專利名稱：具有溫度補償的用于測量交流電流的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于測量交流電流的方法及裝置。
已經公知了用于測量電流的光測量方法及其測量裝置，其中利用了法拉第磁光效應。我們將法拉第磁光效應理解為線性偏振光依賴一個磁場轉動其偏振平面。這里轉動角度正比于光沿磁場走過的路徑的路徑積分并以費爾德特(Verdet)常數作為比例常數。費爾德特常數與光經過的材料及光的波長有關。為了檢測一個電流導體中的電流在該電流導體的附近設置一個顯示法拉第效應的傳感裝置，它由一個透光材料、通常為玻璃組成并由一個或多個構成光路的實心體或由一個光波導體構成。通過該傳感裝置發送線性偏振光。由電流產生的磁場使得傳感器裝置中光的偏振平面轉動一個轉角，該轉角被一個求值單元作為求解磁場強度的量值并由此作為求解電流強度的量值進行求解。通常該傳感裝置包圍著電流導體，以致使偏振光以準閉合路徑環繞電流導體。在此情況下偏振轉角以較好近似值直接正比于測量電流的幅值。
在由WO91/01501公知的一個用于測量電流的光測量裝置的實施形式中傳感裝置被設計作為單模光纖維的一部分，它以測量線圈的形式包圍著電流導體。因此偏振測量光環繞電流導體一個N次的循環，這里N是測量線圈的匝數。在所謂透射型的情況下測量光僅一次地經過測量線圈。在反射型的情況下，與此相反，纖維的另一端作反射，因此測量光在第一次經過測量線圈后又在相反方向上第二次經過它。由于法拉第效應的非可逆性，因而在反射型上在與透射型相同的測量線圈的情況下其轉角是透射型中轉角的兩倍。
由EP-B-0088419公知了一種用以測量電流的光測量裝置，其中傳感裝置被設計成圍繞電流導體的實心玻璃環。一個光源的光被一偏振鏡線性偏振然后饋入到傳感裝置中。該線性偏振光經過傳感裝置一次并然后被作為偏振分光器的渥拉斯頓(Wollaston)棱鏡分成具有相互垂直定向偏振面的兩個線性偏振光分量信號A及B。這兩個光信號A及B中的每個各經由所屬的光傳輸纖維傳輸到所屬的光檢測器并轉換成相應的電信號PA及PB。由這兩個信號PA及PB在一個計算單元中構成一個強度標稱測量信號M＝(PA－PB)/(PA＋PB)。該測量信號M與光源的強度波動或與光導體中的衰減無關。
在這些測量電流的光測量方法及裝置中的一個問題在于由于在傳感裝置及光傳輸區段中的光材料中的附加線性雙折射形成的干擾影響。這種附加線性雙折射可通過機械壓力，如通過彎曲或振動引起或通過溫度變化引起。該由擾動引起的線性雙折射會導致工作點及測量靈敏度不希望的改變。
對于溫度影響的補償已經公知了各種不同的溫度補償方法。
在US4755665中提出了一種測量交流電流的磁光測量裝置用的溫度補償方法。在該方法中，類似于前面所述的，由EP-B-0088419中公知的測量裝置中獲得的電信號PA及PB分別被一個濾波器分解成其直流分量PA(DC)及PB(DC)和其交流分量PA(AC)及PB(AC)。為了補償在光信號A及B的兩個傳輸區段中不同的強度波動由交流分量PA(AC)及PB(AC)和直流分量PA(DC)及PB(DC)構成了用于每個信號PA及PB的商QA＝PA(AC)/PA(DC)及QB＝PB(AC)/PB(DC)。由這兩個商QA及QB的每個構成一個時間中值MW(QA)及MW(QB)，并且這兩個中值MW(QA)及MW(QB)最終構成另一個商Q＝MW(QA)/MW(QB)。在一個交互方法的范圍中，通過與在一數值表(查看表)中存儲的校正值相比較可得到用于求得的商Q的校正系數K。用該校正系數K校正的值Q*K將被用來作為對于待測交流電流的溫度補償測量值。用此方法可將溫度敏感度降低到1/50。
由EP-A-0557090公知了另一種用于交變磁場測量的光測量裝置的溫度補償方法，該測量裝置利用法拉第效應，因此也適用于測量交流電流。在該公知方法中，線性偏振測量光束在通過一個傳感裝置后在一個起偏器中被分離成兩個不同的線性偏振光分量信號A及B，并為了兩個所屬的分離電信號PA及PB中每個的強度標稱化，由它們所屬的交流分量PA(AC)及PB(AC)和它們所屬的直流分量PA(DC)及PB(DC)構成商QA＝PA(AC)/PA(DC)及QB＝PB(AC)/PB(DC)。這時在一個計算單元中由這兩個商QA及QB以實常數α及β構成測量信號M＝1/[(α/QA)－(β/QB)]，并滿足關系式α＋β＝1。該測量信號被表明與受溫度變化引起的費爾德特常數的變化及與傳感裝置中循環雙折射基本上無關。對于溫度感應的線性雙折射的補償并未提及。常數α及β將由試驗來確定。
本發明的任務在于提供一種借助顯示法拉第效應的傳感裝置測量交流電流的方法及裝置，其中由溫度感應的線性雙折射及由測量信號的強度波動產生的影響被進一步地補償。
根據本發明，該任務將用權利要求1或2中的特征來解決。受到由交流電產生磁場影響的光傳感裝置將通過耦合裝置使線性偏振測量光耦合進來。在通過傳感裝置時測量光的偏振平面將依賴交流電流而變化。在通過傳感裝置后由一個起偏器使測量光分成兩個具有不同偏振平面的線性偏振光分量信號。緊接著，這兩個光分量信號被光電轉換器分別轉換成相應的電強度信號。這兩個強度信號的每個將被專門的強度標稱化，這時由標稱化裝置由其交流信號分量及其直流信號分量構成商信號。由此可使光耦合裝置中的及這兩個光分量傳輸區段中的強度波動被補償。這時將由求值裝置由作為強度標稱化信號I1和I2的兩個商信號至少近似地根據規則S＝(2*S1*S2)/((S2－S1)＋K*(S1＋S2))(1)導出用于交流電流的測量信號S，式中K是實數校正系數，并且該校正系數K，在傳感裝置中耦合測量光的偏振平面與線性雙折射一個原軸形成的入耦角η以及該線性雙折射原軸與起偏器一個原軸之間的所謂退耦角θ至少近似地滿足下列兩個條件Cos(2θ＋2η)＝-2/(3K) (2a)Sin(2θ－2η)＝1 (2b)根據本發明的測量方法及測量裝置的有利構型由各從屬權利要求所提供。
為了進一步解釋本發明將參照下列以概要形式表示的附圖
圖1為用于測量交流電流的一個裝置的原理結構；圖2為用于這種測量裝置的標稱化裝置的一個實施形式；圖3為用于這種測量裝置的溫度補償求值裝置的一個實施形式；圖4為入耦角η及退耦角θ的示意圖。
圖中彼此相對應的部分用相同的標號表示。
圖1表示對在一個電流導體中的交流電流進行測量的一個實施形式的原理結構。對電流導體2配置了一個傳感裝置3，該傳感裝置在由交流電流I產生的磁場作用下，使進入傳感裝置3的線性偏振測量光的偏振依賴交流電流I變化。為此，該傳感裝置3至少部分地由至少一個顯示法拉第磁光效應的材料組成。在該傳感裝置3中將耦合進來線性偏振測量光L。為了產生這種線性偏振測量光L，可以設置一個簡單的光源和配置的未示出的偏振裝置或也可本身就是一個偏振光源4，例如為一個激光二極管。傳感裝置3及光源4最好通過一個保持偏振的光導體34，例如單模光導纖維如HiBi(高雙折射率)纖維或對偏振呈中性的LoBi(低雙折射率)纖維進行光連接。然而也可使用多模光導體，例如在電信中使用的光導纖維。尤其在后一種情況下，光源4的光在耦合入傳感裝置3以前通過一個附加的偏振鏡發送并被線性偏振。該線性偏振光L至少穿過傳感裝置3一次，并在其中它的偏振得到與電流導體2中交流電流I有關的變化。耦合出來的測量光L具有一個由于法拉第效應轉動了(未示出的)測量角α的偏振平面。這里測量角α與電流導體2中的交流電流I有關。
傳感裝置3可用光導體，最好用光導纖維構成，它以具有至少一個測量區的測量線圈包圍著電流導體。傳感裝置3的光導體與輸入測量光L的光導體34最好通過一個接頭相連接。然而作為傳感裝置3也可設置一個或多個由法拉第材料作的實心體，它們最好繞電流導體2構成一個閉合光路，例如為一個玻璃環。該傳感裝置必須圍著但不一定以閉合光路包圍電流導體2，而是也可以僅設置在電流導體2旁的附近空間中。
在通過傳感裝置3后測量光L被輸入到一個起偏器7，在該起偏器7中它被分解成兩個線性偏振光分量信號L1及L2，它們的偏振面相互不同。最好這兩個光分量信號L1及L2的偏振面彼此垂直定向(正交分解)。作為起偏器7可以是一個偏振分光器，例如一個渥拉斯頓棱鏡或是兩個以相應角度最好90°相交的偏振濾光器及一個具有部分透光的鏡的簡單分光器。傳感裝置3與起偏器7可通過一個自由導光部件或通過一個維持偏振的光導體，最好是單模光導纖維如HiBi(高雙折射率)纖維或對偏振呈中性的LoBi(低雙折射率)纖維相互形成光連接。
這兩個光分量信號L1及L2然后分別輸入到一個光轉換器12及22。這兩個光分量信號L1及L2從起偏器7到各個所屬的轉換器12及22的傳輸是通過自由導光部件或最好分別通過光導體11及21來實現的。在轉換器12及22中這兩個光分量信號L1及L2分別轉換成一個電強度信號I1或I2，它們是各所屬光分量信號L1及L2強度的大小。
現在電強度信號I1及I2被輸入到標稱化裝置20中。在每個標稱化裝置20的輸出端提供強度標稱化信號S1及S2。作為強度標稱化信號S1及S2將由所屬強度信號I1及I2的交流信號分量及直流信號分量構成各自的商。這樣構成的強度標稱化信號S1及S2是強度波動被補償的信號，這就是說，光強度的波動、尤其是通過光導體中的微彎曲損耗及由于振動或其它機械作用以及通過光源4的強度波動引起的光強度波動均實際上被消除。在兩個光分量L1及L2的光傳輸區段中不同的強度變化也將被強度標稱化消除。因此作為這兩個光強度信號L1及L2的傳輸區段各設置有一個多模纖維。
現在帶來一個問題，也即由于溫度誘發的光測量裝置尤其是傳感裝置3的光學材料中的線性雙折射隨溫度的變化及與此相關的工作點的移動和尤其是測量裝置測量靈敏度的變化。對于這個由溫度誘發的靈敏度的變化將通過下面將描述的溫度補償方法借助一個求值裝置40進一步地補償。
為此將這兩個強度標稱化信號S1及S2分別輸入到求值裝置40的一輸入端。該求值裝置40由這兩個強度標稱化信號S1及S2構成一個作為測量信號S的輸出信號，它至少近似地滿足上述等式(1)，也就是相當于兩個強度標稱化信號S1及S2積的兩倍與差值S2－S1加上校正系數K乘以和值S1＋S2的和之商。
校正系數K是一個實數，它一方面與耦合進入傳感裝置3的線性偏振測量光L的偏振面P到傳感裝置3的線性雙折射的一個原軸EF的入耦角η(圖4所示)有關地，另一方面與(也是在圖4中表示的)該原軸EF與起偏器7的一個原軸EA之間的退耦角θ相關地這樣調節，即至少近似地滿足于上述條件式(2a)及(2b)。尤其由等式(2a)可得到，對于校正系數有K≤-2/3或K≥2/3。這里一個雙折射材料的原軸是通過未變化地離開材料的測量光L的偏振狀態確定的。在圖4中確定的圖面是一個垂直于測量光L傳播方向的平面。
在傳感裝置3中尤其是較大的線性和/或循環雙折射的情況下可以對精確地滿足所述條件式(2a)及(2b)的角度值有所偏離，其偏離值可達約5°。
計算得出，在根據校正系數K選擇的這種入耦角η及退耦角θ的情況下，測量信號S具有與法拉第轉角或測量角α特別簡單的關系。即較好近似地適用于關系式S＝Sin(2·α)(3)這個測量信號S相當于無雙折射效應時測量角α的理論測量信號。因此求值方法是特別簡單的。在預定入耦角η及退耦角θ的情況下對校正系數這樣地調整，即使測量裝置的測量信號S相當于不存在雙折射情況下的理論測量信號。利用該校正系數K可將測量裝置調整到最小的溫度依賴性上。
當在耦合入傳感裝置3以前，測量光L被一個偏振鏡線性偏振時，可簡單地將該偏振鏡5的原軸及傳感裝置3中線性雙折射的一個原軸之間的角度選擇為入耦角η。
測量信號S無論是相對光源中及光傳輸區段中的強度波動，還是相對溫度變化時其工作點或其測量靈敏度均進一步被穩定了。根據等式(1)對測量信號S的算術推導最好借助于執行該算術運算的相應模擬組件來進行。在這個實施形式中可以作到實時地進行溫度補償。但測量信號S將借助于數字信號處理器或微處理機進行數字計算和/或借助于存儲的數值表來求得。
除圖1所示的，其中測量光L僅在一個方向上通過傳感裝置3的傳輸類型的實施形式外，也可以使用反射類型的實施形式，其中測量光L在第一次通過傳感裝置3后被反射并沿相反方向第二次通過傳感裝置3。光源4的線性偏振測量光L則最好通過一個光接口處的分光器耦合入傳感裝置3，在第一次通過后被一個鏡反射，第二次地通過傳感裝置3并在所述接口處再被耦合出來及通過分光器輸入到起偏器7。
圖2表示標稱化裝置20的一個有利實施形式。它設有一個與光電轉換器12電連接的第一濾波器13，用于將第一強度信號I1分解成交流信號分量A1及直流信號分量D1，及一個與第二光電轉換器22電連接的第二濾波器23，用于將第二強度信號I2分解成交流電信號A2及直流電信號D2。這兩個濾波器13及23的分離頻率這時被選擇到這樣的高，即基本上各強度信號的交流信號分量A1及A2包含待測交流電流I的所有信息。尤其是將分離頻率選擇得小于交變電流I的基波頻率。在圖示的實施形式中這兩個濾波器13及23各包括一個低通濾波器14及24和一個減法器(SUB)15及25。強度信號I1或I2輸入到所屬低通濾波器14或24的輸入端。在低通濾波器14或24的輸出端則提供強度信號I1或I2的直流信號分量D1或D2，它們相當于低于低通濾波器14或24的預定分離頻率的強度信號I1或I2的頻率分量。現在將借助減法器15或25通過由強度信號I1或I2減法直流信號分量D1或D2構成各交流信號分量A1或A2。為此，所屬減法器15或25的兩個輸入端將輸入強度信號I1或I2和所屬的直流信號分量D1或D2。
取代圖2中所示的濾波器13和23的實施形式，當然也可設置高通濾波器或低通濾波器來濾出交流信號分量A1及A2或直流分量信號D1及D2，或者各用一個高通濾波器濾出交流信號分量A1或A2，再用一個減法器來導出直流信號分量D1＝I1－A1及D2＝I2－A2。
第一強度信號I1的交流信號分量A1及直流信號分量D1這時各被輸入到一個除法器16的輸入端。在該除法器16的輸出端提供作為第一強度信號I1的交流信號分量A1和直流信號分量D1的商的第一強度標稱化信號S1＝A1/D1。同樣地，第二強度信號I2的交流信號分量A2及直流信號分量D2各被輸入到一個第二除法器26，它構成用于第二強度信號I2的強度標稱化信號S＝A2/D2。然后這兩個強度標稱化信號S1及S2可以在標稱化裝置20的相應輸出端被測到。
圖3表示使用模擬硬件的求值裝置40的一個實施形式。它設有一個乘法器(MULT)41，第一加法器(ADD)42，一個減法器(SUB)43，兩個放大器44及45，第二加法器(ADD)46及一個除法器(DIV)47。標稱化裝置20的這兩個強度標稱化信號S1及S2各輸入到乘法器41、第一加法器42及減法器43的各兩個輸入端。乘法器41輸出端上兩個信號S1及S2的乘積S1*S2輸入到放大器44的輸入端，放大器44被調整在放大系數2上，因此在它的輸出端上提供這兩個信號S1及S2的兩倍乘積2*S1*S2。第一加法器42輸出端上兩個信號S1及S2的和S1＋S2輸入到另一放大器45的輸入端并以校正系數K被放大。為此，放大器45的放大系數被調整在預定校正系數K上。放大器45輸出端上的積K*(S1＋S2)輸入到第二加法器46的一個輸入端。該加法器46的另一輸入端輸入減法器43的輸出信號S2－S1，它相當于這兩個信號S1及S2的差值。加法器46的輸出信號構成這兩個輸入信號的和K*(S1＋S2)＋(S2－S1)。最后，放大器44的輸出信號2*S1*S2輸入到除法器47的第一輸入端及第二加法器46的輸出信號輸入到除法器47的第二輸入端。除法器47由這兩個輸入信號根據等式(1)計算出測量信號S＝(2*S1*S2)/(K*(S1＋S2)＋(S2－S1))根據圖3具有模擬組件的這個實施形式具有的優點是測量信號S的計算可特別快地執行。尤其與根據圖2的標稱化裝置20相組合可以實現實時的溫度補償。
根據本發明的測量方法及測量裝置當然也可直接地用于交變磁場的測量，這時傳感裝置3被設置在交變磁場中。
權利要求
1.一種利用法拉第效應測量交流電流(I)的方法，具有下列特征a)將線性偏振測量光(L)耦合入受交流電流(I)產生的磁場影響的傳感裝置(13)中，及測量光(L)在經過傳感裝置(3)時其偏振面依賴交流電流(I)而轉動；b)測量光(L)在至少一次通過傳感裝置(3)后由一個起偏器(7)分解成兩個具有不同偏振面的線性偏振光分量信號(L1，L2)；c)將這兩個光分量信號(L1，L2)分別轉換成電強度信號(I1，I2)；d)使這兩個電強度信號(I1，I2)的每一個構成強度標稱化信號S1及S2，它們相當于所屬強度信號(I1，I2)的交流信號分量與直流信號分量的商；f)由這兩個強度標稱化信號S1及S2至少近似地根據規則S＝(2*S1*S2)/((S2－S1)＋K*(S1＋S2))推導出用于交流電流(I)的測量信號，其中實數校正系數K，耦合入傳感裝置(3)的測量光(L)的偏振面與傳感裝置(3)中線性雙折射一個原軸的入耦角η以及該線性雙折射原軸與起偏器(7)的一個原軸之間的退耦角θ至少近似地滿足下列兩個條件式Cos(2θ＋2η)＝-2/(3K)Sin(2θ－2η)＝1。
2.一種用于測量交流電流(I)的裝置，其具有a)入耦裝置(4，34)，用于將線性偏振測量光(L)耦合入受交流電流(I)產生的磁場影響的傳感裝置(3)中，該傳感裝置依賴交流電流(I)來轉動測量光(L)的偏振面；b)一個起偏器(7)，用于使測量光(L)在至少一次通過傳感裝置(3)后被分解成兩個具有不同偏振面的線性偏振光分量信號(L1，L2)；c)光電轉換器(12，22)，用于將這兩個光分量信號(L1，L2)分別轉換成電強度信號(I1，I2)；d)標稱化裝置(13，23)，用于使兩個電強度信號(I1，I2)分別構成強度標稱化信號S1及S2，它們相當于所屬強度信號(I1，I2)的交流信號分量及直流信號分量的商；e)求值裝置(20)，用于由兩個強度標稱化信號S1及S2至少近似地根據規則S＝(2*S1*S2)/((S2－S1)＋K*(S1＋S2))推導出用于交流電流(I)的測量信號(S)，其中K為實數校正系數，該校正系數K，耦合入傳感裝置(3)的測量光(L)的偏振面與傳感裝置(3)中線性雙折射的一個原軸的入耦角η以及該線性雙折射原軸與起偏器(7)的一個原軸之間的退耦角θ至少近似地滿足下列兩個條件式Cos(2θ＋2η)＝-2/(3K)Sin(2θ－2η)＝1。
3.根據權利要求2所述的裝置，其中設置了一個渥拉斯頓棱鏡作為起偏器(7)。
4.根據權利要求2或3所述的裝置，其中起偏器(7)與光電轉換器(12，22)分別通過用于每個光分量信號(L1，L2)的一個光導體(11，21)光學連接。
5.根據權利要求4所述的裝置，其中光導體(11，21)是多模纖維。
6.根據權利要求2至5中任一項所述的裝置，其中傳感裝置(3)及起偏器(7)通過用于傳輸從傳感裝置(3)耦合出來的測量光(L)的、保持偏振的光導纖維相互形成光連接。
7.根據權利要求2至6中任一項所述的裝置，其中設置一個玻璃環作為傳感裝置(3)。
全文摘要
線性偏振測量光(L)在通過一個法拉第傳感裝置(3)后在起偏器(7)中被分解成兩個不同的偏振光分量信號(L1，L2)。通過將強度信號的相應交流信號分量除以相應的直流信號分量使相應的電強度信號(I1，I2)強度標稱化。由兩個強度標稱化信號S1及S2導出測量信號S=(2*S1*S2)/((S2-S1)+K*(S1+S2))，其中校正系數K，入耦的測量光(L)的偏振面與傳感裝置(3)中線性雙折射的一個原軸之間的入耦角η以及該原軸與起偏器(7)的一個原軸之間的退耦角θ符號cos(2θ+2η)=-2/(3K)及sin(2θ-2η)=1。
文檔編號G01R19/32GK1157656SQ95194925
公開日1997年8月20日 申請日期1995年8月25日 優先權日1994年9月9日
發明者托馬斯·博塞爾曼, 彼得·門克 申請人:西門子公司