Zastosowanie światłowodowego interferometru różnicowego w pomiarach natężenia prądu elektrycznego

pol Article in Polish DOI: 10.14313/PAR_246/99

send Mariusz Ginter Politechnika Świętokrzyska, al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce

Download Article

Streszczenie

Artykuł prezentuje czujnik prądu elektrycznego zbudowany ze światłowodowego interferometru różnicowego wykorzystujący efekt Faradaya we włóknie jednomodowym. Został on użyty do pomiaru przebiegów prądu o dużych amplitudach i częstotliwości sieciowej. Czujnik optyczny nie wprowadza dodatkowej rezystancji i indukcyjności. Elementem magnetoczułym jest światłowodowa cewka wykonana z kwarcowego jednomodowego włókna telekomunikacyjnego. Światłowód, w którym rdzeń jest skręcony dookoła swojej osi, charakteryzuje się małym wpływem wielkości zakłócających, tj. drganiom mechanicznym i zmianom ciśnienia na pracę interferometru różnicowego poprzez indukowanie we włóknie szklanym dwójłomności liniowej. Zaproponowano sposoby eliminacji wielkości wpływowych na działanie światłowodowego czujnika prądu przez zmniejszenie dwójłomności liniowej indukowanej w światłowodzie od tych wielkości. Wykreślono zależność znormalizowanego natężenia światła w układzie podstawowym i z lustrem na końcu światłowodu. Zaprezentowano wyniki badań eksperymentalnych rozwiązania konstrukcyjnego interferometru różnicowego bazującego na efekcie Faradaya, pracującego na długości fali 1550 nm. Zrealizowano pomiary prądu sinusoidalnego o częstotliwości 50 Hz i o amplitudach z zakresu 100–1500 A. Wyznaczono niepewność pomiaru amplitudy prądu elektrycznego w zakresie wartości mierzonych, którą oszacowano na wartość nie większą niż 1,5 %.

Słowa kluczowe

czujnik polarymetryczny, dwójlomność liniowa, efekt Faradaya, pomiar prądu, światłowodowy czujnik prądu, światłowodowy interferometr różnicowy

The use of a Fiber Optic Differential Interferometer in Measurements of Electric Current

Abstract

The article presents an electric current sensor built of a fiber-optic differential interferometer using the Faraday effect in a single-mode fiber. It was applied to measure current waveforms with large amplitudes and mains frequency. The optical sensor does not introduce additional resistance and inductance into the measured circuit, which is a desirable phenomenon in this type of measurements. The magnetosensitive element is an optical fiber coil made of a quartz single-mode telecommunications fiber. The optical fiber, in which the core is twisted around its axis, is characterized by a small influence of disturbing quantities, i.e., mechanical vibrations and pressure changes, on the working of the differential interferometer by inducing linear birefringence in the glass fiber. The methods of elimination of the quantities influencing the operation of the optical fiber current sensor were proposed by reducing the linear birefringence induced in the optical fiber from these quantities. The dependence of the normalized light intensity was plotted. The results of experimental research on a design solution of a differential interferometer based on the Faraday effect, operating at a wavelength of 1550 nm, are presented. The sensor was used for measurements of sinusoidal current with a frequency of 50 Hz and amplitudes ranging 100–1500 A. The uncertainty of measurement of the electric current amplitude was determined in the range of the measured values, which was estimated at no more than 1.5 %.

Keywords

current measurement, Faraday effect, fiber differential interferometer, fiber optic current sensor, linear birefringence, polarimetric sensor

Bibliography

  1. Aerssens M., Gusarov A., Brichard B., Massaut V., Mégret P., Wuilpart M., Faraday Effect Based Optical Fiber Current Sensor for Tokamaks, 2nd International Conference on Advancements in Nuclear Instrumentation Measurement Methods and their Applications, 2011, DOI: 10.1109/ANIMMA.2011.6172868.
  2. Chen G.Y., Newson T.P., Detection bandwidth of fibre-optic current sensors based on Faraday effect, “Electronics Letters”, Vol. 50, No. 8, 2014, 626–627, DOI: 10.1049/el.2014.0426.
  3. Frazao O., Baptista J., Santos J.L., Recent advances in high-birefringence fiber loop mirror sensors, “Sensors”, Vol. 7, No. 11, 2007, 2970–2983, DOI: 10.3390/s7112970.
  4. Fu H.Y., Wu C., Tse M.L.V., Zhang L., Cheng K.-C.D., Tam H.Y., Guan B.-O., Lu C., High pressure sensor based on photonic crystal fiber for downhole application, “Applied Optics”,Vol. 49, No. 142010, 2639–2643, DOI: 10.1364/AO.49.002639.
  5. Ginter M., Fiber optic sensor for measuring currents with mains frequencies, Proceedings of SPIE, tom 10808, zeszyt 1080805, 2018, DOI: 10.1117/12.2500167.
  6. Ginter M., Measurement of impulse current using polarimetric fiber optic sensor, “Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High Energy Physics Experiments”, Vol. 10445, 2017, DOI: 10.1117/12.2280349.
  7. Ginter M., Pomiar prądu sinusoidalnego z użyciem światłowodowego interferometru różnicowego, „Metrologia Badania i Zastosowania, Monografie, Studia, Rozprawy”, M152, Politechnika Świętokrzyska, 2022, 42–49.
  8. Ginter M., Światłowodowy czujnik polarymetryczny do pomiaru prądu, „Pomiary Automatyka Kontrola”, Vol. 57, No. 3, 2011, 274–276.
  9. Mihailovic P., Petricevic S., Fiber Optic Sensors Based on the Faraday Effect, “Sensors” (Basel), Vol. 21, No. 19, 2021, DOI: 10.3390/s21196564.
  10. Nedoma J., Fajkus M., Martinek R., Measurement of electric current using optical fibers: A Review, “Przegląd Elektrotechniczny”, R. 93, Nr 11, 2017, 140–145, DOI: 10.15199/48.2017.11.30.
  11. Sun L., Jiang S., Marciante J.R., All-fiber optical magnetic-field sensor based on Faraday rotation in highly terbium-doped fiber, “Optics Express”, Vol. 18, No. 6, 2010, 5407–5412, DOI: 10.1364/OE.18.005407.
  12. Torbus S.A., Zastosowanie światłowodów telekomunikacyjnych G.652, G.653 i G.655 w polarymetrycznych czujnikach natężenia prądu, „Pomiary Automatyka Kontrola”, Vol. 57, No. 5, 2011, 441–446.
  13. Wang H., Guan Y., Study on Long-term Operation Stability of Fiber Optical Current Transformer Based on Faraday Effect, International Conference on Intelligent Transportation, Big Data and Smart City, 2015, 767–770, DOI: 10.1109/ICITBS.2015.194.
  14. Zubia J., Casado L., Aldabaldetreku G., Montero A., Zubia E., Durana G., Design and Development of a Low-Cost Optical Current Sensor, “Sensors”, Vol. 13, No. 102013, 13584– 13595, DOI: 10.3390/s131013584