Вступ
Сучасна практика і наукові дослідження вимагають вимірювань високих і надвисоких напруг - до 10 МВ і великих струмів - до 1 ¸ 2 МА. Напруги і струми при цьому можуть бути постійними, змінними, і імпульсними з тривалістю імпульсів від часток мікросекунд до декількох десятків мілісекунд. Вимірювання великих постійних струмів - до 200 ¸ 500 кА широко використовується в пристроях електролізу алюмінію. Великі змінні струми - до 150 ¸ 200 кА мають місце в потужних дугових електропечах. Працюють лінії електропередачі з напругою 1,2 ¸ 1,5 МВ, проектуються лінії передачі та енергетичні пристрої на більш високі напруги. У термоядерних установках струми досягають сотень кілоампер.
У ряді випадків необхідно проводити вимірювання при наднизьких і високих температурах, наприклад, в кріотурбогенераторів або кріомодулі високошвидкісних транспортних засобів на магнітній подушці, при дослідженні плазмових і термоядерних джерел енергії.
Електрооптичні методи вимірювань високих напруг і великих струмів
Швидкий розвиток ліній електропередачі та електрофізичних пристроїв високої та надвисокої напруги (1200 кВ і вище) зумовило появу нових методів вимірювань, що не вимагають створення дорогих і громіздких ізоляційних пристроїв на повний робочий напругу. Перспективними є електрооптичні методи, засновані на перетворенні вимірюваних електричних величин в параметри оптичного випромінювання і застосуванні оптичних каналів зв'язку для передачі вимірювальної інформації з зони високої напруги на низьковольтну частину вимірювального пристрою. Перевагами цих методів є висока швидкодія, захищеність від електромагнітних перешкод, а також надійна природна електрична ізоляція між високовольтної та вторинної вимірювальними ланцюгами внаслідок їх повної електричної розв'язки.
Електрооптичні методи поділяються на методи з внутрішньої модуляцією, при яких сигнал вимірювальної інформації безпосередньо впливає на джерело оптичного випромінювання, змінюючи параметри його випромінювання, і методи з зовнішнього модуляцією, засновані на впливі вимірюваної величини безпосередньо на оптичне випромінювання від зовнішнього стабільного джерела.
Рис. 1.
При вимірі методами з внутрішньої модуляцією (рис. 1) джерело оптичного випромінювання 2 (наприклад, світлодіод) і первинний перетворювач 1 (шунт, вимірювальний трансформатор та інші) знаходяться під високою напругою, а приймач оптичного випромінювання 4 і вторинне вимірювальне пристрій 5 мають потенціал Землі. В якості оптичного каналу зв'язку 3 між джерелом і приймачем випромінювання застосовуються високовольтні волоконні жорсткі або гнучкі світловоди, які забезпечують надійну ізоляцію вимірювальних пристроїв від високовольтної ланцюга.
Методи із зовнішнього модуляцією засновані на використанні електрооптичних та магнітооптичних ефектів, головним чином електрооптичних ефектів Керра і Поккельса - для вимірювання напруженості електричного поля і напруження, а також магнитооптического ефекту Фарадея - для вимірювання струмів.
Час релаксації, властиве електро-і магнитооптическим ефектів, становить менше 10-10 с, тому на основі цих ефектів можна створити швидкодіючі засоби вимірів постійних, змінних та імпульсних струмів і напруг, а також сучасні швидкодіючі прилади захисту.
Використання ефекту Фарадея
Ефект Фарадея полягає в обертанні площини поляризації лінійно поляризованого світла в оптично активних речовинах під дією магнітного поля. Кут повороту площини поляризації світла
де CB - постійна Верде; l - довжина шляху світла в речовині; В - магнітна індукція.
Вимірюючи кут повороту площини поляризації світла, можна визначити індукцію магнітного поля або силу струму, якщо перетворювач помістити в магнітному полі вимірюваного струму.
Рис. 2.
Рівняння, записане вище, справедливо для складової індукції ВL, спрямованої уздовж шляху світла. Знак кута Q залежить від напрямку вектора магнітної індукції, але не залежить від напрямку світла, що дозволяє збільшити кут Q, якщо світло багато разів пропускати через осередок Фарадея. Як і в інших методах, заснованих на вимірі магнітної індукції поля, створюваного вимірюваним струмом, при використанні ефекту Фарадея основними складовими похибки вимірювання струму є похибка перетворення вимірюваного струму в магнітну індукцію і похибка вимірювання магнітної індукції.
При використанні ефекту Фарадея вимір магнітної індукції зводиться до вимірювання повороту площини поляризації світла, яке зазвичай здійснюючи методами прямого або врівноважує перетворення.
При застосуванні методу прямого перетворення світло від лазера 1 іде до перетворювача Фарадея 8 (рис. 2).
При цьому поляризатор 2 і аналізатор 4 можуть бути розташовані безпосередньо біля магнитооптического зразка, що дозволяє використовувати оптичні канали зв'язку 5 у вигляді звичайних волоконних світловодів.
Вихідним сигналом пристроїв, побудованих на основі методу прямого перетворення, є фотострум або вихідну напругу.
де Rн - опір навантаження фотоприймача; Sф - чутливість фотоприймача; J2 - інтенсивність світлового потоку на вході фотоприймача, яка відповідно до закону Малюса дорівнює
|
|
|
|
|
|
тут J1 - інтенсивність світла на вході аналізатора; j - кут між поляризатором і аналізатором, Q - кут повороту площини поляризації, При j = 45 °
або при малих кутах Q
При кутах Q = 7 ° похибка лінійності становить 1%.
На рис. 3 показані різні види магнітооптичних перетворювачів Фарадея. Найпростіший перетворювач складається з магнитооптического елемента 2, розташованого біля дроти 1 з вимірюваним струмом (рис. 3, а). Зменшення впливу зовнішніх магнітних полів та збільшення чутливості засобів вимірювань, заснованих на використанні ефекту Фарадея, до струму можна досягти шляхом збільшення коефіцієнта перетворення
, Застосовуючи соленоїд (рис. 3, б) або феромагнітний магнітопровід 3 з магнитооптическим елементом 2, що охоплює провід 1 з вимірюваним струмом (рис. 3, в). Однак використання таких перетворювачів пов'язано з погіршенням динамічних характеристик приладу і появою фазових похибок, а у приладу з магнітопроводом - похибок гистерезиса і лінійності. Більш раціональний шлях підвищення чутливості - збільшення довжини шляху проходження світлового променя в магнитооптическом елементі за рахунок багаторазового відбиття (рис. 3, г) або використання многовіткового магнитооптического перетворювача з гнучкого волоконного світловода (рис. 3, д). Цей перетворювач, так само як перетворювач, показаний на рис. 3, е, одночасно є своєрідним інтегруючим контуром, що дозволяє встановити однозначну залежність між струмом і кутом повороту площини поляризації світла і виключити вплив зовнішніх магнітних полів і нерівномірного розподілу струму всередині контуру:
Рис. 4, а. | |
Рис. 4, б. | |
Рис. 4, ст. | Рис. 4, м. |
В якості робочого речовини для магнітооптичних перетворювачів застосовуються скла, що містять оксид свинцю (флінти, крони) і плавлений кварц. Особливо велику постійну Верде мають плівки з фериту-граната, питомий фарадеевское обертання площини поляризації світла в яких на два-три порядки більше, ніж у стеклах.
Вимірювання напруги з використанням електрооптичних ефектів Керра і Поккельса
Вимірювання напруги з використанням електрооптичних ефектів Керра і Поккельса грунтується на виникненні двулучепреломления поляризованого світла, що поширюється в електричному полі, створюваному вимірюваним напругою.
Виникнення квадратичного ефекту Керра пояснюється на рис. 4, а. Поляризований промінь світла, утворений за допомогою джерела світла 1 і поляризатора 2, проходить через електричне поле, що створюється конденсатором 3, до електродів якого прикладено вимірювана напруга UX. При цьому промінь світла направлений перпендикулярно вектору напруженості цього поля. Після аналізатора 4 світло потрапляє в фотоприймач 5, де він перетвориться в електричний сигнал, вимірюваний приладом 6.
Інтенсивність світла на виході перетворювача Керра визначається виразом
де lK - ефективна довжина перетворювача Керра; d - відстань між його електродами; Сk - коефіцієнт Keppa; J0 - інтенсивність світла на вході перетворювача.
Ефект Керра виникає у багатьох ізотропних речовинах, але найбільш часто використовується нітробензол, який має найбільший коефіцієнт Керра в порівнянні з іншими речовинами (вода, бензол, епоксидні компаунди та ін.)
Лінійний електрооптичний ефект Поккельса спостерігається у п'єзоелектричних кристалах, що знаходяться в електричному полі. Залежно від напрямку вектора напруженості електричного поля виникає поздовжній або поперечний ефект Поккельса. Поздовжній ефект найсильніше проявляється в кристалах дигідрофосфату амонію NH4H2PO4 або гідрофосфату калію KH2PO4, де електричне поле створюється за допомогою кільцевих електродів 7, до яких докладено вимірювана напруга UX (рис. 4, б). Поперечний ефект сильно проявляється в кристалах ніобіту літію LiNbO3, які використовуються в електрооптичних модуляторах світла.
Інтенсивність світла на виході перетворювача Поккельса можна визначити з виразу
де r63 - електрооптичний коефіцієнт кристала; n0 - його показник заломлення при відсутності електричного поля; l-довжина хвилі випромінювання лазера; Еx - напруженість електричного поля; LП - ефективна довжина перетворювача Поккельса.
Статичними характеристики перетворювачів Керра і Поккельса показані відповідно на рис. 4, в і рис. 4, м.
Список літератури
Безікович А.Я., Шапіро Є.З. Вимірювання електричної потужності.
Спектор С.А. Вимірювання великих постійних струмів.
Спектор С.А. Електричні вимірювання фізичних величин.
Шваб А. Вимірювання на високому напрузі.