JPH07503318A - 電流測定 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 電流測定 この発明は、光学技術を利用して、電流を測定することに関する。

電流の測定は、トロイダル巻線を有する鉄心を使用する変流器で通常行われてい るが、多くの難点は、最近のコンパクトな媒体あるいは高圧電気系との処理上の 互換性を与えないこれ等の装置から生じている。

この発明はセンサを有する電流測定装置を提供し、このセンサが光繊維を介して 光源と検出回路に接続し、ファラデー磁気光効果を示す物質を有し、前記光源が 偏光されていない光信号を出力するように配置され、次いてこの光信号を第一偏 光子で偏光させて、直線偏光された光信号を前記物質に入射させ、この物質から 生じる信号に加わる偏光面内の回転量が第二偏光子を介してこの物質の隣に設置 されている電気導体を流れる電流の目安として監視される。

センサは光繊維に脱着可能に接続できるモジュールで構成されていると有利で、 このモジュールに一定の長さの磁気光結晶物質を第一および第二偏光子と共に組 み込み、両方の偏光子がそれぞれコリメータとして働くように配置された第一お よび第二傾斜屈折率（ｇｒａｄｅｄ−ｉｎｄｅｘ）レンズから前記結晶物質の各 端部を切り離している。

このモジュールを既知寸法のハウジング内に配置するのも好ましく、その場合、 導体に対してハウジングの接合部により、結晶物質を隣の電気導体から既知の距 離のところに配置できる。このような接合部は手で止めたあるいはケーブルを止 める手段で達成できる。

モジュールはセンサを形成する複数の上記モジュールの一つであり、異なったモ ジュールは異なった結晶物質および／または異なった長さの結晶物質あるいは一 個以上の結晶物質を有し、異なった範囲の測定ができ、しかも固有な温度や振動 の補償を行える。

光繊維はセンサに取り付ける非導電性のコネクタを有するマルチモードタイプで あると有利である。光源回路は好ましくは一つまたはそれ以上の発光ダイオード を有し、検出回路は好ましは一つまたはそれ以上の光ダイオードを有する。この 配置を用いて、光源の部品と検出器の部品は何れも、装置の最適動作を与えるよ うに、センサの結晶物質と相当する波長に選択される。

例えば、結晶物質がＹＩＧ（イツトリウム・鉄ガーネット）である場合、光源の 部品と検出器の部品は両方とも約＋３００　ｎｍの波長で動作すると有利である 。これに対して、結晶物質がＴＧＧ　（テルビウム・ガリウム・ガーネット）あ るいはＢＳＯ（ビスマス・シリケート）である場合、光源の部品と検出器の部品 は両方とも約８８０　ｎｍの波長で動作すると有利である。

ここで、添付図面を参照して、この発明の詳細な説明する。これ等の図面では、 第１図は、この発明による検出装置の基本形状を模式的に示す。

第２図は、第１図の装置に使用された異なった二つの物質に対して、温度の関数 としてベルブ（Ｖｅｒｄａｔ）特性を示す。

第３図は、温度の関数として第２図のベルデ定数の比を示す。

第４図は、温度効果を補償するため、この発明による二チャンネル検出装置を示 す。

第５図は、振動効果を補償するため、この発明による三波長検出装置を示す。

第６図は、隣の導体からの混信効果を補償するため、この発明による二チャンネ ル検出装置を示す。

第７図は、温度、振動および混信の複合効果を補償する、この発明による二チャ ンネル二波長検出装置を示す。

これ等の図面を更に詳しく調へると、第１図は隣の電気導体１１の電流を測定す る電流検出装置ＩＯの基本形を示す。装置ｌＯはほぼ棒状に細長いセンサ１２を 有する。このセンサはその両端で光繊維１４．１６を介して光源回路１８と検出 回路２０に接続している。センサ１２は細長いので、導体１１の周りに広がるこ とはなく、取り囲むこともないため、導体に「結合」しない。

センサ１２は第一および第二偏光子２３．２４を育する一定の長さの磁気光学結 晶物質２２（これはファラデー磁気光学効果を示す）から成り、両偏光子は前記 長さ部分２２の端部を第一および第二傾斜屈折率レンズ２５，２６から分離し、 傾斜屈折率レンズの各々はコリメータとして働くように４分の１の長さであると 良い。センサ１２は既知寸法のハウジング２７（破線で示す）を有するモジュー ルを形成する。この場合、導体１１から長さ部分２２の間隔は予め指定され、モ ジュールが導体に接する場合、既知である。ハウジング２７は好ましくはセラミ ックスあるいはポリマーで形成され、導体の近くの領域で良好な絶縁性を保ち、 導体ＩＩを流れる電流で生じる磁界と干渉しない。そして、ハウジングの各端部 は繊維１４．１６の端部に形成された似たようなコネクターに脱着可能に接続す る光コネクター２８．２９で終わっている。繊維１４．１６はマルチモードタイ プであり、コネクター２８．２９ではこの繊維１４．１６はハイジングの内部に 通じるガラス毛細管３１．３２で補強されている。

光源回路１８は発光ダイオードて形成され、このダイオードは繊維１４に沿って 偏光されていない光信号をコリメータとして働くレンズ２５に送る。

従って、偏光子２３．２４および結晶物質の長さ部分２２で準備処理を行う前に 光をほぼ一様に分布させることができる。偏光子２３により、装置が直線偏光さ れた光ビームを結晶物質の長さ部分２２に送るが、偏光子２４は主に偏光子２３ の透過軸に対して４５°傾けて透過軸を有するように設定され、電流を運ぶ導体 １１に付随する磁界によって生じるファラデー回転を強度変調された信号に変換 し、この信号は繊維１６により光ダイオードを形成する検出器２０に供給される 。主として、導体１１の電流の正弦波状性質は挿入図ｒＡ」に示すようであり、 検出器２０によって捕捉される同しような強度変調信号は挿入図「ＢＪに示すよ ってある。

装置の動的範囲は物質の長さ部分２２内に使用する結晶のタイプ、結晶の長さ自 体、および結晶の中を伝播する光の波長に関連し、ラジアン／アンベヤ−ターン で表される物質のベルデ定数は、磁界強度を発生し、波長に依存する電流の単位 当たりのファラデー回転の目安を与える。ベルデ定数は波長が短いと比較的大き く、波長の増加と共に非線形に減少する。

長さ部分２２に対する結晶性物質の選択は多くの因子に依存する。ベルデ定数は 長さ部分２２に対する長さの要請を決定し、特別な応用の電流のしきい値レベル や装置の動的範囲も決める。６０　ｄＢ以上の動的範囲Ｃｌ０Ａ−１０゜０００ 　Ａ）を得ることができる。主として、ＹＩＧに対して５ミリメートル、ＴＧＧ に対して１５ミリメートルおよびＢＳＯに対して３０ミリメートルの長さの公称 ２ミリメートルの直径の結晶性の棒状をしている。

光源回路１８と検出器回路２０は、第１図に別々に示しであるが、単一ユニット に合体でき、外部の電磁干渉から免れるようにシールドしてあり、もちろん電磁 干渉を放出しない。装置ｌＯは寸法が小さく、重さが軽く、接続されていないの で、既存のケーブル・コネクター１１に後から取り付けできる。この装置は、光 を基礎にして動作するので、存寄な環境で使用でき、存寄な電気現象（例えばア ーク）に無関係である。光源回路１８に一つまたはそれ以上の特異な波長の発光 ダイオードを組み込むことができ、検出器回路２０に一つまたはそれ以上の光ダ イオードを組み込むことができる。その場合、両方の光源と検出器を同調させて 、特別な物質の長さ部分２２に対して最適な効果を与えることできる。長さ部分 ２２はモジュール設計であるため効果的に交換可能でき、既に述べたように、セ ンサヘッド１２には結晶物質の一つ以上の長さ部分を組み込める。

検出器回路２０は自動範囲設定機能と共に構成されているので、光源回路１８は 、最初の結晶性長さ部分の測定限界を越えた時、第二の結晶性の長さ部分を与え ることができる。更に、センサヘッド１２は、既に述べた結晶性物質の多くが種 々の磁気特性によって生じる温度の関数としてその性質を変化させると言う事実 に関して有する装置ｌＯに対して温度補償を必ず持っている。ＴＧＧとＢＳＯに 関して温度対ベルデ定数の典型的なグラフを第２図に示す。

温度と共にベルデ定数が変化する効果を補償する方法は、ＴＧＧとＢＳＯ結晶の 異なった温度特性に基づき、開発されていて、後者が第２図に示すように温度変 化に比較的鈍感で、比較的小さい値である。この方法は独立した二つの検出装置 １０Ａ、ＩＯＢで構成され、第４図に示すように同し電気コネクター１１と共に 、一方がＴＧＧを使用し、他方がＢＳＯを使用する。各装置１０Ａ、ＩＯＢには 、検出器回路２ＯＡ、２０Ｂから対応する光源回路１８Ａ、１８Ｂへの電気帰還 信号１５Ａ、１５Ｂがある。この帰還信号の目的は、検出器回路２ＯＡ、２０Ｂ の光ダイオードへ入射する光強度を一定に維持するためにある。この帰還信号は 直流信号であるため、導体１１を流れる５０　Ｈｚの電流から生じるファラデー 回転によって生じる５０　Ｈｚ変調を動的に補償することはない。

二つの検出器回路２ＯＡ、２０Ｂは導体１１を流れる電流の二つの目安を与える 。これ等の目安は比を形成するため（割り算器１７で）割り算される。

第３図に示す既知の比の特性から、この比が二つの結晶の温度を決める。次いで 、前記比の値は増幅器１９の自動利得機能を調節するために使用され、（そのベ ルデ定数が値の点で比較的大きいが、特に温度に敏感であるので）ＴＴＧ物質を 用いて装置＋ＯＡの検出器回路２ＯＡからの測定出力を修正できる。この利得制 御の調節は、最初に既知の温度で予め指定された電流レベル１１を導体１１に流 し、利得制御を１にセットし、増幅器１９からの校正測定結果を形成する時の校 正手順を参照して決定される。次いで、改善された校正測定結果を形成する第二 の既知の値に温度だけを変える。増幅器１９からの測定結果を最初の校正測定レ ベルに戻すために、利得制御を調整する。

第一の値と第二の値の間の温度差に対してこれを達成するのに必要な調節量が、 以後、導体１１の未知電流値の測定の間に使用され、基準温度である第一の既知 温度に関して第３図の特性からまる温度を補償する。

補償に要する測定誤差の他の原因は、ハウジング２７に導入あるいは導出する光 学ケーブル１４．１６に対する振動効果による。これ等の振動効果は系に光学的 損失を導入し、検出器回路２０からの出力信号中の雑音で明らかになる。これ等 の効果を補償するため、第５図に示す三波長方式が開発されている。

第５図には、一つの検出装置１０しがないが、光源Ｓｚ、Ｓｚから異なった二つ の波長λ１とλ２が、対応する感度の検出器ＤＩ、Ｄ２に対する繊維１４゜１６ 中に光結合器１４Ａ、１６Ａを使用して、光学系を経由して反対方向に伝播する 。波長の相違、例えばλ、　＝　８５０　ｎｍ、λ、　＝　１３００　ｎｍによ り、二つの光学信号の間に干渉が存在しない。両方の信号に対するファラデー回 転の影響は互いに位相が全く外れた回転を与えることに注意すべきである。他方 、振動の効果は他方に対して同相である誤差信号を与える。従って、測定信号の 一方、通常１３００　ｎｍの信号を反転して、部品３３．３４によりこの信号を ８５０　ｎｍ信号に一定の比で加えることにより、二つのファラデー信号が同相 で互いに加算され、振動効果を相殺する。従って、この方法は振動効果の誤差を 相殺し、どんな長さの磁気光学結晶に対する出力端３５で出力されるファラデー 回転信号の振幅を増加させる。

既に説明したように、結晶のベルデ定数は波長に依存し、これはＶが波長の増加 と共に非線形に減少することを意味する。この効果のお陰で、λ１とλ２の二つ の信号を同じ方向に伝播させることができ、振動に対する補償も行える。しかし 、この場合、ファラデー回転信号は、両方とも同じ方向に伝播するので、加算よ りもむしろ引き算されることが必要である。

説明した光学結晶に基づく電流センサ装置は、主に磁界センサであるが、注目す る電流導体からの電流測定を与えるように校正されている。このため、装置は隣 の電気導体からの外部磁界の影響を受けやすい。これは「混信」による測定誤差 を与える。

これ等の混信の効果を補償するため、第６図に示すような二つの結晶センサ１２ Ａ、１２Ｂが好ましく、電気導体１１の反対側に置くので、二つのセンサ１２Ａ 、１２Ｂから見た中央の導体＋１からの磁界は異なった方向を向くが、隣の導体 １１Ａからの磁界は二つのセンサ１２Ａ、１２Ｂに対して同じ方向を向き、はぼ 同じ大きさである。従って、検出器の一方の出力からの信号を反転させて他方の 出力に加えて、外部磁界の効果を相殺でき、中心導体１１の磁界によって生じる 出力信号は加算されることが明らかである。これは、部品３６と３７によって達 成される。

光学結晶に基づく電流検出装置１０は通常の鉄心変流器（ＣＴ）と交換されるの で、既存の全てのＣ，Ｔ、規格と互換性がある必要がある。これ等の正確な基準 を達成するため、上の補償方式の全てを一つの装置に装備する必要がある。この ような装置を第７図に模式的に示す。

補正書の写しく翻訳文）提出書 （特許法第１８４条の８） 平成６年７月２８日

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．光繊維（１４，１６）を介して光源回路（１８）と検出器回路（２０）に接 続するセンサ（１２）を有し、前記センサ（１２）にファラデー磁気光学効果を 示す物質（２２）が装着されていて、光源回路（１８）が偏光されていない光信 号を出力するように配置され、この光信号を次いで第一偏光子（２３）で偏光さ せて直線偏光された光信号を物質（２２）に入射させ、物質（２２）から発生す る信号に加わる偏光面内の回転量が、物質（２２）の隣に配置された電気導体（ １１）を流れる電流の目安として第二偏光子（２４）を介して監視される電流測 定装置。
2. ２．センサ（１２）は光繊維（１４，１６）に脱着可能に接続するモジュールか ら成り、このモジュールにはコリメータとして働くように配置された第一および 第二傾斜屈折率レンズ（２５，２６）から結晶物質（２２）の両端をそれぞれ分 離する第一および第二偏光子（２３，２４）を有する磁気光学結晶物質（２２） が装着されている請求の範囲第１項の装置。
3. ３．センサ（１２）は各光源回路（１８Ａ，１８Ｂ）と検出器回路（２０Ａ，２ ０Ｂ）に接続する一対の似たセンサの一つであり、各センサの磁気光学効果物質 は異なり、各光源回路（１８Ａ，１８Ｂ）を付属する検出器回路（２０Ａ，２０ Ｂ）からの電気帰還ループ（１５Ａ，１５Ｂ）で制御して、付属する検出器回路 （２０Ａ，２０Ｂ）の光ダイオードに入射する光強度を一定に維持し、利得制御 回路（１７，１９）を検出器回路（２０Ａ，２０Ｂ）の出力端に設けて、磁気光 学物質（２２Ａ，２２Ｂ）のベルデ定数の温度変化を補償した検出電流の改良さ れた目安を出力端に送る請求の範囲第１項または第２項の装置。
4. ４．前記センサの一方はビスマス・シリケート（ＢＳＯ）の形状の磁気光学物質 である請求の範囲第３項の装置。
5. ５．前記光源回路（１８）は二波長であり、前記検出器回路（２０）は二波長で あり、両方の波長が前記物質（２２）に入射するように前記光繊維（１４，１６ ）を配置し、光繊維（１４，１６）への振動効果による測定誤差を除去するため 、二つの出力信号を結合させる計算手段（３３，３４）を検出器回路（２０）の 別々の波長の出力端に設けている請求の範囲第１項または第２項の装置。
6. ６．各波長は物質（２２）を逆伝播するように配置してあり、計算手段（３３， ３４）は異なる波長出力の一方を反転して他方の異なる波長出力に加算するよう に配置されている請求の範囲第５項の装置。
7. ７．センサ（１２）は各光源回路（１８Ａ，１８Ｂ）と検出器回路（２０Ａ，２ ０Ｂ）に接続する一対の似たセンサ（１２Ａ，１２Ｂ）の一つであり、前記セン サ（１２Ａ，１２Ｂ）は電流を測定すべき電気導体（１１）の両端に離した位置 で配置され、算術手段（３６，３７）を検出器回路（２０Ａ，２０Ｂ）の出力端 に設け、一方の出力を反転した後、両方を一緒にして、混信による誤差のない導 体（１１）を流れる電流の目安を提供する請求の範囲第１項または第２項の装置 。
8. ８．請求の範囲第３，５と７で必要な部品の全てを有し、温度、振動および混信 により生じる誤差のない導体（１１）を流れる電流の目安を与える、請求の範囲 第１項または第２項に規定する電流測定装置。