автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Новый интерферометрический метод измерения электрического тока

На правах рукописи

Тараканов Сергей Александрович

НОВЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Специальность: 05.11.01 - Приборы и методы измерения (тепловые и оптические величины)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2010

004604395

Работа выполнена на кафедре физики и техники оптической связи Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Игорь Касьянович Мешковский

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Игорь Алексеевич Коняхин

кандидат физико-математических наук Александр Валерьевич Шамрай

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Концерн «Центральный научно-исследовательский институт «Электроприбор»

Защита состоится 15 июня 2010 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.227.02 Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, аудитория 302.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан 12 мая 2010 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.02 доктор физико-математических наук, профессор

С. А. Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Эффективное энергопотребление является одним из основных направлений развития современной техники. Актуальность этого направления деятельности человечества вызвало большой интерес к прецизионным методам и приборам для измерений основных параметров электрических генерирующих, транспортирующих и распределяющих устройств.

Одним из таких параметров является величина протекающего через устройства электрического тока Основным недостатком используемых сейчас систем измерения тока являются характеристики первичных преобразователей - высоковольтных трансформаторов тока. Они требуют трудоемкого регулярного обслуживания, их погрешность зависит от режима нагрузки и имеет свойство накопления дополнительной погрешности, пригодны они только для измерения переменного тока. Также для анализа сигналов с первичных преобразователей используются электросчетчики, показания которых сильно зависят от качества электроэнергии. В качестве замены первичного преобразователя, можно рассмотреть распространившиеся в последнее время датчики на основе эффекта Холла, которые позволяют измерять постоянный ток и имеют большую точность, чем трансформаторы тока. Но общим недостатком измерительных трансформаторов и датчиков Холла является наличие эффекта насыщения, сильно ограничивающего диапазон измеряемых токов.

В настоящее время благодаря развитию волоконно-оптических технологий появились волоконные измерители тока. Они объединяют многие достоинства измерительных трансформаторов и датчиков на основе эффекта Холла, не имея в то же время присущих им недостатков. Волоконно-оптические датчики тока (ВОДТ) позволяют получать сигнал о силе переменного и постоянного тока вне зависимости от качества электроэнергии, обладают большой точностью, малыми массогабаритными показателями, чувствительная часть их полностью электроизолирована, они не требуют регулярного обслуживания, а некоторые модификации обеспечивают возможность установки без разрыва контролируемого проводника с током.

Цели и задачи диссертации

Целью работы является создание иитерференциогаюго метода измерения силы электрического тока с точностью не хуже 0.1% и динамическим диапазоном не хуже 106 на основе волоконно-оптических технологий. В качестве задач диссертации можно выделить разработку концепции измерителя, поиск путей создания и исследование составных элементов датчика, исследование макета прибора.

Научная новизна

• предложен новый интерференционный метод измерения электрического тока с использованием двух обратных связей, который позволяет работать волоконному интерферометру в точке с максимальной чувствительностью при большом диапазоне измеряемых токов, обеспечивает линейность выходного сигнала и контроль работы модулятора двулучепреломления;

• предложена и экспериментально подтверждена новая методика изготовления волоконного фазового элемента, преобразующего свет с линейной поляризацией в свет с циркулярной поляризацией, обеспечивающая точность изготовления за счет контроля вносимой элементом разности фаз в процессе изготовления;

• экспериментально обосновано применение эрбиевого суперлюминесцентного волоконно-оптического источника с низкой степенью поляризации излучения, который позволяет исключить из конфигурации интерферометра по схеме с обратным отражением -волоконный деполяризатор, уменьшая при этом количество соединений оптического

волокна и увеличивая, таким образом, точность измерений;

• предложен и исследован интегрально-оптический модулятор на основе волновода в кристалле ниобата лития для модуляции разности фаз ортогонально поляризованных волн, который позволяет управлять разностью фаз сигналом сложной формы и уменьшить длину волоконной линии задержки.

• предложена и экспериментально подтверждена оригинальная методика компенсации чувствительности кольцевого контура из двулучепреломляющего волокна, намотанного на катушку, к однородному магнитному полю, приложешюму в плоскости, перпендикулярной оси катушки.

Объект исследования

Объектом исследования является волоконно-оптический интерферометр, содержащий источник и приемник излучения, волокна с сохранением линейной и циркулярной поляризации, разветвитель, поляризатор, модулятор двулучепреломления, фазовый элемент и зеркало.

Достоверность научных положений

Результаты исследования компьютерной модели и предложенных методик согласуются с практическими результатами.

Научные положения, выносимые на защиту

• концепция построения интерференционного измерителя электрического тока с двумя обратными связями;

• методика создания волоконного фазового элемента;

• применение эрбиевого суперлюминесцентного волоконно-оптического источника с низкой степенью поляризации излучения, позволяющего исключить из схемы измерения волоконный деполяризатор;

• применение модулятора двулучепреломления на основе волновода в кристалле ниобата лития, позволяющего в схеме измерения управлять разностью фаз двух волн сигналом сложной формы и уменьшить длину линии задержки;

• методика компенсации чувствительности кольцевого контура из двулучепреломляющего волокна к магнитному полю, приложенному в перпендикулярной оси катушки плоскости.

Практическая ценность результатов

Заключается в решении важных производственных и технологических задач, которые возникают при измерении силы электрического тока в производстве, транспортировке и распределении электроэнергии, а также в других областях, в которых необходимо измерение больших токов.

Область применения результатов Измерение электрического тока в электроэнергетике, при выплавке металлов электрическим током и электролизе, в исследовательской деятельности.

Список публикаций

По материалам диссертационной работы имеется 6 публикаций, из которых 3 в журналах из перечня ВАК и I приоритетная справка заявки на Патент РФ.

Апробация и внедрение результатов

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XXXVII, XXXVIII н XXXIX научных и учебно-методических конференциях СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2008, 2009, 2010), на XI конференции молодых ученых "Навигация и

управление движением" (Санкт-Петербург, 2009) и на V, VI и VII Всероссийских межвузовских конференциях молодых ученых (Санкт-Петербург, 2008, 2009,2010).

На основании конкурса грантов комитета по науке и высшей школе правительства Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых и молодых кандидатов наук 2008 г. получен грант по теме «Разработка волоконно-оптического датчика тока». На основании конкурсного отбора работ молодых ученых по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» в течение года проводится НИОКР по теме «Разработка волоконно-оптического датчика магнитного поля и тока».

На кафедре Физики и техники оптической связи ГОУ ВПО Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики создан рабочий макет волоконно-оптического измерителя тока с двумя обратными связями.

В результате проведенного исследования на волоконно-оптический измеритель тока с применением двух обратных связей подана заявка на патент.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста с рисунками и таблицами, библиография включает 60 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы диссертационной работы, приведены цель и задачи работы, представлена научная новизна, указаны объект исследований и достоверность научных положений, а также определена практическая ценность результатов и приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору современного состояния проблемы волоконно-оптических измерителей тока и постановке задачи исследования.

Для измерения силы тока в волоконно-оптическом измерителе применимы несколько физических явлений, которые преобразуют создаваемое протекающим током магнитное поле непосредственно в оптический сигнал. Показано, что в настоящее время эффект Фарадея является наиболее удобным для использования в волоконно-оптическом датчике тока (ВОДТ).

чувствительный элемент

блок обработки

Рис. 1. Конструктивные составляющие ВОДТ по схеме с обратным отражением

Наилучшими характеристиками для регистрации этого эффекта обладают низкокогерентные интерферометрические схемы, созданные на основе волоконных интерферометров Маха-Цендера, Майкельсона, Саньяка и др. Преимуществом волоконной интерферометрической схемы с обратным отражением по сравнению с другими является то, что обе световые волны интерферометра все время находятся относительно близко в пространстве, а это существенно уменьшает чувствительность датчика к изменению температуры, вибрациям и другим механическим нагрузкам. Также существенное преимущество интерферометрической схемы с обратным отражением заключается в отсутствии необходимости разрыва токопроводящей линии при монтаже ВОДТ: для измерения достаточно замкнуть вокруг проводника чувствительный элемент датчика — оптоволоконный кабель, при этом измерения не зависят от положения кабеля и проводника с током (рис. 1).

Рис. 2. Конфигурация прототипа ВОДТ по схеме с обратным отражением

Такой волоконно-оптический интерферометр с обратным отражением взят за основу, его конфигурация представлена на рис. 2. В ней свет от источника излучения проходит через деполяризатор, который снимает остаточную поляризацию излучения. В поляризаторе свет преобразуется в линейно поляризованный, и на стыке с двулучепреломляющим волокном разделяется на две, равные по амплитуде волны, направляемые по быстрой и медленной оптическим осям этого волокна. В волоконном фильтре волны разводятся во времени для того, чтобы паразитные волны, образованные в пьезомодуляторе двулучепреломления, не вносили ошибку в выходной сигнал. Пьезомодулятор вносит между информационными волнами разность фаз по гармоническому закону, что позволяет работать интерферометру в области с большей чувствительностью при малых значениях силы'тока. После модулятора волны проходят линию задержки, которая обеспечивает приемлемую собственную частоту контура, на которой «успевает» работать пьезомодулятор. В волоконном фазовом элементе одна из волн преобразуется в правоциркулярную, другая в левоциркулярную. Далее они распространяются в чувствительном элементе датчика по оптическому волокну, сохраняющему циркулярную поляризацию, и под действием магнитного поля между ними накапливается фазовый сдвиг, пропорциональный силе тока. Отразившись от зеркала, волны проходят чувствительный элемент в обратную сторону, при этом фазовый сдвиг между ними удваивается и становится равным Д(р = 4 УШ, где К - постоянная Верде, N -количество витков чувствительного волокна вокруг проводника с током, / - измеряемая сила тока. После прохода четвертьволновой пластины, волны обратно преобразуются в линейно-поляризованные, при этом та волна, которая проходила датчик по быстрой оси двулучепреломляющего волокна, направляется в медленную ось, и наоборот. Волны проходят следующие три элемента в обратном порядке и интерферируют в поляризаторе. В интерферометре, таким образом, достигается взаимность распространения двух волн, т. е. они проходят одинаковые пути. Результат интерференции фиксируется на фотодетекторе, и с помощью синхронного детектора преобразуется в выходной сигнал датчика.

Далее в работе подробно рассмотрена гармоническая модуляция разности фаз интерферирующих волн, используемая в описываемых в литературе интерферометрах. Показано, что при такой модуляции разности фаз с последующей демодуляцией сигнала на фотодетекторе, зависимость сигнала интерферометра от силы тока представляет собой синусоидальную функцию, которая позволяет определить направление протекания контролируемого тока, а при относительно малых значениях силы тока получить почти линейную зависимость выходного сигнала от силы тока. Но при этом во всем рабочем диапазоне датчика зависимость выходного сигнала далека от линейной, а чувствительность измерителя уменьшается с ростом силы тока.

Благодаря высокой чувствительности волоконно-оптических интерференционных схем, датчики на их основе позволяют измерять физические величины, в частности силу тока, с большой точностью. Но при этом внешние воздействия, такие как механические нагрузки, вибрации, изменение температуры и давления приводят для таких датчиков к ошибкам измерения. Поэтому, для них всегда актуальна проблема введения мер по снижению чувствительности к внешним воздействиям.

Таким образом, показано, что интерферометрический метод регистрации силы электрического тока перспективен, при этом у существующих концепций построения измерителя есть принципиальные ограничения, такие как динамический диапазон 102-103 и нелинейность выходного сигнала, а также недостатки, проявляющиеся в сильной зависимости погрешности измерений от внешних условий. На решение этих проблем и направлена представленная диссертационная работа.

Вторая глава посвящена концепции построения ВОДТ. В ней рассматривается введение закрытой схемы обработки сигнала, введение второй обратной связи, компьютерное моделирование работы измерителя по предложенной концепции, выполняется расчет теоретических характеристик измерителя.

Для преодоления недостатков схемы с гармонической модуляцией разности фаз интерферирующих волн, автором предложено использование в ВОДТ закрытой схемы обработки сигнала. В такой схеме сигнал о силе тока используется как сигнал ошибки, с помощью которого создается обратная связь в системе в виде введения дополнительной компенсирующей разности фаз ДФ0С. Суммарная разность фаз удерживается в нуле, что обеспечивает большую точность и динамический диапазон измерений. Это обеспечивается тем, что при добавлении к стандартной смещающей модуляции закрытой схемы обработки сигнала интерферометр начинает работать в точке с максимальной чувствительностью. В закрытой схеме измеряемым сигналом становится сигнал обратной связи, что приводит к линейной зависимости с большой стабильностью, потому что этот сигнал обратной связи не зависит от пришедшей на фотодетектор оптической мощности и коэффициента усиления регистрирующего каскада.

Для введения компенсирующей разности фаз используется цифровая реализация пилообразной модуляции (рис.3). Она создает фазовые приращения ДФос длительностью АТ, соответствующей времени прохода сигнала по интерферометру, и соответствующие сбросы ступенчатой пилы ФС6 = 2л. Фазовые приращения при этом синхронизированы с прямоугольной смещающей модуляцией, функция которой здесь аналогична гармонической смещающей модуляции. -

Также цифровая пилообразная модуляция позволяет ввести вторую обратную связь, контролирующую работу модулятора. Вносимая им разность фаз зависит не только от управляющего напряжения, но и от внешних условий (температуры, вибрации и т. п.), что неизбежно сказывается на точности ВОДТ. Используется свойство интерферометра,

заключающееся в том, что при отклонении сброса ступенчатой пилы Фсб от 2я появляется дополнительное изменение сигнала на фотоприемнике в моменты сброса. Для введения второй обратной связи в ВОДТ производится сравнение сигналов на фотодетекторе непосредственно перед и сразу после сброса ступенчатой пилы. Измеренная тагам образом разность уровней излучения пропорциональна ошибке, которую вносит модулятор. По этой ошибке контролируется состояние модулятора, т. е. реально модулируемая им разность фаз. На основе этой информации, в выходной сигнал датчика и подаваемый на модулятор сигнал вводится компенсация, которая приводит к повышению точности работы модулятора и всего измерителя тока в целом при изменении внешних условий.

Также в результате исследования предложено применить в схеме интерферометра источник, излучение которого обладает малой степенью поляризации, например, волоконный суперлюминесцентный диод. Это позволяет исключить из конфигурации измерителя волоконный деполяризатор, состоящий из двух отрезков оптического волокна, а соответственно, уменьшить потери и обратные отражения в схеме, повысить надежность и стабильность интерферометра.

Протяженность волоконной линии задержки, которая в интерферометре с обратным отражением составляет сотни метров, сильно влияет на чувствительность к внешним воздействиям, поэтому для ее уменьшения автором предложено заменить пьезомодулятор двулучепреломления на более быстродействующий модулятор, например, на модулятор на основе волновода в кристалле ниобата лития, а вместе с этим предусмотреть возможность управления разностью фаз между волнами сигналом сложной формы (вместо гармонического).

волокно двулучепреломгяющм волоконная линия

Рис. 4. Предложенная концепция построения ВОДТ по схеме с обратным отражением с источником деполяризованного излучения, быстродействующим модулятором, с закрытой схемой обработки сигнала и контролем работы модулятора

С учетом вышесказанного, предложена следующая концепция построения измерителя тока (рис. 4). Датчик содержит оптически соединенные источник светового излучения, разветвитель, волоконный поляризатор, волоконный фильтр, модулятор, волоконную линию задержки, волоконный фазовый элемент и охватывающую проводник с током чувствительный элемент, выполненный на основе оптического волокна, поддерживающего циркулярную поляризацию. В отличии от прототипа из схемы

измерения исключен волоконный деполяризатор за счет применения источника излучения с низкой степенью поляризации, а вместо пьезомодулятора применен быстродействующий модулятор, позволяющий управлять разностью фаз волн сигналом сложной формы и уменьшить длину волоконной линии задержки. Также измеритель содержит фотодетектор, вход которого соединен со вторым входом разветвителя, а выход - с входом блока обработки сигнала, информационный выход которого является выходом датчика тока, а управляющий выход соединен с управляющим входом модулятора, причем блок обработки сигнала содержит демодулятор и опорный генератор. При этом блок обработки сигнала отличается от прототипа тем, что дополнительно содержит аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, блок контроля сброса пилы и схему обработки, которая формирует прямоугольный и ступенчатый пилообразный сигналы для организации первой петли обратной связи, а также вносит коррекцию в сигналы для обеспечения работы второй петли обратной связи.

Для проверки высказанных выше идей в ходе работы проведено компьютерное моделирование работы ВОДТ с закрытой схемой обработки сигнала с помощью разработанной на кафедре специальной программы (рис. 5). В результате моделирования показано, что теоретически такая схема обработки сигнала состоятельна, а также исследовано влияние на стабильность коэффициентов фильтрации и обратной связи.

.

напряжение на модуляторе

/

Л J А j I |ь«£*[5Г'

1 ^

я р

ц и

! , /I; Ч*

// ?! :'/ М // г

^ И,-/

!• )

вносимая модулятором разность фаз измеряемая сила тока

Г\ /а

1а1 /

V

/

сигнал на выхода измерителя

Щ ГогтГ,;',':,::■

^ашэ1

АЛ м

¿V I ' И I к

V : Г « ! Г а V гч-

Рис. 5. Моделирование работы схемы обработки в нестабильном и стабильном режимах

В результате выполненного расчета на основе проведенного исследования определены основные теоретические характеристики датчика, построенного по предложенной концепции.

Показано, что мощность сигнальной составляющей интерференционного сигнала равна:

где О. = ; е - заряд электрона; у = с/к- частота света; Ь - постоянная Планка; ф И-у

Ро - максимальная мощность, падающая на фотодетектор; в - коэффициент усиления

фотоприемника; ]£„ - нагрузочное сопротивление фотоприемника; ^ - измеряемая разность фаз между волнами.

Известно, что при максимальной оптической мощности на фотодетекторе меньше 10 мкВт ограничивающим минимально измеримую разность фаз А<р;1Ш1 фактором являются дробовые шумы фотодетектора. Мощность дробовых шумов равна при фильтре фотоприемника с полосой частот ДГ:

При условии отношения 5е I = 1 и учетом правомерной здесь замены функции синуса ее аргументом, а также подставляя значение разности фаз Дполучена минимально измеримая сила тока 1тп:

Д^=4 Ш^,

1

/ - \h-c-bf тЬ 2ШУЯ-г]-Р1)'

Для постоянной Верде V = 0.73 мкрад/А и одном нитке чувствительного волокна = 1), для типичного волоконного интерферометра (полоса пропускания фильтра 1 Гц и максимальная падающая на фотодетектор мощность 1 мкВт) минимально обнаружимая сила тока /т]о0 равна:

/„,„„ =259 мА-

к ТГц

ЫмкВт

При использовании этого выражения, получены зависимости Iт\п от падающей па фотодетектор мощности (рис. 6а) при полосе фильтра 1 Гц и полосы пропускания фильтра фотоприемника (рис. 66) при мощности 1 мкВт.

2 0.75

га

с; ^

£ 0.5

0.25

5

а)

0 2 4 6 8 Мощность излучения. мкВт

1 2 3 Частота фильтра, кГц

Рис.е. Зависимость минимально обнаружимой силы тока а) от мощности излучения, попадающей на фотодетектор при полосе фильтра 1 Гц, б) от полосы пропускания фильтра фотоприемника при мощности на фотодетекторе 1 мкВт

Максимальный для одного витка ток за счет линейности выходного сигнала в схеме с обратной связью и при условии однозначности определения силы тока в интерферометре рассчитывается следующим образом:

Д^шах = ЯрЭД, .

. А<Ршх

4К

-, /ти = 470 кА • виток.

Динамический диапазон для одного витка волокна в чувствительной части при указанных условиях:

АпшО

В случае учета интерференционных полос максимально измеряемый ток становится неограниченным сверху, что делает динамический диапазон измерителя теоретически бесконечным при сохранении точности и линейности выходного сигнала, он ограничивается только возможностями системы обработки сигнала и модулятора двулучепреломления

В результате исследования показано, что характеристики измерителя зависят от свойств составляющих его элементов, которым и посвящена следующая глава диссертации.

Третья глава описывает поиск путей создания и исследование элементов датчика. Исследованы свойства оптических волокон, сохраняющих линейную и циркулярную поляризацию, волоконные фазовый элемент, зеркало, разветвитель и поляризатор, модуляторы на основе пьезокерамики и кристалла ниобата лития.

Исследованы основные параметры двулучепреломляющего волокна с эллиптической напрягающей оболочкой. Измеренные вносимые потери, Ь-параметр и длина биений свидетельствуют о возможности применения такого волокна для ВОДТ.

Проведено исследование оптических волокон, подходящих для использования в чувствительной части датчика, в которой магнитное поле протекающего электрического тока преобразуется в оптический сигнал. Для эксперимента выбраны стандартное многомодовое оптическое волокно диаметром сердцевины 62.5 мкм, толстое кварц-полимерное оптическое волокно с диаметром сердцевины 1000 мкм и т. п. врип-волокно с диаметром сердцевины 9 мкм, которое получают посредством скручивания при вытяжке линейно двулучепреломляющего волокна Исследовалось изменение состояния поляризации изначально циркулярпо поляризованного света при прохождении по указанным типам волокон с помощью показанной оптической схемы, состоящей из последовательно размещенных источника излучения, поляризатора, четвертьволновой пластины, отрезка волокна, второй четвертьволновой пластины, второго поляризатора и измерителя оптической мощности. В ней степень поляризации линейно поляризованного света, прошедшего расположенные между двумя четвертьволновыми пластинами отрезки волокна различной длины соответствует сохранению циркулярной поляризации в волокне.

Рис. 7. Изменение степени поляризации света при распространении по оптическим волокнам

Полученные зависимости степени поляризации света от длины оптического волокна (рис. 7) показывают, что из исследованных типов волокон наибольшим сохранением циркулярной поляризации обладает Брип-волокно.

В ходе исследования автором предложен и исследован способ создания простого волоконно-оптического зеркала. Рассмотрены недостатки формирования зеркала с

помощью записи брегговских решеток и путем осаждения серебра на торце волокна. Показано, что предложенный простой способ формирования волоконно-оптического зеркала, заключающийся в механическом закреплении пленки серебра на торце оптического волокна, позволяет достичь коэффициента отражения 0.5.

Рис. 8. Оптическая схема для юстировки заготовки фазового элемента: 1 - источник света с широким спектром; 2 - оптический разъем; 3 - волоконный поляризатор; 4 - оправка из стекла; 5 -отрезок двулучепреломляющего волокна в качестве заготовки фазового элемента; 6 -механический соединитель с возможностью вращения волокон друг относительно друга; 7 -

отрезок двулучепреломляющего волокна для юстировки; 8 - держатель для волокна; 9 -коллиматор; 10 - объемный поляризатор; 11 - светоделительная пластина; 12- зеркало на пьезокерамической линейной подвижке; 13 - зеркало на линейной подвижке; 14 - фотоприемник;

15 - осциллограф

1 3 5 6 I, 8 9

Рис. 9. Установка для контроля длины формируемого фазового элемента: 1 - источник света с широким спектром; 2 - измеритель мощности оптического излучения; 3,4,6- оптический разъем;

5 - волоконный ответвитель; 7 - волоконный поляризатор; 8 - оправка; 9 - отрезок двулучепреломляющего волокна, из которого формируется фазовый элемент

Разработана новая методика изготовления волоконно-оптического фазового элемента, преобразующего свет с линейной поляризацией в циркулярно поляризованный, которая позволяет изготавливать элемент с большой точностью. Методика заключается в изготовления фазового элемента из отдельного куска двулучепреломляющего волокна с точным контролем вносимой им разности фаз между волнами с ортогональными поляризациями.

Предложенная методика состоит из двух этапов. На первом из них юстируются оси волоконного поляризатора и заготовки из двулучепреломляющего волокна так, чтобы между ними было 45°. Для этого используется оптическая схема с поляризационным интерферометром Майкельсопа (ПИМ), показанная на рис. 8. При этом угол между осью пропускания волоконного поляризатора 3 и быстрой осью отрезка 5 обозначен А1, угол между быстрыми осями отрезков 5 и 7 обозначен А2, угол между быстрой осью отрезка 7 и осью пропускания объемного поляризатора 9 обозначен АЗ. Методика юстировки осей состоит в следующем. Сначала зеркалом 13 ПИМ, состоящий из элементов 9-15, настраивается на стык отрезков волокна 5 и 7 (это позволяет интерферировать волнам, получившим разность фаз в отрезке 7). Последовательно изменяя углы А1, А2 и АЗ, добиваются максимума видности интерференционной картины, регистрируемый на осциллографе. Видность увеличивается с приближением угла А1 к 0, А2 и АЗ к 45°, но при этом нет возможности выставить эти углы точно, т. к. она слабо зависит от этих углов в такой настройке. Далее ПИМ настраивается на стык волоконного поляризатора 3 и отрезка 5 (это позволяет интерферировать волнам, получившим разность фаз в отрезке и 5, и 7). Угол А1 изменяется на 45°, после чего все углы подстраиваются так, чтобы видность интерференционной картины была минимальна. Большая точность установки угла А1 обеспечивается сильной зависимостью видности при такой настройке углов.

Выполнив таким образом настройку угла А1, положите осей поляризатора 3 и отрезка 5 фиксируется в оправке.

На втором этапе отрезок двулучепреломляющего волокна для заготовки фазового элемента последовательно укорачивается вместе с оправкой до длины, необходимой для преобразования линейно поляризованного света в циркулярно поляризованный. Для контроля длины собирается оптическая схема, показанная на рис. 9. При достижении необходимой длина отрезка волокна регистрируемая на измерителе мощность излучения становится минимальной. Этот минимум обусловлен тем, что если свет на выходе фазового элемента поляризован циркулярно, то та его часть, что отражается от границы с воздухом и проходит фазовый элемент в обратном направлении, полностью преобразуется в свег с линейной поляризацией, ортогональной той, что пропускает поляризатор 7.

Рис.10. Оптическая схема для измерения степени поляризации источника излучения. 1 - источник света; 2 - оптический разъем; 3, 5, 9 - коллиматоры; 4 - входной поляризатор в оправе; 6,7-держатели волокна; 8- бухта с волокном; 9 - выходной поляризатор; 11 - светоделительная пластина; 12-зеркало на пьезокерамике; 13 - зеркало на линейной подвижке; 14 -фотоприемник; 15 - осциллограф.

Для использования в качестве источника излучения выбран суперлюминесцентный эрбиевый волоконный источник, который обеспечивает высокую мощность и излучение с широким спектром, позволяющим минимизировать паразитные интерференционные картины. Измерены его амплитудная характеристика, спектр излучения, уровень избыточного шума, долговременная и кратковременная нестабильность оптической мощности, а также время прогрева. С помощью установки на основе поляризационного интерферометра Майкельсона (рис. 10) проведено измерение степени остаточной поляризации излучения волоконного суперлюминесцентного эрбиевого источника. В результате измерения установлено, что степень поляризации источника не превышает 0.1%, и его применение позволяет исключить из схемы измерения волоконный деполяризатор.

Исследованы характеристики пьезокерамических модуляторов, используемых для модуляции разности фаз между интерферирующими волнами. Для проведения измерений созданы пьезомодуляторы на основе волокна типа панда с намоткой навалом и виток к витку, а также на основе волокна с эллиптической напрягающей оболочкой с намоткой виток к витку.

я

I 0.8Л

га

■О-

¡» 0.61С

0

1

а о.4 х

к

5

Г'2*

0 0.1 1 10 100 1000 Частота модуяящ«, «(Гц

Рис. 11. Частотная характеристика пьезомодулятора на основе волокна с эллиптической напрягающей оболочкой

< 1 1 ......I......[■■■■■■ • г 5 ■■

" \

Полученные данные свидетельствуют о том, что наилучшими характеристиками обладает модулятор на основе волокна с эллиптической напрягающей оболочкой. При этом все исследуемые модуляторы обладают сильной зависимостью вносимой разности фаз от частоты с характерно выраженной частотой резонанса (на рис. 11 представлена зависимость вносимой модулятором на основе волокна с эллиптической напрягающей оболочкой разности фаз от частоты), что не позволяет их использовать для модуляции разности фаз сигналом сложной формы, необходимым для организации закрытой схемы обработки сигнала.

Рис. 12. Волоконно-оптический фазовый модулятор двулучепреломления на основе волновода в

кристалле ниобата лития

Для преодоления недостатков модуляторов на пьезокерамике автором предложен модулятор двулучепреломления на основе волновода в кристалле ниобата лития (рис. 12). Для него используется Х-срез кристалла ниобата лития, в котором поляризационные моды волновода имеют разные скорости распространения. Входное и выходное двулучепреломляющие волокна пристыковываются к кристаллу таким образом, чтобы быстрые оси волокон совпадали с быстрой осью волновода. При стыковке каждого волокна и кристалла используется скос для минимизации отражений на границе раздела сред волокна и кристалла, показатели преломления которых сильно отличаются. В предложенном модуляторе разность фаз вноситься за счет отличия электрооптических коэффициентов для быстрой и медленной осей волновода в ниобате лития. Такой модулятор создан в результате сотрудничества с лабораторией А. В. Шамрая в Физико-Техническом институте. Проведенные автором исследования показали, что вносимая им разность фаз не зависит от частоты в диапазоне 0..1 МГц, что делает модулятор пригодным для организации работы обратных связей в измерителе тока, позволяет уменьшить длину волоконной линии задержки, а также у модулятора сравнительно низкое полуволновое напряжение 9,5 В и пренебрежимо малая перекачка поляризационных мод.

Таким образом, результаты исследования позволяют создавать более точные и с большим динамическим диапазоном волоконно-оптические измерители электрического тока.

В четвертой главе приводятся методики испытания созданного на основе исследований макета ВОДГ, результаты измерений, а также исследование чувствительности волоконной линии задержки к магнитному полю и способ компенсации такой чувствительности для волоконных кольцевых контуров.

Для испытания разработанного ВОДТ создана установка, симулирующая в лабораторных условиях протекание по проводнику больших токов, которая также позволяет проводить лабораторные работы по изучению эффекта Фарадея для студентов. Установка позволяет создавать эквивалентные токи до 15 кА и измерять их с точностью (0.05%+18мкА) с помощью прецизионного амперметра DM3051 фирмы Rigol.

интегральный

вопновед

В процессе измерения сила тока, создаваемая в установке, ступенчато изменялась в доступном диапазоне, и информация с макета измерителя тока и амперметра записывалась на ПК с частотой 1 Гц. В результате обработки полученной информации получены данные, представленные на рис. 13. Для приблизительной оценки погрешности макета рассматриваются отсчеты, в которых сила тока была постоянна, и по ним видно, что в исследуемом диапазоне в абсолютная погрешность не превышает 5А, а относительная для средних и больших токов диапазона меньше 0.1%.

1п< Сигнал измерителя тока и амперметра

1.5 < 1

3 0.5

е о

" -0.5

2 2.5 3 3.5 4 4.5

Отсчет

Абсолютная разница сигналов измерителя тока и амперметра

Относительная разница сигналов измерителя тока и амперметра

0.2 - ---------------- - - - - - -----------

0.1 £ О -0.1

■°'2 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Отсчет х10<

Рис. 13. Результаты испытания макета измерителя тока

Известно, что в интерферометре с обратным отражением наиболее чувствительным к внешним воздействиям является волоконная линия задержки. Она представляет собой кольцевой контур длиной несколько сотен метров из двулучепреломляющего волокна, намотанного на катушку. В процессе эксплуатации этот элемент может находиться под действием магнитных полей, создаваемых пропускаемыми по проводнику токами. Автором проведено исследование влияния магнитного поля на такой волоконный контур интерферометра в составе измерителя тока, а также, для сравнения, на кольцевой волоконный контур, который применяется в волоконно-оптическом гироскопе (ВОГ). В отличие от ВОДТ, по контуру ВОГ волны распространяются навстречу друг другу по одной оси двулучепреломляющего волокна.

Нежелательная чувствительность таких кольцевых контуров к магнитному полю, направленному в перпендикулярной оси катушки плоскости, обусловливается тем, что при намотке волокна возникают места, где оно скручено вдоль своей оси. В этих местах винтообразная деформация приводит к тому, что собственные ортогональные поляризационные моды волокна из линейных становятся эллиптическими, причем с противоположным направлением вращения вектора напряженности поля волны. В продольном распространению света магнитном поле волны с таким состоянием поляризации согласно невзаимиому эффекту Фарадея имеют разные скорости. Тот же эффект проявляется и для волн, распространяющихся в противоположных направлениях. Это приводит к тому, что к фазовому сдвигу между волнами, несущему информацию о силе тока в ВОДТ или о вращении в ВОГ, добавляется паразитный фазовый сдвиг,

обусловленный магнитным полем. При этом места скрутки волокна могут располагаться случайным образом, и чувствительность контура к параллельному оси катушки магнитному полю зависит от ориентации по отношению к нему вектора магнитного поля.

При воздействии магнитного поля, параллельного оси катушки, в случае ВОГ проявляется другой магнитооптический эффект, представляющий собой расщепление траекторий распространения встречно бегущих волн, при этом вносимая им паразитная разность фаз теоретически может существенно превышать разность фаз от эффекта Фарадея. В случае ВОДТ за счет распространения волн в прямом и обратном направлении со сменой положения в осях двулучепреломляющего волокна предположительно такой эффект должен компенсироваться.

Положение, град.

730

С

рх

[ 710 700

......1 п .............../V

уу^у.-.

........[.......1.............. ......................1......

2000 4000 6000 В00О 10000 12000 14000 16000 1аою Отсчеты

Рис. 14. Результаты измерения чувствительности ВОДТ к магнитному полю

3

а

Отсчеты

Рис. 15. Результаты измерения чувствительности ВОГ к магнитному полю Для проведения измерений создана установка на основе катушки Гепьмгольца, создающая практически однородное магнитное поле с максимальной индукцией 10"3 Тл. В нее поочередно помещались волоконно-оптическая линия задержки ВОДТ длиной 300 м и кольцевой контур ВОГ длиной 1500 м. Для магнитного поля, направленного параллельно оси катушки, измерение проводилось несколько раз при различных положениях, но зависимости от положения при этом не наблюдалось. Так как места скрутки волокна располагаются случайным образом, чувствительность к магнитному полю в перпендикулярной оси катушки плоскости исследовалась для различных положений интерферометра и вектора индукции магнитного поля. Для нахождения области максимума чувствительности использовался шаг 45°, далее в этой области измерения произведены с шагом 15°. Измерения проводились по следующему циклу: сначала измеритель работает без воздействия магнитного поля, потом к нему прикладывается магнитное поле в одном направлении, после этого измеритель опять работает без поля, и после этого к нему прикладывается магнитное поле в противоположном направлении, после чего производится поворот волоконного контура на заданный угол и операции повторяются сначала (рис. 14,15).

В случае приложения поля в перпендикулярной оси катушки плоскости максимальная чувствительность составила 0,95 мкрад/(10"3Тл) для ВОГ, у которого намотка производилась тщательным образом на специальном станке, и 35 мкрад/(10 Тл) для ВОДТ, линия задержки которого наматывалась вручную. Такая разность фаз превышает минимальное значение разности фаз, измеряемой приборами, и вносит

значительную ошибку в измерения. Даже влияние магнитного поля Земли (около 10"5Тл) может оказывать влияние на измерения, что требует принятия меры по уменьшению чувствительности волоконного контура к магнитному полю. Например, это может быть обеспечено магнитным экранированием контура или принятием специальных мер от скручивания волокна при намотке. В случае же приложения поля параллельно оси катушки, максимальная чувствительность составила 12,8 мкрад/(10"5Тл) для ВОГ, а для ВОДТ влияние магнитного поля не наблюдалось. Для ВОГ это усиливает требования по принятию мер защиты от вносимой магнитным полем погрешности, а в случае ВОДТ говорит верности теоретического предположения.

Точка, в которой (>В икручпйается на угол А

Направление, в кагором чувствительность к шгнттту нолю ьпухини.'п.ии

Виток ОВ

- Точка, в которой ОВ фпксмрчется

Рис. 16. Схема скручивания еитка ОВ для компенсации влияния магнитного поля

Для компенсации чувствительности кольцевого контура из двулучепреломляющего волокна к магнитному полю в перпендикулярной оси катушки плоскости предложен оригинальный метод. Он основан на скручивание крайних витков оптического волокна (ОВ) в катушке особым образом. Для этого сначала находится направление максимальной чувствительности кольцевого контура к магнитному полю и измеряется эта чувствительность, а потом производится закручивание одного или нескольких витков на соответствующий чувствительности угол А, как показано на рис. 16.

Проведен расчет с целью определить масштаб эффекта от закручивания одного витка на угол А = 90°. Выражая разность постоянных распространения ДД' через длину биения /д для двулучепреломляющего волокна, учитывая скорость скрутки /„(г) при закручивают волокна в витке на 90°:

и подставляя в выражение для вносимой направленным в плоскости, перпендикулярной оси катушки, однородным магнитным В полем:

Аа,, - Г/М-собС—)-(к

дд I V •

получено, что при индукции магнитного поля 10"3 Тл, в контур вносится разность фаз:

»•я

Др = У'В'1е • [ соб(£) • еЬ = 2'У'В'1« = 1,1459 • 1(Г6 рад. л-к л

Это показывает, что скручивание всего лишь одного витка на четверть оборота вносит достаточно сильный эффект, сравнимый с чувствительностью волоконного контура к магнитному полю. Для компенсации влияния магнитного поля на исследуемый ВОГ вполне достаточно одного витка волокна, закрученного на соответствующий угол, а для макета ВОДТ нескольких витков, закрученных на соответствующее число полных оборотов.

По предложенной методике успешно выполнена компенсация чувствительности волоконной линии задержки в макете измерителя тока. Отсутствие чувствительности к магнитному полю во всех направлениях достигнуто в результате скручивания на 4 оборота двух крайних в намотке катушки волоконных витков, что соответствует расчетному значению.

Таким образом, созданный макет позволяет продемонстрировать работу измерителя, построенного по предложенной автором конфигурации и с использованием созданных и исследованных составных частей А предложенный метод позволяет минимизировать негативное влияние на измерение магнитных полей.

В заключении приведены основные выводы и результаты исследования, изложены перспективные вопросы дальнейших исследований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Создан новый интерферометрический метод измерения электрического тока с двумя обратными связями.

2. Создана новая методика изготовления волоконного вазового элемента, преобразующего свет с линейной поляризацией в свет, поляризованный по кругу.

3. Измерена степень поляризации волоконного суперлюминесцентного эрбиевого источника, и установлено, что при его использовании можно исключить из интерферометрической схемы волоконный деполяризатор.

4. Исследованы свойства предложенного волоконно-оптического модулятора двулучепреломления на основе волновода в кристалле ниобата лития, который позволяет модулировать разность фаз между двумя световыми волнами сигналом с широким спектром.

5. Создан оригинальный метод компенсации чувствительности кольцевого контура из двулучепреломлягащего волокна к однородному магнитному полю, направленному в перпендикулярной оси катушки плоскости.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В

СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ: Публикации в журналах из перечня ВАК:

1. Дейнека И. Г., Шрамко О. А., Тараканов С. А. Изучение магнитооптического эффекта Фарадея // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. №49. Оптотехника и оптические материалы. Труды молодых ученых. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. с. 84-89.

2. Олехнович Р. О., Тараканов С. А., Изучение изменения сигнала волоконно-оптического гироскопа, вызванного изменением температуры окружающей среды и внешним магнитным полем // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. №49. Оптотехника и оптические материалы. Труды молодых ученых. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. с. 164-174.

3. Мешковский И. К., Стригалев В. Е., Тараканов С. А. Закрытая схема обработки сигнала в волоконно-оптическом датчике тока // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. №65. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. с. 10-15.

Изобретения:

4. Мешковский И. К., Стригалев В. Е., Тараканов С. А. Волоконно-оптический датчик тока (справка о приоритете заявки на изобретение №2010115761 от 20.04.2010 г., приоритет от 20.04.2010 г.)

Прочие публикации:

5. Тараканов С. А. Разработка волоконно-оптического датчика тока // Тринадцатая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов. Аннотации научных работ победителей конкурса грантов Санкг-Петербурга 2008 года для студентов, аспирантов, молодых ученых и молодых кандидатов наук. СПб.: Фонд «ГАУДЕАМУС», 2008. с. 133.

6. Тараканов С. А. Разработка волоконно-оптического датчика магнитного поля и тока II Сборник трудов конференции молодых ученых. Выпуск 1. Оптотехника и оптические материалы. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009. с.246-249.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении "Университетские телекоммуникации" 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр. д. 49 Тел. (812) 2334669 Объем 1 п. л. Тираж 100 экз.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Физические явления, пригодные для измерения силы электрического тока с помощью волоконно-оптического датчика.

Способы регистрации эффекта Фарадея в волоконно-оптических датчиках тока.

Эффект Фарадея.

Геометрия волоконного контура.

Поляриметрический ВОДТ.

Поляриметрический ВОДТ с четырьмя фотодетекторами.

Резонансный тип поляриметрического ВОДТ.

ВОДТ с периодическим полем.

ВОДТ по схеме Санъяка.

ВОДТ по схеме с обратным отралсением.

Анализ применяемой модуляции.

Выводы по 1 главе.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ ВОДТ.

Введение закрытой схемы обработки сигнала.

Введение контроля работы модулятора.

Источник деполяризованного излучения.

Волоконная линия задержки и модулятор двулучепреломления.

Концепция построения ВОДТ.

Моделирование работы закрытой схемы обработки сигнала.

Расчет характеристик измерителя.

Выводы по 2 главе.

ГЛАВА 3. ПОИСК ПУТЕЙ СОЗДАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ВОЛОКОННОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА.

Волокна, сохраняющие циркулярную поляризацию.

Фазовый элемент.

Волоконно-оптическое зеркало.

Волоконный разветвитель.

Волоконный поляризатор.

Линейно двулучепреломляющее оптическое волокно.

Вносимые потери.

Длина биений.

Н-параметр.

Низкокогерентный источник излучения.

Основные характеристики.

Амплитудная характеристика.

Спектр излучения.

Стабильность оптической мощности.

Поляризационные свойства источника излучения.

БЛОК ОБРАБОТКИ. пьезокерамический модулятор двулучепреломления.

Интегрально-оптический модулятор двулучепреломления.

Выводы по 3 главе.

ГЛАВА 4. СОЗДАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ МАКЕТА ВОДТ.

Сборка и настройка макета датчика.

Исследование видности интерференционной картины ВОДТ.

Создание испытательной установки для ВОДТ и лабораторной установки для исследования эффекта Фарадея.

Результаты испытаний ВОДТ.

Чувствительность кольцевого контура к магнитному полю.

Выводы по 4 главе.

Эффективное энергопотребление является одним из основных направлений развития современной техники. Актуальность этого направления деятельности человечества вызвало большой интерес к прецизионным методам и приборам для измерений основных параметров электрических генерирующих, транспортирующих и распределяющих устройств.

Одним из таких параметров является величина протекающего через устройства электрического тока. Основным недостатком используемых сейчас систем измерения тока являются характеристики первичных преобразователей — высоковольтных трансформаторов тока. Они требуют трудоемкого регулярного обслуживания, их погрешность зависит от режима нагрузки и имеет свойство накопления дополнительной погрешности, пригодны они только для измерения переменного тока. Также для анализа сигналов с первичных преобразователей используются электросчетчики, показания которых сильно зависят от качества электроэнергии. В качестве замены первичного преобразователя, можно рассмотреть распространившиеся в последнее время датчики на основе эффекта Холла, которые позволяют измерять постоянный ток и имеют большую точность, чем трансформаторы тока. Но общим недостатком измерительных трансформаторов и датчиков Холла является наличие эффекта насыщения, сильно ограничивающего диапазон измеряемых токов.

В настоящее время благодаря развитию волоконно-оптических технологий появились волоконные измерители тока. Они объединяют многие достоинства измерительных трансформаторов и датчиков на основе эффекта Холла, не имея в то же время присущих им недостатков.

ВОДТ являются оптимальным решением большинства задач, возникающих при измерении силы тока. Они обеспечивают прецизионные измерения в большом диапазоне измеряемых токов, позволяют обрабатывать сигнал в режиме реального времени, обеспечивая достоверность, 5 повторяемость и высокую точность измерений независимо от параметров анализируемого сигнала. ВОДТ обеспечивают электромагнитную совместимость с высоковольтным оборудованием, а также не требуют использования анализаторов сигналов первичного преобразователя, так как непосредственно выдают информацию об измеряемом токе. При этом они лишены актуальных для России проблем с установкой и последующей эксплуатацией датчиков. блок обработки чувствительный элемент защелка витка соединительный кабель проводник с током

Рис. 1. Конструкция ВОДТ

Конструктивно ВОДТ стоит из двух частей: чувствительного элемента и блока обработки (рис.1). Чувствительный элемент представляет собой волоконный кабель толщиной не более 10 мм, который замыкается кольцом вокруг контролируемого проводника. При этом для некоторых модификаций датчика нет необходимости разрывать и обесточивать контролируемый проводник, что является существенным преимуществом ВОДТ. Датчиком измеряется сила тока в проводнике, который охватывает кольцо, при этом результаты измерений не зависят от других проводников с током и внешних магнитных полей. Также показания датчика не зависят от взаимного расположения кольца и проводника с током. Блок обработки и чувствительный элемент датчика соединяются оптическим кабелем необходимой для эксплуатации длины, выполняющий функцию линии связи между ними. Чувствительный элемент и волоконная линия связи не содержат токопроводящих частей, а также обеспечивается взрывобезопасность и радиационная устойчивость. Стоит также отметить, что датчик не требует регулярного обслуживания.

В настоящее время на мировом рынке представлены две компании, промышленно выпускающие ВОДТ, ниже приведены заявленные фирмами характеристики их моделей.

ABB FOCS - волоконно-оптический датчик компании ABB Switzerland (рис.2) для измерения постоянного тока до 500 кА имеет следующие характеристики:

• Точность измерения силы тока ±1%

• Динамический диапазон измеряемых токов от 0 до ±500 кА

• Частота измерений силы тока 4 кГц

• Чувствительность к изменению температуры < ±0.002 % на °С

Рис.2. Датчик тока ABB FOCS [1]

NXCT-F3 - прибор для измерения переменного тока в сетях до 100 кА производится компанией NxtPhase Corporation (рис. 3) и имеет следующие параметры:

• Точность измерения силы тока превосходит IEC Class 0.2, 0.2S и IEEE Class 0.3

• Динамический диапазон измеряемых токов по умолчанию от 100А до 100 кА и регулируется по желанию заказчика

• Частотный диапазон измеряемых токов от 0.5 Гц до 6 кГц

• Температурный диапазон работы датчика, установленного на проводнике с током от -40 до 80 ()С

Рис. 3. Внешний вид датчика тока NXCT-F3 [2]

Цели и задачи диссертации

Целью работы является создание интерференционного метода измерения силы электрического тока с точностью не хуже 0.1% и динамическим диапазоном не хуже 10е на основе волоконно-оптических технологий. В качестве задач диссертации можно выделить разработку концепции измерителя, поиск путей создания и исследование составных элементов датчика, исследование макета прибора.

Научная новизна

• предложен новый интерференционный метод измерения электрического тока с использованием двух обратных связей, который позволяет работать волоконному интерферометру в точке с максимальной чувствительностью при большом диапазоне измеряемых токов, обеспечивает линейность выходного сигнала и контроль работы модулятора двулучепреломления;

• предложена и экспериментально подтверждена новая методика изготовления волоконного фазового элемента, преобразующего свет с линейной поляризацией в свет с циркулярной поляризацией, обеспечивающая точность изготовления за счет контроля вносимой элементом разности фаз в процессе изготовления;

• экспериментально обосновано применение эрбиевого суперлюминесцентного волоконно-оптического источника с низкой степенью поляризации излучения, который позволяет исключить из конфигурации интерферометра по схеме с обратным отражением волоконный деполяризатор, уменьшая при этом количество соединений оптического волокна и увеличивая, таким образом, точность измерений;

• предложен и исследован интегрально-оптический модулятор на основе волновода в кристалле ниобата лития для модуляции разности фаз ортогонально поляризованных волн, который позволяет управлять разностью фаз сигналом сложной формы и уменьшить длину волоконной линии задержки.

• предложена и экспериментально подтверждена оригинальная методика компенсации чувствительности кольцевого контура из двулучепреломляющего волокна, намотанного на катушку, к однородному магнитному полю, приложенному в плоскости, перпендикулярной оси катушки.

Объект исследования

Объектом исследования является волоконно-оптический интерферометр, содержащий источник и приемник излучения, волокна с сохранением линейной и циркулярной поляризации, разветвитель, поляризатор, модулятор двулучепреломления, фазовый элемент и зеркало.

Достоверность научных положений

Результаты исследования компьютерной модели и предложенных методик согласуются с практическими результатами.

Научные положения, выносимые на защиту

• концепция построения интерференционного измерителя электрического тока с двумя обратными связями;

• методика создания волоконного фазового элемента;

• применение эрбиевого суперлюминесцентного волоконно-оптического источника с низкой степенью поляризации излучения, позволяющего исключить из схемы измерения волоконный деполяризатор;

• применение модулятора двулучепреломления на основе волновода в кристалле ниобата лития, позволяющего в схеме измерения управлять разностью фаз двух волн сигналом сложной формы и уменьшить длину линии задержки;

• методика компенсации чувствительности кольцевого контура из двулучепреломляющего волокна к магнитному полю, приложенному в перпендикулярной оси катушки плоскости.

Практическая ценность результатов

Заключается в решении важных производственных и технологических задач, которые возникают при измерении силы электрического тока в производстве, транспортировке и распределении электроэнергии, а также в других областях, в которых необходимо измерение больших токов.

Область применения результатов

Измерение электрического тока в электроэнергетике, при выплавке металлов электрическим током и электролизе, в исследовательской деятельности.

Список публикаций

По материалам диссертационной работы опубликованы следующие материалы:

Публикации в журналах из перечня ВАК:

1. Дейнека И. Г., Шрамко О. А., Тараканов С. А. Изучение магнитооптического эффекта Фарадея // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. №49. Оптотехника и оптические материалы. Труды молодых ученых. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. с. 84-89.

2. Олехнович Р. О., Тараканов С. А., Изучение изменения сигнала волоконно-оптического гироскопа, вызванного изменением температуры окружающей среды и внешним магнитным полем // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. №49. Оптотехника и оптические материалы. Труды молодых ученых. — СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. с. 164-174.

3. Мешковский И. К., Стригалев В. Е., Тараканов С. А. Закрытая схема обработки сигнала в волоконно-оптическом датчике тока // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. №65. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. с. 10-15.

Изобретения:

4. Мешковский И. К., Стригалев В. Е., Тараканов С. А. Волоконно-оптический датчик тока (справка о приоритете заявки на изобретение №2010115761 от 20.04.2010 г., приоритет от 20.04.2010 г.)

Прочие публикации:

5. Тараканов С. А. Разработка волоконно-оптического датчика тока // Тринадцатая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов. Аннотации научных работ победителей конкурса грантов Санкт-Петербурга 2008 года для студентов, аспирантов, молодых ученых и молодых кандидатов наук. СПб.: Фонд «ГАУДЕАМУС», 2008. с. 133.

6. Тараканов С. А. Разработка волоконно-оптического датчика магиитного поля и тока // Сборник трудов конференции молодых ученых. Выпуск 1. Оптотехника и оптические материалы. — СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009. с.246-249.

Апробация и внедрение результатов

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XXXVII, XXXVIII и XXXIX научных и учебно-методических конференциях СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2008, 2009, 2010), на XI конференции молодых ученых "Навигация и управление движением" (Санкт-Петербург, 2009) и на V, VI и VII Всероссийских межвузовских конференциях молодых ученых (Санкт-Петербург, 2008, 2009, 2010).

На основании конкурса грантов комитета по науке и высшей школе правительства Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых и молодых кандидатов наук 2008 г. получен грант по теме «Разработка волоконно-оптического датчика тока». На основании конкурсного отбора работ молодых ученых по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» в течение года проводится НИОКР по теме «Разработка волоконно-оптического датчика магнитного поля и тока».

На кафедре Физики и техники оптической связи ГОУ ВПО Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики создан рабочий макет волоконно-оптического измерителя тока с двумя обратными связями.

В результате проведенного исследования на волоконно-оптический измеритель тока с применением двух обратных связей подана заявка на патент.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста с рисунками и таблицами, библиография включает 60 наименований.

Выводы по 4 главе

Таким образом, созданный макет позволяет продемонстрировать работу измерителя, построенного по предложенной автором конфигурации и с использованием созданных и исследованных составных частей. А предложенный метод позволяет минимизировать негативное влияние на измерение магнитных полей.

Заключение

В результате представленного диссертационного исследования получены следующие основные результаты:

1. Создан новый интерферомегрический метод измерения электрического тока с двумя обратными связями.

2. Создана новая методика изготовления волоконного вазового элемента, преобразующего свет с линейной поляризацией в свет, поляризованный по кругу.

3. Измерена степень поляризации волоконного суперлюминесцентного эрбиевого источника, и установлено, что при его использовании можно исключить из интерферомстрической схемы волоконный деполяризатор.

4. Исследованы свойства предложенного волоконно-оптического модулятора двулучепреломления на основе волновода в кристалле ниобата лития, который позволяет модулировать разность фаз между двумя световыми волнами сигналом с широким спектром.

5. Создан оригинальный метод компенсации чувствительности кольцевого контура из двулучепреломляющего волокна к однородному магнитному полю, направленному в перпендикулярной оси катушки плоскости.

Перспективными вопросами дальнейших исследований остаются способы дальнейшего повышения стабильности показаний прибора в изменяющихся внешних условиях, таких как вибрации и изменение температуры.

1. ABB Switzerland Fiber-Optic Current Sensor Электронный ресурс. / The ABB Group. - Режим доступа: http://www.abb.com/product/seitp322/ 87658a38b941842dcl256f480034cl lc.aspx, свободный. - Загл. с экрана. -Яз. анг.

2. NxtPhase NXCT-F3 Электронный ресурс. / NxtPhase T&D Corporation. -Режим доступа: http://www.nxtphase.com/sub-products-opticalnxct-G.htm, свободный. Загл. с экрана. - Яз. анг.

3. А. Соколов, В. Яцеев Волоконно-оптические датчики и системы: принципы построения, возможности и перспективы // Lightwave. Russian Edition, 2006, №4, с. 44-46.

4. Ю.В. Гуляев, С.А. Никитов, В.Т. Потапов, Ю.К. Чаморовский Волоконно-оптические технологии, устройства, датчики и системы // Спецвыпуск «Фотон-экспресс». -М.: Наука, 2005, №6, с. 114-127.

5. S. Donati, V. Annovazzi-Lod, Т. Tambosso Magneto-optical fibre sensors for electrical industry: analysis of performances // IEE PROCEEDINGS, 1988, vol. 135, no. 5, pp. 372-382.

6. M. N. Rzewuski, M. Z. Tarnawecky Unconventional methods of current detection and measurement in EHV and UHV transmission systems // IEEE Trans. Inst, and Mcas., 1975, IM-24, pp. 43-51.

7. Freiser M. J. Survey of magneto-optic effects // IEEE Trans. Magn., 1968, MAG4, pp. 152-161.

8. Pershan P.S. Magneto-optical effects // J. Appl. Phys., 1967, no. 38, pp. 14821490.

9. Donati S. Interferometry by induced modulation of cavity field // J. Appl. Phys., 1978, no. 49, pp. 495-498.

10. L. Dziuda, P. Niewczas, J. R. McDonald Hybrid Fiber-Optic Current Sensor for Remote Monitoring of Electrical Submersible Plant // Sensors 2005 IEEE, pp. 1100-1103.

11. C. Shi, J. Chen, G. Wu, X. Li, J. Zhou, F. Ou Stable dynamic detection scheme for magnetostrictive fiber-optic interferometric sensors // Opt. Express, 2006, no. 14, pp. 5098-5102.

12. A. Dandridge, A. B. Tveten, T. G. Giallorenzi Interferometric current sensors using optical fibers // Electron. Lett., 1981, no. 17, pp. 523-525.

13. X. Fang, A. Wang, R. G. May, R. O. Claus A Reciprocal-Compensated Fiberoptic Electric Current Sensor // Journal of Lightwave Technology, 1994, vol. 12, no. 10, pp. 1882- 1890.

14. Kyuma, K. Shuichi Tai Nunoshita, M. Takioka, T. Ida, Y. Fiber Optic Measuring System for Electric Current by Using a Magnetooptic Sensor // Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on Oct. 1982, vol. 30, no. 10, pp. 1607-1611.

15. F.Y.C. Leung, W.C.K. Chiu, and M.S. Demokan Fiber-Optic Current Sensor Developed for Power System Measurement // IEE Conference on Advances in Power System Control, Opreation And Management, 1991, pp. 637-643.

16. X. Dong, С. B. Chu, К. H. Kong, K. S. Chiang Phase Drift Compensation for Electric Current Sensor Employing a Twisted Fiber or a Spun Highly Birefringent Fiber // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2000, vol. 6, no. 5, pp. 803-809.

17. P. Mihailovic, S. Petricevic, Z. Stojkovic, J. B. Radunovic Development of a Portable Fiber-Optic Current Sensor for Power Systems Monitoring // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2004, vol.53, no. 1, pp. 2430.

18. M. Takahashi, K. Sasaki, K. Terai Optical current sensor for DC measurement

19. Transmission and Distribution Conference and Exhibition 2002: Asia Pacific. IEEE, 2002, vol. 1, pp. 440 443.

20. P. Menke, T. Bosselmann Temperature Compensation in Magnetooptic AC Current Sensors Using an Intelligent AC-DC Signal Evaluation // Journal of Lightwave Technology, 1995, vol. 13, no. 7, pp. 1362-1370.

21. T. W. MacDougall, D. R. Lutz, and R A. Wandmacher Development of a Fiber Optic Current Sensor for Power Systems // IEEE Trans. Power Delivery, 1992, vol. 7, no. 2, pp. 848-852.

22. Kurosawa K., Shirakawa K., Kikuchi T. Development of Optical Fiber Current Sensors and Their Applications // Transmission and Distribution Conference and Exhibition: Asia and Pacific, 2005 IEEE/PES, 2005, pp. 1-6.

23. T. Yoshino Theory for the Faraday effect in optical fiber // J. Opt. Soc. Am. 2005, vol. 22, no. 9, pp. 1856-1860.

24. A. D. Kersey Fiber Optic Current Sensor Based on Faraday Rotation in a Resonant Fiber Ring // Lasers and Electro-Optics Society Annual Meeting. Conference Proceedings. LEOS '88, 1988, pp. 281-282.

25. W. Chu, D. McStay, A. J. Rogers Current sensing by mode coupling in fibre via the Faraday effect // Electron. Lett., 1991, vol. 27, no. 3, pp. 207-208.

26. Chu, W. McStay, D. Rogers, A.J. Magneto-optic current sensor using a highly-linear birefringent optical fibre // Fibre Optics Sensor Technology, IEE Colloquium on Issue Date: 29 May, 1992, pp. 7/1 7/3.

27. J. Blake, P. Tantaswadi, R. T. de Carvalho In-Line Sagnac Interferometer Current Sensor // IEEE Transactions on Power Delivery, 1996, vol. 11, no. 1, pp. 116-121.

28. Nicati P.-A., Robert Ph. Stabilized Sagnac Optical Fiber Current Sensor Using One Phase And Two Amplitude Modulations // Optical Fiber Sensors Conference, 1992. 8th Issue Date, 1992, pp. 402 405.

29. H. ICang, S. M. Lee, S. Back, D. Y. Lee, K. S. Lee The Stabilization of Current Sensor using Optical Fiber Sagnac Interferometer // Lasers and Electro-Optics Society Annual Meeting. LEOS 2000. 13th Annual Meeting. IEEE, 2000,vol. 2, pp. 466-467.

30. Lin, Hermann; Lin, Wuu-Wen; Chen, Mao-Hsiung Modified In-Line Sagnac Interferometer with Passive Demodulation Technique for Environmental Immunity of a Fibcr-Optic Current Sensor // Applied Optics, 1999, vol. 38, no. 13, pp.2760-2766.

31. K. Bohnert, H. Brandle, M. G. Brunzel, P. Gabus, P. Guggenbach Highly Accurate Fiber-Optic DC Current Sensor for the Electrowinning Industry // IEEE/IAS Transactions on Industry Applications, 2007, vol. 43, pp. 180-187.

32. A. Yu, A. S. Siddiqui Practical Sagnac interferometer based fibre optic current sensor// IEE Proc.-Optoelectron., 1994, vol. 141, no. 4, pp. 249-256.

33. И. Lin, W. Lin, M. Chen Modified in-line Sagnac interferometer with passive demodulation technique for environmental immunity of a fiber-optic current sensor// Applied Optics,-1999, vol. 38, no. 13, pp. 2760-2766.

34. A. J. Rogers, Jincheng Xu, and Jialini Yao Vibration Immunity for Optical-Fiber Current Measurement // Journal of Lightwave Technology, 1995, vol. 13, no. 7, pp. 1371 1377.

35. R.I. Laming, D.N. Payne Electric Current Sensors Employing Spun Highly Birefringent Optical Fibers // Journal of Lightwave Technology, 1989, vol. 7. no. 12, pp. 2084-2094.

36. R T. de Carvalho, J. Blake, and G. Sanders // Sagnac Interferometry for Measurements of True Non-Reciprocal Effect // Proc. SPIE, 1993, vol. 2070, pp. 264-269.

37. Short, Shayne X; Tselikov, Alexandr A; Arruda, Josiel U de; Blake, James N Imperfect Quarter-Waveplate Compensation in Sagnac Interferometer-Type Current Sensors // Journal of Lightwave Technology, 1998, vol. 16, no 7, pp.1212-1219.

38. K. Bohnert, H. Brandle, and G. Frosio Field Test of Interferometric Optical Fiber High-Voltage and Current Sensors // Tenth International Conference on Optical Fibre Sensors, B. Culshaw, J. D. C. Jones, Editors, Proc SPIE 2360, 1994, pp. 16-19.

39. G. Frosio and R. Dandliker Reciprocal Reflection Interferometer for a Fiberoptic Faraday Current Sensor // Applied Optics, 1994, vol. 33, no. 25, pp. 6111-6122.

40. B. Jiao, Z. Wang, F. Liu, W. Bi, Interferometric Fiber-Optic Current Sensor with Phase Conjugate Reflector // IEEE International Conference on Information Acquisition, 2006, pp.707-711.

41. E. Некрашевич, H. Старостин Волоконно-оптические датчики тока // Электронные компоненты, 2006, №11, с. 76-77.

42. Тараканов С. А. Разработка волоконно-оптического датчика магнитного поля и тока // Сборник трудов конференции молодых ученых. Выпуск 1. Оптотехника и оптические материалы. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009. с.246-249.

43. Мешковский И. К., Стригалев В. Е., Тараканов С. А. Волоконно-оптический датчик тока (справка о приоритете заявки на изобретение №2010115761 от 20.04.2010 г., приоритет от 20.04.2010 г.).

44. Мешковский И. К., Стригалев В. Е., Тараканов С. А. Закрытая схема обработки сигнала в волоконно-оптическом датчике тока // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. №65. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. с. 10-15.

45. Yoshino, Т. Kurosawa, К. Itoh, К. Ose, Т. Fiber-Optic Fabry-Perot Interferometer and its Sensor Applications // Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on Issue Date, 1982, vol. 30, no. 10, pp. 1612-1621.

46. K. P. Koo, A. Dandridge, A. B. Tveten, G. FI. Sigel Jr. A Fiber-optic DC Magnetometer // Journal of Lightwave Technology, 1983, vol. LT-1, no. 3,pp. 524-525.

47. Haywood, J.H. Bassett, I.M. Matar, M. Application of the NIMI technique to the 3x3 Sagnac fibre optic current sensor experimental results // Optical Fiber Sensors Conference Technical Digest. OFS 2002, 15th Issue Date, 2002, vol. I, pp. 553 - 556.

48. H. Lefevre The Fiber-Optic Gyroscope. Artech House, London, 1992, 314 p.

49. Li L., Qian J.-R., Payne D.N. Current sensors using highly birefringent bow-tie fibres // Electronics Letters, 2007, vol. 22, no. 21, pp. 1142 1144.

50. D. Tang, A. H. Rose, G. W. Day, S. M. Etzel Annealing of Linear Birefringence in Single-Mode Fiber Coils: Applications to Optical Fiber urrent Sensors // Journal of Lightwave Technology, 1991, vol. 9, pp. 1031-1037.

51. Randy P. Goettsche, Karl A. Fetting, Glen A. Sanders, John H. Shannon, Tracy L. Hawk Method for fabrication of an all fiber polarization retardation device / NxtPhase Technologies, SRL // US Pat. 6535654, Filed Dec 29 1998, Published March 18,2003.

52. A. Yariv and P. Yeh, Optical Waves in Crystals, New York John Wiley & Sons, 1984, pp. 94-147.

53. Felix P. Kapron et al. Birefringence in dielectric optical waveguide // J. Quantum Electronics, 1972, vol. QE-8, no. 2, pp.222-225.

54. Дейнека И. Г., Шрамко О. А., Тараканов С. А. Изучение магнитооптического эффекта Фарадея // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. №49. Оптотехника и оптические материалы. Труды молодых ученых. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. с. 84-89.