JPS6110777A - 電流測定装置 - 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】 本発明は、ファラデー回転効果を利用した磁気光学型電
流センサに関し、詳細には出力信号がセンサの温度変動
にほとんど無関係となるよう補償する手段を使用した磁
気光学型電流センサに関する。

ファラデー効果とは、平面偏光した光ビニムが所定の透
明体を強力な磁界の磁力線と平行な方向に通過するとき
生じる偏光面の回転であると定義されている。このファ
ラデー効果は、所定の物質に対して偏光面の回転度が導
体中を流れる電流に比例するようにした電流測定装置と
して利用されている。この場合、電流の単位あたりの偏
光面の回転角は、物質のベルデット定数に依存する。電
流センサの物質のベルデット定数が温度の関数である場
合、センサの出力も導体中を流れる一定電流に対して温
度依存特性を有する。このことは、とりわけ温度測定を
頻繁に行い、かつ真の電流値を得るためには補正をしな
ければならないという理由から、問題がある。送電線に
ついても、これは大きな温度変化を受けるので同じ問題
がある。

これまでもファラデー効果型電流センサを温度補償する
方法は多数開発されている。これらの方法のうちのほと
んどは、温度変化に応答するようバイメタル片または同
等の装置により少なくとも一つの偏光器を物理的に回転
することを要する。この方法は実施可能であり、満足で
きる温度補償ができるが、偏光器を物理的に回転しなけ
ればならないため、用途によっては問題がある。

本発明の主たる目的は、可動部品を使用しないファラデ
ー効果型電流センサを温度補償する装置及びシステムを
提供することにある本発明によれば、電流を運ぶ導体を
囲むよう配置した磁気光学材料より成る本体と、前記材
料内へ偏光した光ビームを向けるための偏光手段を含む
導体中の電流測定装置であって、前記磁気光学材料の温
度変動に起因する材料のベルデット定数の変化を補償す
るよう前記材料に関連し、温度に依存する光学回転能を
有する物質から成る補償手段と、温度補償された信号を
発生するよう磁気光学材料から出た偏光された光ビーム
の回転度を測定するための分析手段を更に含むことを特
徴とする導体中を流れる電流の測定装置が提供される。

以下、添付図面を参照てして、本発明の実施例を詳細に
説明する。

第１図において、磁気光学型電流センサは一般に１１．
で示され、光源１３と、偏光器１５と、補償器１７と、
合焦レンズｌθと、光フアイバ材料の本体２１と、コリ
メータレンズ２３と、分析２５と、光検出器２７とから
成る。補償器！７は。

本体２１に熱接触し、本体内の温度変化に応答するよう
取付けられている。光源１３は、光ビーム１８が偏光器
！５．補償器１７及びレンズ１８を透過するようにビー
ムを発射し、導体３１を囲む光ファイバの本体２１の一
端へ偏光ビームを向ける。光ファイバの本体がファラデ
ー効果を特徴としている限り、導体中を流れる電流に関
連する磁界は偏光面が電流に依存した角度だけ回転され
るように、ファイバ本体を透過する偏光に影響を与える
。更に詳細に述べれば、回転角ρは ρ　＝　ＮＶＩと表される。

ここでＶはベルデット定数、■は導体中の電流、Ｎは偏
光された光が全通路を通って導体をまわる回数である。

コリメータレンズ２３はファイバ本体２１の出口端にて
、偏光状態が変化したファイバ一本体からの出力光を集
め、光を分析２５へ送り光は次に分析から電流単位にて
測定を行う光検出器へ送られる。

ファラデー効果によれば、偏光ビームが磁界の作用を受
けながら光学材料を透過するとき、光ビームの偏光平面
の回転角は、磁界の強度に比例する。従って、全通路長
を進行する偏光ビームの回転角を検出することにより、
送電線または導体３１内の電流量を測定する手段として
光ファイバ２１の磁気光学材料を使用できる。

磁気光学型センサ即ち本体２１の好ましい実施態様は、
／−ナ一部材３８により接合された直線部分３５．３７
を含む多角形体３３（第２図）から成り、これらの、部
材の各々は測定すべ。

き電流を運ぶ導体３１を実質的に囲む光路４３（一点鎖
線で示す）を画定する合成光学的手段４１を構成する。

光路２８は、入力光ビーム４５が偏光器即ち偏光キュー
ブ４７を通ってファイバ本体３３へ進入する結果偏光さ
れる。

本実ＭＬｓ様では、偏光された光の通路４３は、所定の
振動面を有する。各コーナーの合成光学的手段４１は光
ビームが光路通過中に偏光光ビームの方向を変えるよう
に働くが、その際各コーナー部材への進入時と導出時に
おける偏光の振動面の回転は実質的に同一である、即ち
入射光の振動面が回転すれば、出力光の振動面は実質的
に同じだけ回転する０本体３３の直線部分３５．３７は
、導体３！内の電流により発生された磁界中を偏光され
た指向ビームを透過させ、このとき偏光された光ビーム
の振動路は、同一方向に漸増的に回転される。

本体３３から出力されて分析４８を通過する偏光された
光に振動面の全回転角は、導体３１のまわりに発生され
た合成磁界強度及び導体内の電流を表わす。

ファイバ本体３３の作用はファラデ効果に従い説明でき
る。即ち偏光器４７が磁界の作用下にある光学材料を透
過する光ビーム４５を偏光する際、使用する定義によっ
て光ビームの偏光面または振動面の回転は磁界強度に比
例する。従って、全光路を進行する偏光した光ビームの
回転量を検出すれば１本体３３を含む磁気光学材料を用
いて導体３１内の電流量が測定できる。この磁気光学材
料は、上記直線部分及びコーナー部分を介して導体のま
わりの閉路内を偏光された光を伝える。好ましい態様（
第２．３図）では、各コーナー部材４１は、二重反射面
を構成する斜角を付けられた端部であり、その好ましい
正方形または長方形では、この斜角が付けられた面は、
細長い部材３５．３７に対して４５°の角度をなす、偏
光される光ビームの光路は偏光器４７から始まり、光ビ
ームが通過する細長い部分３７の端へ向けられ、３つの
コーナー部材３８の各々を構成する各二重反射面５１．
５３（第３図に示す）にて２回方向を変える。いずれの
場合でも反射面５１．５３は４５°ミラーとなっている
。最終的に各コーナー３３から出る光路は、入射路に対
し直角になっている。第１ミラーにおける偏光の主要成
分は各コーナー３８を構成する第２ミラーにおいて入れ
替えられるので、第１ミラーで生じる相対的位相変化は
第２ミラーで相殺される。換言すれば、各コーナー部材
３８に進入したときとコーナーから出るときの偏光され
た光の振動面の回転角は実質的に同じである。光は最終
的に直線部分３５の一つの端郡部分５５を通ってファイ
バ３３から偏光器４８内に入る。

本発明によれば、たとえば送電線である導体は、例えば
−４０℃から＋１００℃までの大きな温度変化を受ける
ので１本体３３の温度も同じ温度変化を受ける。従って
送電線内の電流を正確に読取るには、この温度変化を補
償するための手段を電流センサすなわち本体３３に設け
る必要がある。この目的のため、偏光器４７と直線部分
３７の端部との光路４３内に温度依存性光学回転能を示
す部材５７を設ける０部材５７の本体は、その全長に比
例して入射偏光平面を回転し、温度依存性である。この
本体は結晶状石英または他の材料、例えばＮａＣｌ３及
びＨｇＳから構成できる。これら材料は、温度依存性光
学回転能を示す。

温度補償を施された出力は、アナライザと偏光器の軸の
間の有効角θを温度変化６丁に応答してΔθだけ変化さ
せることにより得られるが、Δθと６丁の関係は以下の
通りである。

（ここで１／Ｖ　求ｄＶ／ｄ丁は温度の単位変化あたり
のベルデット定数の微小変化である）、有効角θは、通
常４５°または１３５°のいずれかであり、これらの場
合、上の式は、θ−４５゜の場合 θ＝１３５°の場合 と簡略化できる。

材料１７．５７を通過する偏光された光の光路の単位長
さあたりの回転角は、温度依存性であるので、材料の長
さと温度の単位変化あたりのかつ単位長さあたり、の回
転角の温度係数との積が上の式に従い温度の単位変化あ
たりのベルデット定数の微小変化の２分の１に等しくな
るように材料の長さを充分大きくするだけで、これらの
材料１７．５７により温度変化６丁に応答する必要な回
転角Δθが得られ温度補償がなされる。更に材料１７．
５７は偏光された光を常にある程度回転するので、補償
されるレベジの中心温度において分析と偏光器との間の
有効角が４５°または１３５°のいずれかになるように
分析と偏光器とを相対的に配置しなければならない、こ
の配置は中心温度における単位長さあたりの回転角の既
知の値及びセンサの幾何学的形状から計算できるし、ま
たは偏光器または分析の一方を固定したまま消光が認め
られるまで偏光器または分析の他方を回転し、更に４５
°または２２５°回転することによっても好ましく決定
できる。これら２つの位置のうちの一方で補償が実現で
きる。

例えば、８１０ｍｍでの石英内の回転角の温度係数は約
：１５　、１０’ラジアン／腸−℃であり。

保谷ガラスでのベルデット定数の微小変化は約−３・１
０’　／　”０である。従って、式２ａより石英部品を
〜６６履履厚すれば、　ＦＲ５ガラスから構成されたセ
ンサを補償するような適当な有効回転角が得られる。６
履履厚の石英部品は〜６８°の回転角を与えるもので、
式２ａにより必要とされる４５６の有効角とするには偏
光器と゛分析をまず−２４°の角度にセットする必要が
ある。

本体３３の平面図（第５図）では、偏光器４７と直線部
分３５の一端との間に本体即ち温度依存性光学回転能材
料５７が配置されている。この位置では、光学的能動材
料５７は、分析４８に温度補償した回転角を与えるよう
に予め本体３３の温度変動を補償する。別の実施態様（
第６図）では、矩形または多角形体３３の直線部分３５
に回転能能動部材５９が設けられている。

本発明の更に別の実施態様では、第５図及び第６図の実
施態様の光の温度補償に匹敵する温度補償がそれらの全
効果により得られるように先の実施態様の本体の半分の
厚みを有する一対の回転能動部材６１．６３が本体内に
設けられている。

第４図には、多角形本体３３のような本磁気光学型電流
センサを利用するための全システム８５が示されている
。　ＬＥＯ光源８７には電流源６８によりバイアスがか
けられ、光フアイバケーブル７１及び結合即ち収束レン
ズ７３により入力偏光器４７と接続され、ローパスフィ
ルタ７５は、負帰還ループの周波数レンボンスを制限す
る。出力偏光器即ち分析４８は、入力偏光器４７に関連
して上で述べたように４５°または１３５°の有効角を
有するよう配置されている。分析４９の出力端は、結合
即ちコリメートレンズ７７及びフォトダイオード８１の
入力端に接続された光フアイバケーブル７Ｓを有する。

フォトダイオード８１は、ロードノイズプリアンプ８３
、センサの最大周波数レスポンスを決定するローパスフ
ィルタ８５と、回路と負荷の入力端をフイソレートする
ように作動する出力バッフ７８７とに接続されている。

結論として、本明細書に開示された装置は、可動部品を
使用せずに比較的低コストで電流センサ内で使用される
材料の機能のうちの温度依存性（ファラデー回転子のベ
ルデット係数）を補償するための手段を提供するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、電流を測定するための本発明に係る光フアイ
バーシステムの略図、第２図は本発明に従って製造され
た磁気光学型電流センサの斜視図、第３図は第２図に示
した電流センサのコーナー部分の部分斜視図、第４図は
サポート用電子回路を略図で示した電流センサの斜視図
、第５図は第２図に示した電流センサの平面図、第８図
及び第７図は本発明の他の実施態様を示す図である。 ３１・・・・導体 ２１、３３・・・・本体 １５．４７・・・・偏光器 ５７．５８．６３・・・・補償器 ４８・・・・分析

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電流を運ぶ導体を囲むように配置した磁気光学材料
   より成る本体と、前記材料内へ偏光した光ビームを向け
   るための偏光手段を含む導体中の電流測定装置において
   、前記磁気光学材料の温度変動に起因する材料のベルデ
   ット定数の変化を補償するよう前記材料に関連し、温度
   に依存する光学回転能を有する物質から成る補償手段と
   、温度補償された信号を発生するよう磁気光学材料から
   出た偏光された光ビームの回転度を測定するための分析
   手段を更に含むことを特徴とする装置。 ２、電流を運ぶ導体を囲む磁気光学的材料内に一般的に
   位置する光路のまわりに偏光された光を反射するための
   複数の反射性コーナー手段を含み、この反射の結果、各
   コーナー手段における反射された偏光の相対的位相シフ
   トが実質的にゼロとなり全偏光回転角が外部磁界に不感
   となる特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３、偏光手段と検出手段との間に補償手段が配置されて
   いる特許請求の範囲第１または２項記載の装置。 ４、磁気光学材料の本体に補償手段が結合されている特
   許請求の範囲１〜３項のうちのいずれかに記載の装置。 ５、補償手段が本体と一体になっている特許請求の範囲
   第４項記載の装置。 ６、偏光手段と本体との間に補償手段が配置されている
   特許請求の範囲第４項記載の装置７、本体と検出手段と
   の間に補償手段が配置されている特許請求の範囲第４項
   記載の装置８、光学的能動的材料は結晶状の石英である
   ことを特徴とする特許請求の範囲１〜７項のうちいずれ
   かに記載の装置。 ８、導体中を流れる電流に応答自在な温度補償された磁
   気光学型電流検出装置において、温度依存性光学回転能
   を有する補償手段の物質に結合され、導体を囲む磁気光
   学材料より成る本体、前記磁気光学材料への偏光された
   光の入力ビームを向けるよう前記材料とインターフェー
   スする入力偏光手段、前記材料からの偏光された光の出
   力ビームを向けるよう前記材料とインターフェースする
   出力偏光手段を含む温度補償された磁気光学トランスジ
   ューサと、前記材料に光学的に結合され光を発生する手
   段と、光を前記入力偏光手段に結合する手段と、前記出
   力偏光手段からの光に結合して検出可能な出力信号を発
   生する手段と、温度補償された制限周波数の出力信号を
   フィードバックすると共に前記材料に結合された光発生
   手段の周波数レスポンスを制限する信号処理手段と、前
   記信号処理手段を負荷の出力端よりアイソレートするよ
   う前記温度補償された制限周波数の出力信号を受信する
   出力バッファ手段とから成る温度補償された磁気光学型
   電流検出装置。