JP2013513785A - 交換可能なサブモジュールを備えたセンサを使用する光ファイバ電流センサ - Google Patents

Abstract

光ファイバ電流センサは、光源（３）と光検出器（７）とを有する測定ユニット（１）と、コンダクタ（１２）の周囲に巻きつけられた感知ファイバ（１１）と感知ファイバ（１１）に接続されたリターダ（１０）とを有するセンサヘッド（２）と、を具備する。光ファイバ電流センサの電流の関数としてのスケール係数は、測定ユニット（１）およびセンサヘッド（２）に対する２つのスケーリング関数ｆ_ｅ’、びｆ_ｓ’の積によって表される。スケーリング関数ｆ_ｅ’、ｆ_ｓ’を表すデータは、測定ユニット（１）のメモリ（２２）に格納され、一方、スケーリング関数ｆ_ｓ’を表すデータは、センサヘッド（２）のメモリ（２３）に格納される。２つのそのようなメモリデバイス（２２、２３）の提供は、スケーリング関数ｆ_ｅ’、ｆ_ｓ’を別々に格納することを可能にする。これにより、センサヘッドと同様に容易に、制御ユニットを代替可能なモジュール（１、２）へ変える。
【選択図】図１

Description

発明は、光ファイバ電流センサを操作する方法と、さらに、この方法を実行するための光ファイバ電流センサに関する。

光ファイバ電流センサは、参考１〜７に記述されている。一般的には、そのようなセンサは、センサヘッドと、オプトエレクトロニクスの測定ユニットと、その間の光ファイバケーブルとからなる。センサヘッドは、コンダクタ（この電流Ｉは測定される）の周囲に巻きつけられた感知ファイバと、感知ファイバに接続された光リターダ（retarder）とを含む。光リターダは、ほぼ９０°の微分位相シフトを引き起こし、それによって、コネクトファイバ中の線形偏光と感知ファイバ中の円形偏光との間で変換する。電流Ｉの磁界は、感知ファイバの中に伝播する左右の円偏光間の位相シフトを導入する。オプトエレクトロニクスの測定ユニットは、プロセッサ信号と同様に、光源と光検出器とを含んでいる。光源からの光は、コネクトファイバを通ってセンサヘッドに送られる。センサヘッドから戻る光は、光検出器によって処理され測定される。また、信号Ｓは、そこから生成される。信号プロセッサは、信号Ｓから電流Ｉを算出する。

一般的には、この計算は、センサの反応および非線形性を明らかにするために、電流センサの較正データについての知識を要求する。

この種のセンサは、電気送信の変電所および配電網のような高電圧環境の中でしばしば使用される。また、センサヘッドは、高電圧電位でマウントされる。例えば、それは、独立している電気絶縁カラムの上に置かれる、または、回路遮断器のような他の高圧設備に統合されてもよい。オプトエレクトロニクスの測定ユニットは、例えば回路遮断器の近くのアウトドアキャビネットまたは変電所制御室に、接地電位で置かれる。

本発明の問題は、オプトエレクトロニクス電流センサによる電流の測定に対して、上述されたタイプの方法を提供することである。また、それは、センサの簡単なメンテナンスを可能にする。

この問題は、請求項１の方法によって解決される。従って、コンダクタ中の電流Ｉは、Ｉ＝（Ｓ／ｇ）・ｆ_ｅ’（Ｓ）・ｆ_ｓ’（Ｓ）による信号Ｓから算出される。

ここで、ｆ_ｅ’は、測定された信号Ｓ（または同等の電流Ｉ）による前記測定ユニットのスケーリング関数であり、ｆ_ｓ’は、測定された信号Ｓ（または同等の電流Ｉ）による前記センサヘッドのスケーリング関数であり、ｇは、信号Ｓから独立した定数である。
さらに、ｆ_ｅ’（Ｓ）および／またはｆ_ｓ’（Ｓ）は、測定ユニットおよびセンサヘッドの温度Ｔ_ｅおよびＴ_ｓの影響をそれぞれ受けてもよい。

換言すると、発明は、電流センサのスケーリング関数を、測定ユニットのスケーリング関数およびセンサヘッドのスケーリング関数の積として表すことができるという理解に基づく。従って、交換された部分が、そのスケーリング関数ｆ_ｅ’またはｆ_ｓ’の記述を備える限り、センサを再度測定せずに、測定ユニットまたはセンサヘッドを交換することが可能になる。

本発明によるスキームは、センサヘッドスケーリング関数ｆ_ｓ’から独立して、測定ユニットスケーリング関数ｆ_ｅ’を決定することを可能にする。

一般に、名目上同一のセンサは、センサコンポーネントの欠陥の結果および製造許容範囲（manufacturing tolerance）のように、それらの反応が多少異なってもよい。しかしながら、それは、理論上実験的に発見され、そのような欠陥の影響は、π（および対応する電流）の磁気光学の位相シフトで本質的に消える。したがって、センサのスケーリング関数中のこのポイントは、較正（calibration）に対する絶対参照として有利に役立ってもよい。さらに、欠陥が、特に小さな磁気光学の位相シフト（電流）で干渉縞コントラストを減少し、一般にこの体制でのセンサスケール係数を向上させることは観察された。したがって、スケール係数向上は、有利に縞コントラストの測定に由来する場合がある。このように与えられたスケーリング関数の上限および下限の範囲における２つのポイントでは、全体の関数は、理論モデルに由来する場合がある。その手順および変更は、測定ユニットおよびセンサヘッドの個々の較正に適用されてもよい。

その発明は、さらに上記の方法を実行するための光ファイバ電流センサに関する。センサは、
コンダクタの周囲に巻きつけられた感知ファイバと感知ファイバに接続されたリターダとを有するセンサヘッドと、
光源と光検出器とを有する測定ユニットと、
センサヘッドを測定ユニットに接続する偏光保持ファイバ（polarization maintaining fiber）と、を具備する。

さらに、センサは、
センサヘッドスケーリング関数ｆ_ｓ’を表示するデータと同様、測定ユニットスケーリング関数ｆ_ｅ’を表示するデータの格納のための測定ユニットに起因する第１のメモリと、
センサヘッドスケーリング関数ｆ_ｓ’を表示するデータの格納のためのセンサヘッドに起因する第２のメモリと、
を具備する。

２つのそのようなメモリデバイスの提供は、スケーリング関数ｆ_ｅ’、ｆ_ｓ’を別々に格納することを可能にする。これにより、センサヘッドと同様に、制御ユニットを容易に代替可能なモジュール（１、２）に変化する。

発明は、次の詳細な説明で考察が与えられるとき、上述されたそれら以外の目的が明らかになり、より理解されるだろう。そのような説明は、添付された図面を参照する。
図１は、センサの第１の実施形態を示す。 図２は、センサの第２の実施形態を示す。 図３は、センサの第３の実施形態を示す。 図４は、３つの異なる温度Ｔ_ｅにおけるｆ_ｅ対項４ψ_Ｆの典型的な実例を示す。 図５は、３つの異なるセンサを除いて一定温度におけるｆ_ｅを示す。 図６は、標準化された干渉強度対位相シフト（φ_ｍｏｄ）を示す。 図７は、感知ファイバ軸とリターダ軸との間の角度を示す。 図８は、３つのリターダに対する関数ｆ_ｓ対項４ψ_Ｆを示す。 図９は、ε＝０°、７°、１３°および異なるリターダ方向βに対する関数ｆ_ｓ対４ψ_Ｆを示す。

発明を実行するためのモード

１． センサ構造
センサの構造は、参考１−７で書かれている。有利なセンサバージョンは、図１に示される。それは、測定ユニット１およびセンサヘッド２を含む。

測定ユニット１は、光源３およびｙ型統合光位相変調器４を含む。９０°スプライス（splice）５は、位相変調器４の出力のうちの１つに配置される。次のその光波は、偏光保持ファイバカプラ６に再結合される。センサヘッド２から戻る光は、位相変調器４を通り、光検出器７に到達する。信号プロセッサ８は、フォトダイオード７からの信号を処理し、かつ位相変調器４の操作を制御するために使用される。

センサヘッド２は、リターダ１０および感知ファイバ１１の１つ以上のループを含む。感知ファイバ１１は、電流コンダクタ１２に巻きつけられる。それは、測定するために電流Ｉを運ぶ。リフレクタ１３は、感知ファイバ１１の端に配置される。

偏光保持ファイバ１５は、センサヘッド２および測定ユニット１を接続する。その一端では、それは、例えば、ファイバコネクタ１６を介してカプラ６へ接続される。その他端で、それは、リターダ１０に接続される。

別の多少簡易化された有利なバージョンは、図２に示される。ここで、図１のｙ型統合光位相変調器および偏光保持ファイバカプラのコンビネーションは、ＬｉＮｂＯ_３微分位相変調器のような統合された光複屈折変調器１８と取り替えられる。それは、直交偏光方向の光波に対して非相互（non-reciprocal）の位相変調器としてここで役立つ。光源３は、望ましくは、広帯域源、例えばスーパー発光性の発光ダイオード（ＳＬＥＤ）である。その光は、ファイバリヨ減極剤（fiber Lyot depolarizer）（図示せず）で消極する。図２の例では、光は、ファイバカプラ１９を通って送られ、次に、ファイバ偏光器２０で偏光される。その偏光は、ピグテール（高速軸および遅延軸に沿った偏向方向を備える）の２つの直交偏光モードが、ほぼ同じ振幅で生成されるのと同じ方法で、位相変調器１８の偏光保持（ｐｍ）ファイバピグテールへ結合される。この目的のために、ファイバ偏光器からの光の偏向方向は、ピグテールファイバの複屈折の軸に対して４５°に整列する。ピグテール軸は、変調器の電気光学軸と平行に整列する。２つの直交光波は、偏光保持ファイバ１５を通って、変調器から感知ファイバまで移動する。感知ファイバ１１の１つ以上のループは、電流コンダクタ１２を囲む。直交線形偏光（orthogonal linear polarization）は、４分の１波のリターダ１０として動作する偏光保持ファイバ（好ましくは、楕円コアファイバ）の短いセクションによる感知ファイバ１１の近端における左右の回転偏光に変換される。ファイバコイルの遠端で、円偏光波は、リフレクタ１３によって反射され、交換された偏光を備えた２回目をコイルに渡す。４分の１波のリターダ１０は、戻り円形波を直交線形波へ変換する。前方への迂回線形波と比較して、後方への迂回線形波の偏向方向も交換される。電流Ｉの磁界は、左右の円偏光波の間の電流Ｉに比較して、微分位相シフトΔφを生成する。参考１、４で示されたように、感知ファイバ１１中の光波は、ファラデー効果の温度依存性を補償するために、回転偏光の代わりに、定義された楕円偏光状態に準備されてもよい。これは、図１の実施形態においても真実に反しない。

戻り線形偏光波は、再び変調器１８を通り、次に、ファイバ偏光器２０で干渉をもたらす。干渉信号は、光検出器７で検知される。変調器を含む閉ループ検出器は、ファイバジャイロスコープ［９、１０］から分かるような技術によって、電流生成位相シフトを回復する。測定ユニットとセンサヘッドの間のファイバ１５は、偏光保持ファイバコネクタ１６を備えている。コネクタ１６は、センサの設置を単純化し、２つのコンポーネントのうちの１つの置換が必要であるべきだった場合、センサヘッド２から測定ユニット１を分離することを可能にする。ファイバコネクタの代わりは、ファイバスプライシングである。

感知ファイバ１１は、特定の低い固有の線形複屈折（低い複屈折ファイバ）で生成された標準シングルモードファイバまたはシングルモードファイバでもよい。好ましくは、裸のファイバは、コーティングからまたはパッケージ［１、３、７］からのファイバストレスを回避するために、石英ガラスの薄い毛管に備わっている。そのようなストレスは、光波のファラデー感知（円形または楕円形）偏光を妨害し、センサの性能を下げるかもしれない。ファイバコイルは、曲がりで生じた線形ファイバ複屈折を除去するために、熱によりアニールされてもよい。または、それは、アニールされていないファイバでもよい。後者の場合、曲がりで生じた複屈折は、さらに下に記述されるようなことを考慮に入れてもよい。さらなる代案として、感知ファイバは、高い複屈折のスパンファイバ［１３］でもよい。ここで、曲がりで生じた線形複屈折は、ファイバに組み込まれた円偏光複屈折の適正量によって効果的に消される。

好ましくは、変調器１８は、ニオブ酸リチウム基板［１１］へのチタンの拡散によって生成された導光路を備えたニオブ酸リチウム変調器である。操作の波長範囲では、導光路は、基本の空間モード（ＴＥとＴＭモード）の直交偏光モードを支援する。好ましくは、基板は、ｘカットまたはｚカット（それぞれ基板面に垂直なＸ軸またはＺ軸）される。光は、ｙ方向に伝播する。好ましくは、偏光器２０（４５°スプライス）と変調器１８との間のファイバピグテールは、変調器に近いファイバ側で２つの直交偏光のユニティ（unity）をもたせるのに十分な長さで選ばれる。したがって、このファイバ側（例えばファイバの保持からのストレスによる）での偏光クロスカップリングは、検出器に到達する光波の干渉を妨害しないだろう。さらに、偏光保持ファイバの高速および遅延軸は、同様の理由で、変調器１８の高速および遅延軸に平行にそれぞれ配置される。

閉ループ検出の代わりに、開ループ検出が、使用されてもよい。開ループ検出の場合には、圧電セラミックディスクまたはその周面上を囲むファイバを備えたチューブが、変調器［１、５］のように使用されてもよい。

図３は、同じタイプのセンサだが、共通の測定ユニット１（つまり、共通の光源３および共通の信号処理ユニット８）で操作される３つのセンサヘッド２を有するセンサを示す。ここで、共通の光源３からの光は、１×３のファイバカプラ２１による３つのチャネル上に分散される。好ましくは、次の２×１のファイバカプラ１９は、例えば、０．５：０．５の代わりに、０．８：０．２のカップリング比で、非対称のカプラである。その結果、センサヘッド２から光源へバック反射された光パワーは、ファクタ（０．５×０．５）／（０．２×０．２）＝６．２５によって、減少される。したがって、光源３は、バック反射された光パワーによって、摂動の傾向がない。

２． 従来の較正
図１−３による理想的なセンサに対して、電流で生成された光位相シフトは、［１］によって与えられる。

ここで、Ｖは、感知ファイバのベルデ定数であり、Ｎは、コンダクタの周囲の感知ファイバループの数であり、Ｉは、コンダクタを通る電流である。方程式（１）では、特に、感知ファイバは、任意の複屈折がなく、リターダは、完全な４分の１波のリターダであると仮定されている。

しかしながら、実用的なセンサでは、考慮しなければならないいくつかのさらなる問題がある。

１つには、ベルデ定数Ｖは、光源３の波長（１／λ^２にほぼ比例する）および温度（１／Ｖ）／（δＶ／δＴ）＝０．７×１０^−４℃^−１に依存する。

参考４では、適切に準備されたリターダの温度依存性が、ベルデ定数の温度依存性を本質的に補償するために使用される場合、方法が示された。

さらに、参考３を見て、方程式（１）の単純な関係から外れてしまうかもしれないいくつかの要因がある。その結果、所定の電流における名目上の同一のセンサの生信号は、一定のマージン内で異なってもよい。これらの逸脱の起点は、次のものを含んでいる。

・感知ファイバコイルの欠陥。

例えば、曲がりで生じたおよび／または固有のファイバ複屈折、不完全な整数ループ数Ｎ。

・ファラデー効果の温度補償。

参考１、４による温度補償は、量εによって９０°から外れるリターダで働く。δの量における感知ファイバ中の無視できない曲がりで生じた複屈折位相遅延δおよびファイバコイル面に対するリターダ軸の方向εの場合、εの固有値は、リターダファイバの特性に依存する。非９０°のリターダは、スケール係数（それは、ε、δ、β、つまり、リターダファイバ特性およびコイルパラメータに依存する）の変化をもたらし、したがって、異なるセンサコイル［３］に対して変化してもよい。

・スケール係数に影響する他のリターダに関連する結果。

遅延は、製造許容範囲のため、ターゲットから外れる。

リターダの複屈折軸とコネクトファイバ軸との間の角度は、完全な４５°の角度から外れる。

標準コイル（曲がりで生じたファイバ複屈折の（残留）軸）［３］に対するリターダ軸の方向の許容範囲。

・変調器の欠陥。

ファイバピグテールおよびファイバスプライスにおける変調器内の直交光波間の偏光クロスカップリング。

変調器欠陥は、温度の関数として変化してもよい。

・不完全なファイバ偏光器。

これらの欠陥は、センサのスケール係数に影響し、信号対電流の関係に非線形性を取り込む。さらに、複屈折および分極クロスカップリングのような欠陥は、一般に温度に応じて変化し、したがって、センサの温度依存性に寄与するかもしれない。

測定ユニット１は、電流で生じた位相シフトΔφを電気信号（デジタルワードまたはアナログ電流または電圧）に変換する。この生信号Ｓは、センサヘッドによって既知の電流の範囲を送り、電流Ｉ：Ｓ＝Ｆ（Ｉ）の関数として、信号Ｓを測定することによって、一次電流Ｉ（アンペア）のユニットで、慣例通りに測定される。さらに、較正プロセスは、一般に、温度の影響を明らかにするまたは適切な温度補償を確認するために、測定ユニット１およびセンサヘッド２に対する温度サイクルを含んでいる。

プロセスは、結果として、（標準化された）スケーリング関数ｆ_ｃを始める１組の較正係数となる。関数ｆ_ｃは、次のものによる一次電流Ｉへの検知された微分磁気光学位相シフトΔφに関係がある。

もし存在するならば、関数ｆｃは、上記の言及された欠陥、非線形性および温度依存性のどれも明らかにする。ベルデ定数の波長依存性は、さらに以下が考慮される。標準波長（λ_ｏ）である時間は、Ｖ＝Ｖ（λ_ｏ）で仮定される。一般に、ｆ_ｃは、電流Ｉまたは（等価の）信号Ｓの関数、センサヘッド温度Ｔ_ｓおよび測定ユニット温度Ｔ_ｅである。さらに、ｆ_ｃは、波長に応じて多少変化してもよい。この記述の目的に関して、波長の全ての影響は、共通の修正項に含まれている（以下を参照）。理想的なセンサ（欠陥がない）関数ｆ_ｃ（Ｉ、Ｔ_ｓ、Ｔ_ｅ）については、すべての条件の下のユニティが等しい。

信号Ｓ＝Ｆ（Ｉ）は、次のものによって与えられる。

例えば、ラジアンに関する最下位ビットと光位相シフトとの間の固定関係をセットする、デジタルエレクトロニクスの場合、ファクタｋは、定数である。

方程式（５）は、次のように書き換えられてもよい。

温度効果の補正のために、センサは、Ｔ_ｅおよび／またはＴ_ｓを測定する１つまたはいくつかの温度センサを備えていてもよい。

センサ信号Ｓの関数としての電流Ｉは、Ｉ＝Ｆ^−１（Ｓ）によって与えられる。ここで、Ｆ^−１（Ｓ）は、関数Ｆ（Ｉ）の逆数である。

電流Ｉは、次のように書かれてもよい。

ここで、ｆ_ｃ’（Ｓ、Ｔ_ｓ、Ｔ_ｅ）は、信号Ｓを電流Ｉに変換するためのスケーリング関数である。

一般に、ユニティからのｆ_ｃおよびｆ_ｃ’のずれは、小さく、つまり、Δφ〜４ψ_Ｆである。したがって、よい近似では、ｆ_ｃ’は、比率Ｓ／ｋ（＝Δφ）を備えた項４ψ_Ｆの方程式（２）のｆ_ｃの交換によってｆ_ｃから導いてもよい。ｆ_ｃの逆数は、次のようにとる。

従来の較正プロセスは、全体としてセンサに対して済んでいる、つまり、センサヘッド２および測定ユニット１は、個々に較正されない。言及された欠陥が、デバイスからデバイスで異なるので、オリジナルの較正の精度をある程度自由にすることなく、例えば構成要素障害（component failure）の場合には、測定ユニットまたはセンサヘッドを交換することは一般に可能ではない。したがって、現場での再測定が、多くの場合可能ではないかもしれないので、現場での構成要素障害は、完全なセンサを交換することを要求してもよい。しかしながら、センサヘッドが、スイッチギヤーのような他の高圧設備に統合されてもよいので、完全なセンサの交換は、やり難いかもしれない。その結果、センサの十分な置換は、設備のシャットダウンおよび拡張停電を要求してもよい。

特に、もしセンサ精度のロスがなく、測定ユニットを交換することが可能ならば、そのような障害を回避することができるだろう。（測定ユニットは、センサヘッドより故障しがちであると考えられる。後者は、受動素子だけからなる。）
したがって、本発明は、測定ユニットとセンサヘッドを個々に較正することを可能にする手順を示し、センサを較正する必要なく、現場で一方の構成を交換することを可能にすることを目的とする。

３． 測定ユニットとセンサヘッドの個々の較正
測定ユニット１は、位相シフトΔφを測定し、それをデジタル量に変換する。適切な信号処理によって、デジタル信号は、ラジアンのユニットで本質的に測定される。上に考えた閉ループ信号処理回路は、例えば、変調器に位相ランプを適用する。その瞬間の傾斜は、瞬間の位相シフトΔφおよび電流に比例する。ファイバコイルに適用された一定の直流の場合には、それが上限に達するまで、ランプ電圧は、時間で線形的に増加する。したがって、制御ループは、２πの位相シフトΔφと等価な量によって、電圧をリセットする。（つまり、動作点は、隣接する干渉縞へシフトされる。）ここで、１つは、Δφの関数として干渉信号が、２πの周期性を有する事実を利用する。２πリセットに対して必要とされた電圧ステップは、ラジアンに関する電圧の較正を表し、したがって、ファクタｋを定義する。詳細は、参考１０を参照する。最後に、電圧は、センサヘッドを通って既知の電流を送ることにより、電流（アンペア）のユニットで測定される。

開ループ信号処理の場合には、位相校正は、検出器で見られた変調周波数の１、２または４つの調波に由来してもよい。

新しい校正手順によれば、方程式２−６の関数ｆ_ｃは、測定ユニットおよびセンサヘッドに対する個々のスケーリング関数の積ｆ_ｃ＝ｆ_ｅ・ｆ_ｓによってそれぞれ置き換えられる。同様に、方程式８、９の関数ｆ_ｃ’は、ｆ_ｃ’＝ｆ_ｅ’・ｆ_ｓ’によって置き換えられる。したがって、方程式８は、次のようなものを導き出す。

下記に記述されたように、関数ｆ_ｅ、ｆ_ｓ（ｆ_ｅ’、ｆ_ｓ’）は、互いに関係なく決定することができる。

３．１ 測定ユニットの較正
下記の中で、測定ユニットを較正するための、つまり、関数ｆ_ｅ、ｆ_ｅ’を決定するための多くの異なる方法が、記述される。

ａ） 信号対電流測定から生じる較正
図４は、測定ユニット１の様々な温度Ｔ_ｅに対するｆ_ｅ対項４ψ_Ｆ＝４・Ｖ・Ｎ・Ｉの典型的な実例を示す。関数ｆ_ｅは、上に言及された理由を温度に依存してもよい。図５は、異なる測定ユニットに対する一定温度におけるｆ_ｅを示す。同様に、例証されるように、ユニットからユニットまでの欠陥の程度における変化は、ｆ_ｅに差異を生じさせてもよい。本発明につながる働きでは、欠陥の影響は、πの倍数に等しい電流に引き起こされた位相シフト４ψ_Ｆ＝４ＶＮＩ、つまり、πの倍数で、大部分が消えること、関数ｆ_ｅは、個別センサ間の変化およびＴ_ｅと無関係のユニティと本質的に等しいことが、理論上見つかり、実験的に確認された。理由は、そのような位相シフトでは、欠陥（例えば分極クロスカップリング）によって生成された寄生波および干渉（図１および２）にもたらされる２つの直交光波が、ある意味では、互いに重ね合わさるということである。結果は、理想的なセンサの２つの波に似ている。したがって、π（または、πの倍数）における信号は、絶対参照として役立つことができる。（ここで、要求は、感知ファイバ１１の複屈折が十分に小さいことである；無視できない複屈折の場合については、さらに下のコメントを参照されたい。）
較正の目的で、測定ユニット１は、既知のセンサヘッドスケーリング関数ｆ_ｓまたはｆ_ｓ’を有する基準センサヘッドに接続される。有利に、基準センサヘッドは、電流Ｉと無関係に、ｆ_ｓ＝１（影響力の精度内）の感知で理想的である。基準センサヘッドのコイルは、一定温度（基準温度Ｔ_ｏ、つまり、Ｖ＝Ｖ（λ、Ｔ_ｏ））で維持される。理想的なコイルは、任意の線形複屈折がなく、完全な４分の１波、つまり、ε＝０°のリターダを有する。無視してよいほどに小さな複屈折を備えたコイルは、本質的に低い複屈折を有するファイバの単一ループで、および十分に大きなループ直径（例えば１．５ｍ）で実現されてもよい。無視できるものとして、この直径における曲がりで生じたファイバストレスおよび複屈折が考慮されてもよい。１．５ｍのループ直径、８０μｍのファイバ直径、１３１０ｎｍの波長を仮定し、複屈折の位相遅延は、約０．６°のみである。好ましくは、ファイバは、パッケージング関連のストレスを回避するために、参考３、７で記述されるように、準備されパッケージにされる。１３１０ｎｍにおけるπの光位相シフトの生成は、１つファイバループの場合、約７５０ｋＡの電流を要求する。これは、例えば、ファイバの周囲が包まれた５００万のコンダクタループ中の１５０Ａの電流で、達成されてもよい。

ファイバリターダは、複屈折の楕円のコアファイバの短いセクションが好適である。ストレスに引き起こされた複屈折を備えたファイバとは対照的に、このタイプのリターダの遅延は、比較的小さな温度依存性を有する。所望の９０°遅延は、参考１、４、１２に記述されるような微調整手順によって、初期の大きな開始値（例えば９５°）から接近されてもよい。９０°の遅延が到達したかを決定するための測定は、以下のとおりである：各微調整ステップの後に、リターダ温度は、例えば、−２０℃と１００℃の間で変化し、所定の電流におけるセンサ信号で生じる影響が、測定される。熱電冷却機／ヒータは、温度制御に使用されてもよい。電流は、４ψ_Ｆがゼロに近い場合、９０°からのリターダの偏向へのための信号の感度が、最大であるので、４ψ_Ｆ≪πのようなものが選ばれる。センサ信号のリターダ温度の影響が、最小である場合、位相遅延は、９０°である。これは、センサスケール係数が、ε^２にほぼ比例して変化するという事実による。ここで、εは、９０°からのリターダの偏向である（参考１、４）。完全な信号線形性からの偏向は、このように準備されたファイバコイルに対して０．１％よりかなり下である。リターダ波長調整に使用されてもよい別の基準は、信号（スケール係数）が９０°の遅延で最小に達するという事実である。リターダ生成が、制御の下で十分よい場合、余分な微調整が、回避されてもよく、リターダが、所望の９０°遅延で直接生成されてもよいことは明白である。

測定ユニットの較正は、選択された温度Ｔ_ｅにおける電流Ｉ（または４ψ_Ｆ）の関数としてセンサ信号Ｓの測定を含んでいる。測定は、求められた項ｇ・ｆ_ｅ（Ｉ、Ｔ_ｅ）＝Ｓ／Ｉ、（１／ｇ）・ｆ_ｅ’・（Ｓ、Ｔ_ｅ）＝Ｉ／Ｓ（仮定ｆ_ｓ＝１）を生成する。既知のパラメータｇでは、スケーリング関数ｆ_ｅ’（４ψ_Ｆ、Ｔ_ｅ）およびｆ_ｅ’（Ｓ、Ｔ_ｅ）が、さらに知られている。注：較正については、積ｇ・ｆ_ｅ、（１／ｇ）・ｆ_ｅ’を決定するのに十分である。つまり、ｇについての明示的な知識は、必要ではない。

簡潔な解決法では、スケーリング関数ｆ_ｅ（Ｉ、Ｔ_ｅ）（またはｆ_ｅ’（Ｓ、Ｔ_ｅ）と同等）の値は、複数の電流値Ｉに対して（または、同等の、複数の信号値Ｓに対して）決定することができる。温度Ｔ_ｅおよび得られた値は、ルックアップ表に格納されてもよい。したがって、ルックアップ表は、測定された信号Ｓおよび温度Ｔ_ｅから電流Ｉを算出するために使用される。

多くの場合、関数ｆ_ｅ、ｆ_ｅ’を決定するための任意の方法の組合せとして、第１のステップで、例えば室温で、単一の所定の温度Ｔ_ｏにおける信号Ｓ対電流Ｉを測定するのに、第２のステップで、選択された（所定の）電流Ｉ_ｏ（例えば、関連する電流）におけるＳ対温度Ｔ_ｅを測定するのに、十分かもしれない。したがって、関数ｆ_ｅ（Ｉ、Ｔ_ｅ）は、２つの関数の積によって次のように概算する。

同様に、信号Ｓを電流Ｉに変換するための関数ｆ_ｅ’（Ｓ、Ｔ_ｅ）は、次のものによって与えられる。

その後、電流Ｉは、生信号Ｓから以下のように算出される。

関数ｆ_ｅ’（Ｓ、Ｔ_ｏ）は、多項式として以下のように表してもよい。

同様に、ｆ_ｅ’（Ｓ_ｏ、Ｔ_ｅ）は、多項式によって以下のように表してもよい。

代案として、関数ｆ_ｅ’（Ｓ、Ｔ_ｏ）およびｆ_ｅ’（Ｓ_ｏ、Ｔ_ｅ）は、ルックアップ表に再び格納されてもよい。

さらなる代案として、関数は、スプライン曲線によって表してもよい。

温度効果の大きさ、操作の必要な温度領域、必要精度に依存して、一般に、室温で、単一の温度においてのみ、それは、ｆ_ｅ対電流Ｉを決定するのに十分かもしれない。
上述されたように、手順は、パラメータｇ＝ｋ・Ｖ・Ｎの明示的な決定を要求しない。原則として、それは、ｇおよびｆ_ｅ（Ｉ、Ｔ_ｅ）の積を決定するのに十分である。必要に応じて、ｇの値は、４ψ_Ｆ＝πにおける供給された電流および測定された信号から決定してもよい。ここで、ｆ_ｅ＝１（ファイバコイルｆ_ｓのスケーリング関数が、理想的なコイルを仮定する電流と無関係なユニティと等しいことに留意する）。既知のファイバループＮの数およびベルデ定数Ｖで、手順は、（上に言及された自己校正に加えて）ファクタｋの独立した検証を表す。

本記述および請求項の目的で、項ｆ_ｅ、ｇ・ｆ_ｅは、交換できて使用することができる。言い換えれば、例えば、ｆ_ｅが測定されることが要求された場合、ｆ_ｅが明示的に測定される、または、ｇ・ｆ_ｅが測定されることが、理解される。

ｂ） 干渉縞視認度から生じた較正
測定ユニットは、理想的なファイバコイルに再び接続される、つまり、ｆ_ｓは、基準温度Ｔ_ｏにおける電流と無関係のユニティと等しい。前のセクション中の手順とは対照的に、較正は、実際に電流を流す必要なく済んでいる。（完全なコイルの代わりに、リフレクタを備えた感知ファイバの短いセクションは既に十分だろう）。代わりに、関数ｆ_ｅは、４ψ_Ｆ＝πに対応する電流におけるｆ_ｅ＝１の情報およびゼロ電流における干渉縞視認度から決定される。上記の言及された欠陥（分極クロスカップリング）は、図４、５に例証されるような非線形性を導入し、同時に、縞視認度を減少する。図６は、欠陥を備えたセンサ（測定ユニット、実線内の分極クロスカップリング）および理想的なセンサ（破線）に対する非相互の位相変調器によって導入された標準化された干渉強度対位相シフトφ_ｍｏｄを示す。磁気光学位相シフト４ψ_Ｆは、ゼロまたはゼロ点近くであると仮定する。４ψ_Ｆ＝πにおいて、図６の中で定義されるようなａ、ｂを備えたｖ＝（ｂ−ａ）／（ａ＋ｂ）として定義された、縞視認度ｖは、ユニティ（前記欠陥の存在においてさえ）に近づいている。つまり、干渉強度対φ_ｍｏｄは、図６の破線に本質的に続く。ゼロ電流において、φ_ｍｏｄ＝π（１８０°）における標準化された強度オフセットａは、それを示すことができる、所定の温度Ｔ_ｅ（図４参照）における関数ｆ_ｅのユニティからのオフセットｈと等しいことが示される。より一般に、ｈは、ｈ＝ｐ・ａとして与えられる。ここで、パラメータｐが、光学部品の詳述に依存し、実験的に決定されてもよい。下記では、ｐがｐ＝１と等しいと仮定されている。４ψ_Ｆ＝０（ｆ_ｅ＝１＋ｈ）および４ψ_Ｆ＝π（ｆ_ｅ＝１）におけるｆ_ｅを知ることは、関数ｆ_ｅは、磁気光学位相シフトおよび電流の全範囲に対して決定することができる。参考３で概説された形式に続いて、関数ｆ_ｅは、次のような本ケースで表現されてもよい。

したがって、記述されるように実験的に決定したパラメータｈで、関数ｆ_ｅは、４ψ_Ｆの関数および等価な電流Ｉ＝ψ_Ｆ／ＶＮとして算出することができる。任意、つまり、ｆ_ｅ（Ｉ、Ｔ_ｅ）（ｆ_ｅ’（Ｓ、Ｔ_ｅ）と同様）である場合、その手順は、温度を備えたｆ_ｅの変化を決定するために、測定ユニットの様々な温度のために繰り返されてもよい。ここで、パラメータｇは、所定のタイプのすべてのセンサに対して既知で一定であるとして考慮される。

従って、パラメータｈは、干渉縞視認度から決定することができる。干渉縞視認度は、順に、測定ユニット１によって放射された偏光（light polarization、光分極）間の位相シフトの導入に対して変調器４または１８を操作することにより測定され、それによって、光検出器７で干渉縞を生成する。

関数ｆ_ｅ’（Ｓ）で決定された所定の温度Ｔ_ｅにおける関数ｆ_ｅ＝ｆ_ｅ（４ψ_Ｆ）または等価のｆ_ｅ＝ｆ_ｅ（Ｉ）は、関係ｆ_ｅ＝ｆ_ｅ（４ψ_Ｆ）中の置換により、方程式（９）によって概算されてもよい。項４ψ_Ｆは、項Ｓ／ｋ（Ｓ／ｋ＝Δφ〜４ψ_Ｆ）を備える。関数ｆ_ｅの逆数は、次のように得られる。

ｃ） 小電流におけるスケール係数から生じた較正
縞視認度からｆ_ｅ（およびｆ_ｅ’）のゼロ（または小さな）電流値を生じさせる代わりに、パラメータｈは、（上記から理想的なコイルを再び用いて）小電流、つまり、４ψ_Ｆ≪１を適用することによって、決定されてもよい。残りの手順は、セクションｂのようである。特に、測定ユニット１は、センサヘッドスケーリング関数ｆ_ｓ＝１を有する理想的なセンサヘッドに再び接続される。理想的なセンサヘッドの感知ファイバは、電流Ｉを運ぶコンダクタの周囲に巻きつけられる。

ｄ） 位相変調器における分極クロストークから生じた較正
一般に、関数ｆ_ｅは、位相変調器およびそのファイバピグテール（通常軸と異常軸との間の光結合）における分極クロストーク（ＰＣＴ）によって主として決定される。したがって、次のように、変調器クロストークおよびその温度依存性を単に測定し、パラメータｈおよび関数ｆ_ｅ、ｆ_ｅ’を引き出すのに十分かもしれない。

分極クロストークは、次のように定義される。

ここで、線形偏光が、複屈折ファイバ軸（ここではｘ）に平行なその偏光を備えた変調器の入口ファイバピグテールへ始められると仮定されている。Ｐ_ｙおよびＰ_ｘは、ｘとｙに平行な偏向方向に対する出口ピグテールで検知された光パワーをそれぞれ示す。

十分に小さなＰＣＴについては、パラメータｈは、ｈ＝２（Ｐ_ｙ／Ｐ_ｘ）として与えられ、４ψ_Ｆ＝０におけるｆ_ｅは、ｆ_ｅ＝１＋ｈとして再び与えられる。

注： 上記から、電流Ｉおよび温度Ｔ_ｓの関数としてのｆ_ｓが知られている場合、上記の手順による測定ユニット１の較正が、非理想のコイル（それは、ユニティと異なるｆ_ｓである）との関係を断つことは明らかである。非理想のコイルの関数ｆ_ｓ（Ｉ、Ｔ_ｓ）は、下記に述べられた方法のうちの１つによって決定されてもよい。

３．２ センサヘッドの較正
理想的なセンサヘッドのスケーリング関数は、電流の大きさと無関係に、ユニティ（ｆ_ｓ＝１）と等しい、つまり、磁気光学の位相シフトΔφは、電流Ｉを備えた完全な線形で増加する。センサヘッドの望ましいデザインは、非９０°リターダ（例えば、１００°の遅延を備えたリターダ）を使用する。適切な遅延を選ぶことによって、遅延の温度依存性およびセンサスケールのその影響は、ベルデ定数［１］の温度依存性のバランスを本質的に保つ。温度補償に対するファイバコイルの余分な温度センサが免除される。

上で言及されたように、非９０°リターダは、センサ応答である量の非線形性を導入する。さらに、スケーリング関数は、そのような複屈折が存在する場合には、感知ファイバ中の曲がりで生じたまたは固有の複屈折によって、標準のファイバコイルへのリターダ軸の方向によって、影響される。広い電流範囲に関する優れたセンサ精度が必要な場合、結果が説明されるに違いない。位相シフトΔφは、［３］として書かれてもよい。

その後、スケーリング関数ｆ_ｓは、次によって算出される。

ここで、δおよびδ_ｉは、曲がりで生じた固有の複屈折による感知ファイバ中の複屈折位相遅延をそれぞれ示す。角度βおよびβ_ｉは、偏光保持ファイバリードの主軸と曲がりで生じた固有の複屈折の遅延軸との間のそれぞれの角度である（図７）。曲がりで生じた複屈折の遅延軸は、ファイバコイルの通常の方向と一致する。固有の複屈折は、無視できる（δ_ｉ＝０）として仮定することができる。上記の均等化は、次のように縮小する。

曲がりで生じた複屈折によるファイバ回転（ｒａｄ／回転）に対する複屈折の位相遅延は、次のものから（参考［３］および基準）によって与えられる。

ここで、ｒ、Ｒは、ファイバとループの半径をそれぞれ示す。Ｅ＝７．５・１０^１０ＰａおよびＣ＝−３．２８・１０^−１２Ｐａ^−１は、それぞれヤング率および応力光学係数（stress-optic coefficient）であり、λは、操作の波長である。

図８は、９０°（ε＝７°、８°、９°）から異なる偏向で、３つのリターダに対する関数ｆ_ｓのための理論的な結果を示す。感知ファイバは、任意の複屈折（δ＝０、δ_ｉ＝０）がないと仮定される。曲がりは、リターダ方向に依存しない。さらに、関数ｆ_ｓは、位相シフト４ψ_Ｆ＝π（またはπの倍数）におけるユニティと等しい。

図９は、δ＝１．３３°（δ_ｉ＝０°）の複屈折の位相遅延を備えたファイバコイルに対するε＝０°、７°、１３°のためのｆ_ｓ対４ψ_Ｆを示す。（そのような遅延は、例えば、半径０．８２ｍ、ファイバ直径８０μｍおよび波長８２０ｎｍを備えた単一ファイバループで生成される。）曲がりが、今、リターダ方向によって影響されることが理解される。β＝４５°、９０°および１３５°に対する曲がりは、４５°において、遅延リターダ軸の平行方向に、標準のファイバコイルに垂直な方向にそれぞれ相当する。曲がりが、今４ψ_Ｆ＝１８０°におけるユニティから多少外れることは、明らかである。リターダ軸が、標準のファイバコイルに４５°である場合、偏向は最も小さい。ゼロでない複屈折δに対して、関数ｆ_ｓは、さらにπの倍数に相当する磁気光学の位相シフト４ψ_Ｆにおけるユニティとやはり等しいが、無視できないδ値の場合、奇妙なπの倍数におけるユニティから極めて外れてもよい。

注： リターダの遅延ρおよび複屈折δは、光源の波長によるので、関数ｆ_ｓは、波長に多少依存する（セクション３．３を参照）。

下記において、センサヘッドを測定するための、つまり、関数ｆ_ｓの決定のための多くの異なる方法が、記述される。

ａ） 信号対電流測定から生じたコイル較正
ファイバコイルは、上に記述されるように調整された測定ユニットに接続され、つまり、測定ユニットスケーリング関数ｆ_ｅ、ｆ_ｅ’が、知られている。スケーリング関数ｆ_ｓ（またはｇとｆ_ｓの積）およびｆ_ｓ’は、電流の範囲を供給し、その結果生じた信号Ｓを測定して、決定される。

ｂ） 干渉縞視認度から生じたコイル較正
ファイバコイルは、既知のパラメータａ_ｅおよびｈ_ｅを備えた調整された測定ユニットと関係がある。ゼロ電流におけるスケーリング関数ｆ_ｓは、φ_ｍｏｄ＝πにおける標準化された強度オフセットａから決定される。今、オフセットは、測定ユニットおよびファイバコイルからの寄与ａ_ｅおよびａ_ｓからそれぞれなる：ａ＝ａ_ｅ＋ａ_ｓまたはａ_ｓ＝ａ−ａ_ｅ。ゼロ電流の近くの関数ｆ_ｓは、ｈ_ｓ＝ａ_ｓを備えたｆ_ｓ＝１＋ｈ_ｓとして与えられる。関数ｆ_ｓは、上記の方程式による電流範囲全体に対して決定される。再び、パラメータｇは、所定のタイプの全てのセンサに対して既知であり一定であるとして考慮される。方程式（２１）と同様に、関数ｆ_ｓは、次のように与えられる。

特に、曲がりで生じた複屈折位相遅延δ（δ_ｉと同様）が、無視できる場合、関数ｆ_ｓ（Ｉ＝０）＝１＋ｈ_ｓ（ψ_Ｆ＝０に対応する）は、ε値を算出するために、方程式（２８）−（３１）に挿入することができる。それから、ｆ_ｓは、方程式（２８）−（３１）を再び使用して、電流Ｉの任意値に対して算出することができる。

δが無視できない場合、ｒとＲが知られているならば、それは、方程式（３２）から算出することができる。パラメータβまたはεのうちの少なくとも１つは、製造プロセスから知られている（少なくともおおよそ）はずである。例えば、βが知られている場合、εは、方程式（２３）−（２８）のｆ_ｓ（Ｉ＝０）＝１＋ｈ_ｓを挿入することにより、算出することができる。そこから、ｆ_ｓは、方程式（２３）−（２８）を使用して、任意値を算出することができる。εが知られている場合、βを算出し、方程式（２３）−（２８）を使用して、ｆ_ｓを再び算出することができる。

ｃ） 小電流でスケール係数から生じたコイル較正
ゼロ電流で縞視認度を測定する代わりに、小さな磁気光学位相シフト（４ψ_Ｆ≪１）のスケーリング関数ｆ_ｓは、小電流の適用により決定される。残りの手順は、セクションｂでのようになる。ε（または適用可能な場合はβ）の値が、測定データに適合することができる場合、そこから、ｆｓは、方程式（２３−２８）または方程式（２８−３１）を用いて、ＩまたはＳの任意の値に対して算出することができる。

ｄ） 関数ｆ_ｓの算出によるコイル較正
所定の良く知られたパラメータρ、δ、βのセットに対して、関数ｆ_ｓ（およびｆ_ｓ’）は、単に、上で与えられた方程式のセットによるｆ_ｓ＝ｆ_ｓ（４ψ_Ｆ）の算出によって、決定されてもよい。

ｅ） 温度の影響
上に議論されたファイバコイルは、本質的に温度補償であり、つまり、余分な手段は、較正に対する温度に関して必要ではない。

本質的に温度補償でないファイバコイルは、１つまたはいくつかの余分な温度センサを備えてもよい。したがって、スケーリング関数ｆ_ｓ＝ｆ_ｓ（Ｉ、Ｔ_ｓ）［ｆ_ｓ’＝ｆ_ｓ’（Ｓ、Ｔ_ｓ）］の温度依存性は、関数ｆ_ｅ（またはｆ_ｅ’）の温度依存性と同じ方法で考慮される。

３．３ 操作の波長の影響
ベルデ定数Ｖは、波長の関数である。よい近似では、Ｖは、Ｖ（λ）＝（λ_ｏ／λ）^２Ｖ（λ）として書かれてもよい。したがって、上で定義されたパラメータｇ＝ｋ・Ｖ（λ）・Ｎは、パラメータｋおよびＮとは別に、基準波長λ_ｏにおける既知のベルデ定数および光源の実際の波長λを用いて、決定される。一般に、光源は、スーパー発光ダイオードのような、広帯域の半導体光源である。ここで、λは、所定のスペクトルに対する重心波長である。この波長は、もし一定を保持できない場合、光源温度および駆動電流によって影響され、これらのパラメータは考慮されるに違いない。

上に言及されたように、関数ｆ_ｅ、ｆ_ｅ’、ｆ_ｓ、ｆ_ｓ’は、多少波長とともに変更される。対応する効果は、理論的な考察から生じ、上記の手順に含まれてもよい。または、全体的な波長依存性は、所定のタイプのセンサ（ベルデ定数Ｖと同様にｆ_ｅ、ｆ_ｅ’、ｆ_ｓ、ｆ_ｓ’の波長依存性を含む）に対して実験的に決定されてもよい。これは、共通の波長係数Ｌ（λ）に結果としてなる。その後、パラメータｇは、ｇ＝Ｌ（λ）・ｋＶ（λ_ｏ）・Ｎとして与えられる。

３．４ 較正データの記憶
複数のファイバループを含むセンサヘッドの較正データと同様に、光源波長上の情報を含む測定ユニット１の較正データは、測定ユニット１の第１のメモリ２２に格納される。複数のファイバループを含むセンサヘッド２の較正データも、センサヘッド２に起因するメモリ２３、例えば、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）で、格納されてもよい。

有利に、第１のメモリ２２は、測定ユニット１に配置される。第２のメモリ２３は、センサヘッド２の一部である、つまり、それは、センサヘッド２に物理的に接続される。第２のメモリ２３は、例えば、コイルを測定ユニットに接続する偏光保持ファイバケーブル１５の制御ユニット端に位置させることができる。

測定ユニットまたはセンサヘッドが交換される場合、測定ユニットは、コイルデータを読み、新しいデータでそれ自体を再構成する。較正データとは別に、ＥＰＲＯＭ２３は、センサヘッドおよび光ファイバケーブル長の光損失のようなさらなるパラメータを含んでいてもよい。

４． 注記
測定ユニットおよびセンサヘッドは、互いに分離される、または、コネクトファイバケーブルに沿った１つまたはいくつかのファイバコネクタによって結合されてもよい。または、ファイバは、統合スプライサによって結合されてもよい。

部分的に、上記の較正概念は、他のタイプの光ファイバ電流センサ、特に、サニャクタイプの干渉電流センサ［１］または偏光電流センサに適用されてもよい。ここで、ファラデー効果は、線形偏光［８］の偏光回転として観察される。

今発明の好ましい実施形態が示され記述される一方、発明は、それらに制限されず、別の種々に具体化されてもよく、次の請求項の範囲内を実施されてもよいことが、はっきりと理解される。

参考

１．K. Bohnert, G. Gabus, J. Nehring, and H. Braendle, “Temperature and vibration insensitive fiber-optic current sensor”, J. of Lightwave Technology 20(2), 267-276 (2002).
２．K. Bohnert, H. Braendle, M. Brunzel, P. Gabus, and P. Guggenbach, “Highly accurate fiber-optic dc current sensor for the electro-winning industry”, IEEE/IAS Transactions on Industry Applications 43(1), 180-187, 2007.
３．K. Bohnert, P. Gabus, J. Nehring, H. Braendle, M. Brunzel, “Fiber-optic high current sensor for electrowinning of metals”, Journal of Lightwave Technology, 25(11), 3602-3609, 2007.
４．EP 1 115 000
５．EP 1 154 278
６．EP 1 512 981
７．WO2005/111633
８．Y. N. Ying, Z. P. Wang, A. W. Palmer, K. T. V. Grattan, D. A. Jackson, Rev. Sci. Instruments 66, 3097, 1995.
９．R. A. Bergh, H.C. Lefevre, and H. J. Shaw, “An overview of fiber-optic gyroscopes”, J. Lightw. Technol., 2 (2), 91-107, 1984.
１０．“The fiber-optic gyroscope”, Herve Lefevre, Artech House, Boston, London, 1993.
１１．M. Lawrence, Lithium niobate integrated optics, Reports on Progress in Physics, 363-429, 1993.
１２．EP 1 107 029
１３．R. I. Laming and D. N. Payne, “Electric current sensors employing spun highly birefringent optical fibers”, J. Lightw. Technol., 7(12), 2084-2094, 1989.

参照番号

１：測定ユニット
２：センサヘッド
３：光源
４：変調器
５：９０°スプライス
６：ファイバカプラ
１０：リターダ
１１：感知ファイバ
１２：コンダクタ
１３：リフレクタ
１５：偏光保持ファイバ、偏光保持ファイバケーブル
１６：ファイバコネクタ
１８：微分位相変調器
１９：ファイバカプラ
２０：ファイバ偏光器
２１：１×３ファイバカプラ
２２、２３：メモリ
ａ、ｂ：干渉縞パラメータ（図６）
ａ_ｅ、ｂ_ｅ：測定ユニット用の干渉縞パラメータ
ａ_ｓ、ｂ_ｓ：センサヘッド用の干渉縞パラメータ
ｆ_ｃ、ｆ_ｃ’：標準化されたスケーリング関数
ｆ_ｅ、ｆ_ｅ’：測定ユニットスケーリング関数
ｆ_ｓ、ｆ_ｓ’：センサヘッドスケーリング関数
Ｆ、Ｆ^−１：関数、逆関数
ｇ：４ｋＶＮ
ｈ：ｐ・ａ
ｈ_ｓ、ｈ_ｅ：センサヘッド、測定ユニット用のそれぞれのｈ
Ｉ：電流
Ｉ_ｏ：選択された電流
ｋ：ファクタ
Ｎ：感知ファイバループの番号
ｐ：パラメータ、一般的に１
Ｒ：ループ半径
ｒ：ファイバ半径
Ｓ：信号、生信号
Ｓ_ｏ：電流Ｉ_ｏの信号
Ｔ_ｅ：測定ユニット温度
Ｔ_ｏ：基準温度
Ｔ_ｓ：センサヘッド温度
Ｕ：方程式（９）参照
Ｖ：ベルデ定数
ｖ：縞視認度
β、β_ｉ：標準コイルおよび固有の複屈折に関する偏光保持ファイバ軸のそれぞれの方向
Δφ、ψ_Ｆ：位相シフト
δ、δ_ｉ：曲がりで生じた固有の複屈折位相遅延
ε：９０°遅延からのリターダのオフセット
γ：方程式（１０）参照
λ：波長
λ_ｏ：基準波長

Claims (16)

1. コンダクタ（１２）で電流Ｉを測定する光ファイバ電流センサを操作する方法であって、
   前記電流センサは、
   前記コンダクタ（１２）の周囲に巻きつけられた感知ファイバ（１１）と、前記感知ファイバ（１１）に接続されたリターダ（１０）と、を有するセンサヘッド（２）と、
   光源（３）と光検出器（７）とを有する測定ユニット（１）と、
   前記センサヘッド（２）を前記測定ユニット（１）に接続する偏光保持ファイバ（１５）と、
   を具備し、
   前記方法は、
   前記光源（３）から前記センサヘッド（２）まで光を送るステップと、
   前記光検出器（７）によって、前記センサヘッド（２）からの戻り光から生じた信号Ｓを測定するステップと、
   Ｉ＝（Ｓ／ｇ）・ｆ_ｅ’（Ｓ）・ｆ_ｓ’（Ｓ）から前記電流Ｉを算出するステップと、
   を具備し、
   前記ｆ_ｅ’（Ｓ）は、前記信号Ｓによる前記測定ユニット（１）のスケーリング関数であり、
   前記ｆ_ｓ’（Ｓ）は、前記信号Ｓによる前記センサヘッド（２）のスケーリング関数であり、
   前記ｇは、前記信号Ｓから独立した定数である、方法。
2. 前記センサヘッドスケーリング関数ｆ_ｓ’から独立して、前記測定ユニットスケーリング関数ｆ_ｅ’を決定するステップをさらに具備する、請求項１の方法。
3. 前記測定ユニットスケーリング関数ｆ_ｅ’は、温度Ｔ_ｅと同様の前記信号Ｓの関数であり、
   前記測定ユニットスケーリング関数ｆ_ｅ’は、
   少なくとも１つの電流値に対して、前記測定ユニットスケーリング関数ｆ_ｅ’（Ｓ、Ｔ_ｏ）を得るために、所定の温度Ｔ_ｏの電流の関数として前記信号Ｓを測定することと、
   前記所定の温度Ｔ_ｏ以外の少なくとも１つの温度に対して、前記関数ｆ_ｅ’（Ｓ_ｏ、Ｔ_ｅ）を得るために、所定の電流Ｉ_ｏの前記信号Ｓを測定することと、
   ｆ_ｅ’（Ｓ、Ｔ_ｅ）＝ｆ_ｅ’（Ｓ、Ｔ_ｏ）・ｆ_ｅ’（Ｓ_ｏ、Ｔ_ｅ）／ｆ_ｅ’（Ｓ_ｏ、Ｔ_ｏ）によって、前記測定ユニットスケーリング関数ｆ_ｅ’を概算することと、
   によって決定される、前の請求項のうちのいずれかの方法。
4. 前記測定ユニットスケーリング関数ｆ_ｅ’は、温度Ｔ_ｅと同様の前記信号Ｓの関数であり、
   前記測定ユニットスケーリング関数ｆ_ｅ’は、
   複数の電流および温度値に対して、前記信号Ｓの値を測定することと、
   ルックアップ表に前記測定ユニットスケーリング関数ｆ_ｅ’の値を格納することと、
   によって決定される、請求項１または２のうちのいずれかの方法。
5. 既知のセンサヘッドスケーリング関数ｆ_ｓ’を有する基準センサヘッド（２）に前記測定ユニット（１）を接続することと、
   前記基準センサヘッド（２）によって感知された少なくとも１つの電流に対する前記信号Ｓを測定することと、
   によって、前記測定ユニットスケーリング関数ｆ_ｅ’を決定するステップを具備する、前の請求項のうちのいずれかの方法。
6. 前記基準センサヘッド（２）の前記センサヘッドスケーリング関数ｆ_ｓ’は、前記電流Ｉと無関係に、１と等しい、請求項５の方法。
7. 前記測定ユニット（１）は、位相変調器（４、１８）を有し、
   前記測定ユニットスケーリング関数ｆ_ｅ’は、
   前記測定ユニット（１）を前記基準センサヘッド（２）に接続することと、
   前記測定ユニット（１）によって生成された偏光間の位相シフトを導入するための前記変調器（４、１８）を操作することによって、前記光検出器（７）で干渉縞を生成することと、
   前記干渉縞の干渉縞視認度（ｖ）を測定することと、
   によって決定される、請求項５または６のうちのいずれかの方法。
8. 前記測定ユニットスケーリング関数ｆ_ｅ’は、ｆ_ｅ’（Ｓ）＝１／［ｆ_ｅ（Ｓ／ｋ）］によって概算され、
   ｆ_ｅ＝Δφ／（４ψ_Ｆ）
   

   

   

   

   ｋは、定数であり、ｈは、測定されたパラメータである、前の請求項のうちのいずれかの方法。
9. 前記測定されたパラメータｈは、前記干渉縞視認度（ｖ）から測定される、請求項７および８の方法。
10. 前記測定されたパラメータｈは、
    センサヘッドスケーリング関数ｆ_ｓ’＝１を有し、コンダクタ（１２）の周囲に巻きつけられたコイルを有するセンサヘッド（２）へ前記測定ユニット（１）を接続するステップと、
    前記センサ信号Ｓを測定するための前記コンダクタ（１２）まで電流Ｉを送り、前記信号Ｓから前記パラメータｈを決定するステップと、
    によって決定される、請求項８の方法。
11. 記測定されたパラメータｈは、前記測定ユニット（１）の中の偏光クロストークの決定により、決定される、請求項８−１０のうちのいずれかの方法。
12. 既知の測定ユニットスケーリング関数ｆ_ｅ’を有する測定ユニット（１）に前記センサヘッド（２）を接続し、
    前記センサヘッド（２）に電流および／または温度Ｔｓの範囲を適用することにより、前記信号Ｓを測定することによって、
    前記センサヘッドスケーリング関数ｆ_ｓ’を決定するステップを具備する、前の請求項のうちのいずれかの方法。
13. 前記センサヘッドスケーリング関数ｆ_ｓ’は、ｆ_ｓ’（Ｓ）＝１／［ｆ_ｓ（Ｓ／ｋ）］によって概算され、
    ｆ_ｓ＝Δφ／（４ψ_Ｆ）
    

    

    

    

    

    

    δおよびδ_ｉは、曲がりで生じた固有の複屈折による前記感知ファイバ（１１）中の複屈折位相遅延をそれぞれ示し、
    βおよびβ_ｉは、前記感知ファイバ（１１）の前記偏光保持ファイバ（１５）の主軸と曲がりで生じた固有の複屈折の遅延軸との間のそれぞれの角度であり、
    特に、δ_ｉ＝０である、前の請求項のうちのいずれかの方法。
14. 前記測定ユニットは、位相変調器（４、１８）を有し、
    前記センサヘッドスケーリング関数ｆ_ｓ’は、
    既知の測定ユニットスケーリング関数ｆ_ｅ’を有する測定ユニット（１）に前記センサヘッド（２）を接続することと、
    前記測定ユニット（１）によって生成された偏光間の位相シフトを導入するための前記測定ユニット（１）の前記変調器（４、１８）を操作することによって、前記光検出器（７）で干渉縞を生成することと、
    前記干渉縞の干渉縞視認度（ｖ）を測定することと、
    によって決定される、前の請求項のうちのいずれかの方法。
15. 前の請求項のうちのいずれかの方法を実行するための光ファイバ電流センサであって、
    前記コンダクタ（１２）の周囲に巻きつけられた感知ファイバ（１１）と、前記感知ファイバ（１１）に接続されたリターダ（１０）と、を有するセンサヘッド（２）と、
    光源（３）と光検出器（７）とを有する測定ユニット（１）と、
    前記センサヘッド（２）を前記測定ユニット（１）に接続する偏光保持ファイバ（１５）と、
    前記測定ユニットスケーリング関数ｆ_ｅ’の格納のための前記測定ユニット（１）に起因する第１のメモリ（２２）と、
    前記センサヘッドスケーリング関数ｆ_ｓ’の格納のための前記センサヘッド（２）に起因する第２のメモリ（２３）と、
    を具備する電流センサ。
16. 前記第１のメモリ（２２）は、前記測定ユニット（１）の一部であり、および／または、前記第２のメモリ（２３）は、前記センサヘッド（２）の一部であり、
    特に、前記第２のメモリ（２３）は、前記偏光保持ファイバ（１５）の制御ユニット端に位置する、請求項１５の光ファイバ電流センサ。

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