу второго селективного усилителя и другому входу второ: о дифференциального усилителя, выход блока вычитания через фильтр нижних частот соединен с другим входом первого дифференциального усилителя, один из входов второго син

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при измерении тока высоковольтных линий электропередач постоянного и переменного напряжений.

Известно ycTpoUQTBO для бесконтактного измерения силы тока, содержащее источник поляризованного света, оптически связанньй с преобразователем силы тока в угол поворота плоскости поляризации, двухлучевую призму установленную на пути следования светового потока между упомянутым преобразователем и двумя фотоприемниками,

о

выходы которых подключены к сигнальным входам соответствующих усилителей фототока, блок суммирования и блок вычитания, входы которых соединены с выходами усилителей фототока, а выходы - с первыми входами синхронных детекторов, генератор сигналов, выход которого подключен к вторым входам синхронных детекторов, дифференциальньш усилитель, один из входов которого соединен с выходом источника опорного напряжения, другой вход - с выходной цепью блока суммирования, а выход - с управляющими входа ми обоих усилителей фототока, регистрирукнций прибор, вход которого через один из синхронных детекторов подключен к выходу блока вычитания Л .

Недостаток известного устройства заключается в том, что при его практическом использовании имеют место значительные аддитивная и мультипликативная погрешности измерения, обусловленные неодинаковыми чувствительностями фотоприемников.

Наиболее близким к изобретению является устройство для бесконтактного измерения силы тока, содержащее на стороне высокого потенциала установленные последовательно по ходу свтовых лучей поляризатор, преобразователь силы тока в угол поворота плокости поляризации (ячейку Фарадея) смеситель и двухлучевой анализатор, а на стороне низкого потенциала первый и второй источники излучения, оптически связанные через первьй и второй волоконные световоды со входами соответственно поляризатора и смесителя, генератор частоты модуляции, выход которого соединен с управляющим входом второго источника излу чения, два фотоприемняка, оптически связанных через третий и четвертый волоконные светрвйды с выходами двухлучевого анализатора, два усилителя

фототока с регулируемыми коэффициентами передачи, сигнальые входы которых соединены с выходами соответствующих фотоприемников, блок суммирования и первый блок вычитания, входы которых подключены к выходам усилителей фототока, первый дифференциальный усилитель, один из входов которого соединен с шиной нулевого потенциала, а выход - с управляющим входом одного из усилителей фототока, второй дифференциальный усилитель, один из входов которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход - к управляющему входу другого усилителя фототока, селективньй усилитель, вход которого соединен с выходом первого блока вычитания, синхронный детектор, один из входов которого подключен к выходу селективного усилителя, другой вход - к выходу генератора

частоты модуляции, а выход - к другому входу первого дифференциального усилителя, второй блок вычитания, один из входов которого через первьй фильтр нижних частот, другой вход через последовательно включенные фильтр верхних частот, выпрямитель и второй фнльт нижних частот соединены с выходом блока суммирования, а выход подключен к другому вхо ду второго дифференциального усилителя, регистрирующий прибор, вход ко торого соединен с выходом первого бл ка вычитания 2 . Недостатком указанного устройства является невысокая точность измерени вследствие наличия в его составе спе циального смесителя двух лучей. Реальный смеситель, выполнеиньй в вид полупрозрачного зеркала или светодел тельного кубика, изменяет поляризацию;проходящего через него света. Не поляризованньш свет, проходя смеситель, становится частично поляризованным и из-за этого при неточной взаимной установке .анализатора и смесителя возникает мультипликативна погрешность, так как из суммарного сигнала неполностью исключается вкла от второго источника излучения-, поляризация света, прошедшего ячейку Фарадея, дополнительно изменяется при прохождении смесителя, что пр водит к значительным аддитивной и мультипликативной погрешностям измерения, Цель изобретения - повышение точности измерения измерительного устройства. Поставленная цель достигается тем что в устройство для бесконтактного измерения силы тока, содержащее на стороне высокого потенциала уставовлен.ные последовательно по ходу световых лучей поляризатор, преобразова тель силы тока в угол поворота плоскостя поляризации и двухлучевой ана лизатор, а на стороне низкого потенциала - первый и второй источники излучения, сопряженные с двумя индивидуальными волоконными световодами, первый из которых другим концом подключен к первому входу поляризатора, генератор частоты модуляции, первый выход которого соединен с одним из управляющих входов второго источника излучения, два фотоприемнйка, оптически связанных через третий и четвертый волоконные световоды с выхода ми двухлучевого анализатора, два . усилителя фототока с регулируемыми коэффициентами передачи, сигнальные входы которых соединены с выходами соответствующих фотоприемников, блок суммирования и блок вычитания, входы которых подключены к выходам усилителей фототока, первый дифференциальный усилитель, один из входов которого соединен с шиной нулевого потенциала, а выход - с управлякяцим входом одного из усилителей фототока, второй дифференциальньй усилитель, один из входов которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход - к управляющему входу другого усилителя фототока, первый селективный усилитель, вход которого соединен с выходом блока вычитания, первый синхронньш детектор, один из входов которого подключен к выходу первого селективного усилителя, а другой вход к второму выходу генератора частоты модуляции, фильтр нижних частот и регистрирующий прибор, введены тр.етий дифференциальньй усилитель, второй селективный усилитель и второй синхронный детектор, а поляризатор вьшолнен в виде двухлучевой призмы, причем один из входов третьего дифференциального усилителя соединен с шиной нулевого потенциала, другой вход с выходом второго синхронного детектора, а выход - с другим управляющим входом второго источника излучения, выход блока суммирования подключен к входу второго селективного усилителя и другому входу второго дифференциального усилителя, выход блока вычитания через фильтр нижних частот соединен с другим входом первого дифференциального усилителя, один из входов второго синхронного детектора подключен к выходу второго селективного усилителя, а другой вход - к второму выходу генератора частоты модуляции, соединенному с управляющим входом первого источника излучения, другой конец второго волоконного световода подключен к второму входу поляризатора, а вход регистрирующего прибора соединен с выходом первого синхронного детектора. На чертеже представлена функциональная схема предложенного устройства для бесконтактного измерения силы тока. Устройство содержит на стороне высокого потенциала установленные последовательно по ходу светолых лучей поляризатор 1, выполненный в виде двухлучевой призмы, преобразователь 2 силы тока в угол поворота плоскости S . 1 поляризации (ячейку Фарадея) и двухлучевой ана/1изатор 3 (призму Волластона). На стороне низкого потенциала расположены первьй и второй источники 4 и 5 , соединенные с помощью волоконных световодов 6 и 7 со входами поляризатора 1, генератор 8 частоты модуляции, фотоприемники 9 и lOj оптически связанные через волоконные световоды 11 и 12 с выходами анализатора Здусили тели 13 и 14 фототока с регулируемым .коэффициентами передачи блок 15 суммирования блок 16 вьтитания,, диф ференциальные усилители 17-195 ис- , точник 20 опорного напряжения 5 .фильтр 21 нижних частот, селективные Усилители 22 и 23 синхронные детекторы 24 и 2.5 и регистрирующий прибор 26. Парафазные выходы генератора 8 частоты модуляции соединены с управ ляющим входом источника 4 и с одним из управляющих входов источника 5 излучения. Сигнальные входы усилителей 13 и 14 фототока подключены к выходам фотоприемников 9 и 10, управляющие входы к выходам дифференциальных усилителей 17 и 18, а выходы к входам блока 15 суммировнаия и блока 16 вычитания Один из входов дифференциального усилителя 17 соединен с шиной нулевого потенциала, а другой вход через фильтр 21 нижних частот - с выходом блока 16 вьгаитания подключенным к вхо.цу селективного усилителя 22, Од из входов дифференциального усилителя 18 соединен с выходом источника 20 ..опорного напряжения э а другой вход - с выходом блока 15 сумми рования, подключенным к входу селек тивного усилителя 23. Один из входов синхронного детектора 24 соединен с выходом селективного усилителя 22, другой вход - с выходом ге нератора 8 частоты модуляции, а выход - с входом регистрирующего приб ра 26. Один из входов синхронного детектора 23 подключен к выходу селективного усилителя 23, другой вход - к выходз генератора 8 частоты модуляции. Один из входов диффер циальногп усилителя 19 подключен к шине нулевого потенциала, другой вход - к выходу синхронного детектора 25 , а вьжод - к другому уп равляющему входу источника 5 из лучения. 3 Работа устройства происходит следующим образом. Свет от источников 4 и 5 излучения поочередно через волоконные световоды 6 и 7 поступает на два входа двухлучевого поляризатора 1, Питание источников 4 и 5 излучения осуществляется- от генератора 8 частоты мо дуляции, которьй подключается к ним поочередно на половину ьериода частоты модуляции. В качестве источников 4 и 5 излучения могут использоваться полупроводниковые лазеры или светодиоды, а для введения излучения в волокно может использоваться непосредственный оптический контакт, фоконы, линзы или микрообъективы. Из поляризатора 1 выходит линейно поляризованный свет с модуляцией по плоскости поляризации, причем глубина модуляции составляет 90 Свет проходит преобразователь 2 силы измеряемого тока в угол поворота плоскости поляризации - ячейку Фарадея. В простейшем случае, как условно показано на-схеме, ячейка представляв ет собой стержень из диамагнитного стекла, расположенньй вдоль силовых линий магнитного поля измеряемого тока I. После преобразователя свет поступает на двухлучевой анализатор 3, который разделяет падающий поток на два потока, имеющих ортогональную поляризацию. Азимут анализатора 3.выбирается таким образом, чтобы азимуты обеспечиваемой им поляризации отличались на от азимута поляризации света, выходящего из поляризатора 1. После анализатора 3 два выходных пучка по волоконным световодам 11 и 12 поступают на фотоприемники 9 и 10,которые преобразуют падающие на них потоки излучения в электрические сигналы.Последние силиваются усилителями 13 и 14 фототока. Суммарный и разностный сигналы образуются на выходах соответе ственно блока 15 суммирования и блока 16 вычитания. Одновременное исключение постоянной составляющей разностного сигнала и переменной составляющей частоты модуляции в суммарном сигнале позволяет исключить аддитивную и-мультипликативную погрешности от неодинаковых чувствительностей фотоприемников 9 и 10, коэффициентов пропуска71

ния световодов 6, 7, 11 и 12, потоков излучения источников 4 и 5. С этой целью постоянная составляющая разностного сигнала через фильтр 21 нижних частот поступает после усиления в дифференциальном усилителе 17 на управляющий вход усилителя 13 фототока и изменяет коэффициент передачи усилителя 13 до исчезновения постоянной составлякицей разностного сигнала. Так образуется первая пет-ля обратной связи. Переменная состав тяющая суммарного сигнала усиливается селективным усилителем 23, вьшрямляется синхронньм детектором 25 и после усиления вьшрямленного напряжения в дифференциальном усилителе 19 воздействует на соответствующий управляющий вход источника 5 излучения до исчезновения переменной составляющей суммарного сигнала. Так образуется вторая петля обратной .связи. Для стабилизации чувствительности (коэффициента преобразования) всего устройства в целом необходимо стабибилизровать постоянную составляющую сь ммарного сигнала. Для этого на

038

входы дифференциального усилителя 18 подаются ПОСТОЯННАЯ составлякмцая суммарного сигнала и опорное напряжение от источника 20. Разность этих напряжений после усиления поступает на управляющий вход усилителя 14 фототока и изменяет его коэффициент передачи до вьшолнения условия равенства опорного напряжения и постоянной составляющей суммарного сигнала. Так образуется третья петля обратной связи. Одновременная работа трех петель обратной связи позволяет исключить погрешности измерения тока, которые

характерны для известного ус7Т ойства 21 и обусловлены невдеальностью смесителя двух потоков излучения.

Предложенное устройство обладает универсальностью, позволякщей использовать его при различных рабочих напряжениях без изменения конструкции основных узлов. С увеличением рабочего напряжения необходимо только увеличивать длину световодов 6,7,

11 и 12, поэтому стоимость, габариты и надежность устройства практически не зависят от рабочего напряжения.