JP2663999B2 - 温度補償付き交番電流測定用の光学的測定方法及び該方法を実施するための装置 - Google Patents

温度補償付き交番電流測定用の光学的測定方法及び該方法を実施するための装置

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Description

【発明の詳細な説明】 従来の技術 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念による、例え
ば米国特許出願第4755665号明細書から公知の電流導体
内の交番電流の測定方法及び該方法を実施するための装
置に関する。
ファラデー効果を用いた電流導体内の電流を測定する
光学的測定装置は公知である。この装置は磁気光学式電
流変換器とも称される。ファラデー効果の下では直線偏
光の偏光面の回転は磁場に依存するものと解される。こ
の場合の回転角度は光の進んだ経路に沿った磁場に関す
る距離の積分（比例定数としてのヴェルデ定数を有す
る）に比例する。このヴェルデ定数は、光の透過する材
料と、該材料の温度と、光の波長に依存する。電流の測
定のためにはファラデー素子が電流導体の近傍に配設さ
れる。この電流導体は光透過性の、ファラデー効果を有
する材料、すなわち一般的にはガラスからなる。
ファラデー素子を通って送信ユニットから直線偏光が
送られてくる。電流によって生ぜしめられる磁界はファ
ラデー素子内の偏光面に、ある偏光回転角だけの回転を
生ぜしめる。この偏光回転角は評価ユニットによって磁
場の強さと電流強度に対する尺度として評価され得る。
一般にファラデー素子は電流導体を囲繞しているので偏
波光はほぼ閉じられた光路内で電流導体の周りを回転す
るように進む。それにより偏光回転角の絶対値は良好な
近似で測定電流の振幅に正比例する。
公知の実施形態ではファラデー素子は中実の環状ガラ
ス体として電流導体の周囲に形成される。この実施形態
においては光が一度この電流導体の回りを回転するよう
に進む（ヨーロッパ特許第0088419号明細書）。
他の公知の実施形態においてはファラデー素子がシン
グルモード光ファイバ部分として構成される。このファ
イバは測定巻回部の形で電流導体を囲繞する。それ故に
この測定巻回部の巻数がＮの場合では、一度の通過（サ
イクル）の際Ｎ回の伝播の下で光が電流導体の周りを回
転するように進む。光ファイバからなる測定巻回部を有
するそのような磁気光学式電流変換器には２つのタイプ
がある。すなわち透過タイプと反射タイプである。透過
タイプでは光がファイバの一方の端部で入力結合され、
他方の端部で再び出力結合される。それにより光は測定
巻回部を一度だけ伝送される。それに対して反射タイプ
ではファイバの他方の端部がミラー化処理され、それに
より始端部にて結合された光が他方のミラー化された端
部において反射され、今度は測定巻回部を反対方向に進
んで再び始端部から出力結合される。ファラデー素子の
非相反性のために光の偏光面は反射光の伝播の際にもう
一度同じ量だけ同方向に回転する。そのため回転角度は
測定巻回部が同じ場合には透過タイプの時と同じように
倍の大きさになる。入力結合された光と出力結合された
光の分離のためにはビームスプリッタが設けられる（WO
91/01501）。
さらに、測定電流に関する測定光の回転偏光面内に含
まれている情報を評価する方法と該方法を実施するため
の相応の装置が公知である。基本的にこの公知技術には
ファラデー素子の公知の全ての実施形態が使用可能であ
る。
全ての磁気光学式電流変換器における問題は、ファラ
デー素子や光学的伝送区間における直線的屈折による障
害の影響である。そのような直線的複屈折は材質中にお
ける機械的な緊張、例えば特に温度変化によって引き起
こされる曲げや振動等に起因する。
既に前述したヨーロッパ特許第0088419号明細書から
公知の磁気光学式電流変換器では、偏光子を用いて光源
の光が直線偏光されてファラデー素子内へ結合される。
この直線偏光はファラデー素子を透過して再び出力結合
される。この出力結合された光は検光子としてのウォラ
ストンプリズムを用いて相互に垂直な方向性を有する２
つの直線偏光信号A,Bに分離される。この２つの光信号
ＡとＢは、相応の光学的伝送用ファイバを介して相応の
光検出器に伝搬され、相応の電気信号PAとPBに変換され
る。この２つの信号PAとPBからは計算ユニットにおいて
ファラデー回転角が測定信号として算出される。これは
２つの信号の差と和の商に相応する（PA−PB）／（PA＋
PB）。このような商形成によって種々異なる光検出器の
感度と、２つの伝送用ファイバにおける光信号A,Bの強
度に対する種々の減衰率が補償される。しかしながらそ
れによって温度の影響まで補償することは不可能であ
る。その他の公知の評価方法では２つの信号PA,PBがそ
れぞれ１つのフィルタにおいてその直流成分PA（DC）な
いしPB（DC）と交流成分PA（AC）ないしPB（AC）に分離
される。この交流成分PA（AC）ないしPB（AC）と直流成
分PA（DC）ないしPB（DC）からは各信号PA,PB毎に、伝
搬及び感度の変動によって変化する光の強度を補償する
ために、その交流成分PA（AC）ないしPB（AC）と直流成
分PA（DC）ないしPB（DC）のそれぞれの商QA（＝PA（A
C）/PA（DC））ないしQB（＝PB（AC）/PB（DC））が形
成される。この２つの商QA,QBのそれぞれからは時間的
な平均値▲▼及び▲▼が形成され、さらにこの
２つの平均値▲▼，▲▼からは最終的に商Ｑ
（＝▲▼／▲▼）が形成される。繰返し手法の
枠内では値のテーブル（ロックアップテーブル）に記憶
されている適切な基準値との比較によって、算出された
商Ｑに対する補正係数Ｋが得られる。この補正係数Ｋだ
け補正された商QxKは、測定電流に対する温度補償され
た測定値として用いられる。この方法によっては磁気光
学式電流変換器の温度依存性が約50分の１に低減される
「（Proc.Conf.Opt.Fiber Sensors OFS 1988,New O
rleans,288頁〜291頁及び米国特許出願第4755665号明細
書）。しかしながらこの繰返し手法には多大なコストが
かかる。
本発明の課題は、測定信号への温度の影響を低減する
ことのできる、ファラデー効果を用いた電流導体内の電
気交番電流の測定方法及び該方法を実施するための装置
を提供することである。
上記課題は請求の範囲第１項と第５項に記載の本発明
によって解決される。
本発明による方法と該方法を実施するための装置の別
の有利な実施例は従属請求項に記載される。
実施例の説明 次に本発明を図面に基づき詳細に説明する。
図１には本発明によるファラデー効果を用いた電流導
体内の電気交番電流の測定方法を実施し得る装置の実施
例が概略的に示されている。
図１では電流導体が符号２で、ファラデー素子が符号
３で、光源が符号４で、偏光子が符号５で、光導波路が
符号６で、変換ユニットが符号７で、２つの低減瀘波フ
ィルタが符号10と20で、２つの高域瀘波フィルタが符号
11と21で、そして評価ユニットが符号40でそれぞれ表さ
れている。
ファラデー素子３の入力側を介して偏光子５において
光源４の直線偏光がファラデー素子３へ入力結合され
る。この直線偏光は、偏光源（例えばレーザーダイオー
ド）から生ぜしめることも可能である。
ファラデー素子３の出力側は、偏光を含む光導波路
（有利にはシングルモード光ファイバ）６を介して変換
ユニット７に接続されている。この光導波路６の減衰損
失は、その偏光を含む特性のために問題にはならない。
図示の実施例ではファラデー素子３自体と、光源４とフ
ァラデー素子３の間の伝送用ファイバは、光導波路６の
一部である。この光導波路６はこの場合少なくとも１つ
の測定巻回を有する測定巻回部において有利には同軸的
に電流導体２を囲繞している。それにより透過タイプの
相応の実施形態が得られる。いずれにしても反射タイプ
の電流変換器も可能である。その他にもファラデー素子
３として、透過材料からなる例えば環状ガラス等の中実
体を設けてもよい。ファラデー素子３の入力側の前とフ
ァラデー素子３の出力側の後にはそれぞれ解離可能な接
続部として組継ぎ部51,61を接続させてもよい。変換ユ
ニット７においてはファラデー素子３から出力結合され
た光がファラデー効果に基づき測定角度ALPHAだけ回転
する偏光を伴って、有利には相互に直角に方向付けられ
た異なる偏光面を有する２つの直線偏光信号LS1,LS2に
分離される。それに対してはビームスプリッタ形検光子
として例えばウォルストンプリズムが設けられる。ビー
ムスプリッタ形検光子８の機能に対してはいずれにせよ
相応の角度、有利には90゜で交差する２つの偏光フィル
タとビームスプリッタを設けてもよい。２つの光信号LS
1とLS2は、対応する光学変換器12ないし22において（こ
れらに対しては有利には増幅回路に接続される受光−発
光ダイオードが接続されてもよい）電気信号S1,S2に変
換される。これらの電気信号S1,S2はその都度の光信号L
S1,LS2の光強度に対する尺度である。変換ユニット７の
２つの出力側からこの２つの電気信号S1,S2が送出され
る。
信号S1のための変換ユニット７の一方の出力側には低
減瀘波フィルタ10と高域瀘波フィルタ11が接続されてお
り、信号S2のための変換ユニット７の他方の出力側には
低域瀘波フィルタ20と高域瀘波フィルタ21が電気的に接
続されている。この低域瀘波フィルタ10と20は、信号S1
ないしS2の直流信号成分（DC信号）D1ないしD2を瀘波
し、高域瀘波フィルタ11と21は信号S1ないしS2の交流信
号成分（AC成分）A1ないしA2を瀘波する。交流信号成分
A1及びA2は、いずれにせよ直流信号成分D1ないしD2の補
足として、信号S1ないしS2からの直流信号成分D1ないし
D2の減算によって得ることもできる。なぜならS1＝A1＋
D1及びS2＝A2＋D2が成り立つからである。もちろんこれ
とは逆にまず交流信号成分A1,A2を瀘波して、和信号S1
ないしS2からこの交流信号成分A1,A2を減算することに
より、直流信号成分D1（＝S1−A1）,D2（＝S2−A2）を
求めることも可能である。
２つの直流信号成分D1,D2は、計算ユニット30に供給
され、２つの交流信号成分A1,A2は計算ユニット31に供
給される。計算ユニット31では２つの交流信号成分A1及
びA2から測定角度ALPHAに対する角度交流成分BETAが求
められる。この角度交流成分BETAはまだ温度に依存して
おり、さらに電流導体２内の交流電流IAに関する全ての
情報を含んでいる。計算ユニット31では直流信号成分D
1,D2から角度直流成分GAMMAが算出される。この角度直
流成分GAMMAはここでは光学系、すなわちファラデー素
子３及び伝送区間における温度の一義的な尺度である。
この角度直流成分GAMMAを用いることにより２つの計算
ユニット30,31に電気的に接続されている補正ユニット3
2において、ファラデー素子３と伝送区間における温度
依存性の直線的複屈折によって惹起される障害的な動作
点ドリフトを補償するために、測定角度ALPHAの角度交
流成分BETAの補正が実施される。補正された角度交流成
分BETAは、測定電流IAに対する温度補償された測定信号
SAに相応する。この温度補償された測定信号SAは補正ユ
ニット32の出力側から取り出せる。計算ユニット30と31
と補正ユニット32は、評価ユニット40内に統合されてい
る。
当該方法の実施例では計算ユニット30と31においてそ
れらの入力信号の差及び和から商が形成され、別の実施
例ではそれらの入力信号の１つとそれらの入力信号の和
から商が形成される。第１実施例の場合では角度交流成
分BETAが交流信号成分A1,A2を用いて商（A1−A2）／（A
1＋A2）から得られ、角度直流成分GAMMAは直流信号成分
D1,D2を用いて商（D1−D2）／（D1＋D2）から得られ
る。第２実施例の場合では、例えば角度直流成分GAMMA
が商D1/（D1＋D2）又は商D2（D1＋D2）から得られ、角
度交流成分BETAは商A1/（A1＋A2）又はA2/（A1＋A2）か
ら得られる。いずれにしても様々な実施態様、例えばこ
れらの２つの実施例の組合せが計算ユニット30及び31に
おいて実現可能である。
本発明の有利な実施例においては角度直流成分GAMMA
に対して、事前に求められた値テーブル（ロックアップ
テーブル）を用いるか又は基準特性曲線を用いて有効な
ヴェルデ定数Veffが求められる。測定信号SAは角度交流
成分BETAと有効なヴェルデ定数Veffの逆数値との積に比
例する。測定信号SAはいずれにせよ、理論的に近似して
求められるか又は実験的に求められる基準特性曲線に基
づいて角度交流成分BETAと角度直流成分GAMMAから直接
導出することも可能である。
全ての実施例においては、角度直流成分GAMMAを形成
することにより、温度に関する一義的な情報とそれに起
因する直線的複屈折が得られ、これらの情報が動作点と
それに伴う測定信号の温度補償のために使用可能であ
る。

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電流導体（２）に配設されるファラデー素
    子（３）を用いて電流導体（２）内の交番電流（IA）を
    測定するための方法であって、 ａ）前記ファラデー素子（３）内に直線偏光を入力結合
    し、該直線偏光の偏光面をファラデー効果に基づいて交
    番電流（IA）に依存する測定角度（ALPHA）だけ回転さ
    せ、 ｂ）回転する偏光面を以って光を前記ファラデー素子
    （３）から出力結合し、異なる偏光面を有する２つの光
    信号（LS1,LS2）に分け、 ｃ）前記２つの光信号（LS1,LS2）の各々をそれぞれ１
    つの電気信号（S1ないしS2）に変換し、該電気信号はそ
    のつどの光信号（LS1ないしLS2）の強度に依存してお
    り、 ｄ）前記２つの電気信号（S1及びS2）の各々を直流信号
    成分（D1ないしD2）と交流信号成分（A1ないしA2）に分
    解するものにおいて、 ｅ）前記２つの電気信号（S1及びS2）の直流信号成分
    （D1及びD2）から、ファラデー素子（３）及び光の光学
    的伝送区間における温度に一義的に依存する１つの角度
    直流成分（GAMMA）を導出し、 ｆ）前記２つの電気信号（S1及びS2）の交流信号成分
    （A1及びA2）から、交番電流（IA）と温度とに依存する
    角度交流成分（BETA）を導出し、 ｇ）前記角度交流成分（BETA）と角度直流成分（GAMM
    A）を用いて、交番電流（IA）に対する殆ど温度に依存
    しない測定信号（SA）を求めることを特徴とする、交番
    電流の測定方法。
  2. 【請求項２】前記角度直流成分（GAMMA）は、前記第１
    及び第２の電気信号（S1ないしS2）の直流信号成分（D
    1,D2）の差（D1−D2）と前記２つの直流信号成分（D1,D
    2）の和（D1＋D2）との商（（D1−D2）／（D1＋D2））
    から求める、請求の範囲第１項記載の交番電流の測定方
    法。
  3. 【請求項３】前記角度直流成分（GAMMA）は、前記２つ
    の電気信号（S1,S2）の直流信号成分のうちの１つ（D1
    又はD2）と前記２つの直流信号成分（D1,D2）の和（D1
    ＋D2）との商（D1/（D1＋D2））又は（D2/（D1＋D2））
    から求める、請求の範囲第１項記載の交番電流の測定方
    法。
  4. 【請求項４】前記角度交流成分（BETA）は、前記第１及
    び第２の電気信号（S1ないしS2）の交流信号成分（A1,A
    2）の差（A1−A2）と前記２つの交流信号成分（A1,A2）
    の和（A1＋A2）との商（（A1−A2）／（A1＋A2））から
    求める、請求の範囲第１項〜３項いずれか１項記載の交
    番電流の測定方法。
  5. 【請求項５】前記角度交流成分（BETA）は、前記２つの
    電気信号（S1,S2）の交流信号成分のうちの１つ（A1又
    はA2）と前記２つの交流信号成分（A1,A2）の和（A1＋A
    2）との商（A1/（A1＋A2））又は（A2/（A1＋A2））か
    ら求める、請求の範囲第１項〜３項いずれか１項記載の
    交番電流の測定方法。
  6. 【請求項６】前記角度直流成分（GAMMA）から有効なヴ
    ェルデ定数（Veff）が導出される、請求の範囲第１項〜
    ５項いずれか１項記載の交番電流の測定方法。
  7. 【請求項７】電流導体（２）内の交番電流（IA）を測定
    するための装置であって、 ａ）電流導体（２）に配設されるファラデー素子（３）
    と、 ｂ）前記ファラデー素子（３）内に直線偏光を入力結合
    する手段（4,5）と、 ｃ）前記ファラデー素子（３）に光学的に接続されるビ
    ームスプリッタ形検光子（８）とを有し、前記ビームス
    プリッタ形検光子（８）は、ファラデー効果に基づき交
    番電流（IA）に依存する測定角度（ALPHA）だけ回転さ
    れる偏光面を有する、ファラデー素子（３）から放出さ
    れる直線偏光を、種々異なる偏光面を有する２つの光信
    号（LS1,LS2）に分割するためのものであり、 ｄ）さらに前記２つの光信号（LS1,LS2）の各々に対し
    てそれぞれ１つの光電変換器（12,22）を有し、前記光
    電変換器（12,22）は、対応する光信号（LS1,LS2）を電
    気信号（S1,S2）に変換し、該電気信号（S1,S2）は対応
    する光信号（LS1,LS2）の強度に依存しており、 ｅ）さらに２つの電気信号（S1,S2）をそれぞれ交流信
    号成分（A1,A2）と直流信号成分（D1,D2）に分解する手
    段（10,11,20,21）が設けられているものにおいて、 ｆ）評価ユニット（40）が設けられており、 f1）前記評価ユニット（40）は、前記２つの電気信号
    （S1,S2）の直流信号成分（D1,D2）から１つの角度直流
    成分（GAMMA）を導出し、該角度直流成分（GAMMA）はフ
    ァラデー素子（３）と光の光学的伝送区間における温度
    に一義的に依存しており、 f2）前記評価ユニット（40）は、前記２つの電気信号
    （S1,S2）の交流信号成分（A1,A2）から角度交流成分
    （BETA）を導出し、該角度交流成分（BETA）は交流電流
    （IA）と温度とに依存しており、 f3）さらに前記評価ユニット（40）は、角度交流成分
    （BETA）と前記角度直流成分（GAMMA）から交流電流（I
    A）に対する殆ど温度に依存しない測定信号（SA）を求
    めることを特徴とする、装置。
  8. 【請求項８】前記ファラデー素子（３）とビームスプリ
    ッタ形検光子（８）は偏光の得られる光導波路（６）を
    介して光学的に相互接続されている、請求項７記載の装
    置。
  9. 【請求項９】前記電気信号（S1,S2）を直流信号成分（D
    1,D2）と交流信号成分（A1,A2）に分解する手段は、低
    域瀘波フィルタ（10ないし20）と高域瀘波フィルタ（11
    ないし21）を含んでいる、請求の範囲第７項又は８項記
    載の装置。
JP6519458A 1993-04-14 1994-03-10 温度補償付き交番電流測定用の光学的測定方法及び該方法を実施するための装置 Expired - Lifetime JP2663999B2 (ja)

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