JPH0693006B2 - 磁気光学変流器装置 - Google Patents

磁気光学変流器装置

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JPH0693006B2
JPH0693006B2 JP62124111A JP12411187A JPH0693006B2 JP H0693006 B2 JPH0693006 B2 JP H0693006B2 JP 62124111 A JP62124111 A JP 62124111A JP 12411187 A JP12411187 A JP 12411187A JP H0693006 B2 JPH0693006 B2 JP H0693006B2
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    • G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/245—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G01R15/246—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect based on the Faraday, i.e. linear magneto-optic, effect

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 この発明は、電流を感知するための磁気光学変流器装置
に関し、特に、光学要素の特性変化に起因するドリフト
を補償した直流電流を測定するための磁気光学変流器装
置に関するものである。
従来技術 磁気光学変流器は、大電流を測定するためのセンサとし
ての一般的な使用が知られている。かかる装置におい
て、偏光は、磁気−光学物質で作られたセンサを通さ
れ、そこでファラデー効果として知られた現象に従って
測定されている電流に応答して、偏波面が小さい角度を
通して回転される。センサと導体との相対的位置付けが
臨界的でないよう、電流を運ぶ導体をセンサが取り囲む
のが好ましい。光ビームは、センサを通された後、分析
されて、偏波面の回転角度、従って電流の大きさを決定
する。
多くの電流センサにおいて、光検子は出てきた偏光を一
方は注入された光の偏波面から＋45度回転され、他方は
−45度回転された２つの直角の成分に分ける。これらの
２つの光成分は、光検出器によって電気信号に変換さ
れ、該電気信号は“a"及び“b"で象徴的に識別される信
号を生成するための別々のチャンネルで増幅される。光
ビームの偏波面の回転量は、電流の大きさに比例する出
力（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）を電気的に発生する電子モジ
ュールにおいて決定される。この出力は、光源の強さに
おける変化、及び光検子までの光要素の減衰における変
化とは無関係である。しかしながら、検光子を通して電
子モジュールまでの並列な信号チャンネルの相対的な有
効利得における変化があれば、測定電流におけるかなり
大きい誤差を生じ得る。周期的に電流をオフにして、信
号チャンネルの一方の利得を調節し電子モジュールの出
力をゼロであるようにすることが可能であるだろうけれ
ども、このような処置は、高電圧送電系統における電流
を監視する場合のようなこれらセンサのほとんどの応用
において実際的ではない。
直流電流信号のドリフトのない測定値を提供するため
に、偏光源の２の直角成分及び電流に起因する回転を表
す４つの量を決定するよう充分な情報を発生することが
必要である。本件出願人によって1985年、３月29日に出
願された「磁気−光学電流センサのためのドリフト補償
技術」という題名の米国出願シリアル番号、第717、989
号明細書においては、必要な情報は、センサを通る２つ
の異なった波長の光を選択的にセンサに通し、かつ出て
きた光ビームの各々の２つの直角成分から発生された電
気信号を別々のチャンネルで処理することによって発生
される。磁気−光学センサのヴェルデット定数（Verdet
constant）は波長の関数であるので、２つの処理チャ
ンネルの利得はE1V2＝E2V1を維持するように調節され、
ここにV1及びV2は、ヴェルデット定数であり、そしてE1
及びE2はそれぞれ２つの波長における量（ａ−ｂ）／
（ａ＋ｂ）である。
米国特許第４、243、936号明細書は、電気的に制御され
る変調器が、磁気−光学素子を通る光を、直角の２つの
方向に偏光するようにした磁気−光学変流器を開示して
いる。１つの出力チャンネルにおける光検出器は出てき
た交互の偏光ビーム電気信号に変換し、該電気信号は電
流に起因する交互の偏光ビームの回転を表す信号を発生
するように復調される。しかしながら、このような装置
は２つの偏波面における、変調器の特性の差に起因する
ドリフトの影響を除去するために充分な情報を提供しな
い。この装置はまた、電気的インタフェースを有する変
調器が磁気−光学センサに極めて接近して配置されると
いうことを要求し、このことは、かかる検出器の実際的
な応用において不利益である。
米国特許第３、743、929号明細書は、送電線における電
流を測定するための磁気−光学装置を開示しており、そ
れにおいては、互いに対してある角度で設定された偏光
軸を有した２つの偏光子間に磁気−光学素子を含んだ光
通路を通して、２つの光ビームが反対方向へ通される。
唯１つの光源からの光は、光ファイバを通して２つの入
力ビームを提供し、そして光ファイバはまた、出てきた
ビームを別々の光検出器に導き、電流に比例する出力信
号を発生するよう減ぜられる電気信号に変換する。しか
しながら、移動及び振動に対して非常に敏感である光フ
ァイバの減衰特性における変化、及び光検出器の感度に
おける変化に対して適応させるための対策は為されてい
ない。
発明の概要 この発明によれば、２つの直角に偏光された入力光ビー
ムは、ファラデー回転装置として動作する磁気−光学セ
ンサを選択的に通され、直流及び交流電流の大きさの関
数として入力光ビームの偏波面を回転させる。検光子
は、出てきた光ビームを２つの直角に偏光された出力光
ビームに分ける。検光子は、これらの出力の一方の偏光
軸が第１の入力光ビームの偏波面に対しては＋45度の角
度にあり、第２の入力光ビームの偏波面に対しては、−
45度であるように配向され、他方、第２の出力光ビーム
の偏光軸は、第１及び第２の入力光ビームの偏波面に対
してそれぞれ、−45度及び＋45度に配向される。２つの
出力光ビームは、それぞれ“a"チャンネル及び“b"チャ
ンネルにおいて光検出器によって電気信号に変換され、
第１の入力光ビームに応答してa1及びb1の電気信号を、
そして第２の入力光ビームに応答してa2及びb2の電気信
号を交互に発生する。これらの信号は、非多重化（demu
ltiplexed）され、かつ信号（ａ＋ｂ）１、（ａ−ｂ）
１、（ａ＋ｂ）２及び（ａ−ｂ）２を発生するために使
用される。チャンネル“a"及び“b"の相対的な利得は光
学要素におけるどんな減衰変化の影響をも除去するよう
に（ａ−b/a＋ｂ）１＋（ａ−b/a＋ｂ）２をゼロに等し
く保つように調節される。（ａ＋ｂ）１を（ａ＋ｂ）２
に等しく保ち、それ故、上述の計算における分母が一定
であるように２つの入力光ビーム相対的な強度を調節す
ることによって、変数による割り算の必要が除去され
る。測定された電流の大きさに比例する出力は、次に
（ａ−ｂ）１−（ａ−ｂ）２に等しい。
この発明は、光学要素の減衰における変化、及び光エミ
ッタと検出器の効率の影響がない、直流もしくは交流電
流の大きさに比例する信号を発生するための装置及び方
法の双方を包含する。
この発明は、添付図面と共に為される以下の説明から充
分に理解され得る。
好適な実施例の説明 第１図に示されるように、この発明は、測定されるべき
電流を運ぶ導体13にきわめて接近した、既知の磁気−光
学素子11を使用している。この磁気−光学素子11はファ
ラデー回転装置（a Faraday rotator）として働き、該
磁気−光学素子を通る光の偏波面を、瞬時電流の大きさ
の関数である小さい角を通して回転させる。好ましく
は、導体13の周囲に完全に偏光ビームを通す磁気−光学
素子は、導体に相対的な該磁気−光学素子の正確な位置
に測定が依存しないように使用される。まっすぐな棒の
ような他の物理的形状の磁気−光学素子が使用され得る
が、しかしながら、このような配列においては、素子及
び導体の相対的な位置の精密な取り付けが、正確な測定
に対して不可欠である。
長期間の安定性を必要とする適用における使用のための
精密な直流電流センサの構成において、どのようなドリ
フトをも自動的に補償することが必要である。本願装置
はこの目的を達成するために、光学的な２つの入力及び
２つの出力を使用する。２つの光学的入力は、直角にか
つ線形的に偏光される実質的に同じ波長の光ビームを交
互に発生する。この発明の好ましい形態において、２つ
の直角に偏光された光ビームは、２つのLED15及び17に
よって作り出される。LED15及び17からの光は、それぞ
れ光ファイバの光ガイド21及び23を経て偏光子（polari
zer）19へ通される。これらの光ガイドは、LEDを、セン
サの電子回路の他の部分と一緒に、測定場所から離れた
場所に配置するのを可能とし、このことは多くの適用に
おいて、非常に望ましいことである。光ファイバの光ガ
イドの減衰特性は、各光ファイバによってとられる通路
の形状に依存し、かつ振動もしくは他の移動のような状
態によっても影響される。しかしながら、本願発明のセ
ンサは、放射の影響と一緒にそのような影響を相殺す
る。従って本願装置は、原子炉におけるような高い放射
線レベルを受ける適用での計測機器に対して、特に適し
ている。光ファイバは、放射線の長期間の影響を受ける
電子回路が高い放射線領域の外側に置かれるのを可能と
し、さらに本願装置は、正確な測定に対して必要である
安定した、ドリフトのない応答を提供する。
光ガイド21及び23から出る発散光は、偏光子19へ通され
る前に視準もしくは平行レンズ（collimating lens）25
及び27によって平行の光に変換される。偏光子19は、光
ガイド23からのビームの偏波面が光ガイド21からのビー
ムの偏波面に対して90度回転されるようにして、２つの
入力光ビームを線形に偏光する。交互に発生された直角
に偏光された偏光子19からの入力光ビームは、磁気−光
学素子11を通され、そこでそれらは各々、導体13におけ
る電流の大きさに依存する角度を通して回転される。
磁気−光学素子11か交互に出る光ビームは、出力ビーム
の各々を２つの直角に偏光された成分に分ける検光子も
しくはアナライザ29へ通される。第２図に示されるよう
に、検光子29は、２つの出力ビームの偏光軸01及び0
2が、光ガイド21からの入力光ビームの偏光軸I1に対し
ては、＋45度及び−45度の角度にあり、そして光ガイド
23からの入力光ビームの偏光軸I2に対しては−45度及び
＋45度の角度であるように配向される。
平行レンズ31及び33は、検光子29から出る２つの出力光
ビームを、それぞれ“a"及び“b"出力チャンネル39及び
41の２つの光ファイバ光ガイド35及び37に集光する。そ
れぞれのチャンネル39及び41は平行レンズ31、33及び光
ガイド35、37に加うるに、出力光ビームを電気信号に変
換する光検出器43及び45を含んでおり、該光検出器43及
び45は、増幅器47及び49によって増幅され、かつ信号
“a"及び“b"を生成するために減衰器51及び53によって
互いに対して相対的にかつ選択的に減衰される。電気的
な出力信号“a"及び“b"は、入力光ビームの各々に対す
る検光子19の２つの光出力に比例する。唯１つの光ビー
ムに関して、もし２つの出力チャンネル39及び41の有効
利得が等しく、かつ導体13の回りに閉通路を形成する磁
気−光学素子11を仮定するならば、次のように表され得
る。
（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）＝sin 2θ＝sin（2VI）2VI ここに、Ｉは導体13を通る電流であり、θは電流Ｉの結
果として光ビームの偏波面が回転された小さい角度であ
り、そしてＶは磁気−光学素子11を形成する物質のヴェ
ルデット定数（Verdet constant）である。従って、も
しこの比を計算する電子モジュールが与えられたならば
その出力は電流に比例しており、そして唯１つの光源の
特性変化、及び検光子までの光結合の減衰変化には無関
係である。しかしながら、要素31、35、43、47及び51;
そして33、37、45、49及び53から成る２つのチャンネル
39及び41の有効利得における変化が、光学要素の減衰も
しくは検出器の特性における変化によって生じ得、この
どのような変化も電流測定において誤差を生ずるであろ
う。２つのチャンネルに対する10％の利得差の場合、そ
てsin2VI＝2VIかつ2VI＝0.1の関係で定められる線形範
囲の上端における電流の場合、測定電流における誤差は
50％であり、より低い電流では一層大きい誤差が生ずる
であろう。それ故２つのチャンネル39及び41の利得が常
にほとんど等しいということを確実にすることができる
以外、唯１つの入力光ビーム及び２つの出力チャンネル
を用いた装置を直流電流の信頼性ある測定に対して使用
することはできない。
この発明、そして本件出願人によって1985年３月29日に
出願された「磁気−光学電流センサのためのドリフト補
償技術」という題名の米国特許シリアル番号第717、989
号明細書に述べられた、２つの異なった波長を用いた装
置まで、２つのチャンネルの利得を検査する唯１つの方
法は、周期的に電流をオフし、そして量（ａ−ｂ）（ａ
＋ｂ）がゼロであるように利得の一方を調整することで
あった。このような処理は、磁気−光学変流器の直流電
流測定に対する可能なほとんどの適用に対して受け入れ
ることができない。
直角に変更された光ビームを交互に用いることによっ
て、量（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）が、各偏光ごとに発生さ
れ得る。これらの条件下で、光ファイバ21からの入力に
対する量（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）は、以下の式で与えら
れ： そして光ファイバ23からの入力に対しては： で与えられ、ここに、δ、Ｖ及びＩは、センサの閉ルー
プ構成を仮定して上記に定義した通りである。このこと
から、次のことが容易に示される： このように、最初に“a"及び“b"が光ガイド21からの入
力で測定されて（ａ−b/a＋ｂ）１が計算され、次ぎに
光ガイド23からの入力で“a"及び“b"が測定されて（ａ
−b/a＋ｂ）２が計算されるならば、これらの２つの量
の間の差は電流に正比例し、かつ２つの量の合計は、わ
ずかな利得差（the fractional gain difference）に比
例する。このような装置は、10％の不均衡が被測定電流
における常に0.25％の誤差を生ずるだけである点におい
て、利得不均衡に関して非常に許容性がある。
第２図に示されたセンサの残りの部分は、電流に比例し
た出力を発生し、チャンネル間のわずかの利得差をゼロ
にし、そして上述した最初の２つの作用を達成するに際
し、変数での割り算を行う必要性を除去した態様で、LE
D15及び17を交互に附勢するための手段を提供してい
る。このため、“a"及び“b"信号は、４つの出力（ａ−
ｂ）1,（ａ＋ｂ）１、（ａ−b2）及び（ａ＋ｂ）２を発
生するためにデマルチプレクサ及び加算回路を含んだ電
子モジュール55に与えられる。（ａ＋ｂ）１信号は電流
源57に与えられ、そこで基準電圧源59からの基準電圧と
比較される。この比較は、信号（ａ＋ｂ）１を一定に保
つLED15に対して附勢電流を発生するために、電源57に
よって用いられる。同様に電流源61は（ａ＋ｂ）２を同
じ基準電圧と比較し、そしてLED17に与えられる附勢電
流をこの比較の関数として調整し、信号（ａ＋ｂ）２を
一定に保つ。クロックもしくはタイミング・モジュール
63は、LED15及び17の交互の附勢を制御するために、電
流源57及び61に交互の信号を与える。これらタイミング
信号は、また電子モジュール55内のデマルチプレクサに
も与えられる。
（ａ＋ｂ）１及び（ａ＋ｂ）２の量が一定に保たれるの
で、量（ａ−b/a＋ｂ）１及び（ａ−b/a＋ｂ）２を計算
するために実際に割算を行う必要がない。（ａ−ｂ）１
及び（ａ−ｂ）２に単に定数を乗ずれば充分であり、こ
の定数は、装置の較正定数の部分であり得る。従っても
う１つの電子モジュール65は、単に信号（ａ＋ｂ）１と
（ａ＋ｂ）２を加えることのみによって、“a"と“b"チ
ャンネル間の利得差を計算し、そして可変の減衰器51及
び53に与えられる誤差信号を発生し、該減衰器51及び53
は次ぎに、それらが等しくなるまでの２つのチャンネル
の有効利得を変更する。最後に電子モジュール67は、
（ａ−ｂ）１と（ａ−ｂ）２との間の差を計算し、そし
て導体13における電流に比例しかつ光学要素の減衰にお
けるどんな変化にも依存しない出力信号OIを提供する。
このように、直流からクロック・モジュール63の周波数
より下の周波数に対して動作する磁気−光学変流器が開
示された。
センサの構成において、偏光子19及び検光子29との間の
有効な角度が正確に±45度であるように、構成要素を取
り付ける際に特別の注意を払わなければならない。この
値からのどんな偏差も出力におけるオフセットとして現
れるであろう。小さい定数のオフセットは、許容されて
較正の部分として考慮され得る。しかしながら、温度変
化により生じ得るような、磁気−光学素子における変化
するひずみと関連した複屈折から生ずる変化するオフセ
ットは、許容され得ない。センサが正常動作状態に従属
しているとき、大きいひずみが現れないように構成要素
を取り付ける際に注意しなければならない。
第１図に示されたこの装置を履行するための簡略化され
た回路が、第３図に示されている。クロック63は、繰り
返しタイミング信号を発生し、該繰り返しタイミング信
号は、LED15を制御するスイッチ69及び71のようないく
つかのアナログ・スイッチを動作させる。スイッチ69が
オン状態にある場合、LED15はオンになる。スイッチ71
がオンであり、スイッチ69がオフであるとき、LED15は
オフである。スイッチ71のような、制御リード上に円を
有する他のアナログ・スイッチは、LED17がオンである
ときオンであり、他方この印のないスイッチは、LED15
がオンのときオンである。第１図の装置における構成要
素に対応する第３図の回路の部分は、同じ参照数字によ
って示されており、この場合、偏光子19、磁気−光学素
子11及び光検子59を備えた光学要素は、ブロック73によ
って集合的に表されている。LED15及び17のための共通
の電流源57の部分を形成している演算増幅器75は、（ａ
＋ｂ）１及び（ａ＋ｂ）２が定数に等しく保たれるよう
に、従って互いに等しいようにオンにされたLEDの出力
を調整することによって、信号ａ＋ｂの合計と、ポテン
シォメータ59によって発生された基準電圧との間の誤差
をゼロに駆る。
演算増幅器77は、演算増幅器49によって発生された−ｂ
信号を反転し、（ａ−ｂ）を発生するよう演算増幅器79
の反転入力を通して−ａ信号と加算し、（ａ−ｂ）は次
に−（ａ−ｂ）を生成するために演算増幅器81によって
反転される。LED15がオンになったとき、アナログ・ス
イッチ83のオンでもって、コンデンサ85は演算増幅器87
において（ａ−ｂ）２比較するために−（ａ−ｂ）１を
記憶し、（ａ−ｂ）２は、LED17がオンであるときスイ
ッチ91を通してコンデンサ89に記憶される。演算増幅器
87の出力は、演算増幅器53の利得を調節し、該演算増幅
器53は、次に（ａ−ｂ）１を（ａ−ｂ）２に等しく維持
するために演算増幅器49の利得を調節する。
出力回路67を形成する低域フィルタ93は、スイッチ95に
よって通された（ａ−ｂ）１スイッチ97によって制御さ
れた−（ａ−ｂ）２に加えて出力信号（ａ−ｂ）１−
（ａ−ｂ）２を発生し、この出力信号（ａ−ｂ）１−
（ａ−ｂ）２は被測定電流の大きさに比例する。
この発明の特定の実施を詳細に説明してきたけれども、
開示の全教示に鑑みて、これら詳細説明に対して種々の
変更並びに代替を展開し得るのが、当業者には理解され
るであろう。従って開示された特定の装置は、説明のた
めだけであり、この発明の範囲をそれに制限することを
意味するものではない。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明を組み込んだ変流器を示すブロック
回路図、第２図は、第１図の変流器における偏光子及び
検光子の偏波面の配向を示す図、第３図は、第１図に示
された変流器を履行する回路を簡略化して示す回路図で
ある。図において、11は磁気光学素子、13は導体、15及
び17はLED、19は偏光子、29は検光子、39及び41はチャ
ンネル、43及び45は光検出器、51及び53は減衰器、55は
電子モジュール、57及び61は電流源、59は基準電圧源、
63はタイミング・モジュール、65及び67は電子モジュー
ルである。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−222779（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−234364（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−97478（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−159076（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−88665（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−19875（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−27071（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】直流成分を含み得る電流を運ぶ導体と、該
    導体を流れる電流の大きさを測定する電流検出器とを備
    えた磁気光学変流器装置であって、前記電流検出器が： 通過する光の偏波面を前記導体における前記電流の大き
    さの関数として回転させるよう、ファラデー回転装置と
    して動作する磁気光学電流センサと； 線形に偏光される第１の入力光ビーム、及び該第１の入
    力光ビームの偏波面に対して直角の偏波面を有する、線
    形に偏光される第２の入力光ビームを発生する光源手段
    と； 直角に偏光される前記第１及び第２の入力光ビームを交
    互に前記磁気光学電流センサに通すよう前記光源手段を
    付勢する付勢手段と； 前記磁気光学電流センサを通る光を２つの直角の出力ビ
    ームに分ける検光子手段であって、前記２つの直角の出
    力ビームの一方は、偏光された前記第１の入力光ビーム
    の偏波面に対して約＋45度に配向され、かつ前記第２の
    入力光ビームの偏波面に対しては約−45度に配向された
    偏波面を有し、前記２つの直角の出力ビームの他方は、
    偏光された前記第１の入力光ビームの偏波面に対しては
    −45度に配向され、かつ前記第２の入力光ビームの偏波
    面に対しては＋45度に配向された前記検光子手段と； 前記出力ビームの一方を電気信号“a"に変換するための
    光検出器を含んだ“a"出力チャンネルと； 前記出力ビームの他方を電気信号“b"に変換するための
    光検出器を含んだ“b"出力チャンネルと； 前記電気信号“a"及び“b"から、前記第１の入力光ビー
    ムに応答して（ａ−ｂ）１及び（ａ＋ｂ）１信号を発生
    すると共に、前記第２の入力光ビームに応答して（ａ−
    ｂ）２及び（ａ＋ｂ）２信号を発生する第１の計算回路
    と； 前記（ａ＋ｂ）１及び（ａ＋ｂ）２信号に応答し、（ａ
    ＋ｂ）１を（ａ＋ｂ）２に等しく維持するよう前記光源
    手段を調節する手段と； 前記（ａ−ｂ）１及び（ａ−ｂ）２信号に応答し、（ａ
    −ｂ）１＋（ａ−ｂ）２をゼロに等しく維持するよう前
    記“a"及び“b"チャンネルの相対利得を調節する手段
    と； 前記導体における電流の大きさに比例した出力信号とし
    て信号（ａ−ｂ）１−（ａ−ｂ）２を発生する手段と、
    を備えている磁気光学変流器装置。
JP62124111A 1986-05-22 1987-05-22 磁気光学変流器装置 Expired - Lifetime JPH0693006B2 (ja)

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