JP2012229954A - 光ファイバ電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】測定誤差を低減する光ファイバ電流センサを提供する。
【解決手段】センサファイバ２の一端より直線偏光を入射させ、該センサファイバ２の近傍に設置された導体Ｗを流れる被測定電流により生じる磁界によって直線偏光Ｌ２に付与されるファラデー回転角を検出することで、被測定電流を測定する光ファイバ電流センサ１において、センサファイバ２の他端を、該センサファイバ２がループ状をなすように固定するファイバ固定部２２を備える。
【選択図】図１

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に関する。

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といった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、磁界発生源の近傍に置くと、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。よって、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。

上記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なうという手法を採る。このような光ファイバ電流センサの一例として、光ファイバ電流センサが特許文献１に開示されている。

特許第３６８５９０６号公報

しかしながら、この特許文献１の光ファイバ電流センサは、入射された直線偏光が反射されるセンサファイバの先端部の位置を固定することができず、この位置が不明確となってしまう。従って、センサファイバに完全なループを形成できないため、アンペールの法則の周回積分によって測定値を算出する際、外部の磁界の影響やセンサファイバが波打つことによって生じるセンサファイバと導体との相対位置の変化等により、被測定電流値に測定誤差が発生してしまう恐れがあった。

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、測定誤差を低減する光ファイバ電流センサを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を提供している。
即ち、本発明に係る光ファイバ電流センサは、センサファイバの一端より直線偏光を入射させ、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の他端を、該センサファイバがループ状をなすように固定するファイバ固定部を備えることを特徴とする。

ファイバ固定部により、センサファイバの他端が固定されることによって、このセンサファイバの他端が電流の測定中に移動することなく、センサファイバをループ状に形成できる。これによって検出したファラデー回転角にアンペールの法則の周回積分を適用することで導体を流れる被測定電流を精度高く算出できる。従って、上記導体の電流測定の際にセンサファイバは外部の磁界の影響を受けず、さらに、センサファイバが波打つ等でこのセンサファイバと導体との相対位置が変化しても被測定電流に誤差が生じることはない

また、本発明に係る光ファイバ電流センサにおいて、前記ファイバ固定部は、前記センサファイバの一端における端面に対して、前記センサファイバの他端における端面が同一面上に位置するように該センサファイバの他端を固定することが好ましい。

この発明によれば、上記ファイバ固定部によって、常に同じ位置にセンサファイバの他端を固定することができる。また、センサファイバの一端と他端とを同一面上に位置させることによって、センサファイバに完全なループを形成することができる。従って、導体の電流の測定誤差を低減することができる。

さらに、本発明に係る光ファイバ電流センサにおいては、前記センサファイバは、その他端に金属膜のコーティングを有することが好ましい。

この発明によれば、上記他端に金属膜のコーティングを設けることによって、この先端部に対し上記直線偏光の反射部を安価に形成することができ、また、上記直線偏光の反射率を維持し被測定電流の測定値の誤差を抑えることが可能となる。

さらに、光ファイバ電流センサにおいては、前記センサファイバは、その他端に前記金属膜のコーティングを外側から覆う保護部材をさらに有することが好ましい。

この発明によれば、保護部材によって上記金属膜のコーティングを覆うことによって、外環境による影響や金属膜のコーティングの剥離を防ぐことができ、長期間の使用に対しても上記直線偏光の反射率の変動を抑え、測定誤差の低減が可能となる。

本発明の光ファイバ電流センサによれば、上記センサファイバの他端を固定しセンサファイバをループ状に形成することによって、被測定電流の測定誤差を低減することができる。

本発明の実施形態に係る光ファイバ電流センサの構成図である。 本発明の実施形態に係る光ファイバ電流センサにおけるセンサファイバの反射部を示す図である。 本発明の実施形態に係る光ファイバ電流センサにおける光制御部及びファイバ固定部を示す図である。 本発明の実施形態に係る光ファイバ電流センサにおけるセンサファイバに対して、耐環境試験を行なった際の反射部における反射減衰量の時間変化を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
この光ファイバ電流センサ１は、例えば電力設備の監視等を目的とした電流測定に用いられるものである。
図１に示すように、光ファイバ電流センサ１は、光源６と、センサファイバ２と、光源６とセンサファイバ２との間に配される光制御部３と、光サーキュレータ４と、信号処理部５とを備えている。また、本実施形態では、光制御部３にファイバ固定部２２が設けられている。

光源６は、光制御部３へ向け光Ｌを発光する装置である。また光制御部３とは送光ファイバ４１を介して接続されている。

センサファイバ２は、センサファイバ本体１７と反射部１６とを有している。
センサファイバ本体１７は、測定対象となる被測定電流が流通する送電線等の導体Ｗ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本体１７としては、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好ましい。また、センサファイバ本体１７の一端１４は光制御部３に接続されるとともに、他端１５には反射部１６が設けられている。

図２に示すように、反射部１６は、センサファイバ本体１７の他端１５においてセンサファイバ２の先端部から被覆を取り除いたガラスファイバ３１と、これを覆うジルコニア製パイプ３２と、これらをさらに外側から覆う金属パイプ３３と、ガラスファイバ３１の先端部端面及びジルコニア製パイプ３２の端面に設けられた金属膜のコーティング３４（本実施形態においては、厚さ１０μｍの金）とを有する。

そして、上記反射部１６は、金属パイプ３３及び金属膜のコーティング３４の全体をさらに外側から覆う一端が開口した円筒の保護部材３６（本実施形態においては、ハイトレル（登録商標））を有している。また、この保護部材３６は、当該円筒の底面が金属膜コーティング３４に接するように反射部１６に嵌め込まれ、接着剤３５（本実施形態においては、ＥＰＯ−ＴＥＫ社製３５３ＮＤ）によって接着固定されている。

また、図３に示すように、光制御部３は、筐体２１と、該筐体２１に収容されたファラデー回転子１１と、偏光分離素子１２と、プリズム１３とを有している。
そして、筺体２１は、光Ｌの伝搬方向に延在する直方体形状を有する内部が空洞の箱となっている。なお、以下ではこの光Ｌの伝搬方向を長手方向と定義する。

ファラデー回転子１１は光制御部３内においてセンサファイバ本体１７の一端１４側に位置し、このセンサファイバ本体１７の一端１４に接続されている。そして、このファラデー回転子１１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構成されており、光が一回透過する度に２２．５度のファラデー回転を付与する。

偏光分離素子１２は、光制御部３内において光源６側に位置し、光源６からの入射される光Ｌを電界の振動方向が一方向にそろった直線偏光Ｌ２に変換し、また、センサファイバ２から反射される直線偏光Ｌ２を偏光方向の互いに直交する二つの偏光成分に分離するものである。

プリズム１３は、偏光分離素子１２の近傍に配置され、分離された二つの偏光成分のうち一方を第二受光ファイバ４３を介して信号処理部５へ送光する。

光サーキュレータ４は予め決められた方向にのみ光Ｌ及び直線偏光Ｌ２を透過させる光学部品であり、光源６から入射される光Ｌと、光制御部３を介してセンサファイバ２から反射されてくる直線偏光Ｌ２との混在を回避するものである。即ち、光源６から入射される光Ｌを送光ファイバ４１を介して光制御部３へ送光し、また、光制御部３における偏光分離素子１２によって分離された上記二つの偏光成分のうちの一方を第一受光ファイバ４２を介して信号処理部５へ送光するように接続されている。

信号処理部５は、第一受光素子９と第二受光素子１０とを有している。この第一受光素子９は第一受光ファイバ４２に接続され、また第二受光素子１０は第二受光ファイバ４３に接続されており、偏光分離素子１２によって分離された上記二つの偏光成分のうちのそれぞれ一方を受光する。

次に、ファイバ固定部２２について説明する。
図３に示すように、本実施形態ではファイバ固定部２２は上記光制御部３の筺体２１に一体に設けられ、このファイバ固定部２２の長手方向は筺体２１の長手方向と比べ短い直方体形状を有しており、筺体２１とファイバ固定部２２とは全体としてＬ字のブロック形状を有している。また、このファイバ固定部２２には第一嵌合穴２３と第二嵌合穴２４が形成されている。

第一嵌合穴２３は、上記長手方向に直交するファイバ固定部２２におけるセンサファイバ２側の一端面２８からファイバ固定部２２内部へ向かって当該長手方向に形成されており、また第二嵌合穴２４も同様に、ファイバ固定部２２における光源６側の当該一端面２８と平行な他端面２９からファイバ固定部２２内部へ向かって当該長手方向に形成されている。

ここで、第一嵌合穴２３はファイバ固定部２２内部における第一当接面１８まで形成され、また、第二嵌合穴２４はファイバ固定部２２内部における第二当接面１９まで形成される。そして、第一当接面１８は第二嵌合穴２４の中途に設けられ、また、第二当接面１９は第一嵌合穴２３の中途に設けられている。即ち、第一嵌合穴２３と第二嵌合穴２４とにおける各々の中心軸線が、長手方向に直交する方向にずれた状態で、第一嵌合穴２３と第二嵌合穴２４とが結合されている。そして、第一嵌合穴２３と第二嵌合穴２４とは、ファイバ固定部２２内部で一部が連通されている。従って、センサファイバ２における反射部１６を第一嵌合穴２３又は第二嵌合穴２４へ挿入する際、この反射部１６がファイバ固定部２２を突き抜けることなく、反射部１６の先端部がこれら第一当接面１８又は第二当接面１９に当接されるように、第一嵌合穴２３及び第二嵌合穴２４が形成されている。

また、反射部１６を第一嵌合穴２３又は第二嵌合穴２４へ挿入し、第一当接面１８又は第二当接面１９に当接させた際には、筺体２１内部においてファラデー回転子１１に接続されたセンサファイバ本体１７の一端１４における端面と、反射部１６におけるガラスファイバ３１の先端部における端面とが同一面上に位置するように、第一当接面１８及び第二当接面１９の位置が決定されている。

そして、上記長手方向に直交する方向に向かってファイバ固定部２２の外面から第一嵌合穴２３へ連通する第一ネジ穴２６、及び第二嵌合穴２４に連通する第二ネジ穴２７が形成されている。そしてこのネジ穴においては、第一嵌合穴２３又は第二嵌合穴２４へ挿入された反射部１６がファイバ固定部２２に対しネジ止めされ、固定される。

このような光ファイバ電流センサ１においては、光源６から発せられた光Ｌが送光ファイバ４１及び光サーキュレータ４を介して光制御部３へ入射され、光制御部３においてこの光Ｌが偏光分離素子１２によって直線偏光Ｌ２に変換される。そして、この直線偏光Ｌ２がファラデー回転子１１へ透過され、２２．５度のファラデー回転が付与された後に、センサファイバ本体１７の一端１４へ入射される。その後、センサファイバ２の周回部分において、導体Ｗに流れる被測定電流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の分だけ回転する。

センサファイバ本体１７へ入射され伝搬する直線偏光Ｌ２は、センサファイバ本体１７の他端１５に設けられた反射部１６において反射される。そして、直線偏光Ｌ２は上記センサファイバ２の周回部分を再度通り、ファラデー回転を受けた後にファラデー回転子１１へ入射され、ファラデー回転子１１において２２．５度のファラデー回転が直線偏光Ｌ２に付与される。

なおここで、このファラデー回転子１１によって、往復で４５度のファラデー回転が与えられることになるので、この光ファイバ電流センサ１においては光学バイアスが４５度に設定されていることとなる。

そして、ファラデー回転子１１を透過した直線偏光Ｌ２は偏光分離素子１２へ導入され、偏光方向の互いに直交する二つの偏光成分に分離される。これら分離された二つの偏光成分のうち一方は光サーキュレータ４と第一受光ファイバ４２を介して第一受光素子９へ送光され、もう一方は第二受光ファイバ４３を介して第二受光素子１０へ送光される。そして信号処理部５においては、これら第一受光素子９及び第二受光素子１０が受光した二つの偏光成分が光強度に比例した電気信号に変換され、導体Ｗの被測定電流が測定される。

ここで、上記導体Ｗに電流が流れていない場合には、直線偏光Ｌ２はファラデー回転子１１において、上記の光学バイアス分の４５度のファラデー回転を受けることとなり、この場合、この直線偏光Ｌ２に直交する二つの偏光成分の光強度は同一となる。一方で、導体Ｗに電流が流れている場合においては、センサファイバ２の周回部分において直線偏光Ｌ２が光学バイアス分の４５度よりもさらに多くのファラデー回転を受けることとなるので、二つの偏光成分の光強度に差異が発生し、信号処理部５においては、この二つの偏光成分の光強度の差異に応じて導体Ｗの被測定電流を測定することができる。

さらに、ファイバ固定部２２の第一嵌合穴２３、又は第二嵌合穴２４へセンサファイバ２における反射部１６が挿入され、ファイバ固定部２２外側からネジによって固定される。この時、第一嵌合穴２３、又は第二嵌合穴２４内に挿入された反射部１６は第一当接面１８及び第二当接面１９よりも先に突き抜けることはなく当接されるため、常に同じ位置に反射部１６をセットすることが可能となる。従って、センサファイバ本体１７の一端１４における端面と、反射部１６におけるガラスファイバ３１の先端部の端面とを同一面上に位置するよう反射部１６をファイバ固定部２２へ容易にセットすることができる。この結果、常にこれら二つの端面を同一面上に合わせた状態を保ちながら、センサファイバ２にループを形成することができる。

またここで、反射部１６を上記ファイバ固定部２２へ固定する際には、ネジに代えてマグネット等の他の方法を用いてよい。この場合、固定に要する作業時間を短縮しながら、センサファイバ２にループを容易に形成できる。

そして、本実施形態において反射部１６における金属膜のコーティング３４は厚さ１０μｍの金となっており、この時の光の反射率は約８０％以上となる。そして、この金属膜を外側から覆うように保護部材３６を設置することによって、金属膜のコーティング３４の外環境による影響や金属膜の剥離を抑制することができ、長期間の使用に対しても、直線偏光Ｌ２を反射する際の反射率の変動を抑えることができる。

ここで、仮に誘電体多層膜を蒸着する方法によって、反射部１６を形成した場合、外環境による影響や剥離は起こりにくい。従って、上記のような保護部材３６を設けなくとも長期間の使用において反射率の低下は発生しにくい。しかしながら、この誘電体多層膜の蒸着装置が高価であるため、光ファイバ電流センサ１自体が高価となってしまう恐れがあった。

また、仮に接着剤３５を用いて反射ミラーを貼り付ける方法によって反射部１６を形成した場合においても、ガラスファイバ３１の先端部と反射ミラーとの間にこの接着剤が入り込むことによって、反射率の低下を招く恐れがあった。

この点、金属膜のコーティング３４を用いて反射部１６を形成する場合、例えばイオンスパッタリングを用いた試料コーティング装置を使用して、金属膜のコーティング３４を安価に施すことができる。また、この金属膜のコーティング３４を外側から覆う保護部材３６をさらに設けることによって、この金属膜のコーティング３４の外環境による影響や金属膜のコーティング３４の剥離を抑制することができ、長期間の使用に対しても直線偏光Ｌ２を反射する際の反射率の変動を抑えることが可能となる。さらにガラスファイバ３１と反射ミラーとの間に接着剤が入り込むことがなく、これによる反射率の低下はない。

なお、上記イオンスパッタリングとは、真空中においてこの真空中の僅かな気体を正イオン化し、この正イオンを金属からなる負の電極へ衝突させることによって金属原子を叩き出し、ランダムな方向から試料表面に到達させ、金属膜のコーティング３４を行なうものである。

ここで図４は、センサファイバ２の他端１５の反射部１６が金のコーティングと保護部材３６とによって構成された場合に、８５℃×８５％ＲＨの環境下において、２０００時間の長期耐環境試験を行なった際の経過時間と反射率の変動値を示したグラフである。試験に用いた三つの試料は全て同一構成のセンサファイバ２である。またこの試験において、保護部材３６を反射部１６に嵌め込み固定する際に用いる接着剤３５には、ＥＰＯ−ＴＥＫ社製３５３ＮＤを使用した。

試験結果によると、２０００時間の試験時間の間に三つの試料すべてについて、反射率の変動を±２ｄＢ以下に抑えることができており、金のコーティング３４と保護部材３６とによって構成された反射部１６が問題なく長期の使用に対応できることを確認できた。

以上のように本実施形態の光ファイバ電流センサ１によれば、光制御部３の筺体２１にファイバ固定部２２を設けることによって、センサファイバ本体１７の一端１４における端面と、反射部１６におけるガラスファイバ３１の先端部における端面とが同一面上に位置するように、センサファイバ２における反射部１６を固定することができ、センサファイバ２に対し容易にループを形成することができる。従って、信号処理部５においてアンペールの法則の周回積分を用い、検出したファラデー回転角から電流値の算出をより正確に行うことができ、測定誤差の低減を図ることができる。

そして、反射部１６に金属膜のコーティング３４を適用し、さらにこの反射部１６に保護部材３６を設けることによって、コスト削減を図りながら長期の使用に対しても反射率の低下を抑制することができ、測定誤差の低減を図ることができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳しく説明したが、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。
例えば、ファイバ固定部２２は光制御部３の筺体２１に一体で設けられる必要はなく、センサファイバ本体１７の一端１４における端面と、反射部１６におけるガラスファイバ３１の先端部における端面とが同一面上に位置するように別途設けてもよい。またネジやマグネット以外の固定方法を用いてもよい。

また、センサファイバ２における反射部１６に設けられた保護部材３６は金属膜コーティング３４を保護できればよい。従って円筒形状である必要はなく、例えば一端が開口した箱型形状を有していてもよい。このとき、上記第一嵌合穴２３及び第二嵌合穴２４はこの箱型形状の保護部材３６が嵌合可能なように、直方体形状の穴とする必要がある。

１…光ファイバ電流センサ、２…センサファイバ、３…光制御部、４…光サーキュレータ、５…信号処理部、６…光源、９…第一受光素子、１０…第二受光素子、１１…ファラデー回転子、１２…偏光分離素子、１３…プリズム、１４…一端、１５…他端、１６…反射部、１７…センサファイバ本体、１８…第一当接面、１９…第二当接面、２１…筺体、２２…ファイバ固定部、２３…第一嵌合穴、２４…第二嵌合穴、２６…第一ネジ穴、２７…第二ネジ穴、２８…一端面、２９…他端面、３１…ガラスファイバ、３２…ジルコニア製パイプ、３３…金属性パイプ、３４…金属膜のコーティング、３５…接着剤、３６…保護部材、４１…送光ファイバ、４２…第一受光ファイバ、４３…第二受光ファイバ

Claims (4)

1. センサファイバの一端より直線偏光を入射させ、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の他端を、該センサファイバがループ状をなすように固定するファイバ固定部を備えることを特徴とする光ファイバ電流センサ。
2. 前記ファイバ固定部は、
   前記センサファイバの一端における端面に対して、前記センサファイバの他端における端面が同一面上に位置するように該センサファイバの他端を固定す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。
3. 前記センサファイバは、その他端に金属膜のコーティングを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ電流センサ。
4. 前記センサファイバは、その他端に前記金属膜のコーティングを外側から覆う保護部材をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ電流センサ。

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