Электрооптические методы измерения высоких напряжений и больших токов
Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской
Революции
и ордена Трудового Красного Знамени
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени Н.Э.Баумана.
______________________________________________________
Факультет РЛ
Кафедра РЛ2
Реферат по дисциплине
"Лазерные оптико-электронные приборы"
студента
Майорова Павла
Леонидовича, группа РЛ3-101.
Руководитель
Немтинов Владимир Борисович
Тема реферата:
"Оптическая обработка информации"
Вступление
Современная практика и научные исследования требуют
измерений высоких и сверхвысоких напряжений — до 10 МВ и больших токов — до 1¸2 МА. Напряжения
и токи при этом могут быть постоянными, переменными, и импульсными с
длительностью импульсов от долей микросекунд до нескольких десятков
миллисекунд. Измерение больших постоянных токов — до 200¸500 кА широко
используется в устройствах электролиза алюминия. Большие переменные токи — до
150¸200
кА имеют место в мощных дуговых электропечах. Работают линии электропередачи с
напряжением 1,2¸1,5 МВ, проектируются линии передачи и энергетические устройства на
более высокие напряжения. В термоядерных установках токи достигают сотен
килоампер.
В ряде случаев необходимо проводить измерения при
сверхнизких и высоких температурах, например, в криотурбогенераторах или
криомодулях высокоскоростных транспортных средств на магнитной подушке, при
исследовании плазменных и термоядерных источников энергии.
Электрооптические методы
измерений высоких напряжений и больших токов
Быстрое развитие линий электропередачи и
электрофизических устройств высокого и сверхвысокого напряжения (1200 кВ и
выше) обусловило появление новых методов измерений, не требующих создания
дорогостоящих и громоздких изоляционных устройств на полное рабочее напряжение.
Перспективными являются электрооптические методы, основанные на преобразовании
измеряемых электрических величин в параметры оптического излучения и применении
оптических каналов связи для передачи измерительной информации из зоны высокого
напряжения на низковольтную часть измерительного устройства. Преимуществами
этих методов являются высокое быстродействие, защищенность от электромагнитных
помех, а также надежная естественная электрическая изоляция между
высоковольтной и вторичной измерительными цепями вследствие их полной
электрической развязки.
Электрооптические методы разделяются на методы с
внутренней модуляцией, при которых сигнал измерительной информации
непосредственно воздействует на источник оптического излучения, изменяя
параметры его излучения, и методы с внешней модуляцией, основанные на
воздействии измеряемой величины непосредственно на оптическое излучение от
внешнего стабильного источника.
При измерении методами с внутренней модуляцией
(рис. 1) источник оптического излучения 2 (например, светодиод) и первичный
преобразователь 1 (шунт, измерительный трансформатор и др.) находятся под
высоким напряжением, а приемник оптического излучения 4 и вторичное
измерительное устройство 5 имеют потенциал Земли. В качестве оптического канала
связи 3 между источником и приемником излучения применяются высоковольтные
волоконные жесткие или гибкие световоды, которые обеспечивают надежную изоляцию
измерительных устройств от высоковольтной цепи.
Методы с внешней модуляцией основаны на
использовании электрооптических и магнитооптических эффектов, главным образом
электрооптических эффектов Керра и Поккельса — для измерения напряженности
электрического поля и напряжения, а также магнитооптического эффекта Фарадея —
для измерения токов.
Время релаксации, свойственное электро- и
магнитооптическим эффектам, составляет менее 10-10 с, поэтому на
основе этих эффектов можно создать быстродействующие средства измерений
постоянных, переменных и импульсных токов и напряжений, а также современные
быстродействующие устройства защиты.
Использование эффекта
Фарадея
Эффект Фарадея заключается во вращении плоскости
поляризации линейно поляризованного света в оптически активных веществах под
действием магнитного поля. Угол поворота плоскости поляризации света
где CB —
постоянная Верде; l — длина пути света в веществе; В - магнитная
индукция.
Измеряя угол поворота плоскости поляризации света,
можно определить индукцию магнитного поля или силу тока, если преобразователь
поместить в магнитном поле измеряемого тока.
Рис.
2.
Уравнение, записанное выше, справедливо для составляющей
индукции Вl, направленной вдоль пути света. Знак угла Q зависит от
направления вектора магнитной индукции, но не зависит от направления света, что
позволяет увеличить угол Q, если свет многократно пропускать через ячейку Фарадея. Как и в других
методах, основанных на измерении магнитной индукции поля, создаваемого
измеряемым током, при использовании эффекта Фарадея основными составляющими
погрешности измерения тока являются погрешность преобразования измеряемого тока
в магнитную индукцию и погрешность измерения магнитной индукции.
При использовании эффекта Фарадея измерение
магнитной индукции сводится к измерению поворота плоскости поляризации света,
которое обычно осуществляя методами прямого или уравновешивающего преобразования.
При применении метода прямого преобразования свет
от лазера 1 направляется к преобразователю Фарадея 8 (рис. 2).
При этом поляризатор 2 и анализатор 4 могут быть
расположены непосредственно у магнитооптического образца, что позволяет
использовать оптические каналы связи 5 в виде обычных волоконных световодов.
Выходным сигналом устройств, построенных на основе
метода прямого преобразования, является фототок или выходное напряжение.
где Rн — сопротивление нагрузки
фотоприемника; SФ — чувствительность фотоприемника; J2
— интенсивность светового потока на входе фотоприемника, которая в соответствии
с законом Малюса равна
Рис. 3, а.
|
Рис 3, б.
|
Рис. 3, в.
|
Рис. 3, г.
|
Рис. 3, д.
|
Рис. 3, е.
|
здесь J1 — интенсивность света на
входе анализатора; j — угол между поляризатором и анализатором; Q — угол поворота плоскости
поляризации, При j=45°
или при малых углах Q
При углах Q=7° погрешность линейности составляет 1%.
Рис. 4, а.
|
Рис. 4, б.
|
Рис. 4, в.
|
Рис. 4, г.
|
В качестве рабочего вещества для магнитооптических
преобразователей применяются стекла, содержащие оксид свинца (флинты, кроны) и
плавленый кварц. Особенно большую постоянную Верде имеют пленки из феррита-граната,
удельное фарадеевское вращение плоскости поляризации света в которых на два-три
порядка больше, чем в стеклах.
Измерение напряжения с использованием
электрооптических эффектов Керра и Поккельса
Измерение напряжения с использованием
электрооптических эффектов Керра и Поккельса основано на возникновении
двулучепреломления поляризованного света, распространяющегося в электрическом поле,
создаваемом измеряемым напряжением.
Возникновение квадратичного эффекта Керра
поясняется на рис. 4, а. Поляризованный луч света, образуемый с помощью
источника света 1 и поляризатора 2, проходит через электрическое поле,
создаваемое конденсатором 3, к электродам которого приложено измеряемое
напряжение UX. При этом луч света направлен перпендикулярно вектору
напряженности этого поля. После анализатора 4 свет попадает в фотоприемник 5,
где он преобразуется в электрический сигнал, измеряемый прибором 6.
Интенсивность света на выходе преобразователя Керра
определяется выражением
где lK —
эффективная длина преобразователя Керра; d — расстояние между его электродами; СK
— коэффициент Keppa; J0 — интенсивность света на входе
преобразователя.
Эффект Керра возникает во многих изотропных
веществах, но наиболее часто используется нитробензол, который имеет наибольший
коэффициент Керра по сравнению с другими веществами (вода, бензол, эпоксидные
компаунды и др.).
Линейный электрооптический эффект Поккельса
наблюдается в пьезоэлектрических кристаллах, находящихся в электрическом поле.
В зависимости от направления вектора напряженности электрического поля
возникает продольный или поперечный эффект Поккельса. Продольный эффект сильнее
всего проявляется в кристаллах дигидрофосфата аммония NH4H2PO4
или гидрофосфата калия KH2PO4, где электрическое поле
создается при помощи кольцевых электродов 7, к которым приложено измеряемое
напряжение UX (рис. 4, б). Поперечный эффект сильно проявляется в
кристаллах ниобата лития LiNbO3, которые используются в электрооптических
модуляторах света.
Интенсивность света на выходе преобразователя
Поккельса можно определить из выражения
Статическими характеристики преобразователей Керра
и Поккельса показаны соответственно на рис. 4, в и рис. 4, г.
Список литературы
Безикович А.Я., Шапиро Е.З. Измерение электрической
мощности.
Спектор С.А. Измерение больших постоянных токов.
Спектор С.А. Электрические измерения физических
величин.
Шваб А. Измерения на высоком напряжении.
Оглавление
Вступление................................................................................................................................
Электрооптические методы измерений высоких
напряжений и больших токов...............
Использование эффекта Фарадея.........................................................................................
Измерение напряжения с использованием
электрооптических эффектов Керра и Поккельса
Список литературы...................................................................................................................
Оглавление................................................................................................................................