Sensor de fibras ópticas de efecto Faraday.

Un dispositivo (10) de medición de la corriente eléctrica que comprende:

un alojamiento (12) que define un primer extremo abierto (14) y un segundo extremo abierto (16) frente adicho primer extremo abierto (14),

un primer medio (18) de obturación dotado de una abertura, teniendo dicho primer medio (18) de obturaciónuna configuración geométrica global correspondiente a la configuración geométrica global de dicho primerextremo abierto (14) de dicho alojamiento (12), comprendiendo además dicho primer medio (18) deobturación una abertura adaptada para recibir una primera fibra óptica (20),

un primer medio (22) de fijación para fijar dicha primera fibra óptica (20),

una primera lente óptica (24), estando montada dicha primera lente óptica (24) en dicho alojamiento (12),un primer filtro (26) de polarización montado en dicho alojamiento (12) en continuidad óptica con dichaprimera lenta óptica (24),

una barra (28) de vidrio recibida y encapsulada dentro de dicho alojamiento (12) en continuidad óptica condicho primer filtro (26) de polarización, estando construida dicha barra (28) de vidrio de un material dotadode propiedades magneto-ópticas,

un segundo filtro (30) de polarización montado en dicho alojamiento (12) en continuidad óptica con dichabarra de vidrio,

una segunda lente óptica (32) montada en dicho alojamiento (12) en continuidad óptica con dicho segundofiltro (30) de polarización,

un segundo medio (34) de fijación para fijar una segunda fibra óptica (38),

un segundo medio (36) de obturación para obturar dicho segundo extremo de dicho alojamiento (12),teniendo dicho segundo medio (36) de obturación una abertura para recibir una segunda fibra óptica (38),estando montado dicho segundo medio (36) de obturación en dicho segundo extremo de dicho alojamiento(12),

caracterizado porque

dicha primera lente óptica tiene una primera sección de recepción adaptada para recibir dicho primer medio(22) de fijación para montar dicha primera fibra óptica (20) en continuidad óptica con dicha primera lenteóptica (24), teniendo dicha segunda lente óptica (32) una segunda sección de recepción adaptada pararecibir dicho segundo medio (34) de fijación, estando recibido dicho segundo medio (34) de fijación en dichasegunda lente óptica (32) y comprendiendo, además,

unas tapas primera y segunda (40, 42) adaptadas para su fijación en dichos extremos primero y segundo,respectivamente, de dicho alojamiento (12), incluyendo dichas tapas primera y segunda una abertura pararecibir dichas fibras ópticas primera y segunda (38), respectivamente, estando encajadas sobre elalojamiento (12) dichas tapas primera y segunda (40, 42) y estando encajados en dichas secciones derecepción primera y segunda dichos medios de fijación primero y segundo, respectivamente, y teniendocada una de dichas tapas un fondo redondo y corto, de modo que, cuando esté montada en el alojamientodel sensor con el obturador, apriete el obturador en torno a la fibra y cierre el sensor (10) para que estéprotegido de la suciedad y otros contaminantes.

Sensor de fibras ópticas de efecto Faraday

La presente invención versa acerca de un sensor óptico Faraday de corriente con detección polarimétrica.

La industria eléctrica tiene necesidad de estaciones transformadoras de monitorización para subidas de tensión y para la medición de grandes impulsos de corriente. Con estos fines un sensor de corriente de efecto Faraday tiene varias ventajas. Un sensor de corriente de efecto Faraday puede ser construido con materiales dieléctricos, lo cual es de gran importancia cuando se mide con corrientes elevadas en presencia de interferencia electromagnética sustancial. Los sensores de corriente de efecto Faraday pueden emplear una bobina de una fibra óptica o varias fibras ópticas formadas de un material que muestra el efecto Faraday en respuesta a un campo magnético generado por una corriente eléctrica. Varias publicaciones de patentes de la técnica anterior describen sensores ópticos Faraday de corriente, tal como las publicaciones estadounidenses US 4.894.608, US 5.051.577, US 5.486.754, US 5.811.964, US 6.043.648, la totalidad de las cuales se incorpora en la presente memoria por referencia.

La técnica anterior incluye también el documento JP 10 123226, que da a conocer un fotosensor de campo magnético. El sensor está incluido en una montura tubular. La montura tubular incluye fibras ópticas, material de relleno, un anillo, lentes y un polarizador.

Técnica anterior aún incluye el documento US 6.349.165, que da a conocer un procedimiento y un aparato para en envasado cilíndrico de rejillas de fibras. El envase cilíndrico está cerrado herméticamente por tapones extremos.

El documento US 5.486.754 da a conocer un sistema de medición de la corriente eléctrica que incluye unos canales de medición primero y segundo.

En un sensor de corriente de efecto Faraday, el plano de polarización de una luz incidente polarizada experimenta una rotación que es función del campo magnético creado por la corriente eléctrica que ha de medirse.

Puede determinarse la corriente que ha de ser medida determinando el ángulo de rotación del plano de polarización de la luz a la salida del sensor óptico. Cuando la luz atraviesa una barra de vidrio, la luz experimenta una rotación. Puede describirse el ángulo de rotación mediante la fórmula:

!VBd

∀##

en la que β es el ángulo de rotación, d es la longitud del elemento sensor, V la constante de material de la barra de vidrio denominada constante de Verdet y B es el campo magnético, descrito como un vector. La constante de Verdet depende tanto de la temperatura como de la longitud de onda. La barra de vidrio se fabrica, por ejemplo, de SF6™.

En un sensor de corriente de efecto Faraday, una fuente lumínica genera luz a la que se hace atravesar un filtro de polarización o que es polarizada de otra forma ante de que atraviese el material sensible magneto-óptico. La luz incidente polarizada experimenta una rotación que es función del campo magnético creado por la corriente eléctrica que ha de medirse. Puede determinarse la corriente que ha de ser medida midiendo el ángulo de rotación del plano de polarización de la luz a la salida del sensor óptico Faraday de corriente.

El sensor de fibras ópticas de corriente que incluye la fuente lumínica y el detector es sensible, entre otras cosas, al ruido óptico en el circuito de detección, al ruido eléctrico en la fuente lumínica, a interferencia de campos magnéticos procedentes de inductores y sistemas cercanos, al montaje y la instalación del sensor, a la forma y el diámetro del conducto, a las tolerancias de producción del sensor, al efecto de la temperatura en la constante de Verdet, al efecto de la temperatura sobre la fuente lumínica y el detector, a la degradación de la fuente lumínica y del detector en la vida útil del producto.

La determinación de la corriente que ha de medirse está sujeta a varias fuentes de error. Cualquier sistema basado en la óptica o en circuitos eléctricos es sensible al ruido y a otras degradaciones de señales, tales como el ruido óptico o la interferencia de fuentes electromagnéticas. Un sistema que comprenda una fuente lumínica, una unidad fotodetectora y un conducto óptico tal como una fibra óptica puede sufrir pérdida de sensibilidad debido a la atenuación óptica causada por defectos en el material usado para formar un conducto o un dispositivo ópticos, tales como lentes o fibras ópticas. Las fuentes lumínicas y la circuitería fotodetectora pueden estar expuestas al ruido eléctrico o a interferencia de campos magnéticos procedentes de inductores o sistemas cercanos o, alternativamente, a ruido causado por fluctuaciones en la alimentación eléctrica. También las condiciones ambientales como la temperatura pueden tener un efecto en propiedades del material, tales como la constante de Verdet, y también un efecto en el ruido generado en la fuente lumínica y en la circuitería fotodetectora. Además, todos los componentes eléctricos y las fuentes lumínicas y los elementos fotodetectores sufren degradación con el tiempo. Todos los factores mencionados en lo que antecede contribuyen a una precisión reducida de las mediciones llevadas a cabo por el sistema.

Se contempla que una calibración previa al inicio de las mediciones y a la monitorización de una estación transformadora usando un sensor óptico Faraday de corriente dé una determinación más precisa de la corriente en el conductor eléctrico. Además, una medición precisa depende de contar con una fuente lumínica estable que produzca una cantidad constante de luz o, alternativamente, de la determinación del cambio de la intensidad de la luz procedente de la fuente lumínica, así como los cambios de la intensidad lumínica causados por variaciones de la temperatura.

Un sistema para monitorizar una estación transformadora puede estar dotado de una unidad de recogida de datos y de transmisión de datos para transmitir los datos recogidos a uno o más ordenadores que monitorizan varias estaciones transformadoras. Estas unidades de comunicaciones pueden estar constituidas por conexiones inalámbricas o conexiones fijas tales como redes POTS/PSTN. La comunicación desde el sistema de medición montado en las estaciones transformadoras individuales hasta un ordenador central puede incluir información sobre cargas medias, picos de corriente, corriente real para líneas de corriente de alta tensión, dirección de la energía, corrientes máximas, tensiones reales, temperatura ambiente y sellos de tiempo para toda la información mencionada en lo que antecede. Además, el sistema de medición puede incluir una función de alerta para alertar a un operario de una empresa de suministro de energía sobre situaciones en las que la corriente pico esté por encima de un umbral máximo dado o, alternativamente, por debajo de un umbral mínimo, una situación en la que la tensión esté por encima de un umbral máximo o, alternativamente, por debajo de un umbral mínimo u otra información, tal como que las temperaturas ambiente estén fuera de intervalo, todo lo cual indica algún fallo o alguna avería en la estación transformadora.

La unidad de comunicaciones proporciona además la oportunidad de llevar a cabo una configuración remota del sistema, dando a un operario de la posibilidad de configurar el sistema, por ejemplo definiendo niveles para las corrientes pico, niveles de tensión de desactivación, valores de tiempo de espera y opciones de alerta.

El sistema esbozado en lo que antecede también puede ser empleado en industrias tales como molinos de viento o en centrales eléctricas tales como centrales alimentadas por carbón o nucleares, y no está limitado a aplicaciones en estaciones transformadoras.

Puede llevarse a cabo la calibración para eliminar degradaciones de señal, por ejemplo causadas por componentes gastados o dañados, y también puede compensar la interferencia de otras fuentes emisoras de campos magnéticos, tales como otros cables eléctricos.

Cuando el sensor se coloca sobre un cable eléctrico específico de una pluralidad de cables conductores eléctricos, el sistema puede llevar a cabo una calibración para eliminar la influencia de la parte restante de la pluralidad de cables conductores eléctricos.

La calibración se lleva a cabo cuando se instala el sistema inicialmente, y es capaz después de compensar la degradación del dispositivo o de componentes.

La invención se define por la reivindicación independiente 1 de dispositivo y por la reivindicación independiente 10 de procedimiento.

Ahora se describe adicionalmente la presente invención con referencia a los dibujos, en los cuales la Fig. 1 es una vista esquemática... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo (10) de medición de la corriente eléctrica que comprende:

un alojamiento (12) que define un primer extremo abierto (14) y un segundo extremo abierto (16) frente a dicho primer extremo abierto (14) ,

un primer medio (18) de obturación dotado de una abertura, teniendo dicho primer medio (18) de obturación una configuración geométrica global correspondiente a la configuración geométrica global de dicho primer extremo abierto (14) de dicho alojamiento (12) , comprendiendo además dicho primer medio (18) de obturación una abertura adaptada para recibir una primera fibra óptica (20) , un primer medio (22) de fijación para fijar dicha primera fibra óptica (20) ,

una primera lente óptica (24) , estando montada dicha primera lente óptica (24) en dicho alojamiento (12) , un primer filtro (26) de polarización montado en dicho alojamiento (12) en continuidad óptica con dicha primera lenta óptica (24) , una barra (28) de vidrio recibida y encapsulada dentro de dicho alojamiento (12) en continuidad óptica con dicho primer filtro (26) de polarización, estando construida dicha barra (28) de vidrio de un material dotado de propiedades magneto-ópticas, un segundo filtro (30) de polarización montado en dicho alojamiento (12) en continuidad óptica con dicha barra de vidrio, una segunda lente óptica (32) montada en dicho alojamiento (12) en continuidad óptica con dicho segundo filtro (30) de polarización,

un segundo medio (34) de fijación para fijar una segunda fibra óptica (38) , un segundo medio (36) de obturación para obturar dicho segundo extremo de dicho alojamiento (12) , teniendo dicho segundo medio (36) de obturación una abertura para recibir una segunda fibra óptica (38) , estando montado dicho segundo medio (36) de obturación en dicho segundo extremo de dicho alojamiento (12) ,

caracterizado porque dicha primera lente óptica tiene una primera sección de recepción adaptada para recibir dicho primer medio (22) de fijación para montar dicha primera fibra óptica (20) en continuidad óptica con dicha primera lente óptica (24) , teniendo dicha segunda lente óptica (32) una segunda sección de recepción adaptada para recibir dicho segundo medio (34) de fijación, estando recibido dicho segundo medio (34) de fijación en dicha segunda lente óptica (32) y comprendiendo, además, unas tapas primera y segunda (40, 42) adaptadas para su fijación en dichos extremos primero y segundo, respectivamente, de dicho alojamiento (12) , incluyendo dichas tapas primera y segunda una abertura para recibir dichas fibras ópticas primera y segunda (38) , respectivamente, estando encajadas sobre el alojamiento (12) dichas tapas primera y segunda (40, 42) y estando encajados en dichas secciones de recepción primera y segunda dichos medios de fijación primero y segundo, respectivamente, y teniendo cada una de dichas tapas un fondo redondo y corto, de modo que, cuando esté montada en el alojamiento del sensor con el obturador, apriete el obturador en torno a la fibra y cierre el sensor (10) para que esté protegido de la suciedad y otros contaminantes.

2. Un dispositivo (10) de medición de la corriente eléctrica según la reivindicación 1 en el que:

dichos filtros (26, 30) de polarización primero y segundo están montados con una relación sustancialmente paralela, estando girados 45° los planos de polarización de dicho primer filtro (26) de polarización y dicho segundo filtro (30) de polarización, respectivamente.

3. Un dispositivo (10) de medición de la corriente eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones precedentes,

estando fabricado dicho alojamiento (12) de un material que no presente transparencia óptica en el intervalo de 45 al menos 400 nm a 1000 nm.

4. Un dispositivo (10) de medición de la corriente eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, estando fabricado dicho alojamiento (12) de PEEK.

5. Un dispositivo (10) de medición de la corriente eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, comprendiendo dicho dispositivo de medición de la corriente eléctrica, además:

un surco (46) en dicho alojamiento (12) , estando formado dicho surco en dicho alojamiento (12) y teniendo una anchura correspondiente a la longitud de dicha barra (28) de vidrio montada en dicho alojamiento (12) o, alternativamente, estando adaptado dicho surco para recibir un conductor eléctrico.

6. Un dispositivo (10) de medición de la corriente eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, comprendiendo dicho dispositivo de medición de la corriente eléctrica, además:

al menos un ala que se extiende desde dicho alojamiento (12) , permitiendo dicha ala que dicho alojamiento (12) esté montado sobre un conductor eléctrico oblongo.

7. Un sistema para medir una corriente de alta tensión en un conductor eléctrico, comprendiendo dicho sistema un dispositivo (10) de medición de la corriente eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, comprendiendo dicho sistema, además:

una fuente lumínica (46) , siendo dicha fuente lumínica (46) una fuente lumínica (46) a base de LED o,

alternativamente, una fuente lumínica (46) incandescente, un primer conducto óptico que es una primera fibra óptica (20) , conduciendo dicho primer conducto óptico luz emitida desde dicha fuente lumínica (46) , recibiendo dicho dispositivo (10) de medición de la corriente eléctrica dicha luz de dicho primer conducto óptico, un segundo conducto óptico que es dicha segunda fibra óptica (38) , recibiendo dicho segundo conducto óptico dicha luz emitida desde dicho dispositivo (10) de medición de la corriente eléctrica, un medio (54) de detección para detectar dicha luz emitida desde dicho segundo conducto óptico y convertir dicha luz recibida en una señal eléctrica, un medio (56) de procesamiento para procesar dicha señal eléctrica de dicho medio (54) de detección para determinar dicha corriente de alta tensión en dicho conductor eléctrico,

un sistema (60) de medición de corriente para llevar a cabo mediciones de calibración para dicho sistema, y un primer medio (106) de comunicaciones.

8. Un sistema para medir una corriente de alta tensión en conductores eléctricos según la reivindicación 7, comprendiendo dicho sistema, además:

un ordenador conectado a un segundo medio de comunicaciones, estando situado dicho ordenador en una ubicación central, e incluyendo dicho ordenador una interfaz para comunicar a un operario el estado de un sistema para medir una corriente de alta tensión en conductores eléctricos.

9. Un sistema para medir una corriente de alta tensión en conductores eléctricos según la reivindicación 7 en el que:

dichos medios de comunicaciones primero y segundo son una red de comunicaciones, tal como Internet, una red de área local, una red inalámbrica de área local, una red de área amplia, una red de área global o una red pública telefónica conmutada o, alternativamente, estando constituidos dichos medios de comunicaciones primero y segundo por una red inalámbrica fija.

10. Un procedimiento de medición de una corriente de alta tensión en conductores eléctricos, comprendiendo dicho 30 procedimiento:

proporcionar una fuente lumínica (46) , siendo dicha fuente lumínica (46) una fuente lumínica (46) a base de LED o, alternativamente, una fuente lumínica (46) incandescente, proporcionar un primer conducto óptico que es una primera fibra óptica (20) , conduciendo dicho primer conducto óptico luz emitida desde dicha fuente lumínica (46) ,

proporcionar un dispositivo óptico (10) de medición de la corriente eléctrica que comprende:

un alojamiento (12) que define un primer extremo abierto (14) y un segundo extremo abierto (16) frente a dicho primer extremo abierto (14) , un primer medio (18) de obturación dotado de una abertura, teniendo dicho primer medio (18) de obturación una configuración geométrica global correspondiente a la configuración geométrica global de dicho primer extremo abierto (14) de dicho alojamiento (12) , comprendiendo además dicho primer medio (18) de obturación una abertura adaptada para recibir una primera fibra óptica (20) , un primer medio (22) de fijación para fijar dicha primera fibra óptica (20) , una primera lente óptica (24) , que tiene una primera sección de recepción adaptada para recibir dicho primer medio (22) de fijación para montar dicha primera fibra óptica (20) en continuidad óptica con dicha

primera lente óptica (24) , estando montada dicha primera lente óptica (24) en dicho alojamiento (12) , un primer filtro (26) de polarización montado en dicho alojamiento (12) en continuidad óptica con dicha primera lenta óptica (24) , una barra (28) de vidrio recibida y encapsulada dentro de dicho alojamiento (12) en continuidad óptica con dicho primer filtro (26) de polarización, estando construida dicha barra (28) de vidrio de un material

dotado de propiedades magneto-ópticas, un segundo filtro (30) de polarización montado en dicho alojamiento (12) en continuidad óptica con dicha barra de vidrio, una segunda lente óptica (32) montada en dicho alojamiento (12) en continuidad óptica con dicho segundo filtro (30) de polarización, teniendo dicha segunda lente óptica (32) una segunda sección de 55 recepción adaptada para recibir un segundo medio (34) de fijación, un segundo medio (34) de fijación para fijar una segunda fibra óptica (38) , recibiéndose dicho segundo medio (34) de fijación en dicha segunda lente óptica (32) , un segundo medio (36) de obturación para obturar dicho segundo extremo de dicho alojamiento (12) , teniendo dicho segundo medio (36) de obturación una abertura para recibir una segunda fibra óptica (38) , estando montado dicho segundo medio (36) de obturación en dicho segundo extremo de dicho alojamiento (12) , y unas tapas primera y segunda (40, 42) adaptadas para su fijación en dichos extremos primero y segundo, respectivamente, de dicho alojamiento (12) , incluyendo dichas tapas primera y segunda una abertura para recibir dichas fibras ópticas primera y segunda (38) , respectivamente, estando encajadas sobre el alojamiento (12) dichas tapas primera y segunda (40, 42) y estando encajados en dichas secciones de recepción primera y segunda dichos medios de fijación primero y segundo, respectivamente, y teniendo cada una de dichas tapas un fondo redondo y corto, de modo que, cuando esté montada en el alojamiento del sensor con el obturador, apriete el obturador en torno a la fibra y

cierre el sensor (10) para que esté protegido de la suciedad y otros contaminantes, recibiendo dicho dispositivo óptico (10) de medición de la corriente eléctrica dicha luz de dicho primer conducto óptico, un segundo conducto óptico que es dicha segunda fibra óptica (38) , recibiendo dicho segundo conducto óptico dicha luz emitida desde dicho dispositivo (10) de medición de la corriente eléctrica,

proporcionar un medio (54) de detección para detectar dicha luz emitida desde dicho segundo conducto óptico y convertir dicha luz recibida en una señal eléctrica, proporcionar un medio (56) de procesamiento para procesar dicha señal eléctrica de dicho medio (54) de detección, proporcionar un sistema de medición de corriente para llevar a cabo mediciones de calibración para dicho sistema, y proporcionar un primer medio de comunicaciones.

11. Un procedimiento según la reivindicación 10, comprendiendo dicho procedimiento, además:

proporcionar un ordenador conectado a un segundo medio de comunicaciones, estando situado dicho ordenador en una ubicación central, e 25 incluyendo dicho ordenador una interfaz para comunicar a un operario el estado de un sistema para medir una corriente de alta tensión en conductores eléctricos.

12. Un procedimiento según la reivindicación 11 en el que:

dichos medios de comunicaciones primero y segundo son una red de comunicaciones, tal como Internet, una red de área local, una red inalámbrica de área local, una red de área amplia, una red de área global o 30 una red pública telefónica conmutada o, alternativamente, estando constituidos dichos medios de comunicaciones primero y segundo por una red inalámbrica fija.

13. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 10-12, comprendiendo además dicho procedimiento las etapas de:

insertar dichas fibras ópticas primera y segunda (38) a través de dichos obturadores primero y segundo en dichas fijaciones de las fibras primera y segunda, y fijar dichas fibras ópticas primera y segunda (38) a dicho alojamiento (12) por medio de dichas tapas primera y segunda (40, 42) , respectivamente.