專利名稱：電流測量裝置和方法
技術領域：
本發明涉及用于測量電流的裝置和方法。
背景技術：
基于法拉第(Faraday)效應的光纖電流傳感器對于遙測大電流具有吸引力，因為它們比傳統的感應電流互感器有許多優點。這些優點包括動態范圍寬、響應快、抗電磁干擾、尺寸小、和成本低。因此，最近數年來已經研究了各種光纖電流傳感器，主要使用石英光纖。
由于準確度和穩定性不高，因此這些傳感器迄今尚未達到實際現場使用的程度。這主要是固有的和感生的線性雙折射抑制了Faraday旋轉。在用作傳感元件的石英玻璃光纖中容易產生這些雙折射。此外，這些光纖還不能準確地測量大電流，諸如浪涌和故障電流。
Faraday效應是這樣一種現象，當偏振光通過置于磁場中并與磁場平行的透明材料傳播時，線偏振光將旋轉。旋轉角(θ)以度為單位，其大小定義為(1)θ=VHL這里H是磁場強度(以A／m為單位)，V是材料的Verdet常數，而L是磁場起作用的路徑長度(以m為單位)。
磁場強度用安(A)乘以每單位長度的匝數(T)(即，AT／m，這里m為米)來測量。因為值用一匝來表示，因此這個因子通常是隱含的而不是顯含的。因此，通常用每單位路徑長度(以米(m)為單位)的安(A)或千安(kA)數給出。
Verdet常數V是旋轉角除以單位長度的磁場強度。可以用任何一種角度測量的常用單位來表示，但這里以度為單位。除非有另外的說明，Verdet常數值用度除以場強給出，表示為1／(kA×T／m)m。
無限長直導體周圍的磁感應的值(B)由下式給出(2)B=(μ0／4π)(2I／a)這里I是電流，μ0是自由空間的導磁率，而a是從導體算起的磁場的徑向距離。磁場以下面的簡單關系與磁感應有關(3)B=μH組合式(1)至式(3)給出了旋轉和電流之間的所要的關系(4)θ=VI這里θ是以度為單位，V時Verdet常數，而I以kA為單位。于是，用于測量電流的方法的靈敏度取決與人們能夠測量角度旋轉的準確度。
測量角度旋轉的靈敏度受到另外一個因素-雙折射的影響。雙折射主要由對配置的光纖進行彎曲或變形產生的應力造成。單模光纖中的直線雙折射的來源包括來自制造的剩余應力、彎曲、接觸和熱應力(參看Yamashita等人的文章“用于電流傳感器的極小應力光學系數的玻璃單模光纖”，《光纖傳感器》，1996年，日本札幌，編號We2-4，第168頁)(“Yamashita”)。
因此，用于測量電流的裝置的一個重要特征是單模光纖(“SMF”)，從而能夠保持路徑，使其具有大的Faraday效應(即，大的Verdet常數)而沒有雙折射。
一種施加任何應力而不產生雙折射的玻璃成份是這樣一種玻璃，它產生的光彈性作用的值為零。由應力引起的雙折射用一個稱之為光彈性常數(或光彈性系數)的系數來定量。可以將光彈性系數(Bp)定義為把沿應力方向的折射率(n(par))與沿垂直方向的折射率(n(per))之差于施加的應力相聯系的系數(5)n(par)-n(per)=Bpσ也可以將它視為用每單位路徑(以厘米(cm)為單位)的波長(以納米(nm)為單位)除以應力(以千克每平方厘米(kg／cm2)為單位)的單位測量的相移。因此，該值的單位是(nm／cm除以kg／cm2)。
在某些情形中，還想有一種藉助于Faraday效應測量浪涌電流的裝置。這是很重要的，因為浪涌電流(它們是不想要的大電流)將引起大的旋轉角。為了測量浪涌電流，保持旋轉角小于90度很重要。對于具有較大的Verdet常數的玻璃，當出現故障電流時，將造成大于90度的旋轉角。將對這些大于90度的旋轉角記錄與小于90度的角度相同的角度。相反，一個具有用Verdet常數較小的玻璃制成的光纖的裝置則對于故障電流不會產生那樣大的角度。因此，它將準確地測出這些電流。
第3-13177號日本專利申請涉及用于磁場電流測量裝置的玻璃光纖。該玻璃具有大的Verdet常數和小的光彈性系數。其玻璃具有下述成分的纖心和包層材料(所列的范圍是指重量％)5-28 SiO2，，0-10 B2o3，0-5 Al2O3，16-28 SiO2+B2O3+Al2O3，0．3-2．5 Na2O+K2O，和69．5-83．7 PbO。
這種玻璃需要大量的鉛，以產生零值光彈性系數。此外，日本申請的玻璃不適合于測量浪涌電流。在那里需要一種既具有小的Verdet常數又具有等于或接近于零的光彈性系數的玻璃。
本發明的目的在于提供一種克服這些缺陷的電流測量裝置。
發明概要本發明涉及一種在磁場中測量電流的裝置，它包括一種玻璃制品，該玻璃在546nm處具有從大約-0．2至大約0．2的光彈性系數，該玻璃是從由含氟氧化物和氧化鉍的玻璃族的組中選出的。
本發明的另一個方面是一種在磁場中測量電流的方法，它包括提供一種玻璃制品(用作電流傳感器)，它在546nm處的光彈性系數的范圍從大約-0．2至0．2，并且能使通過玻璃制品傳播的偏振光產生角度旋轉，該玻璃是從由含氟氧化物和氧化鉍的玻璃族的組中選出的。所述的方法還包括使電流通過在其周圍產生磁場的導體。該電流流經電流傳感器，偏振光在玻璃制品中傳播。于是確定了玻璃制品中的偏振光的旋轉角，從而能夠測量電流。
本發明有利地提供了一種具有玻璃制品的裝置，該玻璃制品具有大的Verdet常數和適合與測量電流的光彈性系數。此外，本發明還提供了一種能夠用來準確測量浪涌電流的裝置。
發明詳1繪出了一種按照本發明的裝置。
發明詳述本發明涉及用于在磁場中測量電流的裝置，該裝置包括一種玻璃制品，該玻璃制品在546nm處具有從大約-0．2至大約0．2的光彈性系數。
用較低的鉛(Pb)濃度能夠比其他類型的玻璃成分達到等于或者接近于零值的光彈性條件。特別，本發明的氟氧化物玻璃在玻璃中以氧化物或氟化物的形式采用低于75重量％的Pb達到了等于或者接近于零值的光彈性系數。Pb含量低于約64重量％更好，而Pb含量低于約34重量％則最好。作為比較，接近于零的光彈性系數出現在接近80重量％鉛的氧化鉛玻璃體系中。
本發明的一種合乎要求的玻璃是一種氟氧化物玻璃，它包括30至50摩爾％的SiO2，10至20摩爾％的Al2O3，0-5摩爾％的YF3，27-33摩爾％的PbF2，0-5摩爾％的ZnF2，和10-30摩爾％的CdF2。
本發明的第二種合乎要求的氟氧化物玻璃包括28-34摩爾％的AlF3，27．5至30．5摩爾％的PbF2，5至8摩爾％的LiF，2-6摩爾％的KF，4至6．5摩爾％的YF3，11-14摩爾％的CdF2和10至14摩爾％的CdO。可選地，包括0-10％的LaF3。在授予Tick的第4，752，593號美國專利中一般地描述了這一族中的玻璃，通過參照而將該專利引用于此。
本發明的氟氧化物玻璃具有的光彈性系數接近于零。特別，氟氧化物玻璃在546nm處具有從大約-0．2至大約0．2的光彈性系數。光彈性常數最好為零。此外，氟氧化物玻璃在1150nm處具有從大約0．20至大約0．35度／(kA-T／m)m的Verdet常數。
一般，包含SiO2和Al2O3的氟氧化物玻璃在1150nm處具有從大約0．20至大約0．33度／(kA-T／m)m的Verdet常數，而在Tick的專利中揭示的玻璃具有稍高的Verdet常數。
本發明的第二實施例是一種氧化物玻璃，它具有接近于零的光彈性系數。該氧化物玻璃包括45至65摩爾％的Bi2O3，0至40摩爾％的MO，0至25摩爾％的M′2O，0至30摩爾％的B2O3，0至35摩爾％的SiO2，0至20摩爾％的GEO2，和0至30摩爾％的Ga2O3，這里M是Zn、Cd、Be、Mg、Ca、Sr、或Ba而M′是Li、Na、K、Rb、或Cs。此外，該玻璃可以包括0至30摩爾％的PbO，0至20摩爾％的Tl2O，這里PbO+Tl2O是0至30摩爾％。硼、硅、鎵和鍺的氧化物的總和等于10至35摩爾％。最好M′是K、Na、或Li，而M是Zn、Cd、或Ba。
本發明的氧化物玻璃使用鉍而不是鉛，來獲得接近于零的光彈性常數。然而，在陽離子的基礎上，為了制造具有接近于零的光彈性常數的玻璃需要的鉍要比鉛多。因為Bi的Verdet常數與Pb的Verdet常數可比較，凈的作用是在所需的光彈性點處作制造出具有較大Verdet常數的玻璃。
本發明的氧化物玻璃具有等于或接近于零的光彈性常數。特別，氧化物玻璃在546nm處具有從大約-0．2至大約0．2的光彈性系數。光彈性常數最好為零。此外，氧化物玻璃在1150nm處具有從大約0．60至大約0．90度／(kA-T／m)m的Verdet常數。
本發明的氟氧化物玻璃是通過把所需的成分混合在一起并且把它們裝入鉑坩堝。取決于其成分和數量，在空氣或氮氣中，在大約1000℃至大約1200℃的溫度下，加熱玻璃原料0．25小時至0．75小時或更長的時間，使之熔化。然后采用典型的過程(諸如澆注、軋制、或壓制)把熔化的玻璃做成玻璃模型。把玻璃模型在大約300℃至大約400℃下退火約1小時。
通過把所需的成份混合在一起，并且在大約800℃至大約1200℃的溫度下加熱大約0．25小時至0．75小時以使其熔化，來創造本發明的氧化物玻璃。澆注熔化的玻璃，并且在接近玻璃轉變溫度的溫度下退火約1小時。
能夠使用標準的技術把本發明的玻璃制成光纖。例如，通過使用管包桿(rod-in-tube)方法把在所需的成份范圍內的玻璃首先形成預制棒來制備光纖。然后把預制棒拉絲成光纖。
獲得光纖纖心和包層之間所需折射率差的另外一種方法是在纖心玻璃成份中用Si來替代少量的鉛元素，以得出包層玻璃成份。然而，通過用Si來替代Pb，如今包層不再具有接近或等于零的光彈性系數。于是，在包層中傳播的光將遭受雙折射。
相應地，一種較好的方法是用重金屬離子來替代Pb。這將給出具有較低的折射率同時仍然具有大致為零的光彈性系數的包層。通過用可以高度極化的離子(諸如Bi和Tl)來替代包層中的Pb能夠做到這一點。
同樣，可以用重金屬離子(諸如Pb和Tl)來替代氧化物纖心玻璃成份中的鉍，以得出包層玻璃成份。于是光纖具有所需的纖心和包層之間的折射率差，與此同時，其包層具有接近于零的光彈性系數。
能夠在傳感器中使用上述玻璃，以利用Faraday效應來測量電流。在授予Yoshikawa等人的第3，605，013號美國專利、Sato等人的文章“體光學電流傳感器”(1996年，日本札幌，《光纖傳感器》，第130-133頁)、Sone的文章“環狀玻璃型Faraday效應電流傳感器”(1996年，日本札幌，《光纖傳感器》，第144-145頁)中一般地描述了使用各種玻璃制品的傳感器，通過參照把它們引用于此。特別，把這些玻璃用于在磁場中測量電流的裝置中。
例如，裝置可以是電流傳感器，它特別適合使用本發明的氧化物玻璃。本發明的氧化物玻璃具有高濃度的鉍的陽離子部分，用以達到零值光彈性常數。因此，它們比使用鉛來賦予大的Verdet常數的玻璃具有更高的Verdet常數。這樣，與包含具有較小的Verdet常數的玻璃的傳感器相比，此傳感器能夠提供較高的靈敏度。
相反，氟氧化物玻璃使用濃度較低的鉛來達到零值光彈性系數。相應地，它們將具有較低的Verdet常數。這樣，這些玻璃對于測量浪涌或故障電流特別有用，在那里希望得到小于90度的旋轉角。
一個具有用較小Verdet常數的玻璃制成的光纖的裝置將不對故障電流給出大的旋轉角。因此，它將記錄一個90度或更小的旋轉角。特別，一種包括含有本發明的氧化物玻璃光纖的裝置，在Verdet常數小于45度／kA而最大電流為200kA時將具有小于90度的旋轉角。
圖1示出本發明的裝置的一個實施例。最好使用如上所述的光纖3。然而，可以使用任何玻璃制品，諸如一塊玻璃(未示出)。光纖3起著偏振光路徑的作用。導體4載有電流4以產生磁場。如圖所示，光纖3最好裹在導體4周圍，以增大光路的長度。還有，光纖3最好與導體隔絕。
裝置還包括光線源1，如此放置該光線源，從而把光線引至光纖3的輸入端。一般，光線源1是激光器。偏振器2位于光線源1的附近，從而光線線偏振。檢偏振器(analyzer)5位于光纖3的輸出端處，以產生輸出。
檢偏振器5得出圓偏振分量，它與流經導體的電流成比例。還包括一個裝置8，用于指示與檢偏振器5的輸出相應的測得的電流。一般，裝置8是光檢測器6和顯示裝置7。光檢測器6接收和檢測檢偏振器5的輸出。顯示裝置7接收光檢測器6的輸出，并且產生其顯示。
可選地，檢偏振器可以是如在Yamashita的文章中描述的Wollaston棱鏡。于是，從光纖輸出的光線分成兩束正交的偏振。裝置8檢測每個信號的輸出，并且相應于輸出指出測得的電流。
本發明還涉及在磁場中測量電流的方法。所述方法包括提供電流傳感器，該傳感器包括諸如光纖或玻璃塊的玻璃制品。制品的玻璃是本發明的氟氧化物玻璃或氧化鉍玻璃。玻璃在546nm處具有從約-0．2至約0．2的光彈性系數，并且能夠使通過光纖傳播的偏振光產生角度旋轉。該方法還包括是電流通過導體，該電流在導體周圍產生磁場。電流流經電流傳感器，使偏振光傳播入玻璃制品。于是，確定了玻璃制品中的偏振光的旋轉角，從而能夠測出電流。
還相對于例示的玻璃描述了本發明，其成份在表1-3中以計算的摩爾％給出。根據表1-3的成份，配方、混合和熔化玻璃原料。從每爐玻璃中制備測試片，用于測光彈性系數和Verdet常數值。在表1-3中給出測得的值，分別以(nm／cm)／(kg-cm2)和度／(kA-T／m)m為單位。
用下述方法制備具有示于表1-3的成份的玻璃。
表1的玻璃把原料成份加以混合，并且裝入鉑坩堝。將坩堝移入工作在1000℃的爐子，并且使原料在空氣中熔化達半小時。將熔化物倒在鋼板上，以形成玻璃餅(pattie)，把它們在400℃下退火。
表2的玻璃在雙干燥箱(double dry box)內混合原料，并且在氮氣下放在鉑坩堝中使其熔化，而不將原料或熔化物暴露在空氣中。在1000℃下熔化達30分鐘。在鋼板上澆鑄熔化的玻璃并且在300℃下退火。
表3氧化物玻璃把原料成份加以混合，裝入鉑坩堝，并且在爐中在1000℃下熔化達半小時。將熔化物在接近樣品的玻璃轉變溫度的溫度下澆鑄和退火。
表1
注意光彈性系數在546nm處以(nm／cm)／(kg／cm2)為單位測量。
Verdet常數在1150nm處以度／kA為單位測量。
玻璃成份1和3是比較成份，它們示出不同的金屬氟化物組分(尤其是CdF2和PbF2的含量)的影響。很顯然，CdF2增加和PbF2減少有增大光彈性系數的趨勢。這允許修整光彈性系數的值同時對于所需的Verdet常數具有預期的值。
表2
表3
雖然為了說明的目的已經詳細描述了本發明，但應該明白，這種細節完全是為了該目的。熟悉本領域的人能夠在其中作出改變而不偏離由下面的權利要求書確定的本發明的精神。
權利要求
1．一種用于在磁場中測量電流的裝置，其特征在于，所述裝置包括玻璃制品，所述玻璃在546nm處具有從約-0．2至約0．2的光彈性系數，所述玻璃是從由氟氧化物和含氧化鉍玻璃構成的玻璃族中選出的。
2．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述玻璃制品是光纖或玻璃塊。
3．如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述玻璃制品是光纖，所述光纖包括纖心；以及包層，它圍繞所述纖心，所述包層的折射率低于所述纖心的折射率。
4．如權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述光纖具有輸入端和輸出端，并且所述裝置還具有電流導體，所述光纖圍繞它纏繞；光線源，如此設置所述光線源，從而把所述光線引至所述光纖的所述輸入端；偏振器，如此所述偏振器放置在所述光線源和所述光纖的所述輸入端之間，從而進入所述光纖的光線線偏振；檢偏振器，它位于所述光纖的輸出端，用于提供相應于所述光線的旋轉角的輸出；以及用于指出測得的相應于所述檢偏振器輸出的電流的裝置。
5．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，光彈性系數約為零。
6．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述玻璃是氟氧化物玻璃，它在1150nm處具有從約0．20至約0．33度／(kA-T／m)m的Verdet常數。
7．如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述氟氧化物玻璃成份包括小于64重量％的PbF2。
8．如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述氟氧化物玻璃成份包括30至50摩爾％的SiO2、0至8摩爾％的Al2O3、0至5摩爾％的YF3、27至33摩爾％的PbF2、0至5％的ZnF2、以及10至30％的CdF2。
9．如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述氟氧化物玻璃成份包括28至34摩爾％的AlF3、27．5至30．5摩爾％的PbF2、5至8摩爾％的LiF、2至6摩爾％的KF、4至6．5摩爾％的YF3、11至14摩爾％的CdF2、以及10至14摩爾％的CdO。
10．如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述氟氧化物玻璃成份還包括0至10摩爾％的LaF3。
11．如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述玻璃是氧化物玻璃，它包括45至65摩爾％的AlF3、0至40摩爾％的MO、0至25摩爾％的M′2O、0至30摩爾％的B2O3、0至35摩爾％的SiO2、0至20摩爾％的GeO2、以及0至30摩爾％的Ga2O3，這里，M是Zn、Cd、Be、Mg、Ca、Sr、或Ba，而M′是Li、Na、K、Rb、或Cs；并且所述氧化物玻璃在546nm處具有從約-0．2至約0．2的光彈性系數。
12．如權利要求11所述的裝置，其特征在于，所述氧化物玻璃還包括0至30摩爾％的PbO和0至20摩爾％的TL2O，其中，PbO+TL2O為30摩爾％。
13．如權利要求11所述的裝置，其特征在于，硼、硅、鎵、和鍺的氧化物的總和是從10至35摩爾％。
14．如權利要求11所述的裝置，其特征在于，所述玻璃制品具有Verdet常數，它只允許小于90度的Faraday效應，其中，Verdet常數小于0．45度／(kA-T／m)m而電流最大值為200kA。
15．如權利要求11所述的裝置，其特征在于，所述氧化物玻璃在1150nm處具有從約0．60至約0．90度／(kA-T／m)m的Verdet常數。
16．一種在磁場中測量電流的方法，其特征在于，所述方法包括作為電流傳感器，提供一個玻璃制品，它在546nm處具有從-0．2至約0．2的光彈性系數，它能使得經所述光纖傳播的偏振光產生角度旋轉，并且它是從包括氟氧化物和含氧化鉍的玻璃的玻璃族構成的組中選出的玻璃；使電流通過導體，所述導體在其周圍產生磁場，其中，所述電流流經所述電流傳感器；使所述偏振光傳播入所述光纖；以及確定在所述光纖中的所述偏振光的旋轉角，從而能夠測出所述電流。
17．如權利要求17所述的方法，其特征在于，所選的玻璃是氟氧化物玻璃，它包括小于64重量％的PbF2。
18．如權利要求17所述的方法，其特征在于，所述氟氧化物玻璃成份包括30至50摩爾％的SiO2、10至20摩爾％的Al2O3、0至5摩爾％的YF3、27至33摩爾％的PbF2、0至5％的ZnF2、以及10至30％的CdF2。
19．如權利要求17所述的方法，其特征在于，所述氟氧化物玻璃成份包括28至34摩爾％的AlF3、27．5至30．5摩爾％的PbF2、5至8摩爾％的LiF、2至6摩爾％的KF、4至6．5摩爾％的YF3、11至14摩爾％的CdF2、以及10至14摩爾％的CdO。
20．如權利要求17所述的方法，其特征在于，所述氟氧化物玻璃在1150nm處具有從約0．20至約0．33度／(kA-T／m)m的Verdet常數。
21．如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述玻璃制品是光纖，所述光纖包括纖心；以及包層，它圍繞所述纖心，所述包層的折射率低于所述纖心的折射率。
22．如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法包括由激光器傳播偏振光。
23．如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法包括通過下述步驟確定旋轉角用檢偏振器檢測相應于所述旋轉角的所述光纖的輸出；以及指出相應于所述輸出的被測電流。
24．如權利要求16所述的方法，其特征在于，選出的玻璃是氧化鉍玻璃，其中，該氧化物玻璃包括45至65摩爾％的AlF3、0至40摩爾％的MO、0至25摩爾％的M′2O、0至30摩爾％的B2O3、0至35摩爾％的SiO2、0至20摩爾％的GeO2、以及0至30摩爾％的Ga2O3，這里，M是Zn、Cd、Be、Mg、Ca、Sr、或Ba，而M′是Li、Na、K、Rb、或Cs；并且所述氧化物玻璃在546nm處具有從約-0．2至約0．2的光彈性系數。
25．如權利要求24所述的方法，所述氧化物玻璃還包括0至30摩爾％的PbO和0至20摩爾％的TL2O，其中，PbO+TL2O為30摩爾％。
26．如權利要求25所述的方法，硼、硅、鎵、和鍺的氧化物的總和是從10至35摩爾％。
27．如權利要求24所述的方法，其特征在于，所述玻璃制品具有Verdet常數，它只允許小于90度的Faraday效應，其中，Verdet常數小于0．45度／(kA-T／m)m而電流最大值為200kA。
28．如權利要求24所述的方法，其特征在于，所述氧化物玻璃在1150nm處具有從約0．60至約0．90度／(kA-T／m)m的Verdet常數。
全文摘要
本發明涉及一種包括玻璃制品(3)用于在磁場中測量電流的裝置,其中,玻璃可以是氟氧化物玻璃或氧化鉍玻璃,它在546nm處具有從－0.2至0.2的光彈性系數。此外,本發明還涉及測量電流的方法。
文檔編號G01R33/032GK1292877SQ99803652
公開日2001年4月25日 申請日期1999年2月9日 優先權日1998年3月16日
發明者B·G·艾特肯, N·F·博雷利, L·K·科尼利厄斯, J·J·普賴斯, P·A·蒂克 申請人:康寧股份有限公司