專利名稱：玻璃纖維的電流傳感器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明概括地涉及電流的測(cè)量和用于該目的的檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
根據(jù)法拉第效應(yīng)，光纖電流傳感器具有許多測(cè)量遠(yuǎn)程電流的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括寬動(dòng)態(tài)范圍、快速響應(yīng)、對(duì)電磁干擾的抗擾性、尺寸小和成本低。結(jié)果，近年來已經(jīng)對(duì)許多光纖電流傳感器進(jìn)行了調(diào)研。主要，他們已經(jīng)使用單模、包層石英光纖(SMF)。
由于正確度和穩(wěn)定度不足，這些傳感器尚未到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的階段。當(dāng)使用法拉第旋轉(zhuǎn)方法時(shí)，這主要是由于降低對(duì)比度的固有和感應(yīng)的線性雙折射引起的。從在使用石英光纖的檢測(cè)元件中容易產(chǎn)生雙折射這個(gè)事實(shí)而產(chǎn)生特殊的問題。
當(dāng)線性偏振光通過放置在磁場(chǎng)中與磁場(chǎng)平行的透明材料中傳播時(shí)，通過法拉第效應(yīng)這種現(xiàn)象，所述線性偏振光將旋轉(zhuǎn)。定義以度數(shù)給出的旋轉(zhuǎn)角(θ)的大小為(1)θ＝VHL其中，H是磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/m)，V是材料的Verdet常數(shù)，而L是磁場(chǎng)起作用的通路長(zhǎng)度(m)。
測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，用每單位長(zhǎng)度的安培(A)乘以圈數(shù)(T)來表示(AT/m)，其中m是米。由于用一圈來表示值，因此該因子是隱含的，而不是明顯的。因此，習(xí)慣上以每單位通路長(zhǎng)度(以米(m)表示)的安培(A)或千安培(kA)給出強(qiáng)度。
Verdet常數(shù)V是被每單位長(zhǎng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度除的旋轉(zhuǎn)角?？梢杂萌魏谓嵌葴y(cè)量的習(xí)慣單位來表示該角度，但是這里采用度。除非另行指出，用度數(shù)被表示為(kA×T/m)m的場(chǎng)強(qiáng)除來表示Verdet常數(shù)值。
由表達(dá)式給出圍繞無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)體的磁感應(yīng)(B)值(2)B＝(μo/4π)(2I/a)其中，I是電流，μo是自由空間的介電常數(shù)，而a是磁場(chǎng)離開導(dǎo)體的徑向距離。通過簡(jiǎn)單的關(guān)系式給出磁場(chǎng)和磁感應(yīng)的關(guān)系(3)B＝μoH組合等式1到3給出旋轉(zhuǎn)和電流之間的比例關(guān)系，致使(4)θ＝VI其中，θ以度表示，V是Verdet常數(shù)，而I以千安培(kA)表示。因此，測(cè)量電流的方法的靈敏度有賴于角度旋轉(zhuǎn)的測(cè)量有怎樣的正確度。
測(cè)量角度旋轉(zhuǎn)中的靈敏度受到另一個(gè)因素，雙折射率，的影響。主要從光纖在它的布局上的彎曲、或其它畸變?cè)斐傻膽?yīng)力產(chǎn)生雙折射率。在單模光纖中的線性雙折射率包括制造、彎曲、接觸的剩余應(yīng)力和熱應(yīng)力(Yamashita等人的“Extremely Small Stress-optic Coefficient Glass Single Mode Fibers ForCurrent Sensor”O(jiān)ptical Fiber Sensors，Sapporo Japan，paper We2-4，page168(1996)(“Yamashita”)。
由應(yīng)力所致的雙折射率進(jìn)行量化用系數(shù)來表示，稱之為光彈性常數(shù)(或光彈性系數(shù))?？梢园压鈴椥韵禂?shù)(BP)定義為在應(yīng)力方向上的折射率(n(par))和在垂直方向上的折射率(n(per))的差和所施加的應(yīng)力值的關(guān)系(5)n(par)－n(per)＝BPσ也可以認(rèn)為是以每通路長(zhǎng)度(以厘米(cm)為單位)之波長(zhǎng)(以納米(nm)為單位)為單位測(cè)量的相移除以每平方厘米的千克應(yīng)力(以kg/cm2為單位)而測(cè)量到的相移。那么，值的單位是(nm/cm除以kg/cm2)。
理想玻璃纖維的光彈性系數(shù)為零，從而使任何應(yīng)力所致的雙折射率為零。然而，已經(jīng)證明難于連同合適的Verdet常數(shù)一起得到這種情況。某些應(yīng)用需要使電流傳感器必須設(shè)計(jì)成對(duì)于電流提供單個(gè)、正確的值，而不管電流強(qiáng)度或傳感器的總長(zhǎng)度。
在正常、穩(wěn)定操作期間的電流測(cè)量不會(huì)出現(xiàn)特殊問題。然而，當(dāng)需要測(cè)量異常大的電流時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生問題。例如，從諸如短路之類的線路故障引起的浪涌或故障可能產(chǎn)生這種電流。
在這種電流測(cè)量中，除非光纖具有小Verdet常數(shù)，否則就有產(chǎn)生大于90度的旋轉(zhuǎn)角的危險(xiǎn)。既然是這樣，將和角度小于90度時(shí)一樣地記錄該角度，就使測(cè)量帶來問題。當(dāng)進(jìn)行雙通過測(cè)量(double pass measurement)時(shí)，尤為嚴(yán)重。
這樣，必須使由通過光纖傳感器的電流賦予偏振光的旋轉(zhuǎn)角不超過90度。實(shí)際上，不管電流強(qiáng)度，希望該角度甚至不接近90度。在所要測(cè)量的電流異常大的情況中，可接受的光纖傳感器必須符合這個(gè)要求。
本發(fā)明的目的是提供一種用于測(cè)量電流的新穎玻璃纖維傳感器。
另一個(gè)目的是提供一種具有特性組合的玻璃，這些特性使玻璃有用于起到這些新穎傳感器的作用。
又一個(gè)目的是提供一種修改的重火石玻璃，它具有使用于電流測(cè)量裝置的傳感器中所要求的特性組合。
仍又一個(gè)目的是提供一種方法，用于降低重火石玻璃的Verdet常數(shù)值，即使當(dāng)電流異常大時(shí)，也允許電流的正確測(cè)量。
另一個(gè)目的是提供玻璃纖芯的新穎組成，所述玻璃纖維是準(zhǔn)備用于電流測(cè)量裝置的傳感器中的。
發(fā)明概要本發(fā)明的一部分在于玻璃纖維傳感器，當(dāng)把傳感器放置在通過電流建立的磁場(chǎng)中時(shí)，用所述玻璃纖維傳感器測(cè)量電流，玻璃纖維傳感器具有重火石玻璃組成的芯，通過在玻璃組成中結(jié)合把順磁特性賦予玻璃的稀土離子的源而修改所述重火石玻璃。
本發(fā)明又在于一種重火石玻璃，所述重火石玻璃具有一種組成，基本上包含鉛和氧化硅和把順磁特性賦予玻璃的稀土離子的源。
本發(fā)明還在于一種方法，所述方法降低重火石玻璃的Verdet常數(shù)而同時(shí)不過度地增加玻璃的光彈性系數(shù)，所述方法包括在玻璃組成中結(jié)合把順磁特性賦予玻璃的稀土離子的源。
本發(fā)明的另一方面是一種確定電流值的方法，所述方法包括提供玻璃纖維電流傳感器，它的芯玻璃是重火石玻璃，在它的組成中包含把順磁特性賦予玻璃的稀土離子的源；通過導(dǎo)體傳導(dǎo)電流以建立圍繞導(dǎo)體的磁場(chǎng)；
把電流傳感器放置在如此建立的磁場(chǎng)中；把偏振光傳播到玻璃纖維電流傳感器；測(cè)量在玻璃纖維傳感器中的偏振光的旋轉(zhuǎn)角；以及從偏振光的旋轉(zhuǎn)角確定電流值。
附圖簡(jiǎn)述在附圖中的單張圖紙示出適合于本發(fā)明實(shí)際使用的電流測(cè)量裝置。
發(fā)明描述本發(fā)明涉及確定電流值。尤其，涉及在這種確定中使用的玻璃纖維傳感器，并涉及在進(jìn)行確定中使用該傳感器的一種方法。
當(dāng)光在電流建立的磁場(chǎng)中通過光纖時(shí)，通過電流在偏振光中建立的旋轉(zhuǎn)角測(cè)量電流值。當(dāng)拉制光纖的玻璃具有較低Verdet常數(shù)時(shí)，旋轉(zhuǎn)角較小。尤其，根據(jù)本發(fā)明從重火石玻璃制造的光纖通常具有小于0.30°/kA.的Verdet常數(shù)，最好，小于0.25°/kA。因此，當(dāng)使光纖遭受異常大的電流時(shí)，它將記錄小于90°的旋轉(zhuǎn)角，并將正確地測(cè)量電流。
參考表明包層光纖的一種光纖，它基本上包括纖芯和覆蓋芯的外部包復(fù)層。纖芯是電流測(cè)量的功能性部件。然而，眾知纖芯需要較低折射率的包層。這在光的傳播中防止光從芯中損耗。
除了折射率特性之外，要求包層玻璃的特性與在包層光纖中的那些芯玻璃接近匹配。相應(yīng)地，通常在實(shí)踐中對(duì)芯和包層采用相同組成系列的玻璃。除了修改包層玻璃賦予較低折射率之外，包層玻璃與芯玻璃具有相同的組成。


圖1示出本發(fā)明的裝置的實(shí)施例。最好，使用如上所述的包層光纖3。然而，可以使用任何玻璃制品，諸如一大塊玻璃(未示出)。光纖3的作用是作為偏振光的通路。導(dǎo)體4載有產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流。最好，圍繞導(dǎo)體4纏繞光纖3，如圖所示，以增加光通路的長(zhǎng)度。還有，最好光纖3和導(dǎo)體絕緣。
裝置還包括光射線1的源，如此地放置源，致使把光射線導(dǎo)向光纖3的輸入端。一般，光射線1的源是激光器。把偏振器2放置在光射線1的源的鄰近，致使光射線線性地偏振。把分析器5放置在光纖3的輸出端。
分析器5得到與通過導(dǎo)體4流過的電流成比例地產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)偏振分量。還包括一種手段8，用于指示相應(yīng)于分析器5的輸出的測(cè)量電流。一般，手段8是光檢測(cè)器6和顯示器裝置7。光檢測(cè)器6接收并檢測(cè)分析器5的輸出。裝置7接收光檢測(cè)器6的輸出，并把光檢測(cè)器6的輸出提供給顯示器。
可選擇地，分析器可以是如Yamashita等人所述的Wollaston棱鏡。然后，從光纖輸出的光射線分成兩個(gè)正交的偏振光。手段8檢測(cè)每個(gè)信號(hào)的輸出，并指示相應(yīng)于輸出的測(cè)量電流。
可以通過使用玻璃電流傳感器(最好，以包層光纖的形式)來確定正常發(fā)電站操作中的電流。為了避免雙折射效應(yīng)，要求使用具有較低光彈性系數(shù)的玻璃，最好，是零或接近零。然后玻璃的Verdet常數(shù)可以象通常那么大，以增加確定的靈敏度。
在測(cè)量異常大的電流中，玻璃傳感器的要求不同。仍要求具有較低的接近零的光彈性系數(shù)來避免雙折射效應(yīng)。然而，如前所述，傳感器玻璃必須具有一些特性致使偏振光的旋轉(zhuǎn)角不超過90°。
迄今為止，熔融石英已經(jīng)提供在無(wú)機(jī)玻璃中可得到的最小Verdet常數(shù)，在1150 nm處該值為0.1°/kA。不幸地，熔融石英還具有大的光彈性系數(shù)，在560 nm處為3.5(nm/cm)/(kg/cm2)。這導(dǎo)致尋找具有可比擬的Verdet常數(shù)和低的、接近零的光彈性系數(shù)的一種玻璃。
已經(jīng)可以看出，通常眾知為重火石玻璃的鉛石英玻璃具有零值的光彈性系數(shù)。然而，它們還具有大于0.50°/kA的Verdet常數(shù)。對(duì)于測(cè)量通常的低電流值，這是可接受的，但是對(duì)于異常的大電流，諸如偶然通過浪涌或短路產(chǎn)生的大電流，則不能正確地測(cè)量。這是因?yàn)樾D(zhuǎn)角可能超過90°的危險(xiǎn)性。
為了正確地測(cè)量這種大電流，必須提供具有低Verdet常數(shù)連同低光彈性系數(shù)的玻璃纖維傳感器。在同行的申請(qǐng)中通過使用氟化物玻璃解決了該問題。然而，需要使用更方便的融化玻璃。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以降低重火石玻璃的Verdet常數(shù)而同時(shí)仍保持相當(dāng)?shù)偷墓鈴椥韵禂?shù)。尤其，有可能提供一種纖芯玻璃，它具有的Verdet常數(shù)不超過0.30°/kA，最好，小于0.25°/kA。同時(shí)，光彈性系數(shù)的值保持在不超過0.30(nm/cm)/(kg/cm2)。
這是通過在重火石玻璃的組成中結(jié)合把順磁特性賦予玻璃的稀土離子的源而實(shí)現(xiàn)的。象大多數(shù)玻璃那樣，重火石玻璃具有抗磁特性的特征。習(xí)慣上，已經(jīng)把這個(gè)描述為把順時(shí)針旋轉(zhuǎn)賦予偏振光。
所選擇的稀土離子在玻璃中的出現(xiàn)建立一種眾知為順磁特性的相反效應(yīng)，所述稀土離子在“f”層中具有有效的未填充電子。這個(gè)特性把相反的旋轉(zhuǎn)賦予偏振光。可以把相反旋轉(zhuǎn)認(rèn)為是反時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這至少在某種程度上趨向于消除玻璃的正常抗磁特性。結(jié)果，使在玻璃芯中由任何給定電流引起的偏振光的旋轉(zhuǎn)角減小。
順磁效應(yīng)與溫度有關(guān)，而抗磁效應(yīng)與溫度無(wú)關(guān)。如此產(chǎn)生的差錯(cuò)趨向于可以忽略，隨溫度的變化是次要的。當(dāng)溫度變化更嚴(yán)重時(shí)，或當(dāng)要求精確數(shù)據(jù)時(shí)，可能需要控制測(cè)量裝置的溫度。
本發(fā)明設(shè)想對(duì)重火石玻璃組成增加由于未填充電子層而把順磁特性賦予玻璃的稀土離子的源。如同與更普通的充滿的電子層相對(duì)比，就是該未填充的電子層對(duì)磁力線作用而在旋轉(zhuǎn)角上產(chǎn)生相反的效應(yīng)。
作為離子或離子混合物、在玻璃中施加順磁效應(yīng)的稀土元素有Tb、Nd、Pr、Dy、Ho、Er和Tm。過渡元素也有未填充的電子層。然而，如所眾知，它們賦予彩色，從而降低了在光譜的可見光部分和紫外線(UV)部分的傳播。相應(yīng)地，不認(rèn)為它們對(duì)可見或紫外偏振光有用。
習(xí)慣上，在玻璃組成中的稀土元素是作為氧化物出現(xiàn)的。然而，對(duì)于本發(fā)明的目的有效的是它們以離子形式出現(xiàn)在玻璃中。
可以簡(jiǎn)單地把它們作為附加的成分加在重火石玻璃組成中。然而，一般較佳的是用它們來代替鉛。這是因?yàn)殂U是玻璃中的主要成分，并對(duì)抗磁特性具有主要的作用。
一般，對(duì)于抗磁效應(yīng)我們寧可使用鋱離子。它對(duì)于產(chǎn)生大的負(fù)旋轉(zhuǎn)角相當(dāng)有效?？梢砸曰玖堪阉Y(jié)合在重火石玻璃中，因此，提供了靈活性。當(dāng)然，它提供使用所必須的透明度。相應(yīng)地，相對(duì)于這個(gè)氧化物進(jìn)行本發(fā)明的又一個(gè)說明。
將會(huì)理解，任何其它有效的氧化物都可以代替Tb2O3的相似的效果，雖然不必須是相等的效果。用任何氧化物代替的程度是通過所要求的玻璃融化的有效程度，以及通過結(jié)合在同族中的玻璃融化的能力來確定的。
在它的最簡(jiǎn)單的形式中，重火石玻璃是硅酸鉛，以重量％來計(jì)算，它基本上包括20-42％的SiO，、50-80％的PbO，以及任選地，0-8％的K2O。替代x％的展現(xiàn)順磁特性的元素的離子而產(chǎn)生一種組成，以重量％來計(jì)算，這種組成基本上包括20-42％的SiO2、50－(80－x)％的PbO、x％的替代元素的氧化物，以及任選地，0-8％的K2O。
下面表I示出5種玻璃組成。三種是根據(jù)本發(fā)明的，一種是商用重火石玻璃，一種是熔融石英。后面兩個(gè)是用于比較的。表中示出按重量％的組成。還示出在1150 nm波長(zhǎng)處按°/kA測(cè)量的每種玻璃的Verdet常數(shù)(V)值，和在546 nm處按(nm/cm)/(kg/cm2)測(cè)量的光彈性系數(shù)(B)值。
表I
以傳統(tǒng)方式通過混合傳統(tǒng)的玻璃形成材料來準(zhǔn)備玻璃批料，所述傳統(tǒng)玻璃形成材料包括純砂、氧化鉛、鋱和砷以及硝酸鈉和硝酸鉀。包括氧化砷作為澄清劑，而堿金屬氧化物的作用是使玻璃穩(wěn)定。
把每個(gè)玻璃批料放置在融化容器中，并在約1100℃溫度處保持三(3)小時(shí)。在融化的同時(shí)，通過在熔爐之間傾注而使融化物均勻。使均勻的融化物冷卻到900℃，并傾注到模子中以形成13×13cm(5”×5”)的扁形餅(patties)。玻璃在350℃處退火。然后把每個(gè)玻璃連同組成相似但是折射率較低的包層玻璃一起放置在雙熔爐中。為了測(cè)量的目的，從每個(gè)組合拉出包層光纖。
已經(jīng)以相當(dāng)簡(jiǎn)單的措詞描述了本發(fā)明。然而，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員會(huì)明了，本發(fā)明的更普遍的范圍包括各種改變，并且包括在下述權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種玻璃纖維傳感器，用于在其處于由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中時(shí)測(cè)量電流，其特征在于，所述玻璃纖維傳感器具有重火石玻璃芯，重火石玻璃芯成份通過在玻璃中包含一種能夠賦予玻璃以順磁特性的一選定稀土離子的源而改變，從而至少消除一部分基質(zhì)玻璃的抗磁特性。
2.如權(quán)利要求1所述的玻璃纖維傳感器，其特征在于，玻璃纖芯具有不超過約0.30°/kA的Verdet常數(shù)值和不超過約0.30(nm/cm)/(kg/cm2)的光彈性系數(shù)值。
3.如權(quán)利要求2所述的玻璃纖維傳感器，其特征在于，玻璃纖芯具有不超過約0.25°/kA的Verdet常數(shù)。
4.如權(quán)利要求1所述的玻璃纖維傳感器，其特征在于，稀土離子選自由以下元素組成的組Tb、Nd、Pr、Dy、Ho、Er和Tm。
5.如權(quán)利要求4所述的玻璃纖維傳感器，其特征在于，所選定的稀土離子是Tb。
6.如權(quán)利要求1所述的玻璃纖維傳感器，其特征在于，玻璃纖芯是一種經(jīng)改進(jìn)的重火石玻璃，按氧化物重量百分比來計(jì)算，該重火石玻璃基本上包括20-42％的SiO2、0-8％的K2O、50－(80－x)％的PbO、x％的所述選定稀土的氧化物，所述選定稀土氧化物加上PbO的含量大于50％，但是不超過80％。
7.一種用于降低重火石玻璃之Verdet常數(shù)值而不過度增加玻璃之光彈性系數(shù)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟把在玻璃組成中包含一種能夠把順磁特性賦予玻璃的一選定稀土離子的源，從而至少消除一部分母體玻璃之抗磁特性對(duì)光纖偏振光之旋轉(zhuǎn)角的影響。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，包括以下步驟降低玻璃的Verdet常數(shù)值，使其不超過約0.30°/kA，同時(shí)保持光彈性系數(shù)在不超過約0.30(nm/cm)/(kg/cm2)的值。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，包括以下步驟包含一種稀土離子，所述稀土離子選自以下元素組Tb、Nd、Pr、Dy、Ho、Er和Tm。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，重火石玻璃包含氧化鉛，并且所述方法包括在重火石玻璃組成中用所選定稀土離子的氧化物代替氧化鉛。
11.一種用于確定電流值的方法，其特征在于，所述方法包括下列步驟提供玻璃纖維傳感器，其纖芯玻璃是重火石玻璃，重火石玻璃的組成包含一選定稀土離子的源，能夠把順磁特性賦予玻璃；通過一導(dǎo)體傳導(dǎo)電流，在導(dǎo)體周圍建立一磁場(chǎng)；把電流傳感器放置在如此建立的磁場(chǎng)中；把偏振光傳播到玻璃纖維傳感器中；測(cè)量在玻璃纖維傳感器中偏振光的旋轉(zhuǎn)角；以及由偏振光的旋轉(zhuǎn)角確定電流值。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，包括提供玻璃纖維傳感器的步驟，該玻璃纖維傳感器的玻璃纖芯是包含足夠量的選定稀土離子源的重火石玻璃，用以使Verdet常數(shù)降低到不超過0.30°/kA的值。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，包括提供玻璃纖維傳感器的步驟，玻璃纖維傳感器的纖芯玻璃是重火石玻璃，而重火石玻璃的組成包含一個(gè)稀土離子，所述稀土離子選自以下元素組Tb、Nd、Pr、Dy、Ho、Er和Tm。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，包括以下步驟將來自激光器的光通過偏振器傳播到玻璃纖維傳感器中。
15.一種重火石玻璃，其特征在于，其成份基本上包括氧化鉛和氧化硅以及稀土離子氧化物，其中所述稀土離子在玻璃中賦予順磁特性，用以至少消除一部分基質(zhì)玻璃的抗磁特性。
16.如權(quán)利要求15所述的重火石玻璃，其特征在于，在它的組成中包含一種稀土氧化物，該稀土氧化物選自以下組Tb2O3、Nd2O3、Pr2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3和Tm2O3。
17.如權(quán)利要求15所述的重火石玻璃，其特征在于，根據(jù)氧化物重量％來計(jì)算，基本上包括20-42％的SiO2、50－(80－x)％的PbO、x％的選定稀土氧化物，以及任選的0-8％的K2O，稀土氧化物加上PbO的總含量大于50％，但是不超過80％。
全文摘要
一種用于測(cè)量電流的玻璃纖維傳感器(3),玻璃纖芯是重火石玻璃,其組成通過把一選定稀土離子的源添加到玻璃組成中而改變,由此降低玻璃的Verdet常數(shù)值而不過度增加光彈性系數(shù)值。
文檔編號(hào)C03C3/07GK1332851SQ99815422
公開日2002年1月23日 申請(qǐng)日期1999年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月5日
發(fā)明者N·F·博雷尼, Y·A·布羅謝頓, A·M·馬約萊特 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司