RU2715477C1 - Датчик искрения - Google Patents
Датчик искрения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2715477C1 RU2715477C1 RU2019113675A RU2019113675A RU2715477C1 RU 2715477 C1 RU2715477 C1 RU 2715477C1 RU 2019113675 A RU2019113675 A RU 2019113675A RU 2019113675 A RU2019113675 A RU 2019113675A RU 2715477 C1 RU2715477 C1 RU 2715477C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- spark
- fiber
- plate
- sensitive element
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 10
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 7
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 13
- 239000000835 fiber Substances 0.000 abstract description 32
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004880 explosion Methods 0.000 abstract description 2
- 238000007670 refining Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 14
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 9
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 9
- 238000010892 electric spark Methods 0.000 description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 5
- 229920005594 polymer fiber Polymers 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 150000003378 silver Chemical class 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 210000004177 elastic tissue Anatomy 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000000383 hazardous chemical Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 239000005368 silicate glass Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/32—Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends
- G02B6/322—Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends and having centering means being part of the lens for the self-positioning of the lightguide at the focal point, e.g. holes, wells, indents, nibs
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
- H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
- H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
- H02H7/261—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured involving signal transmission between at least two stations
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Изобретение относится к волоконной оптике и может быть использовано в волоконно-оптических датчиках искрения и электрической дуги и предназначено для использования на электростанциях, в высоковольтных установках, на линиях электропередачи, на пожаро- и взрывоопасных предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности, в шахтах и на транспорте. Датчик искрения содержит чувствительный элемент, изготовленный из флуоресцентного стекла или полимера, выполненный в виде пластины и расположенный в фокальной плоскости сферической положительной линзы или объектива, перед чувствительным элементом установлен оптический фильтр в виде пластины из оптического стекла, прозрачного в ультрафиолетовой области спектра и непрозрачного в видимой области спектра, у задней поверхности чувствительного элемента упорядоченно размещены торцы оптических волокон или волоконных жгутов, а у их выходных торцов расположены фотоприемники. Технический результат - определение местоположения искрения в пространстве. 2 ил.
Description
Изобретение относится к волоконной оптике и может быть использовано в волоконно-оптических датчиках искрения и электрической дуги.
Известно устройство дуговой защиты УД3-1 [Никитаев О.В., Селиванин А.У. Применение дуговых защит в комплексных распределительных устройствах сельскохозяйственных подстанций. Эксплуатация устройств сельскохозяйственного электроснабжения. Сборник научных трудов. М. 1989. с. 44], состоящее из полимерного волокна и фотодетектора. Часть излучения электрической дуги, попадающего на волокно, за счет светорассеяния в полимере преобразуется в волноводную моду и поступает на фотодетектор. Недостатком устройства являются высокие потери коротковолновой части излучения электрической дуги в полимерном волокне, что уменьшает чувствительность устройства.
Известно «Устройство для отключения комплексных распределительных устройств» (патент RU №2096887, МПК Н02Н 7/22, Н02Н 7/26, дата приоритета 04.08.1993 г., опубликовано 20.11.1997 г.), в состав которого входит эластичный оптоволоконный жгут со светопроницаемой оболочкой, к одному из концов которого подключен фотодетектор. Недостатком устройства является отсутствие возможности определения местоположения дуги и ее мощности. Недостатком устройства является также относительно его низкая чувствительность, связанная с низкой эффективностью преобразования излучения электрической дуги в волноводные моды и высокими потерями коротковолновой части оптического сигнала в волокне.
Известны волоконные датчики с чувствительными элементами на основе полимерного волокна с флуоресцентными добавками, которые применяются как позиционно-чувствительные устройства (M.F. Laguesse // Appl. Opt. 1989. V. 28. №23. P. 5144) и как сенсоры ионизирующих излучений. Недостатком таких датчиков являются высокие потери полезного оптического сигнала в полимерном волокне.
Известен волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги (патент RU №2237332, МПК Н02Н 7/26, дата приоритета 07.10.2002 г., опубликовано 27.09.2004 г.), выбранный в качестве прототипа, чувствительным элементом которого является нерегулярный волоконный световод со светопроницаемой оболочкой. Противоположные концы световода подключены к фотоэлектронным преобразователям, что позволяет не только регистрировать возникновение электрической дуги, но и определять ее местоположение и мощность. Недостатком устройства является его относительно низкая чувствительность, связанная с низкой эффективностью преобразования излучения электрической дуги в волноводные моды и высокими потерями коротковолновой части оптического сигнала в световоде. Недостатком является также, то, что для повышения чувствительности датчика требуется увеличение длины его чувствительного элемента, до 30 см и более [Ю.П. Казачков // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34. Вып.20. с. 73]. Недостатком является также относительно низкое пространственное разрешение датчика (не лучше 1 м при длине волокна более 5 м), что исключает возможность его применения для индикации искрения и электрической дуги в малогабаритных устройствах.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является волоконный датчик искры и электрической дуги (патент RU №2459222, МПК G02B 6/02, дата приоритета 23.12.2010 г., опубликовано 20.08.2012 г.), содержащий цилиндрическую линзу, чувствительный элемент в виде оптического волокна с флуоресцентным покрытием, передающее оптическое волокно и фотоприемник. Недостатками датчика являются невозможность определения местоположения искрения без механического поворота датчика по двум координатам и сложность конструкции датчика: необходимость использования оптических волоконных разъемов для соединения чувствительного элемента с передающим волокном, необходимость использования цилиндрического отражателя.
Изобретение решает задачу определения местоположения искры в пространстве.
Решение поставленной задачи достигается тем, что перед чувствительным элементом датчика искрения, выполненным виде пластины, и расположенным в фокальной плоскости сферической положительной линзы или объектива, установлен оптический фильтр, в виде пластины из оптического стекла, прозрачного в ультрафиолетовой области спектра и непрозрачного в видимой области спектра, у задней поверхности чувствительного элемента упорядоченно размещены торцы оптических волокон или волоконных жгутов, а у их выходных торцов расположены фотоприемники.
Электрическую искру можно рассматривать как точечный источник света, а электрический разряд между металлическими электродами содержит интенсивные линии излучения в ультрафиолетовой области спектра в спектральном интервале 200-400 нм. Линза или объектив датчика собирают часть излучения искры и фокусируют его на пластину из флуоресцентного стекла или полимера в пятно малого диаметра. Ультрафиолетовое излучение искры локально возбуждает в этой пластине люминесценцию в видимой области спектра. Часть излучения люминесценции попадает на торец оптического волокна или волоконного жгута, расположенного напротив данной области пластины, преобразуется в волноводные моды и передается на фотоприемник, расположенный у выходного торца данного волокна или волоконного жгута, и преобразуется в электрический сигнал. Входные торцы волокон или волоконных жгутов могут быть расположены в ряд или образовывать двумерную матрицу. Пространственное положение области люминесценции в флуоресцентной пластине зависит от положения электрической искры в пространстве, поэтому номер фотоприемника, в котором появился электрический сигнал, может быть сопоставлен с пространственным положением электрической искры. Для исключения попадания на фотоприемник постороннего излучения, например искусственного освещения либо солнечного света, перед флуоресцентной пластиной может быть расположен оптический фильтр, прозрачный в ультрафиолетовой области спектра, и не прозрачный в видимой области спектра. Так как ультрафиолетовое излучение электрической искры преобразуется в излучение видимой области спектра, для его регистрации могут быть использованы дешевые и широко распространенные кремниевые фотодиоды.
Совокупность признаков, изложенных формуле, характеризует датчик искрения, в котором использована линза и флуоресцентная пластина, за которой упорядоченно расположены входные торцы оптических волокон или волоконных жгутов. Использование упорядоченного расположения волокон или волоконных жгутов позволяет регистрировать пространственное положение электрической искры по одной или двум координатам. В конструкции датчика исключаются дополнительные оптические элементы в виде оптических волоконных разъемов и зеркал, что упрощает конструкцию датчика.
Описание чертежей
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг. 1 схематично показаны датчик искрения и принцип его работы. 1 - электрическая искра, 2 - ход лучей от искры, 3 - линза или объектив, 4 - оптический фильтр, 5 - пластина из флуоресцентного стекла или полимера, 6 - передающие оптические волокна или волоконные жгуты, 7 - фотоприемники.
На фиг. 2 показаны возможные варианты расположения входных торцов передающих оптических волокон или волоконных жгутов, а - линейное расположение, б - расположение в виде двумерной матрицы; 5 - пластина из флуоресцентного стекла или полимера, 8 - торцы оптических волокон или волоконных жгутов, в - расположение оптических волокон или волоконных жгутов по окружности; 5 - пластина из флуоресцентного стекла или полимера, 9 - торцы волоконных жгутов.
Далее сущность изобретения раскрывается на примере, который не должен рассматриваться экспертом как ограничивающий притязания изобретения.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Пример.
На фиг. 1 показана схема датчика искрения и принцип его работы.
Датчик содержит положительную сферическую линзу 3 из стекла с фокусным расстоянием 15 мм и диаметром 25 мм. В фокальной плоскости линзы расположен оптический фильтр 4 из оптического стекла УФС5, представляющий собой пластину 25×25 мм толщиной 2 мм. За фильтром расположена флуоресцентная пластина 5 из силикатного стекла, содержащего молекулярные кластеры серебра. Пластина 5 имеет поперечные размеры 15×15 мм и толщину 3 мм. Вплотную к задней поверхности флуоресцентной пластины расположены 10 волоконных жгутов 6 из стекла с диаметром торцов 1 мм. Жгуты расположены в ряд (фиг. 2, а), длина ряда жгутов равна 12 мм. Вплотную к выходным торцам жгутов расположены фотоприемники 7. В качестве фотоприемников использованы кремниевые фотодиоды BPW34.
Датчик работает следующим образом.
Излучение от искры 1 (фиг. 1) фокусируется линзой 3 на пластину из флуоресцентного стекла 5. Фоновое излучение от посторонних источников света отсекается оптическим фильтром 4. Флуоресцентная пластина содержит молекулярные кластеры серебра, обладающие люминесценцией в спектральном интервале 450-650 нм при возбуждении люминесценции ультрафиолетовым излучением из спектрального интервала 250-390 нм [V.D. Dubrovin, А.I. Ignatiev, N.V. Nikonorov, A.I. Sidorov, T.A. Shakhverdov, D.S. Agafonova. Luminescence of silver molecular clusters in photo-thermo-refractive glasses // Optical Materials, V. 36, P. 753-759, (2014)]. Выбор материала флуоресцентной пластины определяется тем, что спектральная область люминесценции молекулярных кластеров серебра попадает в спектральную область чувствительности кремниевых фотодиодов. Люминесценция возбуждается в месте расположения фокального пятна в флуоресцентной пластине, которое, в свою очередь, зависит о положения искры в пространстве. Излучение люминесценции попадает в волоконный жгут, расположенные в месте положения фокального пятна, преобразуется в волноводные моды и передается к фотодиоду, расположенному на выходном торце данного волоконного жгута. При расположении фокального пятна между двумя волоконными жгутами возможна регистрация оптического сигнала двумя соседними фотодиодами. Таким образом, номера фотодиодов, зарегистрировавших оптический сигнал, позволяют определить положение искры в пространстве. В данном примере волоконные жгуты 8 расположены в ряд (фиг. 2, а), что дает возможность регистрировать положение искры по одной координате. При расположении жгутов в виде двумерных матриц 9 (фиг. 2, б, в) появляется возможность регистрации положения искры в пространстве по двум координатам.
Тестирование датчика искры показало, что датчик с указанными выше параметрами позволяет регистрировать искру с углом обзора 40°. При расстоянии до искры, равном 50 см, точность определения ее положения составляет 3-5 см, при использовании в датчике 10 волоконных жгутов.
Таким образом, датчик искры позволяет регистрировать и определять местоположение искрения на электростанциях, в высоковольтных установках, на линиях электропередачи, на пожаро- и взрывоопасных предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности, в шахтах и на транспорте.
Claims (1)
- Датчик искрения, содержащий чувствительный элемент, изготовленный из флуоресцентного стекла или полимера, отличающийся тем, что перед чувствительным элементом, выполненным в виде пластины и расположенным в фокальной плоскости сферической положительной линзы или объектива, установлен оптический фильтр в виде пластины из оптического стекла, прозрачного в ультрафиолетовой области спектра и непрозрачного в видимой области спектра, у задней поверхности чувствительного элемента упорядоченно размещены торцы оптических волокон или волоконных жгутов, а у их выходных торцов расположены фотоприемники.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019113675A RU2715477C1 (ru) | 2019-04-30 | 2019-04-30 | Датчик искрения |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019113675A RU2715477C1 (ru) | 2019-04-30 | 2019-04-30 | Датчик искрения |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2715477C1 true RU2715477C1 (ru) | 2020-02-28 |
Family
ID=69768108
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019113675A RU2715477C1 (ru) | 2019-04-30 | 2019-04-30 | Датчик искрения |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2715477C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6704478B2 (en) * | 2001-08-23 | 2004-03-09 | Hitachi Cable, Ltd. | Wavelength separation optical device and multiple wavelength light transmission module |
| US8040517B1 (en) * | 2010-04-30 | 2011-10-18 | General Electric Company | Arc flash detection system and method |
| RU2539963C1 (ru) * | 2013-02-25 | 2015-01-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Волоконно-оптическое устройство дуговой защиты с определением местоположения электрической дуги |
| KR101542538B1 (ko) * | 2015-03-17 | 2015-08-06 | 지투파워 (주) | 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템 |
-
2019
- 2019-04-30 RU RU2019113675A patent/RU2715477C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6704478B2 (en) * | 2001-08-23 | 2004-03-09 | Hitachi Cable, Ltd. | Wavelength separation optical device and multiple wavelength light transmission module |
| US8040517B1 (en) * | 2010-04-30 | 2011-10-18 | General Electric Company | Arc flash detection system and method |
| RU2539963C1 (ru) * | 2013-02-25 | 2015-01-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Волоконно-оптическое устройство дуговой защиты с определением местоположения электрической дуги |
| KR101542538B1 (ko) * | 2015-03-17 | 2015-08-06 | 지투파워 (주) | 광섬유 루프센서를 구비한 수배전반의 아크 감시 시스템 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3327602B2 (ja) | 放射線検出光伝送装置 | |
| JPS5669602A (en) | Light guide device | |
| ES2142267A1 (es) | Dispositivo para medicion de la radiacion luminosa concentrada. | |
| EP0531159B1 (en) | Light detecting device | |
| CN114413944B (zh) | 一种基于量子点的分布式光纤传感器 | |
| RU2715477C1 (ru) | Датчик искрения | |
| CN108387974B (zh) | 一种高功率光纤激光收发一体端帽 | |
| CN101876712B (zh) | 基于光纤束的脉冲辐射场时空分辨测量系统 | |
| US3916184A (en) | Optical scanner in modular form | |
| US8157428B2 (en) | Multiple source reticle illumination | |
| RU140216U1 (ru) | Оптический индикатор давления | |
| RU2459222C1 (ru) | Волоконный датчик искры и электрической дуги | |
| CN214040243U (zh) | 一种光纤液位传感器 | |
| CN202304853U (zh) | 一种具有大动态范围的光纤传感装置 | |
| Pleshanov et al. | Modeling the Optical Scheme of a Position-Sensitive Luminescent Spark Sensor with a Spectral Radiation Converter | |
| JPH08292091A (ja) | 紫外線検出装置 | |
| CN204374065U (zh) | 用于全光网络的天然气检测传感器 | |
| CN218496769U (zh) | 高精度、高传输率的光纤传感器 | |
| RU2554519C1 (ru) | Оптический съемник информации | |
| CN212302114U (zh) | 一种紧凑型远程目标激光指示器结构 | |
| EP3655804A1 (en) | One-to-many optical fiber array structures and methods | |
| CN112325984A (zh) | 一种光纤液位传感器 | |
| CN2812161Y (zh) | 光纤传输光直读式温度传感装置 | |
| CN112146047A (zh) | 一种太阳能光纤照明设备及电化学测试系统 | |
| EP4602654A1 (en) | Lightguide concentrating device |