Например, Бобцов

Волоконно-оптический индикатор возникновения искры и дуги со спектральным преобразованием детектируемого излучения

ОПТИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 681.7.068
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИНДИКАТОР ВОЗНИКНОВЕНИЯ ИСКРЫ И ДУГИ СО СПЕКТРАЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ДЕТЕКТИРУЕМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

© 2011 г.

Д. С. Агафонова*; А. И. Сидоров**, доктор физ.-мат. наук ** Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, Санкт-Петербург
** Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики ** и оптики, Санкт-Петербург
** Е-mail: aisidorov@qip.ru

Представлены результаты исследования характеристик волоконно-оптического датчика искрения на основе спектрального преобразования излучения искры в длинноволновую область спектра. Показано, что при использовании в датчике волокна с полимерным покрытием, содержащим родамин 6G, и цилиндрической линзы чувствительность датчика может быть увеличена более чем в 200 раз. Предложенный датчик обладает узкой диаграммой направленности, что позволяет определять пространственное положение источника сигнала (электрического разряда).

Ключевые слова: волоконно-оптический датчик, люминесценция, электрическая искра, электрическая дуга, родамин 6G.

Коды OCIS: 060.2270, 060.2290, 060.2370

Поступила в редакцию 14.02.2011

Введение
При разработке систем аварийной защиты высоковольтного и электрораспределительного оборудования от последствий возникновения электрического искрения или электрической дуги встает задача индикации этого искрения или дуги, определения их местоположения и мощности. В  механических устройствах искрение может возникать за счет трения или ударов механических узлов, что увеличивает их износ и может приводить к аварийным ситуациям, пожару или взрыву в присутствии легковоспламеняющихся веществ. Задача индикации искрения и электрической дуги возникает на электростанциях, в высоковольтных установках, на линиях электропередачи, на п­ ожаро- и взрывоопасных предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности, в шахтах и на транспорте.
Фотоэлектронные устройства, основанные на непосредственной регистрации излучения электрического разряда фотоприемником [1], обладают недостатками  – существует вероят-

ность их ложного срабатывания в условиях сильных электромагнитных помех и электри­ ческого пробоя при высокой напряженности электрических полей в высоковольтных установках. Волоконно-оптические датчики лишены этих недостатков, так как оптический сигнал не чувствителен к электромагнитным помехам, а датчик может быть полностью изготовлен из диэлектрических материалов.
Существует ряд волоконно-оптических датчиков электрической дуги, в которых исполь­ зуется преобразование излучения, падающего на боковую поверхность полимерного волокна или оптоволоконного жгута, в волноводные моды [2–7]. Такое преобразование происходит за счет рассеяния падающего излучения на оптических неоднородностях волокна и поэтому оно крайне неэффективно.
Целью работы было создание волоконнооптического датчика для обнаружения несанкционированных электрических разрядов (искры, дуги) и обладающего высокой чувствительностью, пространственной избирательностью и малыми габаритами.

60 “Оптический журнал”, 78, 11, 2011

Постановка задачи
Спектральный состав и яркость излучения электрической искры и дуги в сильной степени зависят от энергии, разряда, материала электродов и состава газовой среды, в которой происходит разряд. Так, излучение электрического дугового разряда в мощных высоковольтных установках имеет высокую яркость и занимает широкий спектральный диапазон, опреде­ляемый свечением ионизированного газа в области дуги. В этом случае, как правило, нет необходимости повышать чувствительность волоконного датчика. При возникновении искрения в контактах маломощных электрических установок, в местах разрыва проводов, а также при ударе или трении металлических деталей яркость излучения мала, а спектр излучения определяется возбужденными атомами и ионами материала контактирующих предметов. Наиболее яркие спектральные линии ионов Fe лежат в спектральном интервале λ  =  250–450  нм, Al  – λ  =  300–400  нм, Ag  – λ = 300–550 нм, Cu – λ = 320–530 нм [8], то есть в ультрафиолетовой и коротковолновой части видимой области спектра. Проблемы, возникающие при детектировании сигнала в этом случае, и возможный путь их решения качественно иллюстрирует рис. 1. Потери на светорассеяние в кварцевом волокне пропорциональны 1/λ4 (кривая 2). Так, если для λ  =  800  нм з­ атухание оптического сигнала в кварцевом ­волокне, связанное со светорассеянием, составляет примерно 2  дБ/км [9], то для излучения искры с λ  =  250–450  нм (кривая 1) потери будут составлять 30–40  дБ/км. Это накладывает ограничения на допустимую длину ­волокна от чувствительного элемента датчика до фотоприемного устройства. Максимум чувствительности кремниевого фотоприемника лежит в спектральном интервале 820–960  нм (кривая  3). Это также снижает эффективность детектирования коротковолнового излучения искры.
Проблемы повышения чувствительности волоконно-оптического датчика искрения могут быть решены путем спектрального преобразования коротковолнового излучения искры в длинноволновое излучение. Для этого может быть использовано волокно с люминесцентной добавкой либо волокно, имеющее люминесцентное покрытие. В качестве люминесцент­ ного вещества может быть использован органический краситель, например родамин 6G (R6G), преобразующий коротковолновое из-

Отн. ед.

1 2 53 14
0
200 300 400 500 600 , нм
Рис. 1. Качественное сравнение спектральных характеристик излучения искры (1), потерь на светорассеяние в оптическом волокне (2), чувствительности кремниевого фотодиода (3), поглощения R6G (4) и люминесценции R6G (5).
лучение искры в спектральную область малых п­ отерь волокна и высокой чувствительности фотоприемника. Излучение искры, попадающее на покрытие с люминесцентной добавкой, возбуждает в нем люминесценцию в спектральном интервале, смещенном в длинноволновую область спектра. Молекулы люминесцентного вещества являются излучающими диполями. Излучение диполя, расположенного в непосредственной близости от оптического волновода или волокна, эффективно преобразуется в волноводные моды [10]. Эффективность такого подхода иллюстрируют кривые 4 и 5 на рис. 1.
Использование R6G позволяет преобразовать излучение из спектрального интервала 200–530  нм в спектральный интервал 580– 650  нм. Спектр оптического сигнала может быть смещен в еще более длинноволновую область с­ пектра при использовании таких красителей, как родамин B или нильский голубой, имеющих полосы люминесценции в областях 650–700  нм и 700–800  нм соответственно. Однако квантовый выход люминесценции у этих красителей существенно ниже, чем у R6G.
Методика экспериментов
Конструкция чувствительного элемента волоконного датчика искры показана на рис.  2. Чувствительный элемент датчика состоит из многомодового оптического волокна без оболочки, изготовленного из кварцевого стекла 3. Диаметр волокна 220  мкм. Участок волокна имеет покрытие в виде слоя полимера (нитроцеллюлоза) толщиной 20 мкм. Длина слоя с покрытием 30 мм. В полимер добавлен краситель R6G с концентрацией 0,5%. Выбор в качестве материала полимерного покрытия из нитроцел-

“Оптический журнал”, 78, 11, 2011

61

(а)
1 2 3
4
(б)
1 2 3
4
Рис. 2. Конструкция чувствительного элемента волоконного датчика искры: а – вид сбоку, б  – вид с торца. 1  – стеклянная трубка, 2  – цилиндрическая линза, 3  – оптоволокно, 4  – ­отражающее покрытие.
люлозы обусловлен тем, что в ней может быть реализована высокая интенсивность люминесценции R6G. Параллельно участку волокна с покрытием и вплотную к нему расположена цилиндрическая линза 2 в виде стеклянного стержня диаметром 4,8  мм. Использование линзы, фокусирующей излучение искры на волокно, позволяет уменьшить габариты датчика без ухудшения чувствительности и улучшить диаграмму его направленности. Для защиты датчика от загрязнений и повреждений волокно и линза помещены в стеклянную трубку 1. На часть внешней поверхности трубки нанесено отражающее покрытие 4, что позволяет увеличить эффективность сбора излучения искры. Для проведения сравнительных экспериментов был изготовлен ряд чувствительных элементов:
№  1 – кварцевое волокно без полимерного покрытия, с цилиндрической линзой и зеркальным отражателем;
№ 2 – волокно из поливинилового спирта (∅200  мкм), содержащее добавку R6G, без цилиндрической линзы и зеркального отражателя;
№ 3 – кварцевое волокно с полимерным покрытием, содержащее добавку R6G, без цилиндрической линзы и зеркального отражателя;
№ 4 – кварцевое волокно с полимерным покрытием, содержащее добавку R6G, без зеркального отражателя;

№ 5 – кварцевое волокно с полимерным покрытием, содержащее добавку R6G, с цилинд­ рической линзой и зеркальным отражателем.
При проведении измерений в качестве источников излучения использовали галогенную лампу (Р  =  20  Вт), полупроводниковые лазеры KLM-530-5 (λ  =  530  нм, Р  =  20  мВт) и KLM405-6 (λ = 405 нм, Р = 3 мВт), а также ртутную лампу низкого давления (λ  =  365  нм). Источником искры служили два стальных контакта, при замыкании которых происходил разряд конденсатора (С  =  50  мкФ, U  =  30–50  В). В  качестве фотоприемного устройства использовали кремниевый pin-фотодиод BPW20RF, включенный в фотодиодном режиме без уси­ лителя.
Обсуждение результатов
В табл.  1 приведены данные, характери­ зующие эффективность захвата внешнего излучения боковой поверхностью волокна с преобразованием этого излучения в волноводные моды для разных конструкций датчиков. Источником излучения служила галогенная лампа, расположенная на расстоянии 20 см от чувствительного элемента датчика. Из таблицы видно, что эффективность преобразования бокового излучения в волноводные моды кварцевым волокном без покрытия (№  1) крайне мала. При использовании в датчике полимерного волокна с люминесцентной добавкой (№  2) эффективность преобразования значительно повышается, однако она в 4 раза ниже, чем для кварцевого волокна с полимерным люминесцентным покрытием (№  3). Это связано с тем, что полимерное волокно обладает высоким светорас­ сеянием, которое приводит к существенным потерям захваченного излучения. В  случае кварцевого волокна с люминесцентным покрытием потери на светорассеяние значитель-

Таблица 1. Сигнал фотоприемника для разных конструкций датчиков

Чувствительный элемент

Сигнал фотоприемника, мВ

№ 1 < 0,1 № 2 0,7 № 3 2,8 № 4 17,6 № 5 20,8

62 “Оптический журнал”, 78, 11, 2011

Таблица 2. Сигнал фотоприемника для чувствительного элемента № 5
Длина волны, нм Сигнал фотоприемника, мВ
530 20,1 405 12 365 12,5

30
U, мВ
15

но ниже, а эффективность захвата излучения обеспечивается преобразованием излучения молекулами красителя в волноводные моды. Использование цилиндрической линзы (№  4) и  отражающего покрытия (№  5) позволяет з­ начительно повысить чувствительность датчика за счет увеличения площади захвата излучения. Чувствительность такого датчика более чем в 200 раз превышает чувствительность датчика аналогичной конструкции, но без люминесцентного покрытия.
В табл.  2 приведены результаты измерения сигнала фотоприемника при освещении чувствительного элемента № 5 излучением с плотностью мощности Р  =  0,5  мВт/см2 и λ  =  530, 405 и 365  нм. Из таблицы видно, что максимальная чувствительность датчика обеспечи­ вается на длине волны 530  нм. Это вызвано тем, что на данной длине волны R6G имеет ­максимальное поглощение.
На рис.  3 показана осциллограмма сигнала фотоприемника для чувствительного элемента №  5 при регистрации излучения электрической искры, расположенной на расстоянии 10  см. Энергия разряда искры была равна 2,25×10–2  Дж. Из рисунка видно, что датчик позволяет надежно регистрировать излучение искры и обеспечивает быстродействие, достаточное для большинства практических применений. Квантовый выход люминесценции R6G превышает 0,9 [11]. Это позволяет регистрировать излучение при искрении малой мощности.
При измерении диаграммы направленности датчика №  5 в качестве источника излучения использовался полупроводниковый лазер с λ  =  530  нм. Расходящийся лазерный пучок направлялся на рабочую поверхность датчика, который поворачивался в горизонтальной (I) и вертикальной (II) плоскостях (рис. 4а). Измерения показали, что в горизонтальной плоскости датчик обладает узкой диаграммой направленности, не превышающей 15° (рис.  4б). Это обеспечивает высокое пространственное разре-
“Оптический журнал”, 78, 11, 2011

0 200 , мкс 400 Рис. 3. Осциллограмма сигнала фотоприемника при регистрации датчиком № 5 излучения электрической искры.
(а)
(б) (в)
Рис. 4. Диаграммы направленности чувствительного элемента волоконного датчика искры. а – оптическая схема измерений, б – диаграмма направленности в горизонтальной плоскости (I), в  – диаграмма направленности в вертикальной плоскости (II).
63

1

UВых, отн. ед.

0,5
1

2

Рис. 5. Схематичное изображение датчика с двумя (1, 2) чувствительными элементами.

0 1 23 4567
РВх, мВт

шение, позволяющее определять расположение источника искрения. В  вертикальной плоскости диаграмма направленности составляет примерно 60° (рис. 4в).
Наличие узкой диаграммы направленности позволяет размещать на одной цилиндрической линзе два или более волокон с люминесцентным покрытием (рис.  5). Это позволяет регистрировать излучение, приходящее из р­ азных областей пространства разными во­ локнами, так как области фокусов в этом случае будут разнесены по периметру цилиндрической линзы. Благодаря этому появляется возможность разделять сигналы от источников искрения, разнесенных в пространстве.
На рис.  6 показана зависимость сигнала фотоприемника от мощности падающего на датчик излучения. Измерения проводили в линейной области чувствительности фото­ диода. Из рисунка видно, что характеристика датчика линейна. Это позволяет использовать его не только для регистрации искрения, но и для измерения интенсивности коротковолнового излучения при соответствующей ка­ либровке.

Рис. 6. Зависимость сигнала фотоприемника от мощности падающего на чувствительный элемент излучения (λ = 530 нм).
Заключение
Представленные результаты показывают, что предложенная конструкция датчика искрения позволяет повысить чувствительность регистрации, уменьшить габариты и реализовать узкую диаграмму направленности. Это достигается за счет спектрального преобразования коротковолнового излучения искры люминесцентным красителем, эффективного преобразования излучения красителя в волноводные моды и применения цилиндрической линзы. Полученные результаты могут быть использованы при разработке волоконных сенсорных систем для энергетических и высоковольтных установок, электрических станций и для устройств предотвращения техногенных катастроф.
Работа выполнена при поддержке гранта для аспирантов, докторантов и молодых ученых “КЭОП-43”.

* * * * *

Литература
1. Современные средства релейной защиты и противоаварийной автоматики // Каталог спецэкспозиции. М.: Союзтехэнерго, 1989. 15 с.
2. Никитаев О.В., Селиванин А.У. Применение дуговых защит в комплексных распределительных устройствах сельскохозяйственных подстанций. Эксплуатация устройств сельскохозяйственного электроснабжения // Сборник научных трудов. М., 1989. 44 с.
3. Казачков Ю.П. Устройство для отключения комплексных распределительных устройств  // Патент РФ № 2096887. 1997.

64 “Оптический журнал”, 78, 11, 2011

4. Казачков Ю.П. Волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги  // Патент РФ №  2237332. 2004.
5. Казачков Ю.П. Боковой захват оптического излучения волоконным световодом  // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34. В. 20. C. 73–76.
6. Казачков Ю.П. Волоконно-оптический распределенный позиционно чувствительный датчик электрической дуги // Приборы и техника эксперимента. 2009. № 2. С. 145–147.
7. Казачков Ю.П. Определение местоположения светящейся области внутри волоконно-оптического жгута // Оптический журнал. 1999. Т. 66. № 3. C. 107–108.
8. Зайдель А.Н., Прокофьев В.К., Райский С.М., Шрейдер Е.Я. Таблицы спектральных линий. М.: Физматлит, 1962. 607 с.
9. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи. М.: Техносфера, 2004. 496 с.
10. Soler B.J., Hall D.G. Scattering enhancement from an array of interacting dipoles near a planar waveguide // JOSA. B. 2002. V. 19. № 10. P. 2437–2448.
11. Копылов С.М., Лысой Б.Г., Серегин С.Л., Чередниченко О.Б. Перестраиваемые лазеры на красителях и их применение. М.: Радио и связь, 1991. 240 с.

“Оптический журнал”, 78, 11, 2011

65