تاریخ انتشار : ۱۳۹۶/۵/۳ ۰۰:۰۰ |
کد خبر: ۳۹۴۸۲۵

دانلود مقاله رایگان/مبدل های نوری جریان

براي سنجش جريان تأسيسات فشار قوي و خطوط انتقال نيرو، سنجش خطا و... مي­توان از مبدل­هاي نوري جريان استفاده نمود. اين مبدل­ها بر اساس اصول و قوانين فيزيكي عمل مي­نمايند و به عنوان جايگزين CTهاي معمولي مطرح گرديده­اند. گرفته است. همچنين برخي از انواع مختلف چنين مبدل­هايي معرفي شده­اند و ويژگي­هاي عملكردي آنها در مقايسه با ترانسفورماتورهاي جريان معمولي و نسل جدید CT ها مورد ارزيابي قرار گرفته است .

پایگاه خبری شباویز/ مبدل های نوری جریان

خلاصه:

براي سنجش جريان تأسيسات فشار قوي و خطوط انتقال نيرو، سنجش خطا و... مي­توان از مبدل­هاي نوري جريان استفاده نمود. اين مبدل­ها بر اساس اصول و قوانين فيزيكي عمل مي­نمايند و به عنوان جايگزين CTهاي معمولي مطرح گرديده­اند. گرفته است. همچنين برخي از انواع مختلف چنين مبدل­هايي معرفي شده­اند و ويژگي­هاي عملكردي آنها در مقايسه با ترانسفورماتورهاي جريان معمولي و نسل جدید CT ها  مورد ارزيابي قرار گرفته است .

کلمات کلیدی:ct،oct،فیبر نوری،اثر فارادی،مگنتواپتیک،جریان

 مقدمه:

در چند سال اخير پيشرفت فن­آوري نوري بسيار چشمگير بوده است، به طوري كه اين فن­آوري در رشته­ هاي مختلف علوم و مهندسي وارد گرديده است. مهندسي برق از اين قاعده مستثني نبوده و امروزه در سطح جهان به خوبي از دستاوردهاي اين فن­آوري در صنعت برق استفاده مي­شود، به گونه­اي كه بسياري از ادوات ساخته شده مراحل تحقيقاتي خود را پشت سر گذارده و به مرحله كاربرد صنعتي رسيده­اند.[1,2]

 

اگر آغاز گسترش صنعتي تجهيزات نوري اندازه گر يي جريان به دهة 60و 70 ميلادي نسبت داده شود، اين تجهيزات عمر نزديك به 40 ساله دارند ودر اين دوران به صورت بسيار مطلوبي گسترش يافته اند، به صورتي كه هم اكنون نمونه هاي متفاوتي از آنها به صورت صنعتي موجود است كه نیازمندي هاي يك تجهيز اندازه گیري جريان را برآورده مي كنند .[5] اوج عملکرد های CT  نوري بعد از سال 2000 بوده است و در طي ده سال گذشته نمونه هاي متفاوتي صنعتي شده و همچنين در پست هاي فشارقوي نصب شده اند . برخي از شركت ها مدعي 15 سال تجربة موفق كار با اين تجهيزات هستند [8]. امروزه تلاش عمده، در حوزه هاي كاهش قيمت وهمچنين شناسايي كامل رفتار اين تجهيزات متمركز است. براي هر دو اين موارد نياز به مطالعات آزمايشگاهي الزامي است. براي شناسايي عملكرد اين تجهيزات ، عوامل ايجاد خطا در آن ها و راه كارهاي مقابله با آن ها نياز به ، مطالعات آزمايشگاهي است

 روش هاي نوري اندازه گيري جريان امروزه گسترش قا بل توجهي يافته اند به گونه اي كه در برخي از كاربردها به عنوان بهترين گزينه مطرح هستند. لزوم تحقيقات بر روي اين تجهيزات و تدوين تكنولوژي مربوط به آن ها مشخص است.[9,10]

در ميان كاربردهاي مختلف، مي­توان به استفاده از اين فن­آوري در اندازه­گيري ، تعيين منطقه بروز خطا در سيستم­هاي برقي و ايجاد ارتباطات و مخابرات در شبكه برق اشاره نمود. اين مقاله به بررسي روش­هاي مختلف اندازه­گيري جريان به طريقۀ نوري در سيستم­هاي فشار قوي و ذكر اصول عملكرد هر روش مي­پردازد.

یک [2] OCT می تواند یک خروجي نوري و ديجيتال فراهم كند و هماهنگي اين خروجي ها با رله های ديجيتال امروزي ازمزاياي يك تجهيز نوري اندازه گر يي جريان است. اين موضوع و توجه ويژه به شبكه هاي هوشمند كه نياز به تعداد زيادسیگينال هاي ديجيتال جريان و ولتاژ از نقاط مختلف شبكه دارند سبب شده است که  OCT  به عنوان يك گزینه  كم هزینه تر نسبت به ترانسفورماتور اندازه گیری جريان سنتي مورد توجه قرار بگيرد.[6]

فصل اول : كليات

همانطور كه ملاحظه مي­شود، تغيير در هر يك از اجزاي سيستم منجر به ايجاد يك سيستم جديد مي­گردد مثلا حسگر می تواند نوری یا الكترونيكي باشد، قسمت مرتبط با ولتاژ زياد مي تواند فعال يا غير فعال باشد. مقره­ها و عايق­ها مي­توانند از جنس سراميك يا پليمر انتخاب شوند و نيز OCT مي­تواند بر روي مقره نصب يا از آن آويزان باشد، به هر صورت در بيشتر اين حالات و شرايط، كميت اندازه­گيري شده با استفاده از فيبرهاي نوري انتقال مي­يابد. تنوع در نحوۀ انتقال سيگنال­ها و كدگذاري آنها نيز وجود دارد. سيگنال سنجيده شده مي­تواند به يك رله، ثبات يا ... اعمال شود.[7,3]

 

            (الف)                                                                                                      (ب)                                                       

شكل 1-1: اجزاي اصلي يك سيستم اندازه­گيري نوري جريان،

الف: سيستم سنجش در يك پست فشار قوي كه بر روي مقره متصل است ؛

ب: شماي اجزاي سيستم سنجش جريان

 

1-2)سیستم های مبدل جریان سنتی

ترانسهای جریان برای نمونه گیری جریان به نسبت عبور جریان از اولیه خود و القای آن در ثانویه استفاده میشوند. این ترانسها به منظور حفاظت و اندازه گیری در ابتدای خطوط ورودی به پستها و همچنین در ورودی ترانس قدرت و ورودی ثانویه ترانس و همچنین در خروجی های پست و نقاط کلیدی دیگر که احتیاج است جریان در آن نقطه تحت نظر باشد استفاده میشود که هر کدام از این نقاط با ترانس مخصوص به خود چه از نظر عایقی و ساختمان و چه از نظر قدرت و دقت ، نصب و استفاده می گردند .

ترانسفورماتور جریان از دو سیم پیچ اولیه و ثانویه تشکیل شده که جریان واقعی در پست از اولیه عبور نموده و در اثر عبور این جریان و متناسب با آن، جریان کمی (در حدود آمپر) در ثانویه به وجود می‌آید. ثانویه این ترانسها با مقیاس کمتری از اولیه خود که تا حد بسیار بالایی تمام ویژگیهای جریان در اولیه خود را دارد به تجهیزات فشار ضعیف پست و رله ها و نشاندهنده ها متصل میشود. ثانویه این ترانسها دارای سیم پیچ با دورهای زیادتری نسبت به اولیه که بیشتر مواقع تنها یک شمش و یا چند دور از شمش است ساخته میشود .

 نکته ای که قابل توجه است ، مقدار سیم پیچ در تعداد دور است که باید به نسبت مورد نظر رسید . در ثانویه سیم های بدور هسته سیم های لاکی هستند . هسته های حفاظتی بدون در نظر گرفتن تصحیح دور طراحی میشنود ولی در هسته های اندازه گیری جهت رسیدن به بارها و دقت های مورد نیاز تصحیح دور انجام میشود .میزان بار در ثانویه ، از نکات دیگر است که در طراحی سطح مقطع سیم پیچ موثر است .این ترانسها هم باید در حالت و شرایط عادی و هم در شرایط اضطراری مثل جریان زیاد و یا هر خطایی که ممکن است بوجود آید قابلیت اندازه گیری ونمونه گیری جریان را داشته باشد .
یکی ازمهمترین موارد در ساختمان یک ترانسفورماتور جریان، اختلاف ولتاژ خیلی زیاد بین اولیه و ثانویه می‌باشد زیرا ولتاژ اولیه همان ولتاژ نامی پست است، در حالیکه ولتاژ ثانویه خیلی پایین می‌باشد که با توجه به این مورد بایستی بین اولیه و ثانویه ایزولاسیون کافی وجود داشته باشد. ترانسفورماتورهای جریانی که در پست‌های فشارقوی مورد استفاده قرار می‌گیرند، دارای ایزولاسیون کاغذ و روغن (توأما") می‌باشند. 

طرح این ترانسفورماتورها نیز بستگی به سازنده آن داشته، ولی بطور کلی ترانسفورماتورهای جریان از نظر ساختمانی در انواع مختلف ساخته می‌شوند:

1- ct های هسته پایین 
2- ct های هسته بالا 

3- نوع بوشینگی 
4- نوع شمشی

5- نوع حلقوی

6- نوع قالبی یا رزینی

 (1-3 سیستم های مبدل جریان نوری

 1-3-1)CT معمولي با خروجي نوري:

در اين روش، كه در شكل 2 نشان داده شده است، خروجي ترانس جريان به يك مبدل سيگنال الكتريكي به سيگنال نوري وصل مي­شود. بدين ترتيب از فن­آوري نوري مي­توان در كنار روش­هاي قديمي سنجش جريان استفاده نمود. [3]

 

26 (2)

شكل1-2: CT معمولي با خروجي نوري

 

 

2-3-1) هسته مغناطيسي و سنجش نوري:

در اين روش از يك هسته مغناطيسي داراي فاصلۀ هوايي كه هادي را احاطه نموده است، استفاده مي­شود. نحوة تبديل كميت مغناطيسي به كميت نوري بر مبناي اثر فارادی [3] صورت مي­پذيرد كه در بخش­هاي بعدي توضيح داده خواهد شد. [3]

 

27 (1)

 

شكل 1-3: مبدل نوري جريان با استفاده از هستۀ مغناطيسي

 

3-3-1) توده فعال نوري پيرامون هادي:

در اين روش،‌ مطابق شكل 4، ماده­اي كه قابليت تبديل ميدان مغناطيسي به انرژي نوري را دارد، پيرامون هادي قرار داده مي­شود و در داخل آن، همانند سيم­پيچي CT هاي معمولي، فيبرهاي نوري پيچيده مي­شوند. در اين روش يك مسيري نوري بسته،‌ هادي را احاطه مي­نمايد. [3]

 

27 (2)

 

شكل1-4: مبدل نوري جريان با تودۀ فعال نوري

 

(1-3-4  فيبر نوري پيرامون هادي:

در اين روش نيز همانند روش پيشين يك مسير نوري پيرامون هادي ايجاد مي­شود ولي تفاوت آن در نحوۀ پيچش فيبرهاي نوري است (شكل 5). در اين روش فيبرهاي نوري مستقيماً دور هادي پيچيده مي­شوند. تعداد اين فيبرهاي نوري بر اساس ميزان حساسيت مورد انتظار از OCT تعيين مي­گردد. [3]

 

27 (3)

شكل 1-5 مبدل نوري جريان با فيبر نوري

5-3-1) حسگر شاهد[4] :

در اين روش،‌ به منظور اندازه­گيري جريان از تمام فضاي پيرامون هادي استفاده نمي­شود. بدين منظور مطابق شكل ، يك حسگر ميدان مغناطيسي در نقطه­اي در نزديكي هادي قرار مي­گيرد.[3]

 

28

 

شكل 1-6: حسگر شاهد كه براي سنجش جريان استفاده مي­شود

1-4) چرا سیستم های مبدل جریان نوری

  سيستم اندازه­گيري نوري جريان مزاياي زيادي دارد. از آن جمله مي­توان به وزن اندك OCT در مقايسه با CT هاي معمولي اشاره نمود. اين وزن اندك سبب صرفه­جويي در عمليات و مصالح نصب تجهيزات مي­گردد. به عنوان مثال در شكل 3 نمونه­اي از يك OCT كه بدون نياز به مقره اختصاصي بر روي يك سكسيونر (ايزولاتور) نصب شده است مشاهده مي­گردد. مزيت ديگر OCT ها پايداري در برابر اغتشاشات است. از سوي ديگر با جايگزين شدن رله­هاي ديجيتالي به جاي رله ­هاي الكتروستاتيك و قديمي،‌ OCT ها را مي­توان به نحو مطلوبي در سيستم استفاده نمود.

 

26 (1)

شكل 1-7 : نمونه­اي از يك OCT بر روي سكسيونر متصل مي­شود .

 

فصل دوم : اصول و مباني سنجش جريان

 

2-1) سنجش جريان از طريق اندازه­ گيري ميدان مغناطيسي:

جريان با جمع شدت ميدان بر روي يك مسير بسته پيرامون هادي حامل جريان محاسبه مي­شود. توزيع فضايي ميدان مغناطيسي به موقعيت هادي حامل جريان بستگي دارد. اما اگر عمل محاسبه مجموع ميدان­ها بر روي يك مسير بسته انجام گيرد. مقدار جريان مستقل از شكل مسير انتگرال­گيري بدست مي­آيد. مقدار جريان را مي­توان طبق قانون آمپر[5] محاسبه نمود.

File:Electromagnetism.svg

شکل 2-1 : میدان مغناطیسی اطراف حامل                         

 

كه در رابطه بالا، I مقدار جريان، H شدت ميدان مغناطيسي و d1 جزء مسير انتگرال­گيري مي­باشند. روش سنجش جريان مبدل نوع 1، همانند ترانسفورماتورهاي جريان معمولي، استفاده از قانون آمپر مي­باشد. در مبدل­هاي انواع 2 تا 4 معمولاً از اثر فاراده يا اثر مغناطيسي – نوري استفاده مي­شود.

 

2-2) سنجش نوری جريان و ميدان الکترو مغناطیسی:

پلاریزاسیون نور با تعيين خصوصيات بردار ميدان الكتريكي E تعيین مي­شود. نور با هر پلاريزاسيون را مي­توان مجموعي از دو مؤلفه عمود بر هم در نظر گرفت. چنانچه اين دو مؤلفة هم اندازه هم فاز باشند، نور با پلاريزاسيون خطي يا صفحه­اي خواهد بودو اگر مؤلفه­هاي هم اندازه اختلاف فاز °90 داشته باشند، پلاريزاسيون[6] نور دايروي خواهد بود. مفهوم پلاريزاسيون نور و تجزيه آن به مؤلفه­هايي با چرخش مثبت و منفي مشابه مفهوم مؤلفه­هاي توالي مثبت و منفي در سيستم­هاي قدرت مي­باشد.

در حالت كلي، ضريب شكست نوري ماده نسبت به جهت انتقال نور يا نوع پلاريزاسيون آن متغير مي­باشد. چنين خاصيتي را خاصيت دوشکستی[7] می نامند. . اين خاصيت در شيشه بر اثر فشارهاي دائمي يا گذرا به همراه تغيير حرارت محيط به وجود مي­­آيد، در حاليكه منش‍أ آن در كريستال­های ساختار داخلي آن ها است.

بيشترين و كمترين ضريب شكست نوري متناظر با كمترين و بيشترين سرعت انتقال نور در ماده مي­باشند. اين اختلاف سرعت سبب ايجاد اختلاف فازي در مؤلفه­هاي نور پلاريزه مي­گردد. اگر نور پلاريزه­اي از درون ماده­اي عبور نمايد كه در اين گذر، فاز آن ثابت بماند ولي ميان مؤلفه­هاي آن تبادل انرژي به وجود آيد، پس از عبور صفحۀ پلاريزاسيون آن كمي چرخش مي­نمايد. اين خاصيت با نام فعاليت نوری[8] خوانده می شود.

اثر فاراده يك فعاليت نوري مدوله شده است، به گونه­اي كه چرخش صفحه پلاريزاسيون نور در حضور يك ميدان مغناطيسي و متناسب با آن صورت مي­گيرد. مقدار چرخش صفحه پلاريزاسيون q،‌ در حضور ميدان مغناطيسي mH ، در طول مسير dI از رابطه:

(2-2)                                                   

محاسبه مي­شود كه در آن V ثابت  وردت می باشد. اين ثابت مقدار بسيار كوچكي دارد. تابعيت ثابت وردت نسبت به طول موج و دما بايد در ساخت OCT ها در نظر گرفته شود. نمونه ای از یک حسگر فاراده در شکل زیر :

(درباره اثر فارادی در بخش بعد مفصلا بحث می شود.)

29

 

شكل 2-2 : نمونه­اي از يك حسگر فاراده و اجزاي داخلي آن

 

 

در OCT ها نور ورودي ابتدا پلاريزه مي­شود. اين كار با قرار دادن فيلتري در راه مسير ورودي نور و انتخاب پلاريزاسيون مناسب صورت مي­گيرد. پس از عبور از ميدان مغناطيسي ميزان انحراف در زاويه صفحه پلاريزاسيون بايد سنجيده شود. [11]

 

2-3) شرحی بر پلاریزاسیون (قطبش) امواج :

قطبش یا پلاریزاسیون یکی از ویژگی‌های امواج عرضی است که جهت نوسان را در صفحه عمود بر انتشار موج نشان می‌دهد. در الکترومغناطیس، قطبش یک موج الکترومغناطیسی مانند نور نشان‌دهنده جهت بردارِ میدان الکتریکی آن نسبت به راستای انتشار است.

در امواج قطبش‌های متفاوتی را می‌توان دید؛ از جمله قطبش بیضوی و دایروی (که نوع خاصی از قطبش بیضوی است) و قطبش خطی.

2-3-1) انواع قطبش

امواج طولی مانند صوت قطبش ندارند، زیرا راستای نوسان در این امواج در راستای پیشروی آن‌ها بوده و بنابراین به طور یکتا تعیین می‌شود. ولی در امواج عرضی مانند نور جهت نوسان میدان الکتریکی یکتا نیست و با قطبش تعیین می‌شود. قطبش عمود بر مسیر حرکت موج است. در این حالت میدان الکتریکی در یک جهت هدایت می‌شود (قطبش خطی) یا ممکن است که آن به حالت چرخشی درآید مثل حرکت موج (قطبش چرخشی یا فشرده) در حالت‌های دیگر نوسان‌ها می‌توانند در حرکت به طرف راست یا چپ بچرخند. طبق اینکه کدام چرخش در یک موج مشخص نشان داده شود به آن گردش می‌گویند. در کل قطبش موج الکترومغناطیسی یک مسئله پیچیده‌است. برای مثال در یک موج مثل فیبرنوری یا پرتوهای پلاریزه شده در فضای آزاد، توضیح دادن پلاریزاسیون موج پیچیده‌تر است، چون میدان‌ها اجزای طولی و عرضی دارند. برای موج‌های طولی مثل امواج صوتی در سیال‌ها، جهت نوسان به وسیله مسیر حرکت مشخص می‌شود و بنابراین قطبشی وجود ندارد. در یک وسیله جامد امواج صوتی می‌توانند به صورت عرضی باشند. در این حالت قطبش با مسیر تنش برشی در سطح عمود بر جهت انتشار در ارتیاط است. این موضوع در زلزله‌شناسی اهمیت دارد. قطبش در زمینه علوم و تکنولوژی در رابطه با انتشار موج اهمیت دارد مثل علوم نوری، مخابرات و علوم رادار. قطبش نور را می‌توان با یک قطبش اندازه گیری کرد.

150px-Circular_polarization_schematic   150px-Elliptical_polarization_schematic 150px-Linear_polarization_schematic 

                                                                نمودار قطبش بیضوی                       نمودار قطبش دایره‌ای                                     نمودار قطبش خطی

 

شکل2-3 : نمودار قطبش

ساده ترین مظهر قطبش که قابل تصور است موج تخت می‌باشد که تقریب مناسب در اکثر امواج نوری هستند.(یک موج تخت عبارت است از یک موج با جبهه موج وسیع و بلند) برای توابع موج‌های تخت «مکس ول» مخصوصا قوانین گاوس نیاز به نوسنجی را تحمیل می‌کند که میدان الکتریکی و مغناطیسی عمود بر جهت انتشار و عمود بر یکدیگر هستند. وقتی که قطبش را در نظر می‌گیریم بردار میدان الکتریکی مشخص می‌شود ومیدان مغناطیسی نادیده گرفته می‌شود، چون آن عمود بر میدان الکتریکی در یک موج تخت به طور دلخواه به دو مولفه عمود بر هم تحت عنوانx وyتقسیم می‌شوند. برای مثال یک موج هارمونیک در جائیکه دامنه بردار الکتریکی در حالت سینوسی در زمان متفاوت است، دو مولفه دقیقاً دارای فرکانس یکسانی هستند. با این حال این مولفه‌ها دارای ویژگی‌های مشخص دیگری هستند که با هم فرق دارند. اولاً دو مولفه دارای دامنه یکسانی نیستند، ثانیاً دو مولفه دارای فاز یکسانی نیستند یعنی اینکه آن‌ها همزمان به حداقل و حداکثرنمی‌رسند. از نظر ریاضی میدان الکتریکی در یک موج به صورت زیر نوشته می‌شود:

  \vec{E}(\vec{r},t) = \mathrm{Re} \left[\left(A_{x}, A_{y}\cdot e^{i\phi}, 0 \right) e^{i(kz - \omega t)} \right]

یا متناوباً که:

 \vec{E}(\vec{r},t) = (A_{x}\cdot \cos(kz - \omega t), A_{y}\cdot \cos(kz - \omega t + \phi), 0)

 

فصل سوم : اثر فارادی

3-1) اثر فارادی چیست؟

 

در فیزیک اثر فارادی[9] یا چرخش فارادی یک پدیده مغناطیس نوری است.این پدیده یک برهم کنش بین نور و میدان مغناطیسی در یک رسانه است . این اثر در در بسیاری از مواد که دارای دی الکتریک نوری شفاف هستند( از جمله مایعات) تحت تاثیر میدان مغناطیسی رخ می دهد. اثر فاردی توسط انتشار امواج مدور قطبی چپ و راست در یک اختلاف سرعت کم وجود دارد،این ویژگی به عنوان دایره انکسار مضاعف شناخته می شود.

اثر فاردی در جهت انتشار بخشی از میدان مغناطیسی  باعث چرخش سطوح پلاریزاسیونی که نسبتا خطی اند می شود .

اثر فاردی در سال 1845 توسط مایکل فارادی [10] کشف شد. این پدیده جز اولین شواهد تجربی بود که نور و الکترو مغناطیس را به هم مرتبط می کرد.پایه نظریه تابش الکترو مغناطیسی(که شامل نور مرئی است)توسط جیمز کلرک ماکسول [11] در سال 1860-1870 تکمیل شد.

 

3-2) شرح عملکرد

اگر هر جامد شفاف یا مایع به طور یکسان در یک میدان مغناطیسی قرار گیرد و جهت نور تابیده شده و نور پلاریزه شده در جهت صفحه به صورت موازی با خطوط نیروی میدان مغناطیسی عبور داده شود (از طریق حفره هایی در کفشک قطب آهن ربای الکتریکی قوی ) خواهید فهمید نور منتقل شده به صورت تابش های الکترومگنتیک خواهد بود .

سطح پلاریزاسیون ، نسبت به شدت میدان دوران داده شده، این چرخش نوری را چرخش فارادی یا اثر فارادی می نامند.و تاثیرات مشابه را فعالیت نوری گویند . این پدیده مشابه در محلول شکر نیز اتقافاق می افتد،در محلول شکر چرخش نوری نیز در همان جهت است.

download2

شکل 3-1:: مشاهده اثر مشابه اثر  فارادی در محلول شکر

 

به طور خاص زمانیکه شعاع به عقب بازگشت می کند از میان محلول ، باریکه ای پدیدار می شود.با پلاریزاسیونی مشابه پرتو قبلی.          

با قرار دادن نمونه بین دو قطعه پلاراید [12] (یک فیلم پلاستیکی که می تواند نور تابیده شده را پلاریزه کند) یا بین دو منشور نور تابیده شده مرتب شده(با مقدار کافی از قدرت میدان مغناطیسی) و نورکوچکی از طریق سیستم در یک جهت انتقال داده می شود.

سرانجام بدون نقص شدت در جهت مخالف قرار می گیرد . تاثیر مشاهده شده در این رابطه بسیار ویژه و منحصر به فرد است.

در شکل زیر رابطه نور پلاریزه شده و اثر فارادی را مشاهده می کنید:

 

شکل 3-2 :اثر فارادی در حضور ماده مگنتواپتیک

http://en.wikipedia.org/wiki/Faraday_effect

فورمول زیر  رابطه زاویه چرخش β بر اساس اثر فارادی بیان می کند :

 

β=VBd 3-1

که در  رابطه فوق :

β: زاویه چرخش

d: طول مسیر (محلی که نور و میدان مغناطیسی بر هم اثر می کنند)

B: مولفه میدان مغناطیسی در جهت انتشار نور

V: ثابت وردت ، یک مولفه ثابت تجربی است که برای مواد مختلف متفاوت است ( تسلا متر/ رادیان )

ثابت وردت همچنین به پراکندگی ضریب شکست[13] بستگی دارد.[12,13]

λ = طول موج

C= سرعت نور

e/m=نسبت بار الکتریکی به الکترون

dn/dλ= ضریب شکست

تذکر :

در بخش 2-2 رابطه 1-3   نیز به فرم دیگری(رابطه 2-2) بیان شده است. هردو فرم صحیح است.

 

چند نوع  دیگر از ثابت های وردت از مواد مختلف در جدل زیر آمده است.ثابت وردت برای SiO2 در 58nm اندازه گیری شده و برای بقیه مواد در 1064nm اندازه گیری شده است.

 

جدول3-1-) ثابت وردت پنج نوع از مواد نوری(مگنتواپتيك)

3-3) کابرد های اثر فارادی

 

اثر فارادی دارای چند کاربرد در دستگاه های اندازه گیری است به عنوان مثال:

  1. اندازه گیری قدرت چرخش نور
  2. سنجش از راه دور میان مغناطیسی
  3. برای پژوهش spintronics برای مطالعه قطبش اسپین های الکترون در نیمه هادی ها
  4. برای مدولاسیون های دامنه نور
  5. اساس جدا کننده های نوری و گردش های نوری

از جمله مولفه های دیگر در مخابرات نوری لیزر و برنامه های دیگر کاربرد دارد و همچنین در این مقاله بر اساس این پدیده به برسی مبدل های نوری جریانپرداختهایم.[12,13]

 

فصل چهارم : مبدل های جریان تمام نوری

4-1) اصول اندازهگيري جريان در OCT ها

اندازهگيري نوري در OCT ها بر پایه اثر فارادی انجام می شود. موادی كه از خود اثر فارادي نشان ميدهند با عنوان مواد مگنتواپتیک [14] شناخته می شوند.

اثر فارادي را ميتوان به دو صورت بيان كرد. اگر يك نور با پلاريزاسيون خطی از يك مادة مگنتواپتيك عبور كند درحالي كه ميدان مغناطيسي در راستاي عبور نور موجود باشد، صفحة پلاريزاسيون نور دچارچرخش ميشود. در بيان ديگر اثر فارادي، سرعت سير دو موج نور با پلاريزاسيون دایره های راستگرد و چپگرد در مادة مگنتواپتيك تحت ميدان مغناطيسي متفاوت است. در صورتي كه اين دو موج همزمان وارد ماده مگنتواپتيك شوند در خروجي داراي اختلاف فاز خواهند بود. در اثر فارادي، مقدار چرخش ايجادشده در زاوية پلاريزاسيون و اختلاف فاز ايجادشده بين دو موج، با ميدان مغناطيسي و طول مسير طي شده توسط نور در مادة مگنتواپتيك متناسب است. بر اين اساس OCT  ها نيز به دو دستة عمده تبديل مي شوندOCT هایی كه بر اساس اندازهگيري ميزان چرخش صفحة پلاريزاسيون كار مي كنند و آن هايي كه با اندازه گيري اختلاف فاز بين دو موج مقدار جريان را تخمين مي زنند. نوع اول با نام polarimetric و نوع دوم با نام interferometric شناخته مي شوند[12,13].

یک OCT  از نوع polarimetric با عبور نور با پلاريزاسيون خطي از ماده اي كه از خود اثر فارادي نشان مي دهد، كار مي كند. در اثر فارادي صفحه پلاريزاسيون متناسب با ميدان مغناطيسي و طول مسير مي چرخد. ميزان چرخش مي تواند به صورت :

θ : زاويه چرخش صفحه پلاريزاسيون

μ: نفوذپذیری نسبی مغناطیسی

V:ثابت وردت

H و dl مؤلفه هاي در جهت انتشار نور هستند.

اگر اندازه گر يي در يك حلقة بسته انجام شود ميزان چرخش به صورت خطي متناسب با جريان عبوري از هادي خواهد بود

در OCT ها نور بايستي ابتدا به صورت خطي پلاريزه شود. نور مناسب مي تواند به وسيله عبور نور غير پلاريزه از يك المان نوري به اسم پلارايزر خطی توليد شود. پس از عبور اين نور از مادة مگنتواپتيك مقدار چرخش صفحة پلاريزاسيون بايستي اندازه گر يي شود

 

4-1-2) محاسبه چرخش فارادی

تانسور دی الکتریک [15] موادی که تقارن بلوری بهتری دارند نسبت به سیستم های متعامد، را می توان با معادله زیر بیان کرد.

در معادله 4-2 xεy, ε εz,ثابت های دی الکتریک همراه با محور x,y,z است و δ عددی حقیقی می باشد.

بر اساس اثبات معادلات ماکسول داریم:

 E شدت میدان الکتریکی و H شدت میدان مغناطیسی .

 

 

فرض کنید نور تابشی یک نور خطی پلاریزه شده باشد داریم:

زمانی که نور انتقال داده می شود ، از میان یک تقارن فضایی یا یک وسیله ایزوتروپیک[16] داریم:

به عنوان مثال:

4-5:εx= εy= εz= εr

نور پلاریزه شده خطی می تواند به دو باریکه نور پلاریزه شده مدور با جهت پلاریزاسیون مخالف تجزیه شود.

محاسبات انجام شده نشان می دهد که :

 

در معادله 4-6 n+ و n- ضریب شکست نور برای آن دو باریکه از نور پلاریزه شده مدور است.

θ: زاویه چرخش [17] (اثر فاراده است)

زمانیکه جهت میدان مغناطیسی هم جهت با انتشار نور است داریم:

l: طول مسیر انتقال نور

H: شدت میدان مغناطیسی هم جهت با مسیر نور

تذکر1: در این مقاله برای زاویه چرخش فارادی یا همان اثر فارادی از θ و β استفاده شده است با توجه به مقالاتی که مورد برسی قرار گرفته اند .

تذکر2: رابطه 4-8 در فصل های گذشته به آن اشاره شده است و در این فصل و این بخش به اثبات رسید.

تذکر 3: رابطه 3-1 که در فصل 3 به  آن اشاره شد با رابطه 4-8 مشابه است. (β=VBd 3-1:)[12,13]

4-2) انواع سنسور های تمام نوری مبدل جریان

 

4-2-1 )سنسور های سنتی:

 

در ساختار قدیمی که ساخته شده است از یک میدان مغناطیسی مدور و فیبرنوری ،این فیبر صد ها دور اطراف میدان مغناطیسی پیچیده شده است.

شکل 4-2 : ساختار سنتی سنسور های مبدل جریان نوری (سرسنجش گر)

علت اینکه فیبر با تعداد دور بالا اطراف میدان مغناطیسی پیچیده می شود ،به خاطر این است که حساسیت فیبر را بالا ببریم و قاعدتا هرچه قدر حساسیت فیبر بالا برود بر میزان افزایش اثر فارادی تاثیر مستقیمی خواهد داشت. در این ساختار جریان عبوری از کابل  تولید یک میدان مغناطیسی مدور می کند[14]  

با توجه به قضیه Ampere circuital که به توصیف نیرو های بین سیم های حامل جریان(وابسته به میدان مغناطیسی یک پارچه در اطراف یک مسیر بسته به جریان الکتریکی عبوری از حلقه) می پردازد، می توانیم θ (زاویه چرخش فارادی) را به وسیله معادله زیر محاسبه نماییم:

 

4-9:θ=Vn0I

در معادله فوق

n0: تعداد دور فیبر نوری

I: شدت جریان کابل

V: ثابت وردت

سیستم سنجش ، سنجش جریان از لیزر [18] ، قطبش دهنده[19] ، متصل کننده فیبر ، [20] فیبر نوری [21] ، کابل [22]،

آنالیز کننده پلاریزاسیون[23]، تقویت کننده [24] و اسیلوسکوپ [25] ساخته شده است.

 

 

شکل 4-3 : ساختار مدل سنتی

 

همانطور که در شکل نشان داده شده است منشور تیلور [26] قطبش دهنده و منشور والاستون [27] آنالیز کننده پلاریزاسیون (قطبش) است. [14]  

 

4-2-2 )سنسور های جدید سولنئیدی:

سنسور های سر سنجش گر سولنئیدی [28] نسل جدید سنسور های تمام نوری مبدل جریان می باشند.در طراحی این نوع از سنسور های مبدل جریان نوری ، فیبر نوری از میان دو سیم پیچ تحریک عبور داده می شود. در این ساختار دو سیم پیچ تحریک موازی اند.

علت اینکه دوسیم پیچ تحریک را به صورت موازی قرار می دهند به این دلیل است که با انجام این کار باعث می شویم تا حساسیت سیستم افزایش یافته و به حساسیت بالاتری دست پیدا کنیم. [14]  

شکل زیر نمایی از این سنسور می باشد.

 

شکل 4-4 : ساختار سنسور سرسنجش گر سولنئیدی

 

در این ساختار n1 تعداد دور فیبر نوری است که از داخل سیم پیچ ها عبور کرده است و n2 تعداد دور سیم پیچ ها می باشد.برای بدست آوردن زاویه چرخش فارادی (اثر فاردی) بر اساس قانون بیوساوار[29] می- توان θ را با معادله زیر محاسبه کرد : [14]  

 

4-10: θ=Vn1n2I

در معادله فوق

n1: تعداد دور فیبر

n2: تعداد دور سیم پیچ

I: شدت جریان کابل

4-3 ):طراحی و شبیه سازی:

4-3-1) نرم افزار Comsol Multiphysics

در این مقاله از Comsol برای شبیه سازی میدان انتقال استفاده شده است.این نرم افزار معادله maxell را با متغیر زمان ،به تفاوت معادله در فضا تبدیل می کند.

در آن طرح های مختلف میدان الکتریکی (مغناطیسی) وجود دارد ، مولفه های هر واحد از نقاط شبکه فقط به مولفه میدان مغناطیسی مجاور (میدان الکتریکی) مرتبط است و به مقدار میدان از گام زمانی مربوط است.

 

شبیه سازی مولفه های میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی در هر واحد از نقاط شبکه در هر گام زمانی ،با سوق به سمت گام زمان ، بلا فاصله می تواند موج انتقال الکترو مغناطیسی و پردازش فعل و انفعالات هرکدام از اجزاء را شبیه سازی کند.

 

پارامتر های فضای شبیه سازی شده از خواص الکترومغناطیس به وسیله یک فرم از فضای نقاط شبکه در طرح های مختلف شرح داده شده است.بنابراین نرم افزار برای راه اندازی نیاز به پارامتر های مناسب دارد.

با استفاده از این نرم افزار می توان ساختار های متنوعی را با خواص ویژه ای را بسیار دقیق شبیه سازی کرد.

از جمله خواصی که می توان به آن اشاره کرد ، خواصی هم چون غیر یکنواختی ، نا هم سان گردی ، خواص پراکندگی  و غیر خطی بودن را می توان نام برد. [14]  

 

 

4-3-2) شبیه سازی :

با استفاده از مدل Ac/Dc نرم افزار Comsol شدت میدان مغناطیسی اطراف سیم پیچ را در هر دو ساختار سنتی و جدید را محایبه می کنیم.

سپس نتایج محاسبه شده بردار جامع (انتگرالی) میدان مغناطیسی در طول مسیر انتشار نور محاسبه و نشان داده می شود وبعد نتیجه را در ثابت V از POF [30] تولید شده از اثر فارادی ایده آل از نور پلاریزه شده خطی ضرب می شود.

توجه شود که در محاسبات اثر خطی انکساری مضاعف نادیده گرفته می شود. [14]  

4-3-3) شبیه سازی ساختار سنتی:

در ساختار قدیمی یک استوانه مسی برای معرفی کابل تعریف شده است و بر اساس شزایط واقعی محیط اطراف کابل را هوا در نظر گرفته می شود.

کابلی به قطر 1cm و طول 1m را در شبیه ساز انتخاب می کنیم.

زمانیکه یک آمپر جریان از کابل عبور داده می شود ، مجموع میدان  های مغناطیسی در طول مارپیچ اطراف کابل برابر با [31] 257.63A است.(تعداد دور مارپیچ برابر با 250 دور است) در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 4-5) : مجموع میدان مغناطیسی ساختار سنتی

 

فرض کنید ثابت وردت برای SiO2 برابر باشد با 7*10^-6 rad/A بنابر این θ برابر است با :

 

 

4-3-4) شبیه سازی ساختار سرسنجش گر های سولنئیدی:

برای این سنجش گر های سولنئیدی مدل به وسیله ساختار استوانه ای ساده شده و به جای چگالی جریان معادل تعریف شده است.مجموع میدان مغناطیسی در طول هر مسیر بسته ای در میان دو سولنئید (سیم پیچ استوانه ای ) تقریبا برابر است. [14]  

 

شکل 4-6) ساختار مجموع میدان مغناطیسی سرسنجش گر های سولنئیدی

در این جا نیز تمام شرایط آزمایشگاهی را بر اساس شرایط طبیعی شبیه سازی می کنیم.

تعداد دور سیم پیچ ها n1=4000 دور است قطر های درونی و بیرونی برای سیم پیچ ها به ترتیب برابر است با 3cm و4cm .

زمانی که یک آمپر جریان از کابل عبور می کند ، مطابق شکل زیر ، نتیجه شبیه سازی در طول مسیر مربع و در طول مسیر مدور به ترتیب 3995.20A و 3994.18A است. بنابر این نتیجه بدست آمده به نتیجه محاسبات نزدیک است. [14]  

شکل4-7)دو مسیر انتگرال گیر

به عنوان مثال با فرضیات زیر زاویه چرخش فارادی را به دست می آوریم : [14]  

4-3-5) رابطه بین اثر فارادی و تست جریان:

در شبیه سازی θ اثر فارادی در یک جریان تست 1A محاسبه می شود.در هنگام انتخاب نقاط جریان بیشتر (جریان های دیگر ) بدیهی است که رابطه بین θ اثر فارادی و جریان به راحتی قابل بیان است.

تفاوت های بین جریان های تست مختلف در شکل (4-3-5-1) زیر نشان داده شده است . از 0.5A تا 5A برای هر 0.5A شبیه سازی شده است و همچنین اختلاف بین روش سنتی و روش جدید نشان داده شده است. [14]  

 

 

 

 

شکل 4-8) ارتباط بین زاویه فارادی و جریان های مختلف[14]  

4-4) مزیت های مبدل های نوری جریان و قیاس روش ها :

با مقایسه دو ساختار می توان فهمید که اثر فارادی از ساختار سنجش سولنئیدی خیلی بیشتر از روش قدیمی است.

سنسور های نوری از جمله مبدل های نوری جریان از گذشته تا به الآن رشد و توسعه پیدا کرده اند از مواردی که هائز اهمیت است به موارد زیر می توان اشاره کرد:

  1. دارای توانایی کنترل پایدار و مطمئن برای عملیات های شبکه برق
  2. سنسور های جریان فیبر نوری به راحتی می توانند در محیط هایی با ولتاژ و نویز بالا کار کنند.
  3. این سنسور ها می توانند در محیط هایی با میدان مغناطیسی بزرگ نیز فعالیت نمایند.
  4. این سنسور ها می توانند در سیستم های سنجش از راه دور مورد استفاده قرار گیرند به  منظور تله متری سیستم برای اهدافی مانند مانیتورینگ سیستم و یا اندازه گیری های خاص مانند تشخیص محل خطا و اتصال کوتاه در کابل ها.
  5. از دیگر محاسن این سیستم ها می توان به کوچکی حجم و سبکی وزن و قیمت ارزان آن ها نیز اشاره کرد. [15]  

 

5-1) نتیجه گیری:

از نرم افزار Comsol برای پیاده سازی هردو ساختار تمام نوری سنجش(قدیمی و جدید) استفاده گردید است.به منظور محاسبه چرخش فارادی (به وسیله شبیه ساز و آنالیز) بعضی از نتایج را می توان اسنتباط کرد :

اثر فارادی (چرخش فارادی ) بستگی به ساختار سرسنجش گر دارد ، ساختار طراحی شده جدید میتواند هزار برابر حساسیت را افزایش دهد. همزمان با روشن کردن سیم پیچ اول (n1) و اندوکتانس مدار تست افزایش می یابد ، که این یک تاثیر منفی خاص در تست سیگنال های فرکانس بالا دارد. البته با توجه به این که بیشتر کاربرد این سنسور ها  در شبکه های برق محلی مد نظر ما است از این مورد می توانیم چشم پوشی کنیم. زیرا شبکه های برق در محدوده فرکانس پایین کار می کنند.

 

 

منابع و ماخذ

 

[1]     Lacquet B. M., Swart P. L., and Spammer S. J., "Polymer dispersed liquid crystal   fiber optic electric field probe" , IEE Trans. Instrum. Measur., Vol. 46, No. 1, 1997, PP. 31-35.

[2]     Kurosawa K., Yoshida S., Mori E., Takahashi G., and Saito S., "Development of an optical instrument transformer for DC voltage measurement", IEEE Trans. PWRD., Vol 8. No. 4, 1993, pp. 1721-26.

[3]     Emerging Technologies Working Group (Power System Instrumentation and Measurement Committee, and Fiber Optic Sensors Working Group (Fiber Optics Subcommittee, Power Systems Communications Committee). "Optical current transducers for power systems : A review" , IEEE Trans. PWRD., Vol. 9, No. 3, 1994, 1778-88.

[4]     Saito S. et al, "Development of laser current transformer for extra-high voltage transmission lines", IEEE journal Quant. Elec., Vol. QE-2. No. 8, 1966.

[5]  IEEE Committees, “Optical current transducers for power systems: a review,” IEEE            .       trans. Power Del., vol. 9, pp. 1778-1788, Oct. 1994.

[6]     ALSTOM (2010, 08), COSI, Compact optical sensor intelligence datasheet, [Online]. .       Available: www.nxtphase.com

[7]     Hasegawa Y., Ichikawa Y., Katsukawa H., Tanaka N., and Sakurai Y., "Development of a new type of optical transducer for measuring fault current",

[8]    ABB (2010, Nov.), MOCT optical current transformer system for metering, Product Bulletin, [Online]. Available: www.abb.com/highvoltage

[9]     S. Kucuksari and G. G. Karady, “Complete model development for an optical current transformer,” IEEE Trans. Power Del., vol. 27, pp. 1755-1762, Oct. 2012

[10]  Z. Araujo, M. Davila, E. Mora, L. Maldonado, and G. Ferraz, "Analysis of the behavior of an optical current transformer using an equivalent circuit," in VI Andean Region International Conf., Cuenca, ANDESCON, 7-9 Nov. 2012, pp. 81-84.

[11]   Hasegawa Y., Ichikawa Y., Katsukawa H., Tanaka N., and Sakurai Y., "Development of a new type of optical transducer for measuring fault current", IEEE Trans. PWRD., Vol. 9, No 3, 1994, pp. 1245-51.

[12]   Saito S. et al, "Development of laser current transformer for extra-high voltage transmission lines", IEEE journal Quant. Elec., Vol. QE-2. No. 8, 1966

[13]  M. lwanami, S. Hoshino, M. Kishi, and M. Tsuchiya. (2003) Magnetic Near-Field Distribution Measurements over Fine Meander Circuit Patterns by Fiber-optic Magneto-optic Probe. 7803-7835

[14]   W. Dai, C. Nan, Z. Lisheng, Y. Qinxue, and G. Chen, "Study on Simulation of  Fiber Optic Current Sensor," IEEE Trans. ISEIM, Kyoto, 2011, pp. 261 - 264.

 

[15]   Inoue N., Tsunekage T., and Sakai S., "On-line fault location system for 66kv underground cables with fast O/E and fast A/D technique". IEEE Trans. PWRD., vol. 9, No. 1, 1994, pp. 579-84.

 

 

[1] Current Transducer

 

[2] Optical Current Transducer

 

[3] Faraday Effect

 

[4] Witness Sensor

 

[5] Amper Law

 

[6] polarization

 

[7] Birefringenee

 

[8] Optical Activity

 

[9] Faraday effect

 

[10] Michael faraday

 [11] James clek maxwell

 

[12] polaroid

 

[13] dispersion of the refractive index

 

[14] Magneto-optic material

 

[15] dielectric tensor

 

[16] isotropic

 

[17] Faraday rotation

 

 

[18] Laser

 

[19] Polarizer

 

[20] Fiber coupler,

 

[21] Optical fiber

 

[22] Cable

 

[23] polarization analyzer

amplifier[24]

 

[25] Oscilloscope

 

[26] Glan-taylor Prism

 

[27] Wollaston prism

 

[28] Solenoid sensing head

 

[29] Biot-Savart Law

 

[30] Polymer Optical Fiber

 

[31] نشانگر برداری از المان بی نهایت کوچک سطح می‌باشد.

 

نویسنده:

عابس خادم حقیقی

Abes.khadem.h@gmail.com

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

دانلود فایل مرتبط با خبر :
Share
ارسال نظر
نام و نام خانوادگی :(اختیاری)پست الکترونیک :(اختیاری)
نظر شما :    
لطفا حاصل عبارت زیر را در باکس روبرو وارد کنید:
= ۳ + ۱۲ ارسال
394825