JPH03211470A - 光電流・磁界計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、ファラデー効果を利用して交流磁界若しくは
それを発生する交流電流を計測するための光電流・磁界
計測装置に関するものである。

（背景技術） 電力分野における送電線や配電線等の電流や磁界を計測
する電流・磁界計測装置として、従来より、発光手段か
ら出射された光を偏光子、ファラデー素子、検光子の順
に透過せしめて受光手段で受光させ、その受光信号から
、ファラデー素子に作用する被測定交流磁界の強度乃至
その交流磁界を発生する交流電流の大きさを計測するよ
うにした光電流・磁界計測装置が知られている。

而して、このような光電流・磁界計測装置においては、
測定媒体として光が採用されていることから、優れた絶
縁信頼性や耐電磁誘導性等が得られるといった利点があ
るものの、従来のこの種の光電流・磁界計測装置におい
ては、受光手段の出力信号（受光信号）から被測定交流
磁界を求めるための関係式中に、温度依存性を有するフ
ァラデー素子のヴエルデ定数が含まれていたことから、
ファラデー素子の設置位置における環境温度に起因して
、測定結果に比較的大きな誤差が生じるといった問題が
あった。

そこで、本願出願人は、かかる問題に対処するために、
先に、特開平１−２２３３５９号公報において、ファラ
デー素子に一定磁界を印加するための直流磁界印加手段
を設けて、ファラデー素子を透過する光に一定の変調バ
イアスをかけるようにする一方、受光手段の出力信号か
ら、被測定交流磁界と同一角周波数の信号成分（Ｅω）
を取り出す第一の取出手段と、その２倍の角周波数の信
号成分（ｐｇω）を取り出す第二の取出手段とを設ける
と共に、それらの信号成分の相対比を求める相対比検出
手段を設けて、その相対比検出手段で求めた両信号の相
対比から、ファラデー素子に作用する被測定交流磁界乃
至その交流磁界を発生する電流を計測するようにした光
電流・磁界計測装置を提案した。

このような構造の光電流・磁界計測装置によれば、被測
定交流磁界を求める関係式からファラデー素子のヴエル
デ定数を実質的に排除できるため、ヴエルデ定数の温度
依存性に起因する環境温度の変動に伴う計測誤差を解消
して、精度の高い計測値を得ることができるのである。

しかしながら、本発明者らの更なる研究によれば、環境
温度の変動に起因する計測誤差は、かかる構造の採用に
よって、確かに大幅に改善されるものの、未だ環境温度
の変化に起因する計測誤差の存在することが認められ、
そしてその主要因が、本発明者らのその後の研究の結果
、偏光子の直線偏光方向と検光子の直線偏光方向との温
度変化による相対角度のズレに起因するものであること
が認められた。

（解決課題） ここにおいて、本発明は、かくの如き事情を背景にして
為されたものであり、その解決すべき課題とするところ
は、ファラデー素子のヴエルデ定数の温度依存性を要因
とする環境温度の変化による計測誤差を補償すると同時
に、偏光子と検光子との温度依存性を要因とする環境温
度の変化による計測誤差を補償して、環境温度の変化に
起因する計測誤差が著しく小さい、測定精度が大幅に改
善された光電流・磁界計測装置を提供することにある。

（解決手段） そして、本発明にあっては、かかる課題を解決のために
、発光手段から出射された光を偏光子、ファラデー素子
、検光子の順に透過せしめるようにすると共に、ファラ
デー素子に一定磁界を印加するための直流磁界印加手段
を設けて、それら偏光子、ファラデー素子、検光子を透
過する光が、ファラデー素子において、そのファラデー
素子に作用する被測定交流磁界及び直流磁界印加手段に
よる一定磁界にて変調せしめられるように為し、且つ検
光子を透過した光を受光手段にて受光して、その受光信
号から、被測定交流磁界と同一角周波数の信号成分（Ｅ
ω）とその２倍の角周波数の信号成分（Ｅ！ｔω）とを
第一及び第二の取出手段でそれぞれ取り出すと共に、そ
れらの信号成分の相対比を相対比検出手段で求めて、被
測定交流磁界若しくは該交流磁界を発生せしめる交流電
流を検出するようにした光電流・磁界計測装置において
、偏光子及び検光子として、それら両者の機能を有する
一体の光学素子を用いると共に、その光学素子との間で
ファラデー素子を挟むように反射鏡を設けて、発光手段
から出射された光がその光学素子及びファラデー素子を
透過して反射鏡にて反射され、その反射光がかかるファ
ラデー素子及び光字素子を反対方向に透過して、受光手
段にて受光せしめられるようにしたのである。

（具体的構成・実施例） 以下、図面を参照しつつ、本発明をより一層具体的に明
らかにする。

先ず、第１図には、本発明に従う光電流・磁界計測装置
の具体的な一例が示されている。そこにおいて、１０は
、レーザやＬＥＤ等からなる発光素子であって、かかる
発光素子１０と共に発光手段を構成する発光素子駆動回
路１２によって駆動されて、一定強度の光を発光、出射
するようになっている。この発光素子１０は光ファイバ
ー１４を介してセンサヘッド１６のファイバーコリメー
タ１８に接続されており、発光素子１０から出射された
光は、光ファイバー１４を通じてファイバーコリメータ
１８に導かれ、このファイバーコリメータ１８から偏光
ビームスプリッタ２０に入射される。そして、この偏光
ビームスプリッタ２０に入射された光は、そこで直線偏
光されると共に、その進行方向を９０°変換されてファ
ラデー素子２２に入射される。

ファラデー素子２２は、それに作用する磁界強度に応じ
て透過光の偏光面を回転させるファラデー効果を有する
ものであり、測定対象磁界を発生する電線路２４の近く
に配されて、その電線路２４を流れる電流が発生する被
測定交流磁界：Ｈｏ（ω；角周波数）によって透過光が
変調を受けるようにされている。また、このファラデー
素子２２の周りには、直流磁界発生手段としてのソレノ
イドコイル２６が配され、このソレノイドコイル２６に
流される電流によってファラデー素子２２に一定の直流
磁界：ＨＤｃが印加されるようにされて、この直流磁界
：Ｈｏｅによってもファラデー素子２２を透過する光が
変調を受けるようにされている。

従って、偏光ビームスプリッタ２０で直線偏光されてフ
ァラデー素子２２に入射された光は、上記被測定交流磁
界：Ｈｏと直流磁界：Ｈｏ、とを加えた磁界強度に応じ
て変調されて、かかるファラデー素子２２から出射され
ることとなる。

ところで、このファラデー素子２２の後方には反射鏡２
８が配されており、ファラデー素子２２から出射された
透過光は、この反射鏡２８で反射されて、ファラデー素
子２２に反対方向から再び入射される。そして、このフ
ァラデー素子２２に入射された反射光が、ファラデー素
子２２において再び磁界による変調を受けた後、前記偏
光ビームスプリッタ２０に前述の光の出射方向とは反対
向きに入射される。

ここで、偏光ビームスプリッタ２０は、ファラデー素子
２２側から入射された光を進路変更することなく透過す
るようになっており、且つかかる光の透過方向における
光の直線偏光方向（検光角）と前述の光の透過方向にお
ける光の直線偏光方向（偏光角）とが直角をなすクロス
ニコル構造とされている。従って、かかる偏光ビームス
プリッタ２０からは、ファラデー素子２２の往路及び復
路において透過光が受けた変調量に応じた強度の光、即
ち前記被測定交流磁界：Ｈｏと直流磁界：Ｈ，、ｃとの
加算磁界強度に対応した強度の光が出射されることとな
り、この光がファイバーコリメータ３０を通じてセンサ
ヘッド１６から出射せしめられる。

ファイバーコリメータ３０を通じてセンサヘッド１６か
ら出射される光は、光ファイバー３１を通じて受光手段
としての受光部３２に供給される。

この受光部３２は、受光素子を含んで構成されており、
受光した光の強度に応じた電気信号（受光信号）を出力
する。そして、この受光部３２から出力された電気信号
は、第一の取出手段としての同一角周波数成分検出器３
４及び第二の取出手段としての２倍角周波数成分検出器
３６にそれぞれ供給される。

同一角周波数成分検出器３４は、電気的フィルタや位相
検波回路等から構成されており、受光部３２から出力さ
れた電気信号から被測定交流磁界：Ｈｏと同じ角周波数
の信号成分（Ｅω）を取り出して、その同一角周波数成
分信号：Ｅωを割算回路３２に供給する。一方、２倍角
周波数成分検出器３６は、同一角周波数成分検出器３４
と同様に、電気的フィルタや位相検波回路等から構成さ
れており、受光部３２から出力された電気信号から被測
定交流磁界：Ｈωの２倍の角周波数の信号成分（ＥＸω
）を取り出して、その２倍角周波数成分信号二Ｅ２ωを
割算回路３８に供給する。そして、割算回路３８は、２
倍角周波数成分検出器３６からの２倍角周波数成分信号
：Ｅ２ωを同一角周波数成分検出器３４からの同一角周
波数成分信号：Ｅωで除算して、その除算結果（Ｅｔω
／Ｅω）を表す信号を出力する。

このような構成の光電流・磁界計測装置においては、前
記公報（特開平１−２２３３５９号）に開示の装置と同
様に、相対比検出手段としての割算回路３２から出力さ
れる信号（Ｅｔω／Ｅω）が被測定交流磁界：Ｈωに比
例することとなり、しかもその比例定数がファラデー素
子２２のヴエルデ定数を実質的に含まない関係式で表さ
れることとなる。従って、かかる公報に開示の装置と同
様に、割算回路３２からの出力信号に基づいて、ヴエル
デ定数の温度依存性に起因する測定誤差を含まない、精
度の高い被測定交流磁界：Ｈω、更にはそれを発生する
電線路２４の電流の計測値を得ることができる。

また、かかる構成の計測装置においては、前述のように
、偏光子及び検光子として、共通の偏光ビームスプリッ
タ２０が採用されているために、偏光子の直線偏光方向
と検光子の直線偏光方向との相対角度が温度によって変
化するようなことがなく、従って、それらの相対角度の
変化によって計測値に誤差が生じるようなことも良好に
防止される。

このように、かかる構成の光電流・磁界計測装置によれ
ば、ファラデー素子２２のヴエルデ定数の温度依存性に
起因する計測誤差の発生を良好に防止できると同時に、
温度変化による偏光子の直線偏光方向と検光子の直線偏
光方向との相対角度の変動に起因する計測誤差の発生を
良好に防止できるのであり、それ故、環境温度の変化に
よる計測誤差の殆どない、測定精度の著しく優れた計測
イ直が得られるのである。

なお、この例では、偏光ビームスプリッタ２０における
偏光子と検光子との直線偏光方向がクロスニコル構造と
されて、ファラデー素子２２で変調された透過光の変調
成分だけが受光部３２で受光せしめられるようになって
いるため、受光部３２以下の電気回路において、増幅信
号が飽和することを良好に防止できるといった特長もあ
る。つまり、受光・検出系における電気回路の設計が容
易になるといった利点があるのである。

次に、第２図に基づいて、本発明の更に別の具体例につ
いて説明する。なお、本例の装置は、前例の装置とは異
なって、発光素子１０からの光の進行方向を変化せしめ
る進路変更部材と、偏光子と検光子とを兼ねる光学素子
とが別部材とされていると共に、その光学素子における
偏光子の直線偏光方向と検光子の直線偏光方向とが互い
に平行なオーブンニコルとされているが、それ以外の構
成は前例の装置と同じであるため、ここでは、その異な
る点についてのみ詳述し、それ以外の点については、詳
細な説明を省略する。

すなわち、第２図に示す装置においては、発光素子１０
からファイバーコリメータ１８に導かれた光がビームス
プリッタ４０に向かって出射され、このビームスプリッ
タ４０で進行方向を９０°変換されて偏光子４２に入射
される。そして、この偏光子４２を透過した光がファラ
デー素子２２に入射せしめられる。

一方、ファラデー素子２２を透過して反射鏡２日で反射
され、反対方向から再びファラデー素子２２に入射され
た光は、ファラデー素子２２及び偏光子４２を前述とは
逆の方向に透過し、更に進路変更されることなくビーム
スプリッタ４０を透過してファイバーコリメータ３０に
入射される。

そして、このファイバーコリメータ３０に入射された光
が光ファイバー３１で受光部３２に導かれて、そこで受
光せしめられる。

このような構造の装置においても、偏光子４２が偏光子
と検光子の両方の機能を兼ねているために、それらの直
線偏光方向の相対角度が温度変化に伴ってズレるような
ことがな（、従ってそのことを要因として、被測定交流
磁界：Ｈｏ乃至それを発生する電線路２４の電流の計測
値に大きな誤差が生じるようなことが、良好に防止され
るのである。

なお、以上の具体例においては、偏光子と検光子の両機
能を兼ね備えた光学素子として、偏光ビームスプリッタ
２０．４２が採用されていたが、グラントムソンプリズ
ム等、それ以外の偏光分離手段を採用することも可能で
ある。

また、実施例においては、発光素子１０をファイバー１
４で繋いだファイバーコリメータ１８の出射光を偏光ビ
ームスプリッタ２０またはビームスプリッタ４０で進行
方向を９０°変えて出射する一方、受光部３２に向う光
は、偏光ビームスプリッタ２０またはビームスプリッタ
４０で、向きを変えることなく透過させているが、発光
素子１０から出射され、ファイバー１４を透過してファ
イバーコリメータ１８から出射される光を偏光ビームス
プリッタ２０またはビームスプリッタ４０で向きを変え
ることなく透過させ、受光部３２に向う光を偏光ビーム
スプリッタ２０またはビームスプリッタ４０において進
行方向を９０゛変える構成とすることも可能である。

さらに、実施例では、偏光子と検光子を兼ね備えた一体
の光学素子に対する入射光と出射光との分離のためにビ
ームスプリッタ４０が採用されているが、ファイバーカ
ブラ等、それ以外の光分離手段を採用することも可能で
ある。また、一定磁界（ＨＤＣ）の発生がソレノイドコ
イルによる方式にて実現されているが、その他、永久磁
石による方式等も採用可能である。尤も、他の方式で発
生させられても、磁界（Ｈｏｅ）は温度によって変化し
ない一定のものである必要があることは言うまでもない
ところである。なお、ソレノイドコイルによる方式にあ
っては、定電流発生装置が必要となるが、その装置の駆
動用電源として、例えば、前例における電線路２４にカ
レントトランス（ＣＴ）を配し、かかる電線路２４から
取るようにすることも可能である。

また、交流磁界と同一の角周波数成分と２倍の角周波数
成分を取り出す検出器３４．３６を、割算回路と共に、
一つの電子回路にて構成することも可能である。

さらに、本発明における光電流・磁界センサーヘッド１
６を構成するファラデー素子２２としても、公知の各種
のものが適宜に採用され得るものであって、例えば、Ｙ
ＩＧ、常磁性ガラス、鉛ガラス等が適宜にファラデー素
子として用いられることとなる。

以上の具体例においては、相対比検出手段としての割算
回路３８からの出力信号から、被測定交流磁界：Ｈｏが
直接求められるようになっていたが、かかる割算回路３
８の出力信号にて前記周波数成分検出器３４．３６の一
方の出力信号が一定となるように発光素子１０の発光強
度をフィードバック制御し、それら周波数成分検出器３
４，３６の他方から被測定交流磁界：Ｈｏを求めるよう
にすることも可能である。

（実施例） 以下に、本発明の実施例を示し、本発明を更に具体的に
明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施
例の記載によって、何等の制約を受けるものでないこと
は勿論であり、本発明が、その趣旨を逸脱しない限りに
おいて、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、
改良等を加えた形態で実施され得るものであることが、
理解されるべきである。

実施例　１ 第１図の如き構成の計測装置を製作して、そのセンサヘ
ッド部１６を恒温槽に入れ、センサヘッド部１６（ファ
ラデー素子２２）に２５０ｅの交流磁界：Ｈｏを印加す
ると共に、ソレノイドコイル２６にて６０ｅの直流磁界
：Ｈｏ。を印加し、２０〜８０°Ｃの温度範囲で交流磁
界：Ｈｏの測定を行なった。

２５°Ｃにおける割算回路３８の出力信号（Ｅω／Ｅｔ
ω）を１．０ＯＯＶに設定したとコロ、８０°Ｃにおい
てはＥω／Ｅ！ω＝　１．　ＯＯ２Ｖとなり、また−２
０°ＣにおいてはＥω／Ｅ□ω＝０．９９９Ｖとなって
、出力の変動が０．３％に抑制され、従来装置の出力変
動（３％）に比して、計測誤差が１／１０程度に抑制さ
れることが認められた。

実施例　２ 第２図の如き構成の計測装置を製作して、実施例１と同
様の測定条件にて交流磁界：Ｈωを測定したところ、割
算回路３８の出力変動が０．５％に抑制され、従来装置
に比して、計測誤差が１／６程度に抑制されることが認
められた。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明は、ファラデー
素子の温度依存性に起因する計測誤差を補償した光電流
・磁界計測装置において、偏光子と検光子とを一体の構
造の光学素子にて兼用することにより、温度変化による
偏光子と検光子との相対角度のズレを防止して、偏光子
と検光子との相対角度変化に基因する温度依存性による
ところの計測誤差の発生を防止するようにしたものであ
るため、ファラデー素子の設置位置における環境温度の
変化に起因する計測誤差を著しく小さく抑制して、環境
温度に拘わらず、精度の極めて高い計測値を安定して得
ることができるのであり、そこに大きな工業的意義を有
しているのである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、それぞれ、本発明に従う光電流・
磁界計測装置の一例を説明するための系統図である。 １０：発光素子　　　１２：発光素子駆動回路１６：セ
ンサヘッド ２０：偏光ビームスプリッタ ２２：ファラデー素子 ２６：ソレノイドコイル ２８二反射鏡　　　　３２：受光部 ３４：同一角周波数成分検出器 ３６：２倍角周波数成分検出器 ３８二割算回路　　　４０：ビームスプリツタ４２：偏
光子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 発光手段から出射された光を偏光子、ファラデー素子、
   検光子の順に透過せしめるようにすると共に、該ファラ
   デー素子に一定磁界を印加するための直流磁界印加手段
   を設けて、それら偏光子、ファラデー素子、検光子を透
   過する光が、該ファラデー素子において、該ファラデー
   素子に作用する被測定交流磁界及び該直流磁界印加手段
   による一定磁界にて変調せしめられるように為し、且つ
   該検光子を透過した光を受光手段にて受光して、その受
   光信号から、前記被測定交流磁界と同一角周波数の信号
   成分（Ｅω）とその２倍の角周波数の信号成分（Ｅ＿２
   ω）とを第一及び第二の取出手段でそれぞれ取り出すと
   共に、それらの信号成分の相対比を相対比検出手段で求
   めて、前記被測定交流磁界若しくは該交流磁界を発生せ
   しめる交流電流を検出するようにした光電流・磁界計測
   装置において、 前記偏光子及び前記検光子として、それら両者の機能を
   有する一体の光学素子を用いると共に、該光学素子との
   間で前記ファラデー素子を挟むように反射鏡を設けて、
   前記発光手段から出射された光が該光学素子及びファラ
   デー素子を透過して該反射鏡にて反射され、その反射光
   がかかるファラデー素子及び光学素子を反対方向に透過
   して、前記受光手段にて受光せしめられるようにしたこ
   とを特徴とする光電流・磁界計測装置。