JPS6171368A - 磁気光学式電流センサ - Google Patents

磁気光学式電流センサ

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JPS6171368A
JPS6171368A JP60194711A JP19471185A JPS6171368A JP S6171368 A JPS6171368 A JP S6171368A JP 60194711 A JP60194711 A JP 60194711A JP 19471185 A JP19471185 A JP 19471185A JP S6171368 A JPS6171368 A JP S6171368A
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チエン‐リン・チエン
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/245Adaptations 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
    • G01R15/246Adaptations 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

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】 木兄IJIはファイバオブテイクスと共にファラデー効
果を利用するm気光学式電流センサ、特に温度、劣化及
び線形性に関して補償されるこの社のセンサに係わる。
ファラデー効果とは、平面的な偏光光線が強い磁界線に
沿っである種の透明物質を通過すると射出光の偏光平面
が入射光平面からずれる効果である。この効果は導体上
流れる電流を測定するためm気光学材料によって利用さ
れて来た。即ち、この測定に利用されるのがファラデー
・ロテータ電流センサであり、材料のヴエルデ定数の固
有温度特性が利用される。
45@に傾斜した未修正ファラデー・センサの1/T温
度係数及びcos ” X線形性よりもすぐれた光学的
電流検知精度を必要とする用途がある。温度、ループ劣
化及び線形性の補正を可能にするファラデー電流センサ
及び連携の電子回路の出現が望まれる。
本発明は、電流を運ぶ導体の磁界線内に配置され、TL
流方向とほぼ平行な成分及びほぼ直交する成分の2成分
を含む磁気光学材料体と、直流の磁界線を前記磁気光学
材料体を通過するように方向づける磁性手段と、偏光光
線を前記磁気光学材料体に入射させて前記2成分で反射
させる偏光手段と、偏光光線の回転を検知し、これに応
答して出力信号を発生するアナライザ手段と、前記出力
信号に応答して電流に比例し、温度、ループ劣化及び線
形性に関して補償された電子信号を形成する電子回路手
段とから成る、導体を流れる電流を測定する電流センサ
を含む。
本発明の電流センサはその利点として、温度、ループ劣
化及び線形性補償の能力を具え、TL流を運ぶ導体の磁
界線内に配置され、電流方向とほぼ平行な成分及びほぼ
直交する成分の2成分を含む磁気光学材料体と、直流の
磁界線を磁S光学材料体を通過するように方向づける磁
性手段と、偏光光線を磁気光学材料体に入射させて前記
2成分で反射させる偏光手段と、偏光光線の回転を検知
し、これに応答して出力信号を発生するアナライザ手段
と、前記出力信号に応答して電流に比例し、温度、ルー
プ劣化及び線形性に関して補償された電子信号を形成す
る電子回路手段とから成る。
本発明装置の長所は1巻線変流器に代わるべくファラデ
ー電流センサの近似補償を低コストで可能にする方法を
提供することにある以下、添付図面を参照しながら、実
施例に基づいて本発明を説明する。
添付図面から明らかなように、温度補償構造体9(第1
図)は母線などのような導体ll上に配Wされる。構造
体9はファラデーΦロテータまたは電流センサ13、及
び直流電流発生手段または永久磁石15.17から成る
ファラデー舎ロテータまたは電流センサ13は、高電流
を運ぶ導体の磁界内でファラデー効果を示す磁気光学材
料体である。このような材料の例にはHoya Far
adayロテータ・ガラスまたは石英がある。電流セン
サ13は横方向成分19及び長手方向成分21から成り
、前者は長手軸または電流方向と直交し、後者は平行で
ある。成分19.21は互いに一体的でもよいが、セン
サの別々の部分であってもよく、成分21は横方向成分
13の一方の側と位2j23Cおいて接触する。
第1図及び第2図から明らかなように、1対のファイバ
ー・オプチカル・ケーブル25,27をセンサ13と接
続する。ケーブル25は光源またはLED 29(第5
図)を起点とし、入力偏光器31(第1,2図)と接続
する。ケーブル27はアナライザ33を起点とする。従
って、偏光器31からの偏光光!135は横方向成分1
9を通過し、反射面37で反射し、長手方向成分21を
通って反射端3Sに達し1次いで逆方向に反射面37に
戻り、さらにアナライザ33に達し、そこからケーブル
27によってフォトダイオード41(第5図)に伝達さ
れる。
直流磁界43を発生させる永久磁石15.17などを、
rji界がセンサ内で光線35に影響を及ぼせるように
長手方向成分21に充分近接させて配置する。第1図及
び第2図から明らかなように、磁界が長手方向成分21
内で光線に充分影響できるように1対の磁石を長手方向
成分21の両側に配置するのが好ましい。
横方向成分18の端部にケーブル25.27及び偏光器
31及びアナライザ33を接続する代りにこれらの部材
を成分21の端部39に接続して6結果は同じである。
即ち、2個のファラデー電流センサ13をAC導体11
に配置し、磁石15.17を一方の光路に配置すれば、
センサは電流及び温度/ループ劣化に対応する交流及び
直流信号を出力する。磁石15.17は第3図に示すc
os 2X上の作用点をIくイアスさせる磁界を発生さ
せる。
交流を運ぶ導体によって形成される交流磁界に対してフ
ァラデーeロテータ21を90°の角度に配置すること
により、温度変化に起因する交流信号変化を補償する電
子回路に直流信号を提供できる0例えば、第3図に示す
ようにファラデー・ロテータ21におけるボス磁界B0
か゛らの寄与分を含む検知器からの組直流出力信号がS
llに来るような相対角度で入力偏光器及び出力アナラ
イザをセ−/ トする。
θ。はシリセットされたバイアス点であり、常規動作温
度T0に対応する。ヴエルデ係数は第4図のvoである
。温度が〒2まで上昇するとヴエルデ係数は値v2まで
低下するため、ロテータ21は直流信号S2の減少がヴ
エルデ係数の正確な変化率を反映するように構成する。
即ち、 (So −52) a(Vo −V2 )    ■問
題となる温度範囲(−40℃〜140℃)内ではHo7
a Farada7  ロテータ・ガラスの場合、ヴエ
ルデ係数の変化量は室温値に対して約±15%である。
信号(S)はcoS2θ法則に従うから、積B、1の値
は式■に示すような正しい信号変化率が得られるように
設定される。
電子回路は直流信号レベル変化を感知し、交流部分の利
得を調整することによって温度の影響を補償する。
温度変化に対する補償は、特定のファラデー・ロテータ
材料のヴエルデ係数の温度依存性を示す第4図に示すよ
うな必要温度域全体に亘って与えられる。また、入力偏
光器31及びアナライザ33は、線形性が最良となる4
5゜の動作点へ戻るように回転させればよい、温度また
はループ伝送変化が直流変化を発生させ、この直流変化
をフィードバック演算増幅器45 0A(第5図)が修
正することにより演算相互コンダクタンス増幅器(OT
A)の利得を変化させて導体の電流を表わす交流信号を
変化させる。なぜなら、所与の′rL流レベルにおける
交流信号は直流光レベルに対して一定の比を持つからで
ある。能動フォトダイオード(PIN) 41における
温度効果を補償するための暗電流のトラッキング・ソー
スを提供するため第2の全く同じ構成のフォトダイオー
ド(PIN)を利用する。
cos 2x増幅特性曲線(第3図)を直線化するため
にはいくつかの方法を利用できるが、コスト及び応答時
間を考慮しなければならない、 Cos” X関数を級
釣近似値に換算してデジタル処理することはできるが、
プロセスが緩慢である。逆正弦負及び正伝達関数はモジ
ュールの形に合成できるが、j;Ii度が著しく低下す
る。
第5図に示すように、アナログ/デジタル憶装置(PR
ON)を挿入する方法では、 cos 2X値がPRO
M55に記憶されている対応の線形値のアドレスとなる
。精度はビット数によって制限され、コストの分析が必
要である。
もっと簡単で低コストの方法では、フィードバック・ル
ープにおける演算相コンダクタンス増幅器57(0τA
) (第7図)の作動入力伝達特性を利用することによ
り、−80〜中80゜の円弧範囲に亘って逆cos ”
 X関数に近似する12数を得る(i8図)、第6図は
近似直線化フィードバック回路に利用される演算相互フ
ンダクタンス増幅器(OTA)の伝達特性を示す、即ち
、0τAの出力電流伝達特性は理想的な差動増幅器のそ
れと同じである。
第8図から明らかなように、増幅器61の伝達特性はc
as2X応答曲線と極めて似ており、フィードバック・
ループに増幅器57を挿入すると、逆関数が発生し、そ
の結果発生する信号出力は線形性補償されている600
g”X入力信号は直線出力信号に変換されるから。
出力信号はファラデー電流センサによって測定される磁
界にほぼ対応する。
第7図は温度、ループ劣化を補償し、線形化を行なう電
子回路を示す、具体的には、第7図に示すように、フォ
トダイオード41は電流/1!圧変換を行なう演算t!
s幅器53に光電流を供給する光学検知器である。フォ
トダイオード49は動作温度域全体に亘って暗Tt!、
流の補償を行う、しかし、装置の改良が進み、7℃にお
ける暗電流が1〜3ナノアンペアを超えない高品質の装
置が開発されれば、はとんどの用途でフォトダイオード
48は不要となるであろう、演算相互コンダクタンス#
l11g器47は演算相互コンダクタンス増幅器61に
信号を供給するIOX増幅器である。フィードバック・
ループ中にあって持続波レベルを感知して交流信号レベ
ルを修正することによりループ性能を維持する増幅器B
3が2Aの利得を制御する、交流結合増幅器65は直線
性修正フィードバック・ループを含む電圧フォロアとし
て作用する。
要約すれば、光が特殊な態様で通過する1対で1モジユ
ールを構成する光学成分を有するファラデm−センサは
、測定される導体に関する温度及び電流情報を含む光信
号を出力する。直流光レベルを利用して導体電流を表わ
す交流値に対する修正信号を発生する連携の電子回路が
温度、及びLEI]、オプチカルファイバー、接続部、
フォトダイオードを含むループの劣化を?l[i償する
。また、演算相互コンダクタンス増幅器の差動入力特性
を利用するフィードバック回路が光学電流センサの出力
を線形化する逆cas2X近似値を形成する
【図面の簡単な説明】
第1図は導体の表面に配置した電流センサを略示する俯
轍図:第2図は第1図■−■線における垂直断面図:第
3図は光の強さと回転度の関係を示すグラフ;第4図は
ファラデー・ロテータ材料ヴエルデ係数の温度依存性を
示すグラフ:第5図は温度及びループ劣化を補償し、線
形化を行なう電子回路;第654は近似線形化フィード
バック回路に使用される演算相互コンダクタンス廖輻器
(OTA)の伝達特性を示すグラフ;第7図はgL度及
びループ劣化を補償し、線形化を行なう電子回路である
。 S・・・・温度補償構造体 11・・・・導体 13・・・・TL浣センサ 15、17・・・・永久磁石 19・・・・横方向成分 21・・・・長手方向成分 25.27・・・・ケーブル 31・−・・偏光器 33・・・・アナライザ 37・・・・反射面 39・・・・反射端 FIG、 1 FIG、 3             FIG、 4
−150  ・100  ・50  0  50 10
0  150ΔvBE−ミ1体キ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、導体を流れる電流を測定する電流センサにおいて、
    電流を運ぶ導体の磁界線内に配置され、電流の方向とほ
    ぼ平行な成分及びほぼ直交する成分の2成分を含む磁気
    光学材料体と、直流の磁界線を前記磁気光学材料体を通
    るように方向づける磁性手段と、偏光光線を前記磁気光
    学材料体に入射させて前記2成分で反射させる偏光手段
    と、偏光光線の回転を検知し、これに応答して出力信号
    を発生するアナライザ手段と、前記出力信号に応答して
    電流に比例し、温度、ループ劣化及び線形性に関して補
    償された電子信号を発生する電子回路手段とから成るこ
    とを特徴とする電流センサ。 2、磁界線が前記磁気光学材料体中で偏光光線とほぼ直
    交関係にあることを特徴とする特許請求の範囲第1項に
    記載の電流センサ。 3、磁性手段が永久磁石であることを特徴とする特許請
    求の範囲第2項に記載の電流センサ。 4、一方の成分が他方の成分と接触し、かつ他方の成分
    の一方の側を起点とすることを特徴とする特許請求の範
    囲第3項に記載の電流センサ。 5、成分の1つが成分間で光線を反射させる反射面を含
    むことを特徴とする特許請求の範囲第4項に記載の電流
    センサ。
JP60194711A 1984-09-04 1985-09-02 磁気光学式電流センサ Expired - Lifetime JPH0721511B2 (ja)

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JPS6171368A true JPS6171368A (ja) 1986-04-12
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