JP6563760B2 - Method for improving temperature characteristics of optical CT - Google Patents
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Description
本発明は、反射型電流センサを温度センサとして利用した、光CT(光ファイバを用いた反射型電流センサまたは透過型電流センサ)の温度特性改善方法に関するものである。 The present invention relates to a method for improving temperature characteristics of an optical CT (a reflection type current sensor or a transmission type current sensor using an optical fiber) using a reflection type current sensor as a temperature sensor.
光CT、特に反射型電流センサは、光ファイバを通過する光の偏波面が磁界の作用によって回転するファラデー効果を利用して、前記磁界を生じさせた電流を測定する装置であり、例えば、ガス絶縁開閉装置(GIS)における電流値の測定に使用されている。
この種の光CTにおいて、一般にファラデー素子のファラデー回転角は温度依存性を有するため、従来から、ファラデー素子の温度特性を改善する種々の方法が提案されている。
An optical CT, particularly a reflection type current sensor, is a device that measures the current that generates the magnetic field using the Faraday effect in which the plane of polarization of light passing through an optical fiber is rotated by the action of a magnetic field. It is used to measure the current value in an insulated switchgear (GIS).
In this type of optical CT, since the Faraday rotation angle of the Faraday element generally has temperature dependence, various methods for improving the temperature characteristics of the Faraday element have been proposed.
まず、基本的な考え方として、磁気飽和時におけるファラデー回転角の温度係数ができるだけ小さいファラデー素子を用いる方法(第1の従来技術)がある。 First, as a basic idea, there is a method (first prior art) using a Faraday element having a temperature coefficient of Faraday rotation angle at the time of magnetic saturation as small as possible.
また、特許文献1には、磁気飽和時におけるファラデー回転角を所定温度において22.5度+α度に設定し、ファラデー回転角を22.5度からα度だけ変化させることで、測定電流値における比誤差の変動幅を±0.5[%]に抑え、言い換えれば、光CTの温度特性の傾きを変化させてその勾配を小さくするようにした電流測定装置(第2の従来技術)が記載されている。
Further, in
特許文献2には、ファラデー回転角を測定する信号処理装置に周囲温度測定用の温度センサを備え、この温度センサによる測定温度をセンサヘッドの周囲温度として推定すると共に、この推定温度を用いて光CTの出力を補正する温度特性補正装置(第3の従来技術)が記載されている。
更に、特許文献3や非特許文献1には、信号処理装置において、ファラデー素子からの光を偏光分離素子により分離して得た二つの信号を異なるゲインにて増幅した後に、一方の出力を反転して他方と加算することにより、光CTの温度特性の傾きを変化させてその勾配を小さくするようにした温度特性改善方法(第4の従来技術)が記載されている。
In
Further, in Patent Document 3 and
第1の従来技術は、磁気飽和時におけるファラデー回転角の温度依存性に着目したものである。しかし、光CTの温度特性は、センサ用光ファイバ(鉛ガラスファイバ、石英ファイバ等)及び光学部を含むセンサヘッドの温度依存性と信号処理装置の温度依存性によって決まり、センサヘッドの温度依存性は、センサ用光ファイバのベルデ定数の温度係数と光学部を構成するファラデー素子のファラデー回転角の温度係数とによって決まる。
従って、ファラデー回転角の温度係数ができるだけ小さいファラデー素子を用いたとしても、センサ用光ファイバの温度依存性(鉛ガラスファイバの場合:0.01[%/deg])がなくならない限り、光CTは、その使用温度範囲(−40〜+70[℃])において1.1[%]程度の温度依存性を有することになる。
The first prior art focuses on the temperature dependence of the Faraday rotation angle during magnetic saturation. However, the temperature characteristics of optical CT depend on the temperature dependence of the sensor head including the optical fiber for the sensor (lead glass fiber, quartz fiber, etc.) and the optical part and the temperature dependence of the signal processing device. Is determined by the temperature coefficient of the Verde constant of the optical fiber for the sensor and the temperature coefficient of the Faraday rotation angle of the Faraday element constituting the optical unit.
Therefore, even if a Faraday element having a temperature coefficient of the Faraday rotation angle as small as possible is used, the optical CT can be used as long as the temperature dependency of the optical fiber for the sensor is not lost (in the case of lead glass fiber: 0.01 [% / deg]). Has a temperature dependency of about 1.1 [%] in its operating temperature range (−40 to +70 [° C.]).
また、第2の従来技術はファラデー回転角の温度係数を調整して光CTの温度特性の勾配を小さくし、第4の従来技術は信号処理装置における演算内容を改良して同様の効果を得ようとしているが、光CTの温度依存性は線形ではなく曲線的に変化するため、結果として得られる温度特性改善効果は、光CTに要求される精度(GIS等に適用される電流値測定用の光CTでは、比誤差の変動幅が±0.2[%]以内)を満足することが難しい。
更に、個々の光CTが有する温度特性のばらつきを、光CTの組立後に調整することも困難である。
The second prior art adjusts the temperature coefficient of the Faraday rotation angle to reduce the gradient of the temperature characteristics of the optical CT, and the fourth prior art improves the calculation contents in the signal processing device to obtain the same effect. However, since the temperature dependence of optical CT changes in a curve rather than linearly, the resulting temperature characteristic improvement effect is the accuracy required for optical CT (for current value measurement applied to GIS etc.) In the optical CT, it is difficult to satisfy the fluctuation range of the ratio error within ± 0.2 [%].
Furthermore, it is difficult to adjust the variation in temperature characteristics of individual optical CTs after the optical CTs are assembled.
また、第3の従来技術において、信号処理装置とセンサヘッドとを同一の場所に配置することは物理的に不可能であるため、それぞれの周囲温度に差が生じることは避けられない。例えば、信号処理装置が屋内に配置され、センサヘッドが屋外に配置されるような場合には、信号処理装置及びセンサヘッドのそれぞれの設置環境に応じて周囲温度の差が大きくなり、光CT出力の温度補償精度が低下する。 In the third prior art, since it is physically impossible to dispose the signal processing device and the sensor head at the same place, it is inevitable that a difference occurs between the ambient temperatures. For example, when the signal processing device is placed indoors and the sensor head is placed outdoors, the difference in ambient temperature increases depending on the installation environment of the signal processing device and sensor head, and the optical CT output Temperature compensation accuracy decreases.
加えて、保護継電器等の分野では、100〜180[kA]の大電流を測定するために透過型電流センサが用いられており、これら保護用の透過型電流センサに関しても、定格電流領域において比誤差の変動幅をできるだけ小さくすることが求められている。 In addition, in the field of protective relays and the like, transmissive current sensors are used to measure a large current of 100 to 180 [kA]. These protective transmissive current sensors are also compared in the rated current region. There is a demand for minimizing the error fluctuation range.
そこで、本発明の解決課題は、光CTに要求される計測精度を所定の使用温度範囲において満足するようにした光CTの温度特性改善方法を提供することにある。 Therefore, a problem to be solved by the present invention is to provide a method for improving the temperature characteristics of an optical CT that satisfies the measurement accuracy required for the optical CT in a predetermined operating temperature range.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、被測定電流が流れる導体を周回するように配置され、かつ、端部にミラーを有するセンサ用光ファイバと、
偏/検光子及びファラデー素子を備え、前記センサ用光ファイバに入射して被測定電流によりファラデー回転を受けた反射光を偏波面が直交する第1の信号,第2の信号に分離する光学部と、を有するセンサヘッド、及び、
前記第1の信号,第2の信号が受光素子を介してそれぞれ入力され、前記受光素子の出力信号の交流成分と直流成分との比からそれぞれ算出した変調度に基づいて被測定電流の大きさを測定する信号処理装置、を備え、
反射型電流センサとして構成される光CTにおいて、
前記第1の信号,第2の信号に基づく変調度をそれぞれ正規化して電流成分に依存しない第1の変調度,第2の変調度を演算し、前記第1の変調度と第2の変調度との差分を算出して使用温度範囲における前記差分の温度特性を予め作成し、
前記温度特性を用いて、前記差分に対応する温度から前記センサヘッドの周囲温度を検出し、検出した前記周囲温度に対応する温度特性補正データを予め作成しておき、
前記信号処理装置により測定した被測定電流の大きさを前記温度特性補正データにより補正して被測定電流を温度補償するものである。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
An optical unit that includes a polarization / analyzer and a Faraday element, and separates the reflected light incident on the sensor optical fiber and subjected to Faraday rotation by the current to be measured into a first signal and a second signal whose polarization planes are orthogonal to each other And a sensor head, and
The first signal and the second signal are input via a light receiving element, respectively, and the magnitude of the current to be measured based on the degree of modulation calculated from the ratio between the AC component and the DC component of the output signal of the light receiving element. A signal processing device for measuring,
In optical CT configured as a reflective current sensor,
The first modulation factor and the second modulation factor are calculated by normalizing the modulation factors based on the first signal and the second signal, respectively, and calculating the first modulation factor and the second modulation factor independent of the current component. Create a temperature characteristic of the difference in the operating temperature range by calculating the difference with the degree in advance,
Using the temperature characteristic, the ambient temperature of the sensor head is detected from the temperature corresponding to the difference, and temperature characteristic correction data corresponding to the detected ambient temperature is created in advance,
The current to be measured measured by the signal processing device is corrected by the temperature characteristic correction data to compensate the temperature of the current to be measured.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載した光CTの温度特性改善方法において、前記第1の信号,第2の信号に基づく変調度を、被測定電流の実効値相当値によりそれぞれ除算して正規化するものである。 According to a second aspect of the present invention, in the method for improving temperature characteristics of an optical CT according to the first aspect, the modulation degree based on the first signal and the second signal is divided by the effective value equivalent value of the current to be measured. To normalize.
請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2に記載した光CTの温度特性改善方法において、前記温度特性補正データは、前記第1の信号,第2の信号に基づく変調度の平均値を、前記第1の信号,第2の信号に基づく変調度の基準温度における平均値により正規化して求めたデータであることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the temperature characteristic improvement method of the optical CT according to the first or second aspect, the temperature characteristic correction data is an average of modulation degrees based on the first signal and the second signal. The value is data obtained by normalizing the value by an average value at a reference temperature of the modulation degree based on the first signal and the second signal.
請求項4に係る発明は、被測定電流が流れる導体を周回するように配置されたセンサ用光ファイバと、
偏光子から前記センサ用光ファイバに入射して前記被測定電流によりファラデー回転を受けた透過光を、偏波面が直交する第1の信号,第2の信号に分離する検光子と、を有するセンサヘッド、及び、
前記第1の信号,第2の信号が受光素子を介してそれぞれ入力され、前記受光素子の出力信号の交流成分と直流成分との比からそれぞれ算出した変調度に基づいて前記被測定電流の大きさを測定する信号処理装置、
を備えた透過型電流センサが、請求項1〜請求項3の何れか1項に記載した前記反射型電流センサと近接して配置される光CTにおいて、
前記反射型電流センサのセンサヘッドの周囲温度として検出された温度情報を、前記透過型電流センサのセンサヘッドの周囲温度としても用いるものである。
The invention according to claim 4 is an optical fiber for sensor arranged so as to go around a conductor through which a current to be measured flows.
A sensor that separates transmitted light incident on the sensor optical fiber from a polarizer and subjected to Faraday rotation by the current to be measured into a first signal and a second signal whose polarization planes are orthogonal to each other. Head and
The first signal and the second signal are input through a light receiving element, respectively, and the magnitude of the current to be measured is based on the modulation degree calculated from the ratio between the AC component and the DC component of the output signal of the light receiving element. Signal processing device for measuring the thickness,
In a light CT in which a transmissive current sensor provided with is disposed in proximity to the reflective current sensor according to any one of
The temperature information detected as the ambient temperature of the sensor head of the reflective current sensor is also used as the ambient temperature of the sensor head of the transmissive current sensor.
本発明によれば、電流を測定する反射型電流センサの使用温度範囲において、測定電流値の比誤差の変動幅を±0.2[%]以内に抑え、また、反射型電流センサにより検出した温度情報を過電流保護等に用いる透過型電流センサにも用いることで、その比誤差の変動幅を従来よりも小さくすることができる。
これにより、高精度な電流測定動作、保護動作を実現可能な光CTを提供することができる。
According to the present invention, within the operating temperature range of the reflective current sensor for measuring current, the fluctuation range of the ratio error of the measured current value is suppressed to within ± 0.2 [%] and detected by the reflective current sensor. By using the temperature information also for a transmission type current sensor that is used for overcurrent protection or the like, the fluctuation range of the ratio error can be made smaller than that of the related art.
Thereby, it is possible to provide an optical CT capable of realizing a highly accurate current measurement operation and protection operation.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図1は、本発明の第1実施形態に係る光CT(反射型電流センサ)の全体構成図であり、この光CTは、信号処理装置100とセンサヘッド20とから構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, FIG. 1 is an overall configuration diagram of an optical CT (reflection type current sensor) according to the first embodiment of the present invention, and this optical CT includes a
信号処理装置100において、10は光源部、11は光源ユニット、12は光サーキュレータ、13は伝送用光ファイバであり、光源ユニット11から出射された光は光サーキュレータ12、伝送用光ファイバ13を介してセンサヘッド20の光学部21に送出される。
光学部21は、図2に示すように構成されており、偏/検光子21aと、レンズ21bと、ガーネット結晶等のファラデー回転子21d及び永久磁石21eからなるファラデー素子21cとを備え、ファラデー回転子21dの出射側に鉛ガラスファイバ等のセンサ用光ファイバ22が配置されている。なお、24は保護チューブである。
In the
The
図1に示すように、センサ用光ファイバ22は、その先端部にミラー23を備え、被測定電流Iが流れる導体を周回するように配置されている。ここで、ミラー23は、センサ用光ファイバ22の先端部に平面鏡を固着しても良いし、蒸着によってセンサ用光ファイバ22の先端部に鏡面を形成したものでも良い。
前述した光学部21において、伝送用光ファイバ13から偏/検光子21a、レンズ21bを介してファラデー素子21cに入射した光は、22.5度のファラデー回転を受けてセンサ用光ファイバ22に入射する。センサ用光ファイバ22への入射光は、被測定電流値Iが作る磁界によってファラデー回転を受け、ミラー23により反射して再びセンサ用光ファイバ22からファラデー素子21cに入射する。この入射光は、22.5度の追加のファラデー回転を受け、更に偏/検光子21aにより偏内面が互いに直交する二つの直線偏波成分に分離される。
As shown in FIG. 1, the sensor
In the
そして、一方の成分は第2の信号Sig2として、伝送用光ファイバ72から後述する信号処理装置100内の第2の受光素子(フォトダイオード)PD2に入射する。また、他方の成分は伝送用光ファイバ13から光サーキュレータ12に戻り、伝送用光ファイバ71から信号処理装置100内の第1の受光素子(フォトダイオード)PD1に第1の信号Sig1として入射する。
Then, one component enters the second light receiving element (photodiode) PD2 in the
次に、図3は、信号処理装置100におけるアナログ信号処理部40の構成を示している。
図3において、第1の信号Sig1は、受光素子PD1により電流信号に変換され、I/V変換部41aにより電圧信号に変換される。この電圧信号は直流成分DC1に交流成分AC1が重畳されたものであるため、I/V変換部41aの出力をローパスフィルタ42aに通して直流成分DC1を抽出すると共に、減算部43aにおいて、I/V変換部41aの出力から直流成分DC1を減算することにより、交流成分AC1を抽出する。
同様にして、第2の信号Sig2についても、I/V変換部41b、ローパスフィルタ42b、及び減算部43aの作用により、直流成分DC2及び交流成分AC2が抽出される。
Next, FIG. 3 shows a configuration of the analog
In FIG. 3, the first signal Sig1 is converted into a current signal by the light receiving element PD1, and converted into a voltage signal by the I /
Similarly, with respect to the second signal Sig2, the DC component DC2 and the AC component AC2 are extracted by the actions of the I /
これらの直流成分DC1,DC2及び交流成分AC1,AC2は、図1のADコンバータ50によりディジタル信号に変換され、FPGA(Field-Programmable Gate Array)等のディジタル信号処理部60に入力される。
These direct current components DC1 and DC2 and alternating current components AC1 and AC2 are converted into digital signals by the
図4は、ディジタル信号処理部60においてソフトウェアによって実現される機能ブロック図である。
変調度演算手段61は、信号Sig1の交流成分AC1を直流成分DC1にて除算し、同様に信号Sig2の交流成分AC2を直流成分DC2にて除算することにより、各信号Sig1,Sig2の変調度(AC1/DC1),(AC2/DC2)を演算する。なお、各信号Sig1,Sig2の変調度は互いに逆相となっている。
FIG. 4 is a functional block diagram realized by software in the digital
The modulation degree calculation means 61 divides the AC component AC1 of the signal Sig1 by the DC component DC1, and similarly divides the AC component AC2 of the signal Sig2 by the DC component DC2, thereby obtaining the modulation degree ( AC1 / DC1) and (AC2 / DC2) are calculated. Note that the modulation degrees of the signals Sig1 and Sig2 are opposite to each other.
これらの変調度(AC1/DC1),(AC2/DC2)は、電流成分算出手段62に入力され、図5に示すごとく各変調度の差分を求めることにより、被測定電流値Iによるファラデー回転角に比例した電流成分(温度補償されていない電流成分)Ikを得ることができる。上記の変調度演算手段61における交流成分の直流成分による規格化、及び、電流成分算出手段62における平均化処理により、受光パワーの変化による検出感度の変動や受光素子PD1,PD2等の特性のバラツキをキャンセルすることができる。
These modulation degrees (AC1 / DC1) and (AC2 / DC2) are input to the current component calculation means 62, and by obtaining the difference between the modulation degrees as shown in FIG. 5, the Faraday rotation angle by the measured current value I is obtained. Current component (current component that is not temperature compensated) I k can be obtained. Variations in detection sensitivity due to changes in received light power and variations in characteristics of the light receiving elements PD1, PD2, etc., due to normalization by the DC component of the AC component in the modulation degree calculating means 61 and averaging processing in the current
ここで、変調度演算手段61により演算される各信号Sig1,Sig2の変調度(AC1/DC1),(AC2/DC2)は、実際には曲線であるが、これらを一次直線により近似して所定の周囲温度範囲(例えば、−40°〜+80[℃])の温度特性を求めると、図6の特性線P1(△のプロット)、特性線P2(■のプロット)のようになる。また、両者の差分は、図6の特性線P3(○のプロット)のようになる。
これらの特性線P1,P2,P3は、予め求めておくことが可能であり、特性線P3を用いれば、センサヘッド20の周囲温度を推定することが可能である。
Here, the modulation degrees (AC1 / DC1) and (AC2 / DC2) of the signals Sig1 and Sig2 calculated by the modulation degree calculation means 61 are actually curves, but these are approximated by a linear line and predetermined. When the temperature characteristics in the ambient temperature range (for example, −40 ° to +80 [° C.]) are obtained, the characteristic lines P1 (Δ plots) and P2 (■ plots) in FIG. 6 are obtained. Further, the difference between the two is as shown by the characteristic line P3 in FIG.
These characteristic lines P1, P2, and P3 can be obtained in advance, and the ambient temperature of the
ただし、各信号Sig1,Sig2の変調度(AC1/DC1),(AC2/DC2)は、被測定電流値Iに比例する信号であり、周囲温度のみによって変化するわけではない。従って、各変調度の差分に基づいて周囲温度を推定する場合には、被測定電流値Iに依存しないように各変調度を正規化し、電流値に依存しない各変調度及びその差分の温度特性を得る必要がある。 However, the modulation degrees (AC1 / DC1) and (AC2 / DC2) of the signals Sig1 and Sig2 are signals proportional to the measured current value I, and do not change only by the ambient temperature. Therefore, when the ambient temperature is estimated based on the difference of each modulation degree, each modulation degree is normalized so as not to depend on the measured current value I, and each modulation degree that does not depend on the current value and the temperature characteristics of the difference. Need to get.
いま、第1の信号Sig1の変調度(AC1/DC1)をm1・sin(ωt)とし、この信号Sig1に対して逆相である第2の信号Sig2の変調度(AC2/DC2)を、−m2・sin(ωt)とおく。
変調度の被測定電流成分をm・sin(ωt)とすると、その実効値相当値は(m/√2)になる。なお、m=m1−(−m2)=m1+m2とおく。この実効値相当値(m/√2)により信号Sig1,Sig2の変調度をそれぞれ除算して正規化すると、数式1,数式2を得る。
[数式1]
M1=m1・sin(ωt)/(m/√2)=√2・m1・sin(ωt)/m
[数式2]
M2=−m2・sin(ωt)/(m/√2)=−√2・m2・sin(ωt)/m
Now, the modulation factor (AC1 / DC1) of the first signal Sig1 is m1 · sin (ωt), and the modulation factor (AC2 / DC2) of the second signal Sig2 that is in reverse phase to the signal Sig1 is − Let m2 · sin (ωt).
When the measured current component of the modulation degree is m · sin (ωt), the effective value equivalent value is (m / √2). Note that m = m1 − (− m2) = m1 + m2. When the modulation degree of the signals Sig1 and Sig2 is respectively divided and normalized by the effective value equivalent value (m / √2),
[Formula 1]
M1 = m1 · sin (ωt) / (m / √2) = √2 · m1 · sin (ωt) / m
[Formula 2]
M2 = −m2 · sin (ωt) / (m / √2) = − √2 · m2 · sin (ωt) / m
図7(a)は、上述した正規化の様子を概念的に示したものであり、信号Sig1,Sig2の変調度を被測定電流成分の実効値相当値(m/√2)により除算して得た特性(温度特性)M1,M2は、図7(a)の下段に示すようになる。図7(b)は、これらの特性M1,M2を抽出したものである。 FIG. 7A conceptually shows the normalization described above, and the degree of modulation of the signals Sig1 and Sig2 is divided by the effective value equivalent value (m / √2) of the measured current component. The obtained characteristics (temperature characteristics) M1 and M2 are as shown in the lower part of FIG. FIG. 7B shows the extracted characteristics M1 and M2.
いま、周囲温度の基準温度を例えば20[℃]とした時の特性M1(20),M2(20)の差分ΔMが0となるようにΔM特性を求めると、図7(c)のようになる。このΔM特性は、周囲温度T[℃]と変調度の差分ΔMとの関係を示しており、個々のセンサヘッドについて求めることができるから、テーブル等の形で予め準備しておく。 Now, when the ΔM characteristic is obtained so that the difference ΔM between the characteristics M1 (20) and M2 (20) when the reference temperature of the ambient temperature is 20 ° C., for example, is 0, as shown in FIG. Become. This ΔM characteristic indicates the relationship between the ambient temperature T [° C.] and the modulation degree difference ΔM, and can be obtained for each sensor head, so it is prepared in advance in the form of a table or the like.
なお、図8は、上述した処理を実現するための、図4の温度計測・補正手段65内の温度計測部65aの機能ブロック図である。
図8において、81,86〜88は加減算手段、82は実効値相当値演算手段、83,84は除算手段、85はメモリ、89はΔM特性をテーブル等により備えた温度変換手段である。メモリ85は、周囲温度が20[℃]の時の差分ΔMを0にする操作を行うために、M1(20),M2(20)の値を記憶しておくものであり、後続する加減算手段86,87によりM1,M2からM1(20),M2(20)をそれぞれ減算してその結果の差分を加減算手段88により求め、図7(c)のΔM特性を得る。
FIG. 8 is a functional block diagram of the
In FIG. 8, 81 and 86 to 88 are addition / subtraction means, 82 is an effective value equivalent value calculation means, 83 and 84 are division means, 85 is a memory, and 89 is a temperature conversion means provided with ΔM characteristics by a table or the like. The
図4に示した温度計測・補正手段65内の温度計測部65aは、第1,第2の信号Sig1,Sig2の変調度(AC1/DC1),(AC2/DC2)を実効値相当値(m/√2)により正規化して特性M1,M2を求め、両者の差分ΔMに応じた周囲温度T[℃](例えば、T=60[℃])を図7(c)のΔM特性に基づいて同定するものである。
The
次に、図4の温度計測・補正手段65内の温度補正部65bについて説明する。
図9は、温度補正部65bの機能ブロック図である。図9において、第1の信号Sig1の変調度(AC1/DC1)であるm1・sin(ωt)=P1と、第2の信号Sig2の変調度(AC2/DC2)である−m2・sin(ωt)=P2とを加減算手段91に入力し、更に乗算手段92により1/2を乗算して平均値(P=(P1+P2)/2)を求める。この平均値Pは、メモリ93及び除算手段94に入力される。
ここで、図10(a)は、上記のP1,P2,Pを概念的に示した図である。
Next, the
FIG. 9 is a functional block diagram of the
Here, FIG. 10A is a diagram conceptually showing the above P1, P2, and P.
図9のメモリ93には、周囲温度の基準温度を例えば20[℃]とした時の平均値P(20)=(P1(20)+P2(20))/2が記憶され、この平均値P(20)が除算手段94に入力されている。
除算手段94では、乗算手段92から出力された平均値Pを平均値P(20)により除算して正規化することにより、基準温度における平均値P(20)に対する平均値Pの比、すなわちP/P(20)が演算される。この比P/P(20)は、温度特性補正データEmとしてメモリ95に記憶される。
The
The dividing means 94 divides and normalizes the average value P output from the multiplying
図10(b)は、上記の温度特性補正データEmの概念図であり、周囲温度が20[℃]における比P/P(20)を1.0として正規化してある。
図10(a)のP1,P2,Pはセンサヘッド20ごとに予め求めることができ、図10(b)の温度特性補正データEmも予め算出可能である。この温度特性補正データEmを図9のメモリ95に記憶させておけば、前述した温度計測部65aが図8により求めた周囲温度Tに対応する温度特性補正データEmを得ることができる。
Figure 10 (b) is a conceptual diagram of a temperature characteristic correction data E m described above, is normalized ratio P / P (20) at ambient temperature is 20 [° C.] 1.0.
P1, P2, P in FIG. 10 (a) that can be obtained in advance for each
図9に戻って、周囲温度Tに応じてメモリ95から読み出した温度特性補正データEmは、除算手段96に送られる。この除算手段96において、図4における電流成分算出手段62が算出した電流成分Ikを温度特性補正データEmによって除算することにより、温度補正済みの電流値Inが得られる。
この電流値Inは、図4の非直線性補正手段63において被測定電流に対する変調度の非直線性を補正した後、最終調整手段64により変換比の調整等を行い、導体を流れる電流Iの測定値として出力される。なお、非直線性補正手段63及び最終調整手段64は本発明に必須の構成要件ではなく、温度補正部65bによって電流値Inを得ることにより所期の目的を達成することができる。
Returning to FIG. 9, the temperature characteristic correction data E m read from the
This current value I n, after correcting the non-linearity of the modulation degree for the current to be measured in a
ここで、図11は、温度特性改善前の反射型電流センサによる被測定電流の比誤差を示しており、図12は、本発明の第1実施形態において、温度特性改善後の反射型電流センサによる被測定電流の比誤差を示している。
これらの図から明らかなように、第1実施形態によれば、−40〜+80[℃]の範囲において、比誤差の変動範囲がほぼ−0.1[%]以下になっており、GIS等の電流値測定用の光CTとして十分な温度特性が得られている。
Here, FIG. 11 shows the ratio error of the current to be measured by the reflection type current sensor before the temperature characteristic improvement, and FIG. 12 shows the reflection type current sensor after the temperature characteristic improvement in the first embodiment of the present invention. Shows the ratio error of the current under measurement.
As is clear from these figures, according to the first embodiment, in the range of −40 to +80 [° C.], the variation range of the ratio error is approximately −0.1 [%] or less, and GIS or the like. As a result, sufficient temperature characteristics are obtained as the light CT for current value measurement.
次に、本発明の第2実施形態を説明する。
保護継電器等に使用されている保護用の透過型電流センサは、反射型電流センサのごとくファラデー素子を使用していないため、第1実施形態のようにセンサヘッドの周囲温度センサとしてファラデー素子を利用することができない。ここで、一般的に光CTでは、電流を高精度に測定するための測定用の反射型電流センサと、過電流保護等を行う保護用の透過型電流センサとが近接して設置されている。
従って、第1実施形態により測定用の反射型電流センサが検出した周囲温度情報を、保護用の透過型電流センサのセンサヘッドの周囲温度情報としても利用すれば、透過型電流センサによる被測定電流の温度補償を行うことができる。本発明の第2実施形態は、この点に着目したものである。
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
Since the transmissive current sensor for protection used in protective relays and the like does not use the Faraday element like the reflective current sensor, the Faraday element is used as the ambient temperature sensor of the sensor head as in the first embodiment. Can not do it. Here, in general, in the optical CT, a reflective current sensor for measurement for measuring current with high accuracy and a transmissive current sensor for protection for performing overcurrent protection or the like are installed close to each other. .
Therefore, if the ambient temperature information detected by the reflective current sensor for measurement according to the first embodiment is also used as the ambient temperature information of the sensor head of the protective transmission type current sensor, the current to be measured by the transmission type current sensor is measured. Temperature compensation can be performed. The second embodiment of the present invention focuses on this point.
なお、良く知られているように、透過型電流センサは、被測定電流が流れる導体を周回するように配置されたセンサ用光ファイバと、偏光子からセンサ用光ファイバに入射して被測定電流によりファラデー回転を受けた透過光を偏波面が直交する第1の信号,第2の信号に分離する検光子と、を有するセンサヘッド、及び、第1,第2の信号が受光素子を介してそれぞれ入力され、これらの受光素子の出力信号の交流成分と直流成分との比からそれぞれ算出した変調度に基づいて被測定電流の大きさを測定する信号処理装置を少なくとも備えている。 As is well known, a transmission-type current sensor is composed of a sensor optical fiber arranged so as to circulate around a conductor through which a current to be measured flows, and a current to be measured that is incident on the sensor optical fiber from a polarizer. A sensor head having an analyzer for separating the transmitted light subjected to Faraday rotation into a first signal and a second signal whose polarization planes are orthogonal to each other, and the first and second signals are transmitted through the light receiving element. At least a signal processing device is provided that measures the magnitude of the current to be measured based on the modulation degree respectively inputted and calculated from the ratio between the AC component and the DC component of the output signals of these light receiving elements.
図13は、第2実施形態の全体構成図である。図13において、200Aは第1実施形態が適用される反射型電流センサの信号処理基板であり、図1に示した信号処理装置100の主要部を構成する。また、図13の200Bは保護用の透過型電流センサの信号処理基板であり、同じく透過型電流センサの信号処理装置の主要部を構成している。
FIG. 13 is an overall configuration diagram of the second embodiment. In FIG. 13,
この実施形態の概略的な動作としては、例えば、反射型電流センサの信号処理基板200Aから、前述の温度計測部65aにより計測した温度データ(温度T)と温度補正済みの電流データ(電流値In)とを通信基板300に伝送し、通信基板300から、上記温度データを透過型電流センサの信号処理基板200Bに伝送する。
信号処理基板200Bでは、透過型電流センサによる電流検出データに対し、上記温度データを用いて第1実施形態と同様の動作により温度補償を行い、温度補正済みの電流データを生成する。そして、この電流データを通信基板300に伝送する。
As a schematic operation of this embodiment, for example, temperature data (temperature T) measured by the above-described
In the signal processing board 200 </ b> B, temperature compensation is performed on the current detection data by the transmission type current sensor by the same operation as that of the first embodiment using the temperature data, and temperature-corrected current data is generated. Then, this current data is transmitted to the
同期I/F基板400は、通信基板300に1PPS同期信号を伝送し、通信基板300は、1PPS同期信号に同期した反射型電流センサ及び透過型電流センサの電流データを信号処理基板200A,200Bから読み出し、同期I/F基板400に伝送する。そして、同期I/F基板400は、反射型電流センサ及び透過型電流センサの温度補正済みの電流データを光CT出力として外部に伝送する。
The synchronous I /
図14は、温度特性改善前の透過型電流センサによる被測定電流の比誤差を示しており、図15は、本発明の第2実施形態において、温度特性改善後の透過型電流センサによる被測定電流の比誤差を示している。
これらの比較から明らかなように、第2実施形態によれば、−40〜+80[℃]の範囲において、比誤差の変動範囲がほぼ±0.2[%]以下に抑えられており、保護用の光CTとして十分な温度特性が得られている。
FIG. 14 shows a ratio error of the current to be measured by the transmission current sensor before the temperature characteristics are improved, and FIG. 15 shows a measurement by the transmission current sensor after the temperature characteristics are improved in the second embodiment of the present invention. The current ratio error is shown.
As is clear from these comparisons, according to the second embodiment, in the range of −40 to +80 [° C.], the fluctuation range of the ratio error is suppressed to approximately ± 0.2 [%] or less, and protection is achieved. As a result, sufficient temperature characteristics can be obtained as a light CT.
10:光源部
11:光源ユニット
12:光サーキュレータ
13,71,72:伝送用光ファイバ
20:センサヘッド
21:光学部
21a:偏/検光子
21b:レンズ
21c:ファラデー素子
21d:ファラデー回転子
21e:永久磁石
22:センサ用光ファイバ
23:ミラー
24:保護チューブ
40:アナログ信号処理部
41a,41b:I/V変換部
42a,42b:ローパスフィルタ
43a,43b:減算部
50:ADコンバータ
60:ディジタル信号処理部(FPGA:Field-Programmable Gate Array)
61:変調度演算手段
62:電流成分算出手段
63:非直線性補正手段
64:最終調整手段
65:温度計測・補正手段
65a:温度計測部
65b:温度補正部
81,86,87,88,91:加減算手段
82:実効値相当値演算手段
83,84,94:除算手段
85,93,95:メモリ
89:温度変換手段
92:乗算手段
96:除算手段
100:信号処理装置
200A,200B:信号処理基板
300:通信基板
400:同期I/F基板
PD1,PD2:受光素子
10: light source unit 11: light source unit 12:
61: Modulation degree calculation means 62: Current component calculation means 63: Non-linearity correction means 64: Final adjustment means 65: Temperature measurement / correction means 65a:
Claims (4)
偏/検光子及びファラデー素子を備え、前記センサ用光ファイバに入射して前記被測定電流によりファラデー回転を受けた反射光を偏波面が直交する第1の信号,第2の信号に分離する光学部と、を有するセンサヘッド、及び、
前記第1の信号,第2の信号が受光素子を介してそれぞれ入力され、前記受光素子の出力信号の交流成分と直流成分との比からそれぞれ算出した変調度に基づいて前記被測定電流の大きさを測定する信号処理装置、を備え、
反射型電流センサとして構成される光CTにおいて、
前記第1の信号,第2の信号に基づく変調度をそれぞれ正規化して電流成分に依存しない第1の変調度,第2の変調度を演算し、前記第1の変調度と第2の変調度との差分を算出して使用温度範囲における前記差分の温度特性を予め作成し、
前記温度特性を用いて、前記差分に対応する温度から前記センサヘッドの周囲温度を検出し、検出した前記周囲温度に対応する温度特性補正データを予め作成しておき、
前記信号処理装置により測定した前記被測定電流の大きさを前記温度特性補正データにより補正して前記被測定電流を温度補償することを特徴とする、光CTの温度特性改善方法。 An optical fiber for a sensor which is arranged so as to circulate around a conductor through which a current to be measured flows, and which has a mirror at an end;
An optical system that includes a polarization / analyzer and a Faraday element, and separates reflected light incident on the sensor optical fiber and subjected to Faraday rotation by the current to be measured into a first signal and a second signal whose polarization planes are orthogonal to each other. A sensor head having a portion, and
The first signal and the second signal are input through a light receiving element, respectively, and the magnitude of the current to be measured is based on the modulation degree calculated from the ratio between the AC component and the DC component of the output signal of the light receiving element. A signal processing device for measuring the thickness,
In optical CT configured as a reflective current sensor,
The first modulation factor and the second modulation factor are calculated by normalizing the modulation factors based on the first signal and the second signal, respectively, and calculating the first modulation factor and the second modulation factor independent of the current component. Create a temperature characteristic of the difference in the operating temperature range by calculating the difference with the degree in advance,
Using the temperature characteristic, the ambient temperature of the sensor head is detected from the temperature corresponding to the difference, and temperature characteristic correction data corresponding to the detected ambient temperature is created in advance,
A method for improving the temperature characteristics of an optical CT, wherein the current measured by the signal processing device is corrected by the temperature characteristic correction data to compensate the temperature of the current to be measured.
前記第1の信号,第2の信号に基づく変調度を、被測定電流の実効値相当値によりそれぞれ除算して正規化することを特徴とする、光CTの温度特性改善方法。 In the temperature characteristic improvement method of optical CT described in Claim 1,
A method for improving the temperature characteristics of an optical CT, wherein the modulation degree based on the first signal and the second signal is respectively divided and normalized by an effective value equivalent value of the current to be measured.
前記温度特性補正データは、前記第1の信号,第2の信号に基づく変調度の平均値を、前記第1の信号,第2の信号に基づく変調度の基準温度における平均値により正規化して求めたデータであることを特徴とする、光CTの温度特性改善方法。 In the temperature characteristic improvement method of optical CT as described in Claim 1 or Claim 2,
The temperature characteristic correction data is obtained by normalizing an average value of the modulation degree based on the first signal and the second signal by an average value at a reference temperature of the modulation degree based on the first signal and the second signal. A method for improving the temperature characteristics of optical CT, characterized in that the data is obtained.
偏光子から前記センサ用光ファイバに入射して前記被測定電流によりファラデー回転を受けた透過光を、偏波面が直交する第1の信号,第2の信号に分離する検光子と、を有するセンサヘッド、及び、
前記第1の信号,第2の信号が受光素子を介してそれぞれ入力され、前記受光素子の出力信号の交流成分と直流成分との比からそれぞれ算出した変調度に基づいて前記被測定電流の大きさを測定する信号処理装置、
を備えた透過型電流センサが、請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の前記反射型電流センサと近接して配置される光CTにおいて、
前記反射型電流センサのセンサヘッドの周囲温度として検出された温度情報を、前記透過型電流センサのセンサヘッドの周囲温度としても用いることを特徴とする、光CTの温度特性改善方法。 An optical fiber for a sensor arranged so as to go around a conductor through which a current to be measured flows;
A sensor that separates transmitted light incident on the sensor optical fiber from a polarizer and subjected to Faraday rotation by the current to be measured into a first signal and a second signal whose polarization planes are orthogonal to each other. Head and
The first signal and the second signal are input through a light receiving element, respectively, and the magnitude of the current to be measured is based on the modulation degree calculated from the ratio between the AC component and the DC component of the output signal of the light receiving element. Signal processing device for measuring the thickness,
In the optical CT in which a transmissive current sensor provided with is disposed in proximity to the reflective current sensor according to any one of claims 1 to 3,
A method for improving temperature characteristics of optical CT, wherein temperature information detected as the ambient temperature of the sensor head of the reflective current sensor is also used as the ambient temperature of the sensor head of the transmissive current sensor.
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