2.7 Преимущества магнитооптических датчиков перед датчиками на эффекте Холла.

В сравнении с традиционными преобразователями постоянного тока на эффекте Холла, оптоволоконный датчик обладает рядом преимуществ

для заказчиков, в том числе:

■ Установка датчика производится значительно проще и быстрее.

■ Ограничения по месту расположения измерительных головок несущественны. Легкость монтажа датчика позволяет очень быстро осуществить на предприятии замену действующей измерительной системы.

■ В отличие от традиционных преобразователей тока, ошибки, связанные с асимметричным распределением поля и магнитными помехами, компенсируются благодаря самому принципу действия прибора.

■ Головка датчика была существенно упрощена. Это, в свою очередь, снижает вероятность отказов.

■ Датчик может работать с двунаправленными магнитными полями. Местное обращение вектора магнитного поля, вызванное сильными токами, протекающими по соседним проводникам, не приводит к погрешностям

в измерениях. Более того, датчик сообщает об обратных токах.

■ Широкая полоса пропускания (частота дискретизации до 4 кГц) позволяет восстанавливать переменные составляющие тока, такие как пульсации и кратковременные нестационарные токи, а также обеспечивает очень малое

время реагирования системы управления и делает возможным проведение гармонического анализа. Таким образом, датчик открывает новые возможности по сбору данных на сильноточных технологических линиях на постоянном токе.

■ Головка датчика полностью состоит из диэлектрических материалов, а значит совершенно безопасна. Электронные схемы обработки сигналов полностью гальванически развязаны от шин.

■ Потребление энергии оптическим датчиком пренебрежимо мало по сравнению с обычными датчиками, которые потребляют до нескольких киловатт.

   Вывод

Оптические преобразователи являются качественно новым видом оборудования для высоковольтных измерений в энергетике. Использование этого высокотехнологичного оборудования при реализации проектов перспективных энергоустановок, а также масштабных проектов реконструкции действующих объектов открывает новые возможности по внедрению на динамично развивающемся отечественном энергетическом рынке ряда принципиально новых систем учета и контроля параметров электроэнергии. 

3. Оптоволокно [24]

Конструкция кабеля

Вначале рассмотрим конструкцию оптоволоконного кабеля (рис. 1). Он состоит (начиная от центра) из сердцевины, оболочки, буфера, компонентов жесткости и защитного покрытия. Сердцевина, которая является средой распространения светового сигнала, должна быть хорошо центрирована относительно оболочки. Она, как уже упоминалось выше, делается из кварцевого стекла или пластика с высоким коэффициентом преломления и имеет диаметр от 8 до 1000 мкм. Оболочка, окружающая сердцевину, изготовляется из материала с более низким коэффициентом преломления. Благодаря разнице в этих коэффициентах на границе двух сред образуется зеркало, которое и превращает сердцевину в оптический световод. Буфер является защитным слоем для оболочки. Он выполняется из термопластичного материала, обеспечивающего плотность конструкции буфера, и трубки, наполненной гелем для предохранения волокна от внешних механических повреждений, таких, например, как вибрация. Компоненты жесткости служат для предохранения волокна от растяжения при прокладке, а также от сил, возникающих при температурных колебаниях. Эти компоненты изготовляются из различных материалов, от стали до кевлара. В одно- и двуволоконных кабелях они обертывают буфер, а в многоволоконных располагаются в середине пучка. Последний элемент конструкции, защитное покрытие, предохраняет кабель от воздействия внешней среды. Он отличается для внутренней и внешней установки, прокладки по воздуху или под землей.

Рис. 1

Спецификация оптического волокна

Некоторые свойства оптического волокна как световода напрямую зависят от диаметра сердцевины. По этому параметру оптоволокно делится на две категории: многомодовое и одномодовое.

3.1Многомодовое оптоволокно

У этой категории оптоволокна диаметр сердцевины относительно большой по сравнению с длиной волны света, излучаемого передатчиком. Диапазон его значений составляет 50--1000 мкм при используемых длинах волн около 1 мкм. Однако наиболее широкое распространение получили волокна с диаметрами 50 и 62,5 мкм. Передатчики для такого оптоволокна излучают импульс света в некотором телесном угле, т. е. лучи (моды) входят в сердцевину под разными углами. В результате лучи проходят от источника к приемнику неравные по длине пути и, следовательно, достигают его в разное время. Это приводит к тому, что ширина импульса на выходе оказывается больше, чем на входе. Такое явление называется модальной (многомодовой) дисторсией. Описанный эффект подобен дисперсии оптического сигнала, поэтому часто его называют модальной дисперсией. Однако использование этого термина в данном случае является некорректным. Дисперсия связана с длиной волны, тогда как многомодовая дисторсия может иметь место и при монохромном сигнале.

Существует два основных типа многомодового оптоволокна. В первом, более простом для изготовления, коэффициент преломления изменяется ступенчато на границе сердцевины с оболочкой. Ход лучей в таком волокне показан на рис. 2, а.

Во втором типе оптоволокна коэффициент преломления плавно понижается от центра к границе. Лучи света, пути которых проходят в периферийных областях с меньшим коэффициентом преломления, распространяются быстрее, чем те, которые проходят вблизи центра, что в итоге компенсирует разницу в длинах путей. В таком оптоволокне эффект многомодовой дисторсии намного ниже, чем в первом (рис. 2, б).

Уширение сигнала устанавливает предел числу передаваемых в секунду импульсов, которые все еще могут быть безошибочно распознаны на принимающем конце канала. Это, в свою очередь, ограничивает полосу пропускания многомодового волокна. Очевидно, что величина дисторсии на приемном конце зависит также и от длины кабеля. Поэтому пропускная способность для оптических магистралей определяется на единицу длины. Для оптоволокна со ступенчатым профилем коэффициента преломления она в типичном случае составляет 20--30 MHz на километр (MHz-km), в то время как для плавно изменяющегося профиля она находится в диапазоне 100--1000 MHz-km.

Мультимодовое оптоволокно может иметь стеклянный стержень и пластиковую оболочку. В англоязычной литературе оно носит название Plastic-Clad Silica" (PCS). Такому оптоволокну присущи ступенчатый профиль коэффициента преломления и полоса пропускания 20--30 MHz-km. Существует также полностью пластиковое оптоволокно также соступенчатым профилем. Поскольку пластик не может быть получен таким же чистым, как стекло, то затухание в этих волокнах весьма велико. В типичном случае оно составляет 200 дБ/км, что ограничивает длину канала 50--100 м.

3.2 Одномодовое оптоволокно

Основным отличием такого волокна, во многом определяющим его свойства как световода, является диаметр сердцевины. Он составляет всего примерно 9 мкм, что уже сравнимо с длиной волны светового сигнала. Малая величина диаметра позволяет сформировать только один луч (моду), что и нашло отражение в названии (рис. 2, в).

Рис. 2

Сегодня используются два типа одномодового волокна, немного отличающиеся по конструкции. Эти различия обусловлены особенностями технологического процесса их изготовления. В результате внешнего осаждения паров кремния (Outside Vapor Deposition, OVD) получают согласованное волокно (matched-clad fiber), тогда как при внутреннем осаждении (Inside Vapor Deposition, IVD) получают "приплюснутое" волокно. Эти термины характеризуют профиль коэффициента преломления. В согласованном волокне коэффициент преломления такой же, как и в стеклянной подложке (рис. 3, а), в "приплюснутом" он ниже (рис. 3, б).

Рис. 3

В одномодовом оптоволокне эффекты, связанные с многомодовой дисторсией, отсутствуют. Однако для обеих категорий существует явление, называемое хроматической дисперсией. Она связана с тем, что источники световых импульсов (лазеры или светодиоды) излучают хотя и в узком диапазоне спектра, но, тем не менее, не монохромный свет. Волны разной длины распространяются в сердцевине с разными скоростями, что приводит к искажению формы импульса. Однако величиной дисперсии можно управлять с помощью соответствующих изменений оптических характеристик волокна и выбора длины волны излучения. Хроматическая дисперсия имеет две составляющие. Одна вызвана композицией сердцевины, а вторая обусловлена неполным внутренним отражением (некоторая часть светового импульса распространяется в оболочке). Эти два эффекта могут быть сбалансированы с целью получения минимальной величины дисперсии. Для стандартного одномодового оптоволокна длина волны с практически нулевой дисперсией составляет 1310 нм. С помощью определенных присадок можно добиться сдвига длины волны, для которой величина дисперсии равна нулю, в область с минимальным затуханием. Таким окном является район 1550 нм, а соответствующий продукт называется "оптоволокно со сдвинутой дисперсией" (dispersion-shifted fiber). Подобными ухищрениями в одномодовых волокнах удается достичь полосы пропускания 100 GHz-km (для сравнения, в высокопроизводительных многомодовых системах этот показатель равен 1 GHz-km).

Исследовательские работы по улучшению световодных характеристик оптоволокна не прекращаются. Высокий уровень чистоты материала и усовершенствованная электронная система позволяют сегодня получить затухание 0,35 дБ/км в диапазоне 1310 нм и 0,25 дБ/км для длины волны 1550 нм. Оцифрованный световой сигнал может быть передан на расстояние более 100 км без промежуточного усиления. Дальнейшее усовершенствование технологии производства приведет к значительному снижению стоимости оптоволоконных кабелей. Все это вместе с высокими пропускной способностью, помехозащищенностью и устойчивостью к агрессивной среде позволяет безошибочно прогнозировать переход как телекоммуникационной, так и сетевой индустрии на оптические технологии.