способ измерения переменного электрического тока и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения переменного электрического тока, в котором поляризованный световой сигнал пропускают, по меньшей мере, один раз через магнитооптический чувствительный элемент в виде закрученного вдоль направления распространения излучения одномодового оптического волокна с фиксирующими соединителями на концах, прошедший через чувствительный элемент световой сигнал делят на две пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих, отличающиеся друг от друга угловой ориентацией, все составляющие преобразуют в нормированные по интенсивности электрические сигналы, определяют на выходе чувствительного элемента азимутальный угол и угол эллиптичности поляризации светового сигнала, формируют измерительный сигнал с учетом угла ориентации между парами и по нему находят измеряемую величину, отличающийся тем, что в процессе измерений дополнительно определяют двулучепреломление в выходном фиксирующем соединителе оптического волокна и, используя его, находят состояние поляризации светового сигнала в конце волокна перед выходным фиксирующим соединителем, которое учитывают при формировании измерительного сигнала.

2. Устройство для измерения переменного электрического тока, включающее оптически связанные магнитооптический чувствительный элемент в виде закрученного вдоль направления распространения излучения одномодового оптического волокна с фиксирующими соединителями на концах, средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала, средство деления поляризованного светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих светового сигнала, отличающиеся угловой ориентацией, а также узел преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок формирования, выполняющий функции определения азимутального угла и угла эллиптичности поляризации светового сигнала на выходе чувствительного элемента, формирования измерительного сигнала для измеряемой величины с учетом угла ориентации между парами и определения по нему измеряемой величины, отличающееся тем, что блок формирования дополнительно выполняет функции определения двулучепреломления в выходном фиксирующем соединителе оптического волокна, а затем с его использованием состояния поляризации светового сигнала в конце волокна перед выходным фиксирующим соединителем, которое учитывается при формировании измерительного сигнала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматики.

До последнего времени замеры электрических величин в распределительных устройствах промышленных предприятий, включая электрические станции, выполняются с помощью электромагнитных трансформаторов тока, стоимость которых составляет значительную долю стоимости всего распределительного устройства. Возможности таких традиционных методов измерения уже практически полностью исчерпаны. Принципиально другой перспективный подход, основанный на использовании магнитооптического эффекта Фарадея, реализуется в оптико-электронных трансформаторах тока, применяемых в сочетании с современными цифровыми технологиями обработки сигналов и передачи данных.

Известен способ измерения переменных величин с нормированной амплитудой (см. патент Германии №19547021, МПК G 01 R 15/24, публ. 19.06.97). В известном способе поляризованный световой сигнал пропускают, по меньшей мере, один раз через датчик, изменяющий поляризацию светового сигнала в зависимости от переменной величины, прошедший через датчик световой сигнал делят на пару взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих. Далее эти составляющие преобразуют в нормированные по интенсивности электрические сигналы I₁ и I ₂, из которых выделяют постоянные составляющие I_1DC и I_2DC, соответственно, и из полученных электрических сигналов формируют измерительный сигнал М для переменной величины, который определяют из выражения

Алгоритм обработки светового сигнала, предложенный в данном способе, дает возможность частично скомпенсировать влияние температурных воздействий. Однако этот способ не обеспечивает высокую точность и стабильность измерений в реальных условиях эксплуатации, так как данное решение не позволяет устранить влияние линейного двойного лучепреломления как внутреннего (например, собственно волокна), так и наведенного, вызванного воздействием внешних факторов (изгиб, вибрации, термические напряжения и пр.), а также полностью контролировать состояние поляризации светового сигнала в процессе измерений. При этом допустимый диапазон изменения азимутального угла поляризации светового сигнала на выходе датчика (связанный с колебаниями температуры, вызванный изгибами волокна - так называемый эффект «геометрический» - и пр.) весьма мал, а эллиптичность поляризации светового сигнала вследствие влияния линейного двойного лучепреломления в чувствительном элементе датчика вообще не учитывается.

Известным устройством, реализующим данный способ, является устройство (см. патент Германии №19547021, МПК G 01 R 15/24, публ. 19.06.97), включающее оптически связанные датчик на основе магнитооптического эффекта Фарадея, изменяющий поляризацию светового сигнала в зависимости от переменной величины, средство ввода в датчик поляризованного светового сигнала, средство деления поляризованного светового сигнала на пару взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих, а также узел преобразования этих составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы I₁ и I₂ и выделения из них постоянных составляющих I_1DC и I_2DC, соответственно, и блок формирования измерительного сигнала М для переменной величины, который соответствует выражению

и определения по нему измеряемой величины.

Существенным недостатком данного устройства является невысокая точность и стабильность измерений в реальных условиях эксплуатации, связанная с неконтролируемым изменением состояния поляризации светового сигнала в процессе измерений, в частности, в результате воздействия внешних факторов (температуры, вибраций и т.д.).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ измерения переменного электрического тока (см. патент РФ №2222021, МПК G 01 R 15/24, приор. 06.08.2002 г.). В известном способе поляризованный световой сигнал пропускают, по меньшей мере, один раз через магнитооптический чувствительный элемент в виде закрученного вдоль направления распространения излучения одномодового оптического волокна с фиксирующими соединителями на концах, прошедший через чувствительный элемент световой сигнал делят на две пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих, отличающиеся друг от друга угловой ориентацией, все составляющие преобразуют в нормированные по интенсивности электрические сигналы, определяют на выходе чувствительного элемента азимутальный угол и угол эллиптичности поляризации светового сигнала, формируют измерительный сигнал с учетом угла ориентации между парами и по нему находят измеряемую величину.

Данный способ расширяет возможности контроля состояния поляризации светового сигнала в процессе измерений, в частности существенно расширяется допустимый диапазон изменения азимутального угла и частично (косвенно) учитывается угол эллиптичности поляризации светового сигнала в чувствительном элементе при обработке измерительного сигнала. Однако и этот способ не обеспечивает высокую точность и стабильность измерений в реальных условиях эксплуатации, так как не позволяет полностью учесть приводящее к заметному искажению результатов измерений влияние поляризационных эффектов в магнитооптическом чувствительном элементе.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству, реализующему данный способ, является устройство (см. патент России №2222021, МПК G 01 R 15/24, публ. 20.01.2004, Бюлл. №2), включающее оптически связанные магнитооптический чувствительный элемент в виде закрученного вдоль направления распространения излучения одномодового оптического волокна с фиксирующими соединителями на концах, средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала, средство деления поляризованного светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих светового сигнала, отличающиеся угловой ориентацией, а также узел преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок формирования, выполняющий функции определения азимутального угла и угла эллиптичности поляризации светового сигнала на выходе чувствительного элемента, формирования измерительного сигнала для измеряемой величины с учетом угла ориентации между парами и определения по нему измеряемой величины.

Существенным недостатком данного устройства является недостаточно высокая точность и стабильность измерений в реальных условиях эксплуатации, связанная с несовершенством контроля изменения состояния поляризации светового сигнала в оптическом волокне чувствительного элемента в процессе измерений.

Нами впервые было показано, что к заметному искажению результатов измерений ведет линейное двулучепреломление на концевых участках волокна - в фиксирующих соединителях и что для адекватного описания магнитооптического эффекта в оптическом волокне чувствительного элемента необходимо с использованием двух различных пар взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих измерять азимутальный угол и угол эллиптичности поляризации светового сигнала до выходного фиксирующего соединителя.

Технический эффект предложенной группы изобретений «Способ измерения переменного электрического тока и устройство для его осуществления» заключается в повышении точности и стабильности измерений в условиях реальной эксплуатации, в частности при воздействии температуры и вибраций, путем уменьшения искажения формы сигнала.

Для достижения вышеназванного технического эффекта:

- в способе измерения переменного электрического тока, в котором поляризованный световой сигнал пропускают, по меньшей мере, один раз через магнитооптический чувствительный элемент в виде закрученного вдоль направления распространения излучения одномодового оптического волокна с фиксирующими соединителями на концах, прошедший через чувствительный элемент световой сигнал делят на две пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих, отличающиеся друг от друга угловой ориентацией, все составляющие преобразуют в нормированные по интенсивности электрические сигналы, определяют на выходе чувствительного элемента азимутальный угол и угол эллиптичности поляризации светового сигнала, формируют измерительный сигнал с учетом угла ориентации между парами и по нему находят измеряемую величину, новым является то, что в процессе измерений дополнительно определяют двулучепреломление в выходном фиксирующем соединителе оптического волокна, и, используя его, находят состояние поляризации светового сигнала в конце волокна перед выходным фиксирующим соединителем, которое учитывают при формировании измерительного сигнала;

- в устройстве для измерения переменного электрического тока, включающем оптически связанные магнитооптический чувствительный элемент в виде закрученного вдоль направления распространения излучения одномодового оптического волокна с фиксирующими соединителями на концах, средство ввода в волокно поляризованного светового сигнала, средство деления поляризованного светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих светового сигнала, отличающиеся угловой ориентацией, а также узел преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок формирования, выполняющий функции определения азимутального угла и угла эллиптичности поляризации светового сигнала на выходе чувствительного элемента, формирования измерительного сигнала для измеряемой величины с учетом угла ориентации между парами и определения по нему измеряемой величины, новым является то, что блок формирования дополнительно выполняет функции определения двулучепреломления в выходном фиксирующем соединителе оптического волокна, а затем с его использованием состояния поляризации светового сигнала в конце волокна перед выходным фиксирующим соединителем, которое учитывает при формировании измерительного сигнала.

Подходы к решению задачи формирования измерительного сигнала М известны (см., например, [1]). Подходы к созданию средства ввода в магнитооптический чувствительный элемент поляризованного светового сигнала и средства деления поляризованного светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих светового сигнала известны (см., например, [2]).

На фиг.1 представлено устройство для измерения переменного электрического тока, реализующее заявленный способ, содержащее оптически связанные магнитооптический чувствительный элемент 1 в виде закрученного вдоль направления распространения излучения одномодового оптического волокна с фиксирующими соединителями (коннекторами) на концах (не показаны), изменяющий поляризацию светового сигнала в зависимости от измеряемой величины - переменного электрического тока через проводник 2, средство 3 ввода в волокно поляризованного светового сигнала, средство 4 деления поляризованного светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих светового сигнала, отличающиеся угловой ориентацией, а также узел 5 преобразования этих составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы и блок 6 формирования, выполняющий функции определения азимутального угла и угла эллиптичности поляризации светового сигнала на выходе чувствительного элемента, определения двулучепреломления в выходном фиксирующем соединителе оптического волокна, а затем состояния поляризации светового сигнала в конце волокна перед выходным фиксирующим соединителем и формирования из полученных сигналов измерительного сигнала для измеряемой величины; коллимирующую линзу 7, поляризационные делители 8 и 9, фотоэлектрические преобразователи 10-13, фильтр нижних частот для выделения переменных составляющих сигналов 14 (на примере конкретного исполнения).

i - переменный электрический ток;

I₁, I₂, I ₃, I₄ - нормированные по интенсивности электрические сигналы;

- направления передачи светового и электрического сигналов.

На фиг.2 показана используемая для наглядного графического представления состояния поляризации световых сигналов чувствительного элемента в декартовой системе координат сфера Пуанкаре [3].

L и R - полюса сферы, соответствующие лево- и правоциркулярно поляризованному свету; Н и V, Р и Q - точки на экваторе, соответствующие горизонтальной, вертикальной и под углом ±45° к экватору поляризациям, соответственно; В_in и В_out - точки пересечения со сферой осей линейных двулучепреломлений во входном и выходном коннекторах оптического волокна, соответственно; _in и _out - углы, соответствующие значениям линейных двулучепреломлений во входном и выходном коннекторах оптического волокна, соответственно; 1 - точка на сфере Пуанкаре, соответствующая линейному состоянию поляризации светового сигнала перед входным торцом оптического волокна; 2 - точка на сфере Пуанкаре, соответствующая состоянию поляризации светового сигнала после входного коннектора; 3-8 - точки сферы Пуанкаре, соответствующие состоянию поляризации светового сигнала в закрученном вдоль направления распространения излучения оптическом волокне; 9 - точка на сфере Пуанкаре, соответствующая состоянию поляризации светового сигнала после выходного коннектора; I - траектория изменения состояния поляризации светового сигнала, распространяющегося в закрученном вдоль направления распространения оптическом волокне; II - траектория изменения состояния поляризации светового сигнала после выходного коннектора; - угловая координата точки B_out (долгота).

Каждая точка на сфере Пуанкаре соответствует определенной форме поляризации и имеет координаты долготы и широты, равные соответственно удвоенным значениям азимутального угла и угла эллиптичности поляризации, а направление обхода эллипса поляризации определяется ближайшим полюсом.

На фиг.3 представлена развертка поверхности сферы Пуанкаре, показывающая изменения состояния поляризации светового сигнала после выходного коннектора в результате магнитооптического эффекта и вращения витка в начальной части волокна (эффекта «геометрического»).

Фиг.4 демонстрирует характер поведения измеренных и вычисленных поляризационных углов и относительной ошибки определения диапазона изменений азимутального угла при вращении витка в начальной части волокна.

Кривые 1 и 2 - измеренные двойные азимутальный угол и угол эллиптичности на выходе волокна (после выходного коннектора); кривые 3 и 4 - вычисленные значения этих углов до выходного коннектора; кривые 5, 6 - величина двулучепреломления выходного коннектора и угловое положение его оси; точки 7 - относительная погрешность измерения переменного электрического тока.

Фиг.5 показывает диапазон изменения состояния поляризации светового сигнала в координатах сферы Пуанкаре в результате переменного магнитооптического эффекта.

I - до выходного коннектора (расчет); II - после выходного коннектора (измерения).

На фиг.6 приведены изменения поляризационных углов при нагреве входного (а) и выходного (б) коннекторов оптического волокна.

Кривые 1 и 2 - измеренные двойные азимутальный угол и угол эллиптичности на выходе волокна (после выходного коннектора); кривые 3 и 4 - вычисленные значения этих углов до выходного коннектора; кривые 5, 6 - величина двулучепреломления выходного коннектора и угловое положение его оси; точки 7 - относительная погрешность измерения переменного электрического тока.

Опишем способ измерения переменного электрического тока на примере функционирования устройства для его осуществления (см. п.2 Формулы).

Измеряемый электрический ток i создает вокруг проводника 2 магнитное поле. При прохождении линейно поляризованного света от источника излучения средства 3 через находящийся в этом поле магнитооптический материал длиной l (чувствительный элемент 1) происходит вращение его плоскости поляризации на угол где:

V - константа Верде материала;

H ₁ - составляющая магнитного поля вдоль направления распространения света,

то есть изменяется азимутальный угол направления поляризации. При выборе в качестве чувствительного элемента 1 оптического волокна, образующего n витков вокруг проводника 2, угол поворота плоскости поляризации света на выходе волокна составит =Vni, где:

V - константа Верде материала;

i - измеряемый электрический ток.

Световой сигнал, прошедший чувствительный элемент 1 и коллимирующую линзу 7, подают на поляризационные делители 8 и 9 средства 4. При использовании одного поляризационного делителя, как правило, установленного под углом 45° к направлению поляризации падающего света, световой сигнал делится на пару взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих. В идеальном случае (при отсутствии двойных лучепреломлений, вызванных, например, термическими и механическими напряжениями), эти составляющие преобразуются в узле 5 в нормированные по интенсивности электрические сигналы I₁=I₀cos²( +45°) и I₂=I₀sin² ( +45°). Здесь сигнал I₀ соответствует интенсивности света на входе поляризационного делителя. Производя в блоке 6 операции деления разности интенсивностей на их сумму, можно сформировать измерительный сигнал, зависящий только от угла поворота плоскости поляризации, а значит и от величины измеряемого тока М=(I ₁-I₂)/(I₁+I₂)=sin(2 )=sin(2Vni), и по нему найти измеряемую величину i=arcsin(M/2Vn).

В реальной оптической системе под воздействием внутренних и внешних факторов (линейное двойное лучепреломление в чувствительном элементе, изгибы волокна - так называемый «геометрический эффект», вибрации, термические напряжения и пр.) изначально линейное состояние поляризации светового сигнала преобразуется в эллиптическое, азимутальный угол которого относительно направлений поляризационного делителя может отличаться от 45°. В итоге это ведет к смещениям «рабочей точки» и чувствительность датчика становится нестабильной, сильно зависящей от условий измерения.

Формирование измерительного сигнала с использованием других алгоритмов обработки, основанных на частичной компенсации изменения положения «рабочей точки» в результате термических или механических напряжений, не позволяет адекватно оценить изменение поляризации света в результате действия магнитооптического эффекта, поскольку учитываются относительно небольшие изменения лишь азимутального угла.

В описанном в прототипе техническом решении с чувствительным элементом в виде закрученного вдоль направления распространения излучения одномодового оптического волокна с сильным наведенным в результате закручивания циркулярным двулучепреломлением используется два поляризационных делителя, осуществляющие деление светового сигнала на две различные пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих светового сигнала, отличающиеся угловой ориентацией. Формирование измерительного сигнала из переменных и постоянных составляющих этих четырех сигналов с учетом угла ориентации между парами дает возможность определения угла поворота плоскости поляризации в неограниченном диапазоне изменений азимутального угла и лишь при небольших углах эллиптичности , вызванных линейным двулучепреломлением в выходном фиксирующем коннекторе чувствительного элемента. Поэтому это техническое решение также не позволяет точно определить переменную величину угла изменения поляризации света в результате действия магнитооптического эффекта в реальных условиях эксплуатации.

Используя сферу Пуанкаре (фиг.2), рассмотрим изменение состояния поляризации светового сигнала при прохождении чувствительного элемента и заявляемый алгоритм формирования измерительного сигнала. Под действием линейного двулучепреломления во входном коннекторе чувствительного элемента изначально линейное состояние поляризации светового сигнала (точка 1 на сфере Пуанкаре) преобразуется в эллиптическое (точка 2 на сфере Пуанкаре). При сильной наведенной активности в волокне (наведенного в результате закручивания циркулярного двулучепреломления) эллиптичность поляризации света в волокне на участке между коннекторами практически не меняется, и траектория изменения состояния поляризации светового сигнала при его распространении вдоль волокна на сфере Пуанкаре представляет собою окружность I, параллельную экватору. Общее число обходов окружности I и состояния поляризации светового сигнала перед выходным коннектором зависят от длины волокна и степени его закручивания, а также от изменения азимута поляризации вследствие проявления эффекта «геометрического» при варьировании формы витков оптического волокна в пространстве.

Для наглядности предположим, что в процессе распространения светового сигнала по волокну состояние его поляризации на сфере Пуанкаре последовательно отображается точками 2÷8 на окружности I. При этом дуги на окружности I, проходящие через эти промежуточные точки (на фиг.2 они выделены), условно отображают интегральные диапазоны изменения двойного азимутального угла поляризации света по действием переменного магнитного поля для отрезков волокна разной длины, соответствующей этим условным точкам (2÷8) на сфере.

Допустим, что точка 8 на сфере отображает состояние поляризации светового сигнала в конце волокна - перед выходным коннектором чувствительного элемента. Под действием линейного двулучепреломления в выходном коннекторе стояние поляризации светового сигнала вновь изменится и будет соответствовать точке 9 на сфере Пуанкаре. Аналогично и дуга, проходящая через точку 8 на окружности I и условно отображающая интегральный диапазон изменения двойного азимутального угла поляризации света по действием переменного магнитного поля, перейдет в дугу с точкой 9 на окружности II, уже не параллельной экватору.

Таким образом, на выходе чувствительного элемента в общем случае результатом действия эффекта Фарадея будет модуляция как азимутального угла поляризации, так и угла эллиптичности. Диапазоны изменений этих углов зависят от состояния поляризации светового сигнала после выходного коннектора, то есть графически - от конкретного положения на окружности II сферы Пуанкаре, что значительно усложняет анализ результатов измерений переменного электрического тока.

Для правильной интерпретации результатов измерений необходимо иметь информацию об эллиптичности поляризации (азимутальном угле и угле эллиптичности ) светового сигнала в волокне после входного коннектора (точка 2 на сфере Пуанкаре). Такая информация может быть получена нами в процессе дополнительных измерений.

Заявленное решение требует дополнительного непрерывного, одновременно с измерением электрического тока, процесса измерения двулучепреломления в выходном фиксирующем соединителе оптического волокна. Это связано с тем, что величина двулучепреломления не стабильна во времени, ее значения могут изменяться в зависимости от условий измерения, в частности температуры окружающей среды (при наружной установке устройства этот диапазон составляет ˜ от -40°С до +50°С). Характер поведения двулучепреломления выходного коннектора при неизменной температуре демонстрируется на фиг.4 (кривые 5, 6), а при его нагреве в процессе измерений - на фиг.6 (кривые 5, 6). На этих фигурах информация о двулучепреломлении отображается во времени синхронно с измеренными поляризационными углами, косвенно характеризующими измеряемое значение переменного электрического тока.

Заявленные отличительные признаки характеризуются получением иной, чем в прототипе, информации о материальном объекте. По своей сути это измерение величины двулучепреломления в выходном фиксирующем соединителе оптического волокна, которое позволяет уменьшить искажения формы сигнала, исключив влияние двулучепреломления в выходном коннекторе.

При делении светового потока на выходе волокна на четыре световых сигнала двумя поляризационными делителями 8 и 9, повернутыми относительно друг друга на угол ± /4, нормированная интенсивность составляет в парах:

В этом случае эллиптичность поляризации светового сигнала на выходе магнитооптического чувствительного элемента и координаты точки на сфере Пуанкаре, соответствующие этой поляризации, определяются выражениями:

Направление обхода эллипса поляризации определяется ближайшим полюсом. В реальном устройстве угол между поляризационными делителями, как правило, несколько отличается от ± /4 на величину угловой погрешности . Соответственно изменяются и выражения для определения координат точки на сфере:

Зная в результате измерения и вычислений по (2) и (3) или (4) и (5) координаты трех точек на сфере Пуанкаре, выбранных внутри диапазона изменения состояния поляризации вследствие переменного магнитооптического эффекта, можно получить уравнение плоскости в виде Ax+By+Cz+D=0, пересечение которой со сферой будет соответствовать окружности II на сфере Пуанкаре - траектории изменения состояния поляризации светового сигнала после выходного коннектора.

Дальнейшая процедура формирования измерительного сигнала может непосредственно состоять в определении эллиптичности поляризации на окружности I:

где А, В, С и D - коэффициенты найденного уравнения плоскости, и искомого азимутального угла перед выходным коннектором, исключая искажающее результаты измерения линейное двулучепреломление в выходном коннекторе. Однако этот алгоритм достаточно сложен. В первую очередь это связано с различием локальных масштабов координатных сеток долготы и широты на сфере Пуанкаре.

Заявленная в п.1 и реализуемая в устройстве по п.2 Формулы последовательность действий по формированию измерительного сигнала более рациональна и в качестве промежуточного этапа включает определение двулучепреломления в выходном коннекторе, а не эллиптичности поляризации на окружности I.

Угол наклона нормали найденной плоскости, формирующей окружность II на сфере Пуанкаре, относительно оси полюсов равен величине двулучепреломления _out выходного коннектора:

Долгота со оси (0-B_out) линейного двулучепреломления в выходном коннекторе определяется выражением:

Зная координаты точки 9 на сфере Пуанкаре (азимутальный угол ₉ и угол эллиптичности ₉ поляризации светового сигнала после выходного коннектора) и используя формулы сферической тригонометрии, путем поворота на угол - _out можно рассчитать координаты точки 8 на сфере и соответственно азимутальный угол ₈ и угол эллиптичности ₈ поляризации светового сигнала непосредственно до выходного коннектора:

Диапазон изменения азимутального угла в точке 8 соответствует диапазону вращения плоскости поляризации светового сигнала в результате переменного магнитооптического эффекта.

Таким образом, производя в блоке 6 вычисления в соответствие с данной процедурой, можно уменьшить искажения формы сигнала, исключив влияние двулучепреломления в выходном коннекторе, и сформировать измерительный сигнал с учетом угла ориентации между парами линейно поляризованных составляющих светового сигнала (угла между поляризационными делителями), зависящий только от угла поворота плоскости поляризации в магнитном поле проводника 2 с током i, и по нему найти измеряемую величину - переменный электрический ток. Подходы к решению этих задач известны.

Пример конкретного исполнения.

Нами изготовлен экспериментальный образец заявленного устройства для измерения переменного электрического тока, в котором в качестве чувствительного элемента 1 было выбрано одномодовое (диаметр сердцевины 4 мкм) оптическое волокно длиной 8 м, закрученное вдоль оптической оси (относительное кручение 25 оборотов/м). Концы волокна вклеивались в стандартные оптические FC коннекторы.

Два витка волокна проходили через центр соленоида с обмоткой из 2000 витков, по которому пропускался переменный электрический ток 10 А частотой 50 Гц (от нестабилизированного источника питания), создавая магнитный поток в соленоиде, эквивалентный току 20 кА через одиночный проводник. Значение тока через соленоид контролировалось стандартным измерительным электромагнитным трансформатором тока класса 0,2.

В качестве источника подсветки использовался лазерный диод с номинальной мощностью излучения 30 мВт ( =662 нм). С выхода чувствительного элемента световой сигнал поступал на поляризационные делители 8 и 9 средства 4 с углом ориентации относительно друг друга 45°. Интенсивности световых сигналов измерялись фотодиодами 10-13 узла 5, оцифровывались с помощью 16-разрядного АЦП блока 6, обрабатывались на компьютере и выводились на виртуальный самописец.

Для имитации реальных условий эксплуатации во время проведения измерений в начальной части волокна чувствительного элемента был образован виток диаметром ˜40 см, плоскость которого с частотой ˜0,04 Гц механически вращалась в пространстве на ˜±0,5 оборота. При этом вследствие так называемого «геометрического эффекта» изменялся азимутальный угол эллипса поляризации на выходе волоконной катушки относительно анализаторов (имитация изменения температуры), что, в конечном счете, вело к изменению состояния поляризации светового сигнала после выходного коннектора (прецессии состояния поляризации светового сигнала вдоль окружности II на сфере Пуанкаре).

Результаты обработки по формулам (4) и (5) измеренных и нормированных по интенсивности электрических сигналов I₁, I ₂, I₃ и I₄ представлены на фиг.3 в виде развертки поверхности сферы Пуанкаре. Рисунок отражает наложения 16 кадров виртуального самописца (экспозиции по 40 мс, число опросов АЦП в кадре 160), снятых в при различных положениях витка.

Изменение тока во время экспозиции (при неизменной его амплитуде) ведет к разбросу результатов в каждом отдельном кадре. На фиг.3 в качестве примера выделены диапазоны изменения координат для пяти различных кадров. Дискретные изменения (сдвиги) между кадрами вызваны относительно медленным вращением волоконного витка в пространстве. Полученный экспериментальный график наглядно демонстрирует значительное различие диапазонов изменений поляризационных углов в кадрах и подтверждает необходимость разработки специальных алгоритмов для их интерпретации.

Результаты измерений и машинной обработки средних по кадрам значений поляризационных углов представлены на фиг.4. Для используемого в эксперименте оптического волокна вычисленные величины двулучепреломления в выходном коннекторе и угловое положение его оси составили -8,6°±0,3° и -27,2°±2,3°, соответственно, при полном обходе окружности II на сфере Пуанкаре. При этом нестабильность диапазона изменений двойного азимутального угла на рассчитанной окружности I не превышала ±0,5%. Точки 7 на фиг.4 соответствуют относительной ошибке измерений электрического тока экспериментальным образцом устройства по отношению к стандартному измерительному трансформатору тока класса 0,2.

В качестве примера, подтверждающего эффективность заявленного в п.2 Формулы алгоритма формирования измерительного сигнала, на фиг.5 для кадра №60 (на фиг.4) приведены результаты вычисления углов поляризации света до выходного коннектора, исходя из измеренных углов после него.

В реальной конструкции устройства волоконные витки имеют, как правило, фиксированное положение в пространстве, и все изменения поляризационных углов, не связанные с магнитооптической модуляцией обусловлены, в основном, температурными колебаниями. Изменение температуры непосредственно волокна ведет к изменению азимутального угла поляризации светового сигнала перед выходным коннектором, что, по сути, аналогично проявлению «геометрического эффекта», только значительно более слабому. В свою очередь, изменение температуры коннекторов на концах волокна приводит, в общем случае, к изменению как величин, так и положения осей двулучепреломления в них.

На фиг.6 представлены экспериментальные результаты измерения поляризационных углов при принудительном нагреве входного и выходного коннекторов волокна чувствительного элемента. Нагрев коннекторов (по 3 минуты в каждом из экспериментов) осуществлялся локальными потоками горячего воздуха. Изменение температуры коннекторов в процессе нагрева составляло, по оценкам, несколько десятков градусов относительно комнатной температуры. Для релаксации температуры эксперименты разделялись по времени промежутком ˜0,5 часа.

В процессе нагрева входного коннектора изменялось положение координат точки 1 на сфере Пуанкаре (фиг.2), что, в конечном счете, приводило к изменению азимутального угла и угла эллиптичности поляризации на выходе волоконного кабеля (удвоенные значения этих углов соответствуют кривым 1 и 2). Вычисленные значения величины двулучепреломления и положение его оси в выходном коннекторе при этом не менялись (кривые 5 и 6).

При нагреве выходного коннектора изменялись как поляризационные углы на выходе волокна, так и величина и положение оси двулучепреломления в нагреваемом коннекторе, однако эллиптичность поляризации до коннектора (кривая 4 соответствует удвоенному углу эллиптичности) оставалась неизменной.

Выполненные эксперименты показали, что при любых изменениях поляризационных углов алгоритм обработки интенсивностей световых сигналов по формулам (4)-(9) позволял определять значение измеряемого переменного электрического тока с относительной погрешностью не хуже ±0,5% (точки 7 на фиг.4 и 6).

В обычных условиях эксплуатации устройства все температурные изменения являются достаточно медленными. В этом случае реализация режима накопления и усреднения результатов позволит значительно повысить точность определения параметров двулучепреломления, а значит, уменьшить общую ошибку измерений.

Таким образом, предложенные способ измерения переменного электрического тока и устройство для его осуществления позволяют повысить точность и стабильность измерений в условиях реальной эксплуатации, при воздействии температуры и вибраций путем уменьшения искажения формы сигнала. Устройство имеет высокую помехоустойчивость и по своим точностным и функциональным характеристикам может найти широкое применение в области электрических измерений, в частности в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматики.

В настоящее время в соответствие с заявленным решением разрабатывается конструкторская документация для выпуска оптико-электронных трансформаторов тока для использования в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматики на электрических станциях.

Литература

1. Dong X.P., Chu В.С.В. and Chiang К.S. An electric-current sensor employing twisted fibre with compensation for temperature and polarization fluctuations, Meas. Sci. Technol., Vol.8, pp.606-610, 1997 г.

2. Красюк Б.А., Корнеев Г.И. Оптические системы связи и световодные датчики. Вопросы технологии. - М.: Радио и связь, 1985, 192 с.

3. Шерклифф У. Поляризованный свет. Пер. с англ. - М.: Мир, 1965, 264 с.