JPH07502596A - 電流センサ - 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】 電流センサ 〔技術分野〕 本発明はスパン複屈折光フィアハから成る検出素子を使用した、導体を導通する 電流を検出するためのセンサに関する。

（背景技術〕 光ファイバを使用した電流センサは高圧システム、例えば発電及び配電システム のような高電圧システムにおいて使用される。このようなセンサは導体を導通す る電流を測定するためにファラデー効果を利用しており、変流器を組み入れた従 来の測定装置と比較して利点を備えている。このセンサは軽量で、コンパクトで 、製造コストが比較的低く、最も重要な点として電気的に絶縁されている。

光線が磁界の影響を受けると、光線の仏殿方向が磁界と整列されて、右円偏波モ ードは左円偏波モードよりも速く進行する。それによって位相ずれが生し、偏波 モード相互間のファラデー効果と、位相ずれの度合いは磁界強度に比例する。

従って、位相ずれは磁界を生成する電流に比例し、電流の大きさは位相ずれの度 合いを測定することによって推測できる。しかし、ファラデー効果は弱く、測定 可能な位相ずれを生ずるのに必要なファイバの長さを達成するには、導体に多く の巻き数の光ファイバを巻回しなければならない。

スパン複屈折光ファイバは、通常の電気通信用の光ファイバとは異なり偏波特性 に重大な影響を及ぼさずに小さい半径で巻回することができるので、巻き数が多 いコイルを形成する上で利点がある。それによってコンパクトな電流センサを製 造し易くなる。しかし、スパン複屈折光ファイバを使用することに起因する間Ｊ 点は、このようなファイバの固有偏波モード間の位相ずれが温度と共に変化する ことにある。温度が僅かに変化しても導体を導通する電流の大きな変化と同様の 位相ずれが生しる。一方では、スパン複屈折ファイバの温度に対する鋭敏度を補 償する多くの技術が提案されてきており、それには温度に対する鋭敏度が高い正 共役リフレクタ（ｏｒｔｈｏｃｏｎｊｕｇａｔｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）と後方 反射を伴う広帯域システムの導入が含まれる。

［発明の開示〕 本発明は温度に対する鋭敏度の影響を縮減し、その構造に応して各種の用途で使 用するのに適したコンパクトな電流検出器を製造し易くすることを指向するもの である。

簡略に述べると、本発明は導体と並列するように配置されたスパンシングルモー ド複屈折光ファイバから成るセンサ素子を備えた、導体を導通する電流を検出す るためのセンサを提供するものである。ビーム分割器が光ファイバの端末と光学 的に結合され、逆方向に伝搬する光ビームが光ファイバの両端部に入射するよう に配置されている。光源がビーム分割器と光学的に結合され、逆方向に伝搬する 光ビームの偏波モード間の位相ずれを検出するように配置された検出器がビーム 分割器を介して光ファイバの端末に光学的に結合されている。センサ素子は軸方 向に延びる導体の周囲に位置するように、光ファイバのコイルから成っているこ とが好ましい。しかし、導体自体がコイルの形態である場合は、センサ素子は導 体内に軸方向に位置するようにされた光ファイバの延長から成っているものでも よい。

センサはザグナノク（ｓａｇｎａｃ）干渉計上でパターン形成され、それによっ てコイルを形成するためにスパンシングルモード複屈折光ファイバを使用できる 。導体を導通する電流の大きさは、センサを使用する際、逆方向に伝搬する光ビ ームの偏波モード間の位相ずれの度合いの尺度として判定される。

センサは例えば故障状態でのアース導体における場合のように、電流の有無を検 出するためだけに利用してもよい。しかし、好ましい形態でのセンサは導体内の ＴＫ、？Ｊｉの大きさを検出するために使用でき、このような場合は、センサは 電流の大きさの測定、又は所定の大きさの電流の有無の表示のために利用できる 。

ビーム分割器は温度に左右される補償変数の補償を導入する必要をなくするため に、温度安定性のりターディジョン（ｒｅｔａｒｄａｎｃｅ／遅延）を生ずるよ うに選択されることが好ましい。そのため、ビーム分割器のりターディジョンは コイル・ファイバのそれと比較して低くする必要がある。

ビーム分割器と光ファイバの端末との間の光学的結合は、任意の所定の時点での 光ファイバのコアと光線の偏波との角度関係が光ファイバの両端で実質的に同一 であるように行われることが好ましい。センサにこのような特徴がない場合は、 光源は短い波長の可干渉（コヒーレン日光源である必要があろう。

分光器は光ファイバ・カップラから、代表的には２＊２カツプラから成っている ことが好ましいが、半銀付はミラーのようなバルクビーム分割器から成っている ものでもよい。ビーム分割器は３＊３カツプラから成っていることが最も好まし く、導体を導通する電流の大きさと方向を判定できるように光ファイバの端末に は３個の検出素子が結合されていることが好ましい。

光源は通常は可干渉光又は準可干渉光の光源であり、従って、通常は電流の大き さが測定されるレーザー、又はスーパールミ不セント・ダイオードのような準レ ーザー装置から成っていることが一般的であろう。しかし、例えば電流の有無だ けを検出する場合のようなある用途のセンサでは、光源は非干渉光の光源から成 っているものでもよい。

検出器はビーム分割器と直接、又は間接的に接続することができ、検出器は干渉 ビームの強度を測定する機能を果たす装置の形態であることが好ましい。

本発明は添付の図面を参照した電流センサの好ましい実施例の以下の説明からよ り明解に理解されよう。

〔図面の簡単な説明〕 第１図は電流センサと、この電流センサによって囲まれ、電流がそこを通って導 通ずる導体部分との構成図である。

第２図及び第３図は、双方ともビーム分割器として２＊２カツプラを含むセンサ の別の実施例の概略図である。

第４回は第２図と第３図に示したセンサ機構から出力として導出された光信号を 、センサによって検出された導体電流の波形と共に示したグラフ解析図である。

第５図はビーム分割器として３＊３カツプラを含むセンサの更に別の実施例の概 略図である。

第６図は第５図に示したセンサ機構から出力として導出された光信号を、センサ によって検出された導体電流の波形と共に示したグラフ解析図である。

第７図はセンサのコイル部分がそこから巻回される光ファイバの各端末間と、各 端末でファイバのコアに入射する光線の瞬間的偏波角との間の望ましい角度関係 を示したグラフである。

〔発明を実施するための最良の形態〕

図１及び図２に示すように、電流センサはスパンシングルモード複屈折光ファイ バ１１のコイルＩＯを備えている。コイル１０は代表的には長さ５０Ｃ−１直径 １０ｃｍであり、ＩＯ軸未満から最大５０軸までの光ファイバが巻回される。セ ンサを使用する際にはコイル１０は、電流が通常そこを通って流れる導体１２の 回りに同心に巻回される。

コイル・ファイバは複屈折、又は応力複屈折ファイバ（例えば楕円コア・ファイ バ又は蝶ネクタイ形ファイバ）の形態のものでもよく、４マイクロメートル程度 のコア直径と、８０マイクロメートル程度のクラッドの直径を有する蝶ネクタイ 形ファイバであることが好ましい、更に、ファイバのスパン・ピッチ長は４．８ Ｉであり、紡がない状態のビート長さは２．４＋ｗ−である。

固有リターディションが低い（すなわち約ｌＯ°未満）２＊２ｔ８融テーパ・カ ップラ１３は、カップラのリード線１５とコイル・ファイバの端部との間の（前 述のような）撚り合わせ接続を可能にするコネクタ素子１４によってコイル・フ ァイバ１１の端末に撚り継ぎされる。

レージング波長が６７０ｎ謙であるレーザー・ダイオードの形式の光源１６がカ ップラ１３によってコイル・ファイバ１１の両端に結合され、光源への後方反射 を防止するためにアイソレータ１７が備えられている。光源１６からの光線はカ ップラ１３によって、コイル・ファイバ１１のそれぞれの端部に入射する逆方向 に伝搬する２つのビームに分割される。

検出器１８はカップラ１３を介してコイル・ファイバ１１の末端に光学的に結合 されている。検出器はシリカ・フォトダイオードから成り、干渉ビームの強度を 測定する機能を果たす。このようにして、検出器は逆方向に伝搬するビームの偏 波モード間の位相ずれを有効に検出する。

図５は光′８１６と検出器１８とをコイル・ファイバ１１の端末に光学的に結合 するために用いられる２個の２＊２カツプラ１９及び２０が使用されるセンサの 別の機構を示している。

ビーム分割器として図２及び図３に示したような半根付はミラー又は２＊２カツ プラを使用すると、検出用に２つの１８０°変位したビームを利用でき、その一 方は他方から推測できるので、単一の検出器を使用するだけでよい、しかし、図 ４に示すように、一方の光信号が最大である場合、他方は最小であり、このよう な転換点では電流の変化に伴う光線強度の変化率はゼロに降下する。従って、セ ンサは電流の僅かな変化には比較的鋭敏ではなくなる。更に、正弦光学応答のピ ーク値では電流の増減によって光学的出力が低減するので、電流変化の方向は不 明値である。

センサの更に別の好適な機構が図５に示されており、この図は図４に関連して前 述した問題点の少なくとも一部を回避するセンサ機構を示している。図５に示し た構成では、単一の光′ａ１６からの光線をコイル・ファイバ１１の２つの端末 に光学的に結合し、且つ、３個の検出素子１８Ａ、　１８Ｂ及び１８Ｃをコイル ・ファイバの端末に結合するために、２＊２カツプラ２１と３＊３カツプラ２２ とが使用されている。このように、コイルからの戻り光線が３つのファイバ間で 分光され、この構成の主要な利点は、導体１２内の電流の全波形をコイル１０の 出力から再現できることにある。

このように、図６のグラフ解析図に示したように、導体を導通ずる電流のどの瞬 間値においても、コイルからの出力信号の一つは光線強度が電流の変化と共に急 速に変化する領域内にある。それによって電流の方向と大きさとを導出すること ができる。

図５に示すように、３個の検出素子１８Ａ、　１８Ｂ及び１８Ｃからの出力は、 信号を光源１６のレーザー出力に対して規準化するために使用されたアナログ分 割器２３に供給される。次にフリンジ（ｆｒｉｎｇｅ）のカウントが弁別器と、 組合せ論理素子２４とを用いてなされ、これらはフリンジをカウントし、フリン ジ補間のための最適な領域を選択するために備えられる。弁別器はフリンジごと の所定のパルスを供給し、弁別器がトリガする順序は電流の方向によって左右さ れる。この情報からフリンジの計数によって電流の粗測定に対応する８ビツト数 が生成される。各フリンジ部分内の精密解像度は、非同期タイミングネットワー ク２６によって選択されたフリンジ上の電圧を測定するアナログ−ディジタル（ Ａ／Ｄ）変換器２５によって付与される。　Ａ／Ｄ変換器は信号の全電圧範囲に わたる所定数の量子化レベルを有し、これらのレベルの大部分は補間が行われる 弁別器のレベル内にある。フリンジ・カウント回路とＡ／Ｄ変換器からの出力は 探索テーブル２７に送られ、そこから１６ビツトの解像度と直線性を有する出力 が導出される。

前述の各センサ機構において、コイル・ファイバに入射する各々の光ビームは２ つの楕円偏波モードから成っている。これらのモードは異なる位相速度を有し、 これらの位相速度は曲折又はファラディ回転によって生じるような僅かな付加的 な複屈折がある場合に保存され、更にこの点に関して、前記モードの性状は直線 的な複屈折ファイバでのモードと同しである。しかし、直線的な複屈折ファイバ の場合とは異なり、これらのモードの偏波は一定ではない、何故ならば、偏波モ ードの楕円率は一定であるが、それらの楕円率の長軸の配向はファイバに沿って 周期的に変化するからである。

温度により誘発される偏波モード相互間の位相ずれに起因する前述の問題点は、 本発明のセンサでは逆方向に伝搬する光ビームＥ゛とＥ−の結果として解消され る。温度による影響の回避は、各方向ごとに一つの偏波モードだけを考察するこ とによって最も容易に理解され、更に、明解にするために、ファイバが右撚りの スピンピッチを有し、且つ逆方向に伝搬する右楕円モードＥＲ”とＥＲ−だけが 励磁されるものと想定する。温度が上昇すると双方の右楕円モードの位相速度が 同様に上昇する。これらの楕円モードがその出力で互いに干渉しても、それらの 相対的な位相は不変のままに留まり、従って複合波の振幅も不変である。このよ うに、検出器での光線強度は温度の変化によって影響されない。

しかし、磁界は逆方向に伝搬するビームに異なる影響を及ぼすので、センサはフ ァラディ効果により磁界に対して鋭敏な状態に留まる。磁界強度の増大によって 磁界の方向に進行するモードの位相速度は高まり、磁界と逆方向に進行する偏波 モードの速度は低下する。偏波モードは出力でビートが生じ、従って電流の大き さを磁界によって誘発された位相ずれの尺度として判定することができる。

同様にして、左モードＥＬ’とＥＬ−だけが励磁されると、出力はこの場合も温 度変化による影響は受けず、磁界に対して鋭敏な状態に留まる。

絶縁された双方の偏波モードが上記のような性状を有しているので、同じモード が双方の方向に同程度に励磁されると、温度の変化による影響を更に除去できる 。これが可能であるのは、コイル・ファイバ１１の２つの端末に入射した光線の 偏波の楕円率が同一であり、且つファイバの端面に対する配向が同しである場合 である。この状態が図７に示されており、この図はファイバ１１の各端末でのコ アの長軸間の角度と、入射光線の偏波角とが同一である角度θを示している。こ のように、２＊２カンデラとコイル・ファイバの端末との光学的結合は、コイル ・ファイバのコアと光線の偏波との角度関係がファイバの両端でどの時点でも同 一であるように構成されている。

これは撚り継ぎする前にファイバの端末を入念に整列せしめることによって達成 できるが、実際には、前述したように、ファイバの端面がカップラからの光線の 偏波と整列されるようにカップラのリード線がコイル・ファイバと撚り継ぎされ る位置で継ぎ目金体を撚るだけで行うほうが簡単で確実である。継ぎ目を撚るこ とによってカップラのリード線に付加的な小さい環状の複屈折が生ずるので、偏 波状態のファイバの端面の配向とを単に比較する場合に通常必要であるよりも約 １０％多く継ぎ目を撚らなければならない。

カップラからの光線の偏波が双方向で同じ角度で整列されない場合は、一方の方 向に伝搬する右楕円モードの一部が別の方向に伝搬する左楕円モードを干渉し、 この干渉は温度変化に鋭敏である。

時間　ｍ！。

国際調査報告　１ｎｌｅｎｙ＋＋ｅｎ＋１１７１ｔｅｌｌｉｏｎＮ。

国際調査報告　１ｍｅｒ＋＋ｎ＋＋ｗ＋ａｌａｐ１．ｌ＋ｅｉｌ−Ｎ。

Ｆｏ＋＋＋＋ＫＴＩＩＳＡＱＩＯ（ｃａｍｍｕｓ＋ｃｎｏｆ１ｃｃｏｍｉｈｃｃ ＩＭＩｕｌｙ＋９９２１ｃｏｕｎｔ国際調査報告　１ｍｅｍｌｌ＜ｎａｌ＋１１ ．ｅｌｌｉｎ。Ｎ。

Ｆｏ＋ｖｎＰＣＴＩＩＳ＾ｆコｌｏ＋Ｈ１ｅｎ百１ｍ−１ｙｉｎｎｃｉｘｌｕｌ ｙ１９９：ｌｅｏｐＪｎｃフロントページの続き （８１）指定間　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＥ、ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、ＰＴ、ＳＥ） 、０Ａ（ＢＦ、ＢＪ、ＣＦ、ＣＧ、　ＣＩ、　ＣＭ、　ＧＡ、　ＧＮ、　ＭＬ、 　ＭＲ，ＳＮ、　ＴＤ。

ＴＧ）、　ＡＴ、　ＡＵ、　ＢＢ、　ＢＧ、　ＢＲ，ＣＡ、　ＣＨ。

Ｃ３，ＤＥ、ＤＫ、ＥＳ、ＦＩ、ＧＢ、ＨＵ、ＪＰ、ＫＰ、ＫＲ，ＬＫ、ＬＵ、 ＭＧ、ＭＮ、ＭＷ、ＮＬ、Ｎ。

、　ＮＺ、　ＰＬ、　ＰＴ、　ＲＯ，ＲＵ、　ＳＤ、　ＳＥ、　ＵＳ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電流センサにおいて、 （ａ）スパンシングルモード複屈折光ファイバから成り、電流を導通する導体と 並列に配置されたセンサ素子と、 （ｂ）前記光ファイバの端末と光学的に結合され、逆方向に伝搬する光ビームが 前記光ファイバのそれぞれの端末に入射するように構成されたビーム分割器と、 （ｃ）前記ビーム分割器と光学的に結合された光源と、（ｄ）前記ビーム分割器 を介して前記光ファイバの端末に光学的に結合され、前記逆方向に伝搬する光ビ ームの偏波モード間の位相ずれを検出するように構成された検出器、とを備えた ことを特徴とする電流センサ。 ２．電流センサ素子が電流を導通する導体の周囲に巻回された光ファイバのコイ ルから成ることを特徴とする請求の範囲１記載の電流センサ。 ３．前記ビーム分割器が前記光ファイバと比較してリターディションが低くなる ように選択されることを特徴とする請求の範囲１又は２に記載の電流センサ。 ４．前記ビーム分割器と前記光ファイバの端末との光学的結合が、光ファイバの コアと光線の偏波との角度関係がその光ファイバの両端部でどの時点でも実質的 に同一であるようになされることを特徴とする請求の範囲１から３のうちのいず れか１つに記載の電流センサ。 ５．前記光源が可干渉光又は準可干渉光の光源であることを特徴とする請求の範 囲１から４のうちいずれか１つに記載の電流センサ。 ６．前記光ファイバがスパン応力複屈折ファイバであることを特徴とする前記す べての請求の範囲のうちいずれか１つに記載の電流センサ。 ７．前記光ファイバがスパン形式の複屈折ファイバであることを特徴とする請求 の範囲１から５のうちいずれか１つに記載の電流センサ。 ８．前記ビーム分割器が２＊２光カップラから成ることを特徴とする前記すべて の請求の範囲のうちいずれか１つに記載の電流センサ。 ９．前記ビーム分割器が３＊３光カップラから成るとともに、少なくとも２個の 検出器がその光カップラによって前記光ファイバの端末に結合されていることを 特徴とする請求の範囲１から７のうちいずれか１つに記載の電流センサ。 １０．前記光源が２＊２光カップラを介して前記ビーム分割器に結合され、２個 の検出器が前記３＊３光カップラのそれぞれの周辺と直接結合されるとともに、 第３の検出素子が前記２＊２光カップラの一つの周辺と直接結合されることを特 徴とする請求の範囲９記載の電流センサ。 Ｈ．前記検出器が干渉ビームの強度をあらわす出力を供給するように構成された ことを特徴とする前記すべての請求の範囲のうちいずれか１つに記載の電流セン サ。 １２．検出器と接続され、電流センサの使用時に前記導体を導通する電流の大き さをあらわす出力を供給するように構成された回路を含むことを特徴とする前記 すべての請求の範囲のうちいずれか１つに記載の電流センサ。 １３．実質的に添付図面である図１，図２，図３及び図５のいずれかに示し、こ れらを参照して説明した電流センサ。