Магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока
Заявляемая полезная модель относится к области информационно-измерительных систем, в частности, к измерительным преобразователям переменного тока, высоковольтных энергетических и электрофизических установок. Техническим результатом полезной модели является повышение точности преобразования и увеличение динамического диапазона переменного тока. Достижение указанного технического результата обеспечивается в магнитооптическом измерительном преобразователе переменного тока, содержащем ячейку Фарадея (1), расположенную в магнитном поле проводника (2) с измеряемым током, оптически связанную через первый поляризатор (3) и первый световод (4) с первым ответвителем (5), через второй поляризатор (6) и второй световод (7) со вторым ответвителем (8), первый (9) и второй (10) фотоприемники и источник света (11). Магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока дополнительно содержит третий ответвитель (13), два регулируемых усилителя фототока (14, 15), два дифференциальных усилителя постоянного тока (17, 18), источник питания (12), источник опорного напряжения (19) и блок вычитания (16). Первый фотоприемник (9) оптически связан с первым выходом первого ответвителя (5), второй фотоприемник (10) - с первым выходом второго ответвителя (8), источник света (11), подключенный к источнику питания (12), через третий ответвитель (13) оптически связан со вторыми выходами первого (5) и второго(8) ответвителей, первый (9) и второй (10) фотоприемники через первый (14) и второй (15) регулируемые усилители фототока соединены с входами блока вычитания (16) и первыми входами соответствующих дифференциальных усилителей постоянного тока (17, 18), вторые входы которых подключены к источнику опорного напряжения (19), а выходы - к управляющим входам соответствующих усилителей фототока (14,15).1 нз.п. ф-лы, 1 ил.
Заявляемая полезная модель относится к области информационно-измерительных систем, в частности, к измерительным преобразователям магнитных полей и токов, высоковольтных энергетических и электрофизических установок.
Заявляемая полезная модель предназначена для преобразования магнитного поля измеряемого тока в поворот плоскости поляризации света, распространяющегося в ячейке Фарадея, расположенной в этом поле, передаче света из зоны высокого потенциала на потенциал земли и последующего преобразования в напряжение, значение которого пропорционально измеряемому току. Использование волоконно-оптических световодов, для передачи света обеспечивает гальваническую развязку между зонами высокого и низкого потенциалов.
Известны магнитооптические преобразователи магнитных полей и токов, описанные в патентах на изобретения РФ 
2281516, МПК G01R 15/24, G01R 33/032, опубл. 10 августа 2006 года, 2177625, МПК G01R 33/032, опубл. 27 декабря 2001 года, 2429498, МПК G01R 33/032, опубл. 20 сентября 2011 года, в которых реализуют магнитооптический эффект Фарадея, использующие в качестве ячейки Фарадея световод, магнитную пленку или магнитооптическое стекло, при этом ячейка Фарадея оптически связана через поляризатор и световод с источником света и через анализатор - с фотоприемником.
Однако в известных устройствах выходное напряжение преобразователя зависит от изменения интенсивности источника света и изменения потерь в оптической схеме в процессе эксплуатации, что приводит к снижению точности преобразования и уменьшению динамического диапазона.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является техническое решение, описанное в патенте Российской Федерации 127198, МПК G01R 33/03, приоритет от 29 октября 2012 года, дата публикации - 20 апреля 2013 года на полезную модель: 
Магнитооптический преобразователь тока
, основанное на распространении света в ячейке Фарадея в двух противоположных направлениях. При этом ячейка Фарадея оптически связана через первый поляризатор, первый световод, первый оптический ответвитель с первым источником света и фотоприемником, через второй поляризатор и второй световод и второй оптический ответвитель - со вторым источником света и фотоприемником.
Однако при использовании такого преобразователя выходное напряжение преобразователя зависит шумов источников света, что приводит к снижению точности преобразования и уменьшению динамического диапазона. Для уменьшения шумов необходимо уменьшать полосу пропускания преобразователя, но это приводит к частотным искажениям измеряемого сигнала и возможно лишь в ограниченных пределах.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности преобразования и расширение динамического диапазона переменного тока.
Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока, содержащий ячейку Фарадея, расположенную в магнитном поле проводника с измеряемым током, оптически связанную через первый поляризатор и первый световод с первым ответвителем, через второй поляризатор и второй световод со вторым ответвителем, первый и второй фотоприемники и источник света, согласно полезной модели дополнительно снабжен третьим ответвителем, двумя регулируемыми усилителями фототока, двумя дифференциальными усилителями постоянного тока, источником питания, источником опорного напряжения и блоком вычитания, при этом первый фотоприемник оптически связан с первым выходом первого ответвителя, второй фотоприемник - с первым выходом второго ответвителя, источник света, подключенный к источнику питания, через третий ответвитель оптически связан со вторыми выходами первого и второго ответвителей, первый и второй фотоприемники через первый и второй регулируемые усилители фототока соединены с входами блока вычитания и первыми входами соответствующих дифференциальных усилителей постоянного тока, вторые входы которых подключены к источнику опорного напряжения, а выходы - к управляющим входам соответствующих усилителей фототока.
Такое построение магнитооптического преобразователя обеспечивает распространение света в ячейке Фарадея от одного источника в двух противоположных направлениях, в которых углы поворота плоскости поляризации света имеют противоположные знаки, преобразование световых потоков в электрические сигналы и формирование разностного сигнала, пропорционального измеряемому току.
Это обеспечивает суммирование сигналов пропорциональных измеряемому току и вычитание сигналов пропорциональных шуму источника света и благодаря этому повышается точность преобразования и расширяется динамический диапазон.
Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на чертеже и содержит ячейку Фарадея 1, расположенную в магнитном поле проводника 2 с измеряемым током, оптически связанную через первый поляризатор 3 и первый световод 4 с первым оптическим ответвителем 5, и через второй поляризатор 6 и второй световод 7 со вторым оптическим ответвителем 8, первый фотоприемник 9, оптически связан с первым выходом первого оптического ответвителя 5, второй фотоприемник 10, оптически связан с первым выходом второго оптического ответвителя 8, источник света 11 подключен к источнику питания 12 и через третий оптический ответвитель 13 оптически связан со вторыми выходами первого 5 и второго 8 оптических ответвителей. Первый 9 и второй 10 фотоприемники через первый 14 и второй 15 регулируемые усилители фототока соединены с входами блока вычитания 16 и первыми входами первого 17 и второго 18 дифференциальных усилителей постоянного тока, вторые входы которых подключены к источнику опорного напряжения 19, а выходы к управляющим входам первого 14 и второго 15 регулируемых усилителей фототока.
Магнитооптический преобразователь переменного тока работает следующим образом. Источник света 11, подключенный к источнику питания 12 излучает световой поток, который третьим оптическим ответвителем 13 разделяется на два световых потока, поступающих на первый 5 и второй 8 оптические ответвители. Выходящий из первого оптического ответвителя 5 световой поток последовательно проходит первый световод 4, первый поляризатор 3, ячейку Фарадея 1, второй поляризатор 6, плоскость пропускания которого установлена под углом 
/4 к плоскости пропускания первого поляризатора 3, второй световод 7, второй ответвитель 8 и преобразуется вторым фотоприемником 10 в электрический сигнал. Выходящий из второго оптического ответвителя 8 световой поток последовательно проходит второй световод 7, второй поляризатор 6, ячейку Фарадея 1, первый поляризатор 3, первый световод 4, первый ответвитель 5 и преобразуется первым фотоприемником 9 в электрический сигнал. Таким образом, световые потоки выходящие из третьего оптического ответвителя 13, распространяются в оптической схеме преобразователя в противоположных направлениях навстречу друг другу.
Световые потоки, падающие на первый и второй фотоприемники:
.
где: Ф0 - световой поток источника света 11, K1ab, K1ac , K 2ab , K2ac, K3ab, K3ac - коэффициенты пропускания оптических ответвителей 5, 8, 13 в соответствующих направлениях, 
(t) - коэффициент шума источника света, V - постоянная Верде материала ячейки Фарадея, Im - максимальное значение измеряемого тока, 
- частота измеряемого тока, /4, угол между плоскостями пропускания первого 3 и второго 6 поляризаторов.
Электрические сигналы на выходах фотоприемников:
,
.
В выходных сигналах фотоприемников присутствуют аддитивная и мультипликативная составляющие погрешности преобразования, обусловленные шумом источника света.
Аддитивная погрешность не зависит от величины измеряемого тока, поэтому снижает точность преобразования и уменьшает динамический диапазон.
,
.
Мультипликативная погрешность пропорциональна величине измеряемого тока, представляет собой множитель, который снижает точность преобразования, а динамический диапазон не уменьшает.
Выходные сигналы фотоприемников усиливаются первым 14 и вторым 15 регулируемыми усилителями фототока. Первый 17 и второй 18 дифференциальные усилители постоянного тока сравнивают постоянные составляющие выходных сигналов первого 14 и второго 15 усилителей фототока с напряжением опорного источника 19 и регулируют коэффициенты передачи первого 14 и второго 15 усилителей фототока таким образом, что бы их постоянные составляющие были равны напряжению U0 источника опорного напряжения 19.
Выходные сигналы первого 14 и второго 15 регулируемых усилителей фототока поступают на блок вычитания 16, который формирует их разность:
Uвых =U0{[1+(t][1+sin(2VImsint)]-[1+(t)][1-sin(2VImsint)]}=2U0[1+(t)]sin(2VImsint).
При малых углах поворота плоскости поляризации света в ячейке Фарадея 1, когда 2VIm«1, выходное напряжение блока вычитания имеет вид:
Uвых =4U0VIm[1+(t)]sint.
В выходном сигнале блока вычитания 16 присутствует только мультипликативная погрешность, пропорциональная величине измеряемого тока, а аддитивная погрешность отсутствует, следовательно, повышается точность преобразования и увеличивается динамический диапазон.
При реализации магнитооптического преобразователя тока ячейка 1 Фарадея выполнена в виде четырех призм из магнитооптического стекла ТФ-10, образующих замкнутый контур вокруг проводника 2 с измеряемым током. Поляризаторами 3, 6 служат призмы Глана-Тейлора, плоскости пропускания которых установлены под углом /4 друг к другу. Световоды 4, 7 и оптические ответвители 5, 8, 13 изготовлены на основе толстого многомодового кабеля кварц-кварц WF 800/880/1200 T. Источником света 11 служит инфракрасный светодиод SFH4232, а фотоприемниками 9, 10 - фотодиоды BPW20RF, подключенные к регулируемым усилителям 14, 15, выполненным на микросхеме AD8066ARZ с резисторным оптроном AOP124A в цепи обратной связи. Дифференциальные усилители постоянного тока 17, 18 и блок вычитания выполнены на микросхеме AD8066ARZ, а источник опорного напряжения 19 - на микросхеме REF01CS.
Магнитооптический измерительный преобразователь переменного тока, содержащий ячейку Фарадея, расположенную в магнитном поле проводника с измеряемым током, оптически связанную через первый поляризатор и первый световод с первым ответвителем, через второй поляризатор и второй световод со вторым ответвителем, первый и второй фотоприемники и источник света, отличающийся тем, что дополнительно снабжен третьим ответвителем, двумя регулируемыми усилителями фототока, двумя дифференциальными усилителями постоянного тока, источником питания, источником опорного напряжения и блоком вычитания, при этом первый фотоприемник оптически связан с первым выходом первого ответвителя, второй фотоприемник - с первым выходом второго ответвителя, источник света, подключенный к источнику питания, через третий ответвитель оптически связан со вторыми выходами первого и второго ответвителей, первый и второй фотоприемники через первый и второй регулируемые усилители фототока соединены с входами блока вычитания и первыми входами соответствующих дифференциальных усилителей постоянного тока, вторые входы которых подключены к источнику опорного напряжения, а выходы - к управляющим входам соответствующих усилителей фототока.
