专利名称：玻璃纤维的电流传感器及方法
技术领域：
本发明概括地涉及电流的测量和用于该目的的检测装置。
背景技术：
根据法拉第效应，光纤电流传感器具有许多测量远程电流的优点。这些优点包括宽动态范围、快速响应、对电磁干扰的抗扰性、尺寸小和成本低。结果，近年来已经对许多光纤电流传感器进行了调研。主要，他们已经使用单模、包层石英光纤(SMF)。
由于正确度和稳定度不足，这些传感器尚未到达现场实际使用的阶段。当使用法拉第旋转方法时，这主要是由于降低对比度的固有和感应的线性双折射引起的。从在使用石英光纤的检测元件中容易产生双折射这个事实而产生特殊的问题。
当线性偏振光通过放置在磁场中与磁场平行的透明材料中传播时，通过法拉第效应这种现象，所述线性偏振光将旋转。定义以度数给出的旋转角(θ)的大小为(1)θ＝VHL其中，H是磁场强度(A/m)，V是材料的Verdet常数，而L是磁场起作用的通路长度(m)。
测量磁场强度，用每单位长度的安培(A)乘以圈数(T)来表示(AT/m)，其中m是米。由于用一圈来表示值，因此该因子是隐含的，而不是明显的。因此，习惯上以每单位通路长度(以米(m)表示)的安培(A)或千安培(kA)给出强度。
Verdet常数V是被每单位长度磁场强度除的旋转角。可以用任何角度测量的习惯单位来表示该角度，但是这里采用度。除非另行指出，用度数被表示为(kA×T/m)m的场强除来表示Verdet常数值。
由表达式给出围绕无限长直导体的磁感应(B)值(2)B＝(μo/4π)(2I/a)其中，I是电流，μo是自由空间的介电常数，而a是磁场离开导体的径向距离。通过简单的关系式给出磁场和磁感应的关系(3)B＝μoH组合等式1到3给出旋转和电流之间的比例关系，致使(4)θ＝VI其中，θ以度表示，V是Verdet常数，而I以千安培(kA)表示。因此，测量电流的方法的灵敏度有赖于角度旋转的测量有怎样的正确度。
测量角度旋转中的灵敏度受到另一个因素，双折射率，的影响。主要从光纤在它的布局上的弯曲、或其它畸变造成的应力产生双折射率。在单模光纤中的线性双折射率包括制造、弯曲、接触的剩余应力和热应力(Yamashita等人的“Extremely Small Stress-optic Coefficient Glass Single Mode Fibers ForCurrent Sensor”Optical Fiber Sensors，Sapporo Japan，paper We2-4，page168(1996)(“Yamashita”)。
由应力所致的双折射率进行量化用系数来表示，称之为光弹性常数(或光弹性系数)。可以把光弹性系数(BP)定义为在应力方向上的折射率(n(par))和在垂直方向上的折射率(n(per))的差和所施加的应力值的关系(5)n(par)－n(per)＝BPσ也可以认为是以每通路长度(以厘米(cm)为单位)之波长(以纳米(nm)为单位)为单位测量的相移除以每平方厘米的千克应力(以kg/cm2为单位)而测量到的相移。那么，值的单位是(nm/cm除以kg/cm2)。
理想玻璃纤维的光弹性系数为零，从而使任何应力所致的双折射率为零。然而，已经证明难于连同合适的Verdet常数一起得到这种情况。某些应用需要使电流传感器必须设计成对于电流提供单个、正确的值，而不管电流强度或传感器的总长度。
在正常、稳定操作期间的电流测量不会出现特殊问题。然而，当需要测量异常大的电流时，就会产生问题。例如，从诸如短路之类的线路故障引起的浪涌或故障可能产生这种电流。
在这种电流测量中，除非光纤具有小Verdet常数，否则就有产生大于90度的旋转角的危险。既然是这样，将和角度小于90度时一样地记录该角度，就使测量带来问题。当进行双通过测量(double pass measurement)时，尤为严重。
这样，必须使由通过光纤传感器的电流赋予偏振光的旋转角不超过90度。实际上，不管电流强度，希望该角度甚至不接近90度。在所要测量的电流异常大的情况中，可接受的光纤传感器必须符合这个要求。
本发明的目的是提供一种用于测量电流的新颖玻璃纤维传感器。
另一个目的是提供一种具有特性组合的玻璃，这些特性使玻璃有用于起到这些新颖传感器的作用。
又一个目的是提供一种修改的重火石玻璃，它具有使用于电流测量装置的传感器中所要求的特性组合。
仍又一个目的是提供一种方法，用于降低重火石玻璃的Verdet常数值，即使当电流异常大时，也允许电流的正确测量。
另一个目的是提供玻璃纤芯的新颖组成，所述玻璃纤维是准备用于电流测量装置的传感器中的。
发明概要本发明的一部分在于玻璃纤维传感器，当把传感器放置在通过电流建立的磁场中时，用所述玻璃纤维传感器测量电流，玻璃纤维传感器具有重火石玻璃组成的芯，通过在玻璃组成中结合把顺磁特性赋予玻璃的稀土离子的源而修改所述重火石玻璃。
本发明又在于一种重火石玻璃，所述重火石玻璃具有一种组成，基本上包含铅和氧化硅和把顺磁特性赋予玻璃的稀土离子的源。
本发明还在于一种方法，所述方法降低重火石玻璃的Verdet常数而同时不过度地增加玻璃的光弹性系数，所述方法包括在玻璃组成中结合把顺磁特性赋予玻璃的稀土离子的源。
本发明的另一方面是一种确定电流值的方法，所述方法包括提供玻璃纤维电流传感器，它的芯玻璃是重火石玻璃，在它的组成中包含把顺磁特性赋予玻璃的稀土离子的源；通过导体传导电流以建立围绕导体的磁场；
把电流传感器放置在如此建立的磁场中；把偏振光传播到玻璃纤维电流传感器；测量在玻璃纤维传感器中的偏振光的旋转角；以及从偏振光的旋转角确定电流值。
附图简述在附图中的单张图纸示出适合于本发明实际使用的电流测量装置。
发明描述本发明涉及确定电流值。尤其，涉及在这种确定中使用的玻璃纤维传感器，并涉及在进行确定中使用该传感器的一种方法。
当光在电流建立的磁场中通过光纤时，通过电流在偏振光中建立的旋转角测量电流值。当拉制光纤的玻璃具有较低Verdet常数时，旋转角较小。尤其，根据本发明从重火石玻璃制造的光纤通常具有小于0.30°/kA.的Verdet常数，最好，小于0.25°/kA。因此，当使光纤遭受异常大的电流时，它将记录小于90°的旋转角，并将正确地测量电流。
参考表明包层光纤的一种光纤，它基本上包括纤芯和覆盖芯的外部包复层。纤芯是电流测量的功能性部件。然而，众知纤芯需要较低折射率的包层。这在光的传播中防止光从芯中损耗。
除了折射率特性之外，要求包层玻璃的特性与在包层光纤中的那些芯玻璃接近匹配。相应地，通常在实践中对芯和包层采用相同组成系列的玻璃。除了修改包层玻璃赋予较低折射率之外，包层玻璃与芯玻璃具有相同的组成。
图1示出本发明的装置的实施例。最好，使用如上所述的包层光纤3。然而，可以使用任何玻璃制品，诸如一大块玻璃(未示出)。光纤3的作用是作为偏振光的通路。导体4载有产生磁场的电流。最好，围绕导体4缠绕光纤3，如图所示，以增加光通路的长度。还有，最好光纤3和导体绝缘。
装置还包括光射线1的源，如此地放置源，致使把光射线导向光纤3的输入端。一般，光射线1的源是激光器。把偏振器2放置在光射线1的源的邻近，致使光射线线性地偏振。把分析器5放置在光纤3的输出端。
分析器5得到与通过导体4流过的电流成比例地产生的旋转偏振分量。还包括一种手段8，用于指示相应于分析器5的输出的测量电流。一般，手段8是光检测器6和显示器装置7。光检测器6接收并检测分析器5的输出。装置7接收光检测器6的输出，并把光检测器6的输出提供给显示器。
可选择地，分析器可以是如Yamashita等人所述的Wollaston棱镜。然后，从光纤输出的光射线分成两个正交的偏振光。手段8检测每个信号的输出，并指示相应于输出的测量电流。
可以通过使用玻璃电流传感器(最好，以包层光纤的形式)来确定正常发电站操作中的电流。为了避免双折射效应，要求使用具有较低光弹性系数的玻璃，最好，是零或接近零。然后玻璃的Verdet常数可以象通常那么大，以增加确定的灵敏度。
在测量异常大的电流中，玻璃传感器的要求不同。仍要求具有较低的接近零的光弹性系数来避免双折射效应。然而，如前所述，传感器玻璃必须具有一些特性致使偏振光的旋转角不超过90°。
迄今为止，熔融石英已经提供在无机玻璃中可得到的最小Verdet常数，在1150 nm处该值为0.1°/kA。不幸地，熔融石英还具有大的光弹性系数，在560 nm处为3.5(nm/cm)/(kg/cm2)。这导致寻找具有可比拟的Verdet常数和低的、接近零的光弹性系数的一种玻璃。
已经可以看出，通常众知为重火石玻璃的铅石英玻璃具有零值的光弹性系数。然而，它们还具有大于0.50°/kA的Verdet常数。对于测量通常的低电流值，这是可接受的，但是对于异常的大电流，诸如偶然通过浪涌或短路产生的大电流，则不能正确地测量。这是因为旋转角可能超过90°的危险性。
为了正确地测量这种大电流，必须提供具有低Verdet常数连同低光弹性系数的玻璃纤维传感器。在同行的申请中通过使用氟化物玻璃解决了该问题。然而，需要使用更方便的融化玻璃。
我们已经发现，可以降低重火石玻璃的Verdet常数而同时仍保持相当低的光弹性系数。尤其，有可能提供一种纤芯玻璃，它具有的Verdet常数不超过0.30°/kA，最好，小于0.25°/kA。同时，光弹性系数的值保持在不超过0.30(nm/cm)/(kg/cm2)。
这是通过在重火石玻璃的组成中结合把顺磁特性赋予玻璃的稀土离子的源而实现的。象大多数玻璃那样，重火石玻璃具有抗磁特性的特征。习惯上，已经把这个描述为把顺时针旋转赋予偏振光。
所选择的稀土离子在玻璃中的出现建立一种众知为顺磁特性的相反效应，所述稀土离子在“f”层中具有有效的未填充电子。这个特性把相反的旋转赋予偏振光。可以把相反旋转认为是反时针旋转。这至少在某种程度上趋向于消除玻璃的正常抗磁特性。结果，使在玻璃芯中由任何给定电流引起的偏振光的旋转角减小。
顺磁效应与温度有关，而抗磁效应与温度无关。如此产生的差错趋向于可以忽略，随温度的变化是次要的。当温度变化更严重时，或当要求精确数据时，可能需要控制测量装置的温度。
本发明设想对重火石玻璃组成增加由于未填充电子层而把顺磁特性赋予玻璃的稀土离子的源。如同与更普通的充满的电子层相对比，就是该未填充的电子层对磁力线作用而在旋转角上产生相反的效应。
作为离子或离子混合物、在玻璃中施加顺磁效应的稀土元素有Tb、Nd、Pr、Dy、Ho、Er和Tm。过渡元素也有未填充的电子层。然而，如所众知，它们赋予彩色，从而降低了在光谱的可见光部分和紫外线(UV)部分的传播。相应地，不认为它们对可见或紫外偏振光有用。
习惯上，在玻璃组成中的稀土元素是作为氧化物出现的。然而，对于本发明的目的有效的是它们以离子形式出现在玻璃中。
可以简单地把它们作为附加的成分加在重火石玻璃组成中。然而，一般较佳的是用它们来代替铅。这是因为铅是玻璃中的主要成分，并对抗磁特性具有主要的作用。
一般，对于抗磁效应我们宁可使用铽离子。它对于产生大的负旋转角相当有效。可以以基本量把它结合在重火石玻璃中，因此，提供了灵活性。当然，它提供使用所必须的透明度。相应地，相对于这个氧化物进行本发明的又一个说明。
将会理解，任何其它有效的氧化物都可以代替Tb2O3的相似的效果，虽然不必须是相等的效果。用任何氧化物代替的程度是通过所要求的玻璃融化的有效程度，以及通过结合在同族中的玻璃融化的能力来确定的。
在它的最简单的形式中，重火石玻璃是硅酸铅，以重量％来计算，它基本上包括20-42％的SiO，、50-80％的PbO，以及任选地，0-8％的K2O。替代x％的展现顺磁特性的元素的离子而产生一种组成，以重量％来计算，这种组成基本上包括20-42％的SiO2、50－(80－x)％的PbO、x％的替代元素的氧化物，以及任选地，0-8％的K2O。
下面表I示出5种玻璃组成。三种是根据本发明的，一种是商用重火石玻璃，一种是熔融石英。后面两个是用于比较的。表中示出按重量％的组成。还示出在1150 nm波长处按°/kA测量的每种玻璃的Verdet常数(V)值，和在546 nm处按(nm/cm)/(kg/cm2)测量的光弹性系数(B)值。
表I
以传统方式通过混合传统的玻璃形成材料来准备玻璃批料，所述传统玻璃形成材料包括纯砂、氧化铅、铽和砷以及硝酸钠和硝酸钾。包括氧化砷作为澄清剂，而碱金属氧化物的作用是使玻璃稳定。
把每个玻璃批料放置在融化容器中，并在约1100℃温度处保持三(3)小时。在融化的同时，通过在熔炉之间倾注而使融化物均匀。使均匀的融化物冷却到900℃，并倾注到模子中以形成13×13cm(5”×5”)的扁形饼(patties)。玻璃在350℃处退火。然后把每个玻璃连同组成相似但是折射率较低的包层玻璃一起放置在双熔炉中。为了测量的目的，从每个组合拉出包层光纤。
已经以相当简单的措词描述了本发明。然而，熟悉本技术领域的人员会明了，本发明的更普遍的范围包括各种改变，并且包括在下述权利要求的范围内。
权利要求
1.一种玻璃纤维传感器，用于在其处于由电流产生的磁场中时测量电流，其特征在于，所述玻璃纤维传感器具有重火石玻璃芯，重火石玻璃芯成份通过在玻璃中包含一种能够赋予玻璃以顺磁特性的一选定稀土离子的源而改变，从而至少消除一部分基质玻璃的抗磁特性。
2.如权利要求1所述的玻璃纤维传感器，其特征在于，玻璃纤芯具有不超过约0.30°/kA的Verdet常数值和不超过约0.30(nm/cm)/(kg/cm2)的光弹性系数值。
3.如权利要求2所述的玻璃纤维传感器，其特征在于，玻璃纤芯具有不超过约0.25°/kA的Verdet常数。
4.如权利要求1所述的玻璃纤维传感器，其特征在于，稀土离子选自由以下元素组成的组Tb、Nd、Pr、Dy、Ho、Er和Tm。
5.如权利要求4所述的玻璃纤维传感器，其特征在于，所选定的稀土离子是Tb。
6.如权利要求1所述的玻璃纤维传感器，其特征在于，玻璃纤芯是一种经改进的重火石玻璃，按氧化物重量百分比来计算，该重火石玻璃基本上包括20-42％的SiO2、0-8％的K2O、50－(80－x)％的PbO、x％的所述选定稀土的氧化物，所述选定稀土氧化物加上PbO的含量大于50％，但是不超过80％。
7.一种用于降低重火石玻璃之Verdet常数值而不过度增加玻璃之光弹性系数的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤把在玻璃组成中包含一种能够把顺磁特性赋予玻璃的一选定稀土离子的源，从而至少消除一部分母体玻璃之抗磁特性对光纤偏振光之旋转角的影响。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，包括以下步骤降低玻璃的Verdet常数值，使其不超过约0.30°/kA，同时保持光弹性系数在不超过约0.30(nm/cm)/(kg/cm2)的值。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，包括以下步骤包含一种稀土离子，所述稀土离子选自以下元素组Tb、Nd、Pr、Dy、Ho、Er和Tm。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，重火石玻璃包含氧化铅，并且所述方法包括在重火石玻璃组成中用所选定稀土离子的氧化物代替氧化铅。
11.一种用于确定电流值的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤提供玻璃纤维传感器，其纤芯玻璃是重火石玻璃，重火石玻璃的组成包含一选定稀土离子的源，能够把顺磁特性赋予玻璃；通过一导体传导电流，在导体周围建立一磁场；把电流传感器放置在如此建立的磁场中；把偏振光传播到玻璃纤维传感器中；测量在玻璃纤维传感器中偏振光的旋转角；以及由偏振光的旋转角确定电流值。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，包括提供玻璃纤维传感器的步骤，该玻璃纤维传感器的玻璃纤芯是包含足够量的选定稀土离子源的重火石玻璃，用以使Verdet常数降低到不超过0.30°/kA的值。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，包括提供玻璃纤维传感器的步骤，玻璃纤维传感器的纤芯玻璃是重火石玻璃，而重火石玻璃的组成包含一个稀土离子，所述稀土离子选自以下元素组Tb、Nd、Pr、Dy、Ho、Er和Tm。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，包括以下步骤将来自激光器的光通过偏振器传播到玻璃纤维传感器中。
15.一种重火石玻璃，其特征在于，其成份基本上包括氧化铅和氧化硅以及稀土离子氧化物，其中所述稀土离子在玻璃中赋予顺磁特性，用以至少消除一部分基质玻璃的抗磁特性。
16.如权利要求15所述的重火石玻璃，其特征在于，在它的组成中包含一种稀土氧化物，该稀土氧化物选自以下组Tb2O3、Nd2O3、Pr2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3和Tm2O3。
17.如权利要求15所述的重火石玻璃，其特征在于，根据氧化物重量％来计算，基本上包括20-42％的SiO2、50－(80－x)％的PbO、x％的选定稀土氧化物，以及任选的0-8％的K2O，稀土氧化物加上PbO的总含量大于50％，但是不超过80％。
全文摘要
一种用于测量电流的玻璃纤维传感器(3),玻璃纤芯是重火石玻璃,其组成通过把一选定稀土离子的源添加到玻璃组成中而改变,由此降低玻璃的Verdet常数值而不过度增加光弹性系数值。
文档编号C03C3/07GK1332851SQ99815422
公开日2002年1月23日 申请日期1999年12月15日 优先权日1999年1月5日
发明者N·F·博雷尼, Y·A·布罗谢顿, A·M·马约莱特 申请人:康宁股份有限公司