Введение к работе
Актуальность темы
Эффективное энергопотребление является одним из основных направлений развития современной техники. Актуальность этого направления деятельности человечества вызвало большой интерес к прецизионным методам и приборам для измерений основных параметров электрических генерирующих, транспортирующих и распределяющих устройств.
Одним из таких параметров является величина протекающего через устройства электрического тока Основным недостатком используемых сейчас систем измерения тока являются характеристики первичных преобразователей - высоковольтных трансформаторов тока Они требуют трудоемкого регулярного обслуживания, их погрешность зависит от режима нагрузки и имеет свойство накопления дополнительной погрешности, пригодны они только для измерения переменного тока. Также для анализа сигналов с первичных преобразователей используются электросчетчики, показания которых сильно зависят от качества электроэнергии. В качестве замены первичного преобразователя, можно рассмотреть распространившиеся в последнее время датчики на основе эффекта Холла, которые позволяют измерять постоянный ток и имеют большую точность, чем трансформаторы тока. Но общим недостатком шмерителъных трансформаторов и датчиков Холла является наличие эффекта насыщения, сильно ограничивающего диапазон измеряемых токов.
В настоящее время благодаря развитию волоконно-оптических технологий появились волоконные измерители тока Они объединяют многие достоинства измерительных трансформаторов и датчиков на основе эффекта Холла, не имея в то же время присущих им недостатков. Волоконно-оптические датчики тока (ВОДТ) позволяют получать сигнал о силе переменного и постоянного тока вне зависимости от качества электроэнергии, обладают большой точностью, малыми массогабаритными показателями, чувствительная часть их полностью электроизолирована, они не требуют регулярного обслуживания, а некоторые модификации обеспечивают возможность установки без разрыва контролируемого проводника с током.
Цели и задачи диссертации
Целью работы является создание интерференционного метода измерения силы электрического тока с точностью не хуже 0.1% и динамическим диапазоном не хуже 10s на основе волоконно-оптических технологий. В качестве задач диссертации можно выделить разработку концепции измерителя, поиск путей создания и исследование составных элементов датчика, исследование макета прибора.
Научная новизна
предложен новый интерференционный метод измерения электрического тока с использованием двух обратных связей, который позволяет работать волоконному интерферометру в точке с максимальной чувствительностью при большом диапазоне измеряемых токов, обеспечивает линейность выходного сигнала и контроль работы модулятора двулучепреломлекия;
предложена и экспериментально подтверждена новая методика изготовления волоконного фазового элемента, преобразующего свет с линейной поляризацией в свет с циркулярной поляризацией, обеспечивающая точность изготовления за счет контроля вносимой элементом разности фаз в процессе изготовления;
экспериментально обосновано применение эрбиевого суперлюминесцентного волоконно-оптического источника с низкой степенью поляризации излучения, который позволяет исключить из конфигурации интерферометра по схеме с обратным отражением А волоконный деполяризатор, уменьшая при этом количество соединений оптического ч
волокна и увеличивая, таким образом, точность измерений;
предложен и исследован интегрально-оптический модулятор на основе волновода в кристалле ниобата лития для модуляции разности фаз ортогонально поляризованных волн, который позволяет управлять разностью фаз сигналом сложной формы и уменьшить длину волоконной линии задержки.
предложена и экспериментально подтверждена оригинальная методика компенсации чувствительности кольцевого контура из двулучепреломляющего волокна, намотанного на катушку, к однородному магнитному полю, приложешюму в плоскости, перпендикулярной оси катушки.
Объект исследования
Объектом исследования является волоконно-оптический интерферометр, содержащий источник и приемник излучения, волокна с сохранением линейной и циркулярной поляризации, разветвитель, поляризатор, модулятор двулучепреломления, фазовый элемент и зеркало.
Достоверность научных положений
Результаты исследования компьютерной модели и предложенных методик согласуются с практическими результатами.
Научные положения, выносимые на защиту
концепция построения интерференционного измерителя электрического тока с двумя обратными связями;
методика создания волоконного фазового элемента;
применение эрбиевого суперлюминесцентного волоконно-оптического источника с низкой степенью поляризации излучения, позволяющего исключить из схемы измерения волоконный деполяризатор;
применение модулятора двулучепреломления на основе волновода в кристалле ниобата лития, позволяющего в схеме измерения управлять разностью фаз двух волн сигналом сложной формы и уменьшить длину линии задержки;
методика компенсации чувствительности кольцевого контура из двулучепреломляющего волокна к магнитному полю, приложенному в перпендикулярной оси катушки плоскости.
Практическая ценность результатов
Заключается в решении важных производственных и технологических задач, которые возникают при измерении силы электрического тока в производстве, транспортировке и распределении электроэнергии, а также в других областях, в которых необходимо измерение больших токов.
Область применения результатов
Измерение электрического тока в электроэнергетике, при выплавке металлов электрическим током и электролизе, в исследовательской деятельности.
Список публикаций
По материалам диссертационной работы имеется 6 публикаций, из которых 3 в журналах из перечня ВАК и I приоритетная справка заявки на Патент РФ.
Апробация и внедрение результатов
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XXXVII, XXXVIII и XXXIX научных и учебно-методических конференциях СПОТУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2008, 2009, 2010), на XI конференции молодых ученых "Навигация и
управление движением" (Санкт-Петербург, 2009) и на V, VI и VII Всероссийских межвузовских конференциях молодых ученых (Санкт-Петербург, 2008, 2009,2010).
На основании конкурса грантов комитета по науке и высшей школе правительства Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых и молодых кандидатов наук 2008 г. получен грант по теме «Разработка волоконно-оптического датчика тока». На основании конкурсного отбора работ молодых ученых по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» в течение года проводится НИОКР по теме «Разработка волоконно-оптического датчика магнитного поля и тока».
На кафедре Физики и техники оптической связи ГОУ ВПО Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики создан рабочий макет волоконно-оптического измерителя тока с двумя обратными связями.
В результате проведенного исследования на волоконно-оптический измеритель тока с применением двух обратных связей подана заявка на патент.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста с рисунками и таблицами, библиография включает 60 наименований.
