ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к устройству для измерения электрического тока с использованием эффекта Фарадея и, в частности, к отражательному устройству измерения электрического тока, в котором свет падает на один конец оптического волокна для датчика и отражается от другого его конца.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Известно устройство для измерения электрического тока, в котором используется эффект Фарадея в оптическом волокне, и которое имеет ряд преимуществ, таких как небольшой размер, гибкость, устойчивость к электромагнитным помехам, возможность передачи сигнала на большие расстояния, электрическая прочность и т.п. В качестве примера устройства для измерения электрического тока патентный документ 1 (WO 2006/022178) раскрывает отражательное устройство для измерения электрического тока, которое использует эффект Фарадея, то есть, использует вращение плоскости поляризации света под действием магнитного поля.
[0003] Это устройство для измерения электрического тока представляет собой отражательное устройство для измерения электрического тока, которое использует волокно из свинцового стекла в качестве оптического волокна для датчика, и в котором, в другом конце оптического волокна для датчика расположено зеркало. Оптическое волокно для датчика размещается вокруг периферии электрического проводника, через который течет измеряемый электрический ток, для регистрации измеряемого электрического тока. По сути, когда линейно поляризованный свет, падающий с одного конца оптического волокна для датчика, направляется к зеркалу и возвращается, то регистрируется Фарадеевский угол вращения линейно поляризованного света, вращаемого магнитным полем измеряемого электрического тока. Устройство для измерения электрического тока также включает в себя Фарадеевское вращающее устройство, выполненное из ферромагнитного кристалла, такого как YIG.
[0004] Однако, Фарадеевский угол вращения Фарадеевского вращающего устройства, используемого в устройстве для измерения электрического тока, имеет характеристику (температурная характеристика), зависящую от температуры окружающей среды. Оптическое волокно для датчика также имеет температурную характеристику относительной погрешности, следующую из температурной зависимости постоянной Верде и Фарадеевского угла вращения. Таким образом, необходимо выполнить не только компенсацию в Фарадеевском вращающем устройстве, но также и компенсацию (коррекцию) температурной характеристики оптического волокна для датчика. В качестве устройства для измерения электрического тока, который полностью компенсирует температурные характеристики и Фарадеевского вращающего устройства, и оптического волокна для датчика, настоящие авторы изобрели устройство для измерения электрического тока, который имеет диапазон колебаний относительной погрешности в пределах ±0,5%, или ±0,2% (см. Патентная Литература 2).
[0005] Устройство для измерения электрического тока, описанный в патентном документе 2 (JP 2010-271292A), сконфигурировано как включающее в себя, по меньшей мере, оптическое волокно для датчика, поляризационный разделитель, Фарадеевское вращающее устройство, источник света и схемы обработки сигналов, включающие в себя элемент фотоэлектрического преобразования. Оптическое волокно для датчика размещается вокруг периферии электрического проводника, через который течет измеряемый электрический ток. Кроме того, Фарадеевский угол вращения Фарадеевского вращающего устройства в момент магнитного насыщения задается как 22,5°+α° при температуре 23°С для изменения Фарадеевского угла вращения максимум на α° от 22,5°, чтобы диапазон колебаний относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока, выводимого из схемы обработки сигналов, находился в пределах ±0,5% или ±0,2% в температурном диапазоне между -20°С или выше и 80°С или ниже.
[0006] Уменьшая диапазон колебаний относительной погрешности Фарадеевского вращающего устройства, диапазон колебаний относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока, выводимого из схемы обработки сигналов, снижается до пределов ±0,5% или ±0,2%. Поэтому, компенсация температурной характеристики относительной погрешности измеряемого значения может быть выполнена в Фарадеевском вращающем устройстве, тем самым улучшая надежность устройства для измерения электрического тока. Кроме того, понижая диапазон колебаний относительной погрешности до пределов ±0,5% или ±0,2%, оказывается возможным получить устройство для измерения электрического тока, которое может быть применено для релейной защиты.
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Патентная литература
[0007] Патентный документ 1: WO 2006/022178 (страницы 4-7, Фиг.18)
Патентный документ 2: JP 2010-271292 A
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая Проблема
[0008] Однако, когда настоящие авторы фактически сжали диапазон колебаний относительной погрешности в устройстве для измерения электрического тока до пределов ±0,5%, настоящие авторы обнаружили при рассмотрении устройства для измерения электрического тока в Патентном документе 2, что двулучепреломление, присущее оптическому волокну для датчика, может быть важным соответствующим объектом для компенсации.
[0009] Оптическое волокно для датчика имеет двулучепреломление даже в линейном состоянии. Вышеупомянутое оптическое волокно для датчика размещается вокруг периферии электрического проводника. Соответственно, оптическое волокно для датчика отклоняется от линейного состояния. Эта деформация наряду с изгибом создает напряжение в оптическом волокне для датчика, и напряжение создает большее двулучепреломление в оптическом волокне для датчика. Следовательно, настоящие авторы обнаружили, что поскольку относительная погрешность уменьшается больше, две распространяющиеся моды, каждая имеющая неконтролируемую фазу, выводятся в момент вывода из оптического волокна для датчика, и возникают значительные флуктуации и затухание в выходном сигнале устройства для измерения электрического тока.
[0010] Когда настоящие авторы фактически измерили диапазон колебаний относительной погрешности в устройстве для измерения электрического тока, раскрытом в Патентном документе 2, как показано на Фиг.31, диапазон колебаний относительной погрешности, следующий из двулучепреломления оптического волокна для датчика, был обнаружен как находящийся в диапазоне приблизительно от -1,0% и приблизительно до 1,2% (в диапазоне приблизительно от -0,7% и приблизительно до 1,2% в температурном диапазоне между -20°С или выше, и 80°С или ниже) для измеряемого значения измеряемого выходного сигнала электрического тока от устройства для измерения электрического тока. Соответственно, настоящие авторы обнаружили, что затруднительно сжать диапазон колебаний относительной погрешности измеряемого значения для измеряемого электрического тока до пределов ±0,5% уменьшая только диапазон колебаний относительной погрешности Фарадеевского вращающего устройства, как описано выше.
[0011] Настоящее изобретение реализуется с учетом вышеупомянутых обстоятельств и цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить устройство для измерения электрического тока, позволяющий получить диапазон колебаний относительной погрешности на выходе надежно в пределах ±0,5%, и позволяющий получить облегченную сборку.
Решение Проблемы
[0012] Вышеупомянутая проблема решается в соответствии с настоящим изобретением, описанным ниже.
(1) Устройство для измерения электрического тока, по меньшей мере, включает в себя блок испускания падающего света, оптическое волокно для датчика, Фарадеевское вращающее устройство, первую четвертьволновую, то есть 1/4 длины волны, пластину, и вторую четвертьволновую, то есть 1/4 длины волны, пластину, поляризационный разделитель, источник света, и схему обработки сигналов, включающую в себя элемент фотоэлектрического преобразования.
Блок испускания падающего света образован двумя скомпонованными волноводами.
Блок испускания падающего света, поляризационный разделитель, первая четвертьволновая пластина, вторая четвертьволновая пластина, Фарадеевское вращающее устройство, и оптическое волокно для датчика размещены в данном порядке.
Оптическое волокно для датчика является двулучепреломляющим, предоставляется вокруг периферии электрического проводника, через который течет измеряемый электрический ток, и включает в себя первый конец, на который падают два циркулярно-поляризованных световых пучка, имеющих различные углы вращения, и второй конец, отражающий падающие циркулярно-поляризованные световые пучки.
Вторая четвертьволновая пластина предоставляется на первой крайней стороне оптического волокна для датчика.
Фарадеевское вращающее устройство размещено между первой крайней стороной оптического волокна для датчика и второй четвертьволновой пластиной.
Свет, испускаемый из источника света, отражается на втором конце, образуя возвратный оптический путь, состоящий из разделителя поляризации, первой четвертьволновой пластины, второй четвертьволновой пластины, Фарадеевского вращающего устройства, и оптического волокна для датчика, в котором свет возвращается назад.
На возвратном оптическом пути между первой четвертьволновой пластиной и второй четвертьволновой пластиной, распространяются два линейно поляризованных световых пучка, и разность фаз между двумя линейно поляризованными световыми пучками на возвратном оптическом пути между первой четвертьволновой пластиной и второй четвертьволновой пластиной компенсируется.
Фарадеевский угол вращения Фарадеевского вращающего устройства в момент магнитного насыщения устанавливается как 22,5°+α° (фактор) при температуре 23°С, и диапазон колебаний относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока, выводимого из схемы обработки сигналов, устанавливается в пределах ±0,5%.
Направления кристаллических осей на соответствующих оптических поверхностях первой четвертьволновой пластины и второй четвертьволновой пластины устанавливаются как перпендикулярные друг другу, или в одном направлении.
[0013] Возвратный оптический путь между первой четвертьволновой пластиной и второй четвертьволновой пластиной, через который распространяются два линейно поляризованных световых пучка, может быть составлен сохраняющим поляризацию волокном (PMF) или двумя двулучепреломляющими элементами, в которых соответствуют направления кристаллических осей на оптических поверхностях, и в этих направлениях, в которых смещен необыкновенный световой пучок, устанавливаются как инвертированные.
[0014] (2) В устройстве для измерения электрического тока в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, направление кристаллической оси на оптической поверхности поляризационного разделителя и направление кристаллической оси на оптической поверхности первой четвертьволновой пластины устанавливаются как перпендикулярные друг другу, или в одном направлении.
[0015] (3) В устройстве для измерения электрического тока в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения, направление кристаллической оси на оптической поверхности поляризационного разделителя, направление кристаллической оси на оптической поверхности первой четвертьволновой пластины, и направление кристаллической оси на оптической поверхности второй четвертьволновой пластины устанавливаются как находящиеся в одном направлении.
[0016] (4) В устройстве для измерения электрического тока в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения, температурный диапазон, в котором диапазон колебаний устанавливается в пределах ±0,5%, составляет предпочтительно 100 градусов по шкале Цельсия.
[0017] (5) В устройстве для измерения электрического тока в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения, температурный диапазон 100 градусов по шкале Цельсия, составляет предпочтительно между -20°С или выше, и 80°С или ниже.
[0018] (6) В устройстве для измерения электрического тока в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения, Фарадеевское вращающее устройство предпочтительно имеет температурную характеристику Фарадеевского угла вращения, в котором Фарадеевский угол вращения в момент магнитного насыщения изменяется квадратичным образом с изменением температуры.
[0019] (7) В устройстве для измерения электрического тока в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения, Фарадеевское вращающее устройство предпочтительно составлено двумя или более Фарадеевскими элементами.
[0020] (8) В устройстве для измерения электрического тока в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения, Фарадеевские углы вращения двух или более Фарадеевских элементов предпочтительно отличаются друг от друга.
[0021] (9) В устройстве для измерения электрического тока в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения, диапазон колебаний относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока, выводимого из схемы обработки сигналов, предпочтительно устанавливается в пределах ±0,2%.
[0022] (10) В устройстве для измерения электрического тока в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения, температурный диапазон, в котором диапазон колебаний устанавливается в пределах ±0,2%, составляет предпочтительно 100 градусов по шкале Цельсия.
[0023] (11) В устройстве для измерения электрического тока в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения, температурный диапазон 100 градусов по шкале Цельсия находится предпочтительно между -20°С или выше, и 80°С или ниже.
[0024] (12) В устройстве для измерения электрического тока в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения, оптическое волокно для датчика предпочтительно представляет собой волокно из свинцового стекла.
Преимущественные эффекты изобретения
[0025] В соответствии с настоящим изобретением, описанным в п.1 формулы, (то есть, изобретение, описанное в вышеупомянутом пункте (1)), в дополнение к изменению угла вращения Фарадеевского вращающего устройства не меньше чем на α° от 22,5° при температуре 23°С для уменьшения диапазона колебаний относительной погрешности в устройстве для измерения электрического тока, относительная погрешность, наряду с двулучепреломлением, присущим оптическому волокну для датчика, компенсируется, и разность фаз между двумя линейно поляризованными световыми пучками на возвратном оптическом пути между первой четвертьволновой пластиной и второй четвертьволновой пластиной компенсируется. Соответственно, компенсируются все разности фаз, отличные от разности фаз угла вращения Фарадеевского вращающего устройства, кроме разности фаз φ, вызванной Фарадеевским эффектом в оптическом волокне для датчика, и не появляются на выходе устройства для измерения электрического тока. Следовательно, поскольку диапазон колебаний относительной погрешности, следующей из двулучепреломления оптического волокна для датчика (приблизительно от -0,1% и приблизительно до 1,2%) компенсируется, и разность фаз между двумя линейно поляризованными световыми пучками на возвратном оптическом пути между первой четвертьволновой пластиной и второй четвертьволновой пластиной компенсируется, диапазон колебаний относительной погрешности на выходе устройства для измерения электрического тока может быть надежно установлен в пределах ±0,5%.
[0026] Кроме того, поскольку компенсируются разности фаз, отличные от разности фаз угла вращения Фарадеевского вращающего устройства, кроме разности фаз φ, выход устройства для измерения электрического тока не подвержен влиянию изменений фазы во время распространения света в оптическом волокне устройства для измерения электрического тока вследствие возникновения возмущений. Соответственно, выходная характеристика устройства для измерения электрического тока может быть стабилизирована.
[0027] Кроме того, направления кристаллических осей на соответствующих оптических поверхностях первой и второй четвертьволновых пластинах устанавливаются как перпендикулярные, или в одинаковых направлениях. Соответственно, даже в случае, когда число компонентов увеличивается настолько, что две четвертьволновые пластины, когда собирается устройство для измерения электрического тока, использующий циркулярно-поляризованные световые пучки, не требуется точная регулировка углов соответственных кристаллических осей. Таким образом, удается осуществить эффективное сжатие диапазона колебаний относительной погрешности до пределов ±0,5% и одновременно может быть достигнуто упрощение сборки компонентов.
[0028] И, кроме того, поскольку аппарат для измерения электрического тока в соответствии с настоящим изобретением может быть выполнен в целом независимо от вида оптического волокна для датчика, выход годных изделий устройства для измерения электрического тока также может быть улучшен.
[0029] Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением, описанным в п.2 формулы (то есть, изобретение, описанное в вышеупомянутом пункте (2)), в дополнение к эффекту изобретения, описанного в п.1 формулы, не требуется тонкая регулировка углов соответственных кристаллических осей, когда поляризационный разделитель устанавливается к первой четвертьволновой пластине. Таким образом, операция сборки поляризационного разделителя и первой четвертьволновой пластины может быть упрощена.
[0030] Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением, описанным в п.3 формулы (то есть, изобретение, описанное в вышеупомянутом пункте (3)), в дополнение к эффекту изобретения, описанному в п.1 формулы, не требуется регулировка углов кристаллических осей поляризационного разделителя и двух четвертьволновых пластин и не требуется операция установки поляризационного разделителя и двух четвертьволновых пластин. Таким образом, операция сборки поляризационного разделителя и двух четвертьволновых пластин может быть дополнительно упрощена.
[0031] И, кроме того, в соответствии с настоящим изобретением, описанным в пп.4 и 5 или 10 и 11 формулы (то есть, изобретение, описанное в вышеупомянутых пунктах (4) и (5) или (10) и (11)), посредством достижения диапазона колебаний относительной погрешности ±0,5% или ±0,2% по температурному диапазону 100 градусов по шкале Цельсия (между -20°С или выше, и 80°С или ниже), оказывается возможным предоставить устройство для измерения электрического тока, применимый для покрытия обычного диапазона температур, который простирается от -10°С или выше, и 40°С или ниже.
[0032] И, кроме того, в соответствии с настоящим изобретением, описанным в п.6 или 9 формулы (то есть, изобретение, описанное в вышеупомянутых пунктах (6) или (9)), предоставляя Фарадеевское вращающее устройство, имеющее температурную характеристику Фарадеевского угла вращения, в которой Фарадеевский угол вращения в момент магнитного насыщения изменяется квадратичным образом при увеличении температуры, оказывается возможным сжать диапазон колебаний относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока, выводимого из схемы обработки сигналов, до пределов ±0,5% или ±0,2%. Соответственно, устройство для измерения электрического тока может использоваться для такого применения, в котором требуется температурная характеристика относительной погрешности в пределах ±0,2% (например, счетчик электроэнергии для измерения расхода электроэнергии, что требует точного измерения), в дополнение к применению в пределах ±0,5%.
[0033] И, кроме того, в соответствии с настоящим изобретением, описанным в п.7 (то есть, изобретение, описанное в вышеупомянутом пункте (7)) формулы, Фарадеевское вращающее устройство, имеющее желаемый угол вращения, может быть получено как стационарное.
[0034] И, кроме того, в соответствии с настоящим изобретением, описанным в п.8 (то есть, изобретение, описанное в вышеупомянутом пункте (8)) формулы, поскольку Фарадеевские углы вращения соответствующих Фарадеевских элементов могут отличаться друг от друга, температурная характеристика каждого Фарадеевского элемента может быть выбрана с желаемой характеристикой.
[0035] И, кроме того, в соответствии с настоящим изобретением, описанным в п.12 (то есть, изобретение описало в вышеупомянутом пункте (12)) формулы, даже когда волокно из свинцового стекла используется для оптического волокна для датчика, оказывается возможным сжать диапазон колебаний относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока, выводимого из схемы обработки сигналов, до пределов ±0,5% (или ±0,2%).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0036] Фиг.1 изображает пояснительную схему, иллюстрирующую конфигурацию устройства для измерения электрического тока в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
Фиг.2 - пояснительная схема, иллюстрирующая конфигурацию оптической системы (за исключением циркулятора) в устройстве для измерения электрического тока на Фиг.1.
Фиг.3 - перспективный вид, показывающий расположение соответствующих компонентов от блока испускания падающего света к сохраняющему поляризацию волокну и состояние поляризации света на внешнем контуре в устройстве для измерения электрического тока на Фиг.2.
Фиг.4 - перспективный вид, показывающий расположение соответствующих компонентов от сохраняющего поляризацию волокна к оптическому волокну для датчика и состояние поляризации света на внешнем контуре в устройстве для измерения электрического тока на Фиг.2.
Фиг,5 - вид крайней поверхности сохраняющего поляризацию волокна, показывающий направления сохраняющих поляризацию осей сохраняющего поляризацию волокна на Фиг.2, и состояния поляризации световых пучков, падающих на сохраняющее поляризацию волокно.
Фиг.6 - направление кристаллических осей второй четвертьволновой пластины на Фиг.2 и состояний поляризации световых пучков, направляемых ко второй четвертьволновой пластине.
Фиг.7 - состояния поляризации распространяющихся световых пучков от испускания от первого оптического волокна до отражения на другом конце оптического волокна для датчика в устройстве для измерения электрического тока на Фиг.2.
Фиг.8 - перспективный вид, показывающий расположение соответствующих компонентов от сохраняющего поляризацию волокна до оптического волокна для датчика, и состояние поляризации света на внутреннем контуре в устройстве для измерения электрического тока на Фиг.2.
Фиг.9 - перспективный вид, показывающий расположение соответствующих компонентов от блока испускания падающего света до сохраняющего поляризацию волокна, и состояние поляризации света на внутреннем контуре в устройстве для измерения электрического тока на Фиг.2.
Фиг.10 - состояния поляризации распространяющихся световых пучков от отражения в другом конце оптического волокна для датчика до падения на первое и второе оптические волокна в устройстве для измерения электрического тока на Фиг.2.
Фиг.11 - график, схематично показывающий температурную характеристику относительной погрешности в температурном диапазоне между -20°С или выше и 80°С или ниже, в устройстве для измерения электрического тока, включающего в себя Фарадеевское вращающее устройство, имеющее Фарадеевский угол вращения 45° при температуре 23°С, когда циркулярно-поляризованный свет проходит возвратно-поступательным образом.
Фиг.12 - график, схематично показывающий температурную зависимость Фарадеевского угла вращения, когда Фарадеевский угол вращения при температуре 23°С изменяется на α° от 22,5° и свет проходит возвратно-поступательным образом.
Фиг.13 - график, схематично показывающий температурную характеристику относительной погрешности в температурном диапазоне между -20°С или выше и 80°С или ниже, в устройстве для измерения электрического тока, включающего в себя Фарадеевское вращающее устройство, когда Фарадеевский угол вращения изменяется на α° от 22,5° и кривая температурной характеристики относительной погрешности сдвигается в сторону высокой температуры.
Фиг.14 - график, показывающий пример температурной характеристики относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока, выводимого из схемы обработки сигналов в устройстве для измерения электрического тока в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
Фиг.15 - график, схематично показывающий температурную характеристику относительной погрешности волокна из свинцового стекла, которое используется как оптическое волокно для датчика.
Фиг.16 - схема конфигурации, иллюстрирующая другой вариант работы устройства для измерения электрического тока в соответствии с Фиг.2.
Фиг.17 - график, схематично показывающий температурную характеристику Фарадеевского угла вращения первого Фарадеевского элемента.
Фиг.18 - график, схематично показывающий температурную характеристику Фарадеевского угла вращения второго Фарадеевского элемента.
Фиг.19 - график, показывающий температурную характеристику Фарадеевского угла вращения, в котором температурные характеристики Фарадеевских углов вращения, показанные на Фиг.17 и 18, объединены.
Фиг.20 - график, показывающий пример температурной характеристики относительной погрешности устройства для измерения электрического тока в измеряемом значении измеряемого электрического тока, полученный из температурной зависимости Фарадеевского угла вращения, показанной на Фиг.19.
Фиг.21 - частичный схематический вид, показывающий пример модификации формы каждой крайней поверхности первого оптического волокна и второго оптического волокна.
Фиг.22 - перспективный вид, показывающий другую форму возвратного оптического пути между первой четвертьволновой пластиной и второй четвертьволновой пластиной на Фиг.2.
Фиг.23 - перспективный вид, показывающий пример модификации устройства для измерения электрического тока в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
Фиг.24 - график, показывающий температурную характеристику относительной погрешности в Примере 1 устройства для измерения электрического тока настоящего изобретения.
Фиг.25 - график, показывающий пример температурной характеристики Фарадеевского угла вращения Фарадеевского элемента 27a в Примере 2 устройства для измерения электрического тока настоящего изобретения.
Фиг.26 - график, показывающий пример температурной характеристики Фарадеевского угла вращения Фарадеевского элемента 27b в Примере 2 устройства для измерения электрического тока настоящего изобретения.
Фиг.27 - график, показывающий пример температурной характеристики полного Фарадеевского угла вращения Фарадеевских элементов 27a и 27b в Примере 2 устройства для измерения электрического тока в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.28 - график, показывающий температурную характеристику относительной погрешности в Примере 2 устройства для измерения электрического тока настоящего изобретения.
Фиг.29 - график, показывающий температурную характеристику Фарадеевского угла вращения Фарадеевского вращающего устройства в Примере 3 устройства для измерения электрического тока настоящего изобретения.
Фиг.30 - график, показывающий температурную характеристику относительной погрешности в Примере 3 устройства для измерения электрического тока настоящего изобретения.
Фиг.31 - график, показывающий температурную характеристику относительной погрешности, иллюстрирующий диапазон колебания относительной погрешности устройства для измерения электрического тока, раскрытого в упомянутом выше Патентном документе 2.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0037] Ниже, в связи с чертежами, подробно описывается устройство для измерения электрического тока в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Устройство 1 для измерения электрического тока, показанное на Фиг.1, сконфигурировано как включающее в себя, по меньшей мере, блок испускания падающего света, оптическое волокно для датчика 2, Фарадеевское вращающее устройство 3, первую четвертьволновую пластину 4 и вторую четвертьволновую пластину 5, поляризационный разделитель 6, источник 7 света и схему 8 обработки сигналов, включающую в себя элементы 13a и 13b фотоэлектрического преобразования. Кроме того, свет, испускаемый из источника 7 света, отражается на другом конце оптического волокна для датчика 2, образуя возвратный оптический путь из поляризационного разделителя 6, первой четвертьволновой пластины 4, второй четвертьволновой пластины 5, Фарадеевского вращающего устройства 3, и оптического волокна для датчика 2, по которым свет возвращается назад.
[0038] При этом, в нижеследующем описании, принята показанная на Фиг.1 ортогональная система координат XYZ, и позиционное соотношение соответствующих компонентов описывается в связи с этой ортогональной системой координат XYZ. Направление распространения света от поляризационного разделителя 6 к оптическому волокну для датчика 2 выбрано как оси Z, и горизонтальное направление и вертикальное направление в плоскости, перпендикулярной к оси Z, выбраны как ось X и ось Y, соответственно. Ортогональные системы координат XYZ, показанные на Фиг.1-23, соответствуют друг другу на соответствующих чертежах.
[0039] Устройство 1 для измерения электрического тока в целом включает в себя источник 7 света, схему 8 обработки сигналов и оптическую систему 9, как показано на Фиг.1, и оптическая система 9 включает в себя соответствующие компоненты, показанные на Фиг.2, и циркулятор 10, Блок испускания падающего света составлен первым оптическим волокном 11 и вторым оптическим волокном 12, сконфигурированными как два волновода. Кроме того, как соответствующие компоненты, показанные на Фиг.2-4, блок испускания падающего света, поляризационный разделитель 6, первая четвертьволновая пластина 4, вторая четвертьволновая пластина 5, Фарадеевское вращающее устройство 3, и оптическое волокно для датчика 2 размещены в данном порядке.
[0040] Линейно поляризованный свет L1, имеющий направление поляризации, параллельное направлению X оси, падает на поляризационный разделитель 6. Линейно поляризованный свет L1 падает от первого оптического волокна 11 на поляризационный разделитель 6, как показано на Фиг.2 и 3.
[0041] Первое оптическое волокно 11 является сохраняющим поляризацию волокном, и оптическим волокном, которое может пропускать свет, сохраняя линейное состояние поляризации (так называемое PMF; Сохраняющее Поляризацию волокно), и крайняя поверхность 11a на одной крайней его стороне размещена близко к разделителю 6 поляризации. Альтернативно, крайняя поверхность 11a и поляризационный разделитель 6 могут быть размещены как примыкающие друг к другу. В результате первое оптическое волокно 11 имеет функцию пропускания линейно поляризованного света L1 как падающего на поляризационный разделитель 6 и распространяющегося как обыкновенный световой луч LO, испускаемый от поляризационного разделителя 6 к элементу 13a фотоэлектрического преобразования. Это сохраняющее поляризацию волокно размещено так, чтобы основная его ось могла соответствовать направлению поляризации (направление оси X) линейно поляризованного света L1.
[0042] Второе оптическое волокно 12 представляет собой одномодовое оптическое волокно, многомодовое оптическое волокно, или сохраняющее поляризацию волокно, и крайняя поверхность 12a на одной крайней его стороне размещена близко к разделителю 6 поляризации. Альтернативно, крайняя поверхность 12a и поляризационный разделитель 6 могут быть размещены как примыкающие друг к другу. В результате, второе оптическое волокно 12 имеет функцию распространения необыкновенного светового луча LE, испускаемого от поляризационного разделителя 6 к элементу 13b фотоэлектрического преобразования.
[0043] В случае настоящего варианта реализации, первое и второе оптические волокна 11 и 12 имеют крайней поверхности 11a и 12a на крайних сторонах, размещенных на одной плоскости и поддерживаются металлической муфтой 14 с двойной сердцевиной до заданного промежутка, располагаемого между ними. Вышеупомянутый заданный промежуток устанавливается в соответствии с толщиной поляризационного разделителя 6, имеющего форму параллельной плоской пластины, и физическими свойствами материала для поляризационного разделителя 6. Вышеупомянутый заданный промежуток соответствует пространству разделения поляризационного разделителя 6, чтобы дать возможность обыкновенному световому лучу LO и необыкновенному световому лучу LE падать в соответствующие сердцевины соответствующих оптических волокон 11 и 12. Следует отметить, что средство для поддержания заданного промежутка между первым и вторым оптическими волокнами 11 и 12 не должно быть ограничено металлической муфтой 14 и может быть матричной подложкой, снабженной двумя параллельными V-образными проточками. Размещая оптические волокна 11 и 12 в V-образных проточках, оптические волокна 11 и 12 могут быть соответственно позиционированы.
[0044] Поляризационный разделитель 6 представляет собой пропускающий свет оптический элемент и устанавливается близко к стороне крайней поверхности 11a первого оптического волокна 11. Поляризационный разделитель 6 выполнен из двулучепреломляющего элемента. Поляризационный разделитель 6 имеет функцию поляризационно-разделяющего элемента, который позволяет линейно поляризованному свету проходить через него как он есть, если линейно поляризованный свет падает перпендикулярно кристаллической оси, и позволяет линейно поляризованному свету смещаться параллельно и испускаться из него, когда линейно поляризованный свет падает вдоль кристаллической оси. Когда падает линейно поляризованный свет, имеющий плоскость поляризации, отличную от этих двух плоскостей, перпендикулярных друг к другу, то линейно поляризованный свет разделяется на соответствующие векторные компоненты в соответствии с интенсивностью света, и обыкновенный световой луч проходит так, как он есть, тогда как необыкновенный свет смещается параллельно и испускается. Соответственно, поляризационный разделитель 6 имеет функцию разделения линейно поляризованного света, распространяющегося от стороны оптического волокна для датчика 2, на обыкновенный световой луч LO и необыкновенный световой луч LE, со взаимно перпендикулярными поляризациями, и позволяет линейно поляризованному свету L1, испускаемому из источника 7 света, описанного ниже, проходить через него.
[0045] Материал для поляризационного разделителя 6 может быть выбран из рутила, YVO4, ниобата лития, и кальцита. Двулучепреломляющий элемент, выбранный из таких материалов, обрабатывается как плоская пластина, имеющая противостоящие оптические поверхности для падающего и испускаемого света, параллельные друг другу, имеющая заданную толщину как поляризационный разделитель 6. Поляризационный разделитель 6 устанавливается так, чтобы одна параллельная оптическая поверхность могла противостоять крайним поверхностям 11a и 12a первого оптического волокна 11 и второго оптического волокна 12, тогда как другая оптическая поверхность может противостоять линзе 15 и первой четвертьволновой пластине 4. Кроме того, направление кристаллической оси X61 на каждой оптической поверхности устанавливается как параллельное направлению оси Y. Когда линейно поляризованный свет падает на одну оптическую поверхность, поляризационный разделитель 6 расщепляет линейно поляризованный свет в обыкновенный световой луч LO и необыкновенный световой луч LE, и когда обыкновенный световой луч LO и необыкновенный световой луч LE испускаются от другой поверхности, поляризационный разделитель 6 испускает обыкновенный световой луч LO и необыкновенный световой луч LE параллельно с заданным промежутком разделения, расположенным между ними.
[0046] Первая четвертьволновая пластина 4 размещена как противоположная поверхности разделителя 6 поляризации так, чтобы направление кристаллической оси X41 на ее оптической поверхности могло совпадать с направлением оси X. В качестве материала для нее используется кристаллический материал, такой как кристалл кварца и фторид магния, и материал обрабатывается как плоская пластина, имеющая противостоящие оптические поверхности для падающего и испускаемого света, параллельные друг другу, и как имеющая толщину, при которой фаза линейно поляризованного света, имеющего длину волны λ, сдвинута на π/2.
[0047] На возвратном оптическом пути между первой четвертьволновой пластиной 4 и упоминаемой ниже второй четвертьволновой пластиной 5, распространяются два линейно поляризованных световых пучка. В настоящем варианте реализации, сохраняющее поляризацию волокно 17 используется как возвратный оптический путь. Сохраняющее поляризацию волокно 17 представляет собой оптическое волокно, которое может пропускать свет, сохраняя состояние линейной поляризации (PMF), и предоставляется в виде провода с сердцевиной 17a, имеющей большой показатель преломления, оболочки 17c, имеющей относительно малый показатель преломления, концентрически сформированной вокруг периферии этой сердцевины 17a, и двух прикладывающих механическое напряжение участков 17b, предоставленных в оболочке 17c, как показано на торцевом виде на Фиг,5.
[0048] Прикладывающие механическое напряжение участки 17b симметрично размещены в оболочке 17c с сердцевиной 17a, вставленной между ними, и каждое их сечение является круговым. Кроме того, их показатель преломления еще ниже, чем таковой для оболочки 17c. Для прикладывающих механическое напряжение участков 17b используется материал, имеющий больший коэффициент теплового расширения, чем таковой для оболочки 17c и, в частности, используется стекло B2O3-SiO2. Внутреннее напряжение прикладывается к сердцевине 17a от обеих сторон двумя прикладывающими механическое напряжение участками 17b (прикладывается в направлении под 45° к оси X, то есть, в направлении оси S, в случае на Фиг,5) и приводит к распределению напряжения в сердцевине 17a, асимметричному в направлении оси S и в перпендикулярном направлении (направление под 45° к оси Y, то есть, в направлении оси F), и при этом возникает двулучепреломляющая характеристика.
[0049] Благодаря этой двулучепреломляющей характеристике, линейно поляризованный свет L1, падающий в направлении поляризации, параллельном оси X, разделяется на соответствующие осевые компоненты (ось S и ось F на Фиг,5) в соответствии с данной интенсивностью света, и два линейно поляризованных световых пучка LF и LS распространяются внутри сохраняющего поляризацию волокна 17 и испускаются из него. Направление создания напряжения, или ось S, и перпендикулярное направление, или ось F, обозначаются как основные оси (сохраняющие поляризацию оси) сохраняющего поляризацию волокна. Асимметрия распределения напряжения изменяет постоянную распространения по оси S относительно таковой для оси F, чтобы предотвратить смешение поляризационных мод. Благодаря двулучепреломляющей характеристике, ось S и ось F имеют различные групповые скорости света. Когда показатель преломления для данной моды мал, групповая скорость света, распространяющегося в данном направлении, велика. Таким образом, направление оси F обозначается как быстрая ось. Аналогичным образом, направление оси S, имеющей большой показатель преломления для данной моды, обозначается как медленная ось.
[0050] Крайняя поверхность на одной крайней стороне сохраняющего поляризацию волокна 17 размещается как противостоящая линзе 15, тогда как крайняя поверхность на другой крайней стороне размещается как противоположная поверхности второй четвертьволновой пластины 5.
Каждая из крайних поверхностей устанавливается как поверхность, перпендикулярная к оптической оси сохраняющего поляризацию волокна 17.
[0051] Линза 15 размещается между крайней поверхностью на одной крайней стороне сохраняющего поляризацию волокна 17 и первой четвертьволновой пластиной 4. В настоящем варианте реализации, линза 15 является единственной линзой, и ее фокус устанавливается приблизительно в центре сердцевины на крайней поверхности сохраняющего поляризацию волокна 17.
[0052] Следует отметить, что соответствующие крайние поверхности 11a и 12a первого и второго оптических волокон 11 и 12 могут быть скошенными, будучи подвергнутыми процессу полировки, как показано на Фиг.21. Формируя крайние поверхности 11a и 12a скошенной формы таким образом, положения крайних поверхностей 11a и 12a могут быть приведены в соответствие с фокусными расстояниями для обыкновенного светового луча LO и необыкновенного светового луча LE линзы 15, чтобы дать возможность эффективно улучшить связь первого оптического волокна 11 и второго оптического волокна 12.
[0053] Вторая четвертьволновая пластина 5 используется как оптический элемент, который преобразовывает два линейно поляризованных световых пучка LF и LS, распространяющихся в сохраняющем поляризацию волокне 17, в циркулярно-поляризованные световые пучки LC1 и LC2 относительно плоскостей поляризации. В качестве материала для нее используется кристаллический материал, такой как кристаллы кварца и фторида магния, и материал обрабатывается как плоская пластина, имеющая противостоящие оптические поверхности для падающего и испускаемого света, параллельные друг другу, и как имеющая толщину, при которой фаза каждого линейно поляризованного светового пучка LF и LS, имеющего длину волны λ, смещается на π/2.
[0054] Вторая четвертьволновая пластина 5 размещается как противоположная поверхности сохраняющего поляризацию волокна 17 и размещается на одной крайней стороне оптического волокна для датчика 2. Кроме того, направление кристаллической оси X51 на каждой оптической ее поверхности устанавливается в направлении оси X под углом ±45° к направлениям поляризации двух линейно поляризованных световых пучков LF и LS, падающих из сохраняющего поляризацию волокна 17.
[0055] Соответственно, направления кристаллических осей X41 и X51 на соответствующих оптических поверхностях первой четвертьволновой пластины 4 и второй четвертьволновой пластины 5 устанавливаются в том же самом направлении, то есть, в направлении оси X. Кроме того, поскольку направление кристаллической оси X61 на оптической поверхности поляризационного разделителя 6 устанавливается в направлении оси Y, как описано выше, направление кристаллической оси X61 и направление кристаллической оси X41 устанавливаются как перпендикулярные друг другу.
[0056] Фарадеевское вращающее устройство 3 представляет собой пропускающий световой луч оптический элемент, предоставленный на его периферии с постоянным магнитом 3a, выполненным из монокристалла замещенного висмутом граната, и размещается между положением, близким к стороне одного конца 2a, служащим концом для падающего света оптического волокна для датчика 2, и второй четвертьволновой пластиной 5. Внешняя его форма обрабатывается как плоская пластина, имеющая противостоящие оптические поверхности для падающего и испускаемого света, параллельные друг другу, и имеющая заданную толщину. Фарадеевское вращающее устройство 3 дает полную разность фаз при возвратном пути света, соответствующую Фарадеевскому углу вращения благодаря магнитному насыщению для одного из двух падающих циркулярно-поляризованных световых пучков LC1 и LC2. При этом, на Фиг.4 и 8 не показан постоянный магнит 3a.
[0057] В настоящем изобретении, Фарадеевский угол вращения в момент магнитного насыщения, когда пропускаются два циркулярно-поляризованных световых пучка LC1 и LC2, устанавливается как угол, несколько измененный от 22,5° при температуре 23°С Причина для выбора температуры для измерения Фарадеевского угла вращения как 23°С заключается в том, что настоящий автор выбрал такую температуру, при которой Фарадеевский угол вращения может быть измерен наиболее легко, когда Фарадеевский угол вращения измеряется при обычной температуре. Соответственно, Фарадеевский угол вращения, когда циркулярно-поляризованный световой пучок LC1 или LC2 пропускаются через Фарадеевское вращающее устройство 3, составляет 22,5°+α°, величина незначительно изменяющаяся. Таким образом, суммарная разность фаз между циркулярно-поляризованными световыми пучками, пропускаемыми через вторую четвертьволновую пластину 5 и до прохождения через Фарадеевское вращающее устройство 3, и разность фаз между циркулярно-поляризованными световыми пучками, испускаемыми от оптического волокна для датчика 2 и пропускаемыми через Фарадеевское вращающее устройство 3, оказывается вдвое больше, чем Фарадеевский угол вращения, то есть, 45°+2α° в целом, в случае отсутствия влияния измеряемого электрического тока I. Вместе с тем, что касается направления вращения для Фарадеевского угла вращения, или правое вращение, то есть вращение в направлении по часовой стрелке, или левое вращение, то есть вращение в направлении против часовой стрелки, направление, в направлении оси Z может быть установлено произвольно, и на Фиг.3 показан случай левого вращения, в качестве примера.
[0058] На Фиг.11 приведен график, схематично показывающий температурную характеристику относительной погрешности, в температурном диапазоне между -20°С или выше, и 80°С или ниже, измеряемого значения измеряемого электрического тока, выводимого из схемы обработки сигналов устройства для измерения электрического тока, имеющего Фарадеевский угол вращения 45° при температуре 23°С, когда циркулярно-поляризованный свет пропускается возвратно-поступательным образом. Причина для установления температурного диапазона до 100 градусов по шкале Цельсия, располагающегося между -20°С или выше, и 80°С или ниже, заключается в том, что данный температурный диапазон является запросом от клиента настоящего автора.
[0059] Как показано на Фиг.11, относительная погрешность в устройстве для измерения электрического тока увеличивается нелинейным образом с увеличением температуры. В такой температурной характеристике относительной погрешности, устанавливая Фарадеевский угол вращения при температуре 23°С как изменяющийся только на небольшой угол вращения α° от 22,5°, угол вращения составляет 45°+2α° при описанном выше возвратно-поступательном движении света, как показано на Фиг.12. Следовательно, как показано на Фиг.13, кривая температурной характеристики относительной погрешности в устройстве для измерения электрического тока сдвинута в сторону высокой температуры. Это дает возможность уменьшить диапазон колебаний относительной погрешности, как это очевидно из сравнения Фиг.11 и Фиг.13. Угол вращения α° может быть установлен произвольно в пределах, в которых уменьшается диапазон колебаний относительной погрешности, когда кривая температурной характеристики относительной погрешности сдвигается. Таким образом, при изменении Фарадеевского угла вращения только на α° от 22,5°, диапазон колебаний относительной погрешности в устройстве для измерения электрического тока уменьшается.
[0060] Линза 16 размещается между Фарадеевским вращающим устройством 3 и второй четвертьволновой пластиной 5. В настоящем варианте реализации, линза 16 - это единственная линза, и ее фокус устанавливается приблизительно в центре сердцевины 17a на крайней поверхности сохраняющего поляризацию волокна 17 и приблизительно в центре сердцевины на одном конце 2a оптического волокна для датчика 2. Один конец 2a оптического волокна для датчика 2 является также установленной поверхностью, перпендикулярной к оптической оси оптического волокна 2.
[0061] Оптическое волокно для датчика 2 предоставляется вокруг периферии электрического проводника 18, через который протекает измеряемый электрический ток I. Тип волокна, составляющего оптическое волокно для датчика 2, никак специально не ограничен, но должно быть двулучепреломляющее волокно. Среди волокон волокно из свинцового стекла является подходящим для оптического волокна для датчика 2, поскольку волокно из свинцового стекла имеет характеристики с малым фотоупругим коэффициентом и имеет относительно большую постоянную Верде, которая определяет силу Фарадеевского эффекта.
[0062] Оптическое волокно для датчика 2 также включает в себя один конец 2a, на который падают два циркулярно-поляризованных световых пучка LC1 и LC2, имеющих различные углы вращения, испускаемые от Фарадеевского вращающего устройства 3, и другой его конец для отражения падающих циркулярно-поляризованных световых пучков LC1 и LC2. Другой конец снабжен зеркалом 19 в качестве отражающего элемента. Следует отметить, что другой конец может быть предоставлен с произвольным отражающим элементом, вместо зеркала 19, и примерами этого являются металлы, имеющие малое спектральную поглощательную способность и высокий коэффициент отражения для света, такие как золото, серебро, медь, хром, и алюминий, и отражающие пленки, такие как диэлектрические пленки.
[0063] Кроме того, обращаясь к Фиг.1, устройство 1 для измерения электрического тока включает в себя циркулятор 10, источник 7 света, фотодиоды (PD) 13a и 13b как своего рода элемент фотоэлектрического преобразования, усилители (A) 21a и 21b, полосовые фильтры (BPF) 22a и 22b, фильтры низких частот (LPF) 23a и 23b, делители 24a и 24b, сконфигурированные для получения отношения компоненты переменного тока к компоненте постоянного тока электрического сигнала, инвертор 25 полярности, и оператор 26.
[0064] Фотодиод 13a принимает обыкновенный световой луч LO и выводит первый электрический сигнал в соответствии с интенсивностью светового луча LO. Другой фотодиод 13b принимает необыкновенный световой луч LE и выводит второй электрический сигнал в соответствии с интенсивностью светового луча LE. Схема 8 обработки сигналов вычисляет текущее значение для измеряемого электрического тока I на основании первого и второго электрических сигналов.
[0065] Источник 7 света составлен полупроводниковым лазером (LD: лазерный диод), светоизлучающим диодом (LED), суперлюминесцентным диодом (SLD), источником света ASE, или подобным, и испускает свет, имеющий заданную длину волны λ.
[0066] Циркулятор 10 может быть или зависящим от поляризации или не зависящим от поляризации. Циркулятор 10 преобразовывает свет, испускаемый из источника 7 света, в линейно поляризованный свет, и вводит один линейно поляризованный световой пучок L1 в первое оптическое волокно 11. Циркулятор 10 может быть составлен двулучепреломляющим элементом, или 45°-ым Фарадеевским вращающим устройством. Циркулятор 10 может быть заменен поляризационно-расщепляющей призмой или оптическим волоконным ответвителем.
[0067] Операции устройства 1 для измерения электрического тока, сконфигурированного так, как показано, выше будут описаны в связи с чертежами. При этом, Фиг.7(a)-7(d) и Фиг.10(e)-10(h) соответствуют состояниям поляризации на сечениях соответствующих оптических путей, показанных знаками от (a) до (h) на Фиг.2. Кроме того, каждый из Фиг.7(a)-7(d) и Фиг.10(e)-10(h) показывает положение распространения света на матрице, в которой направление оси X выражено как от 1 до 4, тогда как направление оси Y выражено как от а до d. Например, поскольку положение распространения света для линейно поляризованного света L1, показанное на Фиг.7(a), находится между 2 и 3 в направлении оси X и между a и b в направлении оси Y на матрице, такое положение распространения света обозначается (2-3, a-b) в настоящем варианте реализации.
[0068] Вначале, лазерный свет, имеющий длину волны λ, испускаемый из источника 7 света преобразовывается циркулятором 10 в один линейно поляризованный световой пучок L1, имеющий направление поляризации, параллельное направлению оси X, и затем падает в первое оптическое волокно 11 (см. Фиг.2 и 3).
[0069] Поскольку первое оптическое волокно 11 представляет собой сохраняющее поляризацию волокно, линейно поляризованный свет L1 распространяется до крайней поверхности 11a на одной крайней стороне первого оптического волокна 11 с сохраняемым направлением своей поляризации и испускается от крайней поверхности 11a к разделителю 6 поляризации в положении распространения света (2-3, a-b) (см. Фиг.7(a)).
[0070] Как описано выше, поскольку направление кристаллической оси X61 на оптической поверхности поляризационного разделителя 6 устанавливается как параллельное направлению оси Y, направление кристаллической оси X61 является перпендикулярным направлению поляризации линейно поляризованного света L1. Соответственно, линейно поляризованные свет L1 пропускается через поляризационный разделитель 6 как обыкновенный световой луч, не вызывая двулучепреломления в разделителе 6 поляризации, и падает на первую четвертьволновую пластину 4, сохраняя состояние поляризации в момент падения в поляризационный разделитель 6.
[0071] Как описано выше, поскольку направление кристаллической оси X41 на оптической поверхности первой четвертьволновой пластины 4 устанавливается как параллельное направлению оси X, направление кристаллической оси X41 соответствует направлению поляризации линейно поляризованного света L1. Соответственно, линейно поляризованный свет L1 пропускается через первую четвертьволновую пластину 4, сохраняя состояние поляризации в момент падения на первую четвертьволновую пластину 4, и падает на крайнюю поверхность сохраняющего поляризацию волокна 17 посредством действия линзы 15.
[0072] Как описано выше, ось S и ось F, служащие сохраняющими поляризацию осями сохраняющего поляризацию волокна 17, находятся в направлении под 45° к оси X и в направлении под 45° к Y оси. Соответственно, когда линейно поляризованный свет L1, параллельный оси X, падает в сохраняющее поляризацию волокно 17, линейно поляризованный свет L1 расщепляется на соответствующие векторные компоненты, соответственно параллельные оси S и оси F в соответствии с данной интенсивностью света, благодаря двулучепреломляющей характеристики сохраняющего поляризацию волокна 17, и преобразовывается в два линейно поляризованных световых пучка LF и LS, и два линейно поляризованных световых пучка LF и LS распространяются в сердцевине 17a (см. Фиг.3 и 5). Линейно поляризованные световые пучки LF и LS пропускаются до крайней поверхности на одной крайней стороне и испускаются от крайней поверхности до второй четвертьволновой пластины 5.
[0073] Когда два линейно поляризованных световых пучка LF и LS распространяются в сохраняющем поляризацию волокне 17, разность фаз, ΔV, следующая из различия групповых скоростей между быстрой осью и медленной осью, создается между двумя линейно поляризованными световыми пучками LF и LS. Соответственно, когда линейно поляризованные световые пучки LF и LS испускаются от сохраняющего поляризацию волокна 17, LF имеет разность фаз до величины ΔV относительно LS.
[0074] Как описано выше, направление кристаллической оси X51 на оптической поверхности второй четвертьволновой пластины 5 устанавливается как соответствующее направлению оси X. Соответственно, направление кристаллической оси X51 устанавливается под углом ±45° к направлениям поляризации двух линейно поляризованных световых пучков LF и LS от сохраняющего поляризацию волокна 17 (см. Фиг.6 и 7(b)). Поскольку ось F имеет наклон -45° относительно кристаллической оси X51, линейно поляризованный световой луч LF преобразовывается в первый циркулярно-поляризованный световой пучок LC1, повернутый налево, как видно от стороны падения второй четвертьволновой пластины 5 (в направлении оси Z), как показано на Фиг.7(c). С другой стороны, поскольку ось S имеет наклон +45° относительно кристаллической оси X51, линейно поляризованный световой пучок LS преобразовывается во второй циркулярно-поляризованный световой пучок LC2, повернутый направо, как видно со стороны падения второй четвертьволновой пластины 5 (в направлении оси Z), как показано на Фиг.7(d).
[0075] Циркулярно-поляризованный световой пучок LC1, который характеризуется разностью фаз ΔV и который проходит впереди, испускается от второй четвертьволновой пластины 5 и затем пропускается через линзу 16. Затем, когда циркулярно-поляризованный световой пучок LC1 пропускается через Фарадеевское вращающее устройство 3, циркулярно-поляризованный световой пучок LC1 приобретает разность фаз 22,5°+α°. Как описано выше, поскольку направление вращения Фарадеевского вращающего устройства 3 устанавливается как левое вращение, как видно в направлении оси Z, разность фаз придается циркулярно-поляризованному световому лучу LC1, вращаемому налево, как видно в направлении оси Z, так, чтобы циркулярно-поляризованный световой пучок LC1 мог быть продвинут на 22,5°+α° относительно LC2. После пропускания через Фарадеевское вращающее устройство 3, два циркулярно-поляризованных световых пучка LC1 и LC2 падают на один конец 2a оптического волокна для датчика 2.
[0076] Два циркулярно-поляризованных световых пучка LC1 и LC2 падают в оптическое волокно для датчика 2, распространяются в оптическом волокне для датчика 2, достигают другой крайней стороны, отражаются зеркалом 19, и возвращаются к одному концу 2a снова (см. Фиг.2). Во время такого возвратно-поступательного распространения циркулярно-поляризованных световых пучков LC1 и LC2, осуществляемого посредством отражения, циркулярно-поляризованные световые пучки LC1 и LC2 подвергаются воздействию магнитного поля, создаваемого измеряемым электрическим током I. Разность фаз φ, в соответствии с величиной измеряемого электрического тока I, создается между двумя циркулярно-поляризованными световыми пучками LC1 и LC2 Фарадеевским эффектом, Величина φ - это разность фаз между циркулярно-поляризованными световыми пучками LC1 и LC2, создаваемая в соответствии с измеряемым электрическим током I Фарадеевским эффектом, когда циркулярно-поляризованные световые пучки LC1 и LC2 возвратно-поступательно распространяются в оптическом волокне для датчика 2.
[0077] Кроме того, вследствие двулучепреломления оптического волокна для датчика 2, разность фаз создается между двумя циркулярно-поляризованными световыми пучками LC1 и LC2 во время распространения с одного конца 2a к другому концу, и относительная погрешность, вызванная этой разностью фаз, также создается. Однако, два циркулярно-поляризованных световых пучка LC1 и LC2 распространяются между одним концом 2a и другим концом возвратно-поступательным образом посредством отражения зеркалом 19. Соответственно, разность фаз, создаваемая во время распространения вне контура от одного конца 2a к другому концу, компенсируется разностью фаз, создаваемой во время распространения внутри контура от другого конца к первому концу 2a. Вышеупомянутым образом, относительная погрешность благодаря двулучепреломлению, присущему оптическому волокну для датчика 2, компенсируется.
[0078] Хотя соответствующие направления вращения первого циркулярного поляризованного светового пучка LC1 и второго циркулярного поляризованного светового пучка LC2 не изменяются, до и после отражения зеркалом 19, направления распространения полностью изменяются отражением. Таким образом, соответствующие направления вращения изменяются на обратные, когда световые пучки наблюдаются в направлениях распространения вне контура.
[0079] Два отраженных циркулярно-поляризованных световых пучка LC1 и LC2 распространяются в оптическое волокно для датчика 2 снова и затем испускаются с одного конца 2a оптического волокна для датчика 2 в Фарадеевское вращающее устройство 3 (см. Фиг.2 и 8).
[0080] Циркулярно-поляризованные световые пучки LC1 и LC2 падают в Фарадеевское вращающее устройство 3 со стороны, или от направления, оптического волокна для датчика 2 (в направлении оси -Z). Кроме того, направления вращения соответствующих циркулярно-поляризованных световых пучков LC1 и LC2 в направлениях распространения вне контура изменяются на обратные на пути вне контура и на пути в контуре посредством отражения зеркалом 19. Соответственно, когда два циркулярно-поляризованных световых пучка LC1 и LC2 пропускаются через Фарадеевское вращающее устройство 3 снова, циркулярно-поляризованный световой пучок LC1 снова приобретает разность фаз 22,5°+α°. Вышеупомянутым образом, разность фаз между двумя циркулярно-поляризованными световыми пучками LC1 и LC2, после их испускания из оптического волокна для датчика 2 и пропускания через Фарадеевское вращающее устройство 3 увеличивается (45°+2α°+φ+ΔV) больше, чем разность фаз между двумя циркулярно-поляризованными световыми пучками LC1 и LC2 до пропускания через Фарадеевское вращающее устройство 3 на внешнем контуре.
[0081] После пропускания через Фарадеевское вращающее устройство 3, два циркулярно-поляризованных световых пучка LC1 и LC2 пропускаются через линзу 16 и падают на вторую четвертьволновую пластину 5 снова (см. Фиг.8, 10(e), и 10(f)). Поскольку циркулярно-поляризованный световой пучок LC1 - это циркулярно-поляризованный световой пучок вращаемый направо, когда световой пучок рассматривается в направлении -Z, как направление распространения, циркулярно-поляризованный световой пучок LC1 преобразовывается в линейно поляризованный световой пучок LS', имеющий направление поляризации в направлении оси S, посредством второй четвертьволновой пластины 5. С другой стороны, поскольку циркулярно-поляризованный световой пучок LC2 - это циркулярно-поляризованный свет, вращаемый налево, когда свет рассматривается в направлении -Z, циркулярно-поляризованный световой пучок LC2 преобразовывается в линейно поляризованный световой луч LF', имеющей направление поляризации в направлении оси F, посредством второй четвертьволновой пластины 5 (см. Фиг.8 и 10(g)).
[0082] Два линейно поляризованных световых пучка, LF' и LS', падают на крайнюю поверхность сохраняющего поляризацию волокна 17 посредством действия линзы 16 и распространяются в сохраняющем поляризацию волокне 17 к другой крайней стороне (см. Фиг.9). Линейно поляризованный световой луч LF' падает так, чтобы направление его поляризации могло быть параллельным оси F (быстрая ось) сохраняющего поляризацию волокна 17, тогда как линейно поляризованный световой пучок LS' падает так, чтобы направление его поляризации могло быть параллельным оси S (медленная ось) сохраняющего поляризацию волокна 17. Таким образом, два линейно поляризованных световых пучка LF' и LS' распространяются в сохраняющем поляризацию волокне 17 к стороне первой четвертьволновой пластины 4, сохраняя соответствующие направления поляризации, при этом не расщепляясь.
[0083] Как описано выше, разность фаз ΔV, образующаяся от различия групповых скоростей в сохраняющем поляризацию волокне 17, возникает между двумя линейно поляризованными световыми пучками LF и LS на внешнем контуре (в направлении оси Z). Однако, на внутреннем контуре (в направлении оси -Z), LS становится линейно поляризованным светом LF' в направлении оси F, тогда как LF становится линейно поляризованным светом LS' в направлении оси S. Таким образом, на внутреннем контуре, LF' имеет разность фаз только ΔV относительно LS. Иначе говоря, линейно поляризованный световой луч LF, который имеет разность фаз ΔV на внешнем контуре, имеет разность фаз -ΔV на внутреннем контуре. Соответственно, возвратно-поступательным движением двух линейно поляризованных световых пучков в сохраняющем поляризацию волокне 17, разность фаз в сохраняющем поляризацию волокне 17 компенсируется. Вышеупомянутым образом, разность фаз между двумя линейно поляризованными световыми пучками в сохраняющем поляризацию волокне 17, которое является возвратным оптическим путем между первой четвертьволновой пластиной 4 и второй четвертьволновой пластиной 5, компенсируется. Таким образом, на внутреннем контуре, разность фаз между двумя линейно поляризованными световыми пучками LF' и LS' в момент их испускания из сохраняющего поляризацию волокна 17 составляет (45°+2α°+φ).
[0084] Два линейно поляризованных световых пучка LF' и LS', распространяющихся до крайней поверхности на одной крайней стороне сохраняющего поляризацию волокна 17, испускаются от крайней поверхности через линзу 15 в первую четвертьволновую пластину 4 и пропускаются через первую четвертьволновую пластину 4, для объединения в один световой пучок. Поскольку разность фаз между двумя линейно поляризованными световыми пучками LF' и LS' составляет (45°+2α°+φ), объединенный световой пучок является эллиптически поляризованным светом с длинной его осью, наклонной относительно оси Y. Отношение компоненты длинной оси к компоненте короткой оси этого эллиптически поляризованного света изменяется в зависимости от разности фаз φ. Такой эллиптически поляризованный свет падает на поляризационный разделитель 6.
[0085] Объединенный свет, падающий на поляризационный разделитель 6, расщепляется на обыкновенный световой луч LO и необыкновенный световой луч LE, поляризованные перпендикулярно друг другу (см. Фиг.2, 9, и 10(h)). Интенсивности обыкновенного светового луча LO и необыкновенного светового луча LE изменяются в зависимости от разности фаз φ. Интенсивности света показаны как высокие на Фиг.9 и 10(h) для простоты рассмотрения. Поскольку направление кристаллической оси X61 устанавливается в направлении оси Y, направление кристаллической оси X61 перпендикулярно направлению поляризации обыкновенного светового луча LO. Соответственно, обыкновенный световой луч LO пропускается через поляризационный разделитель 6, сохраняя положение распространения (2-3, a-b), как показано на Фиг.10(h), не вызывая двулучепреломление в разделителе 6 поляризации, и падает на первое оптическое волокно 11. С другой стороны, поскольку необыкновенный световой луч LE параллелен направлению кристаллической оси X61, необыкновенный световой луч LE сдвинут к положению распространения (2-3, c-d) в разделителе 6 поляризации, как показано на Фиг.10(h), и падает на второе оптическое волокно 12.
[0086] Линейно поляризованный свет обыкновенного светового луча LO, падающий в первое оптическое волокно 11, направляется на циркулятор 10 и принимается в элементе 13a фотоэлектрического преобразования. С другой стороны, линейно поляризованный свет необыкновенного светового луча LE, падающий во второе оптическое волокно 12, принимается в элементе 13b фотоэлектрического преобразования.
[0087] Два линейно поляризованных световых пучка преобразовываются в первый и второй электрические сигналы элементами 13a и 13b фотоэлектрического преобразования, и электрические сигналы вводятся в схему 8 обработки сигналов. Средний коэффициент модуляции (компонента переменного тока/компонента постоянного тока) двух электрических сигналов вычисляется и преобразовывается в электрическую величину, тем самым, получая текущее значение для измеряемого электрического тока I. На Фиг.14 показан пример графика температурной характеристики относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока I, выводимого из схемы 8 обработки сигналов в устройстве 1 для измерения электрического тока.
[0088] В настоящем изобретении, как показано на Фиг.14, диапазон колебаний относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока I, выводимого из схемы 8 обработки сигналов, устанавливается в пределах ±0,5%. Кроме того, ±0,5% достигается по температурному диапазону 100 градусов по шкале Цельсия (между -20°С или выше, и 80°С или ниже). Причина для установления температурного диапазона до 100 градусов по шкале Цельсия, изменяясь между -20°С или выше, и 80°С или ниже, заключается в фактическом охвате нормального температурного диапазона, который располагается от -10°С или выше, и 40°С или ниже. В соответствии с настоящим изобретением, установка диапазона колебаний относительной погрешности в пределах ±0,5% выполняется регулировкой угла вращения Фарадеевского вращающего устройства 3, компенсацией относительной погрешности наряду с двулучепреломлением, присущим оптическому волокну для датчика 2, и компенсацией разности фаз между двумя линейно поляризованными световыми пучками на возвратном оптическом пути между первой четвертьволновой пластиной 4 и второй четвертьволновой пластиной 5, как описано выше.
[0089] Как описано выше, в соответствии с настоящим изобретением, в дополнение к изменению угла вращения Фарадеевского вращающего устройства 3 только на α° от 22,5° при температуре 23°С для уменьшения диапазона колебаний относительной погрешности в устройстве 1 для измерения электрического тока, компенсируется относительная погрешность, наряду с двулучепреломлением, присущим оптическому волокну для датчика 2, и компенсируется разность фаз между двумя линейно поляризованными световыми пучками на возвратном оптическом пути между первой четвертьволновой пластиной 4 и второй четвертьволновой пластиной 5. Соответственно, все другие разности фаз, отличные от разности фаз угла вращения Фарадеевского вращающего устройства 3, компенсируется кроме разности фаз φ, обусловленной Фарадеевским эффектом в оптическом волокне для датчика 2, и не появляются на выходе устройства 1 для измерения электрического тока. Следовательно, поскольку диапазон колебаний относительной погрешности, следующей из двулучепреломления оптического волокна для датчика (приблизительно от -0,1% и приблизительно до 1,2%) компенсируется, и разность фаз между двумя линейно поляризованными световыми пучками на возвратном оптическом пути между первой четвертьволновой пластиной 4 и второй четвертьволновой пластиной 5 компенсируется, диапазон колебаний относительной погрешности на выходе устройства 1 для измерения электрического тока может быть надежно установлен в пределах ±0,5%.
[0090] Кроме того, поскольку разности фаз, отличные от разности фаз угла вращения Фарадеевского вращающего устройства 3, компенсируются, кроме разности фаз φ, выход устройства 1 для измерения электрического тока не подвержен влиянию изменений фазы во время распространения света вследствие наложения возмущений, таких как вибрация и колебания температуры, на сохраняющее поляризацию волокно 17 и оптическое волокно для датчика 2. Соответственно, выходная характеристика устройства 1 для измерения электрического тока может быть стабилизирована.
[0091] Кроме того, сжимая диапазон колебаний относительной погрешности на выходе устройства 1 для измерения электрического тока до пределов ±0,5% в температурном диапазоне между -20°С или выше, и 80°С или ниже, надежность устройства для измерения электрического тока улучшается. Кроме того, сжимая диапазон колебаний относительной погрешности до пределов ±0,5%, оказывается возможным получить устройство для измерения электрического тока, которое может быть применено к релейной защите.
[0092] И, кроме того, направления кристаллических осей X41 и X51 на соответствующих оптических поверхностях двух четвертьволновых пластин 4 и 5 устанавливаются в одинаковых направлениях. Соответственно, даже в случае, в котором число компонентов увеличивается только на две четвертьволновые пластины 4 и 5, когда собрано устройство 1 для измерения электрического тока, использующее циркулярно-поляризованный свет, не требуется регулировка углов кристаллических осей четвертьволновых пластин и операции установки четвертьволновых пластин. Таким образом, с устройством 1 для измерения электрического тока в соответствии с настоящим изобретением, может быть достигнуто эффективное сжатие диапазона колебаний относительной погрешности до пределов ±0,5%, и в то же самое время может быть упрощена сборка.
[0093] При этом, в устройстве 1 для измерения электрического тока в соответствии с настоящим изобретением, направление кристаллической оси X61 поляризационного разделителя 6 должно быть установлено перпендикулярно направлению кристаллической оси X41 первой четвертьволновой пластины 4. Однако, поскольку тонкая регулировка угла не требуется, по сравнению со случаем установки направления под углом 45°, например, операция сборки поляризационного разделителя 6 и первой четвертьволновой пластины 4 может быть выполнена легко.
[0094] При этом устройство 1 для измерения электрического тока может быть заменено на устройство 28 для измерения электрического тока, в котором Фарадеевское вращающее устройство 3 составлено двумя Фарадеевскими элементами 27a и 27b, имеющими различные Фарадеевские углы вращения, например, как показано на Фиг.16. В устройстве 28 для измерения электрического тока, полный Фарадеевский угол вращения в момент магнитного насыщения, когда два, циркулярно-поляризованных световых пучка LC1 и LC2 пропускаются через два Фарадеевских элемента 27a и 27b возвратно-поступательным образом, устанавливается как угол, несколько измененный относительно 45°. Таким образом, полный Фарадеевский угол вращения, когда каждый из двух циркулярно-поляризованных световых пучков LC1 и LC2 пропускаются через два Фарадеевских элемента 27a и 27b, однажды может быть установлен как 22,5°+α°, мало изменяющееся значение. Следует отметить, что число Фарадеевских элементов не ограничено двумя, и Фарадеевское вращающее устройство 3 может быть составлено тремя или более Фарадеевскими элементами.
[0095] На Фиг.17 и 18 приведены графики, схематично показывающие температурные характеристики Фарадеевских углов вращения Фарадеевских элементов 27a и 27b, соответственно. Кроме того, на Фиг.19 показана температурная характеристика Фарадеевского угла вращения, когда температурные характеристики Фарадеевских углов вращения соответствующих Фарадеевских элементов объединены. Как показано на Фиг.17, угол вращения первого Фарадеевского элемента 27a имеет квадратично изменяющуюся температурную зависимость. Кроме того, как видно из Фиг.18, угол вращения второго Фарадеевского элемента 27b уменьшается равномерно и обратно пропорционально увеличению температуры в температурном диапазоне между -20°С или выше, и 80°С или ниже. Следовательно, когда температурные характеристики Фарадеевских углов вращения первого Фарадеевского элемента 27a и второго Фарадеевского элемента 27b объединены, реализуется снижение квадратичным образом температурной характеристики Фарадеевского угла вращения, наряду с увеличением температуры, как показано на Фиг.19. Соответственно, сжимая диапазон колебаний относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока I до пределов ±0,2% в температурном диапазоне между -20°С или выше, и 80°С или ниже, устройство для измерения электрического тока можно использовать для применения, в котором требуется температурная характеристика относительной погрешности в пределах ±0,2% (например, счетчик электроэнергии для измерения расхода электроэнергии, что требует точного измерения).
[0096] Как показано на Фиг.15, температурная характеристика относительной погрешности волокна из свинцового стекла, которое используется как оптическое волокно для датчика 2, увеличивается равномерно и пропорционально увеличению температуры. Соответственно, предоставляя Фарадеевские элементы 27a и 27b с уменьшением Фарадеевского угла вращения в диапазоне высоких температур, и выполняя компенсацию двулучепреломления оптического волокна для датчика 2 и компенсацию разности фаз между двумя линейно поляризованными световыми пучками на возвратном оптическом пути между двумя четвертьволновыми пластинами 4 и 5, когда добавлена температурная характеристика относительной погрешности волокна из свинцового стекла, которое используется как оптическое волокно для датчика 2, уменьшение Фарадеевского угла вращения в диапазоне высоких температур компенсирует изменение относительной погрешности волокна из свинцового стекла. Таким образом, как показано на Фиг.20, становится возможным сжать диапазон колебаний относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока I, выводимого из схемы 8 обработки сигналов, до пределов ±0,5% (или ±0,2%) в температурном диапазоне между -20°С или выше, и 80°С или ниже.
[0097] Когда устройство 1 для измерения электрического тока и устройство 28 для измерения электрического тока сравниваются в отношении конфигурации, то число Фарадеевских вращающих устройств 3 может быть единицей в устройстве 1 для измерения электрического тока. Таким образом, оказывается возможным упростить конфигурацию устройства для измерения электрического тока, и становится легко регулировать диапазон колебаний относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока I, выводимого из схемы 8 обработки сигналов. По вышеописанным причинам, устройство 1 для измерения электрического тока является наиболее предпочтительным вариантом реализации.
[0098] Однако, когда затруднительно надежно получить монокристалл граната, имеющий желаемый угол вращения благодаря составу граната для Фарадеевского вращающего устройства 3, Фарадеевское вращающее устройство 3 может быть составлено двумя или более Фарадеевскими элементами. Когда Фарадеевское вращающее устройство 3 составлено двумя или более Фарадеевскими элементами, Фарадеевские углы вращения Фарадеевских элементов отличаются друг друга, и при этом устанавливается желаемая температурная характеристика каждого Фарадеевского элемента.
[0099] Сжимая диапазон колебаний относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока I до пределов ±0,2% в температурном диапазоне между -20°С или выше и 80°С или ниже, устройство для измерения электрического тока может использоваться для применения, в котором требуется температурная характеристика относительной погрешности в пределах ±0,2% (например, электрический счетчик электроэнергии для измерения расхода электроэнергии, что требует точного измерения).
[0100] Волокно из свинцового стекла, которое используется как оптическое волокно для датчика 2, имеет такую температурную характеристику относительной погрешности, как показано на Фиг.15. Таким образом, когда угол вращения Фарадеевского вращающего устройства 3 изменяется только на α° от 22,5°, для уменьшения диапазона колебаний относительной погрешности в устройстве 1 для измерения электрического тока добавляется температурная характеристика относительной погрешности волокна из свинцового стекла, и угол α° регулируется так, чтобы диапазон колебаний относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока I, выводимого из схемы 8 обработки сигналов, мог быть установлен в пределах ±0,5% (или ±0,2%) в температурном диапазоне между -20°С или выше, и 80°С или ниже. Соответственно, даже когда волокно из свинцового стекла используется для оптического волокна для датчика 2, оказывается возможным сжать диапазон колебаний относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока I, выводимого из схемы 8 обработки сигналов, до пределов ±0,5% (или ±0,2%).
[0101] При этом, настоящее изобретение может быть модифицировано различными модификациями его технической идеи. Например, оптическое волокно для датчика 2 может быть волокном из кварцевого стекла. Соответственно, поскольку устройство для измерения электрического тока в соответствии с настоящим изобретением может быть получено различным образом независимо от вида оптического волокна для датчика, выход годных изделий устройства для измерения электрического тока также может быть улучшен. Кроме того, первое оптическое волокно 11 может быть заменено на одномодовое оптическое волокно.
[0102] Кроме того, возвратный оптический путь между первой четвертьволновой пластиной 4 и второй четвертьволновой пластиной 5, через который распространяются два линейно поляризованных световых пучка, не ограничен сохраняющим поляризацию волокном 17 и может быть составлен двумя двулучепреломляющими элементами 20a и 20b, как показано на Фиг.22, например, в которых соответствуют направления кристаллических осей X20a и X20b на оптических поверхностях, если рассматривать в направлении оси Z, и в которых направления смещения необыкновенного светового луча устанавливаются как инвертированные. Следует отметить, что линза 15 не показана на Фиг.22.
[0103] Направления кристаллических осей X41 и X51 на соответствующих оптических поверхностях первой четвертьволновой пластины 4 и второй четвертьволновой пластины 5 могут устанавливаться как перпендикулярные друг другу. Хотя каждая из кристаллических осей X41 и X51 устанавливается в направлении оси X в варианте реализации на Фиг.3 и 4, только направление кристаллической оси X41 может быть изменено на параллельное направлению оси Y, например. Альтернативно, направление кристаллической оси X41 может быть установлено в направлении оси X, тогда как только направление кристаллической оси X51 может быть заменено на параллельное направлению оси Y.
[0104] Даже в случае, когда направления кристаллических осей X41 и X51 устанавливаются как перпендикулярные друг другу, операция тонкой регулировки углов направлений кристаллических осей X41 и X51 не требуются по сравнению со случаем установки направлений под углом 45° между ними. Соответственно, операция сборки двух четвертьволновых пластин 4 и 5 может быть выполнена легко.
[0105] Когда направления кристаллических осей X41 и X51 устанавливаются как перпендикулярные или параллельные друг другу, следует позаботиться о том, чтобы направление кристаллической оси X41 могло быть перпендикулярным или параллельным направлению поляризации линейно поляризованных света L1, и чтобы направление кристаллической оси X51 могло быть под углом ±45° к соответствующим направлениям поляризации двух линейно поляризованных световых пучков LF и LS„
[0106] Кроме того, как показано на Фиг.23, направление кристаллической оси X61 на оптической поверхности поляризационного разделителя 6 и направления кристаллической оси X41 на оптической поверхности первой четвертьволновой пластины 4 могут быть изменены, чтобы находиться в одном направлении. В примере конфигурации, показанном на Фиг.23, направление кристаллической оси X61 устанавливается как находящееся в направлении оси X. В этом случае, поскольку линейно поляризованный свет L1, распространяющийся через первое оптическое волокно 11, падает на поляризационный разделитель 6 как необыкновенный свет, положение крайней поверхности 11a первого оптического волокна 11 заранее должно только быть изменено только на величину сдвига в разделителе 6 поляризации. В то же самое время. положение второго оптического волокна 12 должно быть изменено только так, чтобы крайняя поверхность 12a могла быть расположена в положении крайней поверхности 11a первого оптического волокна 11 на Фиг.3.
[0107] Таким образом, при установке направления кристаллической оси X61 на оптической поверхности поляризационного разделителя 6 и направления кристаллической оси X41 на оптической поверхности первой четвертьволновой пластины 4 в одном направлении, не требуется операция регулировки углов кристаллических осей поляризационного разделителя 6 и первой четвертьволновой пластины 4, и не требуется операция установки поляризационного разделителя 6 и первой четвертьволновой пластины 4. Таким образом, операция сборки поляризационного разделителя 6 и первой четвертьволновой пластины 4 может быть дополнительно упрощена.
[0108] Кроме того, при установке направления кристаллической оси X61 на оптической поверхности поляризационного разделителя 6 и направлений кристаллических осей X41 и X51 на оптических поверхностях двух четвертьволновых пластин 4 и 5 в одном направлении, не требуется регулировка углов кристаллических осей поляризационного разделителя 6 и двух четвертьволновых пластин 4 и 5, и не требуется операции установки поляризационного разделителя 6 и двух четвертьволновых пластин 4 и 5. Таким образом, операция сборки поляризационного разделителя 6 и двух четвертьволновых пластин 4 и 5 может быть дополнительно упрощена.
Примеры
[0109] Ниже, описываются примеры настоящего изобретения. Однако, настоящее изобретение не ограничено вышеприведенными примерами. Следует отметить, что в каждом из Примеров 1-3, волокно из свинцового стекла используется для оптического волокна для датчика 2, и возвратный оптический путь между первой четвертьволновой пластиной 4 и второй четвертьволновой пластиной 5 составлен из сохраняющего поляризацию волокна (PMF). Кроме того, направления кристаллических осей X41 и X51 на оптических поверхностях двух четвертьволновых пластин 4 и 5 устанавливаются в направлении оси X, и направление кристаллической оси X61 поляризационного разделителя 6 устанавливается в направлении оси Y.
[0110] (Пример 1)
Описывается пример, в котором магнитный гранат, используемый как оптический изолятор и имеющий температурную характеристику Фарадеевского угла вращения, показанную на Фиг.14, используется как Фарадеевское вращающее устройство 3 на Фиг.2. Использовалось Фарадеевское вращающее устройство, имеющее Фарадеевский угол вращения 22,5°+1,0° при температуре 23°С. То есть, было установлено α=1,0°, и полный Фарадеевский угол вращения в момент магнитного насыщения, когда циркулярно-поляризованные световые пучки, LC1 и LC2 были пропущены возвратно-поступательным образом, были установлены на 47,0°. Таблица 1 и Фиг.24 показывают температурную характеристику относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока I, выводимого из схемы обработки сигналов устройства 1 для измерения электрического тока, имеющего вышеупомянутое Фарадеевское вращающее устройство 3. В Таблице 1, "Фарадеевский угол вращения" является полным Фарадеевским углом вращения в момент магнитного насыщения, когда циркулярно-поляризованные световые пучки LC1 и LC2 пропускаются возвратно-поступательным образом, и "относительная погрешность" в Таблице 1 представляет собой относительную погрешность измеряемого значения измеряемого электрического тока I, выводимого из схемы обработки сигналов устройства 1 для измерения электрического тока. Ниже, то же самое относится и к Примерам 2 и 3.
[0111] [Таблица 1]
[0112] Как видно из Таблицы 1 и Фиг.24, в случае, в котором число Фарадеевских вращающих устройств составляет единицу, и в котором устанавливается α=1,0°, относительная погрешность может находиться в пределах от -0,01 до 0,42%, при 23°С, как стандартная ситуация. То есть, диапазон колебаний относительной погрешности находится в пределах 0,43% по температурному диапазону между -20°С или выше, и 80°С или ниже.
[0113] (Пример 2)
Температурная зависимость угла вращения магнитного граната при возвратно-поступательном прохождении света была выражена нижеследующим квадратичным выражением (Уравнение 1), минимальное значение диапазона колебаний относительной погрешности для коэффициента a и коэффициента b было вычислено. Коэффициент с был установлен так, чтобы диапазон колебаний относительной погрешности имел бы минимальное значение. Соотношение между диапазоном колебаний относительной погрешности и коэффициентами a и b показано в Таблице 2. Кроме того, соотношение между величиной α° регулировки Фарадеевского угла вращения и коэффициентами a и b при температуре 23°, когда диапазон колебаний относительной погрешности имеет минимальное значение, как в Таблице 2, показано в Таблице 3.
[0114] [Уравнение 1]
θF=a*T2+b*T+с
где T - температура [°С].
[0115] [Таблица 2]
[0116] [Таблица 3]
[0117] Таблицы 2 и 3 показывают вершинно-симметричное соотношение, с центром на значении, когда коэффициент a и коэффициент b равны нулю. Из Таблицы 2 следует, что диапазон колебаний относительной погрешности имеет минимальное значение, когда коэффициент a и коэффициент b, соответственно, составляют 0,0001 и -0,02, и когда коэффициент a и коэффициент b, соответственно, составляют 0,0001 и 0,02. Как показано в Таблице 3, знак величины α° настройки угла вращения при этом положителен в первом случае и отрицателен во втором случае. Поскольку магнитный гранат общего вида имеет температурную характеристику Фарадеевского угла вращения, которая является возрастающей кривой, в которой угол вращения уменьшается с увеличением температуры, знаки коэффициента a и коэффициента b являются отрицательными. Из вышеупомянутого следует, что для уменьшения диапазона колебаний относительной погрешности, очевидно, что коэффициент a и коэффициент b характеристик температуры и угла вращения магнитного граната составляют, соответственно, близко к -0,0001 и -0,02. В этом случае, величина α° настройки угла вращения становится приблизительно равной 1,66°.
[0118] Чтобы получить коэффициенты a и b для уменьшения диапазона колебаний относительной погрешности, будет описан пример, в котором предоставляются два Фарадеевских элемента 27a и 27b, показанных на Фиг.16. Магнитный гранат, имеющий квадратичную температурную зависимость угла вращения использовался как Фарадеевский элемент 27a на Фиг.16, и магнитный гранат, показанный на Фиг.26, использовался как Фарадеевский элемент 27b. Температурные зависимости угла вращения Фарадеевских элементов 27a и 27b, имеющих Фарадеевский угол вращения 45° при температуре 23°С, показаны на Фиг.25 и 26.
[0119] В результате оптимизации толщины каждого из Фарадеевских элементов 27a и 27b, был получен Фарадеевский элемент, имеющий температурную зависимость угла вращения, выражаемую Уравнением 2 при возвратно-поступательном прохождении света. Углы вращения Фарадеевского элемента 27a и Фарадеевского элемента 27b при температуре 23°С в момент магнитного насыщения составляют, соответственно, 8,34° и 15,73°, таким образом, получается полный Фарадеевский угол вращения 24,07°, и фактор становится - α=1,57°. Полный Фарадеевский угол вращения при температуре 23°С в момент магнитного насыщения становится равным 48,14°, когда циркулярно-поляризованные световые пучки LC1 и LC2 пропускаются возвратно-поступательным образом. На Фиг.27 показана температурная зависимость полного Фарадеевского угла вращения при возвратно-поступательном прохождении света.
[0120] [Уравнение 2]
θF=-2,02*10-4*T2-0,0200*T+48,71
где T - температура [°С].
[0121] Таблица 4 и Фиг.28 показывают температурную характеристику относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока I, выводимого из схемы обработки сигналов устройства 28 для измерения электрического тока.
[0122] [Таблица 4]
[0123] Как очевидно из Таблицы 4 и Фиг.28, в случае, в котором предоставляются два Фарадеевских элемента 27a и 27b, и в котором устанавливается α=1,57°, относительная погрешность может находиться в пределах от -0,04 до 0,01%, при установке 23°С в качестве стандартной. Таким образом, диапазон колебаний относительной погрешности находится в пределах 0,05% по температурному диапазону между -20°С или выше, и 80°С или ниже.
[0124] (Пример 3)
Магнитный гранат был разработан на основе результата исследования Таблицы 2, так, что относительная погрешность могла быть уменьшена, используя единственное Фарадеевское вращающее устройство. В результате, был получен магнитный гранат, имеющий температурную зависимость угла вращения, выражаемую Уравнением 3, показанным ниже. Фарадеевский угол вращения при температуре 23°С составлял 24,22°, то есть, фактор был установлен как α=1,72°. На Фиг.29 показана температурная зависимость угла вращения для полученного магнитного граната.
[0125] [Уравнение 3]
θF=-1,64*10-4*T2-0,0185*T+48,95
где T - температура [°С].
[0126] Полный Фарадеевский угол вращения в момент магнитного насыщения, когда циркулярно-поляризованные световые пучки LC1 и LC2 пропускаются возвратно-поступательным образом, становится равным 48,44°. Таблица 5 и Фиг.30 показывают температурную характеристику относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока I, выводимого из схемы обработки сигналов устройства 1 для измерения электрического тока, имеющего Фарадеевское вращающее устройство 3.
[0127] [Таблица 5]
[0128] Как очевидно из Таблицы 5 и Фиг.30, диапазон относительной погрешности составляет от -0,05 до 0,01%, и диапазон колебаний относительной погрешности находится в пределах 0,06% по температурному диапазону между -20°С или выше, и 80°С или ниже. Оказалось возможным реализовать те же самые рабочие параметры при единственном Фарадеевском вращающем устройстве, по сравнению с Примером 2.
ОБЪЯСНЕНИЕ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ:
[0129] 1, 28 Устройство для измерения электрического тока
2 Оптическое волокно для датчика
2a Один конец оптического волокна для датчика
3 Фарадеевское вращающее устройство
3a Постоянный магнит
4 Первая четвертьволновая пластина
X41 кристаллическая ось на оптической поверхности первой четвертьволновой пластины
5 Вторая четвертьволновая пластина
X51 кристаллическая ось на оптической поверхности второй четвертьволновой пластины
6 Поляризационный разделитель
X61 кристаллическая ось на оптической поверхности поляризационного разделителя
7 Источник света
8 Схема обработки сигналов
9 Оптическая система
10 Циркулятор
11 Первое оптическое волокно
11a Крайняя поверхность на одной крайней стороне первого оптического волокна
12 Второе оптическое волокно
12a Крайняя поверхность на одной крайней стороне второго оптического волокна
13a, 13b Элемент фотоэлектрического преобразования
14 Металлическая муфта
15, 16 Линза
17 Сохраняющее поляризацию волокно
17a Сердцевина
17b Участок прикладывающий напряжение
17c Оболочка
18 Электрический проводник
19 Зеркало
20a, 20b Двулучепреломляющий элемент
X20a, X20b кристаллическая ось на оптической поверхности каждого двулучепреломляющего элемента
21a, 21b Усилитель
22a, 22b Полосовой фильтр
23a, 23b Фильтр низких частот
24a, 24b Делитель
25 Инвертор полярности
26 Оператор
27a, 27b Фарадеевский элемент
L1 Линейно поляризованный свет, испускаемый из источника света
LF, LF' Линейно поляризованный свет в направлении F оси сохраняющего поляризацию волокна
LS, LS' Линейно поляризованный свет в направлении S оси сохраняющего поляризацию волокна
LC1, LC2 Циркулярно-поляризованный свет
LO Обыкновенный световой луч
LE Необыкновенный световой луч
I Измеряемый электрический ток
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ОПТОВОЛОКОННЫЙ ДАТЧИК ТОКА СО SPUN ВОЛОКНОМ И ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ | 2013 |
|
RU2627021C2 |
| ЗЕРКАЛО, КОМПЕНСИРУЮЩЕЕ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ В ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ, И ДАТЧИК ТОКА | 2011 |
|
RU2569912C2 |
| ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ | 1998 |
|
RU2147728C1 |
| СПОСОБ И ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И МАГНИТНОГО ПОЛЯ | 2012 |
|
RU2497135C1 |
| ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОКА ОПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ | 2021 |
|
RU2767166C1 |
| ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ТОКА | 2009 |
|
RU2437106C2 |
| Способ измерения оптического поглощения высокопрозрачных материалов и устройство для его осуществления (его варианты) | 1983 |
|
SU1182879A1 |
| ОПТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА | 2015 |
|
RU2682514C2 |
| СПОСОБ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И МНОГОЛУЧЕВАЯ ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2014 |
|
RU2563908C1 |
| УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ТОМОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ДЛЯ УКАЗАННОГО УСТРОЙСТВА | 2011 |
|
RU2533976C2 |
Изобретение относится к устройству для измерения электрического тока с использованием эффекта Фарадея и, в частности, к отражательному устройству измерения электрического тока, в котором свет падает на один конец оптического волокна для датчика и отражается от другого его конца. Заявленное устройство для измерения тока сконфигурировано как включающее в себя по меньшей мере вход и выход для света, оптическое волокно для датчика, Фарадеевское вращающее устройство, первую пластину на 1/4 длины волны, вторую пластину на 1/4 длины волны, поляризационный разделитель, источник света и схему обработки сигналов, содержащую элемент фотоэлектрического преобразования. Оптическое волокно для датчика обладает эффектом двулучепреломления и содержит один конец, в который вводятся два циркулярно-поляризованных световых пучка, имеющие различные направления вращения, и другой конец, который отражает введенные циркулярно-поляризованные световые пучки. Кроме того, компенсируется разность фаз двух линейно поляризованных световых пучков в замкнутом световом контуре между двумя пластинами на 1/4 длины волны и Фарадеевский вращательный угол, когда Фарадеевское вращающее устройство магнитно насыщается, задается как 22,5+α°, чтобы диапазон колебаний для относительной погрешности в измеряемом значении измеряемого тока устанавливался в пределах ±0,5%. Кроме того, кристаллические оси на оптических гранях двух пластин на 1/4 длины волны устанавливаются как перпендикулярные или устанавливаются в одном и том же направлении. Технический результат – получение диапазона колебаний относительной погрешности на выходе надежно в пределах ±0,5%, а также облегчение сборки. 11 з.п. ф-лы, 5 табл., 31 ил.
1. Устройство для измерения электрического тока, по меньшей мере содержащее: блок испускания падающего света, оптическое волокно для датчика, Фарадеевское вращающее устройство, первую четвертьволновую пластину и вторую четвертьволновую пластину, поляризационный разделитель, источник света и схему обработки сигналов, включающую в себя элемент фотоэлектрического преобразования;
причем блок испускания падающего света составлен двумя скомпонованными волноводами; блок испускания падающего света, поляризационный разделитель, первая четвертьволновая пластина, вторая четвертьволновая пластина, Фарадеевское вращающее устройство и оптическое волокно для датчика размещены по порядку;
оптическое волокно для датчика является двулучепреломляющим и размещено вокруг периферии электрического проводника, через который протекает измеряемый электрический ток, и включает в себя первый конец, в который входят два циркулярно-поляризованных световых пучка, имеющие различные направления вращения, и второй конец для отражения падающих циркулярно-поляризованных световых пучков; вторая четвертьволновая пластина размещена на первой крайней стороне оптического волокна для датчика;
Фарадеевское вращающее устройство размещено между первой крайней стороной оптического волокна для датчика и второй четвертьволновой пластиной;
возвратный оптический путь задан для возврата света через поляризационный разделитель, первую четвертьволновую пластину, вторую четвертьволновую пластину, Фарадеевское вращающее устройство и оптическое волокно для датчика посредством отражения света, испускаемого из источника света;
два линейно поляризованных световых пучка распространяются на возвратном оптическом пути между первой четвертьволновой пластиной и второй четвертьволновой пластиной, причем компенсируется разность фаз между двумя линейно поляризованными световыми пучками на возвратном оптическом пути между первой четвертьволновой пластиной и второй четвертьволновой пластиной;
Фарадеевский угол вращения Фарадеевского вращающего устройства в момент магнитного насыщения задан как 22,5+α° при температуре 23°С, так что диапазон колебаний относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока, выводимого из схемы обработки сигналов, задан в пределах ±0,5%; и
направления кристаллических осей на соответствующих оптических поверхностях первой четвертьволновой пластины и второй четвертьволновой пластины установлены как перпендикулярные друг другу или идущие в одном направлении.
2. Устройство для измерения электрического тока по п. 1, в котором направление кристаллической оси на оптической поверхности поляризационного разделителя и направление кристаллической оси на оптической поверхности первой четвертьволновой пластины установлены как перпендикулярные друг другу или идущие в одном направлении.
3. Устройство для измерения электрического тока по п. 1, в котором направление кристаллической оси на оптической поверхности поляризационного разделителя, направление кристаллической оси на оптической поверхности первой четвертьволновой пластины и направление кристаллической оси на оптической поверхности второй четвертьволновой пластины установлены в одном направлении.
4. Устройство для измерения электрического тока по пп. 1-3, в котором температурный диапазон, в котором диапазон колебаний установлен в пределах ±0,5%, составляет 100°С.
5. Устройство для измерения электрического тока по п. 4, в котором температурный диапазон 100°С находится между -20°С или выше и 80°С или ниже.
6. Устройство для измерения электрического тока по п. 1, в котором Фарадеевское вращающее устройство имеет такую температурную характеристику Фарадеевского угла вращения, что Фарадеевский угол вращения в момент магнитного насыщения изменяется квадратичным образом в соответствии с изменением температуры.
7. Устройство для измерения электрического тока по п. 1, в котором Фарадеевское вращающее устройство имеет два или более Фарадеевских элемента.
8. Устройство для измерения электрического тока по п. 7, в котором Фарадеевские углы вращения двух или более Фарадеевских элементов отличаются друг от друга.
9. Устройство для измерения электрического тока по п. 6, в котором диапазон колебаний относительной погрешности измеряемого значения измеряемого электрического тока, выводимого из схемы обработки сигналов, задан в пределах ±0,2%.
10. Устройство для измерения электрического тока по п. 9, в котором температурный диапазон, в котором диапазон колебаний задан в пределах ±0,2%, составляет 100°С.
11. Устройство для измерения электрического тока по п. 10, в котором температурный диапазон 100°С находится между -20°С или выше и 80°С или ниже.
12. Устройство для измерения электрического тока по п. 1, в котором оптическое волокно для датчика представляет собой волокно из свинцового стекла.
| УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА | 2010 |
|
RU2536334C2 |
| US 20070273358 A1, 29.11.2007 | |||
| JP 59107273 A, 21.06.1984 | |||
| СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА КОНСЕРВОВ "САЛАКА С ОВОЩАМИ В ТОМАТНОМ СОУСЕ" | 2011 |
|
RU2474200C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СВЕРХБОЛЬШИХ ТОКОВ | 1997 |
|
RU2120128C1 |
