Вы не авторизованы...
Вход на сайт
Сегодня 22 апреля 2018 года, воскресенье , 19:25:43 мск
Общество друзей милосердия
Опечатка?Выделите текст мышью и нажмите Ctrl+Enter
 
Контакты Телефон редакции:
+7(495)640-9617

E-mail: nr@oilru.com
 
Сегодня сервер OilRu.com - это более 1274.41 Мб информации:

  • 538482 новостей
  • 5112 статей в 168 выпусках журнала НЕФТЬ РОССИИ
  • 1143 статей в 53 выпусках журнала OIL of RUSSIA
  • 1346 статей в 45 выпусках журнала СОЦИАЛЬНОЕ ПАРТНЕРСТВО
Ресурсы
 

Наследие Фарадея

 
Алексей Батырь
Как в средствах измерения вместо медных обмоток применяются оптоволокно и кристаллы
23.03.2018

Мало кто задумывается о том, что практически всё производство электроэнергии и немалое количество электрических приборов основаны на явлении и законе электромагнитной индукции, открытых ещё в 1831 г. великим английским учёным Майклом Фарадеем. На этом же законе основаны электромагнитные измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН), которые уже более ста лет используются в электроэнергетике и промышленности для измерения переменных токов и напряжений в высоковольтных сетях. Другое явление, открытое Фарадеем в 1845 г., – поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света в магнитном поле – ждало своего крупномасштабного технического применения больше полутора веков.


В СССР первые работы по созданию оптических датчиков тока на основе эффекта Фарадея проводились ещё в начале 1970-х годов. После появления лазеров и оптического волокна (ОВ) у учёных-исследователей родилась мысль применить ОВ в качестве чувствительного элемента датчиков тока, использующих эффект Фарадея. Однако в то время технологии ещё не созрели для создания надёжных промышленных образцов оптических трансформаторов тока.

В 1875 г. шотландский физик Джон Керр открыл (названный впоследствии его именем) эффект изменения показателя преломления оптического материала, находящегося в электрическом поле, пропорционально квадрату напряжённости этого поля (его также называют квадратичным электрооптическим эффектом). А в 1893 г. немецкий физик Фридрих Поккельс обнаружил и исследовал возникновение двойного лучепреломления в некоторых кристаллах (в частности, ниобата лития и арсенида галлия) под действием электрического поля. В отличие от эффекта Керра, здесь наблюдается не квадратичная, а линейная зависимость показателя преломления от напряжённости поля. Именно поэтому в оптических трансформаторах напряжения в большинстве случаев применяются датчики, основанные именно на эффекте Поккельса, а не Керра.

Отмечу, что терминология в данной сфере ещё окончательно не установилась. В литературе можно встретить различные наименования: «оптические», «магнитооптические», «оптоэлектронные», «оптоволоконные», «волоконно-оптические», «оптикоэлектрические» и другие подобные определения трансформаторов, преобразователей и датчиков тока и напряжения. Строго говоря, эти устройства – не трансформаторы (масштабные преобразователи) в традиционном смысле, а измерительные преобразователи, превращающие переменный или постоянный ток или напряжение большой величины в измерительные сигналы (аналоговые или цифровые).

Эффект Фарадея и закон Верде

Поляризованный свет можно получать разными способами. Например, пропуская неполяризованный свет через поляризаторы. А поворачивать плоскость поляризации света способны как оптически активные вещества (различные кристаллы, их расплавы и растворы), так и внешние поля, воздействующие на среду прохождения света. Именно к последним случаям относится эффект Фарадея – вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в среде вдоль постоянного магнитного поля. Отметим, что в вакууме такой эффект не возникает: магнитное поле влияет на свет опосредованно, через оптические характеристики среды.

Вращение плоскости поляризации монохроматического линейно поляризованного света, распространяющегося в изотропной немагнитной среде вдоль магнитного поля, подчиняется закону Верде:

Θ = V × l × H,

где Θ – угол поворота (угол Фарадея); Н – магнитная напряжённость поля; l – длина пути светового луча в среде вдоль силовой линии магнитного поля; V – постоянная Верде (удельное магнитное вращение), зависящая от длины волны света (частоты колебаний), плотности среды и её температуры (для диамагнетиков эта зависимость очень слаба).

Для большинства сред V > 0, что означает правостороннее вращение. Знак угла поворота плоскости поляризации определяется только направлением магнитного поля и не зависит от направления распространения луча (по полю или против него).

Из закона Верде очевидным образом вытекает возможность применения эффекта Фарадея для бесконтактного измерения величины постоянного тока в токопроводе. Постоянный ток порождает вокруг токопровода постоянное магнитное поле, поместив в которое чувствительный элемент с линейно поляризованным светом, можно по углу поворота плоскости поляризации определить величину напряжённости магнитного поля, а по ней – и величину самого тока в токопроводе (рис. 1).


Сложнее обстоит дело с переменным током. Его магнитное поле каждые 10 мс (полупериод для промышленного тока с частотой 50 Гц) меняется как по величине, так и по направлению. Плоскость поляризации света в чувствительном элементе также поворачивается в разные стороны каждый полупериод. Поэтому для полного периода синусоидального тока (и кратных ему периодов) угол Фарадея оказывается равным нулю. Следовательно, измерять его необходимо раздельно для положительных и отрицательных полупериодов тока.

Главный чувствительный элемент любого оптического ТТ – оптическое волокно. Это тонкая стеклянная нить в защитной оболочке. Сердцевина оптоволокна выполнена из сверхчистого кварцевого стекла и окружена оболочкой из другого стекла или полимера с меньшим показателем преломления. Вследствие этого на поверхности раздела сердцевины и оболочки лучи света, падающие под определёнными углами, подвергаются полному внутреннему отражению. Благодаря этому свойству ОВ передаёт световые волны на большие расстояния с минимальными потерями энергии.

Обычное оптоволокно, применяемое в системах связи, не сохраняет параметров поляризации света. Для этой цели используют специальные оптические волокна, изготовленные по особой технологии. Например, «кручёное» ОВ получают при быстром вращении кварцевой заготовки в процессе вытяжки волокна, в котором образуется застывшая спиралевидная структура. Для повышения поляризационной стабильности среды применяют микроструктурированное («дырчатое») ОВ, содержащее вокруг кварцевой сердцевины множество воздушных цилиндрических микроканалов диаметром 1–2 мкм. Эти каналы компенсируют (за счёт изменения своей формы) температурные и механические воздействия на волокно, влияющие на поляризацию сигнала.

От луча – к показаниям

Типичная схема оптического ТТ содержит чувствительный элемент в виде нескольких витков ОВ, помещенных в жёсткую защитную оболочку из немагнитного материала – ячейку Фарадея – и электронно-оптический блок (ЭОБ). ЭОБ с помощью встроенного полупроводникового лазера и модулятора на оптическом выходе создаёт монохроматический линейно поляризованный световой сигнал, направляемый на чувствительный элемент по сохраняющему поляризацию оптоволокну. В чувствительном элементе плоскость поляризации сигнала под воздействием магнитного поля, созданного протекающим по шине током, поворачивается на угол Фарадея. С выхода чувствительного элемента световой сигнал поступает на оптический вход ЭОБ, где на фазовом детекторе из него формируется электрический измерительный сигнал. Далее этот сигнал через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) поступает в виде цифрового кода на дискретный интерфейсный выход ЭОБ и через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на усилитель, где формируются нормированные аналоговые выходные сигналы в виде напряжения или тока для выдачи на аналоговый интерфейс ЭОБ. Обычно используется не проходная схема измерения, а реверсивная, в которой световой сигнал отражается от зеркала, расположенного в конце измерительной петли, и возвращается обратно в ЭОБ по тому же пути, по которому он попал в ОВ.


Не вдаваясь в подробности, отметим, что в оптическом ТН на ячейку Поккельса поступает свет с круговой поляризацией, который на выходе приобретает эллиптическую поляризацию, обусловленную разницей в фазовых скоростях волн, имеющих взаимно ортогональные поляризации (рис. 2). Оптическая индикатриса (показатель оптических свойств кристаллов) поворачивается в кристалле на угол Δφ, зависящий от напряжённости электрического поля. Ячейка Поккельса содержит кристалл ортогерманата висмута (Bi4Ge3O12) или другого пьезоэлектрика. Чтобы обеспечить независимость результатов измерений от температуры, вибраций и колебаний интенсивности лазерного источника излучения, используется двухканальный метод (рис. 3). Кристаллы в ячейках Поккельса повёрнуты друг относительно друга на 90 градусов.




0

 

 
Рейтинг@Mail.ru   


© 1998 — 2018, «Нефтяное обозрение (oilru.com)».
Свидетельство о регистрации средства массовой информации Эл № 77-6928
Зарегистрирован Министерством РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовой коммуникаций 23 апреля 2003 г.
Свидетельство о регистрации средства массовой информации Эл № ФС77-51544
Перерегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи и массовых коммуникаций 2 ноября 2012 г.
Все вопросы по функционированию сайта вы можете задать вебмастеру
При цитировании или ином использовании любых материалов ссылка на портал «Нефть России» (http://www.oilru.com/) обязательна.
Точка зрения авторов, статьи которых публикуются на портале oilru.com, может не совпадать с мнением редакции.
Время генерации страницы: 0 сек.

Наследие Фарадея

Алексей Батырь
Как в средствах измерения вместо медных обмоток применяются оптоволокно и кристаллы
23.03.2018

Мало кто задумывается о том, что практически всё производство электроэнергии и немалое количество электрических приборов основаны на явлении и законе электромагнитной индукции, открытых ещё в 1831 г. великим английским учёным Майклом Фарадеем. На этом же законе основаны электромагнитные измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН), которые уже более ста лет используются в электроэнергетике и промышленности для измерения переменных токов и напряжений в высоковольтных сетях. Другое явление, открытое Фарадеем в 1845 г., – поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света в магнитном поле – ждало своего крупномасштабного технического применения больше полутора веков.


В СССР первые работы по созданию оптических датчиков тока на основе эффекта Фарадея проводились ещё в начале 1970-х годов. После появления лазеров и оптического волокна (ОВ) у учёных-исследователей родилась мысль применить ОВ в качестве чувствительного элемента датчиков тока, использующих эффект Фарадея. Однако в то время технологии ещё не созрели для создания надёжных промышленных образцов оптических трансформаторов тока.

В 1875 г. шотландский физик Джон Керр открыл (названный впоследствии его именем) эффект изменения показателя преломления оптического материала, находящегося в электрическом поле, пропорционально квадрату напряжённости этого поля (его также называют квадратичным электрооптическим эффектом). А в 1893 г. немецкий физик Фридрих Поккельс обнаружил и исследовал возникновение двойного лучепреломления в некоторых кристаллах (в частности, ниобата лития и арсенида галлия) под действием электрического поля. В отличие от эффекта Керра, здесь наблюдается не квадратичная, а линейная зависимость показателя преломления от напряжённости поля. Именно поэтому в оптических трансформаторах напряжения в большинстве случаев применяются датчики, основанные именно на эффекте Поккельса, а не Керра.

Отмечу, что терминология в данной сфере ещё окончательно не установилась. В литературе можно встретить различные наименования: «оптические», «магнитооптические», «оптоэлектронные», «оптоволоконные», «волоконно-оптические», «оптикоэлектрические» и другие подобные определения трансформаторов, преобразователей и датчиков тока и напряжения. Строго говоря, эти устройства – не трансформаторы (масштабные преобразователи) в традиционном смысле, а измерительные преобразователи, превращающие переменный или постоянный ток или напряжение большой величины в измерительные сигналы (аналоговые или цифровые).

Эффект Фарадея и закон Верде

Поляризованный свет можно получать разными способами. Например, пропуская неполяризованный свет через поляризаторы. А поворачивать плоскость поляризации света способны как оптически активные вещества (различные кристаллы, их расплавы и растворы), так и внешние поля, воздействующие на среду прохождения света. Именно к последним случаям относится эффект Фарадея – вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в среде вдоль постоянного магнитного поля. Отметим, что в вакууме такой эффект не возникает: магнитное поле влияет на свет опосредованно, через оптические характеристики среды.

Вращение плоскости поляризации монохроматического линейно поляризованного света, распространяющегося в изотропной немагнитной среде вдоль магнитного поля, подчиняется закону Верде:

Θ = V × l × H,

где Θ – угол поворота (угол Фарадея); Н – магнитная напряжённость поля; l – длина пути светового луча в среде вдоль силовой линии магнитного поля; V – постоянная Верде (удельное магнитное вращение), зависящая от длины волны света (частоты колебаний), плотности среды и её температуры (для диамагнетиков эта зависимость очень слаба).

Для большинства сред V > 0, что означает правостороннее вращение. Знак угла поворота плоскости поляризации определяется только направлением магнитного поля и не зависит от направления распространения луча (по полю или против него).

Из закона Верде очевидным образом вытекает возможность применения эффекта Фарадея для бесконтактного измерения величины постоянного тока в токопроводе. Постоянный ток порождает вокруг токопровода постоянное магнитное поле, поместив в которое чувствительный элемент с линейно поляризованным светом, можно по углу поворота плоскости поляризации определить величину напряжённости магнитного поля, а по ней – и величину самого тока в токопроводе (рис. 1).


Сложнее обстоит дело с переменным током. Его магнитное поле каждые 10 мс (полупериод для промышленного тока с частотой 50 Гц) меняется как по величине, так и по направлению. Плоскость поляризации света в чувствительном элементе также поворачивается в разные стороны каждый полупериод. Поэтому для полного периода синусоидального тока (и кратных ему периодов) угол Фарадея оказывается равным нулю. Следовательно, измерять его необходимо раздельно для положительных и отрицательных полупериодов тока.

Главный чувствительный элемент любого оптического ТТ – оптическое волокно. Это тонкая стеклянная нить в защитной оболочке. Сердцевина оптоволокна выполнена из сверхчистого кварцевого стекла и окружена оболочкой из другого стекла или полимера с меньшим показателем преломления. Вследствие этого на поверхности раздела сердцевины и оболочки лучи света, падающие под определёнными углами, подвергаются полному внутреннему отражению. Благодаря этому свойству ОВ передаёт световые волны на большие расстояния с минимальными потерями энергии.

Обычное оптоволокно, применяемое в системах связи, не сохраняет параметров поляризации света. Для этой цели используют специальные оптические волокна, изготовленные по особой технологии. Например, «кручёное» ОВ получают при быстром вращении кварцевой заготовки в процессе вытяжки волокна, в котором образуется застывшая спиралевидная структура. Для повышения поляризационной стабильности среды применяют микроструктурированное («дырчатое») ОВ, содержащее вокруг кварцевой сердцевины множество воздушных цилиндрических микроканалов диаметром 1–2 мкм. Эти каналы компенсируют (за счёт изменения своей формы) температурные и механические воздействия на волокно, влияющие на поляризацию сигнала.

От луча – к показаниям

Типичная схема оптического ТТ содержит чувствительный элемент в виде нескольких витков ОВ, помещенных в жёсткую защитную оболочку из немагнитного материала – ячейку Фарадея – и электронно-оптический блок (ЭОБ). ЭОБ с помощью встроенного полупроводникового лазера и модулятора на оптическом выходе создаёт монохроматический линейно поляризованный световой сигнал, направляемый на чувствительный элемент по сохраняющему поляризацию оптоволокну. В чувствительном элементе плоскость поляризации сигнала под воздействием магнитного поля, созданного протекающим по шине током, поворачивается на угол Фарадея. С выхода чувствительного элемента световой сигнал поступает на оптический вход ЭОБ, где на фазовом детекторе из него формируется электрический измерительный сигнал. Далее этот сигнал через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) поступает в виде цифрового кода на дискретный интерфейсный выход ЭОБ и через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на усилитель, где формируются нормированные аналоговые выходные сигналы в виде напряжения или тока для выдачи на аналоговый интерфейс ЭОБ. Обычно используется не проходная схема измерения, а реверсивная, в которой световой сигнал отражается от зеркала, расположенного в конце измерительной петли, и возвращается обратно в ЭОБ по тому же пути, по которому он попал в ОВ.


Не вдаваясь в подробности, отметим, что в оптическом ТН на ячейку Поккельса поступает свет с круговой поляризацией, который на выходе приобретает эллиптическую поляризацию, обусловленную разницей в фазовых скоростях волн, имеющих взаимно ортогональные поляризации (рис. 2). Оптическая индикатриса (показатель оптических свойств кристаллов) поворачивается в кристалле на угол Δφ, зависящий от напряжённости электрического поля. Ячейка Поккельса содержит кристалл ортогерманата висмута (Bi4Ge3O12) или другого пьезоэлектрика. Чтобы обеспечить независимость результатов измерений от температуры, вибраций и колебаний интенсивности лазерного источника излучения, используется двухканальный метод (рис. 3). Кристаллы в ячейках Поккельса повёрнуты друг относительно друга на 90 градусов.




© 1998 — 2018, «Нефтяное обозрение (oilru.com)».
Свидетельство о регистрации средства массовой информации Эл № 77-6928
Зарегистрирован Министерством РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовой коммуникаций 23 апреля 2003 г.
Свидетельство о регистрации средства массовой информации Эл № ФС77-33815
Перерегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи и массовых коммуникаций 24 октября 2008 г.
При цитировании или ином использовании любых материалов ссылка на портал «Нефть России» (http://www.oilru.com/) обязательна.
Добро пожаловать на информационно-аналитический портал "Нефть России".
 
Для того, чтобы воспользоваться услугами портала, необходимо авторизоваться или пройти несложную процедуру регистрации. Если вы забыли свой пароль - создайте новый.
 
АВТОРИЗАЦИЯ
 
Введите Ваш логин:

 
Введите Ваш пароль: