WO2011125564A1 - 光ファイバ電流センサおよび電流測定方法 - Google Patents

光ファイバ電流センサおよび電流測定方法 Download PDF

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WO2011125564A1
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sensor
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潔 黒澤
礼志 近藤
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東京電力株式会社
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    • GPHYSICS
    • 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

Definitions

  • 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.
  • 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.
  • a current to be measured flowing through a conductor is measured using a Faraday effect in which a polarization plane of light propagating in a magnetic medium rotates in proportion to the magnitude of a magnetic field in the propagation direction. That is, 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, rotation of the plane of polarization (Faraday rotation) is given to the linearly polarized light in the optical fiber by the Faraday effect.
  • the optical fiber is a kind of magnetic medium, and the conductor through which the current to be measured flows becomes a magnetic field generation source.
  • the rotation angle of the polarization plane (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.
  • the Faraday rotation angle In order to measure the Faraday rotation angle, light output from the 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.
  • the optical bias changes or the Verde constant changes.
  • the optical bias is an operating point when measuring the Faraday rotation angle
  • the Verde constant is a physical property value that gives the sensitivity of the Faraday effect in an optical fiber.
  • the Faraday rotation angle obtained by the above signal processing has an error, and as a result, there is a problem that temperature measurement is dependent on the current measurement value and correct measurement cannot be performed. It will occur.
  • 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).
  • 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.
  • the present invention propagates linearly polarized light to a sensor fiber, and Faraday rotation imparted 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.
  • a polarization separation element that separates light emitted from the sensor fiber into two polarization components whose polarization planes are orthogonal to each other, and the polarization separation element Are converted into a first signal and a second signal by photoelectric conversion, respectively, and a ratio S1 of the direct current component to the alternating current component of the first signal and the direct current component and the alternating current component of the second signal are converted.
  • a signal processing unit that calculates the Faraday rotation angle by substituting the ratio S2 into an arithmetic expression.
  • the arithmetic expression 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. Yes, stored in the storage unit.
  • the arithmetic expression used by the signal processing means for calculating the Faraday rotation angle is an expression obtained by eliminating the temperature-related variable from the simultaneous equations of the ratio S1 and the ratio S2. That is, 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. Therefore, the temperature dependence of the obtained Faraday rotation angle and the current measurement value obtained from this Faraday rotation angle can be eliminated in principle.
  • the Faraday rotation angle at the reference temperature in the sensor fiber is ⁇ 0
  • the temperature change from the reference temperature is T
  • the temperature dependence coefficient of the optical bias is ⁇
  • the Faraday rotation in the sensor fiber
  • the equation of the ratio S1 2 ⁇ (1 + ⁇ ⁇ T) ⁇ ⁇ 0 / (1 + ⁇ ⁇ T)
  • the current measurement is performed using the temperature dependency coefficient ⁇ of the optical bias that is a known constant, the temperature dependency coefficient ⁇ of the Faraday rotation angle in the sensor fiber, and the ratios S1 and S2 that are values obtained by the measurement.
  • the value can be determined.
  • the Faraday rotation angle at the reference temperature of the sensor fiber is ⁇ 0
  • the temperature change from the reference temperature is T
  • the temperature dependency coefficient of the optical bias is ⁇
  • the sensor fiber is
  • the equation of the ratio S1 2 ⁇ (1 + ⁇ ⁇ T) ⁇ cos ( ⁇ ⁇ T) ⁇ ⁇ 0 / (1 + sin ( ⁇ ⁇ T))
  • A sin ⁇ 1 ⁇ (S1 + S2) / (S2 ⁇ S1) ⁇ .
  • the measured current value using the temperature dependence coefficient ⁇ of the optical bias which is a known constant, the temperature dependence coefficient ⁇ of the Faraday rotation angle in the sensor fiber, and the ratios S1 and S2 which are values obtained by the measurement. Can be requested. 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.
  • the present invention detects the Faraday rotation angle imparted to the linearly polarized light by propagating the linearly polarized light to the sensor fiber and the magnetic field generated by the current to be measured flowing through the conductor installed in the vicinity of the sensor fiber.
  • a step of separating the emitted light from the sensor fiber into two polarization components whose polarization planes are orthogonal to each other, and the two separated polarization components by a photoelectric conversion unit Substituting the step of converting into the first signal and the second signal, the ratio S1 between the direct current component and the alternating current component of the first signal and the ratio S2 between the direct current component and the alternating current component of the second signal, respectively, into the arithmetic expression Calculating the Faraday rotation angle.
  • the calculation formula solves the equation of the ratio S1 and the equation of the ratio S2 expressed as a function of the Faraday rotation angle and the temperature, respectively, and the Faraday rotation angle as a simultaneous equation with the Faraday rotation angle and the temperature as unknowns. It is a formula and is stored in the storage unit.
  • 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.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a reflective optical fiber current sensor according to an embodiment of the present invention.
  • it is a graph showing the characteristic of electric signals P1 and P2 obtained with a light receiving element.
  • It is a block diagram which shows the transmission type optical fiber electric current sensor by the modification of embodiment of this invention.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a reflective optical fiber current sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the optical fiber current sensor includes a sensor fiber 11, an optical circulator 12, a polarization separation element 13, a Faraday rotator 14, and a signal processing unit 15.
  • the signal processing unit 15 includes light receiving elements 151A and 151B, band pass filters BPF1 and BPF2, low pass filters LPF1 and LPF2, division units 152A and 152B, and a calculation unit 153 (CPU).
  • the sensor fiber 11 is arranged so as to circulate around a conductor 100 such as a power transmission line through which the current I to be measured flows.
  • a lead glass fiber which is an optical fiber having a characteristic with a large Verde constant that determines the magnitude of the Faraday effect can be used.
  • a Faraday rotator 14 is attached to one end of the sensor fiber 11, and a reflection portion (mirror) 111 is formed at the other end by vapor deposition of a metal thin film.
  • the Faraday rotator 14 and the polarization separation element 13, and the polarization separation element 13 and the optical circulator 12 are connected by optical fibers.
  • the optical circulator 12 is connected in such a direction that light supplied from the light source 21 through the light transmission fiber 22 is transmitted to the sensor fiber 11 side.
  • the signal processing unit 15 includes two light receiving elements 151A and 151B as input units.
  • the light receiving element 151A is connected by a light receiving fiber 16A to a terminal from which transmitted light from the sensor fiber 11 side of the optical circulator 12 is output.
  • Another light receiving element 151B is connected to the polarization separating element 13 by a light receiving fiber 16B.
  • the light emitted from the light source 21 is incident on the polarization separation element 13 through the light transmission fiber 22 and the optical circulator 12 with respect to the thus configured optical fiber current sensor.
  • This light is converted into linearly polarized light in which the vibration direction of the electric field is aligned in one direction (the principal axis direction of the polarization separation element 13) by the polarization separation element 13, and is incident on the Faraday rotator 14.
  • the Faraday rotator 14 includes a permanent magnet and a ferromagnetic garnet that is a ferromagnetic crystal that is magnetically saturated by the permanent magnet.
  • the Faraday rotator 14 imparts a Faraday rotation of 22.5 degrees one way to the light passing through the ferromagnetic garnet.
  • the linearly polarized light that has passed through the Faraday rotator 14 enters the sensor fiber 11.
  • the linearly polarized light incident on the loop portion of the sensor fiber 11 is subjected to Faraday rotation by the magnetic field generated around the current I to be measured flowing through the conductor 100, and the plane of polarization rotates by the Faraday rotation angle proportional to the magnitude of the magnetic field. To do.
  • the light propagating through the sensor fiber 11 is reflected by the reflecting portion 111, passes through the circular portion again, undergoes Faraday rotation, and enters the Faraday rotator 14.
  • a 22.5 degree Faraday rotation is given. Therefore, the Faraday rotator 14 gives a total Faraday rotation of 45 degrees in a reciprocating manner. That is, in this optical fiber current sensor, the optical bias is set to 45 degrees.
  • the light that has passed through the Faraday rotator 14 is guided again to the polarization separation element 13 and separated into two polarization components whose polarization directions are orthogonal to each other (the polarization component between the main axis direction of the polarization separation element 13 and a direction perpendicular thereto). Is done.
  • One of the separated lights is received by the light receiving element 151A via the optical circulator 12 and the light receiving fiber 16A, and converted into an electric signal P1 proportional to the light intensity.
  • the other light is received by the light receiving element 151B via the light receiving fiber 16B and converted into an electric signal P2 proportional to the light intensity.
  • the measured current I measured by this optical fiber current sensor is an alternating current (only an alternating current component).
  • the Faraday effect felt by the light in the sensor fiber 11 also reflects this alternating current, and the electric signals P1 and P2 both include a direct current component and an alternating current component (see FIG. 2).
  • the electric signal P1 from the light receiving element 151A is input to the band pass filter BPF1 and the low pass filter LPF1.
  • the band pass filter BPF1 extracts an AC component included in the electric signal P1 and outputs it to the dividing unit 152A.
  • the low-pass filter LPF1 extracts a DC component contained in the electric signal P1 and outputs it to the dividing unit 152A.
  • Division unit 152A outputs to signal processing unit 153 a signal S1 representing the ratio of the AC component to the DC component obtained by dividing the input AC component by the DC component.
  • the electric signal P2 from the light receiving element 151B is input to the band pass filter BPF2 and the low pass filter LPF2.
  • the band pass filter BPF2 and the low pass filter LPF2 extract the AC component and the DC component contained in the electric signal P2, respectively, and output them to the division unit 152B.
  • Division unit 152B outputs a signal S2 representing the ratio of the AC component to the DC component obtained by dividing the input AC component by the DC component to operation unit 153.
  • the calculation unit 153 converts the input two signals S1 and S2 into digital values. Next, the calculation unit 153 substitutes the value converted into the digital value into an arithmetic expression f (S1, S2) or g (S1, S2) described later, thereby calculating the Faraday rotation angle given in the sensor fiber 11. calculate. In addition, the calculation unit 153 calculates the value of the current I to be measured from the obtained Faraday rotation angle.
  • the above arithmetic expression is stored in advance in a predetermined storage unit (memory such as RAM) 154.
  • FIG. 2 is a graph showing characteristics of electric signals P1 and P2 (light intensity of received light) obtained by the light receiving elements 151A and 151B.
  • the horizontal axis represents the Faraday rotation angle ⁇ received by the linearly polarized light incident on the sensor fiber 11, and the vertical axis represents the signal intensity P of each electrical signal.
  • the light intensity of the light reaching each of the two light receiving elements 151A and 151B includes the Faraday rotation angle ⁇ given by the sensor fiber 11 and the Faraday rotation angle given by the Faraday rotator 14, that is, the optical bias. It depends on the value.
  • the Faraday rotation imparted to the linearly polarized light in the sensor fiber 11 by the measured current I oscillates around the angle of 0 degrees at the frequency of the alternating current. To do.
  • the amplitude of this vibration is ⁇ .
  • a time change of the Faraday rotation angle caused by the alternating current I to be measured is represented by a curve C.
  • the electric signal P1 obtained by the light receiving element 151A sequentially changes as follows.
  • 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.
  • the direct current component P1 DC and the alternating current component P1 AC of the electric signal P1 when the measured current I is measured can be represented by the following equations (2a) and (2b), respectively.
  • P1 DC P1 (0) ⁇ 1 + 2 ⁇ (2a)
  • P1 AC ⁇ P1 ( ⁇ ) ⁇ P1 ( ⁇ ) ⁇ / 2 ⁇ 2 ⁇ (2b)
  • the above equations (2a) and (2b) are signals output from the bandpass filter BPF1 and the lowpass filter LPF1, respectively.
  • 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) ⁇ 1-2 ⁇ (3a)
  • P2 AC ⁇ ⁇ P2 ( ⁇ ) ⁇ P2 ( ⁇ ) ⁇ / 2 ⁇ 2 ⁇ (3b)
  • 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.
  • the magnitude of the Faraday rotation applied in the sensor fiber 11 changes according to the change in environmental temperature due to the temperature dependence of the Verde constant of the sensor fiber 11. Further, the optical bias due to the Faraday rotator 14 also changes in accordance with the change in environmental temperature due to the temperature dependence of the Verde constant of the ferromagnetic garnet. Considering this, it is assumed that the amplitude ⁇ of the Faraday rotation by the sensor fiber 11 and the error ⁇ of the optical bias have temperature dependence expressed by the following equations (4a) and (4b).
  • T the amount of temperature change from a reference temperature (for example, 20 ° C.)
  • ⁇ 0 the amplitude of the Faraday rotation angle at the reference temperature.
  • signals S1 and S2 can be expressed as a function of Faraday rotation angle and temperature, respectively.
  • ⁇ and ⁇ are known constants
  • S1 and S2 are known values obtained by measurement
  • the unknowns are two of ⁇ 0 and T. Accordingly, when equations (5a) and (5b) are solved for ⁇ 0 as simultaneous equations, the following equation (6) is obtained.
  • the temperature dependence of the current measurement value can be sufficiently reduced, and thereby accurate current measurement can be performed.
  • the arithmetic unit 153 calculates the Faraday rotation angle phi 0.
  • the equation g (S1, S2) does not include a temperature variable
  • the obtained Faraday rotation angle and the current measurement value calculated from the Faraday rotation angle are in principle the temperature. It will not depend.
  • the arithmetic expression g (S1, S2) does not include approximation, the accuracy of measurement can be improved.
  • 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.
  • the transmission type optical fiber current sensor includes a polarization separation element 13 and a signal processing unit 15 on the side opposite to the light source 21 of the sensor fiber 11, and linearly polarized light incident on the sensor fiber 11. Is configured to pass through the sensor fiber 11 and enter the polarization separation element 13.
  • a polarizer that transmits only a component in which the vibration direction of the electric field is one direction out of the incident light, or the transmission.
  • the optical bias may be set using a wave plate that rotates the plane of polarization of linearly polarized light by a predetermined angle.
  • the error ⁇ of the optical bias is caused by these polarizers and wave plates. The principle explained is the same.
  • the present invention can be used for an optical fiber current sensor and a current measurement method that measure current using the Faraday effect, and sufficiently removes high-order dependence on temperature change and sufficiently increases temperature dependence of current measurement values. By reducing, it becomes possible to perform accurate current measurement.

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Abstract

 光ファイバ電流センサは、センサファイバと、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素子と、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、第1信号の直流成分と交流成分との比(S1)および第2信号の直流成分と交流成分との比(S2)を演算式に代入してファラデー回転角を演算する信号処理部とを具備する。上記の演算式は、ファラデー回転角と温度との関数としてそれぞれ表される比(S1)の方程式および比(S2)の方程式を、ファラデー回転角と温度と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。

Description

光ファイバ電流センサおよび電流測定方法
 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。
 本願は、2010年3月31日に日本に出願された特願2010-82567号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
 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ファラデー効果を利用して、導体に流れる被測定電流を測定する。すなわち、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。これは、光ファイバが磁性媒質の一種であり、被測定電流が流れる導体が磁界発生源となるためである。この時、導体には被測定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。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。
 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、光学バイアスが変動したり、ベルデ定数が変動したりしてしまう。光学バイアスとは、ファラデー回転角を測定する際の動作点であり、ベルデ定数とは、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。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。
 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)。
日本国特開2009-122095号公報
 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る。しかしながら、この信号処理では、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する。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。このように、従来のファラデー効果を利用した電流測定方法では、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なかった。
 本発明は上記の点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、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にある。特に、本発明の目的は、温度変化に対する高次の依存性を除去することにある。
 本発明は、上記の課題を解決するために、センサファイバに直線偏光を伝搬させ、この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素子と、前記偏光分離素子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、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信号処理部とを具備する。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り、記憶部に記憶される。
 本発明において、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。すなわち、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い。したがって、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。
 本発明の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φ,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)・φ/(1+α・T)であり、前記比S2の方程式は、S2=-2・(1+β・T)・φ/(1-α・T)であり、前記演算式は、φ=S1・S2/{(β/α-1)・S1+(β/α+1)・S2}とすることができる。
 この実施形態によれば、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とを用いて電流測定値を求めることができる。
 また、本発明の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φ,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)・φ/(1+sin(α・T))であり、前記比S2の方程式は、S2=-2・(1+β・T)・cos(α・T)・φ/(1-sin(α・T))であり、前記演算式は、φ=S1・S2/{(S2-S1)・(1+A・β/α)・cosA},A=sin-1{(S1+S2)/(S2-S1)}としてもよい。
 この実施形態によれば、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。
 また、本発明は、センサファイバに直線偏光を伝搬させ、この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工程と、前記分離された2つの偏光成分を光電気変換部によりそれぞれ第1信号および第2信号に変換する工程と、前記第1信号の直流成分と交流成分との比S1および前記第2信号の直流成分と交流成分との比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工程とを有する。前記演算式は、ファラデー回転角と温度と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と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り、記憶部に記憶されている。
 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。
本発明の実施形態による反射型の光ファイバ電流センサを示すブロック図である。 本発明の実施形態において、受光素子で得られる電気信号P1およびP2の特性を表すグラフである。 本発明の実施形態の変形例による透過型の光ファイバ電流センサを示すブロック図である。
 以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
(第1の実施形態)
 図1は、本発明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。
 図1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とを含む。信号処理部15は、受光素子151A,151Bと、バンドパスフィルタBPF1およびBPF2と、ローパスフィルタLPF1およびLPF2と、除算部152Aおよび152Bと、演算部153(CPU)とから構成される。
 センサファイバ11は、測定しようとする被測定電流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および偏光分離素子13、ならびに偏光分離素子13および光サーキュレータ12はそれぞれ光ファイバで接続される。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を有する。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る。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。
 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る。ファラデー回転子14は、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へ入射される。センサファイバ11の周回部分に入射された直線偏光は、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。
 センサファイバ11を伝搬する光は、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。したがって、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。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する2つの偏光成分(偏光分離素子13の主軸方向とそれに垂直な方向との偏光成分)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とを介して受光素子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。
 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、電気信号P1とP2とは、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)。
 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とへ入力される。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へ出力する。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。
 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とへ入力される。バンドパスフィルタBPF2とローパスフィルタLPF2とは、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。
 演算部153は、入力された上記2つの信号S1とS2とをデジタル値に変換する。次に、演算部153は、デジタル値に変換された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。上記の演算式は所定の記憶部(RAM等のメモリ)154に予め記憶されている。
 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および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および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)とにより与えられる。
    P1(θ)=1+sin(2δ+2θ)      (1a)
    P2(θ)=1-sin(2δ+2θ)      (1b)
 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。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。
 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。
 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。
 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)φ        (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、φ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。
 以上の式(2a),(2b),(3a),(3b),(4a) および(4b)より、演算部153へ入力される信号S1およびS2はそれぞれ次式(5a)および(5b)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001

 このように、信号S1および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)および(5b)において、αとβは既知の定数であり、S1およびS2は測定により得られる既知の値であり、未知数はφおよびTの2つである。そこで、式(5a)および(5b)を連立方程式としてφについて解くと、次式(6)を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002

 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φが求まり、さらにこのファラデー回転角φから、次式φ=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。
 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。
(第2の実施形態)
 上述の実施形態では、式(2a),(2b),(3a)および(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。
 近似を用いない場合、上述の式(5a)および(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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003

 上述の実施形態と同様に、式(7a)および(7b)を連立方程式としてφについて解くと、次式(8)を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004

 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φ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。
 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。
 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。
 本発明は、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用いることができ、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によって、精度の良い電流測定を行うことを可能にする。
 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

Claims (4)

  1.  センサファイバに直線偏光を伝搬させ、前記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素子と、
     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、前記第1信号の直流成分と交流成分との比S1および前記第2信号の直流成分と交流成分との比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部と、
     ファラデー回転角と温度と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と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前記演算式を記憶する記憶部と
     を具備する光ファイバ電流センサ。
  2.  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φ,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)・φ/(1+α・T)であり、
     前記比S2の方程式は、
     S2=-2・(1+β・T)・φ/(1-α・T)であり、
     前記演算式は、
     φ=S1・S2/{(β/α-1)・S1+(β/α+1)・S2}である請求項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における基準温度でのファラデー回転角をφ,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)・φ/(1+sin(α・T))であり、
     前記比S2の方程式は、
     S2=-2・(1+β・T)・cos(α・T)・φ/(1-sin(α・T))であり、
     前記演算式は、
     φ=S1・S2/{(S2-S1)・(1+A・β/α)・cosA},
     A=sin-1{(S1+S2)/(S2-S1)}である請求項1に記載の光ファイバ電流センサ。
  4.  センサファイバに直線偏光を伝搬させ、前記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工程と、
     前記分離された2つの偏光成分を光電気変換部によりそれぞれ第1信号および第2信号に変換する工程と、
     ファラデー回転角と温度との関数としてそれぞれ表される前記第1信号の直流成分と交流成分との比S1の方程式および前記第2信号の直流成分と交流成分との比S2の方程式を、ファラデー回転角と温度と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演算式を記憶部に記憶する工程と、
     前記比S1および前記比S2を前記演算式に代入して前記ファラデー回転角を演算する工程と、
     を有する電流測定方法。
     
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