• بازدید : 29 views
  • بدون نظر
این فایل قابل ویرایش می باشد وبه صورت زیر تهیه شده وشامل موارد زیر است:

اندازه گيري ولتاژ يك سيستم قدرت داراي اهميت بالايي است . دانستن مقدار ولتاژ براي محاسبه مقدار توان سيستم ، حفاظت و موارد ديگر لازم است . در حال حاضر در شبكه هاي قدرت اندازه گيري ولتاژ توسط ترانسفورماتور ولتاژ القايي يا خازني صورت مي گيرد . در چند سال اخير ترانسفور ماتورهاي ولتاژ نوري در موارد زيادي جايگزين ترانسفور ماتورهاي معمولي شده است .
براي اندازه گيري ولتاژ به كمك المانهاي نوري ، مي توان  از دو اثر كر و پاكلز بهره برد . همانطور كه مشاهده شد اثر كر با مجذور ميدان الكتريكي و اثر پاكلز با توان  اول ميدان رابطه دارد . اين تفاوت باعث شده كه در ساخت ترانسفورماتور ولتاژ نوري بيشتر از اثر پاكلز استفاده شود . در ادامه هر دو اين اثرها را به طور كاملتر بررسي كرده و مشخصات ترانسفور ماتور ولتاژي كه بر اساس هر يك از اين اثرها ساخته مي شود بدست آورده و با يكديگر مقايسه مي شوند . همچنين مشخصات و كارايي اين ترانسفور ماتورها بيان مي شود . ( در اينجا از OPT به جاي ترانسفور ماتور ولتاژ نوري استفاده مي شود ) .
OPT براساس اثر كر
مطابق اثر كر، اگر يك  پرتو نور خطي به ماده اي كه اثر كر دارد و در يك ميدان الكتريكي قرار گرفته است بتابد ، تاخير فاز بين پرتو ورودي و خروجي ايجاد مي شود كه برابر است با : 
             ( 6-1 )                                                           
    كه در اين رابطه ،   ولتاژ اعمال شده ،  فاصله بين دو الكترود توليد كننده ميدان ،  طول مسير نور در ماده كر و   ضريب كر است . در مودر اثر كر ، ميدان الكتريكي بايد بر جهت انتشار عمود باشد . حال اگر بتوان به طريقي مقدار را اندازه گرفت ، در آن صورت ولتاژ اعمال شده به ماده كر مشخص مي شود . براي بدست آوردن  سيستم مدولاسيون شدت نور انتخاب مي گردد . براي بدست آوردن رابطه تئوري بين شت نور خروجي از سيستم كر و زاويه   ، روش مولر بكار گرفته مي شود . سيستم كري كه در اينجا استفاده مي شود متشكل از دو قطبشگر و يك سلول كر ( ماده اي كه از خود اثر كر نشان مي دهد ) است . اگر زاويه محور قطبشگر اول نسبت به جهت انتشار نورº ۱۳۵ و زاويه قطبشگر دوم يا آناليز كنندهº ۴۵باشد (اختلاف زاويه بين محورانتقالشانْ۹۰ مي شود) بردار‌‌‌‌‌‌‌‌‌  پرتو نور خروجي با توجه به محاسبات ماتريسي مولر كه در ضميمه توضيح داده شده است برابر است با : 
                      ( 6-2 )                                                 
كه   برابر نور غير پلاريزه ورودي است كه همراه باماتريسهاي قطبشگر و كر در ضميمه دو معرفي شده اند . با انجام محاسبات رابطه ۶-۲ بردار نور خروجي از سيستم كر برابر است با :
                      ( 6-3 )                                                          
بنابراين شدت نور خروجي از قطبشگر دوم برابر مي شود با : 
             ( 6-4 )                                                                 
 كه  شدت نور ورودي يا ماكزيمم شدت نور است . اگر  را از معادله ۶-۱ در معادله ۶-۴ جايگذاري كنيم داريم : 
             ( 6-5 )                                                          
اين معادله را مي توان به صورت زير هم نوشت : 
                      ( 6-6 )                                                        
كه :        ( 6-7 )                                                         
 ضريب سلول كر ناميده مي شود كه به ضريب كر و ابعاد هندسي سلول بستگي دارد . با توجه به رابطه ( ۶-۷ ) ، مشاهده مي شود كه شدت نور خروجي با ولتاژ رابطه غير خطي دارد .  در شكل ۶-۱ الف رابطه بر حسب ولتاژ براي يك سلول كر كه از ماده نيتروبنزن با طولmm30 و پهناي mm10 ساخته شده است  ، نشان داده شده است . از اين شكل هم غير خطي بودن خروجي نسبت به ولتاژ اعمال شده كاملاً مشخص است . به علاوه چون ثابت كر نيتروبنزن خيلي كوچك است ( به طور كلي ثابت كر اكثر مواد خيلي كوچك است ) ، در ولتاژهاي پايين شدت نور خروجي درحد صفر است . بنابراين استفاده اثر كر براي ساخت  OPTچندان مناسب نيست .
اگر در آرايش سيستم كر اصلاحاتي صورت گيرد و يك تيغه ربع موج در يك طرف سلول كر با زاويه هاي ۹۰ درجه قرار داده شود ، شدت نور خروجي با  رابطه اي تقريباً خطي پيدا مي كند كه به صورت زير است :
             ( 6-8 )                                                    
اما باز هم شدت نور با ولتاژ رابطه غير خطي دارد . در شكل ۶-۱ ب ، رابطه در سيستم اصلاح شده برحسب ولتاژ رسم شده است . از  شكل مشخص مي شود كه  سيستم كر كاملاً غير خطي است و حتي در ولتاژ هاي كم ، توان خروجي از سيستم ، حالت تناوبي به خود مي گيرد كه در اينصورت تشخيص كار سختي است . 

۶-۲-OPT  بر اساس اثر پاكلز
همانطور كه ديده شده اثر كر با ولتاژ رابطه غير خطي دارد و نيز ثابت كر اكثر مواد خيلي كوچك است كه باعث مي شود در ولتاژهاي كم دقت OPT افت كند و با توجه به اين مشكلات استفاده از اثر پاكلز مناسب است زيرا اين اثر با توان اول ولتاژ رابطه دارد . در حال حاضر ، اكثر OPTها بر اساس اثر پاكلز طراحي مي شوند . در ادامه اين بخش ، اين نوعOPT به طور كامل بررسي مي شود .

۶-۲- ۱- اصول كار OPT
اساس كار تقريبا تماميOPT هاي موجود بر اثر پاكلز بنا نهاده شده است كه در فصل ۵ به طور كامل توضيح داده شد . در اينجا براي يادآوري به طور خلاصه اين اثر شرح داده مي شود . مطابق اثر پاكلز ، اگر يك ماده در ميدان الكتريكي قرار بگيرد پديده دو شكستي در آن ظاهر مي شود . در اثر ايجاد پديده دو شكستي ، نور ورودي به دو پرتو نور خطي عمود بر هم تبديل مي شود كه داراي سرعتهاي متفاوت هستند . بدليل اختلاف سرعت بين دو پرتو خروجي ، اختلاف فاز بين آنها بوجود مي آيد كه مطابق رابطه زير با ميدان الكتريكي و در نتيجه ولتاژ رابطه مستقيم دارد :
             ( 6-9 )                                                       
كه   ضريب شكست ماده ،   ثابت پاكلز ،  طول موج نور و  ولتاژ توليد كننده ميدان الكتريكي و   ولتاژ نيم موج است . در اينجا فرض شده است كه ميدان توسط دو الكترود تخت ايجاد مي شود و ميدان در راستاي مسير انتشار نور است . اگر ميدان در راستاي مسير نور نباشد مقدار  به طول سلول وابسته مي شود . حال اگر بتوان اين اختلاف فاز ايجاد شده را به طريقي اندازه گرفت ولتاژ اعمال شده به الكترودها براحتي محاسبه مي شود . براي انجام اين كار مي توان از سيستم مدولاسيون شدت نور بهره برد .

۶-۲-۲- سيستم مدولاسيون شدت نور در OPT
            يكي از روشهاي متداول براي بدست آوردن اختلاف فاز ايجاد شده توسط اثر پاكلز استفاده از سيستم مدولاسيون شدت نور است . اين سيستم شدت نور خروجي از سلول پاكلز را به اختلاف فاز ايجاد شده ربط ميدهد و سپس با پردازش شدت نور خروجي از سيستم ، ولتاژ معين مي شود . در شكل ۶-۲ آرايش يكOPT  كه بر اساس سيستم مدولاسيون شدت نور عمل مي كند ، نشان داده شده است . قطبشگر اول نور ورودي را به نور خطي تبديل مي كند و سپس وارد سلول پاكلز مي شود و پس از خروج از آن وارد قطبشگر دوم شده تا تغييرات ايجاد شده در آن نمايان شود . اگر زاويه قطبشگر اول ۴۵ درجه و زاويه قطبشگر دوم ۱۳۵ درجه باشد از روش مولر داريم :
                      ( 6-10 )                                                   

كه  ماتريس معرف اثر پاكلز ا ست ، كه در ضميمه بررسي شده است . با انجام محاسبات اين رابطه ، شدت نور خروجي برابر مي شود با :
                      ( 6-11 )                                                           
با جايگذاري  در اين معادله داريم : 
                      ( 6-12 )                              
اگر چه زاويه پاكلز با توان اول ميدان رابطه دارد ، ولي شدت  نور خروجي از اين سيستم مدولاسيون شدت نور ، رابطه اي خطي با ولتاژ ندارد به همين دليل در اين سيستم تغييري داده شده است كه باعث مي شود شدت نور با ولتاژ رابطه خطي برقرار كند . اين تغيير عبارت است از اضافه كردن يك تيغه ربع موج قبل يا بعد از سلول پاكلز . آرايش يك سيستم اصلاح شده كه در آن تيغه ربع موج قبل از سلول پاكلز قرار گرفته است ، در شكل ۶-۳ رسم شده است . تيغه ربع موج ، نور خطي ورودي به آن را به نور دايره اي تبديل مي كند . اين نور پس از خروج از تيغه ربع موج ، وارد سلول پاكلز مي شود و به صورت نور بيضوي در مي آيد . ميزان بيضوي شدن نور دايره اي رابطه مستقيمي با ولتاژ دارد . براي اين آرايش بردار نور خروجي از رابطه زيربدست مي آيد : 
                      ( 6-13 )                                        
كه  ماتريس تيغه ربع موج است كه در ضميمه معرفي شده است . در اين آرايش زاويه محور تيغه صفحه ربع موج با مسير نور ْ۹۰ است . شدت نور خروجي از سيستم اصلاح شده برابر است با :
             ( 6-14 )               
سيستم اصلاح شده پاكلز 
    در آرايش اصلاح شده دوم ، تيغه ربع موج بعد از سلول پاكلز قرار داده مي شود . زاويه هاي محور تيغه ربع موج و قطبشگرها مانند آرايش اول است . در اين مورد نور خروجي از سلول پاكلز وارد تيغه مي شود و اختلاف فاز ايجاد شده توسط اثر پاكلز به اندازه  افزايش مي يابد . بردار نور خروجي از رابطه زير بدست مي آيد :
                      ( 6-15 )                                        
با انجام محاسبات اين رابطه ، براي شدت نور خروجي از قطبشگر دوم همان رابطه ۶-۱۴  دست مي آيد كه نشان مي دهد اين دو آرايش از لحاظ شدت نور خروجي با هم يكسان هستند بنابراين مشاهده مي شود كه با تغيير آرايش سيستم پاكلز ، شدت نور خروجي رابطه اي خطي با ولتاژ پيدا مي كند .(رابطه ۶-۱۴)

۶-۲-۳- مدار پردازش سيگنال در OPT 
شدت نور خروجي از سيستم پاكلز در قسمت  قبل بدست آمد ، اين سيگنال سپس وارد قسمت آشكار ساز نوري مي شود و به سيگنال الكتريكي تبديل مي شود . حال بايد با پردازش اين سيگنال مقدار  را بدست آورد . در اينجا فقط نتايج روشهاي پردازش اين سيگنال براي ترانسفور ماتور ولتاژ  بيان خواهد شد .
براي OPT هاي اثر كر، ولتاژ خروجي مدار پردازش سيگنال براي آرايش اصلاح نشده آن برابر است با :
             ( 6-16 )                                                                   
و براي آرايش اصلاح شده برابر مي شود با :
             ( 6-17 )                                                                   
همچنين براي OPT هاي اثر پاكلز همين رابطه ها صادق است و فقط بايد   با  جايگزين شود .

۶-۲-۴- مواد سازنده سلول پاكلز
بلور هاي زيادي وجود دارند كه اثر الكترو نوري پاكلز از خود نشان مي دهند كه ميان آنها مي توان از ،  ، ،   و  نام برد . از ميان اين مواد ، بيشتر از   و  براي ساخت سلول پاكلز استفاده مي شود . در اين ميان ،  بدلايل زير بر مواد ديگر ارجحيت دارد : 
۱ـ در مقايسه با   و   ، وابستگي حرارتي اثر پاكلز در  كوچك است .
۲ـ چون  هيچ توان گردان نوري ندارد ، مي توان ضخامت سلول را زياد گرفت تا تحمل عايقي آن زياد شود .  
۳ـ ثابت دي الكتريك   حدود ۱۶ است و مقاومت ويژه آن هم حدود  15 10است . بنابراين ، با توجه به كوچك بودن ثابت دي الكتريك  و بزرگ بودن مقاومت ويژه   ، توزيع ولتاژ اعمال شده بندرت توسط سنسور آشفته مي شود .
بعد از  ،  استفاده از  رايج تر است . يكي از تفاوتهاي  نسبت به  داشتن توان گردان نوري است كه رابط اختلاف فاز ايجاد شده توسط سلول پاكلز را پيچيده تر مي كند .  در صورت استفاده از اين ماده در سلول پاكلز هر دو پديده دو شكستي و چرخش صفحه پلاريزاسيون نور ورودي ، بطور همزمان اتفاق مي افتد .
قبلاً در بخش (۵-۲) حالت ايجاد همزمان پديده دو شكستي و چرخشي فارادي شد و در معادله (۵-۱۶) رابطه مربوط  به اين حالت آورده شد . چون چرخش فارادي شباهت زيادي به توان گردان نوري دارد مي توان از همان رابطه (۵-۱۶) در اين مورد خاص هم استفاه كرد . بنابراين اگرسلول پاكلز از  ساخته شده باشد و از اين سلول در سيستم مدولاسيون شدت نور با آرايش اصلاح شده استفاده شود ، شدت نور خروجي از سنسور با رابطه هاي زير بيان مي شود : 
             ( 6-18 )                                                             
             ( 6-19 )                                                             
             ( 6-20 )                                                          
             ( 6-21 )                                         
 ولتاژ نيم موج است كه برابر با ۶۸۰۰ ولت است و   توان گردان نوري و  عرض سلول پاكلز است . در ضمن به  ضريب مدولاسيون گفته مي شود كه اين اصطلاح در مورد ساير OPT ها هم بكار برده مي شود .

۶-۳- مشخصات OPT
براي پي بردن به كارآيي ترانسفور ماتور ولتاژ نوري ، بايد مشخصات و نحوه كار آنها مشخص باشد . از جمله اين مشخصات مشخصه خروجي و حرارتي آنهاست كه نقش مهمي در كار آيي آنها دارند . در اين بخش ، مشخصات خروجي OPT هاي اثر كر و پاكلز بررسي و با هم مقايسه مي شوند . همچنين تاثير حرارت را روي اثر پاكلز مشاهده كرده و راههايي براي كاهش تاثير حرارت در بعضي موارد خاص ارايه مي شود .

عتیقه زیرخاکی گنج