1 Обзор физических величин измеряемых с помощью указанного физического эффекта
С помощью электрооптического метода Поккельса можно измерять физические величины, которые воздействуют на пьезоэлектрический несимметричный материал, и оцениваются пропорционально величине изменения двойного лучепреломления в том или ином кристалле.
Данный метод представляет интерес как с теоретической, так и с прикладной точек зрения, используется в основном в науке и технике из-за специфических свойств метода и некоторой сложности в его реализации.
Эффект Поккельса используется в высокочастотных модуляторах света и других устройствах, управляющих лазерным излучением. Также данный эффект применяется для получения коноскопических картин (концентрические окружности на экране) – результата интерференции обычной и необычной волн.
Измерение напряжения с использованием электрооптического эффекта Поккельса основано на возникновении двулучепреломления поляризованного света, распространяющегося в электрическом поле, создаваемом измеряемым напряжением.
С использованием эффекта Поккельса конструируется оптикоэлектронный измеритель мощности, содержащий монохроматический источник излучения, магнитооптическую ячейку, фотоприемник и усилитель, снабженный элементами из четвертьволновой пластины, ячейки Поккельса и анализатора.
2 Подробное описание метода, используемого для измерения одной из физических величин
Поляризационно-оптический метод измерения напряжения, основанный на изменении двулучепреломления кристаллов дигидрофосфата аммония NH4H2PO4, гидрофосфата калия KH2PO4 и ниобата лития LiNbO3 под воздействием электрического поля.
Наиболее распространенными и используемыми методами измерения напряжения являются методы с использованием вольтметров. Однако для измерения больших токов и напряжений часто приходится использовать крупногабаритные, массивные приборы, эксплуатация которых не совсем удобна из-за наличия в них масла или элегаза, которые представляют повышенную опасность. Для измерений, связанных с большой разбежкой значений токов зачастую необходимо несколько измерительных приборов с различными номиналами измеряемой величины. Многие измерительные приборы теряют точность при использовании в суровых климатических условиях. Кроме того, многие измерительные приборы по окончанию срока службы представляют большие затруднения в вопросах их утилизации.
Основные преимущества оптических трансформаторов тока и напряжения по сравнению с их электромагнитными аналогами заключается в следующем:
возможность масштабного преобразования и измерения как переменного, так и постоянного или импульсного тока различных уровней и напряжений (до 800 кВ);
отсутствие явлений гистерезиса, магнитного насыщения и остаточного намагничивания, ограничивающих точность измерений;
большой динамический диапазон (десятикратно различающиеся первичные номинальные токи за счет электронной перенастройки коэффициентов трансформации);
возможность интеграции в измерительные и информационные системы с использованием различных интерфейсов (аналоговые, дискретные, цифровые);
полная эколого-, пожаро-, взрыво- и электробезопасность за счет отсутствия вредных веществ, а также за счет использования маломощных сигналов, исключающих искрение и возгорание;
высокая помехоустойчивость к электромагнитным помехам;
стабильность, высокая повторяемость;
низкая восприимчивость к вибрациям и изменениям температуры;
малые весогабаритные параметры.
Теоретические основы метода:
Если двулучепреломляющий кристалл поместить в среду, где необходимо измерять напряжение, то его изменение будет вызывать изменение показателя преломления и, соответственно, изменять разницу хода между обыкновенным и необыкновенным лучами.
Таким образом, по изменению интенсивности светового потока при прохождении через кристалл - датчик, помещаемый в электрическое поле, можно определять напряжение.
Структурная схема предполагаемого устройства для измерения напряжения показана на рисунке 2.
Рисунок 2 – Структурная схема устройства для измерения напряжения
Передача светового сигнала:
Чтобы световой луч распространялся в оптическом волокне, он должен входить в торец волокна под углом падения φо (относительно плоскости торца), не превышающим критический угол ввода φок: φo ≤ φок=90o-φ1к, где φ1к – критический угол падения луча на границе раздела сердцевины и оболочки. Таким образом, входной луч должен попадать в воображаемый конус с удвоенным критическим углом ввода 2 φок при его вершине (рис. 3). Угол ввода волокна φок называют угловой апертурой, а его синус – числовой апертурой оптоволокна:
NA = sin φок = (n12 – n22)1/2 (2)
. Числовая апертура зависит только от показателей преломления n1 и n2.
Рисунок 3 – Схема ввода светового луча в торец оптического волокна
φок – критический угол ввода; φ1к – критический угол падения; 1 – критический луч ввода; 2 – закритический луч с преломлением в оболочке; 3 – нормальный луч без преломления в оболочке.
Конструкция и характеристики оптического волокна:
Оптическое волокно является световодом (волноводом), то есть передает электромагнитные волны оптического диапазона с одной, входной его поверхности (торца световода) на его другую, выходную торцевую поверхность. Конструкция оптического волокна представляет собой цилиндрическое стеклянное волокно в защитной оболочке, световедущая жила которого – сердцевина выполнена из сверхчистого кварцевого стекла и окружена оболочкой из другого стекла или полимера с меньшим показателем преломления (рис. 4). Вследствие этого на поверхности раздела сердцевины и оболочки лучи света, падающие под соответствующими углами, подвергаются полному внутреннему отражению. Благодаря этому свойству оптическое волокно обеспечивает возможность передачи световой волны на большое расстояние без промежуточного усиления и с минимальными потерями энергии.
Рисунок 4 – Конструкция оптического стекловолокна
От диаметров D сердцевины, оболочки, защитной оболочки зависит количество мод (аксиальных лучей), имеющих свою траекторию.
Конструкция и характеристики оптического трансформатора напряжения:
Типичная схема оптического трансформатора содержит чувствительный элемент в виде нескольких витков оптического волокна, помещенных в жесткую защитную оболочку из немагнитного материала – токовую головку или измерительную петлю для оптического трансформатора и ячейки Поккельса, электронно-оптический блок, соединяемый с чувствительным элементом непосредственно или через оптический кросс.
Электронно-оптический блок генерирует с помощью встроенного лазера и модуля на своем оптическом выходе монохроматический цир- кулярно-поляризованный световой сигнал, направляемый по поддерживающему поляризацию оптическому волокну на вход чувствительного элемента. В чувствительном элементе плоскость поляризации сигнала подвергается под воздействием магнитного поля Н тока I соответствующему повороту на определенный угол , и с выхода чувствительного элемента световой сигнал поступает на оптический вход электронно-оптического блока, где на фазовом детекторе из него формируется электрический измерительный сигнал.
Далее этот сигнал через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) поступает в виде цифрового кода определенной разрядности на дискретный интерфейсный выход электронно-оптического блока и через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на усилитель, где формируются нормированные аналоговые выходные сигналы в виде напряжения или тока для выдачи на аналоговый интерфейс электронно-оптического блока. Таким образом, измерительная информация может быть получена на выходе электронно-оптического блока для дальнейшего использования.
В том случае, когда чувствительный элемент по технологическим требованиям, например, на высоковольтных подстанциях, должен быть дистанционно (до 1 км) удален от электронно-оптического блока, для подключения чувствительного элемента дополнительно используется магистральное оптическое волокно, сохраняющее поляризацию, и кроссовый блок (кабельный бокс), подключающий его к оптическому волокну чувствительного элемента.
Электронно-оптический блок, содержащий встроенные часы, микропроцессор и память, способен преобразовывать в реальном времени текущие цифровые коды АЦП в именованные цифровые результаты измерений основной и производных гармоник измеряемого тока, накапливать их в памяти за различные интервалы времени и выдавать результаты измерений через цифровой интерфейс в цифровую вычислительную сеть объекта или субъекта учета. Тем самым оптический трансформатор напряжения, в отличие от их электромагнитных аналогов, легко можно включать в те или иные цифровые системы (например, цифровые подстанции в соответствии со стандартом), минуя промежуточное использование измерительных приборов.
Характеристики коэффициента затухания:
Коэффициент затухания А нелинейно зависит от параметров оптического волокна и длины волны света. Обычное кварцевое оптическое волокно прозрачно в ближней ИК-области оптического излучения с длиной волны до λ ≈ 2 мкм (существуют инфракрасные оптические волокна, сделанные из специальных легированных стекол, которые прозрачны для среднего ИК-излучения с длиной волны λ ≈ 2–10 мкм). График имеет несколько участков – окна прозрачности, где затухание минимально: окна 820–880, 1285–1330 и 1525–1575 нанометров . Из-за большого затухания видимый свет диапазона 0,4–0,7 микрометров в передаче светового сигнала по обычному кварцевому оптическому волокну не используется (имеются специальные оптические волокна для работы и в видимой части спектра). Наиболее эффективна для передачи светового сигнала длина волны из второго и третьего окон прозрачности. Если введенный в волокно свет линейно поляризован, то в идеальных условиях распространения (однородная структура и круглое сечение волокна по всей его длине, ввод излучения в волокно строго под углом полного внутреннего отражения), он сохраняет свое состояние поляризации по мере распространения в волокне. В реальном же оптическом волокне из-за неидеальных геометрических размеров его сердцевины и различных механических и иных факторов (например, перегибов волокна и его поперечных или продольных напряжений, вибраций, изменения температуры) появляется некоторая асимметрия показателя преломления в ортогональных направлениях вдоль оси волокна.
Рисунок 5 – Зависимость коэффициента затухания от длины волны
Рисунок 6 – токовая погрешность оптических трансформаторов
Рисунок 7 – Линейность отклика