| CATEGORII DOCUMENTE |
| Aeronautica | Comunicatii | Electronica electricitate | Merceologie | Tehnica mecanica |
Senzori de inalta tensiune optoelectronici
Senzorii optoelectronici prezinta avantajul, ca ofera izolare galvanica totala fata de obiectul de masura de inalta tensiune, ceea ce asigura o foarte buna protectie impotriva electrocutarii operatorului uman. Din randul acestor senzori se vor prezenta pe scurt senzorii bazati pe efecte electrooptice (cu efect Kerr si cu efect Pockels) precum si un senzor cu fibre optice.
Se stie ca o raza de lumina monocromatica se propaga sub forma de unde electromagnetice plane si ca o astfel de unda are doua componente: electrica si magnetica care oscileaza in plane perpendiculare intre ele (fig. 5.6, a), directia de propagare fiind data de catre vectorul Poyting [4,5]:
.
Planul in care oscileaza E se numeste plan de oscilatie, iar cel in care oscileaza H plan de polarizare. In fenomenele optice componenta H nu este luata in considerare. La lumina naturala (LN) exista mai multe plane de oscilatie (fig. 5.6, b), in timp ce la lumina polarizata exista un singur plan de oscilatie (fig.5.6, c). Planul de oscilatie poate fi rotit cu un unghi b, cu ajutorul unui camp electric (efect Kerr, Pockels) sau cu ajutorul unui camp magnetic (efect Faraday). Prin masurarea lui b se obtin informatii asupra intensitatii campurilor respective. Masurarea lui b se face cu ajutorul unui dispozitiv optic polarizor-analizor (fig 5.6, d). Polarizorul (P), primind lumina naturala (LN) selecteaza din aceasta un singur plan de oscilatie, furnizand astfel o raza de lumina polarizata (LP). Daca analizorul A este in antifaza cu P (adica rotit la 900 fata de P), LP nu poate trece dincolo de A si, deci, la iesirea acestuia, fluxul luminos (fx) prin intermediul caruia se masoara b este 0. Relatia dintre aceste marimi este de forma (m1=const.):
fx=m1 b (5.4)
Efectul Kerr consta in rotirea cu un unghi b, a planului de oscilatie al unei raze de lumina polarizata liniar, rotire cu ajutorul unui camp electric perpendicular pe directia razei respective. Acest fenomen este descris de ecuatia [3]:
(rad), (5.5)
in care l este lungimea celulei Kerr, iar K constanta lui Kerr. Marimea lui Ex este legata de tensiunea de masurat prin relatia cunoscuta: Ex = Ux / d ,
in care d este distanta dintre electrozii celulei (plan-paraleli).
Schema de principiu a unui senzor Kerr este prezentata in fig 5.7. Aici DL este o sursa monocromatica (dioda laser), P si A dispozitivul polarizor-analizor, CK celula Kerr (cilindru de plexiglas umplut cu nitrobenzen), LC lentila de concentrare, FO fibra optica, iar FD fotodioda.
Ecuatia de functionare
In absenta lui Ux, fluxul fx care iese din analizor (A) este zero, deoarece P si A sunt in antifaza. Dupa aplicarea lui Ux planul de polarizare al luminii incepe a se roti dupa ecuatia (5.5), ceea ce conduce
la aparitia lui fx care creste dupa relatia (5.4). Acest fx este transportat la FD prin intermediul unei fibre optice (FO) cu lungimea de 1.5 m care
P/A -polarizor/analizor; FO -fibra optica; FD -fotodioda
constituie o izolare electrica sigura si de buna calitate. Ajungand la FD, fluxul fx este convertit intr-o tensiune (m2=const.), dupa relatia:
U2=m2 fx (5.6)
cu ajutorul unui convertor curent-tensiune cu AO. Aceasta relatie in asociere cu (5.4) si (5.5) poate fi scrisa sub forma:
; 
, (5.7)
ce reprezinta ecuatia de functionare a senzorului de tensiune cu efect Kerr si in care q este o constanta a acestuia.
Senzorul Kerr permite masurarea tensiunilor continui (si alternative) pana la cateva sute de kV, cu precizie 0,5-1% c.s., sensibil mai buna decat in cazul divizoarelor de tensiune. Insa este mai complicat si mai scump si, in plus, nu permite detectarea polaritatii lui Ux.
Din (5.7) rezulta ca senzorul Kerr poate functiona si in c.a., deoarece are raspunsul dependent de patratul tensiunii de masurat (Ux), ceea ce constituie un avantaj, mai ales la masurarea valorii efective la inalta tensiune si inalta frecventa (pana la 500MHz ).
De asemenea, senzorul Kerr poate fi utilizat si la masurarea impulsurilor de inalta tensiune ( zeci de kV ) cu timp de crestere tC>1 ns, adica foarte rapide, domeniu unde aproape ca e de neinlocuit, deocamdata. Evident la masurarea impulsurilor, ca aparat de afisare se utilizeaza un osciloscop de mare viteza tC < 0,5 ns.
3. Datorita timpului de raspuns optic foarte scurt (sub 1 ns), senzorul Kerr poate fi utilizat si la modularea de mare viteza a campului Ex.
4. Celula Kerr poate fi si cu gaze (tipic CO2) sub presiune, situatie in care tensiunea nominala (Uxn) poate atinge 1MV [3], insa constructia este gabaritica (cilindrul cu CO2) si cu greutate mare (sute de kg).
b) Senzor voltmetric cu efect Pockels
Acest tip de senzor functioneaza asemanator cu senzorul Kerr si prezinta avantajul ca are raspunsul liniar.
Schema de principiu a unui senzor voltmetric Pockels este reprezentata in fig.5.8 unde CP este celula Pockels, ET electrozi transparenti, iar celelalte notatii au semnificatia din fig.5.7. Se observa ca aici, raza de lumina polarizata (fP) are aceeasi directie ca si campul electric Ex=Ux/l. Celula Pockels (CP) este formata dintr-un cristal uni-ax.
Raspunsul CP este de forma [3]:
b=p1 Ex
de unde, tinand cont de expresiile (5.4) si (5.6) se obtine relatia:
b=p Ux ; 
, (5.9)
ce reprezinta ecuatia de functionare a senzorului Pockels unde p este o constanta a acestuia in care l si p1 sunt ale CP.
Senzorul voltmetric Pockels ofera cam aceeasi parametri
de calitate ca si senzorul Kerr in ceea ce priveste precizia (1%)
si viteza de raspuns, cu dezavantajul ca tensiunea nominala (Uxn)
este mai mica (zeci de kV).
c) Senzor voltmetric cu fibre optice
Senzorii voltmetrici Kerr si Pockels ofera o buna precizie si o mare viteza de raspuns, insa prezinta neajunsul ca au cost ridicat si constructie complicata si gabaritica. O solutie mai ieftina si mai simpla o poate constitui senzorul de fibre optice.
Senzorul voltmetric bazat pe fibre optice, descris in continuare, are la baza un senzor electrostatic de tip electroscop (SET), asociat cu un senzor optic de deplasare (SOD) cu fibre optice (fig.5.9, a). In fig.5.9, b este prezentata schema functionala a senzorului voltmetric cu fibre optice.
: a) schema de principiu;
b) schema functionala; c) detaliu; d) caracteristica optica de transfer
Senzorul electrostatic cu atractie (SET)
Senzorul este montat pe un suport rigid din sticlotextolit (1), plasat intr-un recipient (2), umplut cu ulei (3). Pe suport este incastrata la un capat o lama arcuitoare subtire din bronz fosforos (4), conectata la pamant, la al carei capat liber se afla un electrod semisferic (5). Acesta impreuna cu electrodul fix (6) formeaza un senzor (mecanism de masura) de tip electroscop. Sub actiunea tensiunii de masurat (Ux) electrodul (5) este atras spre (6) cu o forta
(5.10)
si se deplaseaza catre acesta pe distanta foarte mica, x = k2· F1 , adica:
, (5.10')
relatie in care k1 este o constanta ce depinde de geometria electrozilor (5) si (6), iar k2 un parametru al lamei (4) depinzand de modulul de elasticitate al acesteia.
Senzorul optic de deplasare (SOD)
Are rolul de a masura deplasarea x si este alcatuit din doua bucati din aceeasi fibra optica, dintre care una scurta (7) ce este fixata pe lama arcuitoare (4), si alta lunga (8) avand un capat fixat pe suportul (1) si celalalt capat scos in afara recipientului cu ulei, pe o lungime de 1-5 m, (9), lungime ce formeaza distanta de izolare intocmai ca la senzorii Kerr si Pockels (fig 5.7 si 5.8). Pozitia reciproca a fibrelor (7) si (8) este astfel incat in absenta lui Ux ambele sa fie pe acelasi ax optic, iar distanta dintre capetele vecine sa fie foarte mica (10-20mm). O sursa LED trimite un flux radiant (fi) ce strabate ambele fibre (7) si (8) si care poate fi modulat, devenind (fx) prin deplasarea relativa pe distanta x a capatului liber al fibrei (7), provocata de catre atractia electrostatica Fx.
Datorita deplasarii x sectiunea de trecere (Sx, fig.5.9, c) a fluxului fi se micsoreaza, ceea ce provoaca scaderea acestuia dupa relatia evidenta:
fx fi =Sx/Si ; Si=pd2/4, (5.11)
in care Si reprezinta aria sectiunii transversale a miezului, comuna ambelor bucati de fibra optica. In fig 5.9, d se arata dependenta raportului fx fi de raportul x/d. Se observa ca pentru x/d fx depinde linear de x, dependenta ce poate fi exprimata in forma (k3=const.):
fx fi (1-k3 x), (5.12)
Acest fx ajungand la fotodioda (FD) da nastere unei tensiuni de forma (5.6), adica
UFD=k4 fx
care este aplicata la intrarea unui amplificator diferential (AD), impreuna cu o tensiune de referinta (Ur). Acest amplificator da la iesire o tensiune de forma (A - amplificarea):
U2=A(Ur-UFD). (5.13)
Cu potentiometrul P se regleaza Ur astfel incat Ux=0 (ceea ce inseamna x=0) tensiunea de iesire (U2) sa fie 0, conditie din care rezulta k4 fi=Ur. Substituind aceasta expresie in (5.13) si tinand cont de (5.11) se obtine in final relatia:
U2=k5 x; k5=k3 A Ur, (5.14)
ce reprezinta ecuatia de transfer a senzorului optic (SOD).
Asociind expresia (5.10) cu (5.14) se obtine relatia:
k=k1 k2 k3 A Ur , (5.15)
ce reprezinta ecuatia de functionare a senzorului voltmetric cu fibre optice.
Performante
Senzorul prezentat are cam aceiasi parametri de calitate (limite de masura, precizie, distanta de izolare) ca si senzorii electrooptici (Kerr si Pockels), fiind in acelasi timp mai simplu si mai ieftin, insa are viteza de raspuns foarte redusa (inertie mecanica) si cere o tehnologie mai pretentioasa la alinierea optica.
Observatie
In realitate, k3 depinde si de modulul de elasticitate al fibrei optice (7); insa la tensiuni mari (50-100 kV c.s.), Fx este destul de mare pentru a permite neglijarea acestuia in raport cu modulul de elasticitate al lamei (4). La tensiuni joase (kV) se poate renunta la lama (4), lasand numai fibra (7) pe al carui capat mobil se fixeaza electrodul (5). In acest caz fibra (7) trebuie sa fie metalizata si legata la pamant (la fel ca lama 4).
d) Avantajele si dezavantajele senzorilor voltmetrici optoelectronici
Avantajul esential al acestor senzori in raport cu divizoarele de tensiune il constituie izolarea galvanica prin fibra optica a aparaturii de iesire si deci a operatorului, ceea ce permite o protectie sigura impotriva electrocutarii. Insa prezinta neajunsul ca au fiabilitate mai scazuta (componentele electronice) si uneori costul mai ridicat.
|
Politica de confidentialitate | Termeni si conditii de utilizare |
Vizualizari: 1153
Importanta: 
Termeni si conditii de utilizare | Contact
© SCRIGROUP 2024 . All rights reserved
