CN1157656A - 具有温度补偿的用于测量交流电流的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

线性偏振测量光(L)在通过一个法拉第传感装置(3)后在起偏器(7)中被分解成两个不同的偏振光分量信号(L1，L2)。通过将强度信号的相应交流信号分量除以相应的直流信号分量使相应的电强度信号(I1，I2)强度标称化。由两个强度标称化信号S1及S2导出测量信号S=(2*S1*S2)/((S2-S1)+K*(S1+S2))，其中校正系数K，入耦的测量光(L)的偏振面与传感装置(3)中线性双折射的一个原轴之间的入耦角η以及该原轴与起偏器(7)的一个原轴之间的退耦角θ符号cos(2θ+2η)=-2/(3K)及sin(2θ-2η)=1。

Description

具有温度补偿的用于 测量交流电流的 方法及装置
本发明涉及一种用于测量交流电流的方法及装置。
已经公知了用于测量电流的光测量方法及其测量装置，其中利用了法拉第磁光效应。我们将法拉第磁光效应理解为：线性偏振光依赖一个磁场转动其偏振平面。这里转动角度正比于光沿磁场走过的路径的路径积分并以费尔德特(Verdet)常数作为比例常数。费尔德特常数与光经过的材料及光的波长有关。为了检测一个电流导体中的电流在该电流导体的附近设置一个显示法拉第效应的传感装置，它由一个透光材料、通常为玻璃组成并由一个或多个构成光路的实心体或由一个光波导体构成。通过该传感装置发送线性偏振光。由电流产生的磁场使得传感器装置中光的偏振平面转动一个转角，该转角被一个求值单元作为求解磁场强度的量值并由此作为求解电流强度的量值进行求解。通常该传感装置包围着电流导体，以致使偏振光以准闭合路径环绕电流导体。在此情况下偏振转角以较好近似值直接正比于测量电流的幅值。
在由WO91/01501公知的一个用于测量电流的光测量装置的实施形式中传感装置被设计作为单模光纤维的一部分，它以测量线圈的形式包围着电流导体。因此偏振测量光环绕电流导体一个N次的循环，这里N是测量线圈的匝数。在所谓透射型的情况下测量光仅一次地经过测量线圈。在反射型的情况下，与此相反，纤维的另一端作反射，因此测量光在第一次经过测量线圈后又在相反方向上第二次经过它。由于法拉第效应的非可逆性，因而在反射型上在与透射型相同的测量线圈的情况下其转角是透射型中转角的两倍。
由EP-B-0088419公知了一种用以测量电流的光测量装置，其中传感装置被设计成围绕电流导体的实心玻璃环。一个光源的光被一偏振镜线性偏振然后馈入到传感装置中。该线性偏振光经过传感装置一次并然后被作为偏振分光器的渥拉斯顿(Wollaston)棱镜分成具有相互垂直定向偏振面的两个线性偏振光分量信号A及B。这两个光信号A及B中的每个各经由所属的光传输纤维传输到所属的光检测器并转换成相应的电信号PA及PB。由这两个信号PA及PB在一个计算单元中构成一个强度标称测量信号M＝(PA－PB)/(PA＋PB)。该测量信号M与光源的强度波动或与光导体中的衰减无关。
在这些测量电流的光测量方法及装置中的一个问题在于由于在传感装置及光传输区段中的光材料中的附加线性双折射形成的干扰影响。这种附加线性双折射可通过机械压力，如通过弯曲或振动引起或通过温度变化引起。该由扰动引起的线性双折射会导致工作点及测量灵敏度不希望的改变。
对于温度影响的补偿已经公知了各种不同的温度补偿方法。
在US4755665中提出了一种测量交流电流的磁光测量装置用的温度补偿方法。在该方法中，类似于前面所述的，由EP-B-0088419中公知的测量装置中获得的电信号PA及PB分别被一个滤波器分解成其直流分量PA(DC)及PB(DC)和其交流分量PA(AC)及PB(AC)。为了补偿在光信号A及B的两个传输区段中不同的强度波动由交流分量PA(AC)及PB(AC)和直流分量PA(DC)及PB(DC)构成了用于每个信号PA及PB的商QA＝PA(AC)/PA(DC)及QB＝PB(AC)/PB(DC)。由这两个商QA及QB的每个构成一个时间中值MW(QA)及MW(QB)，并且这两个中值MW(QA)及MW(QB)最终构成另一个商Q＝MW(QA)/MW(QB)。在一个交互方法的范围中，通过与在一数值表(查看表)中存储的校正值相比较可得到用于求得的商Q的校正系数K。用该校正系数K校正的值Q*K将被用来作为对于待测交流电流的温度补偿测量值。用此方法可将温度敏感度降低到1/50。
由EP-A-0557090公知了另一种用于交变磁场测量的光测量装置的温度补偿方法，该测量装置利用法拉第效应，因此也适用于测量交流电流。在该公知方法中，线性偏振测量光束在通过一个传感装置后在一个起偏器中被分离成两个不同的线性偏振光分量信号A及B，并为了两个所属的分离电信号PA及PB中每个的强度标称化，由它们所属的交流分量PA(AC)及PB(AC)和它们所属的直流分量PA(DC)及PB(DC)构成商QA＝PA(AC)/PA(DC)及QB＝PB(AC)/PB(DC)。这时在一个计算单元中由这两个商QA及QB以实常数α及β构成测量信号M＝1/[(α/QA)－(β/QB)]，并满足关系式α＋β＝1。该测量信号被表明与受温度变化引起的费尔德特常数的变化及与传感装置中循环双折射基本上无关。对于温度感应的线性双折射的补偿并未提及。常数α及β将由试验来确定。
本发明的任务在于提供一种借助显示法拉第效应的传感装置测量交流电流的方法及装置，其中由温度感应的线性双折射及由测量信号的强度波动产生的影响被进一步地补偿。
根据本发明，该任务将用权利要求1或2中的特征来解决。受到由交流电产生磁场影响的光传感装置将通过耦合装置使线性偏振测量光耦合进来。在通过传感装置时测量光的偏振平面将依赖交流电流而变化。在通过传感装置后由一个起偏器使测量光分成两个具有不同偏振平面的线性偏振光分量信号。紧接着，这两个光分量信号被光电转换器分别转换成相应的电强度信号。这两个强度信号的每个将被专门的强度标称化，这时由标称化装置由其交流信号分量及其直流信号分量构成商信号。由此可使光耦合装置中的及这两个光分量传输区段中的强度波动被补偿。这时将由求值装置由作为强度标称化信号I1和I2的两个商信号至少近似地根据规则：
S＝(2*S1*S2)/((S2－S1)＋K*(S1＋S2))(1)导出用于交流电流的测量信号S，式中K是实数校正系数，并且该校正系数K，在传感装置中耦合测量光的偏振平面与线性双折射一个原轴形成的入耦角η以及该线性双折射原轴与起偏器一个原轴之间的所谓退耦角θ至少近似地满足下列两个条件：
         Cos(2θ＋2η)＝-2/(3K)  (2a)
        Sin(2θ－2η)＝1         (2b)
根据本发明的测量方法及测量装置的有利构型由各从属权利要求所提供。
为了进一步解释本发明将参照下列以概要形式表示的附图：
图1为用于测量交流电流的一个装置的原理结构；
图2为用于这种测量装置的标称化装置的一个实施形式；
图3为用于这种测量装置的温度补偿求值装置的一个实施形式；
图4为入耦角η及退耦角θ的示意图。
图中彼此相对应的部分用相同的标号表示。
图1表示对在一个电流导体中的交流电流进行测量的一个实施形式的原理结构。对电流导体2配置了一个传感装置3，该传感装置在由交流电流I产生的磁场作用下，使进入传感装置3的线性偏振测量光的偏振依赖交流电流I变化。为此，该传感装置3至少部分地由至少一个显示法拉第磁光效应的材料组成。在该传感装置3中将耦合进来线性偏振测量光L。为了产生这种线性偏振测量光L，可以设置一个简单的光源和配置的未示出的偏振装置或也可本身就是一个偏振光源4，例如为一个激光二极管。传感装置3及光源4最好通过一个保持偏振的光导体34，例如单模光导纤维如HiBi(高双折射率)纤维或对偏振呈中性的LoBi(低双折射率)纤维进行光连接。然而也可使用多模光导体，例如在电信中使用的光导纤维。尤其在后一种情况下，光源4的光在耦合入传感装置3以前通过一个附加的偏振镜发送并被线性偏振。该线性偏振光L至少穿过传感装置3一次，并在其中它的偏振得到与电流导体2中交流电流I有关的变化。耦合出来的测量光L具有一个由于法拉第效应转动了(未示出的)测量角α的偏振平面。这里测量角α与电流导体2中的交流电流I有关。
传感装置3可用光导体，最好用光导纤维构成，它以具有至少一个测量区的测量线圈包围着电流导体。传感装置3的光导体与输入测量光L的光导体34最好通过一个接头相连接。然而作为传感装置3也可设置一个或多个由法拉第材料作的实心体，它们最好绕电流导体2构成一个闭合光路，例如为一个玻璃环。该传感装置必须围着但不一定以闭合光路包围电流导体2，而是也可以仅设置在电流导体2旁的附近空间中。
在通过传感装置3后测量光L被输入到一个起偏器7，在该起偏器7中它被分解成两个线性偏振光分量信号L1及L2，它们的偏振面相互不同。最好这两个光分量信号L1及L2的偏振面彼此垂直定向(正交分解)。作为起偏器7可以是一个偏振分光器，例如一个渥拉斯顿棱镜或是两个以相应角度最好90°相交的偏振滤光器及一个具有部分透光的镜的简单分光器。传感装置3与起偏器7可通过一个自由导光部件或通过一个维持偏振的光导体，最好是单模光导纤维如HiBi(高双折射率)纤维或对偏振呈中性的LoBi(低双折射率)纤维相互形成光连接。
这两个光分量信号L1及L2然后分别输入到一个光转换器12及22。这两个光分量信号L1及L2从起偏器7到各个所属的转换器12及22的传输是通过自由导光部件或最好分别通过光导体11及21来实现的。在转换器12及22中这两个光分量信号L1及L2分别转换成一个电强度信号I1或I2，它们是各所属光分量信号L1及L2强度的大小。
现在电强度信号I1及I2被输入到标称化装置20中。在每个标称化装置20的输出端提供强度标称化信号S1及S2。作为强度标称化信号S1及S2将由所属强度信号I1及I2的交流信号分量及直流信号分量构成各自的商。这样构成的强度标称化信号S1及S2是强度波动被补偿的信号，这就是说，光强度的波动、尤其是通过光导体中的微弯曲损耗及由于振动或其它机械作用以及通过光源4的强度波动引起的光强度波动均实际上被消除。在两个光分量L1及L2的光传输区段中不同的强度变化也将被强度标称化消除。因此作为这两个光强度信号L1及L2的传输区段各设置有一个多模纤维。
现在带来一个问题，也即由于温度诱发的光测量装置尤其是传感装置3的光学材料中的线性双折射随温度的变化及与此相关的工作点的移动和尤其是测量装置测量灵敏度的变化。对于这个由温度诱发的灵敏度的变化将通过下面将描述的温度补偿方法借助一个求值装置40进一步地补偿。
为此将这两个强度标称化信号S1及S2分别输入到求值装置40的一输入端。该求值装置40由这两个强度标称化信号S1及S2构成一个作为测量信号S的输出信号，它至少近似地满足上述等式(1)，也就是相当于两个强度标称化信号S1及S2积的两倍与差值S2－S1加上校正系数K乘以和值S1＋S2的和之商。
校正系数K是一个实数，它一方面与耦合进入传感装置3的线性偏振测量光L的偏振面P到传感装置3的线性双折射的一个原轴EF的入耦角η(图4所示)有关地，另一方面与(也是在图4中表示的)该原轴EF与起偏器7的一个原轴EA之间的退耦角θ相关地这样调节，即至少近似地满足于上述条件式(2a)及(2b)。尤其由等式(2a)可得到，对于校正系数有K≤-2/3或K≥2/3。这里一个双折射材料的原轴是通过未变化地离开材料的测量光L的偏振状态确定的。在图4中确定的图面是一个垂直于测量光L传播方向的平面。
在传感装置3中尤其是较大的线性和/或循环双折射的情况下可以对精确地满足所述条件式(2a)及(2b)的角度值有所偏离，其偏离值可达约5°。
计算得出，在根据校正系数K选择的这种入耦角η及退耦角θ的情况下，测量信号S具有与法拉第转角或测量角α特别简单的关系。即较好近似地适用于关系式：
                 S＝Sin(2·α)    (3)
这个测量信号S相当于无双折射效应时测量角α的理论测量信号。因此求值方法是特别简单的。在预定入耦角η及退耦角θ的情况下对校正系数这样地调整，即使测量装置的测量信号S相当于不存在双折射情况下的理论测量信号。利用该校正系数K可将测量装置调整到最小的温度依赖性上。
当在耦合入传感装置3以前，测量光L被一个偏振镜线性偏振时，可简单地将该偏振镜5的原轴及传感装置3中线性双折射的一个原轴之间的角度选择为入耦角η。
测量信号S无论是相对光源中及光传输区段中的强度波动，还是相对温度变化时其工作点或其测量灵敏度均进一步被稳定了。根据等式(1)对测量信号S的算术推导最好借助于执行该算术运算的相应模拟组件来进行。在这个实施形式中可以作到实时地进行温度补偿。但测量信号S将借助于数字信号处理器或微处理机进行数字计算和/或借助于存储的数值表来求得。
除图1所示的，其中测量光L仅在一个方向上通过传感装置3的传输类型的实施形式外，也可以使用反射类型的实施形式，其中测量光L在第一次通过传感装置3后被反射并沿相反方向第二次通过传感装置3。光源4的线性偏振测量光L则最好通过一个光接口处的分光器耦合入传感装置3，在第一次通过后被一个镜反射，第二次地通过传感装置3并在所述接口处再被耦合出来及通过分光器输入到起偏器7。
图2表示标称化装置20的一个有利实施形式。它设有：一个与光电转换器12电连接的第一滤波器13，用于将第一强度信号I1分解成交流信号分量A1及直流信号分量D1，及一个与第二光电转换器22电连接的第二滤波器23，用于将第二强度信号I2分解成交流电信号A2及直流电信号D2。这两个滤波器13及23的分离频率这时被选择到这样的高，即基本上各强度信号的交流信号分量A1及A2包含待测交流电流I的所有信息。尤其是将分离频率选择得小于交变电流I的基波频率。在图示的实施形式中这两个滤波器13及23各包括一个低通滤波器14及24和一个减法器(SUB)15及25。强度信号I1或I2输入到所属低通滤波器14或24的输入端。在低通滤波器14或24的输出端则提供强度信号I1或I2的直流信号分量D1或D2，它们相当于低于低通滤波器14或24的预定分离频率的强度信号I1或I2的频率分量。现在将借助减法器15或25通过由强度信号I1或I2减法直流信号分量D1或D2构成各交流信号分量A1或A2。为此，所属减法器15或25的两个输入端将输入强度信号I1或I2和所属的直流信号分量D1或D2。
取代图2中所示的滤波器13和23的实施形式，当然也可设置高通滤波器或低通滤波器来滤出交流信号分量A1及A2或直流分量信号D1及D2，或者各用一个高通滤波器滤出交流信号分量A1或A2，再用一个减法器来导出直流信号分量：D1＝I1－A1及D2＝I2－A2。
第一强度信号I1的交流信号分量A1及直流信号分量D1这时各被输入到一个除法器16的输入端。在该除法器16的输出端提供作为第一强度信号I1的交流信号分量A1和直流信号分量D1的商的第一强度标称化信号S1＝A1/D1。同样地，第二强度信号I2的交流信号分量A2及直流信号分量D2各被输入到一个第二除法器26，它构成用于第二强度信号I2的强度标称化信号S＝A2/D2。然后这两个强度标称化信号S1及S2可以在标称化装置20的相应输出端被测到。
图3表示使用模拟硬件的求值装置40的一个实施形式。它设有一个乘法器(MULT)41，第一加法器(ADD)42，一个减法器(SUB)43，两个放大器44及45，第二加法器(ADD)46及一个除法器(DIV)47。标称化装置20的这两个强度标称化信号S1及S2各输入到乘法器41、第一加法器42及减法器43的各两个输入端。乘法器41输出端上两个信号S1及S2的乘积S1*S2输入到放大器44的输入端，放大器44被调整在放大系数2上，因此在它的输出端上提供这两个信号S1及S2的两倍乘积2*S1*S2。第一加法器42输出端上两个信号S1及S2的和S1＋S2输入到另一放大器45的输入端并以校正系数K被放大。为此，放大器45的放大系数被调整在预定校正系数K上。放大器45输出端上的积K*(S1＋S2)输入到第二加法器46的一个输入端。该加法器46的另一输入端输入减法器43的输出信号S2－S1，它相当于这两个信号S1及S2的差值。加法器46的输出信号构成这两个输入信号的和：K*(S1＋S2)＋(S2－S1)。最后，放大器44的输出信号2*S1*S2输入到除法器47的第一输入端及第二加法器46的输出信号输入到除法器47的第二输入端。除法器47由这两个输入信号根据等式(1)计算出测量信号：
S＝(2*S1*S2)/(K*(S1＋S2)＋(S2－S1))根据图3具有模拟组件的这个实施形式具有的优点是测量信号S的计算可特别快地执行。尤其与根据图2的标称化装置20相组合可以实现实时的温度补偿。
根据本发明的测量方法及测量装置当然也可直接地用于交变磁场的测量，这时传感装置3被设置在交变磁场中。

Claims (7)

1、一种利用法拉第效应测量交流电流(I)的方法，具有下列特征：a)将线性偏振测量光(L)耦合入受交流电流(I)产生的磁场影响的传感装置(13)中，及测量光(L)在经过传感装置(3)时其偏振面依赖交流电流(I)而转动；b)测量光(L)在至少一次通过传感装置(3)后由一个起偏器(7)分解成两个具有不同偏振面的线性偏振光分量信号(L1，L2)；c)将这两个光分量信号(L1，L2)分别转换成电强度信号(I1，I2)；d)使这两个电强度信号(I1，I2)的每一个构成强度标称化信号S1及S2，它们相当于所属强度信号(I1，I2)的交流信号分量与直流信号分量的商；f)由这两个强度标称化信号S1及S2至少近似地根据规则：S＝(2*S1*S2)/((S2－S1)＋K*(S1＋S2))推导出用于交流电流(I)的测量信号，其中实数校正系数K，耦合入传感装置(3)的测量光(L)的偏振面与传感装置(3)中线性双折射一个原轴的入耦角η以及该线性双折射原轴与起偏器(7)的一个原轴之间的退耦角θ至少近似地满足下列两个条件式：
Cos(2θ＋2η)＝-2/(3K)
Sin(2θ－2η)＝1。
2、一种用于测量交流电流(I)的装置，其具有a)入耦装置(4，34)，用于将线性偏振测量光(L)耦合入受交流电流(I)产生的磁场影响的传感装置(3)中，该传感装置依赖交流电流(I)来转动测量光(L)的偏振面；b)一个起偏器(7)，用于使测量光(L)在至少一次通过传感装置(3)后被分解成两个具有不同偏振面的线性偏振光分量信号(L1，L2)；c)光电转换器(12，22)，用于将这两个光分量信号(L1，L2)分别转换成电强度信号(I1，I2)；d)标称化装置(13，23)，用于使两个电强度信号(I1，I2)分别构成强度标称化信号S1及S2，它们相当于所属强度信号(I1，I2)的交流信号分量及直流信号分量的商；e)求值装置(20)，用于由两个强度标称化信号S1及S2至少近似地根据规则：S＝(2*S1*S2)/((S2－S1)＋K*(S1＋S2))推导出用于交流电流(I)的测量信号(S)，其中K为实数校正系数，该校正系数K，耦合入传感装置(3)的测量光(L)的偏振面与传感装置(3)中线性双折射的一个原轴的入耦角η以及该线性双折射原轴与起偏器(7)的一个原轴之间的退耦角θ至少近似地满足下列两个条件式：
           Cos(2θ＋2η)＝-2/(3K)
           Sin(2θ－2η)＝1。
3、根据权利要求2所述的装置，其中设置了一个渥拉斯顿棱镜作为起偏器(7)。
4、根据权利要求2或3所述的装置，其中起偏器(7)与光电转换器(12，22)分别通过用于每个光分量信号(L1，L2)的一个光导体(11，21)光学连接。
5、根据权利要求4所述的装置，其中光导体(11，21)是多模纤维。
6、根据权利要求2至5中任一项所述的装置，其中传感装置(3)及起偏器(7)通过用于传输从传感装置(3)耦合出来的测量光(L)的、保持偏振的光导纤维相互形成光连接。
7、根据权利要求2至6中任一项所述的装置，其中设置一个玻璃环作为传感装置(3)。
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