CN102422168A - 电流测量装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种可在电流测量装置的光学系统中进行传感器用光纤和法拉第转子的比差-温度特性的补偿，并且，可将输出的比差的变动幅度抑制在±0.5％以内的电流测量装置。至少包含传感器用光纤、偏振光分离器、法拉第转子、光源和具备光电转换元件的信号处理电路而构成电流测量装置，传感器用光纤围绕在被测电流流动的导体的外周，同时，将法拉第转子的磁饱和时的法拉第转角，在温度23℃时设定为22.5°+α°，使法拉第转角从22.5°仅变化α°，以此来将从信号处理电路输出的被测电流的测量值的比差的变动幅度在-20℃以上80℃以下的范围内设定在±0.5％的范围内。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用法拉第效应的电流测量装置，涉及将光从传感器用光纤的一端射入，在另一端使其反射的反射型电流测量装置的改良。
背景技术
众所周知，电流测量装置因利用光纤的法拉第效应而具有小型、柔性、抗电磁噪音、长距离信号传输、耐压等各种优点。作为这种电流测量装置的一个例子，专利文献1公开有一种利用光的偏振光面因磁场作用而旋转的法拉第效应的反射型电流测量装置。
将专利文献1，即WO2006/022178的图18所示的电流测量装置100示于图21(在此改变该专利文献1的图中的附图标记进行说明)。该电流测量装置100是将铅玻璃光纤用于传感器用光纤101的同时，在传感器用光纤101的另一端配置了反射镜102的反射型电流测量装置100。基本构成是传感器用光纤101围绕在被测电流流动的导体103的外周，用于检测被测电流，在将从传感器用光纤101的一端射入的线偏振光由反射镜102进行往复的期间，测量因被测电流的磁场而旋转的线偏振光的法拉第转角。
进一步，104是光源，105是环行器，106是方解石等的偏振光分离器，107是由永久磁铁(107a)和YIG等强磁性体晶体(107b)构成的法拉第转子，108a和108b是光电二极管(PD)，109a和109b是放大器(A)，110a和110b是带通滤波器(BPF)，111a和111b是低通滤波器(LPF)，112a和112b是用于求出电信号的交流成分和直流成分之比的除法器，113是极性反转器，114是乘法器。此外，115是光学系统，116是信号处理电路。
从光源104射出、在偏振光分离器106被分离为寻常光线和异常光线的线偏振光中，相当于寻常光线的线偏振光通过强磁性体晶体107b后，射入传感器用光纤101。进一步，由反射镜102反射，再次通过传感器用光纤101、强磁性体晶体107b，射入偏振光分离器106。
由于所述线偏振光通过强磁性体晶体107b及传感器用光纤101时所述线偏振光的偏振光面旋转，所以所述线偏振光经偏振光分离器106被分离为垂直的两个方向的偏振光成分。被分离的各个偏振光成分的光，经图21的环行器105和偏振光分离器106，分别引导到作为光电二极管的受光元件108a及108b。
从光电二极管108a、108b作为电信号输出与受光的光强度成比例的电流或电压。这些电信号通过放大器109a、109b后，经BPF110a、110b、LPF111a、111b被分离为交流成分和直流成分，通过除法器112a、112b求出交流成分和直流成分之比后，对于来自除法器112a的输出信号通过极性反转器113反转极性。进一步，通过乘法器114求出从极性反转器113及除法器112b输出的信号Sa及Sb的平均，该平均作为电流测量装置100对被测电流的测量值Sout输出。
作为设置在传感器用光纤101侧的法拉第转子107，使用在磁饱和时具有22.5°的法拉第转角的法拉第转子。(例如，参照专利文献2，即WO2003/075018)
【现有技术文献】
【专利文献】
专利文献1：WO2006/022178号公报(第4～7页、图18)
专利文献2：WO2003/075018号公报(第8页、图1)
发明内容
本发明要解决的技术问题
但是，用于电流测量装置的法拉第转子107的法拉第转角具有依赖周围温度的特性(温度特性)。因此，现有的法拉第转子107，为了降低法拉第转子107的温度特性，如图21所示，通过双重化信号处理电路116及光电转换元件(光电二极管108a、108b)，求出两个调制信号Sa、Sb的平均，以此来减少强磁性法拉第转子107的法拉第旋转能的温度依赖性所带来的对输出Sout的影响。
然而，因传感器用光纤101也存在由费尔德常数及法拉第转角的温度依赖导致的比差的温度特性，所以不仅需要补偿法拉第转子107，还需要补偿(降低)传感器用光纤101的温度特性。法拉第转子107及传感器用光纤101的补偿都是通过所述信号处理电路116来进行的，但这不充分，另外，从提高电流测量装置100的可靠性的方面来讲，还希望这种补偿在光学系统115中进行。
图22a表示图21情况下的调制信号Sa、Sb的误差率和温度之间的关系，图22b表示传感器用光纤101的温度特性。即，即使如图22a所示进行调制信号Sa、Sb的平均处理，也存在图22b所示的问题，也就是传感器用光纤101为铅玻璃光纤时，不能完全补偿因传感器用光纤101的费尔德常数的温度依赖导致的、传感器输出的温度特性的问题。
因此，希望有一种能完全补偿法拉第转子107和传感器用光纤101两者的温度特性的电流测量装置100。特别是，从应用于继电保护器用途的角度来讲，要求将从信号处理电路116输出的、被测电流103的测量值(Sout)的比差的变动幅度抑制在±0.5％以内。
本发明的电流测量装置是基于上述问题完成的，其目的在于提供一种可在电流测量装置的光学系统中进行传感器用光纤和法拉第转子的比差的温度特性的补偿的电流测量装置。
进一步，其目的在于将电流测量装置的输出的比差的变动幅度抑制在±0.5％的范围内。
解决技术问题的技术手段
本发明权利要求1所述的电流测量装置，其特征在于，至少包含传感器用光纤、偏振光分离器、法拉第转子、光源和具备光电转换元件的信号处理电路；
所述传感器用光纤，围绕在被测电流流动的导体的外周，同时具备用于射入线偏振光的一端和反射射入的所述线偏振光的另一端；
所述偏振光分离器，设置在所述传感器用光纤的一端，同时，
所述法拉第转子，配置在所述传感器用光纤的一端和所述偏振光分离元件之间，
并且，将所述法拉第转子的磁饱和时的法拉第转角，在温度23℃时设定为22.5°+α°，以此来将从所述信号处理电路输出的所述被测电流的测量值的比差的变动幅度设定在±0.5％的范围内。
进一步，本发明权利要求2所述的电流测量装置是，如权利要求1所述的电流测量装置，其特征在于，所述变动幅度设定在±0.5％的范围内的温度范围为100℃。
进一步，本发明权利要求3所述的电流测量装置是，如权利要求2所述的电流测量装置，其特征在于，所述100℃的温度范围为-20℃以上80℃以下。
进一步，本发明权利要求4所述的电流测量装置是，如权利要求1至3任一项所述的电流测量装置，其特征在于，所述法拉第转子具有磁饱和时的法拉第转角随着温度的变化而变化为二次曲线状的法拉第转角的温度特性。
进一步，本发明权利要求5所述的电流测量装置是，如权利要求1至4任一项所述的电流测量装置，其特征在于，所述法拉第转子由两个以上法拉第元件构成。
进一步，本发明权利要求6所述的电流测量装置是，如权利要求5所述的电流测量装置，其特征在于，所述两个以上法拉第元件的法拉第转角各自不同。
进一步，本发明权利要求7所述的电流测量装置是，如权利要求4至6任一项所述的电流测量装置，其特征在于，从所述信号处理电路输出的所述被测电流的测量值的比差的变动幅度设定在±0.2％的范围内。
进一步，本发明权利要求8所述的电流测量装置是，如权利要求7所述的电流测量装置，其特征在于，所述变动幅度设定在±0.2％的范围内的温度范围为100℃。
进一步，本发明权利要求9所述的电流测量装置是，如权利要求8所述的电流测量装置，其特征在于，所述100℃的温度范围为-20℃以上80℃以下。
进一步，本发明权利要求10所述的电流测量装置是，如权利要求1至9任一项所述的电流测量装置，其特征在于，所述传感器用光纤为铅玻璃光纤。
有益效果
根据本发明权利要求1的电流测量装置，在温度23℃时使法拉第转子的转角从22.5°仅变化α°，使法拉第转子的比差的变动幅度减少，由此将从信号处理电路输出的被测电流的测量值的比差的变动幅度抑制在±0.5％的范围内。从而，可在法拉第转子这一光学系统中进行测量值的比差的温度特性补偿，因此通过在提高电流测量装置的可靠性的同时，将比差的变动幅度抑制在±0.5％以内，可实现能够应用于继电保护器用途的电流测量装置。
进一步，权利要求2、3或8、9的电流测量装置，在100℃(-20℃以上80℃以下)的温度范围内实现±0.5％或±0.2％的比差变动幅度，从而，可构成覆盖-10℃以上40℃以下的常温区间的、具有实用性的电流测量装置。
此外，根据权利要求4或7的电流测量装置，因具备具有磁饱和时的法拉第转角随着温度的上升而变化为二次曲线状的法拉第转角的温度特性的法拉第转子，所以可将从信号处理电路输出的被测电流的测量值的比差的变动幅度设定在±0.5％或±0.2％的范围内。因此，不仅可在要求±0.5％范围内的比差的温度特性的用途上使用，还可以在要求±0.2％范围内的比差的温度特性的用途(例如，用于计量电费的电表)上使用电流测量装置。
此外，根据权利要求5的电流测量装置，能够稳定地得到具有所期望的转角的法拉第转子。进一步，根据权利要求6的电流测量装置，因其可构成为各法拉第元件的法拉第转角各自不同，所以能够将各法拉第元件的温度特性设定为所期望的特性。
进一步，权利要求10的电流测量装置，由于将铅玻璃光纤用于传感器用光纤，所以在减少电流测量装置的比差的变动幅度时，在加上铅玻璃光纤的比差的温度特性的基础上调节法拉第转子的转角α°。如此构成电流测量装置，因此，即使将铅玻璃光纤用于传感器用光纤，也可以将从信号处理电路输出的被测电流的测量值的比差的变动幅度抑制在±0.5％(或±0.2％)的范围内。
附图说明
图1为表示本发明电流测量装置的最佳实施方式的结构图。
图2为具备线偏振光往复透过时，在温度23℃时具有45°的法拉第转角的法拉第转子的电流测量装置的、在-20℃以上80℃以下的温度范围内的比差的温度特性的示意曲线图。
图3为使在温度23℃时的法拉第转角从22.5°仅变化α°，往复透过时的、法拉第转角温度依赖性的示意曲线图。
图4为具备使法拉第转角从22.5°仅变化α°，使比差的温度特性曲线向高温侧偏移的法拉第转子的电流测量装置的、在-20℃以上80℃以下的温度范围内的比差的温度特性的示意曲线图。
图5a为表示在图1的电流测量装置中，从光源到反射膜的光的偏振光状态的说明图。
图5b为表示在图1的电流测量装置中，从光源到反射膜的光的偏振光状态的说明图。
图5c为表示在图1的电流测量装置中，从光源到反射膜的光的偏振光状态的说明图。
图5d为表示在图1的电流测量装置中，从光源到反射膜的光的偏振光状态的说明图。
图6a为表示在图1的电流测量装置中，被反射膜反射到第一及第二光电转换元件的光的偏振光状态的说明图。
图6b为表示在图1的电流测量装置中，被反射膜反射到第一及第二光电转换元件的光的偏振光状态的说明图。
图6c为表示在图1的电流测量装置中，被反射膜反射到第一及第二光电转换元件的光的偏振光状态的说明图。
图6d为表示在图1的电流测量装置中，被反射膜反射到第一及第二光电转换元件的光的偏振光状态的说明图。
图6e为表示在图1的电流测量装置中，被反射膜反射到第一及第二光电转换元件的光的偏振光状态的说明图。
图7为表示在图1的电流测量装置中，从信号处理电路输出的被测电流的测量值的比差的温度特性的一个例子的曲线图。
图8为用于传感器用光纤的铅玻璃光纤的比差的温度特性的示意曲线图。
图9为表示本发明电流测量装置的另一实施方式的结构图。
图10为第一法拉第元件的法拉第转角的温度特性的示意曲线图。
图11为第二法拉第元件的法拉第转角的温度特性的示意曲线图。
图12为将图9和图10的法拉第转角的温度特性组合的比差的温度特性曲线图。
图13为表示从图12的法拉第转角温度依赖性得到的被测电流的测量值的、电流测量装置的比差的温度特性的一个例子的曲线图。
图14为表示本发明电流测量装置的实施例1中的比差的温度特性的曲线图。
图15为表示本发明电流测量装置的实施例2中的法拉第元件19a的法拉第转角的温度特性的一个例子的曲线图。
图16为表示本发明电流测量装置的实施例2中的法拉第元件19b的法拉第转角的温度特性的一个例子的曲线图。
图17为表示本发明电流测量装置的实施例2中的法拉第元件19a及19b的合计的法拉第转角的温度特性的一个例子的曲线图。
图18为表示本发明电流测量装置的实施例2中的比差的温度特性的曲线图。
图19为用于本发明电流测量装置的实施例3中的第一法拉第转子的法拉第转子的法拉第转角的温度特性曲线图。
图20为本发明电流测量装置的实施例3中的比差的温度特性曲线图。
图21为表示现有电流测量装置的结构图。
图22a为表示图21的电流测量装置的调制度的误差率和温度之间关系及传感器用光纤的比差的温度特性的曲线图。
图22b为表示图21的电流测量装置的调制度的误差率和温度之间关系及传感器用光纤的比差的温度特性的曲线图。
图23为表示第一光纤及第二光纤的各端面形状的变化例的部分示意图。
具体实施方式
以下，参照图1至图8说明本发明的最佳实施方式。图1是表示本发明电流测量装置1的最佳方式的结构图。该图所示的电流测量装置1包含传感器用光纤2、偏振光分离器8、法拉第转子7、光源13、及后述未图示的信号处理电路而构成。
传感器用光纤2围绕在被测电流I流动的导体5的外周。传感器用光纤2由铅玻璃光纤构成，在内部传输线偏振光LO和被传感器用光纤2的另一端反射的线偏振光LR。在传感器用光纤2的另一端作为反射材料设有反射膜6。而且，在所述另一端除反射膜6以外，还可以采用其他任意的反射材料，例如，也可以设置由金、银、铜、铬、铝等对光有低吸收率和高反射率的金属或电介质多层膜构成的反射镜。
光回路单元3是为了将寻常光线和异常光线的任意一方的线偏振光射入传感器用光纤2，进一步，检测出从传感器用光纤2射出的线偏振光的偏振光面的法拉第转角而将从传感器用光纤2射出的线偏振光分离为寻常光线和异常光线的回路。该光回路单元3具备法拉第转子7(以下称“第一法拉第转子7”)、作为偏振光分离器的双折射元件8(以下称“偏振光分离器8”)、第一光纤9、第二光纤10、及透镜11。
第一法拉第转子7是外周设有永久磁铁7a的光透过型的光学元件，由铋置换型石榴石单晶体形成，设置在作为传感器用光纤2的入射端的一端2a的近旁，使射入的线偏振光LO和反射的线偏振光LR的偏振光面仅旋转由磁饱和引起的法拉第转角的角度。因此，透过第一法拉第转子7前的线偏振光LO的偏振光面和透过第一法拉第转子7后的线偏振光LR的偏振光面，在不受被测电流I的影响的情况下，旋转所述法拉第转角的2倍，合计旋转45°。如此将线偏振光的偏振光面旋转45°的目的在于，在偏振光分离器8中，将线偏振光LR分离为寻常光线L1和异常光线L2，根据寻常光线L1和异常光线L2求出线偏振光LO或LR的法拉第转角，由法拉第转角算出被测电流I的值。
在本发明中，将线偏振光LO和LR往复透过时的、磁饱和时的合计的法拉第转角设定为在温度23℃时从45°少许变化。还有，将法拉第转角的温度定义为23℃的根据是，作为在常温下测量法拉第转角时能最简单地测量的温度而由本申请人设定的。从而，线偏振光LO或LR透过1次第一法拉第转子7时的法拉第转角为22.5°+少许变化部分α°。在图2中示出从线偏振光往复透过时在温度23℃时具有45°的法拉第转角的电流测量装置的信号处理电路输出的被测电流的测量值的、在-20℃以上80℃以下的温度范围内的比差-温度特性的示意曲线图。将温度范围定义为-20℃以上80℃以下的100℃的根据是基于本申请人的客户所提出的要求。
如图2所示，电流测量装置的比差随着温度的上升呈非线性增大。在这种比差的温度特性中，由于将温度23℃时的法拉第转角设定为从22.5°仅变化少许转角α°，如图3所示，转角因往复变为45°+2α°。由此，如图4所示电流测量装置的比差的温度特性曲线向高温侧偏移。其结果，就像通过比较图2和图4之后可知那样，可减少比差的变动幅度。转角α°可在使比差的温度特性曲线偏移时比差的变动幅度减少的范围内任意设定。本发明将这种通过使法拉第转角从22.5°仅变化α°来减少电流测量装置的比差的变动幅度作为基本概念。
偏振光分离器8为光透过型的光学元件，设置在作为传感器用光纤2的入射端的一端2a的近旁的、第一法拉第转子7的光电转换器4侧。从而，法拉第转子7被配置在传感器用光纤2的一端2a和偏振光分离器8之间。偏振光分离器8如前所述由双折射元件构成，具有当线偏振光与晶体轴垂直射入时使线偏振光保持原样透过，当线偏振光沿晶体轴射入时使线偏振光平行移动射出的、作为偏振光分离元件的功能。在这种垂直的两面以外的偏振光面射入的线偏振光，光强度被分离为各个矢量成分，寻常光线保持原样透过，异常光线平行移动而被射出。因此，偏振光分离器8将来自传感器用光纤2的线偏振光LR分离为相互垂直的寻常光线L1和异常光线L2的同时，具有后述的使从光源13射出的线偏振光LO透过的功能。
偏振光分离器8的材料可选自金红石、YVO4、铌酸锂、方解石。选自这些材料的双折射元件，加工成规定厚度的、相对设置的光入射出射用光学面相平行的平板而被作为偏振光分离器8，设置成平行的光学面中的一个与第一光纤9及第二光纤10的端面9a及10a相对设置，另一个光学面与透镜11相对设置。在这种偏振光分离器8中，线偏振光LR从一个光学面射入，就被分离为寻常光线L1和异常光线L2，从另一个平面射出时，将这些寻常光线L1和异常光线L2分隔成规定的分离间隔而平行射出。
第一光纤9由偏振波面保存纤维构成，一端的端面9a配罩在偏振光分离器8的近旁。或者也可配置成端面9a和偏振光分离器8相抵接。其结果，第一光纤9具有将线偏振光LO射入偏振光分离器8的同时，将从偏振光分离器8射出的寻常光线L1向光电转换器4侧传输的功能。
第二光纤10由单模光纤、多模光纤、或偏振波面保存纤维等构成，一端的端面10a配置在偏振光分离器8的近旁。或者也可配置成端面10a和偏振光分离器8相抵接。其结果，第二光纤10具有将从偏振光分离器8射出的异常光线L2向光电转换器4侧传输的功能。
在本实施方式的情况下，第一及第二光纤9、10，一端的端面9a、10a配置在同一平面上，并且，隔开规定间隔由双芯结构的套管12保持。所述规定间隔根据平行平板状的偏振光分离器8的厚度和所选材料的物性设定。通过使所述规定间隔和偏振光分离器8的分离间隔一致，可将寻常光线L1和异常光线L2射入到各光纤9、10的芯部。还有，将第一及第二光纤9、10保持规定间隔的方式没有必要限定在套管12，例如，也可以是具备平行的两根V字槽，将光纤9、10配置在V槽内，可以此来决定双方位置的阵列基板。
透镜11在本实施方式的情况下由单一的透镜构成，设置在第一法拉第转子7和偏振光分离器8之间，各成像点设定在传感器用光纤2的一端2a和第一光纤9的端面9a的各芯部。在本实施方式的情况下，传感器用光纤2的一端2a和第一光纤9的一端面9a为与各自的光轴垂直的直立面，透镜11的成像点被设定在各纤维的芯部的大致中心上。
还有，如图23所示，端面9a、10a也可以变更为实施倾斜研磨加工。通过这样形成倾斜的端面9a、10a，可使端面9a、10a的位置与透镜11的各寻常光线L1、异常光线L2的焦点距离相吻合，能够提高第一光纤9及第二光纤10的耦合效率。
另一方面，光电转换器4具备光源13、透镜14、偏振光分离棱镜15、两个第一、第二光电转换元件16、17、和第二法拉第转子18。光源13由半导体激光器(LD)、发光二极管(LED)、超辐射发光二极管(SLD)、ASE光源等构成，射出规定波长λ的光。透镜14设置在光源13的前方，耦合从光源13射出的光，射入到偏振光分离棱镜15。偏振光分离棱镜15将从光源13射出的光进行线偏振光化且向光纤9耦合的同时，将作为来自第一光纤9的射出光的寻常光线L1向第一光电转换元件16反射。第一及第二光电转换元件16、17由光电二极管(PD)等构成，受光且转换为电信号。
第二法拉第转子18是在外周设有永久磁铁18a的光透过型的光学元件，由铋置换型石榴石单晶体形成，设置在偏振光分离棱镜15的前方并使射入的线偏振光旋转45°。像这样设置使线偏振光旋转45°的第二法拉第转子18的目的在于，相对于顺向的线偏振光LO的偏振光面，使返回来的逆向的线偏振光L1的偏振光面旋转90°，这样来将线偏振光L1用偏振光分离棱镜15全部反射，射入到第一光电转换元件16。
在第二法拉第转子18的前方，接近设置第一光纤9的另一端9b。另外，来自第二光纤10的射出光射入到第二光电转换元件17。
参照图1、图5a至图5d及图6a至图6e说明上述结构的电流测量装置1的动作。图5a至图5d是表示从光源13到反射膜6的光的偏振光状态的说明图，图6a至图6e是表示被反射膜6反射到第一及第二光电转换元件16、17的光的偏振光状态的说明图。从光源13射出的光(参照图5a)透过透镜14和偏振光分离棱镜15，被线偏振光化，线偏振光LO(参照图5b)射入第二法拉第转子18，作为偏振光面旋转了45°的线偏振光LO(参照图5c)射入第一光纤9。
由于第一光纤9是偏振波面保存纤维，所以线偏振光LO是在偏振光面被保存的状态下在第一光纤9内传输，射入到偏振光分离器8。偏振光分离器8的光学面上的晶体轴的方向设定为相对于从第一光纤9射出的线偏振光LO的偏振光面垂直。从而，射入偏振光分离器8的线偏振光LO，作为在偏振光分离器8内部不产生双折射的寻常光线透过，保持射入到偏振光分离器8时的偏振光状态不变而从偏振光分离器8射出。
从偏振光分离器8射出的线偏振光LO的偏振光面，透过透镜11后在透过第一法拉第转子7时，旋转22.5°+α°(参照图5d)。并且，由于如上所述的透镜11的作用，射入到传感器用光纤2的一端2a。
射入传感器用光纤2内的线偏振光LO，在其内部传输到达另一端并被反射膜6反射，再返回到一端2a。由这种反射引起的线偏振光LO及LR的往复传输期间，线偏振光LO及LR受由被测电流I产生的磁场的影响，其偏振光面因法拉第效应仅旋转与被测电流I的大小相应的角度θ°。θ°是线偏振光LO及LR在传感器用光纤2内往复时，依赖被测电流I产生的磁场强度而产生的法拉第转角。
从一端2a射出的线偏振光LR(参照图6a)的偏振光面，再次透过第一法拉第转子7时，再旋转22.5°+α°(参照图6b)，透过透镜11射入偏振光分离器8。从而，透过第一法拉第转子7后的线偏振光LR的偏振光面，相对于透过第一法拉第转子7前的线偏振光LO的偏振光面仅旋转(45°+2α°+θ°)的角度。
如上所述，射入偏振光分离器8的线偏振光LR的偏振光面，相对于透过第一法拉第转子7前的线偏振光LO的偏振光面错开了(45°+2α°+θ°)。从而，线偏振光LR在偏振光分离器8中，被分离为偏振光面相互垂直的寻常光线L1和异常光线L2(参照图6c)。寻常光线L1沿与包含偏振光分离器8的所述晶体轴和光轴的面垂直的面射出，异常光线L2在包含晶体轴和光轴的面内振动的偏振光面射出(参照图6d)。如果产生由被测电流I引起的线偏振光LO及LR的偏振光面的旋转，则分离时寻常光线L1和异常光线L2的光量发生变化，因此，所述偏振光面的旋转作为光强的变化被光电转换元件16、17检测出来。
从偏振光分离器8射出的寻常光线L1，从端面9a射入第一光纤9，被引导向光电转换器4及信号处理电路，并且，偏振光面经第二法拉第转子18旋转45°(参照图6e。为了确保图的易读性，在图6e中将寻常光线L1放大显示。)，射入偏振光分离棱镜15。在此，射入偏振光分离棱镜15的寻常光线L1的偏振光面，相对于从光源13射出且透过偏振光分离棱镜15的线偏振光LO的偏振光面垂直(参照图5b及图6e)，因此，寻常光线L1被偏振光分离棱镜15反射，被第一光电转换元件16受光。
另一方面，异常光线L2，从端面10a射入第二光纤10，被引导至光电转换器4及信号处理电路，被第二光电转换元件17受光。
被光电转换元件16、17转换的电信号输入到例如图21所示的信号处理电路116(但是，分别将光电二极管108a置换为光电转换元件16，将光电二极管108b置换为光电转换元件17)，算出在第一光电转换元件16、第二光电转换元件17检测出的两个电流信号的各自的调制度(交流成分/直流成分)的平均，最终能通过将线偏振光LR转换为电量来求出被测电流I的大小。图7示出在电流测量装置1中，从信号处理电路输出的被测电流I的测量值的比差的温度特性曲线图的一个例子。
在本发明中，如图7所示，将从信号处理电路输出的、被测电流I的测量值的比差的变动幅度设定在±0.5％的范围内。另外，所述±0.5％是在100℃(-20℃以上80℃以下)的温度范围内实现的。将所述温度范围设定在-20℃以上80℃以下的100℃的理由是，考虑了覆盖-10℃以上40℃以下的常温区间的实用性。在本发明中，这种将比差的变动幅度设定在±0.5％内是如前所述通过调整第一法拉第转子7的转角来进行的。
用于传感器用光纤2的铅玻璃光纤，具有如图8所示的比差的温度特性。从而，在使第一法拉第转子7的转角从22.5°仅变化α°来减少电流测量装置1的比差的变动幅度时，在加上铅玻璃光纤的比差的温度特性的基础上，为使从所述信号处理电路输出的被测电流I的测量值的比差的变动幅度在-20℃以上80℃以下的温度范围内限制在±0.5％的范围内，调节α°的角度即可。
还有，图1所示的电流测量装置1，如图9所示，可以变更为第一法拉第转子7例如由法拉第转角不同的两个法拉第元件19a、19b构成的电流测量装置20。在电流测量装置20中，将线偏振光LO和LR往复透过两个法拉第元件19a、19b时的、磁饱和时的合计的法拉第转角设定为从45°少许变化。即，变更为使线偏振光LO或LR分别透过一次两个法拉第元件19a和19b时的法拉第转角的合计为22.5°+少许变化部分α°即可。还有，法拉第元件的数量不限于两个，也可以由三个以上构成第一法拉第转子7。
图10、图11是分别表示法拉第元件19a、19b的法拉第转角的温度特性的示意曲线图。并且，将各法拉第元件的各自的法拉第转角的温度特性组合时的法拉第转角的温度特性如图12所示。图10所示，第一法拉第元件19a的转角具有二次曲线状的温度依赖性。另外，第二法拉第元件19b的转角如图11所示，可知在-20℃以上80℃以下的温度范围内与温度的上升成反比都在减少。从而将该第一法拉第元件19a和第二法拉第元件19b的法拉第转角的温度特性组合的话，则显示出如图12所示的相对于温度的上升呈二次曲线状减少的法拉第转角的温度特性。
如所述图8所示，用于传感器用光纤2的铅玻璃光纤的比差的温度特性，与温度的上升成比例都在增加。从而，通过将该高温域的法拉第转角减少部分设于法拉第元件19a和19b，使得在加上用于传感器用光纤2的铅玻璃光纤的比差的温度特性时，根据所述高温域的法拉第转角减少部分补偿铅玻璃光纤的比差变化部分，因此，能够像图13所示，将从信号处理电路输出的被测电流I的测量值的比差的变动幅度在-20℃以上80℃以下的温度范围内抑制在±0.5％(或±0.2％)的范围内。
比较电流测量装置1和电流测量装置20的结构，电流测量装置1可将第一法拉第转子7做成一个，从而相应地电流测量装置的结构就能简化，同时，从信号处理电路输出的被测电流I的测量值的比差的变动幅度也变得容易调节。基于上述理由，电流测量装置1是最优选的实施方式。但是，由于第一法拉第转子7的石榴石的组分而不能稳定地制作具有所期望的转角的石榴石单晶体的情况下，第一法拉第转子7也可以由两个以上法拉第元件构成。并且，在由两个以上法拉第元件构成第一法拉第转子7的情况下，通过构成为各法拉第元件的法拉第转角各自不同，能够将各法拉第元件的温度特性设定为所期望的特性。
以下说明对于第一法拉第转子7、或法拉第元件19a、19b的温度依赖特性设定最适宜的转角来抑制比差变动的实施例1到3。
实施例1
说明作为图1的第一法拉第转子7，使用用于光电耦合元件的、具有图11所示的法拉第转角的温度特性的磁性石榴石的例子。使用了在温度23℃时将法拉第转角设定为22.5°+1.0°的法拉第转子。即，设定α＝1.0°，将线偏振光LO和LR往复透过时的、磁饱和时的合计的法拉第转角设定为47.0°。表1及图14示出从具备这种第一法拉第转子7的电流测量装置1的信号处理电路输出的、被测电流I的测量值的比差的温度特性。还有，表1中的“法拉第转角”是指线偏振光LO和LR往复透过时的磁饱和时的合计的法拉第转角，“比差”是指从电流测量装置1的信号处理电路输出的、被测电流I的测量值的比差。以下，在实施例2至实施例3中也同样。
表1
由表1及图14可知，第一法拉第转子为一个，设定α＝1.0°的情况下，能够将以23℃为基准的比差抑制在-0.01～0.42％。即，比差的变动幅度在-20℃以上80℃以下的温度范围内为0.43％的范围内。
实施例2
将往复中的磁性石榴石的转角-温度依赖性用以下的二次式(数学公式1)表示，计算出了对于系数a及系数b的比差变动幅度的最小值。还有，系数c设定为比差变动幅度取最小值。将比差变动幅度和系数a及b的关系表示在表2中。另外，比差变动幅度为表2所示的最小值时的在温度23℃时的法拉第转角调整部分α°和系数a及系数b的关系表示在表3中。
数学公式1
θF＝a·T2+b·T+c T表示温度(℃)
表2
表3
表2及表3是以系数a及系数b的0为中心呈点对称的关系。由表2可知，比差变动幅度为最小的有，系数a、系数b分别为-0.0001及-0.02时，和系数a、系数b分别为0.0001及0.02时，那时的转角调整部分α°的符号从表3看前者为正、后者为负。由于一般的磁性石榴石具有上面为凸状的曲线且转角随着温度的上升而减少的法拉第转角的温度特性，所以系数a及系数b的符号为负。从上述事项可知，为了降低比差变动幅度，磁性石榴石的转角的温度特性的系数a取接近-0.0001的值及系数b取接近-0.02的值即可。此时，转角调整部分α°为1.66°左后。
说明为了实现降低比差变动幅度的系数a、b，采用如图9所示的两个法拉第元件19a、19b的实施例。作为图9的法拉第元件19a使用具有二次曲线状的温度依赖性的磁性石榴石，作为法拉第元件19b使用如图16所示的磁性石榴石。图15及图16示出在温度23℃时的法拉第转角45°的法拉第元件19a、19b的温度依赖性。
最优化法拉第元件19a、19b的各自的厚度的结果，得到了在往复时具有以下数学公式2所示的温度依赖性的法拉第元件。得到在温度23℃时的磁饱和时的法拉第元件19a的转角8.34°，法拉第元件19b的转角15.73°，合计法拉第转角24.07°，α＝1.57°。线偏振光LO和LR往复透过时的、在温度23℃时的磁饱和时的合计的法拉第转角为48.14°。图17示出往复时的合计法拉第转角的温度依赖性。
数学公式2
θF＝-2.02·10-4·T2-0.0200·T+48.71 T表示温度(℃)
表4及图18示出从电流测量装置20的信号处理电路输出的、被测电流I的测量值的比差的温度特性。
表4
由表4及图18可知，由两个法拉第元件19a、19b构成，设定α＝1.57°的情况下，可将以温度23℃为基准的比差抑制在-0.04～0.01％。即，比差的变动幅度在-20℃以上80℃以下的温度范围内在0.05％的范围内。
实施例3
基于表2的探讨研究结果进行了能用一个法拉第转子来减少比差的磁性石榴石的开发。其结果得到了具有以下数学公式3所示的温度依赖性的磁性石榴石。在温度23℃时的法拉第转角为24.22°，即设定α＝1.72°。图19示出得到的磁性石榴石的温度依赖性。
数学公式3
θF＝-1.64.·10-4·T2-0.0185·T+48.95 T表示温度(℃)
线偏振光LO和LR往复透过时的、磁饱和时的合计的法拉第转角为48.44°。表5及图20示出从具备这种第一法拉第转子7的电流测量装置1的信号处理电路输出的、被测电流I的测量值的温度-比差特性。
表5
由表5及图20可知，比差范围为-0.05～0.01％，比差的变动幅度在-20℃以上80℃以下的温度范围内在0.06％的范围内。与实施例2相比较用一个法拉第转子实现了相同的性能。
如上所示，根据本发明的电流测量装置，通过在温度23℃时使法拉第转子的转角从22.5°仅变化α°，以此来将从电流测量装置的信号处理电路输出的被测电流的测量值的比差的变动幅度在-20℃以上80℃以下的温度范围内抑制在±0.5％的范围内。从而，可在法拉第转子这一光学系统中进行测量值的比差的温度特性的补偿，因此在提高电流测量装置的可靠性的同时，将比差的变动幅度抑制在±0.5％以内，可实现能够应用于继电保护器用途的电流测量装置。
进一步，通过将所述被测电流的测量值的比差的变动幅度在-20℃以上80℃以下的温度范围内抑制在±0.2％的范围内，可将电流测量装置使用于要求±0.2％范围内的比差的温度特性的用途(例如，要求严密测量的计算电费用的电表)。
进一步，将铅玻璃光纤用于传感器用光纤的情况下，在加上铅玻璃光纤的比差的温度特性的基础上调节法拉第转子的转角α°。通过如此构成电流测量装置，即使将铅玻璃光纤使用于传感器用光纤，也可以将从信号处理电路输出的被测电流的测量值的比差的变动幅度在-20℃以上80℃以下的温度范围内抑制在±0.5％(或±0.2％)的范围内。
还有，本发明还可基于该技术思想进行种种变更，例如传感器用光纤2也可使用石英玻璃光纤。另外，第一光纤9可以变更为单模光纤，偏振光分离棱镜15也可变更为偏振波依赖/无依赖光环行器。
附图标记说明
1、20电流测量装置；2传感器用光纤；3光回路单元；4光电转换器；5导体；6反射膜；7第一法拉第转子；7a、18a永久磁铁；8偏振光分离器；9第一光纤；9a第一光纤的端面；9b第一光纤9的另一端；10第二光纤；10a第二光纤的端面；11、14透镜；12套管；13光源；15偏振光分离棱镜；16第一光电转换元件；17第二光电转换元件；18第二法拉第转子；19a、19b法拉第元件；LO、LR线偏振光；L1寻常光线；L2异常光线；I被测电流。
Claims (10)
1.一种电流测量装置，其特征在于，至少包含传感器用光纤、偏振光分离器、法拉第转子、光源和具备光电转换元件的信号处理电路；
所述传感器用光纤，围绕在被测电流流动的导体的外周，同时具备用于射入线偏振光的一端和反射射入的所述线偏振光的另一端；
所述偏振光分离器，设置在所述传感器用光纤的一端；同时，
所述法拉第转子，配置在所述传感器用光纤的一端和所述偏振光分离元件之间；
并且，将所述法拉第转子的磁饱和时的法拉第转角，在温度23℃时设定为22.5°+α°，以此来将从所述信号处理电路输出的所述被测电流的测量值的比差的变动幅度设定在±0.5％的范围内。
2.如权利要求1所述的电流测量装置，其特征在于，所述变动幅度设定在±0.5％的范围内的温度范围为100℃。
3.如权利要求2所述的电流测量装置，其特征在于，所述100℃的温度范围为-20℃以上80℃以下。
4.如权利要求1至3任一项所述的电流测量装置，其特征在于，所述法拉第转子具有磁饱和时的法拉第转角随着温度的变化而变化为二次曲线状的法拉第转角的温度特性。
5.如权利要求1至4任一项所述的电流测量装置，其特征在于，所述法拉第转子由两个以上法拉第元件构成。
6.如权利要求5所述的电流测量装置，其特征在于，所述两个以上法拉第元件的法拉第转角各自不同。
7.如权利要求4至6任一项所述的电流测量装置，其特征在于，从所述信号处理电路输出的所述被测电流的测量值的比差的变动幅度设定在±0.2％的范围内。
8.如权利要求7所述的电流测量装置，其特征在于，所述变动幅度设定在±0.2％的范围内的温度范围为100℃。
9.如权利要求8所述的电流测量装置，其特征在于，所述100℃的温度范围为-20℃以上80℃以下。
10.如权利要求1至9任一项所述的电流测量装置，其特征在于，所述传感器用光纤为铅玻璃光纤。
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