Электрогирационное устройство для измерения высокого напряжения Советский патент 1993 года по МПК G01R15/07 

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

Целью изобретения является повышение точности электрогирационного измерителя высокого напряжения.

На чертеже изображена функциональная схема устройства.

Электрогирационное устройство для измерения высокого напряжения, функциональная схема которого приведена на чертеже, содержит источник света 1, опти чески связанный с поляризатором 2, выполненным в виде моноблочной прямоугольной призмы из двулучепреломляющего вещества, выходы которого соединены с входами ослабителя 3 и блока вращения плоскости поляризации на 45°4, две оптические ячей- .ки 5,6 в видеэлектрогирационныхомнокристаллов центросимметричного кристаллографического класса с оптически прозрачными электродами на торцах 7 и стержней из оптически прозрачного стекла 8, входы которых соединены с выходами соответственно ослабителя 3 и блока вращения плоскости поляризации на 45°4, а выходы - с входами призменного анализатора 9, один из выходов которого, соответствующий оптической ячейке 6, оптически связан с входом светоделителя 10, выходы которого, также как и выходы анализатора 9, соответствующие оптической ячейке 5, через короткофокусные линзы 11, 12 соединены со входами фотоприемников 13, 14. Выходы фотоприемников 13, 14 подключены на входы функционального преобразователя 15, а именно на входы сумматора 16 и вычитателя 17, выходы которых соединены со входами делителя 18, выход которого является выхо00

о

OJ 00

VI ю

дом всего устройства. При этом плоскость пропускания поляризатора 2 находится под углом 45° к плоскости пропускания анализатора 9.

Используемые в заявляемом устройстве источник света 1, поляризатор 2, электроги- рационные монокристаллы 7, стержни из оптического стекла 8, анализатор 9, короткофокусные линзы 11, 12, сумматор 16, вы- читатель 17, фотоприемники 13, 14, делитель 18 аналогичны примененным в прототипе.

В качестве блока вращения плоскости поляризации на 45° может быть использована поляриметрическая пластина определенной толщины из вещества, обладающего естественной оптической активностью, например, кварца, ориентирвоанная так,чтобы, световой луч был направлен вдоль ее оптической оси (ГОСТ 22409-77).

Светоделитель 10 представляет собой обычный светоделительный кубик с наклеенной на катетную грань призмой полного внутреннего отражения, обеспечивающей параллельность выходных лучей светоделителя. В качестве ослабителя 3 можно использовать оптические неселективные стеклянные фильтры типа НС (ГОСТ 9411- 81Е).

Устройство работает следующим образом.

Световой луч, генерируемый источни- ком света 1, раскладывается поляризатором 2 на два луча одинаковой интенсивности 0/2 с взаимноперепндикулярными плоскостями поляризации. Один из световых лучей после поляризатора проходит последовательно ослабитель 3, оптическую ячейку 5, расщемляется анализатором 9 на два луча, которые посредством короткофокусных линз 11 и 12 фокусируются на площадки фотоприемников 13 и 14. Второй световой луч последовательно проходит блок вращения плоскости поляризации 4, оптическую ячейку б, расщепляется анализатором 9 на два луча. Один из этих двух лучей делится светоделителем 10 еще на два луча равной интенсивности, которые посредством короткофокусных линз 11 и 12 также фокусируются на фотоприемники 13 и 14. Благодаря использованию блока вращения плоскости поляризации на 45°4 плоскость пропускания поляризатора совместно с этим блоком совпадает с плоскостью пропускания светового луча анализатора 9.

Под действием измеряемого напряжения Do, прикладываемого к оптическим ячейкам 5, 6, в электрогирационных кристаллах 7 происходит поворот плоскости поляризации на угол у . При вышеуказанном

расположении элементов устройства, интенсивности одних световых лучей, падающих на фотоприемники 13, 14 определятся, соответственно, как

5In г . (1+sin 2 у )

112

-Ц(1-5Ш2р),

а интенсивности других световых лучей, падающих на фотоприемники 13, 14, равны и определяются соотношением

Ы 22 cos2 р.

Фотоприемники 13,14 преобразуют падающую на них .интенсивность соответственно в напряжение:

Ui 10/4 КФ1 (k1 + k1 sin 2 p+. )

U2 lo/4 Кф2 (k1 - k1 + cos2f/3 ) где Кф1, Кф2 - коэффициенты преобразования, соответственно, фотоприемников 13, 14.

При условии Кф1 Кфа Кф, на выходе сумматора 16 имеем

Ui + Кг lo/2 Кф (k1 + cos2 p ),,, а на выходе аычитателя 17

Ui-U2 l0/2 sin2 p .

Таким образом, выходное напряжение делителя 18 определяется выражением;

0

5

0

5

Проведенные расчеты показывают, что реализованное соотношение между выходным напряжением и углом поворота плоскости поляризации в чувствительном элементе, позволяет устранить нелинейность устройства с большой точностью в достаточном для практических целей диапазоне углов. Из табл. 1 видно, что при k - 1,46 теоретическая ошибка линеаризации составит 0,06% в диапазоне углов - ±25°. Благодаря относительной технической простоте устройства практически достижимая точность составит -0,2-0,3% и будет определяться точностью делителя.

При увеличении диапазона изменения углов поворота плоскости поляризации в чувствительном элементе ошибка линеаризации будет возрастать. Так, для диапазона изменения углов / ± 45°, она составит уже « 0,6% (табл.2) и практически будет меньше или равна ошибке линеаризации прототипа. Следует заметить, что точность

линеаризации в данном случае будет уже определяться самим методом, а не технической реализацией.

Диапазон изменения углов поворота плоскости поляризации в чувствительном

элементе р-Ъ 22,5°, охватывает весь

класс практически реализуемых на данном этапе электрогирационных измерителей высокого напряжения. Действительно, максимальный угол поворота плоскости поляризации в конкретном кристалле, определяется максимальным напряжением, при котором еще не наступает пробой. Для кристаллов РЬМоСм и NaBi (МоСм)2, используемых при создании электрогирационных измерителей высокого напряжения, величина удельного пробойного напряжения при помещении их в диэлектрическую жидкость, составляет на частоет 50 Гц величину порядка 3,5 кВ/мм для образцов не длиннее 30 мм. Следует заметить, что кристаллы РЬМоСм вырастить длиннее 40 мм технологически сложно, а максимальная длина практически используемых кристаллов NaBi (МоСм)2 - 65 мм. Таким образом, даже ие учитывая уменьшение удельного пробойного напряжения при увеличении длины кристаллов, максимально возможное напяржение, приложенное к кристаллу PtiMoCM, не превысит 140 кВ, а к кристаллу NaBi(MoCM)2 - не более 230 кВ. Удельное вращение плоскости поляризации на длине вопны 830 нм (длине волны полупроводникового лазера,, используемого в электрогирационных измерителях) для кристаллов РЬМоСм составляет величину 0,1 .град/кВ, а для кристаллов NaBi()2 - 0,09 град/кВ. Следовательно, максимаьлный угол поворота плоскости поляризации для кристаллов РЬМоСм не превысит 14°, а для кристаллов NaBi(MoCM)2 - не более 21°.

Таким образом, предложенное злектро- гирационное устройство для измерения высокого напряжения обеспечивает для всех практически измеряемых величин напряжений большую точность.

Экспериментальная проверка лабораторного макета предлагаемого устройства подтвердила его работоспособность и повышение точности проводимых измерений.

В качестве источника излучения 1 в лабораторном макете использовался лазер на парах кадмия Л Г-70 с длиной В9лны генерируемого излучения 0,44 мкм. Использован- ный электрогирационный монокристалл 7 РЬМоСм имел длину I 40 мм. Ослабитель 3 представлял собой набор пластинок из стекла К8-с постоянной линеаризации Ка ,92 каждая. Напряжение на кристалл

подавалось от аппарата типа АИИ-70М частотой 50±1 Гц. Блок поворота плоскости поляризации 4 представлял собой поляриметрическую пластинку соответствующей толщины из кварца. Благодаря использованию вышеуказанных элементов в лабораторном макете удалось получать углы поворота плоскости поляризации в электро- гирационном монокристалле РЬМоОч

у 22°. Напряжение на выходе делителя анализировалось с помощью узкополосного анализатора спектра Брюль и Къер 2031, Точность лабораторного макета при углах поворота ,50ик2 1,46 составляла

«0,3% и определялась как точность делителя, так и точность установки постоянной линеаризации К2. При углах поворота р ±22° и k2 1,37, точность составляла величину 0,6 - 0.8% и определялась точностью устэновки постоянной линеаризации К2.

Технико-экономическая эффективность использования предлагаемого устройства состоит в расширении области его применения в частности в устройствах сильноточной

электроники, энергетики и электрофизики за счет повышения точности измерений.

Повышение точности измерений достигается путем реализации в устройстве принципиально новой апроксимации типа:

slnx

tx

1 sin2f

К2

где К2 - постоянная линеаризации; t - постоянная эпроксимации. Формула изобретения 1. Электрогирационное устройство для измерения высокого напряжения, содержащее источник света, оптически связанный с пояяризатором, выполненным в виде моноблочной прямоугольной призмы из двулу- чепреломляющего вещества, две оптические ячейки в виде электрогирационных монокристаллов центросимметричного кристаллографического класса с оптически прозрачными электродами на торцах и стержней из оптически прозрачного стекла, выходы каждой из ячеек соединены со

входами призменного анализатора с двойным лучепреломлением, выходы которого, соответствующие первой оптической ячейке, через короткофокусные линзы соединены с входами фотоприемников, выходы

которых соединены с входами функционального преобразователя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности изме-: рения, оно снабжено ослабителем, блоком вращения плоскости поляризации на 45° и

светоделителем, причем вход ослабителя соединен с одним из выходов поляризатора, другой выход которого соединен с входом блока вращения плоскости поляризации на 45°, выход которого и выход ослабителя соединены с входами соответственно второй и первой оптической ячейки, один из выходов анализатора, соответствующий второй оптической ячейке, оптически соединен со светоделителем, выходы которого через короткофокусные линзы соединены с соответствующими входами фотоприемников, функциональный преобразователь выполнен в виде сумматора, вычитателя и де- дителя, причем входы сумматора и вычитателя подключены на выходы каждого фотрприемника, а выходы соединены с входами делителя.

2, Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что вращения плоскости поля- / ризации на 45° выполнен из вещества, обладающего Естественной оптической активностью.

Использование: электроизмерительная техника. Сущность изобретения: устройство содержит источник света 1, оптически связанный с поляризатором 2, электрогирационные монокристаллы центросимметричного кристаллографического класса с полупрозрачными электродами на торцах и стержни из оптически прозрачного стекла, составляющие оптическую ячейку 6, лризменный анализатор 9 с двойным лучепреломлением, две короткофокусные линзы 11, 12, два фотоприемника 13, 14, сумматор 16, вычита- тель 17 и делитель 18. В устройство дополнительно введены: в первый.канал - ослабитель 3, во второй канал - блок вращения плоскости поляризации на 45°4 светоделитель 10. Устройство позволяет повысить точность измерений за счет реализации в устройстве новой апроксимации ти- sin х natx г 1 sin2 х k2 где Л2 - постоянная линеаризации, t- постоянная апроксимации. 1 ил., 2 табл. w Ё

Т а б л и ц а 1

Таблица 2.

,4