CC BY
692
Metrology and information-measuring devices
Ураксеев М.А.
Urakseev M.A.
доктор технических наук, профессор кафедры «Информационно-измерительная техника» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа
Закурдаева Т.А.
Zakyrdaeva T.A.
аспирант
ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа
УДК 621.383.8 + 535.8
СОВРЕМЕННЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ НАПРЯЖЕНИЯ И НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОМ ЭФФЕКТЕ
В связи с возросшими требованиями к быстродействию пожаро- и взрывобезопасности, надежности, массогабаритным показателям датчиков физических величин, используемых в системах управления, актуальными являются волоконно-оптические датчики. Среди них важное место занимают датчики электрического напряжения и напряженности электрического поля, основанные на электрооптическом эффекте Поккельса. В последнее время они находят широкое применение в электроэнергетике, металлургии, стекольной промышленности, приборостроении и других отраслях. Рассмотрены некоторые из разработанных волоконно-оптических датчиков электрического напряжения и напряженности электрического поля. В настоящие время разработкой волоконно-оптических датчиков электрического тока напряжения и напряженности магнитного и электрического поля занимается целый ряд компаний, среди которых следует отметить канадскую компанию NxtPhase T&D Corporation, шведскую фирму PowerSense, американские фирмы OptiSense Network, Inc., Airak, Inc., FieldMetrics, Inc. (FMI), шведскошвейцарскую компанию ABB.
В России разработкой и исследованием подобных датчиков и измерительных систем занимается ООО «Уникальные волоконные приборы». Аналогичные исследования проводятся в Уфимском государственном авиационном техническом университете, Уфимском государственном университете экономики и сервиса, Дальневосточном государственном университете путей сообщения, Саратовском государственном техническом университете и ряде других организаций России.
Впервые оптические измерительные трансформаторы напряжения были продемонстрированы зарубежными компаниями в 2006 г. в Москве на Международной выставке «Электроэнергетика-2006» и произвели настоящий фурор, т. к. обычно используемые магнитные трансформаторы тока и напряжения в высоковольтных сетях имеют массу до 1 тонны, а оптические трансформаторы на порядок и более меньшую массу.
Ключевые слова: линейный электрооптический эффект, ячейка Поккельса, датчики электрического напряжения и напряженности, электрооптика, двойное лучепреломление.
ADVANCED FIBER-OPTIC VOLTAGE SENSOR AND ELECTRIC FIELD AT THE ELECTRO-OPTICAL EFFECT
Due to the increased performance requirements fire and explosion safety, reliability, overall dimensions
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 10, 2014
101
Метрология и информационно-измерительные устройства
of physical quantity sensors used in control systems that are relevant are fiber optic sensors. Among them the important place occupied by the sensors of electric voltage and electric field strength based on the electrooptical effect parcels. They are widely used in electric power, metallurgy, glass industry, instrumentation and other industries. Considered some of the developed fiber-optic sensors electric voltage and electric field strength. At present the development of fiber-optic sensors, electrical current voltage, and magnetic and electric fields emanate from a variety of companies, including canadian company NxtPhase T&D Corporation, the Swedish firm PowerSense, the American firm OptiSense Network, Inc., Airak, Inc., FieldMetrics, Inc. (FMI), the Swedish-Swiss company ABB.
In Russia the investigation and development of such sensors and measuring systems the company LLC «Unique fiber devices». Similar studies conducted in the Ufa state aviation Technical University, Ufa state University of Economics and service, far Eastern state transport University, Saratov state technical University and other organizations in Russia.
First optical measuring voltage transformers were demonstrated by foreign companies in 2006 in Moscow at the international exhibition «Power industry - 2006» and made a splash, because the commonly used magnetic transformers of current and voltage in high-voltage networks have a weight up to 1 ton, and optical transformers less weight and more.
Key words: linear electro-optic effect, Pockels cell,
В связи с возросшими требованиями к быстродействию пожаро- и взрывобезопасности, надежности, массогабаритным показателям датчиков физических величин, используемых в системах управления, актуальными являются волоконнооптические датчики. Среди них важное место занимают датчики электрического напряжения и напряженности электрического поля, основанные на электрооптическом эффекте Поккельса. В последнее время они находят широкое применение в электроэнергетике, металлургии, стекольной промышленности, приборостроении и других отраслях. Это во многом объясняется рядом присущих им достоинств [1-4]:
• Широкий динамический диапазон измерений (напряжения до сотен кВ).
• Высокая линейность.
• Широкий частотный диапазон, позволяющий анализировать гармоники напряжения и тока непосредственно в высоковольтной цепи.
• Отсутствие влияния нагрузки вторичных цепей и потерь в них.
• Высокая устойчивость оптоволоконных информационных каналов к внешним электромагнитным помехам.
• Небольшие массо-габаритные показатели.
• Первичный оптический преобразователь может быть удален от блока электроники на 450900 м и более.
Ниже рассмотрены некоторые из разработанных волоконно-оптических датчиков электрического напряжения и напряженности электрического поля.
Действие их основано на линейном электрооптическом эффекте Поккельса. Эффект Поккельса
voltage sensors and tension Electrooptics birefringence.
использует двойное лучепреломление в оптических средах электрооптических кристаллов при наложении постоянного или переменного электрического поля (рис. 1). При этом световая мощность, оцениваемая фотодиодом, включенным последовательно к оптической системе элемент Поккельса - анализатор, выражается как [2].
P = Po (1+sinnU/Un), (1)
где Po - мощность света на входе элемента Поккельса; U - измеряемое напряжение, подаваемое на электроды элемента Поккельса; Un - полуволновое напряжение.
На рисунке 1 приведена функциональная схема оптического измерительного трансформатора напряжения [1]. Она включает в себя источник и приемник оптического излучения, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), элемент Поккельса, содержащий два электрода, между которыми размещен электрооптический кристалл. Выходной сигнал трансформатора выдается в аналоговом и цифровом виде. Для отображения измеряемого напряжения цифровой сигнал может быть подан на жидкокристаллический индикатор.
Впервые такие трансформаторы были продемонстрированы зарубежными компаниями в 2006 г. в Москве на Международной выставке «Электроэнергетика-2006» и произвели настоящий фурор, т. к. используемые обычно магнитные трансформаторы тока и напряжения в высоковольтных сетях имеют массу до 1 тонны, а оптические трансформаторы на порядок и более меньшую массу.
В настоящие время разработкой волоконнооптических датчиков электрического тока напряжения и напряженности магнитного и электриче-
102
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 4, т. 10, 2014
Metrology and information-measuring devices
ского поля занимается целый ряд компаний, среди которых следует отметить канадскую компанию NxtPhase T&D Corporation [5], шведскую фирму PowerSense [7], американские фирмы OptiSense Network [8], Inc., Airak, Inc., FieldMetrics, Inc. (FMI), шведско-швейцарскую компанию ABB [6].
В России разработкой и исследованием подобных датчиков и измерительных систем занимается ООО «Уникальные волоконные приборы» [5]. Аналогичные исследования проводятся в Уфимском го-
сударственном авиационном техническом университете, Уфимском государственном университете экономики и сервиса [9], Дальневосточном государственном университете путей сообщения [10], Саратовском государственном техническом университете и ряде других организаций России.
В таблице приведена сопоставительная оценка характеристик волоконно-оптических датчиков напряжения, разработанных известными зарубежными компаниями [5].
Рис. 1. Функциональная схема оптического измерительного трансформатора напряжения
Сопоставительная оценка характеристик волоконно-оптических датчиков напряжения зарубежных компаний
Характеристика NxtPhase PowerSense OptiSense FieldMetrics ABB
Номин. напряжения, кА 121-550 35 138 115-550 0.003-5
Класс точности, % 0,2/3 0,2 0.3 0,2 1(5)
Рабочая частота, Гц 10/3000 - - - 50/60
Частотная полоса, Гц 0,1-6000 - 5-5000 - 6-5000
Масса, кг 132-650 2,5 68 50-186 0,17
Диапазон рабочих температур, оС -40...+50 -40...+50 -40...+70 -5...+40 0...+50
С более подробным изложением номенклатуры выпускаемых датчиков можно ознакомиться на сайтах зарубежных компаний [3, 5, 6, 7, 8].
Ниже приведены структурные схемы некоторых из разработок в области волоконно-оптических датчиков напряжения.
На рисунке 2 приведен электрооптический модулятор по схеме интерферометра Маха - Цен-дера [10]. Он содержит разделитель 1 светового потока на два пучка света, соединитель 2 разделенных пучков света, электрооптические элементы 3,
электроды 4 и отражающие элементы 5. На поверхность электрооптических элементов 3 нанесены электроды 4 в виде напыления металла. Электроды 4 подключены к источнику управляющего напряжения (не показано). Электрооптические элементы выполнены в виде упрощенных призм из монокристаллического материала, обладающего линейным электрооптическим эффектом, например, ниобата лития, титандита бария и др. Основание и две боковые грани каждой из призм расположены в параллельных плоскостях, при этом основания призм мо-
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 10, 2014
103
Метрология и информационно-измерительные устройства
гут представлять собой, например, прямоугольную, или равнобедренную, или тупоугольную трапеции, или прямоугольник, или параллелограмм. Боковые грани призм содержат просветленные области для входа и выхода разделенных пучков света и снабже-
ны отражающими элементами 5. Отражающие элементы могут являться частью электрооптических элементов и представляют собой отполированные грани кристалла, от которых свет отражается в условиях эффекта полного внутреннего отражения.
Рис. 2. Электрооптический модулятор по схеме интерферометра Маха - Цендера
На рисунке 3 показан многопроходный электрооптический фазовый модулятор [9]. На схеме обозначены: 1 - входящий световой пучок; 2 - электрооптический кристалл; 3 - профилированные стороны, обеспечивающие многократное отражение световой волны в пределах электрооптического кристалла; 4 - выходной световой пучок; 5 - управ-
ляющие электроды, подключенные к разноименным полюсам источника напряжения; 6 - источник напряжения.
Устройство работает следующим образом. Световой пучок 1 вводится в электрооптический кристалл 2 и попадает на одну из отражающих профилированных сторон 3.
Рис. 3. Многопроходный электрооптический фазовый модулятор
104
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 4, т. 10, 2014
Metrology and information-measuring devices
Далее световой пучок отражается от нее и направляется на другую отражающую профилированную сторону, которая затем вновь перенаправляет пучок на первую отражающую сторону, частично смещая световой пучок к выходу устройства. Таким образом, система, состоящая из, по крайней мере, двух отражающих профилированных сторон, с возможностью введения светового пучка в кристалл так, что свет попадает на одну из профилированных сторон, имеющих отражающие треугольные вырезы, обеспечивает многократное прохождение светового пучка в пределах электрооптического кристалла между входом и выходом устройства.
Световой пучок, прошедший электрооптический кристалл 2, приобретает фазовый сдвиг, пропорциональный величине модулирующего напряжения, приложенного к электродам 5, и длине пробега светового луча. Связь между величиной управляющего напряжения и глубиной фазовой модуляции будет определяться геометрией электродов и профилированных сторон, размером, материалом и ориентацией электрооптического кристалла, поляризацией модулируемой световой волны.
На рисунке 4 изображена схема электрооптического модулятора.
Электрооптический модулятор содержит два идентичных анизотропных электрооптических кристалла 1, 2, поляризатор 3, два анализатора 4, 5, источник немонохроматического излучения 6 и генератор управляющего электрического поля 7. Источник немонохроматического излучения 6, поляризатор 3, кристалл 1, анализатор 4, кристалл 2, анализатор 5 соединены последовательно оптической связью. Оптические оси кристаллов 1, 2 параллельны друг другу и перпендикулярны направлению распространения излучения, а оси пропускания поляризатора 3 и анализаторов 4, 5 параллельны друг другу и расположены под углом 45 градусов к оптическим осям кристаллов 1, 2. Генератор управляющего электрического поля 7 электрически связан с кристаллом 2, причем напряженность управляющего поля перпендикулярна направлению излучения.
В качестве анизотропных электрооптических кристаллов выбраны кристаллы LiNbO3 с длиной l=1 см в направлении распространения света и тол-
щиной d=1 мм вдоль направления управляющего электрического поля.
Электрооптический модулятор работает следующим образом. Излучение от источника 6 немонохроматическое и содержит лучи всех длин волн в широком спектральном диапазоне (порядка 600 ангстрем). Параллельный пучок немонохроматического излучения после прохождения поляризатора 3 распространяется в кристалле 1, в котором каждый луч соответствующей длины волны разбивается на два луча с ортогональными поляризациями, один из которых является обыкновенным, другой - необыкновенным. Благодаря тому, что угол между осью пропускания поляризатора 3 и оптической осью кристалла 1 составляет 45 градусов, амплитуды обыкновенного и необыкновенного лучей на любой длине волны равны между собой. За счет разницы показателей преломления между обыкновенным и необыкновенным лучами на выходе кристалла 1 возникает разность фаз Дф01, определенная для каждой длины волны.
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 10, 2014
105
Метрология и информационно-измерительные устройства
В анализаторе 4 происходит сложение проекций напряженностей обыкновенного и необыкновенного лучей на ось пропускания анализатора 4 и из анализатора 4 выходит результирующий луч. Из-за неодинаковой разности фаз для результирующих лучей разных длин волн интенсивность излучения различна и принимает конкретное значение в диапазоне от максимального значения до нуля. Для излучения с разностью фаз, равной п, интенсивность излучения на выходе анализатора 4 равна нулю, а интенсивность излучения для остальных длин волн принимает промежуточные значения между максимальным значением и нулем.
Список литературы
1. Измерительные оптические трансформаторы тока и напряжения [Электронный ресурс]. - URL: http://www.ruscable.ru/doc/analytic/KPD-5/proline. pdf.
2. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики [Текст] / Окоси Т и др. - Л.: Энергоатомиздат, 1990.
- 256 с.
3. URL: http://www.fieldmetricsinc.com.
4. Ураксеев М.А. Волоконно-оптические датчики для автоматизированных технологических процессов и производств [Текст] / М.А. Ураксеев, Н.А. Авдонина // Приборы и системы. Управление контроль, диагностика. - 2009. - № 4. - С. 29-34.
5. URL: http://www.nxtphase.com.
6. URL: http://www.abb.com.
7. URL: http://www.airak.com.
8. URL: http://www.sensethepower.com.
9. Патент РФ на изобретение № 2420771 МПК7 G02F1/00. Многопроходный электрооптический фазовый модулятор [Текст] / С.А. Матюнин, Г.И. Леонович, Ю.А. Федотов, В.Д. Паранин; патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева» (RU). - № 2009112130/28. - Заявл. 01.04.2009.
- Опубл. 10.06.2011. - Бюл. № 16.
10. Патент РФ на изобретение № 2267802 МПК7 G02F1/00. Электрооптический модулятор [Текст] / В.И. Строганов, Е.В. Толстов, В.В. Криш-топ, И.В. Рапопорт, М.Н. Литвинова, А.В. Сюй; патентообладатель ГОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения МПС России (ДВГУПС) (RU). - № 2004116031/28. - Заявл. 25.05.2004. - Опубл. 10.01.2006. - Бюл. № 1.
11. Патент РФ на изобретение № 2405179
МПК7 G02F1/00. Электрооптический модулятор по схеме интерферометра Маха - Цендера [Текст] / Д.Р. Древко, Ю.А. Зюрюкин; патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет» (СГТУ) (RU). - № 2009137927/28. - Заявл. 13.10.2009. -Опубл. 27.11.2010. - Бюл. № 33.
References
1. Izmeritel'nye opticheskie transformatory toka i naprjazhenija [Jelektronnyj resurs]. - URL: http://www. ruscable.ru/doc/analytic/KPD-5/proline.pdf.
2. Okosi T. Volokonno-opticheskie datchiki [Tekst] / Okosi T i dr. - L.: Jenergoatomizdat, 1990. - 256 s.
3. URL: http://www.fieldmetricsinc.com.
4. Urakseev M.A. Volokonno- opticheskie datchiki dlja avtomatizirovannyh tehnologicheskih processov i proizvodstv [Tekst] / M.A. Urakseev, N.A. Avdonina // Pribory i sistemy. Upravlenie kontrol', diagnostika. -2009. - № 4. - S. 29-34.
5. URL: http://www.nxtphase.com.
6. URL: http://www.abb.com.
7. URL: http://www.airak.com.
8. URL: http://www.sensethepower.com.
9. Patent RF na izobretenie № 2420771 MPK7 G02F1/00. Mnogoprohodnyj jelektroopticheskij fazovyj moduljator [Tekst] / S.A. Matjunin, G.I. Leonovich, Ju.A. Fedotov, V.D. Paranin; patentoobladatel' Gosudarstvennoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego professional'nogo obrazovanija «Samarskij gosudarstvennyj ajerokosmicheskij universitet imeni akademika S.P. Koroleva» (RU). - №2009112130/28. -Zajavl. 01.04.2009. - Opubl. 10.06.2011. - Bjul. № 16.
10. Patent RF na izobretenie №2267802 MPK7 G02F1/00. Jelektroopticheskij moduljator [Tekst] / V.I. Stroganov, E.V. Tolstov, V.V. Krishtop, I.V. Rapoport, M.N. Litvinova, A.V. Sjuj; patentoobladatel' GOU VPO Dal'nevostochnyj gosudarstvennyj universitet putej soobshhenija MPS Rossii (DVGUPS) (RU). - № 2004116031/28. - Zajavl. 25.05.2004. - Opubl. 10.01.2006. - Bjul. № 1.
11. Patent RF na izobretenie № 2405179 MPK7 G02F1/00. Jelektroopticheskij moduljator po sheme interferometra Maha - Cendera [Tekst] / D.R. Drevko, Ju.A. Zjurjukin; patentoobladatel' Gosudarstvennoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego professional'nogo obrazovanija «Saratovskij gosudarstvennyj tehnicheskij universitet» (SGTU) (RU). - № 2009137927/28. - Zajavl. 13.10.2009. -Opubl. 27.11.2010. - Bjul. № 33.
106
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 4, т. 10, 2014
