Ученые КНИТУ-КАИ сконструировали устройство измерения напряжения переменного электрического поля с высокой точностью. Подобные измерители позволяют добиться большей надежности, безопасности и эффективности энергетической инфраструктуры, например, стабильной эксплуатации электротехнических приборов и предотвращения аварий, контроля параметров сети, расчета показателей качества электроэнергии и многого другого.

В основу волоконно-оптического измерителя напряжения, запатентованного казанскими исследователями, положены принципы оптики. Устройство выполнено с использованием оптического датчика на основе волоконной брэгговской решетки.

Напомним, что волоконная брэгговская решетка представляет собой периодическую структуру в сердцевине оптического волокна, которая избирательно отражает только узкую полосу спектра, пропуская остальную.

На чем же основано действие волоконно-оптического измерителя напряжения? Согласно предлагаемой авторами изобретения схеме, создается широкополосное (некогерентное) оптическое излучение, которое поступает в одно из двух устройств оптической развязки и далее по первому оптическому волокну направляется на многокомпонентную адресную волоконную брэгговскую структуру (это тип волоконной брэгговской решетки). Она расположена в измерительной камере в зоне, где электрическое поле практически отсутствует. Эта структура испытывает только температурное воздействие и формирует отраженный спектр, который используется одновременно как зондирующее излучение и как эталон для температурной компенсации. Отраженный от нее спектр возвращается через первое устройство оптической развязки и подается на второе устройство оптической развязки, откуда через второй оптический световод направляется на чувствительный элемент на основе волоконной брэгговской решетки.

Чувствительный элемент размещен в той же измерительной камере, но так, чтобы находиться под действием ненулевой составляющей измеряемого электрического поля. Ненулевая составляющая - это часть вектора электрического поля, которая имеет ненулевое значение в определенной точке пространства или в определенный момент времени.

Переменное электрическое поле вызывает изменение оптических характеристик решетки, что приводит к сдвигу центральной длины волны отраженного от нее сигнала относительно невозмущенного состояния.

Отраженный спектр через второе устройство оптической развязки попадает на фотоприемник, где преобразуется в радиочастотный электрический сигнал (биения). Микропроцессорный блок управления и измерения напряжения анализирует сигнал фотоприемника, выделяя амплитуды биений и сопоставляя их с калибровочными зависимостями, заложенными в его памяти. На основе этих зависимостей однозначно определяется величина прикладываемого переменного напряжения электрического поля. Одновременно микропроцессорный блок формирует управляющие воздействия на источник излучения: управляет температурой и током накачки, стабилизируя мощность.

Добавим, что и адресная брэгговская структура, и чувствительный элемент имеют одинаковую температурную чувствительность и находятся в одинаковых тепловых условиях. При изменении температуры их резонансные длины волн смещаются одинаково, поэтому амплитуда результирующего отраженного излучения, обусловленная именно температурой, остается неизменной и не вносит погрешности в измерение электрического поля. Таким образом устройство селективно чувствительно к изменению электрического поля, а температурные колебания автоматически компенсируются на оптическом (аппаратном) уровне.

Конструктивно устройство использует оптические развязки, выполненные с использованием циркуляторов или сплиттеров, что позволяет разделять и направлять потоки излучения без применения быстродействующих электрооптических коммутаторов. Благодаря некогерентному источнику и многокомпонентной адресной структуре отпадает необходимость во временнОй коммутации и сканировании по длине волны, а измерительная информация получается непрерывно и с высокой помехозащищенностью. В результате реализуется волоконно-оптический измеритель напряжения, обеспечивающий высокую точность измерения электрических величин при одновременной стабильности показаний в широком диапазоне температур.

«Изобретение относится к технике оптикоэлектронных измерений, в частности, к способам и устройствам для измерения напряжения переменных электрических полей с помощью волоконно-оптических чувствительных элементов – брэгговских структур, - поясняет заведующий кафедрой радиофотоники и микроволновых технологий КНИТУ-КАИ Артем Кузнецов. - У подобных датчиков существует зависимость смещения по длине волны их спектральной характеристики в зависимости от напряжения приложенного переменного электрического поля».

Известны способы измерения параметров электрического поля, основанные на электрострикционном преобразовании изменения электрических величин в сдвиг центральной длины волны волоконной брэгговской решетки (патенты US 9 977 056, RU 2 715 347).

Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения, выбранным в качестве прототипа, является волоконно-оптический измеритель напряжения по патенту RU 2 715 347. В частности, к недостаткам устройства-прототипа можно отнести тот факт, что формирователь двухчастотного зондирующего излучения содержит электрооптические элементы.

Учеными КНИТУ-КАИ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности получен Патент RU 2 858 824.