Электрогирационное устройство для измерения напряжения Советский патент 1992 года по МПК G01R19/00 G01R15/07 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в измерительной технике высоких напряжений.

Известно электрогирационное устройство для измерения напряжения, содержащее оптически связанные источник света, поляризатор, электрогирационный монокристалл центросимметричного кристаллографического класса с оптически прозрачными электродами на торцах, фа- зосдвигающую четвертьволновую пластинку, поворотную призму и призменный анализатор с двойным лучепреломлением, выходы которого оптически связаны с входами первого и второго фотоприемников. выходы фотоприемников соединены с входами дифференциального усилителя, выход

которого является выходом устройства. Недостатком такого устройства является его низкая точность и чувствительность

Известно также электрогирационное устройство для измерения напряжений, содержащее источник излучения, первичный преобразователь, в состав которого входят поляризатор, модулятор, компенсатор, электрогирационный монокристалл центросимметричного кристаллографического класса с оптически прозрачными электродами на торцах, призменный анализатор и генератор, вторичный преобразователь, в состав которого входят два фотоприемника, синхронный детектор и функциональный преобразователь. Недостатком такого устройства является его относительно невысокая точность и чувствительность

ч

о ю ю -N о

В качестве прототипа выбрано электро- гирационное устройство для бесконтактного измерения напряжения, содержащее источник света, поляризатор, оптическую ячейку, состоящую из оптически произвольно связанных электрогирационных монокристаллов центросимметричного кристаллографического класса и стержней из оптически прозрачного стекла, и приз- менный анализатор с двойным лучепреломлением, выходы которого оптически связаны с входами первого и второго фотоприемников, выходы фотоприемников соединены с входами, функционального преобразователя, выход которого является выходом устройства. Недостатком такого устройства является его относительно невысокие точность и чувствительность.

Целью изобретения является повышение точности и чувствительности электроги- рационного устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в известное электрогирационное устройство для бесконтактного измерения нзпряже- н и я,содержащееоптически

последовательно связанные источник света, поляризатч эр, оптическую ячейку, состоящую из оптически произвольно связанных электрогирационных монокристаллов цент- росимметричных кристаллографических классов с оптически прозрачными электродами на торцах и стержней из оптически прозрачного стек л а, и призменный анализатор с двойными лучепреломлением, выходы которого оптически связаны с входами первого и второго фотоприемников, выходы фо- топриемников соединены с входами функционального преобразователя, выход которого является выходом устройства, дополнительно введены две идентичные пово- ротные призмы, содержащие каждая призму БР-1800 и призму АР-900, причем первая катетная грань призмы АР-900 является входом и входом поворотной призмы, а вторая находится в оптическом контакте с гипотенузной гранью призмы БР-1800, нечетные выходы оптической ячейки, кроме последнего, оптически соединены с входами первой поворотной призмы, четные - с входами второй, выходы первой поворотной призмы оптически соединены с четными входами оптичекой ячейки, выходы второй - с нечетными.

Существенными отличительными признаками, обеспечивающими достижение поставленной цели, является введение двух идентичных поворотных призм специальной конструкции и их взаимное расположение.

Введение в электрогирационное устройство двух поворотных призм специальной конструкции и их взаимное расположение, обеспечивающее повышение точности и чувствительности прибора, является новым техническим решением, не применявшимся ранее при создании электрогирационных устройств для измерения напряжений, что позволяет сделать вывод о

0 соответствии предлагаемого технического решения критериям новизна и существенные отличия.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства; на фиг.2 - конструкция пово5 ротной призмы; на фиг.З - упрощенная схема взаимного расположения поворотных призм и путь светового луча между ними.

Электрогирационное устройство для

0 измерения напряжения (фиг.1), содержит оптически связанные источник света 1. поляризатор 2. оптическую ячейку 3, поворот-. ные призмы 4, 5 и призменный анализатор 6 с двойным лучепреломлением, выходы ко5 торого также оптически связаны с входами фотоприемников 7, 8. Выходы фотоприемников 7, 8 соединены с входами функционального преобразователя 9, выход которого является выходом устройства. Ис0 точник света 1. поляризатор 2 и первый вход оптической ячейки 3 соединены последовательно, нечетные выходы оптической ячейки 3, кроме последнего, соединены с входами первой поворотной призмы 4, четные - с

5 входами второй 5, выходы первой поворотной призмы 4 соединены с четными входами оптической ячейки 3. выходы второй 5 - с нечетными, последний нечетный выход оптической ячейки 3 соединен с входом приз0 менного анализатора 6.

Конструкция идентичных поворотных призм 4, 5 представлена на фиг.2 и содержит призму БР-1800 10 и призму АР-900 11. причем первая катетная грань а призмы

5 ДР-900 является входом и выходом поворотной призмы, а вторая Ь находится в оптическом контакте с гипотенузной гранью с призмы БР-1800. Применение двух пар скрещенных отражающих поверхностей по0 зволяет сохранить состояние поляризации света, изменить его направление на противоположное и обеспечить суммирование эффекта электрогирации.

Поворотные призмы 4, 5 размещены та5 ким образом, что их входные грани а (или выходные) параллельны друг другу и смещены друг относительно друга вдоль высоты призмы АР-900 на диаметр светового луча (1 Ширина же поворотных призм 4, 5 m (задается высотой призмы АР-900 11, или что

то же самое, длиной гипотенузы основания призмы БР-1800 10) также зависит от диаметра светового луча и определяется формулой

m 2kd k 1,2,3....

Тогда, количество проходов п светового луча через оптическую ячейку 3, размещен ную между поворотными призмами 4, 5 определится формулой:

m 2k+ 1.

Количество проходов п светового луча через оптическую ячейку 3 при заданной ширине поворотных призм 4, 5 может быть изменено путем увеличения величины смещения между призмами, однако в этом случае оно будет заведомо меньше, чем при расположении, описанном выше.

На фиг.З представлена упрощенная схема взаимного расположения поворотных призм 4,5 и путь светового луча между ними для частного случая k 3.

Устройство работает следующим образом.

Световой луч, генерируемый источником света 1. поляризуется поляризатором 2 и многократно проходит через оптическую ячейку 3 с помощью поворотных призм 4, 5. Под действием измеряемого напряжения Do, прикладываемого к оптической ячейке 3, происходит поворот плоскости поляризации светового луча на угол д. который определяется выражением:

д (2k+ 1)50 п(50 . где д0 - угол поворота плоскости поляризации в оптической ячейке 3 при однократном прохождении.

Световой луч после оптической ячейки 3 расщепляется анализатором 6 на два, которые преобразуются фотоприемниками 7, 8 в напряжения

+sin2 $|,

U2 H-sin2 д.

Функциональный преобразователь 9 преобразует Ui и Ua в выходное напряжение

Увых arcsinx

ттЧггг 2пКэр-Ц.

U1 + U2

Коэффициент преобразования оптической ячейки 3 предложенного электрогира- ционногй устройства для измерения напряжения запишется1 д п д0

V

К«г - тт

К.

где К - коэффициент преобразования оптической ячейки прототипа.

Таким образом, реализовав п проходов светового луча через оптическую ячейку 3 с помощью поворотных призм 4 и 5, мы увеличиваем коэффициент преобразования ячейки по сравнению с прототипом в п раз, следовательно увеличатся точность и чувствительность предложенного устройства. 5Экспериментальная проверка лабораторного макета подтвердила его работоспособность, повышение точности и чувствительности проводимых измерений. В качестве источника излучения 1 в

10 лабораторном макете использовался гелий- неоновый лазер ЛГ-78 с диаметром светового луча 2,5 мм. Оптическая ячейка 3 содержала один электрогирационный монокристалл NaBi (МоСХф. Ширина поворотных

5 призм 4, 5 составила 10 мм. Измеряемое напряжение к электрогирацоинному монокристаллу подавалось от генератора ГЗ- 109, выходное напряжение на выходе функционального преобразователя анали0 зировалось с помощью узкополосного анализатора спектра Брюль и Кьер 2031. При однократном проходе светового луча и подаче на оптическую ячейку 3 синусоидального напряжения амплитудой 260 В и частотой

5 860 Гц точность измерений составила 3%, а при пятикратном - 0.5%. Порог чувствительности при однократном проходе составил 2 В, а при пятикратном - «-0,4 В.

Технико-экономическая эффективность

0 использования предлагаемого устройства состоит в расширении области при применения, в частности в устройствах сильноточной электроники, энергетики и электрофизики за счет повышения точности

5 измерений и уменьшения порога чувствительности.

Повышение точности измерений и уменьшение порога чувствительности достигается путем повышения коэффициента

0 преобразования оптической ячейки 3. Техническая реализация этого подхода основана на использовании многократного прохода светового луча через оптическую ячейку, при котором происходит суммирова5 ние углов поворота плоскости поляризации каждого прохода.

Формула изобретения Электрогирационное устройство для измерения напряжения, содержащее опти0 чески последовательно связанные источник света и поляризатор, а также оптически последовательно связанные оптическую ячейку, состоящую из оптически произвольно связанных электрогирационных монокри5 сталлов центросимметричных кристаллографических классов с оптически прозрачными электродами на торцах и стержней из оптически прозрачного стекла, и призменный анализатор с двойным лучепреломлением, выходы которого оптически

связаны с входами первого и второго фотоприемников, выходы которых соединены с входами функционального преобразователя, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности устройства, в него введены две идентичные поворотные призмы, содержащие каждая призму БР-1800 и призму АР-900, причем первая катетная грань призмы АР- 90е является входом и выходом поворотной

призмы, а вторая находится в оптическом контакте с гипотенузной гранью призмы БР-1800, нечетные выходы оптической ячейки, кроме последнего, оптически соединены с входами первой поворотной призмы, четные - с входами второй, выходы первой поворотной призмы оптически соединены с четными входами оптической ячейки, выходы второй - с нечетными входами оптической ячейки, кроме первого, который соединен с выходом поляризатора.

Использование, в электроизмерительной технике при измерении высоких напряжений. Сущность изобретения: устройство содержит оптически связанные источник 1 света, поляризатор 2, оптическую ячейку 3, поворотные призмы 4, 5 и призменный анализатор 6 с двойным лучепреломлением, выходы которого оптически связаны с входами функционального преобразователя 9, выход которого является выходом устройства, нечетные выходы оптической ячейки 3, кроме последнего, соединены с входами первой поворотной призмы 4, четные - с входами второй 5, выходы первой поворотной призмы 4 соединены с четными входами оптической ячейки 3, выходы второй 5 - с нечетными, последний нечетный выход оптической ячейки 3 соединен с входом приз- менного анализатора 6. 3 ил. ю с

.

ч

ч

II

Ј

3 и,г. 3