JP2000501841A - 正規化された強度を持つ交流量の光学的測定方法及び光学的測定装置 - Google Patents

正規化された強度を持つ交流量の光学的測定方法及び光学的測定装置

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JP2000501841A JP09522410A JP52241097A JP2000501841A JP 2000501841 A JP2000501841 A JP 2000501841A JP 09522410 A JP09522410 A JP 09522410A JP 52241097 A JP52241097 A JP 52241097A JP 2000501841 A JP2000501841 A JP 2000501841A
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Abstract

(57)【要約】 偏光された測定光(L)がセンサ装置(3)を通過し、しかる後2つの異なって直線偏光された光部分信号(L1、L2)に分割される。両光部分信号(L1、L2)及びその直流成分とから強度の正規化された測定信号(M)が導き出される。

Description

【発明の詳細な説明】 正規化された強度を持つ交流量の光学的測定方法及び光学的測定装置 この発明は、交流量を測定するための方法及び装置に関する。交流量とは、こ の場合及び以下において、その周波数スペクトルにおいて零と異なる周波数成分 のみを持ち、従って特に時間的に変化する測定量と理解される。 PCT特許出願WO95/10046号明細書から、交流量、特に交流磁場或 いは交流電流を磁気光学的ファラデー効果を利用して測定するため、或いは交流 電場或いは交流電圧を電気光学的ポッケルス効果を利用して測定するための光学 的測定装置及び測定方法が公知である。交流量の影響を受けるセンサ装置には偏 光された測定光が入射される。この測定光の偏光はセンサ装置において交流量に 関係して変化する。この偏光の変化を分析するために測定光は少なくとも1回セ ンサ装置を通過した後に異なる偏光面を持った2つの直線偏光された光部分信号 に分割される。この2つの光部分信号の光強度の差及び和の商に相当し、強度の 正規化された信号Pが形成される。強度の正規化された信号の交流信号成分と直 流信号成分とから温度補償された測定信号が導き出される。この直流信号成分は 、その場合、交流量の周波数成分を含んでおらず、温度補償のためにのみ使用さ れる。 社刊行物「光学的に結合された電流及び電圧H.V.センサ(Optical Combin edCurrent & Voltage H.V.Sensors)」、GECアルストーム(Alsthom)社、T& Dにより、磁気光学変流器が公知であり、この変流器においては偏光子におい て直線偏光された光信号がファラデー・ガラスリングを通過し、しかる後に偏光 性のビーム分割器により互いに垂直な、2つの直線偏光された光部分信号に分割 される(2チャネル偏光評価)。両光部分信号はそれぞれ1つの光ファイバを介 して所属のホトダイオードに導かれ、このホトダイオードにより対応する光部分 信号を、所属の光部分信号の光強度に比例する電気的強度信号S1或いはS2に 変換する。両光ファイバ中の異なる減衰に基づきこの両比例定数は互いに異なる 可能性がある。この感度の差を補償するために特別な制御が行われている。第一 のホトダイオードの出力側に接続された可制御の第一の増幅器が、強度信号S1 を所属の増幅率K1だけ増幅し、第二のホトダイオードの出力側に接続された第 二の増幅器が、第二の強度信号S2を第二の増幅率K2だけ増幅する。次に両強 度信号S1及びS2の直流信号成分(直流値)が決定され、両直流信号成分の差 が第一の増幅器の増幅率K1を制御することによって制御量として零に制御され る。両増幅器の出力端における一般に異なる強さで増幅された両強度信号K1・ S1及びK2・S2から、増幅器の出力信号の差と和との商(K1・S1−K2 ・S2)/(K1・S1+K2・S2)に相当する測定信号が形成される。 この発明の課題は、偏光された測定光の偏光状態がセンサ装置において交流量 に関係して変化し、この測定光がこの偏光の変化を評価するために少なくとも1 回通過した後に異なって直線偏光された2つの光部分信号に分割され、測定光の 光路及び両光部分信号における強度変化が補償されるようにした、交流量を測定 するための光学的測定方法及び光学的測定装置を提供することにある。 この課題は、この発明によれば、請求項1並びに請求項4の特徴でもって解決 される。 この発明による交流量の測定方法は次のステップを備えている。即ち、 a)偏光された測定光が交流量の影響下にあって測定光の偏光を交流量に関係し て変化させるセンサ装置を少なくとも1回通過し、しかる後に強度I1及び I2並びに異なる偏光面を持つ2つの直線偏光された光部分信号に分割さ れ、 b)両光部分信号の光強度11及び12と、この両光強度11及び12のそれぞ れの直流成分I1DC及びI2DCとから、商 (I2DC・I1−I1DC・I2)/(I2DC・I1+I1DC・I2) にほぼ比例する交流量に対する測定信号が形成され、その際両直流成分11 DCもしくはI2DCは交流量の周波数成分を含まない。 この発明による交流量の測定装置は次の手段、即ち、 a)偏光された光の偏光を交流量に関係して変化させるセンサ装置、 b)偏光された測定光をセンサ装置に入射させるための手段、 c)センサ装置を少なくとも1回通過した後の測定光を、異なる偏光面並びに光 強度I1及びI2を持つ2つの直線偏光された光部分信号に分割する手段、 d)両光部分信号の光強度I1及びI2と、この両光強度I1及びI2の、交流 量の周波数成分を含まない直流成分I1DC及びI2DCとから、商(I2DC・ I1−I1DC・I2)/(I2DC・I1+I1DC・I2) にほぼ比例する交流量に対する測定信号を形成する手段 を備えている。 測定信号は、両光強度I1及びI2の直流信号成分I1DC及びI2DCを特に考 慮することにより光路における前記の強度の変化の尺度として実用上完全に強度 が正規化されている。 この発明による方法及び装置の有利な構成例及び改良例はそれぞれ従属する請 求項により明らかにされる。 従って、この方法及び装置は第一の有利な実施形態においては、磁気光学的フ ァラデー効果を示すセンサ装置が使用され、測定信号が交流磁場に対する尺度と して利用されることにより、交流磁場を測定するために有利に適用される。 第二の有利な実施形態においては、この方法及び装置は、電気光学的ポッケル ス効果を示すセンサ装置が使用され、測定信号が交流電圧或いは交流電場の尺度 として利用されることにより、交流電圧或いは交流電場を測定するために適用さ れる。 両光部分信号は、好ましくは、それぞれ少なくとも1つの光ファイバを介して 、又特にそれぞれ少なくとも2つの光ファイバと両光ファイバを取り外し可能に 結合するための光学的プラグ接続とを介して伝送される。プラグ接続は、一方で は一般に異なる電位にあるセンサ装置と、他方では評価電子回路を一時的に分離 するのに有効である。測定信号は、この実施形態では、プラグ接続を開放し、そ れに続いて閉成した後のプラグ接続の減衰特性の変化による両光部分信号の光強 度の変化にも無関係である。 この発明をさらに説明するために以下の図面を参照する。図面において、図1 は交流磁場、特に交流電流の交流磁場を測定するための測定装置の一実施例を、 図2は交流電圧を測定するための測定装置の一実施例を、それぞれ概略的に示し 、互いに対応する部分は同じ符号を付してある。 図1には交流磁場Hを測定するための、特に電流導体2内の交流電流Iを測定 するための光学的測定装置が示されている。交流磁場Hにはファラデー・センサ 装置3が配置されている。このセンサ装置3は、少なくとも1つの測定巻数を持 つ測定巻線において電流導体2を取り巻き磁気光学的ファラデー効果を有してい る光導体、好ましくは光ファイバで構成されている。しかしながら、ファラデー ・センサ装置3としては、特に電流導体2を取り巻く光路を形成し、ファラデー 物質からなる1つ或いは複数の中実体、好ましくはガラスリングが設けられるこ とができる。ファラデー・センサ装置3は電流導体2を閉鎖された光路において 取り巻く必要はなく、電流導体2の空間的な近傍においてのみ交流電流Iの磁場 Hに配置することもできる。 直線偏光された測定光Lは特に偏光を維持する光導体34を介してセンサ装置 3に入射される。この直線偏光された測定光Lを作るために、光源及び所属の図 示されてない偏光手段或いはまたそれ自体偏光性の光源4、例えばレーザーダイ オード及び場合によっては図示されてない付加的な偏光手段が設けられてもよい 。直線偏光された測定光Lはセンサ装置3を少なくとも1回通過し、その際交流 磁場Hもしくは交流電流Iに関係してその偏光面のファラデー回転ρを受ける。 センサ装置3を通過した後に測定光Lは検光子7に導かれ、この検光子7におい て2つの直線偏光された光部分信号L1及びL2に分割され、これら光部分信号 L1及びL2の偏光面は互いに異なっている。特に両光部分信号L1及びL2の 偏光面は互いに垂直に向いている(直交分割)。検光子7としては偏光性のビー ム分割器、例えばウラストン・プリズム、或いはまた部分透光性の鏡を持つ簡単 なビーム分割器に、相応の角度及び特に90゜で交差した2つの偏光フィルタを 光学的に出力側に直列接続したものが設けられてもよい。センサ装置3と検光子 7とは自由放射装置或いはまた偏光を維持する光導体37、特に単一モード光フ ァイバ、例えばHiBi(高複屈折)ファイバ或いはLoBi(低複屈折)ファ イバを介して互いに光学的に結合されることができる。センサ装置3の光導体は 測定光Lを入射するための光導体34及び測定光Lを出射するための光導体37 とそれぞれ1つの接合部35及び39を介して接続されていると有利である。 図示されていない実施例においては測定光Lはファラデー・センサ装置3を1 回通過した後に反射して戻され、光部分信号L1及びL2に分割される前にファ ラデー・センサ装置3を2回目は逆方向に通過する(反射型)。 両光部分信号L1及びL2はそれぞれ光電変換器12及び22に、特に増幅回 路に接続されたそれぞれ1つのホトダイオードに導かれる。検光子7からそれぞ れの変換器12及び22への両光部分信号L1及びL2の伝送は、図に示すよう に自由放射装置或いはそれぞれ光導体を介して行うことができる。第一の光電変 換器12は第一の光部分信号L1をその強度I1にほぼ比例する、即ちS1=K 1・I1である第一の電気的強度信号S1に変換する。第二の光電変換器22は 第二の光部分信号L2をその強度12にほぼ比例する、即ちS2=K2・12で ある第二の電気的強度信号S2に変換する。この変換の比例係数K1及びK2は 変換器21及び22における信号の光電変換効率及び増幅度により定まり、擾乱 の影響により時間と共に変化し得る。 両強度信号S1及びS2の評価ユニット20における評価は好ましくは次のよ うに行われる。両電気強度信号S1及びS2の各々は、所属の第一の掛算器23 もしくは第二の掛算器24の入力端と、所属の低域特性を持つ第一のフィルタ2 8もしくは第二のフィルタ29の入力端とに導かれる。第一のフィルタ28は、 第一の光信号L1の光強度I1のK1倍の直流成分I1DCに相当する第一の強度 信号S1の直流信号成分D1、即ちD1=K1−I1DCを形成する。フィルタ2 8の出力側に出る第一の強度信号S1の直流信号成分D1は第一の掛算器23の 第二の入力端に導かれる。第二のフィルタ29は、第二の光信号L2の光強度I 2のK2倍の第二の強度信号S2の直流成分I2DCに相当する直流信号成分D2 、即ちD2=K2・I2DCを形成する。第二のフィルタ29の出力側に出る第二 の強度信号S2の直流信号成分D2は第二の掛算器24の第二の入力端に導かれ る。フィルタ28及び29としては、例えば分離周波数がそれぞれ電流量、図示 の実施例では交流磁場Hもしくは交流電流Iのスペクトルにおける最低の周波数 以下に設定されているアナログ或いはデジタル低域フィルタを使用することがで きる。両直流信号成分D1及びD2、従って両直流光成分I1DC及びI2DCも、 それ故交流量(特に交流磁場H)に関する何らの情報も含んでいないが、正に、 両光強度I1及びI2の望ましくない動作点ドリフトに関する情報を含んでいる 。強度 ドリフトに関するこの情報が次のようにして強度の正規化された測定信号を導き 出すために使用される。第一の掛算器23は第一の強度信号S1と第二の強度信 号S2の直流信号成分D2との積D2・S1を形成する。第二の掛算器24は第 一の強度信号S1の直流信号成分D1と第二の強度信号S2との積D1・S2を 形成する。これら量積D2・S1及びD1・S2は対応する掛算器23もしくは 24の出力からそれぞれ減算器25の入力端及びそれぞれ加算器26の入力端に 導かれる。減算器25によって形成される2つの積の信号D2・S1とD1・S 2との差信号D2・S1−D1・S2は割算器27の第一の入力端に加えられる 。割算器27の第二の入力端には、加算器26によって形成される2つの積D2 ・S1とD1・S2との和信号D2・S1+D1・S2が加わえられる。割算器 27の出力端から、それ故交流磁場Hもしくは交流電流Iに対する測定信号 M=(D2・S1−D1・S2)/(D2・S1+D1・S2) (1) が、差信号D2・S1−D1・S2と和信号D2・S1+D1・S2との商の信 号に相当する信号として取り出される。 評価ユニット20における信号評価の図示されていない変形された実施例にお いては、先ず両直流信号成分D1及びD2の商が修正係数K=D1/D2として 求められる。この修正係数Kにより測定信号 M’=(S1−K・S2)/(S1+K・S2) (2) が形成される。 式(1)による測定信号M及び式(2)による測定信号M’はいずれも直接光 強度I1及びI2とその直流成分I1DC及びI2DCとから形成された商に等しい 。即ち、 M=M’=(I1−I2DC−I2・I1DC)/(I1・I2DC+I2・I1DC) (3) である。 両変換器12及び22の感度K1及びK2は式(1)による測定信号M或いは 式(2)による測定信号M’を形成する際に脱落する。 アナログ算術的モジュールを備えた評価ユニット20の図示のような実施例の 利点は信号処理が速いことである。勿論、測定信号M或いはM’は真理値表によ り及び/又はデジタルモジュールによっても求めることができる。 式(1)乃至(3)により求められた測定信号MもしくはM’はさらに実用上 殆ど完全に強度が正規化されている。このことは、伝送損失による両光部分信号 L1及びL2の光強度I1及びI2の望ましくない変化がもはや測定信号M或い はM’に影響しないということを意味する。 測定信号M或いはM’から電流導体2の交流電流Iがセンサ装置3におけるフ ァラデー効果のヴェルデ定数Vと電流導体2の回りを回る測定光Lの回転数Nの 関係ρ=NVIにより求めることができる。 図2は、電気光学的ポッケルス効果を示すセンサ装置3’により交流量Xとし ての交流電圧Uを測定するための光学的測定装置の1つの実施例を示す。測定す べき交流電圧Uは2つの電極35及び36を介してポッケルス・センサ装置3’ に印加される。ポッケルス・センサ装置3’には偏光された測定光Lが入射され る。この測定光Lはポッケルス・センサ装置3’を通過し、その際、印加された 交流電圧Uに関係する偏光の変化を受ける。交流電圧Uは図示の実施例では測定 光Lの光の伝播方向に対して垂直に印加される(横方向実施形態)が、光の伝播 方向に対して平行にも印加されることもできる(縦方向実施形態)。測定光Lを センサ装置3’に入射するための手段として光源4、例えば発光ダイオード及び 光源4の光を直線偏光するための偏光子5が設けられている。光源4と偏光子5 とは特に光導体43、例えばマルチモード光ファイバを介して光学的に互いに接 続されているが、自由放射結合により光学的に互いに接続することもできる。光 導体43からの光を偏光子5に入射するために、好ましくはコリメータレンズ( グリンレンズ)25が設けられている。偏光子5からは直線偏光された測定光L がポッケルス・センサ装置3’に入射される。ポッケルス・センサ装置3’を通 過した後測定光Lはλ/4板6を介して検光子7に導かれる。検光子7において 測定光Lは、偏光面が互いに異なる2つの直線偏光された光部分信号L1及びL 2に分割される。特に2つの光部分信号L1及びL2の偏光面は互いに垂直に向 けられている(直交分割)のがよい。検光子7として偏光性ビーム分割器、例え ばウォラストンプリズム、或いはまた所定の角度、特に90゜で交差した2つの 偏光フィルタとその前に接続された簡単なビーム分割器を設けることもできる。 図2による測定装置の動作点は、ポッケルス・センサ装置3’に電場が印加さ れてないとき、特に検光子7において円偏光された測定光が加わるように調整さ れるのが好ましい。ポッケルス・センサ装置3’における直線複屈折の両固有軸 は、この場合測定光Lによって「均一に照射」される。このことは、両固有軸に 投射される測定光Lの成分がそれぞれ同一の強度を持っていることを意昧する。 一般に、その場合、両光部分信号L1及びL2は同様にその強度において同じ強 さである。交流電圧(U≠0V)がポッケルス・センサ装置3’に印加される際 、測定光Lの成分はポッケルス・センサ装置3’の直線的複屈折の電気光学的に 活性な固有軸に沿ってその強度が交流電圧Uに関係して変化される。 図2に示された、偏光子5、ポッケルス・センサ装置3’、λ/4板6及び検 光子7の光学的直列回路に代わって、偏光子5、λ/4板6、ポッケルス・セン サ装置3’及び検光子7からなる光学的直列回路、即ちλ/4板6とポッケルス ・センサ装置3’の順序を入れ換えた光学的直列回路を設けることもできる。こ の場合、測定光Lはポッケルス・センサ装置3’に入射される前に円偏光される 。さらに、光源4及び偏光子5の代わりに、直線偏光された光を送る光源、例え ばレーザーダイオードを設け、偏光された測定光Lをポッケルス・センサ装置3 ’もしくはλ/4板6に入射することもできる。光導体43は、その場合、偏光 性を保持する光導体である。光部分信号L1もしくはL2の伝送はさらにまた自 由放射装置においても行うこともできる。検光子7はまたλ/4板6もしくはポ ッケルス・センサ装置3’と偏光を維持する光導体を介して光学的に接続される こともできる。 両光部分信号L1及びL2は特にそれぞれコリメータレンズ11及び21を介 してそれぞれ光導体13及び16に入射される。各光導体13及び16はそれぞ れ光学的プラグ接続14及び17を介してそれぞれ他の光導体15及び18に接 続されている。プラグ接続14及び17によりセンサ装置3は評価ユニット20 から分離される。両光部分信号L1及びL2は所属のプラグ接続14及び17並 びに所属の他の光導体15及び18を介して結合される。ポッケルス・センサ装 置3を通過した後測定光Lはλ/4板6を介して検光子7に導かれる。この検光 子7において測定光Lは、偏光面が互いに異なる2つの直線偏光された光部分信 号L1及びL2に分割される。特に両光部分信号L1及びL2の偏光面は互いに 垂直に向けられているのがよい(直交分割)。検光子7として偏光性ビーム分割 器、例えばウォラストンプリズム、或いはまた所定の角度、特に90゜で交差し た2つの偏光フィルタと簡単なビーム分割器を設けることもできる。プラグ接続 はまた測定装置の全ての他の実施例、特に図1に示された実施例においても設け ることができる。 両電気強度信号S1及びS2はアナログ/デジタル変換器30によりデジタル 化され、このデジタル化された信号はマイクロプロセッサ或いはデジタル信号プ ロセッサ40により、式(1)による測定信号M或いは式(2)による測定信号 M’を形成するためさらに処理される。このアナログ/デジタル変換器30及び プロセッサ40はその場合評価ユニット20を構成する。プロセッサ40は直流 信号成分D1及びD2のフィルタリングをデジタルに行い、式(1)もしくは( 2)により測定信号M或いはM’を計算する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 メンケ、ペーター ドイツ連邦共和国 デー―91054 エルラ ンゲン カトーリッシャー キルヒェンプ ラッツ 7 (72)発明者 ハイン、シュテファン ドイツ連邦共和国 デー―91090 エッフ ェルトリッヒ アイヒェンリング 3

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.a)偏光された測定光(L)が、交流量(H、U)の影響下にあって測定光 (L)の偏光を交流量(H、U)に関係して変化させるセンサ装置(3)を 少なくとも1回通過し、しかる後異なる偏光面を持つ2つの直線偏光された 光部分信号(L1、L2)に分割され、 b)両光部分信号(L1、L2)の第一もしくは第二の光部分信号の光強度I1 及びI2と、この両光強度I1及びI2の直流成分I1DC及びI2DCとか ら、商 (I2DC・I1−I1DC・I2)/(I2DC・Il+I1DC・I2) にほぼ比例する交流量(H、U)に対する測定信号(M)が形成され、 c)両直流成分I1DC及びI2DCが交流量(H、U)の周波数成分を含まない交 流量の測定方法。 2.ファラデー効果を示すセンサ装置(3)が使用され、測定信号(M)が交流 磁場(H)に対する尺度として使用される交流磁場(H)を測定するための請求 項1に記載の方法。 3.ポッケルス効果を示すセンサ装置(3’)が使用され、測定信号(M’)が 交流電圧(U)或いは交流電場に対する尺度として使用される交流電圧(U)或 いは交流電場を測定するための請求項1に記載の方法。 4.a)偏光された光の偏光を交流量(H、U)に関係して変化させるセンサ装 置(3、3’)と、 b)偏光された測定光(L)をセンサ装置(3)に入射するための手段(10、 11、12、13)と、 c)少なくとも1回センサ装置(3)を通過した後測定光(L)を異なる偏光面 を持つ2つの直線偏光された光部分信号(L1、L2)に分割するための手 段(7)と、 d)両光部分信号(L1、L2)の第一もしくは第二の光部分信号の光強度I1 及びI2と、交流量(H、U)の周波数成分を含まないこれら両光強度I1 及びI2の直流成分I1DC及びI2DCとから、商 (I2DC・I1−I1DC・I2)/(I2DC・I1+I1DC・I2) にほぼ比例する交流量(H、U)に対する測定信号(M)を形成するための 手段(20)と を備えた交流量の測定装置。 5.センサ装置(3)が磁気光学的ファラデー効果を示す交流磁場(H)を測定 するための請求項4に記載の装置。 6.センサ装置(3’)が電気光学的ポッケルス効果を示す交流電圧(U)或い は交流電場を測定するための請求項4に記載の装置。 7.両光部分信号(L1、L2もしくはL1’、L2’)を伝送するために、そ れぞれ少なくとも1つの光ファイバ(4、7)を備えた請求項4乃至6のいずれ か1つに記載の装置。 8.両光部分信号(L1、L2もしくはL1’、L2’)を伝送するために、そ れぞれ少なくとも2つの光ファイバ(41、43もしくは71、73)及び両光 ファイバ(41、43もしくは71、73)を取り外し可能に接続するための光 学的プラグ接続(42もしくは72)を備えた請求項7に記載の装置。
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