CN107250814A - 光电测量装置和测量电流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用光源(5)以及利用检测器(6)测量电流的测量装置(1)，光源用于产生偏振主光信号以馈入法拉第传感器装置(2)，检测器用于采集由法拉第传感器装置(2)提供的、相对于主光信号偏振改变的二次光信号。本发明的特征在于，光电补偿元件(8,9,10)，借助其能够通过相反的偏振改变对二次光信号的偏振改变进行补偿，并且能够针对电流得出与相反的偏振改变有关的测量信号。本发明还涉及一种借助测量装置(1)测量电流的方法。

Description

光电测量装置和测量电流的方法

技术领域

本发明涉及一种利用光源以及利用检测器测量电流的测量装置，光源用于产生偏振主光信号以馈入法拉第传感器装置，检测器用于采集由法拉第传感器装置提供的、相对于主光信号偏振改变的二次光信号。

背景技术

这种类型的测量装置例如从EP 0 865 610 Bl中已知。对电流的测量在此基于所谓的法拉第效应。法拉第效应应当理解为特定材料的折射率依据磁场的改变。可以利用这种效应来改变通过材料的光的偏振状态。尤其是在线性偏振光的情况下，这种改变使得光的偏振平面旋转。旋转的对应的旋转角理想地与沿着光在材料中经过的路径关于磁场的路径积分成比例。从在检测器中对偏振状态的改变的采集以及随后对其的分析，可以相应地获得测量参量，该测量参量包含关于产生磁场的电流的信息。

已知测量装置的缺点在于如下情况：通常借助干涉仪或者偏振分析仪进行的对偏振状态、例如偏振角的测量的精度相对复杂并且仅具有有限的精度。因此，这种效应仅对于直至90°的偏振旋转是唯一的，并且这种法拉第效应的非线性以及温度依赖性例如限制了精度。精度的提高总是与检测器的成本的增加以及测量装置的容易出错性的提高相关联。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提出一种上面提及的类型的测量装置，其使得能够尽可能准确并且可靠地进行测量。

在一种特定的测量装置中，上述技术问题通过如下方式来解决：提供补偿元件，借助其能够通过相反的偏振改变对二次光信号的偏振改变进行补偿，并且能够针对电流得出与相反的偏振改变有关的测量信号。

本发明基于如下认识：相对于对偏振状态的直接测量，零测量更准确，并且能够在对环境影响的依赖性减小并且检测方案的开销减少的情况下执行。由于对二次光信号的偏振改变进行补偿，检测器在这种情况下仅需要被调整为对偏振改变进行零测量。换句话说，原则上在检测器中需要进行仅确定是否存在偏振改变的测量。对偏振改变的补偿在此通过相反的偏振改变来实现，即通过对在法拉第传感器装置中实现的偏振改变起反作用的新的偏振改变来实现。例如，线性偏振主光信号的偏振平面以特定旋转角的旋转，可以通过二次光信号的偏振平面的以量值相同、但是方向相反的旋转角的新的旋转来补偿。

针对待测量的电流的测量信号在此依据相反的偏振改变来得出。这意味着，为了在根据本发明的测量装置中得出测量信号，不直接使用偏振改变，而是使用相反的偏振的度量。

以这种方式，根据本发明的测量装置将已知的基于法拉第效应的测量装置的优点与零测量的优点集于一体。

如下得到根据本发明的测量装置的另一个优点：在高压技术中应用的情况下，通过在法拉第传感器装置和检测器之间使用光导纤维的可能性，能够以低廉的成本实现电压隔离，因为其总归是系统固有的。补偿元件可以通过定位在地电势的可能性来进行电气控制。同时，检测器可以在其理想工作点工作。由此能够实现高的测量精度。此外，可以进行与不希望的副作用、例如温度影响无关的测量。本发明的优点由此是改善测量的可靠性。

本发明不仅适合于测量直流电流，而且适合于测量交流电流。

用于传导主光信号的法拉第传感器装置例如可以包括光纤线圈或者玻璃环。以适合的方式将光纤线圈或玻璃环围绕传导待测量的电流的电流导体或者电流线缆缠绕。通过光多次通过由流动的电流产生的磁场，可以使偏振改变加强。玻璃环的玻璃例如是块状玻璃。

补偿元件例如可以是包括光学元件和传导电流的元件的光电补偿元件。

根据本发明的一个优选实施方式，补偿元件包括进行补偿的法拉第传感器装置以及布置在进行补偿的法拉第传感器装置的位置附近的补偿电流导体，其中，二次光信号通过进行补偿的法拉第传感器装置，并且能够调整补偿电流导体中的补偿电流，使得能够对二次光信号的偏振改变进行补偿，其中，能够得出补偿电流的测量信号。因此，补偿电流导体传导进行补偿的磁场产生的电流。进行补偿的磁场作用在二次光信号上，因为传导二次光信号的进行补偿的法拉第传感器装置位于其位置附近。进行补偿的磁场以适合的方式产生相反的偏振改变，通过其对二次光信号的偏振改变进行补偿。可以调整通过补偿电流导体的补偿电流，使得对偏振改变进行补偿。由此，补偿电流的值承载关于待测量的电流的量化信息。因此，可以根据补偿电流得出测量信号。本发明的该实施方式具有能够相对简单地根据补偿电流得到测量信号的优点。检测器在此以适合的方式被配置为，确定通过补偿电流导体的给定电流是否对偏振改变进行了(完全的)补偿。这使得能够特别简单并且鲁棒地构建检测器。此外，检测器的可能的非线性不起作用。

优选补偿元件包括调节装置，调节装置被配置为借助补偿电流作为控制参量，对二次光信号的偏振改变或者由其得出的调节参量进行零调节。因此，调节装置被配置为，改变通过补偿电流导体的补偿电流，直至进行补偿的法拉第传感器装置中的相反的偏振对偏振改变进行了补偿为止。因此，零调节在这种情境下意味着，将调节参量调节为等于零的额定值。调节参量在此由偏振改变或者由其得出的参量给出。调节回路中的反馈在此以合适的方式经由借助检测器获得的关于二次光信号的偏振状态的信息进行。针对待测量的电流的测量信号于是可以根据补偿电流的值获得。也就是说，对偏振改变进行完全补偿所需的补偿电流承载关于待测量的电流的信息。为了确定测量信号，例如可以使用在补偿电流所流过的合适的测量电阻上测量的电压。零调节使得能够特别准确地测量电流。此外，调节可以有源或者无源地实现(通过在调节回路中使用有源或无源元件)并且可以高动态地进行。这有利地产生可能的几微妙的短的死区时间。测量的速度由测量装置的光传导部分的长度以及通过检测器的速度来物理地定义。

优选法拉第传感器装置和进行补偿的法拉第传感器装置相同地构造。如果进行补偿的法拉第传感器装置是光纤线圈，则例如可以围绕补偿电流导体缠绕光纤线圈的绕组。法拉第传感器装置和进行补偿的法拉第传感器装置的绕组的数量适合于定义待测量的电流和补偿偏振改变所需的补偿电流之间的转换比。通过相同的部分的多次使用，可以有利地降低测量装置的成本。此外，以这种方式，如果在两个传感器装置的环境中保证相同的温度或者决定性的影响的温度依赖性是已知的，从而能够校准或者能够算出可能的温度差，则可以减小可能的温度影响。

优选检测器被配置为依据二次光信号的偏振状态采集光强度。偏振状态在此例如是相对于检测器的预先设置的零角度的偏振角。为了采集光强度，检测器例如可以包括光电二极管。因此，检测器以适合的方式被配置为对二次光信号的偏振状态进行定量分析。为了进行定量分析，测量装置或检测器例如可以具有合适的计算部件。

根据本发明的一个有利的实施方式，检测器包括偏振分析器。偏振分析器例如可以被构造为，在线性偏振的光信号通过偏振分析器时，偏振分析器提供与光信号的偏振角有关的强度信号。然后，该强度信号例如可以由光电二极管记录并且向合适的计算单元转发。依据偏振状态采集强度的这种可能性特别简单，因此对应地有利并且可靠。

优选偏振分析器被调整为，没有偏振改变的二次光信号在检测器的输出处产生零信号。这可以通过合适地选择零角来进行。零信号在这种情境下意味着，当二次光信号相对于主光信号没有偏振改变时，偏振分析器提供的强度信号在测量精度的范围内为零。例如，当借助补偿元件对二次光信号的偏振改变完全进行了补偿时，也是这种情况。

在此应当注意，检测器也可以基于其它测量原理。例如，检测器可以包括依据偏振状态采集强度的Sagnak干涉仪。此外，可以使用任意合适的干涉分析。

根据本发明的一个特别优选的实施方式，法拉第传感器装置布置在中压或高压电流导体附近，使得能够在高压电流导体中得出针对电流的测量信号。换句话说，测量装置特别适合于测量处于高压电势(例如高达800kV的电势下)的电流。当法拉第传感器装置处于围绕高压电流导体的磁场中时就足够了。然而，特别有利的是，如上面所述，法拉第传感器装置包括光纤等，并且光纤围绕高压电流导体缠绕。测量装置结合中压和高压设备的该特别的优点由高压电流导体和测量装置之间的有效的电势隔离的可能性得到。法拉第传感器装置例如可以布置在中压或者高压设备的处于中压或者高压电势的部分附近。检测器以及测量装置的其它部件可以布置在地电势附近。主光信号和二次光信号可以经由法拉第传感器装置和检测器之间的光纤传导。由于法拉第传感器装置和检测器和/或补偿元件之间的可能的空间隔离，可以简单并且安全地进行测量装置的构建和安装。如果在高压设备中已经设置有绝缘元件，例如气体绝缘的开关设备(GIS)或者高压套管，则可以将测量装置缠绕在外面。测量装置的光纤可以通过空腔绝缘体引导。当在高压直流传输领域内使用时，法拉第传感器装置和检测器之间的进一步的距离(直至几千米)在某些情况下也是可能并且希望的。

本领域技术人员已知的所谓的高/低双折射旋转光纤(Spun HiBi Faser)特别适合于结合本发明使用。其不仅适用用作传感器光纤，而且适合用于传输偏振信息。

根据本发明的一个优选实施方式，光源和检测器布置在地电势附近，其中，光源包括光发生元件以及与其间隔开的偏振元件，其中，光发生元件和偏振元件借助光导纤维彼此连接，以及其中，测量装置还包括用于传导主光信号的偏振保持光纤，其将偏振元件和法拉第传感器装置彼此连接。因此，可以有利地将测量装置的各部分在空间中分离，使得处于布置在高压电势处的高压电流导体附近的法拉第传感器装置和偏振元件之间的路径长度尽可能短。这能够实现测量装置的有利的成本降低：对于偏振元件和法拉第传感器装置之间的相对短的路径，使用相对昂贵的用于传导主光信号的偏振保持光纤；对于其余相对长的光发生元件和偏振元件的路径，可以使用成本相对低的光导纤维，因为在那里光不必具有良好地定义的偏振。以这种方式，可以在空间上可变地布置光发生元件，而不决定性地影响测量装置的成本。

当检测器包括偏振分析器以及与其间隔开的强度传感器时，可以实现另一个优点，其中，偏振分析器和强度传感器借助另一个光导纤维彼此连接，以及其中，测量装置还包括另一个用于传导二次光信号的偏振保持光纤，其将法拉第传感器装置和偏振分析器彼此连接。由偏振分析器提供的关于二次光信号的偏振状态的信息包含在由偏振分析器提供的光的强度中。由此，该光不必具有定义的偏振。因此，为了传导由偏振分析器提供的光，可以使用成本低廉的另一个光纤导体。

可以想到，主光信号或二次光信号以调制的信号的形式存在。在这种情况下，可以使用相位调制和/或强度调制。

通常，为了传导主光信号和二次光信号，可以设置两个分离的光纤。然而，也可以在一个共同的光纤中传导主光信号和二次光信号。还可以有利的是，对至少一个光纤在其端部配备反射镜和/或至少一个四分之一波片，用于进一步影响偏振。

优选将检测器布置在进行补偿的法拉第传感器装置的位置附近。这能够实现测量装置的紧凑的结构方式。例如可以将检测器和进行补偿的法拉第传感器装置布置于在高压电流导体和地或者高压设备的处于地电势附近的部分之间延伸的绝缘体的绝缘体底部中。

本发明还涉及一种测量电流的方法，其中，将借助光源产生的主光信号馈入法拉第传感器装置中，法拉第传感器装置提供相对于主光信号偏振改变的二次光信号。

这种方法利用已知的法拉第效应，并且在上面已经提及的文献EP 0 865 610 Bl中已知。

由所述已知方法出发，本发明要解决的技术问题在于，提供一种尽可能准确并且可靠地测量电流的方法。

根据本发明，上述技术问题通过如下方式来解决：在前面提及的方法中，借助补偿元件通过相反的偏振改变对二次光信号的偏振改变进行补偿，并且针对电流得出与相反的偏振改变有关的测量信号。

借助根据本发明的方法，能够实现已经结合根据本发明的测量装置描述的优点。

根据所述方法的一个实施方式，对二次光信号的偏振改变的补偿借助偏振改变的零调节或者借助由其得出的调节参量的零调节来进行。在此，可以使用前面描述的零调节的所有变形方式。

优选二次光信号通过布置在补偿电流线路的位置附近的进行补偿的法拉第传感器装置。零调节在此以通过补偿电流线路的补偿电流作为控制参量来进行。

附图说明

下面，根据附图1至3进一步说明本发明。

图1示出了根据本发明的测量装置的实施例的示意性结构；

图2以示意性图示示出了根据本发明的测量装置的另一个实施例；

图3以示意性图示示出了根据本发明的测量装置的另一个替换实施例。

具体实施方式

相应地，在附图中示出了测量装置1的示意图。测量装置1包括法拉第传感器装置2，法拉第传感器装置2布置在高压电流导体3附近。法拉第传感器装置2包括多个光纤绕组21，其围绕高压电流导体3缠绕。在这里示出的变形方式中，电流导体3是高压设备(未示出)的一部分。

高压电流导体3因此处于高压电势。为了在高压电势和地电势之间进行电势隔离，设置绝缘元件4，其在高压电流导体3和地之间延伸，并且这里示出被构造为空心绝缘体。绝缘元件4还包括绝缘体底部41，绝缘元件4设立在绝缘体底部41上。

测量装置1还包括光源5。光源5具有光发生元件51和偏振元件52。偏振元件52布置在绝缘体底部41中。光发生元件51布置在建筑物7中。建筑物7被配置用于容纳测量装置1的各部分以及高压设备的其它部分。借助直线18，在附图中示出了建筑物7和绝缘元件4之间的距离可能为直至几千米。光发生元件51和偏振元件52借助光导纤维53彼此连接。

检测器包括偏振分析器61、强度传感器62以及光导纤维63，其中，光导纤维63将偏振分析器61与强度传感器62连接。偏振分析器61以示出的形式布置在绝缘体底部41中。强度传感器62布置在建筑物7中，也处于地电势。

测量装置1还包括进行补偿的法拉第传感器装置8，其集成于在偏振分析器61和法拉第传感器装置2之间延伸的光纤19中。在附图中示出的本发明的实施例中，进行补偿的法拉第传感器装置8被构造为光纤线圈，其中，光纤线圈的光纤绕组围绕补偿电流导体9缠绕。在示出的实施例中，补偿电流导体9包括电流导体的多个绕组。

此外，测量装置1包括调节装置10，其在这里示出的变形方式中布置在建筑物7中。在附图中，调节装置10以简化的方式示出。调节装置10相应地包括测量电阻11、反馈元件12以及电压源13。调节装置10借助导电连接14和15与补偿电流导体9连接，从而形成对应的电流回路。

在所示出的实施例中，进行补偿的法拉第传感器装置8、补偿电流导体9和调节装置10形成补偿元件的元件。

下面，详细讨论测量装置1的工作方式。借助光发生元件51产生光信号。该光信号尚不具有定义的偏振。光信号经由光导纤维53馈送到偏振元件52。借助偏振元件52对光信号分配良好定义的偏振状态。因此，在偏振元件52的输出处提供偏振的主光信号。借助偏振保持光纤16将主光信号传导到法拉第传感器装置2。主光信号围绕高压电流导体3传导。在附图中示出的测量装置1的实施例中，主光信号线性地偏振。这意味着，主光信号相对于预先给定的零角、例如零度具有良好定义的偏振角。由于高压电流导体3的磁场中的法拉第效应，该偏振角发生改变。这意味着，在法拉第传感器装置的输出处提供偏振改变的二次光信号。二次光信号通过光纤19并且被传导到进行补偿的法拉第传感器装置8中。借助流过补偿电流导体9的电流，在此可以产生磁场，其在进行补偿的法拉第传感器装置中产生二次光信号的相反的偏振改变。

下面，为了进行说明假设，在给定的通过高压电流导体3的电流ih下，二次光信号具有与偏振平面的角度为ah的旋转对应的偏振改变。进行补偿的法拉第传感器装置8中的相反的偏振例如在给定值ik的补偿电流下产生偏振角为附加角度ak的旋转，偏振角也可能取负值。由此，进行补偿的法拉第传感器装置的输出处的二次光信号总共具有角度为ah+ak的偏振平面的旋转。依据角度ah+ak，在偏振分析器61中产生强度信号并且输出到强度传感器62。偏振分析器61被调整为，对于角度ah+ak＝0°输出强度信号零。如果强度信号不等于零，则经由反馈元件12对补偿电流进行正或负放大。是否存在过补偿或者欠补偿，即是否应当应用正或者负放大，例如可以借助附加的合适的测量、合适地选择的分析或者经由在测量范围外部的叠加的高频信号来确定。以这种方式又影响角度ak的值。如果补偿电流ik最后被调整为，其产生角度为ak的偏振平面的旋转，其中，ah+ak＝0，则实现通过相反的偏振对二次光信号的偏振改变的完全补偿。在该补偿电流下在测量电阻11处测量的电压Umax承载关于高压电流导体3中的电流ih的信息。

在图2中示意性地示出了根据本发明的测量装置100的另一个实施例。在图1和2中对相同的部件设置相同的附图标记。测量装置100的基本工作方式对应于测量装置1的基本工作方式。为了清楚起见，下面仅对图1和2的实施例之间的不同之处进行详细讨论。

图2的测量装置100与图1的测量装置1的不同之处在于，图1中的偏振元件52和偏振分析器61在图2中由相位调制器54代替。相位调制器54具有两个输入和两个输出。相位调制器54的相位输入和输出被布置为，主光信号和二次光信号通过相位调制器54。

在图3中示意性地示出了根据本发明的测量装置200的一个替换实施例。在图1和3中对测量装置100或200的相同或类似的部件设置相同的附图标记。下面仅对图2和3的测量装置100和200之间的不同之处进行详细讨论。

在图3的实施例中，测量装置200也具有相位调制器54。测量装置200的相位调制器54具有两个输入和一个输出。由此，图2的测量装置100的偏振保持光纤16和19在图3的测量装置200中重合。由此，不仅主光信号、而且二次光信号通过偏振保持光纤16。主光信号和二次光信号在光纤16中叠加。测量装置200还包括反射镜20，其布置在法拉第传感器装置上。主光信号在反射镜20上反射，由此使其传播方向反转。

附图标记列表

1,100,200 测量装置

2 法拉第传感器装置

21 光纤绕组

3 高压电流导体

4 绝缘元件

41 绝缘体底部

5 光源

51 光发生元件

52 偏振元件

53,63 光导纤维

54 相位调制器

6 检测器

61 偏振分析器

62 强度传感器

7 建筑物

8 进行补偿的法拉第传感器装置

9 补偿电流导体

10 调节装置

11 测量电阻

12 反馈元件

13 电压源

14,15 光导纤维

16,19 偏振保持光纤

20 反射镜

Claims (15)

1.一种利用光源(5)以及利用检测器(6)测量电流的测量装置(1)，光源用于产生偏振主光信号以馈入法拉第传感器装置(2)，检测器用于采集由法拉第传感器装置(2)提供的、相对于主光信号偏振改变的二次光信号，

其特征在于，

补偿元件(8,9,10)，借助其能够通过相反的偏振改变对二次光信号的偏振改变进行补偿，并且能够针对电流得出与相反的偏振改变有关的测量信号。

2.根据权利要求1所述的测量装置(1)，其中，补偿元件(8,9,10)包括进行补偿的法拉第传感器装置(8)以及布置在进行补偿的法拉第传感器装置(8)的位置附近的补偿电流导体(9)，其中，二次光信号通过进行补偿的法拉第传感器装置(8)，并且能够调整补偿电流导体(9)中的补偿电流，使得能够对二次光信号的偏振改变进行补偿，其中，能够依据补偿电流得出测量信号。

3.根据权利要求2所述的测量装置(1)，其中，补偿元件(8,9,10)包括调节装置(10)，调节装置被配置为借助补偿电流作为控制参量，对二次光信号的偏振改变或者由其得出的调节参量进行零调节。

4.根据权利要求2或3所述的测量装置(1)，其中，法拉第传感器装置(2)和进行补偿的法拉第传感器装置(8)相同地构造。

5.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置(1)，其中，检测器(6)被配置为依据二次光信号的偏振状态采集光强度。

6.根据权利要求5所述的测量装置(1)，其中，检测器(6)包括偏振分析器(61)。

7.根据权利要求6所述的测量装置(1)，其中，偏振分析器(61)被调整为，没有偏振改变的二次光信号在检测器(6)的输出处产生零信号。

8.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置(1)，其中，法拉第传感器装置(2)包括光纤线圈或者玻璃环，以传导主光信号。

9.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置(1)，其中，法拉第传感器装置(2)布置在高压电流导体(3)附近，使得能够针对高压电流导体(3)中的电流得出测量信号。

10.根据权利要求9所述的测量装置(1)，其中，光源(5)和检测器(6)布置在地电势附近，其中，光源(5)包括光发生元件(51)以及与其间隔开的偏振元件(52)，其中，光发生元件(51)和偏振元件(52)借助光导纤维(53)彼此连接，以及其中，测量装置(1)还包括用于传导主光信号的偏振保持光纤(16)，其将偏振元件(52)和法拉第传感器装置(2)彼此连接。

11.根据权利要求10所述的测量装置(1)，其中，检测器(6)包括偏振分析器(61)以及与其间隔开的强度传感器(62)，其中，偏振分析器(61)和强度传感器(62)借助另一个光导纤维(63)彼此连接，以及其中，测量装置(1)还包括另一个用于传导二次光信号的偏振保持光纤(19)，其将法拉第传感器装置(2)和偏振分析器(61)彼此连接。

12.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置(1)，其中，检测器(6)布置在进行补偿的法拉第传感器装置(8)的位置附近。

13.一种测量电流的方法，其中，将借助光源(5)产生的主光信号馈入法拉第传感器装置(2)中，法拉第传感器装置提供相对于主光信号偏振改变的二次光信号，

其特征在于，

借助补偿元件(8,9,10)通过相反的偏振改变对二次光信号的偏振改变进行补偿，并且针对电流得出与相反的偏振改变有关的测量信号。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，对二次光信号的偏振改变的补偿借助偏振改变的零调节或者借助由其得出的调节参量的零调节来进行。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，二次光信号通过布置在补偿电流导体(9)的位置附近的进行补偿的法拉第传感器装置(8)，并且零调节以通过补偿电流导体(9)的补偿电流作为控制参量来进行。