JP2010071934A

JP2010071934A - 光ｃｔの温度特性補正装置

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Publication number: JP2010071934A
Application number: JP2008242481A
Authority: JP
Inventors: Tatsufumi Yamaguchi; 達史山口
Original assignee: Toko Electric Corp
Current assignee: Takaoka Toko Co Ltd
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2010-04-02

Abstract

【課題】コストの上昇やセンサヘッドの大型化を招くことなく、光ＣＴの温度依存性を解消して高精度に電流を測定可能とした光ＣＴの温度特性補正装置を提供する。
【解決手段】磁界内に配置されるセンサファイバを備えたセンサヘッドと、センサファイバ中を伝搬する光の偏波面のファラデー回転角を測定する信号処理装置とを備え、前記ファラデー回転角から磁界の発生源である被測定電流の大きさを測定する光ＣＴにおいて、信号処理装置１００Ａは、その周囲温度を測定する温度センサ１２３と、温度センサ１２３により測定した温度をセンサヘッド１１０Ａの周囲温度として推定し、推定した周囲温度を用いて光ＣＴの出力を補正する温度補償部１２４及びゲイン可変アンプ１２５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、いわゆるファラデー効果を利用して各種電流の大きさを測定する光ＣＴ（光変流器）の温度特性補正装置に関するものである。

ファラデー効果は、磁界中に配置されたセンサファイバ（ファラデーセンサファイバ）に光を透過させると偏波面が回転する現象であり、光ＣＴは、上記回転角（ファラデー回転角）を測定することにより、回転角に比例する磁界の強度、言い換えれば磁界の発生源である電流の大きさを測定するものとして知られている。
ここで、光ＣＴには、周知のように反射型と透過型とがあり、反射型は、被測定電流が流れる導体に近接して配置されたセンサヘッドの終端にミラーを設け、センサヘッドを往復する光を利用して前記導体を流れる電流を測定するものであり、透過型は、導体を周回するセンサヘッドの透過光を利用して電流を測定するものである。

この種の光ＣＴの感度は、周囲温度によって変動することが知られており、例えば特許文献１〜特許文献３には、その原因として、センサファイバに使用される鉛ガラス等の材料の感度（ヴェルデ定数）に温度依存性があること、センサファイバを含む光学部品中の複屈折、熱膨張による光軸のずれに起因すること等が挙げられている。
なお、図５，図６は、それぞれ反射型光ＣＴ，透過型光ＣＴについて、３０℃における光ＣＴの出力を基準（比誤差を０）とした場合の温度特性を示しており、周囲温度の変化によって光ＣＴの出力が変動することが明らかである。

上述した光ＣＴの温度依存性を解消するため、特許文献１では、センサファイバ用のセンサ素子として、施光性を有する光学素子（捻りを加えた光ファイバ等）を用い、この光学素子の施光性を電子回路からなる処理手段により補正することが記載されている。
また、特許文献２には、センサファイバを導体から十分離して配置することにより、導体の発熱によるセンサファイバの温度変化を低減して複屈折や光軸のずれを防止することが記載されている。
更に、特許文献３には、センサファイバの近傍に温度センサを配置し、この温度センサによる検出温度に基づいて、予め設定された感度曲線により感度を補正することが記載されている。

特開２００３−１４７９０号公報（段落［０００５］，［００１７］，［００１８］等）特開平５−１６４７８７号公報（段落［０００９］〜［００１１］，［００１４］〜［００１５］等）特許第３４４１１７４号公報（段落［０００７］〜［００１０］，［００２５］等）

しかしながら、特許文献１に記載された従来技術では、センサファイバ用のセンサ素子として汎用の部品を使用することができないため、コスト高になるという問題があった。
また、特許文献２に記載された従来技術では、センサファイバの位置が制約されると共に、センサファイバを導体に近接して配置できないため、センサヘッドが大型化するという問題があった。
特許文献３に記載された従来技術は、センサファイバに近接して配置される温度センサの検出温度をセンサファイバの温度と見なすものであるが、この検出温度は厳密にはセンサファイバ自体の温度と異なるので、感度補正を高精度に行うことが困難であった。

そこで、本発明の解決課題は、コストの上昇やセンサヘッドの大型化を招くことなく、光ＣＴの温度依存性を解消して高精度に電流を測定可能とした光ＣＴの温度特性補正装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、磁界内に配置されるセンサファイバを備えたセンサヘッドと、前記センサファイバ中を伝搬する光の偏波面のファラデー回転角を測定する信号処理装置とを備え、前記ファラデー回転角から前記磁界の発生源である被測定電流の大きさを測定する光ＣＴにおいて、
前記信号処理装置は、
この信号処理装置の周囲温度を測定する温度測定手段と、
この温度測定手段により測定した温度を前記センサヘッドの周囲温度として推定し、推定した周囲温度を用いて前記光ＣＴの出力を補正する補正手段と、を備えたものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載された光ＣＴの温度特性補正装置において、
前記信号処理装置が、前記センサヘッドに近接して配置されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、磁界内に配置されるセンサファイバを備えたセンサヘッドと、前記センサファイバ中を伝搬する光の偏波面のファラデー回転角を測定する信号処理装置とを備え、前記ファラデー回転角から前記磁界の発生源である被測定電流の大きさを測定する光ＣＴにおいて、
前記信号処理装置は、
前記センサヘッドからの後方散乱光を用いて温度を測定する温度測定手段と、
この温度測定手段により測定した温度を前記センサヘッドの周囲温度として推定し、推定した周囲温度を用いて前記光ＣＴの出力を補正する補正手段と、を備えたものである。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した光ＣＴの温度特性補正装置において、
前記補正手段は、推定した周囲温度を用いて前記光ＣＴの出力の増幅ゲインを変化させるものである。

本発明によれば、センサファイバとして特殊な素子を用いたり、センサファイバの位置が制約されることがなく、信号処理装置の構成を若干変更するだけで、センサファイバ（センサヘッド）の温度依存性を適切に補償した出力を得ることができる。また、本発明によれば、センサヘッドと信号処理装置とが近接して配置される場合や両者が離れて配置される場合の何れについても、良好な温度補償を行うことが可能である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は、本発明の第１実施形態を示す構成図であり、本発明を反射型光ＣＴに適用した場合のものである。図１において、１００Ａは信号処理装置、１０１ａ，１０１ｂは伝送用光ファイバ、１０２は偏／検光子及び光学バイアス部、１０３は鉛ガラスファイバ等からなるセンサファイバ、１０４はセンサファイバ１０３の終端に配置されたミラー、１１０Ａはセンサヘッドである。

信号処理装置１００Ａにおいて、１１１はスーパールミネセントダイオードや半導体レーザ等からなる光源、１１２は光源１１１からの信号光を取り出すためのサーキュレータ、１０１ｃ，１０１ｄは伝送用光ファイバ、１１３，１１４はフォトダイオード等の受光素子、１１５，１１６はバンドパスフィルタ、１１７，１１８はローパスフィルタ、１１９，１２０はそれぞれバンドパスフィルタ１１５，１１６の出力をローパスフィルタ１１７，１１８の出力により除算する除算器、１２１は除算器１２０の出力信号の極性を反転する反転器、１２２は除算器１１９の出力信号と反転器１２１の出力信号とを加算する加算器、１２３は温度センサ、１２４は温度センサによる検出温度に応じてゲイン調整信号を出力する温度補償部、１２５は温度補償部１２４から出力されるゲイン調整信号に従って増幅ゲインを変化させるゲイン可変アンプである。
ここで、温度センサ１２３は請求項における温度測定手段を構成し、温度補償部１２４及びゲイン可変アンプ１２５は請求項における補正手段を構成している。

この実施形態の動作を説明すると、光源１１１からの信号光はサーキュレータ１１２及び伝送用光ファイバ１０１ａを介して偏／検光子及び光学バイアス部１０２に入射し、直線偏光になると共に、ファラデー回転により偏波面が例えば２２．５度回転した光としてセンサヘッド１１０Ａ内のセンサファイバ１０３に入射する。センサファイバ１０３内を伝搬する直線偏光の偏波面は、被測定電流が作る磁界によりファラデー回転を受け、ミラー１０４により反射されてセンサファイバ１０３内を逆方向に伝搬する。ここで、ファラデー効果は非相反性であるため、復路においても往路と同方向のファラデー回転を受ける。
よって、ファラデー回転角は、光がセンサファイバ１０３を往復することにより片道の場合の２倍となる。

センサファイバ１０３からの出射光は、偏／検光子及び光学バイアス部１０２を通過する際に光学バイアス部によって偏波面が更に２２．５度回転するため、偏波面は往復で４５度回転したことになり、これによって４５度の光学的バイアスが実現される。この結果、偏／検光子及び光学バイアス部１０２の出射光の偏波面は、入射光に対して光学バイアス部により４５度回転し、更に、被測定電流に起因するファラデー回転角が加わった値となる。
偏／検光子及び光学バイアス部１０２内の検光子により０度と９０度の方向に分離された偏光成分の一方は、伝送用光ファイバ１０１ａ、サーキュレータ１１２及び伝送用光ファイバ１０１ｃを介して受光素子１１３に入射し、他方は伝送用光ファイバ１０１ｂ，１０１ｄを介して受光素子１１４に入射する。

次に、受光素子１１３，１１４の出力信号は図示されていないアンプにより適宜増幅されてバンドパスフィルタ１１５，１１６及びローパスフィルタ１１７，１１８に入力され、バンドパスフィルタ１１５，１１６により交流成分（被測定電流による変調周波数成分）が、ローパスフィルタ１１７，１１８により直流成分がそれぞれ抽出される。これらの各成分は除算器１１９，１２０に入力され、交流成分と直流成分との比が変調度信号としてそれぞれ算出されると共に、除算器１２０の出力信号は反転器１２１により極性が反転される。
加算器１２２は、除算器１１９の出力信号と反転器１２１の出力信号とを加算することにより、被測定電流によるファラデー回転角に比例した信号を得る。
なお、除算器１１９，１２０は、交流成分を直流成分により規格化して平均化処理を行なうことにより、受光パワーの変化による検出感度の変動をキャンセルすると共に、光学バイアス部や受光素子１１３，１１４、図示されていないアンプ等の特性のバラツキを相殺するように作用する。
受光素子１１３，１１４から加算器１２２に至るまでの信号処理方法は、例えば特許第３３４２７６８号公報（発明の名称：光ファイバ型計測装置及び計測方法）に記載されていて周知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

さて、この実施形態では、前述したように信号処理装置１００Ａに温度センサ１２３が内蔵されており、その出力信号が温度補償部１２４に入力されている。
いま、光ＣＴをＧＣＢに適用して電流を測定する場合を想定すると、図２に示すように、ＧＣＢの架台２０１に前述した信号処理装置１００Ａを固定し、被測定電流が流れる導体が収容されたブッシング２０４，２０５の根元にセンサヘッド１１０Ａを固定することは容易である。すなわち、このように信号処理装置１００Ａ及びセンサヘッド１１０Ａを近接して配置すれば、信号処理装置１００Ａ内の温度センサ１２３が測定した温度によってセンサヘッド１１０Ａの周囲温度を推定することができる。なお、図２において、２０２は固定接触子、可動接触子が収容された接地容器、２０３は可動接触子を開閉操作するための開閉機構が収容された操作箱である。

上記のように、本実施形態によれば、温度センサ１２３によってセンサヘッド１１０Ａの周囲温度を推定することができ、図１に示した温度補償部１２４では、温度センサ１２３による測定温度と前述の図５に示したような反射型光ＣＴの出力の温度特性に基づき、測定温度に応じた比誤差を補正するようなゲイン調整信号を演算する。そして、ゲイン可変アンプ１２５では、上記ゲイン調整信号により補正したゲインを用いて加算器１２２の出力信号を増幅することで加算器１２２の出力信号を補正し、これによってセンサヘッド１１０Ａの周囲温度に基づいた温度補償を行うことができる。

この実施形態では、補正手段として、温度補償部１２４が温度センサ１２３による測定温度に応じてゲイン調整信号を演算する例を説明した。しかしながら、補正手段の他の構成としては、温度補償部１２４内に予めテーブルを設けておき、温度センサ１２３による測定温度に応じたゲイン調整信号を直接出力するように構成しても良いし、温度補償部１２４やゲイン可変アンプ１２５の機能をソフトウェアによって実現しても良い。
また、本発明をＧＣＢに適用する場合には、複数のセンサヘッドに近接させて単一の信号処理装置を配置し、その信号処理装置に内蔵した単一の温度センサにより各センサヘッドの周囲温度を一括して検出可能であるから、信号処理装置を含む光ＣＴの全体的な構成が複雑化したり大型化するおそれはない。

次に、図３は本発明の第２実施形態を示す構成図であり、この実施形態は、本発明を透過型光ＣＴに適用した場合のものである。
図３において、図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付してあり、以下では異なる部分を中心に説明する。図３における１１０Ｂはセンサヘッドであり、このセンサヘッド１１０Ｂは、伝送用光ファイバ１０１ａを介して光源１１１に接続された偏光子１０５と、センサファイバ１０３と、検光子１０６とを備えている。
光源１１１から出射して偏光子１０５を経た直線偏光の偏波面は、センサファイバ１０３を介して検光子１０６に入射するまでの間に、被測定電流が作る磁界によりファラデー回転を受ける。第１実施形態と同様に検光子１０６では、直線偏光が０度と９０度の方向に分離され、偏光成分の一方は、伝送用光ファイバ１０１ｅ，１０１ｆを介して受光素子１１３に入射し、他方は伝送用光ファイバ１０１ｂ，１０１ｄを介して受光素子１１４に入射する。

図３において、１３０は、図１におけるバンドパスフィルタ１１５，１１６、ローパスフィルタ１１７，１１８、除算器１１９，１２０、反転器１２１及び加算器１２２からなる平均化処理ブロックである。図３における平均化処理ブロック１３０と、温度センサ１２３、温度補償部１２４及びゲイン可変アンプ１２５の動作は第１実施形態とほぼ同様であり、温度補償部１２４では、温度センサ１２３による測定温度と前述の図６に示したような透過型光ＣＴの出力の温度特性に基づき、測定温度に応じた比誤差を補償するようなゲイン調整信号を演算する。そして、ゲイン可変アンプ１２５では、上記ゲイン調整信号により補正したゲインを用いて加算器１２２の出力信号を増幅することにより、センサヘッド１１０Ｂの周囲温度に基づいた温度補償を行う。
この実施形態においても、温度補償部１２４内に予め設けたテーブルを用いて測定温度に応じたゲイン調整信号を直接出力したり、ソフトウェアの処理によって温度補償を行っても良い。

次いで、図４は本発明の第３実施形態を示す構成図であり、この実施形態は、本発明を例えばＧＩＳに適用する場合に好適なものである。
ＧＩＳでは、導体の多数箇所における電流を光ＣＴにより測定する場合が多く、通常は多数のセンサヘッドと信号処理装置とが数十〜数百ｍ離れて配置され、両者間を光ファイバにて接続することが行われる。この場合、直射日光が当たる屋外に設置されたセンサヘッドと、冷房の効いた屋内に設置される信号処理装置との温度差が、数十℃となることもある。
従って、第１，第２実施形態のように、信号処理装置に温度センサを内蔵してセンサヘッドの周囲温度を推定することはできないため、適切な温度補償を行うことは困難である。

また、信号処理装置をセンサヘッドと共にＧＩＳ側に設置するとしても、各センサヘッドの位置が離れているので、１台の信号処理装置に内蔵した温度センサにより測定した温度を多数のセンサヘッドの周囲温度と推定することもできず、何れにしても第１，第２実施形態のような構成をそのまま適用することができない。
本発明の第３実施形態は、上記のような点に鑑み、ＧＩＳにおける電流測定に光ＣＴを用いる時のように、センサヘッドと信号処理装置とが離れて配置される場合に最適な温度特性補正装置を提供するものである。

図４において、第１，第２実施形態と同一の構成要素には同一の参照符号を付してあり、以下では異なる部分を中心に説明する。なお、図４に示す第３実施形態は、本発明を透過型光ＣＴに適用した場合のものである。
図４において、信号処理装置１００Ｃ内の光源１１１から出射した光はサーキュレータ１１２を介して伝送用光ファイバ１０１ａからセンサヘッド１１０Ｂに入射するが、光ファイバ内を進行する際に散乱が生じ、その一部は後方散乱光としてサーキュレータ１１２方向に戻ってくる。この後方散乱光はラマン散乱光、レイリー散乱光、ブリルアン散乱光等を含んでいるが、本実施形態では、温度感受性が最も高いラマン散乱光を利用するものとする。すなわち、センサヘッド１１０Ｂの周囲温度をラマン散乱光を用いて推定するようにした。

センサヘッド１１０Ｂから伝送用光ファイバ１０１ａ方向に戻ってきたラマン散乱光は、サーキュレータ１１２及び伝送用光ファイバ１０１ｃを介して波長分離フィルタ１３１に入射し、ストークス光及び反ストークス光に分離された上、フォトダイオード等の受光素子１３２，１３３により電気信号に変換されて温度演算部１３４に入力される。
温度演算部１３４では、受光素子１３２，１３３の出力信号からストークス光と反ストークス光との強度の比を演算し、この強度比に基づいてセンサヘッド１１０Ｂの周囲温度を推定する。こうして推定した温度に基づいて温度補償を行う温度補償部１２４以降の動作は、第１，第２実施形態と同様である。

ここで、サーキュレータ１１２、伝送用光ファイバ１０１ｃ、波長分離フィルタ１３１、受光素子１３２，１３３及び温度演算部１３４は請求項における温度測定手段を構成し、温度補償部１２４及びゲイン可変アンプ１２５は請求項における補正手段を構成している。
この実施形態においても、上記補正手段の構成として、温度補償部１２４内に予め設けたテーブルを用いて測定温度に応じたゲイン調整信号を直接出力したり、ソフトウェアの処理によって温度補償を行っても良い。
上述した如く、ラマン散乱光を用いて光ファイバの長手方向に沿った位置の温度を測定する技術は、例えば特許第２６０３７１４号公報（発明の名称：光ファイバ式分布形温度センサ）、特許第２７０５８３７号公報（発明の名称：分布型光温度センサ）等に開示されているため、ここでは詳述を省略する。

このようにして、本実施形態では信号処理装置１００Ｃに温度センサを内蔵しなくてもセンサヘッド１１０Ｂの周囲温度を推定することができるため、センサヘッド１１０Ｂと信号処理装置１００Ｃとが離れて配置される場合でも、センサヘッド１１０Ｂの周囲温度に基づいて光ＣＴの出力を適切に温度補償することが可能である。
また、本実施形態は、反射形光ＣＴにも適用可能であることは言うまでもない。

本発明の第１実施形態の構成図である。本発明の第１，第２実施形態のＧＣＢへの適用状態を示す説明図である。本発明の第２実施形態の構成図である。本発明の第３実施形態の構成図である。反射型光ＣＴの出力の温度特性図である。透過型光ＣＴの出力の温度特性図である。

符号の説明

１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ：信号処理装置
１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ，１０１ｅ，１０１ｆ：伝送用光ファイバ
１０２：偏／検光子及び光学バイアス部
１０３：センサファイバ
１０４：ミラー
１０５：偏光子
１０６：検光子
１１０Ａ，１１０Ｂ：センサヘッド
１１１：光源
１１２：サーキュレータ
１１３，１１４：受光素子
１１５，１１６：バンドパスフィルタ
１１７，１１８：ローパスフィルタ
１１９，１２０：除算器
１２１：反転器
１２２：加算器
１２３：温度センサ
１２４：温度補償部
１２５：ゲイン可変アンプ
１３１：波長分離フィルタ
１３２，１３３：受光素子
１３４：温度演算部
２００：ＧＣＢ
２０１：架台
２０２：接地容器
２０３：操作箱
２０４，２０５：ブッシング

Claims

磁界内に配置されるセンサファイバを備えたセンサヘッドと、前記センサファイバ中を伝搬する光の偏波面のファラデー回転角を測定する信号処理装置とを備え、前記ファラデー回転角から前記磁界の発生源である被測定電流の大きさを測定する光ＣＴにおいて、
前記信号処理装置は、
この信号処理装置の周囲温度を測定する温度測定手段と、
この温度測定手段により測定した温度を前記センサヘッドの周囲温度として推定し、推定した周囲温度を用いて前記光ＣＴの出力を補正する補正手段と、
を備えたことを特徴とする光ＣＴの温度特性補正装置。
請求項１に記載された光ＣＴの温度特性補正装置において、
前記信号処理装置が、前記センサヘッドに近接して配置されていることを特徴とする光ＣＴの温度特性補正装置。
磁界内に配置されるセンサファイバを備えたセンサヘッドと、前記センサファイバ中を伝搬する光の偏波面のファラデー回転角を測定する信号処理装置とを備え、前記ファラデー回転角から前記磁界の発生源である被測定電流の大きさを測定する光ＣＴにおいて、
前記信号処理装置は、
前記センサヘッドからの後方散乱光を用いて温度を測定する温度測定手段と、
この温度測定手段により測定した温度を前記センサヘッドの周囲温度として推定し、推定した周囲温度を用いて前記光ＣＴの出力を補正する補正手段と、
を備えたことを特徴とする光ＣＴの温度特性補正装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載した光ＣＴの温度特性補正装置において、
前記補正手段は、推定した周囲温度を用いて前記光ＣＴの出力の増幅ゲインを変化させることを特徴とする光ＣＴの温度特性補正装置。