JP2011214959A - Optical fiber current sensor and electric current measurement method - Google Patents
Optical fiber current sensor and electric current measurement method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011214959A JP2011214959A JP2010082567A JP2010082567A JP2011214959A JP 2011214959 A JP2011214959 A JP 2011214959A JP 2010082567 A JP2010082567 A JP 2010082567A JP 2010082567 A JP2010082567 A JP 2010082567A JP 2011214959 A JP2011214959 A JP 2011214959A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- rotation angle
- faraday rotation
- ratio
- current
- signal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
- G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
- G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
- G01R15/245—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect
- G01R15/246—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect based on the Faraday, i.e. linear magneto-optic, effect
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
- Measurement Of Current Or Voltage (AREA)
Abstract
Description
本発明は、光ファイバ中を伝搬する光の偏波面が磁界により回転するファラデー効果を利用して電流を測定する光ファイバ電流センサおよび電流測定方法に関する。 The present invention relates to an optical fiber current sensor and a current measurement method for measuring current using a Faraday effect in which a polarization plane of light propagating in an optical fiber is rotated by a magnetic field.
近年、電力設備の監視等を行う電流測定装置として、光ファイバをセンサに用いた光ファイバ電流センサが注目されている。
この光ファイバ電流センサでは、磁性媒質中を伝搬する光の偏波面がその伝搬方向における磁界の大きさに比例して回転するファラデー効果を利用して、電流を測定する。光ファイバも磁性媒質の一種であり、センサとして用いる光ファイバに直線偏光を入射して被測定電流が流れる導体、即ち磁界発生源の近くに置くと、ファラデー効果によって光ファイバ中の直線偏光に偏波面の回転(ファラデー回転)が与えられる。この時、電流に比例した磁界が発生しているので、ファラデー効果による偏波面の回転角度(ファラデー回転角)は、被測定電流の大きさに比例することになる。そこで、このファラデー回転角を測定することで、電流の大きさを求めることができる。これが光ファイバ電流センサの原理である。
In recent years, an optical fiber current sensor using an optical fiber as a sensor has attracted attention as a current measuring device for monitoring power facilities and the like.
In this optical fiber current sensor, the current is measured using the Faraday effect in which the polarization plane of light propagating in the magnetic medium rotates in proportion to the magnitude of the magnetic field in the propagation direction. An optical fiber is also a kind of magnetic medium. When linearly polarized light is incident on an optical fiber used as a sensor and placed near a conductor through which a current to be measured flows, that is, a magnetic field source, the optical fiber is polarized to linearly polarized light in the optical fiber by the Faraday effect. Wavefront rotation (Faraday rotation) is given. At this time, since a magnetic field proportional to the current is generated, the rotation angle of the plane of polarization (Faraday rotation angle) due to the Faraday effect is proportional to the magnitude of the current to be measured. Therefore, the magnitude of the current can be obtained by measuring the Faraday rotation angle. This is the principle of the optical fiber current sensor.
ファラデー回転角を測定するためには、光ファイバから出力された光をフォトダイオード等で受光して電気信号に変換し、得られた電気信号に所定の信号処理を行うという手法を採る。ところが、光ファイバ電流センサが設置された場所の環境温度が変化すると、ファラデー回転角を測定する際の動作点である光学バイアスが変動したり、光ファイバにおけるファラデー効果の感度を与える物性値であるベルデ定数が変動したりしてしまう。そしてこれらの影響を受けて、上記の信号処理により求められるファラデー回転角が誤差を持つようになり、結果として電流の測定値に温度依存性が発生して正しい測定を行うことができなくなるという問題が生じてしまう。 In order to measure the Faraday rotation angle, a technique is adopted in which light output from an optical fiber is received by a photodiode or the like and converted into an electrical signal, and the obtained electrical signal is subjected to predetermined signal processing. However, when the environmental temperature of the place where the optical fiber current sensor is installed changes, the optical bias, which is the operating point when measuring the Faraday rotation angle, changes, or the physical property value gives the sensitivity of the Faraday effect in the optical fiber. The Verde constant fluctuates. And under these influences, the Faraday rotation angle obtained by the above signal processing has an error, and as a result, temperature measurement is dependent on the measured current value and correct measurement cannot be performed. Will occur.
このような問題に対して、信号処理方法を改良して電流測定値の温度依存性を低減させた光ファイバ電流センサが本発明者により提案されている(特許文献1参照)。 In response to such problems, the present inventor has proposed an optical fiber current sensor in which the signal processing method is improved to reduce the temperature dependence of the current measurement value (see Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1の光ファイバ電流センサに用いられている信号処理では、電流測定値の温度依存性のうち、温度の変動量に比例して変化する成分(1次成分)を取り除くことはできたが、温度変化に対する高次(2次以上)の依存性は除去されずに残存していた。そのため、温度変化が大きくなると、電流の測定値の誤差も大きくなってしまうことになる。このように、従来、電流測定値の温度依存性を更に低減させる余地が残っていた。
However, in the signal processing used in the optical fiber current sensor of
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ファラデー効果を利用して電流を測定する光ファイバ電流センサおよび電流測定方法において、電流測定値の温度依存性を十分に低減させること、特に、温度変化に対する高次の依存性を除去することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to sufficiently reduce the temperature dependence of a current measurement value in an optical fiber current sensor and a current measurement method that measure current using the Faraday effect. In particular, to remove the high-order dependence on the temperature change.
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、センサファイバに直線偏光を伝搬させ、該センサファイバの近傍に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって前記直線偏光に付与されるファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する光ファイバ電流センサにおいて、前記センサファイバと、前記センサファイバからの出射光を偏波面が互いに直交する2つの偏光成分に分離する偏光分離手段と、前記偏光分離手段によって分離された2つの偏光成分を光電気変換によりそれぞれ第1信号および第2信号に変換し、該第1信号の直流成分と交流成分の比S1および該第2信号の直流成分と交流成分の比S2を演算式に代入して前記ファラデー回転角を演算する信号処理手段と、を具備し、前記演算式は、ファラデー回転角と温度の関数としてそれぞれ表される前記比S1の方程式および前記比S2の方程式を、ファラデー回転角と温度を未知数とする連立方程式としてファラデー回転角について解いた式であることを特徴とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and propagates linearly polarized light to a sensor fiber and imparts it to the linearly polarized light by a magnetic field generated by a current to be measured flowing through a conductor installed in the vicinity of the sensor fiber. By detecting the Faraday rotation angle, the optical fiber current sensor for measuring the measured current separates the sensor fiber and the light emitted from the sensor fiber into two polarization components whose polarization planes are orthogonal to each other. The polarization separation means and the two polarization components separated by the polarization separation means are converted into a first signal and a second signal by photoelectric conversion, respectively, and the ratio S1 of the direct current component to the alternating current component of the first signal and the first signal Signal processing means for calculating the Faraday rotation angle by substituting the ratio S2 of the DC component and AC component of the two signals into an arithmetic expression. The equation is an equation obtained by solving the equation of the ratio S1 and the equation of the ratio S2 respectively expressed as a function of the Faraday rotation angle and the temperature with respect to the Faraday rotation angle as a simultaneous equation having the Faraday rotation angle and the temperature as unknowns. It is characterized by.
この発明において、信号処理手段がファラデー回転角の演算に用いる演算式は、比S1と比S2の連立方程式から温度に関する変数を消去した式である。したがって、温度の変数を含まない演算式を用いてファラデー回転角を演算するので、温度変化に対する高次の依存性が残存することはなく、得られたファラデー回転角およびこのファラデー回転角から求まる電流測定値の温度依存性を、原理上無くすことができる。 In the present invention, the arithmetic expression used by the signal processing means for calculating the Faraday rotation angle is an expression obtained by eliminating the temperature variable from the simultaneous equations of the ratio S1 and the ratio S2. Therefore, since the Faraday rotation angle is calculated using an arithmetic expression that does not include a temperature variable, high-order dependence on the temperature change does not remain, and the obtained Faraday rotation angle and the current obtained from this Faraday rotation angle The temperature dependence of measured values can be eliminated in principle.
また、本発明は、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記センサファイバにおける基準温度でのファラデー回転角をφ0,基準温度からの温度変化量をT,光学バイアスの温度依存係数をα,前記センサファイバにおけるファラデー回転角の温度依存係数をβとしたとき、前記比S1の方程式は、S1=2・(1+β・T)・φ0/(1+α・T)であり、前記比S2の方程式は、S2=−2・(1+β・T)・φ0/(1−α・T)であり、前記演算式は、φ0=S1・S2/{(β/α−1)・S1+(β/α+1)・S2}であることを特徴とする。
In the optical fiber current sensor, the Faraday rotation angle at the reference temperature of the sensor fiber is φ 0 , the temperature change from the reference temperature is T, the temperature dependence coefficient of the optical bias is α, and the sensor fiber Where the temperature dependence coefficient of the Faraday rotation angle at β is β, the equation of the ratio S1 is S1 = 2 · (1 + β · T) · φ 0 / (1 + α · T), and the equation of the ratio S2 is S2 = −2 · (1 + β · T) · φ 0 / (1−α · T), and the arithmetic expression is φ 0 =
この発明によれば、既知の定数である光学バイアスの温度依存係数αとセンサファイバにおけるファラデー回転角の温度依存係数β、および測定によって得られる値である比S1とS2を用いて電流測定値を求めることができる。 According to the present invention, the measured current value is obtained by using the temperature dependence coefficient α of the optical bias that is a known constant, the temperature dependence coefficient β of the Faraday rotation angle in the sensor fiber, and the ratios S1 and S2 that are values obtained by the measurement. Can be sought.
また、本発明は、上記光ファイバ電流センサにおいて、前記センサファイバにおける基準温度でのファラデー回転角をφ0,基準温度からの温度変化量をT,光学バイアスの温度依存係数をα,前記センサファイバにおけるファラデー回転角の温度依存係数をβとしたとき、前記比S1の方程式は、S1=2・(1+β・T)・cos(α・T)・φ0/(1+sin(α・T))であり、前記比S2の方程式は、S2=−2・(1+β・T)・cos(α・T)・φ0/(1−sin(α・T))であり、前記演算式は、φ0=S1・S2/{(S2−S1)・(1+A・β/α)・cosA},A=sin−1{(S1+S2)/(S2−S1)}であることを特徴とする。 In the optical fiber current sensor, the Faraday rotation angle at the reference temperature of the sensor fiber is φ 0 , the temperature change from the reference temperature is T, the temperature dependence coefficient of the optical bias is α, and the sensor fiber When the temperature dependence coefficient of the Faraday rotation angle at β is β, the equation of the ratio S1 is S1 = 2 · (1 + β · T) · cos (α · T) · φ 0 / (1 + sin (α · T)) And the equation of the ratio S2 is S2 = −2 · (1 + β · T) · cos (α · T) · φ 0 / (1−sin (α · T)), and the arithmetic expression is φ 0 = S1 · S2 / {(S2−S1) · (1 + A · β / α) · cosA}, A = sin−1 {(S1 + S2) / (S2−S1)}.
この発明によれば、既知の定数である光学バイアスの温度依存係数αとセンサファイバにおけるファラデー回転角の温度依存係数β、および測定によって得られる値である比S1とS2を用いて電流測定値を求めることができる。また、比S1およびS2の方程式は、その導出過程において近似を用いることなく導出される式であるので、電流測定値を精度良く求めることができる。 According to the present invention, the measured current value is obtained by using the temperature dependence coefficient α of the optical bias that is a known constant, the temperature dependence coefficient β of the Faraday rotation angle in the sensor fiber, and the ratios S1 and S2 that are values obtained by the measurement. Can be sought. Moreover, since the equations of the ratios S1 and S2 are derived without using approximation in the derivation process, the current measurement value can be obtained with high accuracy.
また、本発明は、センサファイバに直線偏光を伝搬させ、該センサファイバの近傍に設置された導体を流れる被測定電流により生じる磁界によって前記直線偏光に付与されるファラデー回転角を検出することで、前記被測定電流を測定する電流測定方法において、前記センサファイバからの出射光を偏波面が互いに直交する2つの偏光成分に分離する過程と、前記分離された2つの偏光成分を光電気変換によりそれぞれ第1信号および第2信号に変換する過程と、前記第1信号の直流成分と交流成分の比S1および前記第2信号の直流成分と交流成分の比S2を演算式に代入して前記ファラデー回転角を演算する過程と、を有し、前記演算式は、ファラデー回転角と温度の関数としてそれぞれ表される前記比S1の方程式および前記比S2の方程式を、ファラデー回転角と温度を未知数とする連立方程式としてファラデー回転角について解いた式であることを特徴とする。 In the present invention, the linearly polarized light is propagated to the sensor fiber, and the Faraday rotation angle given to the linearly polarized light is detected by a magnetic field generated by a current to be measured flowing through a conductor installed in the vicinity of the sensor fiber. In the current measurement method for measuring the current to be measured, a process of separating the outgoing light from the sensor fiber into two polarization components whose polarization planes are orthogonal to each other, and the two separated polarization components by photoelectric conversion, respectively The Faraday rotation by substituting the DC signal / AC component ratio S1 of the first signal and the DC signal / AC component ratio S2 of the first signal and the ratio S2 of the DC signal / AC component of the second signal into an arithmetic expression. A process of calculating an angle, and the calculation formula is expressed by the equation of the ratio S1 and the ratio S2 respectively expressed as a function of the Faraday rotation angle and the temperature. The equations, characterized in that it is an expression obtained by solving for the Faraday rotation angle as simultaneous equations to unknown Faraday rotation angle and temperature.
本発明によれば、ファラデー効果を利用して電流を測定する光ファイバ電流センサおよび電流測定方法において、温度変化に対する高次の依存性を除去して電流測定値の温度依存性を十分に低減させることができ、これにより精度の良い電流測定を行うことが可能になる。 According to the present invention, in the optical fiber current sensor and the current measurement method for measuring current using the Faraday effect, the temperature dependence of the current measurement value is sufficiently reduced by removing the high-order dependence on the temperature change. This makes it possible to perform accurate current measurement.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態による反射型の光ファイバ電流センサの構成図を示している。
同図において、光ファイバ電流センサは、センサファイバ11と、光サーキュレータ12と、偏光分離素子13と、ファラデー回転子14と、信号処理部15とを含んで構成される。また、信号処理部15は、受光素子151A,151Bと、バンドパスフィルタBPF1,BPF2と、ローパスフィルタLPF1,LPF2と、除算部152A,152Bと、演算部153(CPU)とから構成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 shows a configuration diagram of a reflective optical fiber current sensor according to a first embodiment of the present invention.
In the figure, the optical fiber current sensor includes a
センサファイバ11は、測定しようとしている被測定電流Iが流れる送電線等の導体100の周囲を周回するようにして配置される。このセンサファイバ11として、好適にはファラデー効果の大きさを決めるベルデ定数が大きい特性を持った光ファイバである、鉛ガラスファイバを用いることができる。センサファイバ11の一端にはファラデー回転子14が取り付けられ、他端には金属薄膜の蒸着等によって反射部(ミラー)111が形成されている。ファラデー回転子14と偏光分離素子13、偏光分離素子13と光サーキュレータ12はそれぞれ光ファイバで接続され、光サーキュレータ12は、光源21から送光ファイバ22を通じて供給される光がセンサファイバ11側へ透過する向きに接続される。信号処理部15は入力部として2つの受光素子151A,151Bを有し、その1つの受光素子151Aは受光ファイバ16Aにより光サーキュレータ12のセンサファイバ11側からの透過光が出力される端子に接続され、もう1つの受光素子151Bは受光ファイバ16Bにより偏光分離素子13に接続される。
The
このように構成された光ファイバ電流センサに対して、光源21から発せられた光が送光ファイバ22および光サーキュレータ12を介して偏光分離素子13へ入射される。この光は、偏光分離素子13によって電界の振動方向が一方向(偏光分離素子13の主軸方向)にそろった直線偏光に変換されて、ファラデー回転子14へ入射される。ファラデー回転子14は、永久磁石とこの永久磁石によって磁気飽和させられた強磁性体結晶である強磁性ガーネットとからなり、強磁性ガーネットを通過する光に片道22.5度のファラデー回転を付与する。ファラデー回転子14を通過した直線偏光は、センサファイバ11へ入射され、センサファイバ11の周回部分において、導体100を流れる被測定電流Iの周囲に生じた磁界によってファラデー回転を受け、その偏波面が磁界の大きさに比例したファラデー回転角だけ回転する。
With respect to the thus configured optical fiber current sensor, light emitted from the
センサファイバ11を伝搬する光は、さらに反射部111で反射されて再び周回部分を通りファラデー回転を受け、ファラデー回転子14へ入射される。ファラデー回転子14を再び通過することでさらに22.5度のファラデー回転が与えられるので、このファラデー回転子14により、往復で合計45度のファラデー回転が与えられることになる。即ち、この光ファイバ電流センサでは、光学バイアスが45度に設定されている。ファラデー回転子14を通過した光は、再び偏光分離素子13へと導かれ、偏光方向の互いに直交(偏光分離素子13の主軸方向とそれに垂直な方向)する2つの偏光成分に分離される。分離された一方の光は光サーキュレータ12と受光ファイバ16Aを介して受光素子151Aによって受光され、その光強度に比例した電気信号P1に変換される。また、もう一方の光は受光ファイバ16Bを介して受光素子151Bによって受光され、その光強度に比例した電気信号P2に変換される。
The light propagating through the
ここで、本光ファイバ電流センサで測定する被測定電流Iは、交流電流(交流成分のみ)であるとする。このとき、センサファイバ11中の光が感じるファラデー効果もこの交流電流を反映したものとなり、上記の電気信号P1とP2は、ともに直流成分と交流成分とを含むことになる(図2参照)。
Here, it is assumed that the measured current I measured by the present optical fiber current sensor is an alternating current (only an alternating current component). At this time, the Faraday effect felt by the light in the
受光素子151Aからの電気信号P1は、バンドパスフィルタBPF1とローパスフィルタLPF1へ入力される。バンドパスフィルタBPF1は電気信号P1に含まれる交流成分を抽出して除算部152Aへ出力し、ローパスフィルタLPF1は電気信号P1に含まれる直流成分を抽出して除算部152Aへ出力する。除算部152Aは、入力された交流成分を直流成分で除算することにより得られる交流成分と直流成分との比を表す信号S1を、演算部153へ出力する。
The electric signal P1 from the
また、受光素子151Bからの電気信号P2は、バンドパスフィルタBPF2とローパスフィルタLPF2へ入力される。バンドパスフィルタBPF2とローパスフィルタLPF2は、上記と同様に、それぞれ電気信号P2に含まれる交流成分および直流成分を抽出して除算部152Bへ出力する。除算部152Bは、入力された交流成分を直流成分で除算することにより得られる交流成分と直流成分との比を表す信号S2を、演算部153へ出力する。
The electric signal P2 from the
演算部153は、入力された上記2つの信号S1とS2をデジタル値に変換し、変換後の値を後述する演算式f(S1,S2)またはg(S1,S2)に代入することにより、センサファイバ11において付与されたファラデー回転角を計算する。また、演算部153は、得られたファラデー回転角から被測定電流Iの値を計算する。なお、上記の演算式は所定の記憶部(RAM等のメモリ)に予め記憶されているものとする。
The
次に、信号処理部15の詳細な動作原理を数式を用いて説明する。
図2は、受光素子151A,151Bで得られる電気信号P1およびP2(受光される光の光強度)の特性を表すグラフである。このグラフにおいて、横軸はセンサファイバ11へ入射された直線偏光が受けるファラデー回転角θであり、縦軸は上記各電気信号の信号強度Pである。2つの受光素子151Aと151Bそれぞれに到達する光の光強度は、上述の説明のとおり、センサファイバ11において与えられるファラデー回転角θと、ファラデー回転子14により与えられるファラデー回転角、即ち光学バイアスの値とによって決まる。一般に光学バイアスがその設定値45度からδだけ誤差を有している場合を考慮すると、θの関数として電気信号P1(θ)およびP2(θ)が次式(1a)と(1b)により与えられる。
P1(θ)=1+sin(2δ+2θ) (1a)
P2(θ)=1−sin(2δ+2θ) (1b)
Next, the detailed operation principle of the
FIG. 2 is a graph showing characteristics of electric signals P1 and P2 (light intensity of received light) obtained by the
P1 (θ) = 1 + sin (2δ + 2θ) (1a)
P2 (θ) = 1−sin (2δ + 2θ) (1b)
ここで、被測定電流Iは交流成分のみからなる交流電流であるので、この被測定電流Iによってセンサファイバ11中の直線偏光に付与されるファラデー回転は、角度0度の周りに当該交流電流の周波数で振動するものとなる。この振動の振幅をφとする。また、図中に、この交流の被測定電流Iによって生じるファラデー回転角の時間的変化を曲線Cで表す。
Here, since the measured current I is an alternating current composed only of an alternating current component, the Faraday rotation imparted to the linearly polarized light in the
曲線Cに沿ってファラデー回転角が−φ→0→φのように時間変化すると、受光素子151Aで得られる電気信号P1は、順次、次のように変化する。
P1(−φ)=1+sin(2δ−2φ)
→P1(0)=1+sin(2δ)
→P1(φ)=1+sin(2δ+2φ)
こうして、交流の被測定電流Iに対応して得られる電気信号P1は、図中に曲線P1で示すように、被測定電流Iと同じ周波数で振動する信号となる。この信号は、直流成分の大きさP1(0)=1+sin(2δ)を有し、交流成分の振幅{P1(φ)−P1(−φ)}/2={sin(2δ+2φ)−sin(2δ−2φ)}/2を有する。光学バイアスの誤差δとセンサファイバ11によるファラデー回転の振幅φが十分小さい(δ,φ≪1)領域では、被測定電流Iを測定した時の電気信号P1の直流成分P1DCと交流成分P1ACは、それぞれ次の式(2a),(2b)で表すことができる。
P1DC=P1(0)≒1+2δ (2a)
P1AC={P1(φ)−P1(−φ)}/2≒2φ (2b)
上記の式(2a)と式(2b)が、それぞれバンドパスフィルタBPF1,ローパスフィルタLPF1から出力される信号である。
When the Faraday rotation angle changes along the curve C as −
P1 (−φ) = 1 + sin (2δ−2φ)
→ P1 (0) = 1 + sin (2δ)
→ P1 (φ) = 1 + sin (2δ + 2φ)
In this way, the electric signal P1 obtained corresponding to the AC measured current I becomes a signal that vibrates at the same frequency as the measured current I, as indicated by the curve P1 in the figure. This signal has a DC component magnitude P1 (0) = 1 + sin (2δ), and the amplitude of the AC component {P1 (φ) −P1 (−φ)} / 2 = {sin (2δ + 2φ) −sin (2δ). -2φ)} / 2. In the region where the error δ of the optical bias and the amplitude φ of the Faraday rotation by the
P1 DC = P1 (0) ≈1 + 2δ (2a)
P1 AC = {P1 (φ) −P1 (−φ)} / 2≈2φ (2b)
The above equations (2a) and (2b) are signals output from the bandpass filter BPF1 and the lowpass filter LPF1, respectively.
また同様に、曲線Cに沿ってファラデー回転角が−φ→0→φのように時間変化したとき、受光素子151Bで得られる電気信号P2は、順次、次のように変化する。
P2(−φ)=1−sin(2δ−2φ)
→P2(0)=1−sin(2δ)
→P2(φ)=1−sin(2δ+2φ)
こうして、交流の被測定電流Iに対応して得られる電気信号P2は、図中に曲線P2で示すように、被測定電流Iと同じ周波数で振動する信号となる。この信号は、直流成分の大きさP2(0)=1−sin(2δ)を有し、交流成分の振幅{P2(−φ)−P2(φ)}/2={sin(2δ+2φ)−sin(2δ−2φ)}/2を有する。同様にδ,φ≪1が成り立つ領域では、被測定電流Iを測定した時の電気信号P2の直流成分P2DCと交流成分P2ACは、それぞれ次の式(3a),(3b)で表すことができる。
P2DC=P2(0)≒1−2δ (3a)
P2AC=−{P2(−φ)−P2(φ)}/2≒−2φ (3b)
但し、交流成分P2ACの負号は交流成分P2ACと位相が反転していることを考慮したものである。上記の式(3a)と式(3b)が、それぞれバンドパスフィルタBPF2,ローパスフィルタLPF2から出力される信号である。
Similarly, when the Faraday rotation angle changes with time along the curve C as −
P2 (−φ) = 1−sin (2δ−2φ)
→ P2 (0) = 1−sin (2δ)
→ P2 (φ) = 1−sin (2δ + 2φ)
In this way, the electric signal P2 obtained corresponding to the AC measured current I becomes a signal that vibrates at the same frequency as the measured current I, as indicated by the curve P2 in the figure. This signal has a DC component magnitude P2 (0) = 1−sin (2δ), and the amplitude of the AC component {P2 (−φ) −P2 (φ)} / 2 = {sin (2δ + 2φ) −sin. (2δ−2φ)} / 2. Similarly, in the region where δ, φ << 1 holds, the direct current component P2 DC and the alternating current component P2 AC of the electric signal P2 when the measured current I is measured are expressed by the following equations (3a) and (3b), respectively. Can do.
P2 DC = P2 (0) ≈1-2δ (3a)
P2 AC = − {P2 (−φ) −P2 (φ)} / 2≈−2φ (3b)
However, the negative sign of the alternating current component P2 AC is obtained by considering that the alternating current component P2 AC phase are inverted. The above equations (3a) and (3b) are signals output from the bandpass filter BPF2 and the lowpass filter LPF2, respectively.
ここで、センサファイバ11において付与されるファラデー回転の大きさは、センサファイバ11のベルデ定数が温度依存性を有することに起因して、環境温度の変化に応じて変化する。また、ファラデー回転子14による光学バイアスも、強磁性ガーネットのベルデ定数が温度依存性を有することに起因して、環境温度の変化に応じて変化する。これを考慮して、センサファイバ11によるファラデー回転の振幅φと光学バイアスの誤差δが次式(4a),(4b)で表される温度依存性を有するものと仮定する。
δ=αT/2 (4a)
φ=(1+βT)φ0 (4b)
但し、αとβはそれぞれの温度依存係数(既知の定数)、Tは基準温度(例えば20℃)からの温度変化量、φ0はその基準温度におけるファラデー回転角の振幅である。
Here, the magnitude of the Faraday rotation imparted in the
δ = αT / 2 (4a)
φ = (1 + βT) φ 0 (4b)
Where α and β are respective temperature dependence coefficients (known constants), T is the amount of temperature change from a reference temperature (for example, 20 ° C.), and φ 0 is the amplitude of the Faraday rotation angle at the reference temperature.
以上の式(2a),(2b),(3a),(3b),(4a),(4b)より、演算部153へ入力される信号S1とS2はそれぞれ次式(5a),(5b)で表される。
From the above equations (2a), (2b), (3a), (3b), (4a), (4b), the signals S1 and S2 input to the
このように、信号S1とS2は、それぞれファラデー回転角および温度の関数として表すことができる。上記の式(5a),(5b)において、αとβは既知の定数であり、S1とS2は測定により得られる既知の値であり、未知数はφ0とTの2つである。そこで、式(5a),(5b)を連立方程式としてφ0について解くと、次式(6)を得る。 Thus, the signals S1 and S2 can be expressed as functions of the Faraday rotation angle and temperature, respectively. In the above formulas (5a) and (5b), α and β are known constants, S1 and S2 are known values obtained by measurement, and the unknowns are two of φ 0 and T. Therefore, when equations (5a) and (5b) are solved for φ 0 as simultaneous equations, the following equation (6) is obtained.
この演算式f(S1,S2)にS1,S2,α,βを代入することによって、ファラデー回転角φ0が求まり、さらにこのファラデー回転角φ0から、次式φ0=V・Iにより被測定電流Iの値が求まる。但し、Vは上記と同じ基準温度におけるセンサファイバ11のベルデ定数である。演算部153はこのように演算式f(S1,S2)を用いてファラデー回転角と被測定電流の値を計算する。演算式f(S1,S2)には温度の変数が含まれないため、求められたファラデー回転角および電流測定値は、原理上、温度に依存しないことになる。
By substituting S1, S2, α, β into this arithmetic expression f (S1, S2), the Faraday rotation angle φ 0 is obtained, and from this Faraday rotation angle φ 0 , the following equation φ 0 = V · I The value of the measurement current I is obtained. However, V is the Verde constant of the
したがって、本実施形態の光ファイバ電流センサによれば、電流測定値の温度依存性を十分に低減させることができ、これにより精度の良い電流測定を行うことが可能である。 Therefore, according to the optical fiber current sensor of the present embodiment, the temperature dependence of the current measurement value can be sufficiently reduced, and thereby accurate current measurement can be performed.
(第2の実施形態)
上述の実施形態では、式(2a),(2b),(3a),(3b)を導出する際にδ,φ≪1という条件を仮定して、近似を採り入れた。本実施形態では、このような近似を行わずに、ファラデー回転角および被測定電流の厳密な値を計算することとする。なお、本実施形態は、以下に説明する数式の相違を除いては、上述した実施形態と構成および動作は同じである。
(Second Embodiment)
In the above-described embodiment, approximation is taken in assuming the conditions of δ, φ << 1 when deriving the equations (2a), (2b), (3a), (3b). In the present embodiment, the exact values of the Faraday rotation angle and the current to be measured are calculated without performing such approximation. Note that this embodiment has the same configuration and operation as those of the above-described embodiment except for differences in mathematical expressions described below.
近似を用いない場合、上述の式(5a),(5b)に対応する信号S1およびS2の式は、次のように表される。 When approximation is not used, the equations of the signals S1 and S2 corresponding to the above equations (5a) and (5b) are expressed as follows.
上述の実施形態と同様に、式(7a),(7b)を連立方程式としてφ0について解くと、次式(8)を得る。 Similar to the embodiment described above, equation (7a), and solving for 0 phi as simultaneous equations (7b), the following equation is obtained (8).
本実施形態において、演算部153は、この演算式g(S1,S2)にS1,S2,α,βを代入することによって、ファラデー回転角φ0を計算する。上述の実施形態と同様、演算式g(S1,S2)には温度の変数が含まれないため、求められたファラデー回転角およびファラデー回転角から計算される電流測定値は、原理上、温度に依存しないことになる。また、演算式g(S1,S2)には近似が含まれないため、測定の精度を向上させることができる。
In the present embodiment, the
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。 As described above, the embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to the above, and various design changes and the like can be made without departing from the scope of the present invention. It is possible to
また、光ファイバ電流センサは反射型のものに限られず、本発明は透過型の光ファイバ電流センサにも適用することができる。透過型の光ファイバ電流センサとは、図3に示すように、偏光分離素子13と信号処理部15とをセンサファイバ11の光源21とは反対側に設け、センサファイバ11へ入射された直線偏光がセンサファイバ11を透過して偏光分離素子13へと入射されるように構成されたものである。透過型の光ファイバ電流センサでは、反射型の光ファイバ電流センサで用いるファラデー回転子14の代わりに、入射した光のうち電界の振動方向が一方向の成分だけを透過させる偏光子や、透過する直線偏光の偏波面を所定角度回転させる波長板などを用いて光学バイアスを設定する場合があり、この場合には光学バイアスの誤差δはこれら偏光子や波長板に起因するものとなるが、上記説明した原理は同じである。
The optical fiber current sensor is not limited to the reflective type, and the present invention can also be applied to a transmission type optical fiber current sensor. As shown in FIG. 3, the transmission type optical fiber current sensor includes a
11…センサファイバ 12…光サーキュレータ 13…偏光分離素子 14…ファラデー回転子 15…信号処理部 16…受光ファイバ 21…光源 22…送光ファイバ 151…受光素子 152…除算部 153…演算部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記センサファイバと、
前記センサファイバからの出射光を偏波面が互いに直交する2つの偏光成分に分離する偏光分離手段と、
前記偏光分離手段によって分離された2つの偏光成分を光電気変換によりそれぞれ第1信号および第2信号に変換し、該第1信号の直流成分と交流成分の比S1および該第2信号の直流成分と交流成分の比S2を演算式に代入して前記ファラデー回転角を演算する信号処理手段と、を具備し、
前記演算式は、ファラデー回転角と温度の関数としてそれぞれ表される前記比S1の方程式および前記比S2の方程式を、ファラデー回転角と温度を未知数とする連立方程式としてファラデー回転角について解いた式である
ことを特徴とする光ファイバ電流センサ。 The linearly polarized light is propagated to the sensor fiber, and the measured current is measured by detecting the Faraday rotation angle given to the linearly polarized light by the magnetic field generated by the measured current flowing through the conductor installed in the vicinity of the sensor fiber. In the optical fiber current sensor
The sensor fiber;
Polarization separation means for separating the outgoing light from the sensor fiber into two polarization components whose planes of polarization are orthogonal to each other;
The two polarization components separated by the polarization separation means are converted into a first signal and a second signal by photoelectric conversion, respectively, a ratio S1 of the direct current component to the alternating current component of the first signal and a direct current component of the second signal And a signal processing means for calculating the Faraday rotation angle by substituting the AC component ratio S2 into an arithmetic expression,
The calculation formula is an equation obtained by solving the equation of the ratio S1 and the equation of the ratio S2 respectively expressed as a function of the Faraday rotation angle and the temperature with respect to the Faraday rotation angle as a simultaneous equation with the Faraday rotation angle and the temperature being unknown. An optical fiber current sensor.
前記比S1の方程式は、
S1=2・(1+β・T)・φ0/(1+α・T)
であり、
前記比S2の方程式は、
S2=−2・(1+β・T)・φ0/(1−α・T)
であり、
前記演算式は、
φ0=S1・S2/{(β/α−1)・S1+(β/α+1)・S2}
であることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ電流センサ。 When the Faraday rotation angle at the reference temperature in the sensor fiber is φ 0 , the temperature change from the reference temperature is T, the temperature dependency coefficient of the optical bias is α, and the temperature dependency coefficient of the Faraday rotation angle in the sensor fiber is β ,
The equation for the ratio S1 is
S1 = 2 · (1 + β · T) · φ 0 / (1 + α · T)
And
The equation for the ratio S2 is
S2 = −2 · (1 + β · T) · φ 0 / (1−α · T)
And
The arithmetic expression is
φ 0 = S1 · S2 / {(β / α-1) · S1 + (β / α + 1) · S2}
The optical fiber current sensor according to claim 1, wherein
前記比S1の方程式は、
S1=2・(1+β・T)・cos(α・T)・φ0/(1+sin(α・T))
であり、
前記比S2の方程式は、
S2=−2・(1+β・T)・cos(α・T)・φ0/(1−sin(α・T))
であり、
前記演算式は、
φ0=S1・S2/{(S2−S1)・(1+A・β/α)・cosA},
A=sin−1{(S1+S2)/(S2−S1)}
であることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ電流センサ。 When the Faraday rotation angle at the reference temperature in the sensor fiber is φ 0 , the temperature change from the reference temperature is T, the temperature dependency coefficient of the optical bias is α, and the temperature dependency coefficient of the Faraday rotation angle in the sensor fiber is β ,
The equation for the ratio S1 is
S1 = 2 · (1 + β · T) · cos (α · T) · φ 0 / (1 + sin (α · T))
And
The equation for the ratio S2 is
S2 = −2 · (1 + β · T) · cos (α · T) · φ 0 / (1-sin (α · T))
And
The arithmetic expression is
φ 0 = S1 · S2 / {(S2−S1) · (1 + A · β / α) · cosA},
A = sin-1 {(S1 + S2) / (S2-S1)}
The optical fiber current sensor according to claim 1, wherein
前記センサファイバからの出射光を偏波面が互いに直交する2つの偏光成分に分離する過程と、
前記分離された2つの偏光成分を光電気変換によりそれぞれ第1信号および第2信号に変換する過程と、
前記第1信号の直流成分と交流成分の比S1および前記第2信号の直流成分と交流成分の比S2を演算式に代入して前記ファラデー回転角を演算する過程と、を有し、
前記演算式は、ファラデー回転角と温度の関数としてそれぞれ表される前記比S1の方程式および前記比S2の方程式を、ファラデー回転角と温度を未知数とする連立方程式としてファラデー回転角について解いた式である
ことを特徴とする電流測定方法。 The linearly polarized light is propagated to the sensor fiber, and the measured current is measured by detecting the Faraday rotation angle given to the linearly polarized light by the magnetic field generated by the measured current flowing through the conductor installed in the vicinity of the sensor fiber. In the current measurement method to
Separating the outgoing light from the sensor fiber into two polarization components whose planes of polarization are orthogonal to each other;
Converting the two separated polarization components into a first signal and a second signal by photoelectric conversion, respectively;
A step of calculating the Faraday rotation angle by substituting the DC component / AC component ratio S1 of the first signal and the DC component / AC component ratio S2 of the second signal into an arithmetic expression;
The calculation formula is an equation obtained by solving the equation of the ratio S1 and the equation of the ratio S2 respectively expressed as a function of the Faraday rotation angle and the temperature with respect to the Faraday rotation angle as a simultaneous equation with the Faraday rotation angle and the temperature being unknown. A current measuring method characterized by being.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010082567A JP2011214959A (en) | 2010-03-31 | 2010-03-31 | Optical fiber current sensor and electric current measurement method |
PCT/JP2011/057474 WO2011125564A1 (en) | 2010-03-31 | 2011-03-25 | Optical fiber current sensor and electric current measurement method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010082567A JP2011214959A (en) | 2010-03-31 | 2010-03-31 | Optical fiber current sensor and electric current measurement method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011214959A true JP2011214959A (en) | 2011-10-27 |
Family
ID=44762517
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010082567A Pending JP2011214959A (en) | 2010-03-31 | 2010-03-31 | Optical fiber current sensor and electric current measurement method |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2011214959A (en) |
WO (1) | WO2011125564A1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014190741A (en) * | 2013-03-26 | 2014-10-06 | Tokyo Electric Power Co Inc:The | Thunder current measuring apparatus and thunder current measuring method |
JP2014238398A (en) * | 2013-06-10 | 2014-12-18 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | Systems and methods for monitoring fiber optic current sensing systems |
CN105911328A (en) * | 2016-06-06 | 2016-08-31 | 哈尔滨理工大学 | Current sensor based on magnetism-guided loop and magnetic fluid |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102590608A (en) * | 2012-03-05 | 2012-07-18 | 上海理工大学 | Environment temperature compensation heavy current measurement system based on fiber polarization detection |
CN102590577B (en) * | 2012-03-09 | 2014-12-10 | 南京大学 | Full-optical fiber heterodyning current sensor |
CN103197119B (en) * | 2013-03-28 | 2016-05-25 | 上海大学 | Interference-type optical fiber current sensor based on magneto-optic modulation |
CN103257266A (en) * | 2013-04-21 | 2013-08-21 | 国家电网公司 | Portable all-insulation optical-fiber current detector |
CN103777063B (en) * | 2013-12-13 | 2016-09-21 | 国家电网公司 | A kind of fibre optic current sensor |
AU2015367307B2 (en) * | 2014-12-19 | 2019-08-08 | Société des Produits Nestlé S.A. | Infant nutrition with hydrolysed protein and palmitic acid |
EP3232820B1 (en) * | 2014-12-19 | 2020-01-29 | Société des Produits Nestlé S.A. | Infant nutrition with hydrolysed protein, ionic calcium and palmitic acid |
WO2019120588A1 (en) | 2017-12-22 | 2019-06-27 | Abb Schweiz Ag | Polarization optical detection with enhanced accuracy in the high-signal regime |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07333257A (en) * | 1994-06-09 | 1995-12-22 | Toshiba Corp | Optical current transformer |
US5987195A (en) * | 1996-08-01 | 1999-11-16 | The Texas A&M University System | Fiber optics apparatus and method for accurate current sensing |
JP2000266787A (en) * | 1999-03-18 | 2000-09-29 | Hitachi Ltd | Optical current sensor |
US20100253320A1 (en) * | 2007-10-23 | 2010-10-07 | Tokyo Electric Power Company, Incorporated | Optical fiber electric current sensor and electric current measurement method |
-
2010
- 2010-03-31 JP JP2010082567A patent/JP2011214959A/en active Pending
-
2011
- 2011-03-25 WO PCT/JP2011/057474 patent/WO2011125564A1/en active Application Filing
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014190741A (en) * | 2013-03-26 | 2014-10-06 | Tokyo Electric Power Co Inc:The | Thunder current measuring apparatus and thunder current measuring method |
US9983237B2 (en) | 2013-03-26 | 2018-05-29 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Lightning current measuring device and lightning current measuring method |
JP2014238398A (en) * | 2013-06-10 | 2014-12-18 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | Systems and methods for monitoring fiber optic current sensing systems |
CN105911328A (en) * | 2016-06-06 | 2016-08-31 | 哈尔滨理工大学 | Current sensor based on magnetism-guided loop and magnetic fluid |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2011125564A1 (en) | 2011-10-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2011214959A (en) | Optical fiber current sensor and electric current measurement method | |
JP5200852B2 (en) | Optical fiber current sensor and current measurement method | |
US4495411A (en) | Fiber optic sensors operating at DC | |
KR101094363B1 (en) | Optical fiber current sensor and sensing method thereof | |
US20090290147A1 (en) | Dynamic polarization based fiber optic sensor | |
US20110115469A1 (en) | Optical fiber electric current sensor, electric current measurement method, and fault zone detection apparatus | |
CN101427142A (en) | Fiber-optic current sensor with polarimetric detection scheme | |
CA2699017A1 (en) | Optical fiber electric current measurement apparatus and electric current measurement method | |
CN105137147B (en) | Optical voltage measuring device | |
EP3066423A1 (en) | Single-end brillouin optical distributed sensing device and method | |
JPH10505422A (en) | AC current measuring method and apparatus with temperature compensation | |
JP2010261843A (en) | Optical fiber current sensor and current measurement method | |
JP2011214958A (en) | Optical fiber current sensor and method for measuring current | |
JP2012103200A (en) | Modulation light analysis device and electric field or magnetic field measurement probe device using modulation light analysis device | |
JP2004361196A (en) | Optical-fiber current sensor | |
JP7336951B2 (en) | Voltage measuring device and voltage measuring method | |
JPS59669A (en) | Optical fiber magnetic field sensor | |
JP2012229954A (en) | Optical fiber current sensor | |
JP2009085887A (en) | Measuring device and method | |
JP4277851B2 (en) | Current measuring device | |
JP2008256368A (en) | Optical fiber current sensor, and current measuring method | |
JP2023183122A (en) | voltage measuring device | |
JP2022152256A (en) | Inspection device and inspection method | |
JPS5928628A (en) | Temperature sensor by light | |
JP2023027875A (en) | Vibration meter and vibration measurement method |