Сенсоризация производственной деятельности, т. е. замена органов чувств человека на датчики, должна рассматриваться в качестве третьей промышленной революции вслед за первыми двумя — машинно-энергетической и информационно компьютерной. Потребность в датчиках стремительно растет в связи с бурным развитием автоматизированных систем контроля и управления, внедрением новых технологических процессов, переходом к гибким автоматизированным производствам. Помимо высоких метрологических характеристик датчики должны обладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоемкости изготовления и небольшой стоимости. Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические датчики.
Волоконно-оптический датчик — это датчик, который в качестве основного элемента использует оптическое волокно. Волоконно-оптические датчики можно грубо разделить на датчики, в которых оптическое волокно используется в качестве линии передачи, и датчики в которых оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента.
История
Первые попытки создания датчиков на основе оптических волокон можно отнести к середине 1970-х годов. Публикации о более или менее приемлемых разработках и экспериментальных образцах подобных датчиков появились во второй половине 1970-х годов. Однако считается, что этот тип датчиков сформировался как одно из направлений техники только в начале 1980-х годов. Тогда же появился и термин «волоконно-оптические датчики» (optical fiber sensors).
Таким образом, волоконно-оптические датчики — очень молодая область техники.
Современная волоконная оптика стала развиваться в начале 70-х годов, когда практически одновременно в нескольких странах для изготовления оптических волокон (ОВ) была использована технология осаждения из га- зовой фазы (MCVD технология).
В это же время начались и первые работы по созданию высококачественных ОВ в СССР для телекоммуникационных применений, главным образом в Академии Наук. Данная технология позволила резко понизить уровень потерь света в кварцевых волокнах сначала до 10 дб/км, а затем и менее 1дб/км. MCVD технология была выбрана так успешно, что и до настоящего времени является одной из основных технологий как для промышленного производства, так и для разработки новых типов ОВ. Кроме телекоммуникационных применений становление и развитие волоконно-оптических технологий от- крыло широкие возможности их применения в приборостроении и измерительной технике. Практически одно- временно с созданием волокон с малыми потерями появились работы по созданию волоконно-оптических датчи- ков (ВОД) физических величин, которые также развивались в Академии наук.[1]
Волоконно-оптические датчики температуры на основе решеток показателя ...
... промежуточный элемент. 2. Волоконно-оптические датчики, в которых чувствительным элементом является само волокно, оптические свойства которого изменяются под действием внешних факторов. 3. Интегрально-оптические датчики, использующие в качестве чувствительного элемента планарный ...
Эффект Фарадея
Известные волоконно-оптические датчики тока работают на принципе эффекта Фарадея. Ток, протекающий в проводе, индуцирует магнитное поле, которое через эффект Фарадея поворачивает плоскость поляризации излучения, распространяющегося в оптическом волокне, намотанном вокруг токонесущего провода. Согласно теореме о циркуляции магнитного поля имеем
где I — электрический ток, H — магнитное поле и интеграл берется по замкнутому пути вокруг тока. Если чувствительное волокно с постоянной по длине чувствительностью к магнитному полю намотано вокруг провода с током в виде контура с целым числом витков N, тогда поворот плоскости поляризации излучения на выходе из контура зависит от тока в проводе и не зависит от всех внешне генерируемых магнитных полей, например от токов в соседних проводах. Угол поворота плоскости поляризации равен
где V — константа Верде для материала волокна (кварца).
Чувствительное оптическое волокно выполняет линейное интегрирование магнитного поля вдоль его пути, интеграл пропорционален току в проводе, когда этот путь замкнут сам на себя. Вращение плоскости поляризации излучения из-за присутствия электрического тока измеряют путем введения излучения с линейной поляризацией в чувствительный волоконный контур, и последующего анализа состояния поляризации излучения после того, как он выйдет из чувствительного волоконного контура.[2]
Техническое описание датчика
Датчик состоит из электронного и оптического модулей. Оптический модуль включает в себя источник излучения, направленный ответвитель, последовательно расположенные поляризатор излучения, модулятор поляризации излучения, волоконная линия и измерительный чувствительный волоконный контур. Электронный модуль включает в себя блок обработки сигнала, фотодетектор и генератор сигнала, связанный с модулятором. Модулятор поляризации излучения выполнен в виде волоконного контура, расположенного в продольном магнитном поле соленоида. Волоконная линия выполнена в виде двойной бифилярной волоконной линии. Волоконный контур модулятора и двойная бифилярная волоконная линия выполнены из магниточувствительного оптического волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением. В волоконно-оптическом датчике тока в качестве магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением может быть использовано микроструктурное волокно.[3]
Микроструктурные оптические волокна
В последние годы наибольший интерес привлекает разработка и исследование микроструктурных оптических волокон (МОВ), называемых также и фотонно-кристаллическими или «дырчатыми» оптическими волокнами. Это вызвано такими свойствами и возможностями МОВ, как широкий одномодовый диапазон, уникальные дисперсионные характеристики и их сильная зависимость от геометрических параметров волокна, большое значение нелинейного коэффициента за счет сильной локализации поля, увеличенное двулучепреломление по сравнению с обычным, поддерживающим поляризацию (Hi-Bi), волокном. При этом часто МОВ позволяют реализововать оптические характеристики, которые невозможно получать в «обычных» ОВ. Идея МОВ была «заимствована» из физики твердого тела и фотонных кристаллов и заключается в создании периодической структуры в сечении ОВ. Для реализации такой структуры была использована технология сборки кварцевых капилляров и их последующей перетяжки в волокно, при этом центральный канал может быть как воздушной дыркой (МОВ с запрещенной зоной) или кварцевым стержнем (МОВ на основе эффективного показателя преломления).
АП / ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА
... оптические элементы ввода-вывода излучения (окна, линзы). Волоконно-оптический трансформатор тока, в котором магнитооптический чувствительный элемент изготовлен из одномодового оптического волокна. Волоконно-оптический трансформатор тока, ... основанный на использовании магнитооптического эффекта Фарадея, реализуется в оптико-электронных трансформаторах тока, применяемых в сочетании с современными ...
Волоконно-оптические датчики магнитного поля и электрического тока на основе эффекта Фарадея в кристаллах Bi12GeO20 и Bi12SiO20
ВОД магнитного поля и электрического тока на основе эффекта Фарадея в кристаллах со структурой силленитов (Bi12GeO20 и Bi12SiO20) находят достаточно широкое применение в системах измерения магнитных полей и электрических токов в энергетике, экспериментальной и ядерной физике, импульсной технике и т.д. Они обладают рядом известных преимуществ перед традиционными датчиками. Магнитооптическая модуляция света в кристаллах Bi12GeO20 и Bi12SiO20 возникает как следствие наводимого магнитным полем H кругового двулучепреломления (эффект Фарадея).
Особенностью данных кристаллов является наличие у них естественной оптической активности, что приводит к усложненной зависимости угла Фарадея и коэффициента модуляции от магнитного поля, однако, при этом за счет выбора параметров кристаллов и ориентации осей поляризаторов могут быть созданы чувствительные элементы с повышенной термостабильностью. Чувствительность ВОД к магнитному полю и электрическому току определяется коэффициентом преобразования чувствительного элемента (ЧЭ) или первичного измерительного преобразователя (ИПП), который пропорционален углу Фарадея :
ц=V·H·L+И·L,
где V — константа Верде Bi12GeO20;
- H — проекция вектора приложенного магнитного поля на направление распространения световой волны в кристалле;
- L — длина кристалла;
- И — коэффициент оптической активности Bi12GeO20.
Для расчета коэффициента преобразования при заданных поляризации и интенсивности света на входе ЧЭ необходимо определить состояние поляризации световой волны и ее интенсивности на выходе, что обычно делается с помощью формализма матриц Джонса.
Разработаны и исследованы три схемы чувствительных элементов ВОД на основе кристаллов Bi12GeO20 и Bi12SiO20: проходного типа, отражательного и многопроходного.[6]
Рис. 1. Оптическая схема двухпроходного чувствительного элемента. 1 — градиентная линза; 2,6 — входной и выходной поляризаторы, соответственно; 3 — делительный кубик; 4 — магнитооптический кристалл; 5 — зеркало; I0, Iвых -интенсивность света на входе и выходе соответственно
Рис. 2. Оптическая схема чувствительного элемента проходного типа. 1,4 — градиентные линзы; 2 — поляризационные дели- тельные кубики; 4- магнитооптический кристалл; I0, Iвых -интенсивность света на входе и выходе соответственно
Рис. 3. Схема ВОД с многопроходным чувствительным элементом. 1?источник излучения; 2?оптические волокна; 3?градиентные линзы; 4,7? призменные поляризаторы; 5?кристалл Bi12GeO20; 6?диэлектрические зеркала; 8 ? фотоприемник; 9 ? ротатор р/4
На основе этих элементов реализованы датчики со следующими параметрами:
а) ВОД с однопроходным чувствительным элементом на основе Bi12GeO20 для измерения переменных магнитных полей и токов:
- пороговая чувствительность к магнитному полю — ;
- динамический диапазон — ~103 ;
- быстродействие до 10-8 с (определяется полосой часто ФПУ); температурный дрейф — не более ±0,6% на 1000 С.
б) ВОД с двухпроходным чувствительным элементом для измерения постоянных магнитных полей с параметрами:
- пороговая чувствительность к магнитному полю — ?35 А/м;
- динамический диапазон до 103;
- температурный дрейф коэффициента преобразования — ±2% на 1000 С.
в) Применение многопроходного чувствительного элемента позволило увеличить пороговую чувствительность до.
Принципиально пороговая чувствительность ВОД ограничивалась шумами источника излучения.
Принцип работы
Свет от источника 1 распространяется через ответвитель 2 и поляризатор 3 к 45-градусной сварке 4, где он разделяется поровну в два состояния поляризации, сохраняемые на всем остатке оптической цепи. Пьезоэлектрический модулятор двойного лучепреломления 5 модулирует по-разному фазы света в двух состояниях поляризации. Модулятор 5 управляется с помощью генератора 6 сигнала модулятора, который обеспечивает электрический сигнал, имеющий синусоидальную или прямоугольную форму. Свет затем распространяется через волоконную линию задержки 7, выполненную из сохраняющего линейную поляризацию волокна (РМ волокна), необходимую для повышения эффективности модулятора, далее через конвертор мод 8 (четвертьволновую пластинку), который преобразует два линейных состояния поляризации в два циркулярных состояния поляризации, и через оптимизированный чувствительный контур 9 датчика. Чувствительный контур 9 датчика выполнен из spun-волокна с оптимально выбранными параметрами и намотан вокруг токонесущего провода 11. Свет отражается отражающим концом 10 (зеркалом) и повторяет свой путь в обратном направлении через оптическую цепь, попадая в конце цепи на детектор 12. Блок обработки сигнала 13 преобразует продетектированный сигнал к выходу 14, который показывает ток, протекающий в проводе 11.[8]
Рис.4. Схема датчика тока.
Основные характеристики и преимущества
Основные характеристики таковы:
¦ датчики позволяют измерять токи как в одном, так и в двух направлениях при силе тока до ±500 кА (допускается превышение на 100 кА),
¦ погрешность датчика — в пределах ±0,1% при токах 1 до 120% от максимального,
¦ частота дискретизации: 4 кГц,
¦ диапазон рабочих температур головки датчика: от -40 до 85 °C, для электроники контроллера: от -20 до 55 °C.
В сравнении с традиционными преобразователями постоянного тока на эффекте Холла, оптоволоконный датчик обладает рядом преимуществ:
¦ Установка датчика производится значительно проще и быстрее.
¦ Нет необходимости в центровке измерительной головки в магнитном поле. Благодаря этому заказчик получает значительную свободу при установке датчика.
¦ Ограничения по месту расположения измерительных головок несущественны. Легкость монтажа датчика позволяет очень быстро осуществить на предприятии замену действующей измерительной системы.
¦ В отличие от традиционных преобразователей тока, ошибки, связанные с асимметричным распределением поля и магнитными помехами, компенсируются благодаря самому принципу действия прибора.
¦ Головка датчика была существенно упрощена. Это, в свою очередь, снижает вероятность отказов.
¦ Датчик может работать с двунаправленными магнитными полями. Местное обращение вектора магнитного поля, вызванное сильными токами, протекающими по соседним проводникам, не приводит к погрешностям в измерениях. Более того, датчик сообщает об обратных токах.
¦ Широкая полоса пропускания (частота дискретизации 4 кГц) позволяет восстанавливать переменные составляющие тока, такие как пульсации и кратковременные нестационарные токи, а также обеспечивает очень малое время реагирования системы управления ТП и делает возможным проведение гармонического анализа. Таким образом, датчик открывает новые возможности по сбору данных на сильноточных технологических линиях на постоянном токе.
¦ Головка датчика полностью состоит из диэлектрических материалов, а значит, совершенно безопасна. Электронные схемы обработки сигналов полностью гальванически развязаны от шин.
¦ Потребление энергии оптическим датчиком пренебрежимо мало по сравнению с обычными датчиками, которые потребляют до нескольких киловатт.
Таблица 1. Сравнение оптоволоконного датчика и трансформатора тока
|
Характеристика |
Трансформатор тока |
Оптоволоконный датчик тока |
|
|
Диапазон рабочих температур, С |
-60-+55 |
-50-+60 |
|
|
Номинальное напряжение, кВ |
110 — 750 |
110 — 750 |
|
|
Номинальные токи, А |
100; 150; 200; 250; 300; 400; 500; 600; 750; 800; 1000; 1200;1 250; 1500; 1600; 2000; 2500; 3000; 3500; 4000; 5000; 6000; 8000; 9000; 10000; 12000; 15000; 18000 |
100-500 000 |
|
|
Класс точности |
0,2; 0,5 |
0,2 |
|
|
Масса, кг |
450 — 7500 |
от 40 до 400 |
|
|
Время эксплуатации, года |
30 |
30 |
|
|
Гальваническая развязка вторичных цепей |
Электромагнитная |
Абсолютная |
|
|
Стоимость |
Высокая |
Высокая |
|
Сравнительные характеристики оптоволоконных датчиков тока различных компаний
|
Характеристики |
NxtPhase |
PowerSense |
OptiSense |
FieledMetrics |
ABB |
Airak |
|
|
Номин. Токи, кА |
0.1-100 |
5-20 |
0.003-1 |
0.6-20 |
1-3.5 |
0.003-5 |
|
|
Класс точности,% |
0.25 |
2 |
0.2 |
0.2 |
0.2 |
1 |
|
|
Рабочая частота, Гц |
50/60 |
50/60 |
— |
50/60 |
50/60 |
50/60 |
|
|
Частотная полоса, Гц |
0.01-6000 |
— |
— |
до 5000 |
0-10000 |
5-5000 |
|
|
Номин. напряжение, кВ |
69-765 |
36 |
15, 20, 35 |
11-36 |
72.5-800 |
3.6-36 |
|
|
Масса, кг |
49-95 |
— |
9 |
5-15 |
50-186 |
0.028-0.57 |
|
|
Диапазон рабочих температур, 0C |
-50..+60 |
-40..+50 |
-40..+75 |
-50..+85 |
-5..+40 |
-40..+85 |
|
Компания FieldMetrics, Inc. основана в 2001 г. и специализируется на разработке и производстве трех линеек оптоволоконных датчиков для средневольтовых (11-36 кВ) энергетических сетей переменного тока: MetPod, Fiber MetPod, MetPod Lite класса 0,2. В линейку MetPod входят комбинированные датчики тока и напряжения (рис.5а), которые могут крепиться непосредственно на опоре. Электронный блок с автономным блоком питания выполнен в единой конструкции с датчиками. Связь с пунктом сбора и обработки информации осуществляется по радиоканалу мощностью до 1 Вт.
фарадей оптический датчик ток
Рис. 5. а) комбинированный модуль MetPod; б)датчик тока MetPod Lite
Fiber MetPod предусматривает интегральное исполнение датчика тока, датчика напряжения и электронного преобразователя оптических сигналов в цифровой код. Непосредственно на корпусе расположен радиопередатчик, обеспечивающий беспроводную связь с диспетчерским пунктом.
MetPod Lite (рис. 3б) — датчик тока класса 0,3, облегченной конструкции крепится на изолированной штанге, подключается между активным проводом и землей.
Компания PowerSense предлагает линейку энергоизмерительной аппаратуры Discos, в которую вошли датчики тока, напряжения и комбинированные датчики тока/напряжения. Они предназначены для работы в сетях до 36кВ. Диапазон измерения токов — от 5 А до 20кА с погрешностью 2%. Датчики крепятся на штанге и оптоволокном соединяются с оптическим модулем.
Рис. 6. Датчики фирмы PowerSense а)тока; б)напряжения; в) комбинированный
Компания Airak выпускает датчики с наименьшими массогабаритными параметрами. Токовый датчик для воздушных линий позволяет измерить токи от 3А до 1кА с погрешностью 1%. Диапазон рабочих температур от -40 до +85 0C. Масса этих датчиков не превышает 570 г, это позволяет монтировать их прямо на провода, не прибегая к разделению линий (рис. 7).
Перспективы применения
Потенциальными сферами применения оптоволоконных датчиков тока являются измерение, управление и защита на высоковольтных подстанциях. За счет небольших размеров и веса датчики могут быть с легкостью встроены в существующее оборудование, такое как автоматические выключатели или вводные изоляторы, с экономией пространства и малыми затратами на монтаж.
Новый датчик также может заинтересовать эксплуатантов систем постоянного тока высокого напряжения (HVDC), применяемых для передачи электроэнергии на большие расстояния. Еще одна многообещающая область применения — железные дороги. Например: компания АББ уже произвела установку нескольких десятков датчиков, построенных на основе опытной модификации, в защитных схемах подстанций, принадлежащих железным дорогам Италии. А компания Airak разработала сверхминиатюрные датчики тока и напряжения для ВМС США, которые планируют создать «полностью электрические» корабли.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/volokonno-opticheskie-datchiki/
1. «Волоконно-оптический датчик»/ Викия наука http://ru.science.wikia.com
2. Бонерт К. «Прорыв в области измерения сильных постоянных токов» / К. Бонерт, П. Гугенбах // АБВ Ревю. — 2005. — № 1.
3. Ю.В. Гуляев, С.А. Никитов, В.Т. Потапов, Ю.К. Чаморовский «Волоконно-оптические технологии, устройства датчики и системы» Спецвыпуск «ФОТОН-ЭКСПРЕСС» — НАУКА №6, 2005
4. Оптические датчики тока и напряжения/ Журнал «Компоненты и технологии http://www.kit-e.ru
5. Научный журнал «Молодой ученый» http://www.moluch.ru
6. Старикова Н.С., Григорьев М.Г. «Волоконно-оптический датчик тока»//Современные проблемы науки и образования №6 за 2014 г.
7. Информоционо справочное издание « Новости электротехники» http://news.elteh.ru
8. Патент «Волоконно-оптический датчик тока» —
9. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики / Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу; под ред. Т. Окоси; пер. с япон. — Л. : Энергоатомиздат, 1990. — 256 с.
