CC BY
6заявитель Уфимский государственный авиационный технический университет; пат. поверенный Ефремова В.П. № 2005133667; заявл. 31.10.05; опубл. 20.04.06.
5 Пирометр: пат. 2215269 Рос. Федерация МПК7 G01J5/00 / Семёнов А.Н., Тюрин В.Н., Орлов И.Я., Афанасьев А.В., Хрулев А.Е., Черемных Г.С., Блинов А.М.; заявитель Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н.А. Доллежаля»; заявл. 06.05.2002; опубл. 27.10.2003.
6 Информационно-измерительное устройство температурной диагностики контролируемых объектов: решение о выдаче патента на полезную модель от 17.10.2006 по заявке №2006134227/22: МПК8 G01J15/10 / Ураксеев М.А., Фаррахов Р.Г.; заявитель Уфимский государственный авиационный технический университет.
УДК 681.518
ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТООПТИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА ФАРАДЕЯ В ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ КОНТРОЛЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
М.А. Ураксеев, Т.М. Левина
Проведено исследование магнитооптики и волоконной оптики для создания современных информационно-измерительных систем (ИИС) контроля магнитного поля и электрического тока с элементом Фарадея в виде оптического волокна. Представлены преимущества волоконно-оптических кабелей в качестве физической среды. Определены способы разделения световых волн в соответствии с их поляризацией и разработки в ИИС контроля магнитного поля и электрического тока с применение магнитооптического элемента Фарадея
Для принятия правильных и быстрых решений необходимо иметь полную и достоверную информацию о контролируемых объектах и процессах. Поэтому современный уровень науки и производства выдвигает перед измерительной техникой рад новых сложных задач, решение которых связано с созданием новых средств измерений, качественно отличающихся от тех, которые использовались ранее.
Важным отличием новых средств измерений является их интеллектуальность, т.е. способность измерительных приборов и систем выполнять операции преобразования, обработки, анализа и управления информацией, которые ранее были доступны только человеку. К таким средствам относятся ИИС, т.е. комплекс измерительных устройств, обеспечивающих одновременное получение необходимой измерительной информации о состоянии объекта. Технические средства, входящие в ИИС, должны обладать определенными свойствами:
• легко сопрягаться между собой без дополнительных устройств;
• не оказывать заметного взаимного влияния;
• иметь одинаковые условия эксплуатации.
Следовательно, эта система должна обладать различными видами совместимости: энергетической, метрологической, конструктивной, эксплуатационной и информационной1.
Уникальные открытия в области магнитооптики и волоконной оптики в последние десятилетия привлекают к этой области физики всеобщее внимание. Это связано с повышением требований к ИИС и объемам измерительной информации, ее качеству (достоверности), способам получения, анализа, хранения и передачи, что приводит к постоянным изменениям взглядов на обеспечение необходимыми средствами специалистов, занимающихся измерениями и управлением полученными данными. Вместе с тем повышаются требования
к метрологическим, эксплуатационным и экологически безопасным характеристикам информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС), их габаритам и массе, защищенности от воздействия окружающей среды2.
Анализируя исследования в этой области, можно сказать, что, хотя традиционные измерения, контроль и испытания необходимы и лежат в основе оценке состояния оборудования, они не всегда позволяют обнаружить дефекты на ранней стадии и своевременно дать информацию о развитии процессов, приводящих к снижению надежности и работоспособности оборудования. Поэтому использование дополнительно контролируемых параметров объективно оправдано и развивается как в нашей стране, так и за рубежом.
Сегодня новейшие технологии позволяют создавать тонкие, прочные и гибкие стеклянные нити (оптические волокна), что сделало возможным создание современных ИИУС с этими волокнами для контроля широкого круга физических величин (табл.)
Таблица
Спрос-предложение волоконно-оптических преобразователей физических величин
№ Физическая величина Спрос-предложение
Спрос, % Предложение, %
За рубежом Отечественное
1 Перемещение 100 40 10
2 Температура 100 40 15
3 Уровень 90 30 18
4 Давление 90 21 11
5 Частота вращения 78 35 29
6 Ускорение 67 32 9
7 Г азовый состав 40 21 7
8 Наличие пламени 30 10 10
9 Сила 29 10 3
10 Напряженность магнитного поля 20 19 1
11 Скорость 19 5 2
12 Унос ТЗП 19 3 3
13 Расход 10 5 1
14 Деформация 9 5 2
15 Координаты 9 5 2
16 Крутящий момент 7 5 1
Как видно из таблицы, хотя в России и ведутся работы по совершенствованию и созданию различных волоконно-оптических преобразователей, ИИС, их компонентов и технологии изготовления самих оптических волокон, но достаточно отработаны и широко используются только волоконно-оптические телекоммуникационные системы.
Необходимо вести интенсивные разработки в области создания внутриобъектовых волоконно-оптических информационно-измерительных систем (ВОИИС), обеспечивающих более эффективную передачу информации о состоянии объекта в сравнении с традиционными системами сбора и преобразования информации в условиях воздействия сильных электромагнитных помех и повышенной взрывоопасности3.
ВОИИС отличаются использованием в качестве физической среды волоконно-оптических кабелей (ВОК), чем достигаются:
1) отсутствие влияния на результат измерения электромагнитных полей;
2) отсутствие побочных электромагнитных излучений;
3) отсутствие перекрестных помех каналов;
4) отсутствие проблем, связанных с контурами заземления и с напряжениями смещения в местах соединения разнородных проводников;
5) существенно меньшая электрическая опасность и отсутствие проблемы дугообра-зования и искрения;
6) высокая стойкость к вредным воздействиям среды;
7) более тонкий, более легкий (в 2 раза) и более прочный, чем электрический, многожильный кабель;
8) простота мультиплексирования сигналов;
9) высокая скорость передачи данных.
Создание и внедрение на отечественных объектах ВОИИС предполагают разработку определенной компонентной базы, в первую очередь - волоконно-оптических преобразователей магнитного поля. К наиболее характерным проявлениям магнитного поля относятся явление электромагнитной индукции, силовое действие на ферромагнитные материалы и контуры с токами, изменение траектории движения заряженных частиц, оптических свойств среды, размеров материала, магнитных свойств материала, а также избирательное поглощение или излучение электромагнитных волн вещества4.
Наиболее перспективные элементы ИИУС для контроля магнитного поля по точности составляют магнитооптические преобразователи (МОП).
Принцип работы МОП основан на использовании магнитооптических эффектов в специфических доменных структурах, перестраиваемых под воздействием внешних полей (тепловых, магнитных и т.д.).
Возможность создания преобразователей этого класса стала реальной в результате появления лазерной техники, так как лазер является генератором электромагнитного излучения оптического диапазона длин волн, в который входят инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые волны. Это излучение качественно отличается от излучения других источников, например нагретых тел. Лазерное излучение характеризуется высокой степенью временной и пространственной когерентности, монохроматичностью, малой расходимостью (острой направленностью) луча, большой плотностью энергии. Лазерный луч можно перемещать непрерывно или дискретно в пространстве, модулировать, включать и выключать.
МОП используют также способы, которыми можно разделить или отфильтровать световые волны в соответствии с их поляризацией.
Поляризация с помощью стеклянной пластинки. Поляризацию света можно получить с помощью оптической поверхности. Когда неполяризованный пучок пересекает оптическую поверхность раздела двух сред под косым углом, происходит частичная поляризация отраженной и преломленной волн. Эти волны становятся поляризованными перпендикулярно плоскости падения и параллельно ей соответственно. Степень возникновения поляризации зависит от угла падения. Отраженная волна полностью поляризуется при угле падения, равном углу Брюстера. Этот эффект используется в лазерах.
Поляризация за счет деулучепреломления. Одним из физических явлений, имеющих место в оптически активных веществах, является то, что скорость распространения волны зависит от ее поляризации, т.е. вещество имеет различные показатели преломления для различных ориентаций поляризации. Это свойство и будет дву лучепреломлением. Как известно, неполяризованный луч содержит все возможные ориентации поляризации в равной мере. Поэтому можно разложить электромагнитные поля пучка по двум ортогональным направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Если эти оси соответствующим образом наклонены к оптическим осям кристалла, то две части пучка будут преломляться по-разному и, таким образом, будут разделены.
Поляризация за счет селективного поглощения. Поляризацию можно также получить с помощью дихроичных веществ, т.е. селективного поглощение одной из ортогональных поляризаций не поляризованной световой волны. Это явление, открытое Био в 1815 г., наблюдается в некоторых минералах, наиболее известным из которых является турмалин, а также в некоторых органических веществах.
Свет, распространяющийся по оптическому волокну, может претерпевать изменение поляризации вследствие различных внешних воздействий, что используется при создании сенсоров.
Магнитооптические эффекты, которые используются в основе создания МОП, применяемых в промышленности, имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения.
На объектах больших и сверболыпих значений электрического тока и создаваемого им магнитного поля по техническим параметрам являются системы с МОП, выполненные с применением эффекта Фарадея.
Эффект Фарадея (1845 г.). Этот эффект заключается в том, что под воздействием магнитного поля, вектор напряженности которого совпадает с направлением света, наблюдается поворот плоскости поляризации света, проходящего через вещество. Угол фарадеев-ского вращения фР при напряженности магнитного поля Н, длине светового пути в веществе Ь выражается как
= УНЬ (1)
Здесь величина V' , называемая постоянной Верде, характеризует активность эффекта Фарадея для данного вещества.
На рис. 1 приведена структурная схема магнитооптического эффекта Фарадея, используемого в ИИС контроля магнитного поля. Световые лучи передаются от источника света (обычно светодиода) в светочувствительную часть датчика с помощью многомодового оптического волокна.
(Луч света
Анализатор;
Светоприемник
Поляризатор
Рис. 1. Структурная схема магнитооптического эффекта Фарадея
В чувствительной части световая волна с линейной поляризацией попадает через поляризатор в элемент Фарадея, где под воздействием магнитного поля происходит поворот плоскости поляризации. Значение угла поворота фР преобразуется анализатором в значение
интенсивности света, и далее свет передается оптическим волокном в светоприемное устройство. При этом, если установить угол между поляризатором и анализатором 45°, то световая мощность на поверхности детектора (обычно /ля-фотодиода)
Р = Р0(\ + ят(рр) (2)
где Р0 - мощность света при отсутствии магнитного поля.
Как видно из формулы (2), магнитное поле можно измерять по электрическому сигналу фотодетектора.
В основе построения бесконтактного волоконно-оптического преобразователя магнитного поля (ОПМП) используется оптическое волокно, которое может служить также элементом Фарадея. Например, волокно из кварца.
Если изготовить кольцо из множества витков оптического волокна и намотать на это кольцо провод, то, пропустив электрический ток, можно получить преобразователь магнитного поля, обладающий высокой чувствительностью. При этом угол вращения плоскости поляризации
Ф=1’\',.\' /. (3)
где I - электрический ток; Щ - число витков кольца из оптического волокна; Щ - число пересечений электрического тока с витками волокна.
Обычным одномодовым волокнам свойственно двойное лучепреломление, обусловленное некоторой эллиптичностью поперечного сечения. Это заметно снижает линейность зависимости угла вращения плоскости поляризации при эффекте Фарадея, в связи с чем предлагается скручивание оптического волокна. Благодаря скручиванию ослабляется двойное лучепреломление, В сущности, это уменьшение связи между волнами с левой и правой круговой поляризацией при имеющейся разности фазовых постоянных для них.
Угол вращения Фарадея
Электрический ток, А
Рис. 2. Характеристика эффекта Фарадея в оптическом одномодовом волокне, улучшенная с помощью его скручивания. V = 0,015../7А
В результате можно добиться хорошей линейности характеристики эффекта Фарадея (рис. 2). Здесь оптическое волокно подвергалось скручиванию 124 рад/м; диаметр кольца 8 см; = 55, = 1250. Угол вращения плоскости поляризации определялся по интен-
сивности света, пропускаемого поляризатором5.
На рис. 3 приведена структурная схема информационно-измерительного устройства контроля магнитного поля и электрического тока с применение магнитооптического элемента Фарадея6.
Устройство содержит источник оптического излучения 1 в виде лазера или лазерного диода. Последовательно с ним оптически соединяют поляризатор 2, оптическое волокно 3, обладающее линейным двойным лучепреломлением и свернутое в катушку. Внутри катушки
3 расположен проводник 4 с измеряемым током I. Анализатор 5 оптически связан с фотоприемником 6 в виде фотодиода. Последний электрически соединен с усилителем 7, выход которого подключен к микроконтроллеру 8, содержащему блок обработки информации.
Рис. 3. Информационно-измерительное устройство контроля электрического тока
и магнитного поля
Устройство работает следующим образом.
При прохождении электрического тока I по проводнику 4 вокруг него создается магнитное поле, напряженность которого по закону полного тока определяется как
Я = / 2п11 (4)
где Я - расстояние от проводника с током до рассматриваемой точки.
В случае измерения магнитного поля оно непосредственно воздействует на чувствительный элемент устройства в виде катушки 3 из оптического волокна.
Эта же катушка служит магнитооптическим элементом Фарадея. При воздействии на нее магнитного поля происходит поворот плоскости поляризации плоскополяризованного луча света на угол фарадеевского вращения:
9 = Шо1, (5)
где N0- число витков катушки из оптического волокна; V - постоянная Верде.
При непосредственном воздействии магнитного поля угол фарадеевского вращения находится по формуле
<р = ШЬ, (6)
где Ь - длина пути света в катушке из оптического волокна.
В анализаторе 5 угол поворота плоскости поляризации плоскополяризованного луча (р преобразуется в изменение мощности оптического сигнала по формуле (2). Оптический сигнал с выхода анализатора воздействует на фотодиод 6, электрический сигнал с выхода которого усиливается усилителем 7 и поступает на микроконтроллер 8, в котором обрабатывается блоком обработки.
Наличие блока обработки позволяет повысить точность измерения. Это происходит за счет коррекции погрешностей, возникающих от влияния на постоянную Верде материала оптического волокна колебаний температуры окружающей среды и длины волны оптического излучения.
Таким образом, в статье рассмотрено современное состояние ИИУС с волоконно-оптическими преобразователями. Выявлены наиболее конкурентоспособные элементы систем контроля магнитного поля. Описан и показан принцип построения современных ИИС контроля магнитного поля с магнитооптическим элементом Фарадея.
1 Котур В.И., Скомская М.А, Храмова Н.Н. Электрические измерения и электроизмерительные приборы. М.: Энергоатомиздат, 1986.
2 Богданов Е.А. Основы технической диагностики нефтегазового оборудования. М.: Высшая школа, 2006; Басурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчет и применения. М.: Энергоатомиздат, 1990; Бутусов М.М. Волоконно-оптические датчики в приборостроении. Л.: Машиностроение, 1989; Виглеб Г. Датчики: Пер. с нем. М.: Мир, 1989.
3 Гармаш В.Г., Егоров Ф.А., Коломиец Л.Н., Неугодников А.П., Поспелов В.И. Возможности, задачи и перспективы волоконно-оптических измерительных систем в современном приборостроении // Фотон-экспресс. 2005. № 6.
4 Мазур И.И. Молдаванов О.И. Курс инженерной экологии. М.: Высшая школа, 2001.
5 Окоси Т., Окамото К., Оцу М. и др. Волоконно-оптические датчики. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990; Сви М. П. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. М.: Энегрия, 1993.
6 Пат. России № 53021, кл. СО 1Я33/032. Информационно-измерительное устройство контроля электрического тока и магнитного поля.
