Наследие Фарадея

Мало кто задумывается о том, что практически всё производство электроэнергии и немалое количество электрических приборов основаны на явлении и законе электромагнитной индукции, открытых ещё в 1831 г. великим английским учёным Майклом Фарадеем. На этом же законе основаны электромагнитные измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН), которые уже более ста лет используются в электроэнергетике и промышленности для измерения переменных токов и напряжений в высоковольтных сетях. Другое явление, открытое Фарадеем в 1845 г., - поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света в магнитном поле - ждало своего крупномасштабного технического применения больше полутора веков.

В СССР первые работы по созданию оптических датчиков тока на основе эффекта Фарадея проводились ещё в начале 1970-х годов. После появления лазеров и оптического волокна (ОВ) у учёных-исследователей родилась мысль применить ОВ в качестве чувствительного элемента датчиков тока, использующих эффект Фарадея. Однако в то время технологии ещё не созрели для создания надёжных промышленных образцов оптических трансформаторов тока.

В 1875 г. шотландский физик Джон Керр открыл (названный впоследствии его именем) эффект изменения показателя преломления оптического материала, находящегося в электрическом поле, пропорционально квадрату напряжённости этого поля (его также называют квадратичным электрооптическим эффектом). А в 1893 г. немецкий физик Фридрих Поккельс обнаружил и исследовал возникновение двойного лучепреломления в некоторых кристаллах (в частности, ниобата лития и арсенида галлия) под действием электрического поля. В отличие от эффекта Керра, здесь наблюдается не квадратичная, а линейная зависимость показателя преломления от напряжённости поля. Именно поэтому в оптических трансформаторах напряжения в большинстве случаев применяются датчики, основанные именно на эффекте Поккельса, а не Керра.

Отмечу, что терминология в данной сфере ещё окончательно не установилась. В литературе можно встретить различные наименования: «оптические», «магнитооптические», «оптоэлектронные», «оптоволоконные», «волоконно-оптические», «оптикоэлектрические» и другие подобные определения трансформаторов, преобразователей и датчиков тока и напряжения. Строго говоря, эти устройства - не трансформаторы (масштабные преобразователи) в традиционном смысле, а измерительные преобразователи, превращающие переменный или постоянный ток или напряжение большой величины в измерительные сигналы (аналоговые или цифровые).

Эффект Фарадея и закон Верде

Поляризованный свет можно получать разными способами. Например, пропуская неполяризованный свет через поляризаторы. А поворачивать плоскость поляризации света способны как оптически активные вещества (различные кристаллы, их расплавы и растворы), так и внешние поля, воздействующие на среду прохождения света. Именно к последним случаям относится эффект Фарадея - вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в среде вдоль постоянного магнитного поля. Отметим, что в вакууме такой эффект не возникает: магнитное поле влияет на свет опосредованно, через оптические характеристики среды.

Вращение плоскости поляризации монохроматического линейно поляризованного света, распространяющегося в изотропной немагнитной среде вдоль магнитного поля, подчиняется закону Верде:

Θ = V × l × H,

где Θ - угол поворота (угол Фарадея); Н - магнитная напряжённость поля; l - длина пути светового луча в среде вдоль силовой линии магнитного поля; V - постоянная Верде (удельное магнитное вращение), зависящая от длины волны света (частоты колебаний), плотности среды и её температуры (для диамагнетиков эта зависимость очень слаба).

Для большинства сред V > 0, что означает правостороннее вращение. Знак угла поворота плоскости поляризации определяется только направлением магнитного поля и не зависит от направления распространения луча (по полю или против него).

Из закона Верде очевидным образом вытекает возможность применения эффекта Фарадея для бесконтактного измерения величины постоянного тока в токопроводе. Постоянный ток порождает вокруг токопровода постоянное магнитное поле, поместив в которое чувствительный элемент с линейно поляризованным светом, можно по углу поворота плоскости поляризации определить величину напряжённости магнитного поля, а по ней - и величину самого тока в токопроводе (рис. 1).

Сложнее обстоит дело с переменным током. Его магнитное поле каждые 10 мс (полупериод для промышленного тока с частотой 50 Гц) меняется как по величине, так и по направлению. Плоскость поляризации света в чувствительном элементе также поворачивается в разные стороны каждый полупериод. Поэтому для полного периода синусоидального тока (и кратных ему периодов) угол Фарадея оказывается равным нулю. Следовательно, измерять его необходимо раздельно для положительных и отрицательных полупериодов тока.

Главный чувствительный элемент любого оптического ТТ - оптическое волокно. Это тонкая стеклянная нить в защитной оболочке. Сердцевина оптоволокна выполнена из сверхчистого кварцевого стекла и окружена оболочкой из другого стекла или полимера с меньшим показателем преломления. Вследствие этого на поверхности раздела сердцевины и оболочки лучи света, падающие под определёнными углами, подвергаются полному внутреннему отражению. Благодаря этому свойству ОВ передаёт световые волны на большие расстояния с минимальными потерями энергии.

Обычное оптоволокно, применяемое в системах связи, не сохраняет параметров поляризации света. Для этой цели используют специальные оптические волокна, изготовленные по особой технологии. Например, «кручёное» ОВ получают при быстром вращении кварцевой заготовки в процессе вытяжки волокна, в котором образуется застывшая спиралевидная структура. Для повышения поляризационной стабильности среды применяют микроструктурированное («дырчатое») ОВ, содержащее вокруг кварцевой сердцевины множество воздушных цилиндрических микроканалов диаметром 1-2 мкм. Эти каналы компенсируют (за счёт изменения своей формы) температурные и механические воздействия на волокно, влияющие на поляризацию сигнала.

От луча - к показаниям

Типичная схема оптического ТТ содержит чувствительный элемент в виде нескольких витков ОВ, помещенных в жёсткую защитную оболочку из немагнитного материала - ячейку Фарадея - и электронно-оптический блок (ЭОБ). ЭОБ с помощью встроенного полупроводникового лазера и модулятора на оптическом выходе создаёт монохроматический линейно поляризованный световой сигнал, направляемый на чувствительный элемент по сохраняющему поляризацию оптоволокну. В чувствительном элементе плоскость поляризации сигнала под воздействием магнитного поля, созданного протекающим по шине током, поворачивается на угол Фарадея. С выхода чувствительного элемента световой сигнал поступает на оптический вход ЭОБ, где на фазовом детекторе из него формируется электрический измерительный сигнал. Далее этот сигнал через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) поступает в виде цифрового кода на дискретный интерфейсный выход ЭОБ и через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) ‑ на усилитель, где формируются нормированные аналоговые выходные сигналы в виде напряжения или тока для выдачи на аналоговый интерфейс ЭОБ. Обычно используется не проходная схема измерения, а реверсивная, в которой световой сигнал отражается от зеркала, расположенного в конце измерительной петли, и возвращается обратно в ЭОБ по тому же пути, по которому он попал в ОВ.

Не вдаваясь в подробности, отметим, что в оптическом ТН на ячейку Поккельса поступает свет с круговой поляризацией, который на выходе приобретает эллиптическую поляризацию, обусловленную разницей в фазовых скоростях волн, имеющих взаимно ортогональные поляризации (рис. 2). Оптическая индикатриса (показатель оптических свойств кристаллов) поворачивается в кристалле на угол Δφ, зависящий от напряжённости электрического поля. Ячейка Поккельса содержит кристалл ортогерманата висмута (Bi₄Ge₃O₁₂) или другого пьезоэлектрика. Чтобы обеспечить независимость результатов измерений от температуры, вибраций и колебаний интенсивности лазерного источника излучения, используется двухканальный метод (рис. 3). Кристаллы в ячейках Поккельса повёрнуты друг относительно друга на 90 °.