Реферат: Электрооптические методы измерения высоких напряжений и больших токов

Московский ордена Ленина,ордена Октябрьской Революции

и ордена Трудового КрасногоЗнамени

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ

имени Н.Э.Баумана.

______________________________________________________

Факультет РЛ

Кафедра РЛ2

Реферат по дисциплине
«Лазерные оптико-электронные приборы»

студента

МайороваПавла
Леонидовича, группа РЛ3-101.

Руководитель

НемтиновВладимир Борисович

Темареферата:
«Оптическая обработка информации»

Вступление

Современная практика и научные исследования требуют измерений высокихи сверхвысоких напряжений — до 10 МВ и больших токов — до 1¸2МА. Напряжения и токи при этом могут быть постоянными, переменными, иимпульсными с длительностью импульсов от долей микросекунд до несколькихдесятков миллисекунд. Измерение больших постоянных токов — до 200¸500кА широко используется в устройствах электролиза алюминия. Большие переменныетоки — до 150¸200кА имеют место в мощных дуговых электропечах. Работают линии электропередачи снапряжением 1,2¸1,5МВ, проектируются линии передачи и энергетические устройства на более высокиенапряжения. В термоядерных установках токи достигают сотен килоампер.

В ряде случаев необходимо проводить измерения при сверхнизких ивысоких температурах, например, в криотурбогенераторах или криомодуляхвысокоскоростных транспортных средств на магнитной подушке, при исследованииплазменных и термоядерных источников энергии.

Электрооптические методы измеренийвысоких напряжений и больших токов

Быстрое развитие линий электропередачи и электрофизических устройстввысокого и сверхвысокого напряжения (1200 кВ и выше) обусловило появление новыхметодов измерений, не требующих создания дорогостоящих и громоздкихизоляционных устройств на полное рабочее напряжение. Перспективными являютсяэлектрооптические методы, основанные на преобразовании измеряемых электрическихвеличин в параметры оптического излучения и применении оптических каналов связидля передачи измерительной информации из зоны высокого напряжения нанизковольтную часть измерительного устройства. Преимуществами этих методовявляются высокое быстродействие, защищенность от электромагнитных помех, атакже надежная естественная электрическая изоляция между высоковольтной ивторичной измерительными цепями вследствие их полной электрической развязки.

Электрооптические методы разделяются на методы с внутренней модуляцией,при которых сигнал измерительной информации непосредственно воздействует наисточник оптического излучения, изменяя параметры его излучения, и методы свнешней модуляцией, основанные на воздействии измеряемой величинынепосредственно на оптическое излучение от внешнего стабильного источника.

Рис. 1.

При измерении методами с внутренней модуляцией (рис. 1) источникоптического излучения 2 (например, светодиод) и первичный преобразователь 1 (шунт,измерительный трансформатор и др.) находятся под высоким напряжением, априемник оптического излучения 4 и вторичное измерительное устройство 5 имеютпотенциал Земли. В качестве оптического канала связи 3 между источником иприемником излучения применяются высоковольтные волоконные жесткие или гибкиесветоводы, которые обеспечивают надежную изоляцию измерительных устройств от высоковольтнойцепи.

Методы с внешней модуляцией основаны на использовании электрооптическихи магнитооптических эффектов, главным образом электрооптических эффектов Керраи Поккельса — для измерения напряженности электрического поля и напряжения, атакже магнитооптического эффекта Фарадея — для измерения токов.

Время релаксации, свойственное электро- и магнитооптическим эффектам,составляет менее 10-10 с, поэтому на основе этих эффектов можно создатьбыстродействующие средства измерений постоянных, переменных и импульсных токови напряжений, а также современные быстродействующие устройства защиты.

Использование эффекта Фарадея

Эффект Фарадея заключается во вращении плоскости поляризации линейнополяризованного света в оптически активных веществах под действием магнитногополя. Угол поворота плоскости поляризации света

где CB— постоянная Верде; l — длина путисвета в веществе; В — магнитнаяиндукция.

Измеряя угол поворота плоскости поляризации света, можно определитьиндукцию магнитного поля или силу тока, если преобразователь поместить вмагнитном поле измеряемого тока.

Рис. 2.

Уравнение, записанное выше, справедливо для составляющей индукцииВl, направленной вдольпути света. Знак угла Qзависит от направления вектора магнитной индукции, но не зависит от направлениясвета, что позволяет увеличить угол Q,если свет многократно пропускать через ячейку Фарадея. Как и в других методах,основанных на измерении магнитной индукции поля, создаваемого измеряемым током,при использовании эффекта Фарадея основными составляющими погрешности измерениятока являются погрешность преобразования измеряемого тока в магнитную индукциюи погрешность измерения магнитной индукции.

При использовании эффекта Фарадея измерение магнитной индукциисводится к измерению поворота плоскости поляризации света, которое обычноосуществляя методами прямого или уравновешивающего преобразования.

При применении метода прямого преобразования свет от лазера 1 направляетсяк преобразователю Фарадея 8 (рис. 2).

При этом поляризатор 2 и анализатор 4 могут быть расположены непосредственноу магнитооптического образца, что позволяет использовать оптические каналысвязи 5 в виде обычных волоконных световодов.

Выходным сигналом устройств, построенных на основе метода прямогопреобразования, является фототок <img src="/cache/referats/3407/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028"> или выходноенапряжение.

где Rн — сопротивление нагрузкифотоприемника; SФ —чувствительность фотоприемника; J2— интенсивность светового потока на входе фотоприемника, которая в соответствиис законом Малюса равна

<img src="/cache/referats/3407/image014.jpg" v:shapes="_x0000_i1031"> Рис. 3, а.

<img src="/cache/referats/3407/image016.jpg" v:shapes="_x0000_i1032">
Рис 3, б.

<img src="/cache/referats/3407/image018.jpg" v:shapes="_x0000_i1033"> Рис. 3, в.

здесь J1 —интенсивность света на входе анализатора; j — угол между поляризатором и анализатором; Q —угол поворота плоскости поляризации, При j=45°

или при малых углах Q

При углах Q=7°погрешность линейности составляет 1%.

На рис. 3 показаны различные виды магнитооптических преобразователейФарадея. Самый простой преобразователь состоит из магнитооптического элемента2, расположенного у провода 1 с измеряемым током (рис. 3, а). Уменьшениявлияния внешних магнитных полей и увеличения чувствительности средствизмерений, основанных на использовании эффекта Фарадея, к току <img src="/cache/referats/3407/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1039"> можно достигнуть путемувеличения коэффициента преобразования <img src="/cache/referats/3407/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1040">

Рис. 4, а.

Рис. 4, б.

Рис. 4, в.

Рис. 4, г.

В качестве рабочего вещества для магнитооптических преобразователейприменяются стекла, содержащие оксид свинца (флинты, кроны) и плавленый кварц.Особенно большую постоянную Верде имеют пленки из феррита-граната, удельноефарадеевское вращение плоскости поляризации света в которых на два-три порядкабольше, чем в стеклах.

Измерение напряжения с использованиемэлектрооптических эффектов Керра и Поккельса

Измерение напряжения с использованием электрооптических эффектовКерра и Поккельса основано на возникновении двулучепреломления поляризованногосвета, распространяющегося в электрическом поле, создаваемом измеряемымнапряжением.

Возникновение квадратичного эффекта Керра поясняется на рис. 4,а. Поляризованный луч света, образуемый с помощью источника света 1 и поляризатора2, проходит через электрическое поле, создаваемое конденсатором 3, к электродамкоторого приложено измеряемое напряжение UX. При этом луч светанаправлен перпендикулярно вектору напряженности этого поля. После анализатора 4свет попадает в фотоприемник 5, где он преобразуется в электрический сигнал,измеряемый прибором 6.

Интенсивность света на выходе преобразователя Керра определяетсявыражением

где lK— эффективная длина преобразователя Керра; d — расстояние между егоэлектродами; СK — коэффициентKeppa; J0— интенсивностьсвета на входе преобразователя.

Эффект Керра возникает во многих изотропных веществах, нонаиболее часто используется нитробензол, который имеет наибольший коэффициентКерра по сравнению с другими веществами (вода, бензол, эпоксидные компаунды идр.).

Линейный электрооптический эффект Поккельса наблюдается в пьезоэлектрическихкристаллах, находящихся в электрическом поле. В зависимости от направлениявектора напряженности электрического поля возникает продольный или поперечныйэффект Поккельса. Продольный эффект сильнее всего проявляется в кристаллахдигидрофосфата аммония NH4H2PO4 илигидрофосфата калия KH2PO4, где электрическое полесоздается при помощи кольцевых электродов 7, к которым приложено измеряемоенапряжение UX (рис. 4, б). Поперечный эффект сильно проявляется вкристаллах ниобата лития LiNbO3, которые используются в электрооптическихмодуляторах света.

Интенсивность света на выходе преобразователя Поккельса можно определитьиз выражения

где r63 —электрооптический коэффициент кристалла; n0— его показатель преломления при отсутствии электрического поля; l-длина волны излучения лазера; ЕX— напряженность электрического поля; lП— эффективная длина преобразователя Поккельса.

Статическими характеристики преобразователей Керра и Поккельсапоказаны соответственно на рис. 4, в и рис. 4, г.

Список литературы

Безикович А.Я., Шапиро Е.З. Измерение электрической мощности.

Спектор С.А. Измерение больших постоянных токов.

Спектор С.А. Электрические измерения физических величин.

Шваб А. Измерения на высоком напряжении.

Оглавление

TOC o «1-3» «PLM загол1;1;PLM загол 2;2;PLM загол 3;3» … GOTOBUTTON _Toc356151905 PAGEREF _Toc356151905 2

Электрооптические методы измерений высоких напряжений ибольших токов… GOTOBUTTON _Toc356151907 PAGEREF _Toc356151907 2

Использование эффекта Фарадея… GOTOBUTTON _Toc356151908 PAGEREF _Toc356151908 3

Измерение напряжения с использованием электрооптическихэффектов Керра и Поккельса GOTOBUTTON _Toc356151909 PAGEREF _Toc356151909 8

Список литературы… GOTOBUTTON _Toc356151910 PAGEREF _Toc356151910 9