光電測量裝置和測量電流的方法與流程

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本發(fā)明涉及一種利用光源以及利用檢測器測量電流的測量裝置，光源用于產(chǎn)生偏振主光信號以饋入法拉第傳感器裝置，檢測器用于采集由法拉第傳感器裝置提供的、相對于主光信號偏振改變的二次光信號。

背景技術：

這種類型的測量裝置例如從ep0865610bl中已知。對電流的測量在此基于所謂的法拉第效應。法拉第效應應當理解為特定材料的折射率依據(jù)磁場的改變?？梢岳眠@種效應來改變通過材料的光的偏振狀態(tài)。尤其是在線性偏振光的情況下，這種改變使得光的偏振平面旋轉。旋轉的對應的旋轉角理想地與沿著光在材料中經(jīng)過的路徑關于磁場的路徑積分成比例。從在檢測器中對偏振狀態(tài)的改變的采集以及隨后對其的分析，可以相應地獲得測量參量，該測量參量包含關于產(chǎn)生磁場的電流的信息。

已知測量裝置的缺點在于如下情況：通常借助干涉儀或者偏振分析儀進行的對偏振狀態(tài)、例如偏振角的測量的精度相對復雜并且僅具有有限的精度。因此，這種效應僅對于直至90°的偏振旋轉是唯一的，并且這種法拉第效應的非線性以及溫度依賴性例如限制了精度。精度的提高總是與檢測器的成本的增加以及測量裝置的容易出錯性的提高相關聯(lián)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是，提出一種上面提及的類型的測量裝置，其使得能夠盡可能準確并且可靠地進行測量。

在一種特定的測量裝置中，上述技術問題通過如下方式來解決：提供補償元件，借助其能夠通過相反的偏振改變對二次光信號的偏振改變進行補償，并且能夠針對電流得出與相反的偏振改變有關的測量信號。

本發(fā)明基于如下認識：相對于對偏振狀態(tài)的直接測量，零測量更準確，并且能夠在對環(huán)境影響的依賴性減小并且檢測方案的開銷減少的情況下執(zhí)行。由于對二次光信號的偏振改變進行補償，檢測器在這種情況下僅需要被調(diào)整為對偏振改變進行零測量。換句話說，原則上在檢測器中需要進行僅確定是否存在偏振改變的測量。對偏振改變的補償在此通過相反的偏振改變來實現(xiàn)，即通過對在法拉第傳感器裝置中實現(xiàn)的偏振改變起反作用的新的偏振改變來實現(xiàn)。例如，線性偏振主光信號的偏振平面以特定旋轉角的旋轉，可以通過二次光信號的偏振平面的以量值相同、但是方向相反的旋轉角的新的旋轉來補償。

針對待測量的電流的測量信號在此依據(jù)相反的偏振改變來得出。這意味著，為了在根據(jù)本發(fā)明的測量裝置中得出測量信號，不直接使用偏振改變，而是使用相反的偏振的度量。

以這種方式，根據(jù)本發(fā)明的測量裝置將已知的基于法拉第效應的測量裝置的優(yōu)點與零測量的優(yōu)點集于一體。

如下得到根據(jù)本發(fā)明的測量裝置的另一個優(yōu)點：在高壓技術中應用的情況下，通過在法拉第傳感器裝置和檢測器之間使用光導纖維的可能性，能夠以低廉的成本實現(xiàn)電壓隔離，因為其總歸是系統(tǒng)固有的。補償元件可以通過定位在地電勢的可能性來進行電氣控制。同時，檢測器可以在其理想工作點工作。由此能夠實現(xiàn)高的測量精度。此外，可以進行與不希望的副作用、例如溫度影響無關的測量。本發(fā)明的優(yōu)點由此是改善測量的可靠性。

本發(fā)明不僅適合于測量直流電流，而且適合于測量交流電流。

用于傳導主光信號的法拉第傳感器裝置例如可以包括光纖線圈或者玻璃環(huán)。以適合的方式將光纖線圈或玻璃環(huán)圍繞傳導待測量的電流的電流導體或者電流線纜纏繞。通過光多次通過由流動的電流產(chǎn)生的磁場，可以使偏振改變加強。玻璃環(huán)的玻璃例如是塊狀玻璃。

補償元件例如可以是包括光學元件和傳導電流的元件的光電補償元件。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式，補償元件包括進行補償?shù)姆ɡ趥鞲衅餮b置以及布置在進行補償?shù)姆ɡ趥鞲衅餮b置的位置附近的補償電流導體，其中，二次光信號通過進行補償?shù)姆ɡ趥鞲衅餮b置，并且能夠調(diào)整補償電流導體中的補償電流，使得能夠對二次光信號的偏振改變進行補償，其中，能夠得出補償電流的測量信號。因此，補償電流導體傳導進行補償?shù)拇艌霎a(chǎn)生的電流。進行補償?shù)拇艌鲎饔迷诙喂庑盘柹希驗閭鲗Ф喂庑盘柕倪M行補償?shù)姆ɡ趥鞲衅餮b置位于其位置附近。進行補償?shù)拇艌鲆赃m合的方式產(chǎn)生相反的偏振改變，通過其對二次光信號的偏振改變進行補償?？梢哉{(diào)整通過補償電流導體的補償電流，使得對偏振改變進行補償。由此，補償電流的值承載關于待測量的電流的量化信息。因此，可以根據(jù)補償電流得出測量信號。本發(fā)明的該實施方式具有能夠相對簡單地根據(jù)補償電流得到測量信號的優(yōu)點。檢測器在此以適合的方式被配置為，確定通過補償電流導體的給定電流是否對偏振改變進行了(完全的)補償。這使得能夠特別簡單并且魯棒地構建檢測器。此外，檢測器的可能的非線性不起作用。

優(yōu)選補償元件包括調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)裝置被配置為借助補償電流作為控制參量，對二次光信號的偏振改變或者由其得出的調(diào)節(jié)參量進行零調(diào)節(jié)。因此，調(diào)節(jié)裝置被配置為，改變通過補償電流導體的補償電流，直至進行補償?shù)姆ɡ趥鞲衅餮b置中的相反的偏振對偏振改變進行了補償為止。因此，零調(diào)節(jié)在這種情境下意味著，將調(diào)節(jié)參量調(diào)節(jié)為等于零的額定值。調(diào)節(jié)參量在此由偏振改變或者由其得出的參量給出。調(diào)節(jié)回路中的反饋在此以合適的方式經(jīng)由借助檢測器獲得的關于二次光信號的偏振狀態(tài)的信息進行。針對待測量的電流的測量信號于是可以根據(jù)補償電流的值獲得。也就是說，對偏振改變進行完全補償所需的補償電流承載關于待測量的電流的信息。為了確定測量信號，例如可以使用在補償電流所流過的合適的測量電阻上測量的電壓。零調(diào)節(jié)使得能夠特別準確地測量電流。此外，調(diào)節(jié)可以有源或者無源地實現(xiàn)(通過在調(diào)節(jié)回路中使用有源或無源元件)并且可以高動態(tài)地進行。這有利地產(chǎn)生可能的幾微妙的短的死區(qū)時間。測量的速度由測量裝置的光傳導部分的長度以及通過檢測器的速度來物理地定義。

優(yōu)選法拉第傳感器裝置和進行補償?shù)姆ɡ趥鞲衅餮b置相同地構造。如果進行補償?shù)姆ɡ趥鞲衅餮b置是光纖線圈，則例如可以圍繞補償電流導體纏繞光纖線圈的繞組。法拉第傳感器裝置和進行補償?shù)姆ɡ趥鞲衅餮b置的繞組的數(shù)量適合于定義待測量的電流和補償偏振改變所需的補償電流之間的轉換比。通過相同的部分的多次使用，可以有利地降低測量裝置的成本。此外，以這種方式，如果在兩個傳感器裝置的環(huán)境中保證相同的溫度或者決定性的影響的溫度依賴性是已知的，從而能夠校準或者能夠算出可能的溫度差，則可以減小可能的溫度影響。

優(yōu)選檢測器被配置為依據(jù)二次光信號的偏振狀態(tài)采集光強度。偏振狀態(tài)在此例如是相對于檢測器的預先設置的零角度的偏振角。為了采集光強度，檢測器例如可以包括光電二極管。因此，檢測器以適合的方式被配置為對二次光信號的偏振狀態(tài)進行定量分析。為了進行定量分析，測量裝置或檢測器例如可以具有合適的計算部件。

根據(jù)本發(fā)明的一個有利的實施方式，檢測器包括偏振分析器。偏振分析器例如可以被構造為，在線性偏振的光信號通過偏振分析器時，偏振分析器提供與光信號的偏振角有關的強度信號。然后，該強度信號例如可以由光電二極管記錄并且向合適的計算單元轉發(fā)。依據(jù)偏振狀態(tài)采集強度的這種可能性特別簡單，因此對應地有利并且可靠。

優(yōu)選偏振分析器被調(diào)整為，沒有偏振改變的二次光信號在檢測器的輸出處產(chǎn)生零信號。這可以通過合適地選擇零角來進行。零信號在這種情境下意味著，當二次光信號相對于主光信號沒有偏振改變時，偏振分析器提供的強度信號在測量精度的范圍內(nèi)為零。例如，當借助補償元件對二次光信號的偏振改變完全進行了補償時，也是這種情況。

在此應當注意，檢測器也可以基于其它測量原理。例如，檢測器可以包括依據(jù)偏振狀態(tài)采集強度的sagnak干涉儀。此外，可以使用任意合適的干涉分析。

根據(jù)本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施方式，法拉第傳感器裝置布置在中壓或高壓電流導體附近，使得能夠在高壓電流導體中得出針對電流的測量信號。換句話說，測量裝置特別適合于測量處于高壓電勢(例如高達800kv的電勢下)的電流。當法拉第傳感器裝置處于圍繞高壓電流導體的磁場中時就足夠了。然而，特別有利的是，如上面所述，法拉第傳感器裝置包括光纖等，并且光纖圍繞高壓電流導體纏繞。測量裝置結合中壓和高壓設備的該特別的優(yōu)點由高壓電流導體和測量裝置之間的有效的電勢隔離的可能性得到。法拉第傳感器裝置例如可以布置在中壓或者高壓設備的處于中壓或者高壓電勢的部分附近。檢測器以及測量裝置的其它部件可以布置在地電勢附近。主光信號和二次光信號可以經(jīng)由法拉第傳感器裝置和檢測器之間的光纖傳導。由于法拉第傳感器裝置和檢測器和/或補償元件之間的可能的空間隔離，可以簡單并且安全地進行測量裝置的構建和安裝。如果在高壓設備中已經(jīng)設置有絕緣元件，例如氣體絕緣的開關設備(gis)或者高壓套管，則可以將測量裝置纏繞在外面。測量裝置的光纖可以通過空腔絕緣體引導。當在高壓直流傳輸領域內(nèi)使用時，法拉第傳感器裝置和檢測器之間的進一步的距離(直至幾千米)在某些情況下也是可能并且希望的。

本領域技術人員已知的所謂的高/低雙折射旋轉光纖(spunhibifaser)特別適合于結合本發(fā)明使用。其不僅適用用作傳感器光纖，而且適合用于傳輸偏振信息。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式，光源和檢測器布置在地電勢附近，其中，光源包括光發(fā)生元件以及與其間隔開的偏振元件，其中，光發(fā)生元件和偏振元件借助光導纖維彼此連接，以及其中，測量裝置還包括用于傳導主光信號的偏振保持光纖，其將偏振元件和法拉第傳感器裝置彼此連接。因此，可以有利地將測量裝置的各部分在空間中分離，使得處于布置在高壓電勢處的高壓電流導體附近的法拉第傳感器裝置和偏振元件之間的路徑長度盡可能短。這能夠實現(xiàn)測量裝置的有利的成本降低：對于偏振元件和法拉第傳感器裝置之間的相對短的路徑，使用相對昂貴的用于傳導主光信號的偏振保持光纖；對于其余相對長的光發(fā)生元件和偏振元件的路徑，可以使用成本相對低的光導纖維，因為在那里光不必具有良好地定義的偏振。以這種方式，可以在空間上可變地布置光發(fā)生元件，而不決定性地影響測量裝置的成本。

當檢測器包括偏振分析器以及與其間隔開的強度傳感器時，可以實現(xiàn)另一個優(yōu)點，其中，偏振分析器和強度傳感器借助另一個光導纖維彼此連接，以及其中，測量裝置還包括另一個用于傳導二次光信號的偏振保持光纖，其將法拉第傳感器裝置和偏振分析器彼此連接。由偏振分析器提供的關于二次光信號的偏振狀態(tài)的信息包含在由偏振分析器提供的光的強度中。由此，該光不必具有定義的偏振。因此，為了傳導由偏振分析器提供的光，可以使用成本低廉的另一個光纖導體。

可以想到，主光信號或二次光信號以調(diào)制的信號的形式存在。在這種情況下，可以使用相位調(diào)制和/或強度調(diào)制。

通常，為了傳導主光信號和二次光信號，可以設置兩個分離的光纖。然而，也可以在一個共同的光纖中傳導主光信號和二次光信號。還可以有利的是，對至少一個光纖在其端部配備反射鏡和/或至少一個四分之一波片，用于進一步影響偏振。

優(yōu)選將檢測器布置在進行補償?shù)姆ɡ趥鞲衅餮b置的位置附近。這能夠實現(xiàn)測量裝置的緊湊的結構方式。例如可以將檢測器和進行補償?shù)姆ɡ趥鞲衅餮b置布置于在高壓電流導體和地或者高壓設備的處于地電勢附近的部分之間延伸的絕緣體的絕緣體底部中。

本發(fā)明還涉及一種測量電流的方法，其中，將借助光源產(chǎn)生的主光信號饋入法拉第傳感器裝置中，法拉第傳感器裝置提供相對于主光信號偏振改變的二次光信號。

這種方法利用已知的法拉第效應，并且在上面已經(jīng)提及的文獻ep0865610bl中已知。

由所述已知方法出發(fā)，本發(fā)明要解決的技術問題在于，提供一種盡可能準確并且可靠地測量電流的方法。

根據(jù)本發(fā)明，上述技術問題通過如下方式來解決：在前面提及的方法中，借助補償元件通過相反的偏振改變對二次光信號的偏振改變進行補償，并且針對電流得出與相反的偏振改變有關的測量信號。

借助根據(jù)本發(fā)明的方法，能夠實現(xiàn)已經(jīng)結合根據(jù)本發(fā)明的測量裝置描述的優(yōu)點。

根據(jù)所述方法的一個實施方式，對二次光信號的偏振改變的補償借助偏振改變的零調(diào)節(jié)或者借助由其得出的調(diào)節(jié)參量的零調(diào)節(jié)來進行。在此，可以使用前面描述的零調(diào)節(jié)的所有變形方式。

優(yōu)選二次光信號通過布置在補償電流線路的位置附近的進行補償?shù)姆ɡ趥鞲衅餮b置。零調(diào)節(jié)在此以通過補償電流線路的補償電流作為控制參量來進行。

附圖說明

下面，根據(jù)附圖1至3進一步說明本發(fā)明。

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的測量裝置的實施例的示意性結構；

圖2以示意性圖示示出了根據(jù)本發(fā)明的測量裝置的另一個實施例；

圖3以示意性圖示示出了根據(jù)本發(fā)明的測量裝置的另一個替換實施例。

具體實施方式

相應地，在附圖中示出了測量裝置1的示意圖。測量裝置1包括法拉第傳感器裝置2，法拉第傳感器裝置2布置在高壓電流導體3附近。法拉第傳感器裝置2包括多個光纖繞組21，其圍繞高壓電流導體3纏繞。在這里示出的變形方式中，電流導體3是高壓設備(未示出)的一部分。

高壓電流導體3因此處于高壓電勢。為了在高壓電勢和地電勢之間進行電勢隔離，設置絕緣元件4，其在高壓電流導體3和地之間延伸，并且這里示出被構造為空心絕緣體。絕緣元件4還包括絕緣體底部41，絕緣元件4設立在絕緣體底部41上。

測量裝置1還包括光源5。光源5具有光發(fā)生元件51和偏振元件52。偏振元件52布置在絕緣體底部41中。光發(fā)生元件51布置在建筑物7中。建筑物7被配置用于容納測量裝置1的各部分以及高壓設備的其它部分。借助直線18，在附圖中示出了建筑物7和絕緣元件4之間的距離可能為直至幾千米。光發(fā)生元件51和偏振元件52借助光導纖維53彼此連接。

檢測器包括偏振分析器61、強度傳感器62以及光導纖維63，其中，光導纖維63將偏振分析器61與強度傳感器62連接。偏振分析器61以示出的形式布置在絕緣體底部41中。強度傳感器62布置在建筑物7中，也處于地電勢。

測量裝置1還包括進行補償?shù)姆ɡ趥鞲衅餮b置8，其集成于在偏振分析器61和法拉第傳感器裝置2之間延伸的光纖19中。在附圖中示出的本發(fā)明的實施例中，進行補償?shù)姆ɡ趥鞲衅餮b置8被構造為光纖線圈，其中，光纖線圈的光纖繞組圍繞補償電流導體9纏繞。在示出的實施例中，補償電流導體9包括電流導體的多個繞組。

此外，測量裝置1包括調(diào)節(jié)裝置10，其在這里示出的變形方式中布置在建筑物7中。在附圖中，調(diào)節(jié)裝置10以簡化的方式示出。調(diào)節(jié)裝置10相應地包括測量電阻11、反饋元件12以及電壓源13。調(diào)節(jié)裝置10借助導電連接14和15與補償電流導體9連接，從而形成對應的電流回路。

在所示出的實施例中，進行補償?shù)姆ɡ趥鞲衅餮b置8、補償電流導體9和調(diào)節(jié)裝置10形成補償元件的元件。

下面，詳細討論測量裝置1的工作方式。借助光發(fā)生元件51產(chǎn)生光信號。該光信號尚不具有定義的偏振。光信號經(jīng)由光導纖維53饋送到偏振元件52。借助偏振元件52對光信號分配良好定義的偏振狀態(tài)。因此，在偏振元件52的輸出處提供偏振的主光信號。借助偏振保持光纖16將主光信號傳導到法拉第傳感器裝置2。主光信號圍繞高壓電流導體3傳導。在附圖中示出的測量裝置1的實施例中，主光信號線性地偏振。這意味著，主光信號相對于預先給定的零角、例如零度具有良好定義的偏振角。由于高壓電流導體3的磁場中的法拉第效應，該偏振角發(fā)生改變。這意味著，在法拉第傳感器裝置的輸出處提供偏振改變的二次光信號。二次光信號通過光纖19并且被傳導到進行補償?shù)姆ɡ趥鞲衅餮b置8中。借助流過補償電流導體9的電流，在此可以產(chǎn)生磁場，其在進行補償?shù)姆ɡ趥鞲衅餮b置中產(chǎn)生二次光信號的相反的偏振改變。

下面，為了進行說明假設，在給定的通過高壓電流導體3的電流ih下，二次光信號具有與偏振平面的角度為ah的旋轉對應的偏振改變。進行補償?shù)姆ɡ趥鞲衅餮b置8中的相反的偏振例如在給定值ik的補償電流下產(chǎn)生偏振角為附加角度ak的旋轉，偏振角也可能取負值。由此，進行補償?shù)姆ɡ趥鞲衅餮b置的輸出處的二次光信號總共具有角度為ah+ak的偏振平面的旋轉。依據(jù)角度ah+ak，在偏振分析器61中產(chǎn)生強度信號并且輸出到強度傳感器62。偏振分析器61被調(diào)整為，對于角度ah+ak＝0°輸出強度信號零。如果強度信號不等于零，則經(jīng)由反饋元件12對補償電流進行正或負放大。是否存在過補償或者欠補償，即是否應當應用正或者負放大，例如可以借助附加的合適的測量、合適地選擇的分析或者經(jīng)由在測量范圍外部的疊加的高頻信號來確定。以這種方式又影響角度ak的值。如果補償電流ik最后被調(diào)整為，其產(chǎn)生角度為ak的偏振平面的旋轉，其中，ah+ak＝0，則實現(xiàn)通過相反的偏振對二次光信號的偏振改變的完全補償。在該補償電流下在測量電阻11處測量的電壓umax承載關于高壓電流導體3中的電流ih的信息。

在圖2中示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的測量裝置100的另一個實施例。在圖1和2中對相同的部件設置相同的附圖標記。測量裝置100的基本工作方式對應于測量裝置1的基本工作方式。為了清楚起見，下面僅對圖1和2的實施例之間的不同之處進行詳細討論。

圖2的測量裝置100與圖1的測量裝置1的不同之處在于，圖1中的偏振元件52和偏振分析器61在圖2中由相位調(diào)制器54代替。相位調(diào)制器54具有兩個輸入和兩個輸出。相位調(diào)制器54的相位輸入和輸出被布置為，主光信號和二次光信號通過相位調(diào)制器54。

在圖3中示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的測量裝置200的一個替換實施例。在圖1和3中對測量裝置100或200的相同或類似的部件設置相同的附圖標記。下面僅對圖2和3的測量裝置100和200之間的不同之處進行詳細討論。

在圖3的實施例中，測量裝置200也具有相位調(diào)制器54。測量裝置200的相位調(diào)制器54具有兩個輸入和一個輸出。由此，圖2的測量裝置100的偏振保持光纖16和19在圖3的測量裝置200中重合。由此，不僅主光信號、而且二次光信號通過偏振保持光纖16。主光信號和二次光信號在光纖16中疊加。測量裝置200還包括反射鏡20，其布置在法拉第傳感器裝置上。主光信號在反射鏡20上反射，由此使其傳播方向反轉。

附圖標記列表

1,100,200測量裝置

2法拉第傳感器裝置

21光纖繞組

3高壓電流導體

4絕緣元件

41絕緣體底部

5光源

51光發(fā)生元件

52偏振元件

53,63光導纖維

54相位調(diào)制器