專利名稱：電流測(cè)量方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明概括地涉及大電流的測(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(lái)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。主要是由于固有的和感應(yīng)的線性雙折射使所測(cè)量的法拉第旋轉(zhuǎn)畸變。從硅光纖無(wú)能力正確地測(cè)量諸如浪涌或故障電流之類的大電流而產(chǎn)生了特殊問(wèn)題。這種電流異常大，在某些情況下大到180kA。一般，由于諸如短路之類的故障而產(chǎn)生這種電流。
當(dāng)線性偏振光通過(guò)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(guò)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(lái)表示(AT/m)，其中m是米。由于用一圈來(lái)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。可以用任何角度測(cè)量的習(xí)慣單位來(lái)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(lái)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(kāi)導(dǎo)體的徑向距離。通過(guò)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，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 For CurrentSensor”O(jiān)ptical Fiber Sensors，Sapporo Japan，paper We2-4，page168(1996)(“Yamashita”)。
對(duì)應(yīng)力所致的雙折射率進(jìn)行量化用系數(shù)來(lái)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)為單位的相移除以每平方厘米的千克應(yīng)力((kg/cm2)為單位)。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)證明難于連同其它所要求的特性一起得到這種情況。因此，已經(jīng)認(rèn)為接近-零值，例如，在-0.2到0.2范圍內(nèi)的值，適合于某些用途。
在測(cè)量浪涌電流中，保持旋轉(zhuǎn)角在90度以下是很重要的。因?yàn)椴ＡЮw維具有大的Verdet常數(shù)，故障電流測(cè)量易于產(chǎn)生大于90度的旋轉(zhuǎn)角。旋轉(zhuǎn)角大于90度將和旋轉(zhuǎn)角小于90度進(jìn)行相同的記錄。對(duì)比之下，當(dāng)測(cè)量大故障電流時(shí)，具有低Verdet常數(shù)的光纖的裝置將不會(huì)有這么大的旋轉(zhuǎn)角。因此，它將正確地測(cè)量這種電流。
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的方法和裝置，用于測(cè)量諸如浪涌和故障電流之類的大電流。
另一個(gè)目的是提供一種適用于這種改進(jìn)的方法和裝置的玻璃。
又一個(gè)目的是提供一種制造玻璃的方法，事實(shí)玻璃具有接近-零光彈性系數(shù)和低Verdet常數(shù)。
仍又一個(gè)目的是提供一種方法，用于降低具有低Verdet常數(shù)的玻璃的光彈性系數(shù)。
發(fā)明概要本發(fā)明的一部分在于一種方法，用于在適合于測(cè)量的波長(zhǎng)處降低氟化物玻璃的光彈性系數(shù)，所述氟化物玻璃具有低Verdet常數(shù)，而且包括氟化鋯作為它的組成的主要成分，所述方法包括在玻璃組成中結(jié)合少量氟化鉛的步驟。
本發(fā)明又在于一種方法，用于確定高達(dá)200kA的浪涌或故障電流值，所述方法包括提供玻璃纖維電流傳感器，所述玻璃具有的組成主要由氟化鋯組成，并包含高達(dá)3％的氟化鉛，在用于測(cè)量的波長(zhǎng)處具有低Verdet常數(shù)，并且能夠在每次通過(guò)該波長(zhǎng)處使偏振光的旋轉(zhuǎn)角小于0.45°/kA；通過(guò)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是一種裝置，用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。
發(fā)明描述本發(fā)明涉及一種方法和裝置，用于確定異常大電流的值。當(dāng)光在磁場(chǎng)中傳播通過(guò)光纖時(shí)，通過(guò)測(cè)量電流在偏振光中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)角來(lái)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，從根據(jù)本發(fā)明的氟化物玻璃制造的光纖將具有低于0.45度/kA的Verdet常數(shù)。因此，當(dāng)使光纖遭受高達(dá)至少200kA的電流值時(shí)，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，以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。
把氟化鉛(PbF)添加到所選擇的氟化物玻璃組成中，以調(diào)換氟化鈉(NaF)而制造纖芯?？梢允褂镁哂邢嗤M成，但是其中省略PbF和恢復(fù)NaF的玻璃作為包層玻璃。其它調(diào)換，諸如用氟化鋇和/或氟化鋯，可以降低包層玻璃的指數(shù)。例如，可以用NaF，或諸如氟化鈣或氟化錳之類的其它氟化堿土金屬調(diào)換氟化鋇或氟化鋯以提供較低的折射率。可以融化兩種玻璃，并使用眾知的雙熔爐技術(shù)拉制包層光纖。


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(guò)導(dǎo)體4流過(guò)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(guò)使用玻璃電流傳感器(最好，以包層光纖的形式)來(lái)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)可以象通常那么盡可能地大，以增加確定的靈敏度。如上所述，在測(cè)量異常大的電流中，現(xiàn)在要求低Verdet常數(shù)。這樣避免使偏振光的旋轉(zhuǎn)角超過(guò)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1150nm處該值為0.1°/kA。然而，熔融石英還具有大的光彈性系數(shù)，在560nm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，某些氟化物玻璃具有相當(dāng)小的光彈性系數(shù)。此外，它們還具有小的Verdet常數(shù)。特別參考眾知縮寫(xiě)為ZBLAN的一種氟化物玻璃。據(jù)報(bào)告，所述玻璃的組成包括以摩爾百分?jǐn)?shù)表示的53ZrF4、20BaF2、4LaF3、3AlF3和20NaF。對(duì)該玻璃的測(cè)量表示，在633nm處具有所需要的低Verdet常數(shù)0.22°/kA，以及在546nm處具有光彈性系數(shù)0.34(nm/cm)/(kg/cm2)。
為了測(cè)量異常大電流，甚至要求更低的光彈性系數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)，可以把量高達(dá)約3mol％的氟化鉛(PbF2)添加到ZBLAN型玻璃組成。最好，用該添加來(lái)調(diào)換氟化鈉(NaF)。
我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這種添加導(dǎo)致玻璃具有降低的光彈性系數(shù)。根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，用于本目的的芯光纖最好基本上包括(用mol％計(jì)算)52-56％ZrF414-24％BaF23-6％ LaF33-6％ AlF314-22％NaF高達(dá)約3％ PbF2具體實(shí)施例根據(jù)ZBLAN組成制備三種玻璃。在兩種玻璃組成中，用少量氟化鉛(PbF2)代替氟化鈉(NaF)。否則，不改變ZBLAN的組成。
在633nm處進(jìn)行Verdet常數(shù)的測(cè)量，并對(duì)一種玻璃在1150nm處測(cè)量，以及在546nm處測(cè)量光彈性系數(shù)(B)。表I示出以摩爾和重量％表示的PbF2的含量，以及Verdet常數(shù)和光彈性系數(shù)的測(cè)量值。
表IPbF2摩爾％重量％V(633 nm)V(1150 nm)B(546 nm)0.0 0.0 0.22 -0.340.7 1.430.22 0.12 0.252.0 4.280.20 -0.18這些數(shù)據(jù)表示增加PbF2替代物將提供趨近零的光彈性系數(shù)。然而，使組成融化變得更困難。
通過(guò)混合氟化物成分的合適的批料而準(zhǔn)備在表I中示出的玻璃，把批料放在有蓋的白金熔爐中以保留氟化物，并在800℃處融化約40分鐘。然后打開(kāi)熔爐的蓋子，并在用氣態(tài)硫磺六氟化物覆蓋的同時(shí)使融化物進(jìn)行2-3小時(shí)的熱處理。然后把融化物倒入加熱到260℃的模子，并使玻璃在該溫度處退火。經(jīng)退火的玻璃經(jīng)清理，并準(zhǔn)備測(cè)試塊進(jìn)行測(cè)試，得到表I中記錄的測(cè)量值。
權(quán)利要求
1.一種用于降低氟化物玻璃之光彈性系數(shù)的方法，所述氟化物玻璃在適合于測(cè)量的波長(zhǎng)處具有低Verdet常數(shù)，并包含氟化鋯作為它的組成的主要成分，所述方法包括在玻璃組成中包含少量氟化鉛的步驟。
2.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括在氟化物玻璃組成中包括不超過(guò)約3.0mole％的氟化鉛量。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在主要是氟化鋯且包含更少量的鋇、鑭、鋁和鈉之氟化物的氟化物玻璃組成中包含氟化鉛。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括在玻璃組成中包含氟化鉛，所述玻璃組成以mole％表示主要包括53％ZrF4、20％BaF2、4％LaF3、3％AlF3和20％NaF。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括把光彈性系數(shù)降低到小于約0.20(nm/cm)/(kg/cm2)的值。
6.一種用于確定高達(dá)約200 kA的異常大電流值的方法，其特征在于，所述方法包括下列步驟提供玻璃纖維電流傳感器，其纖芯玻璃的組成主要包括氟化鋯，并包含多達(dá)約3mole％的氟化鉛，在用于測(cè)量的波長(zhǎng)處具有低Verdet常數(shù)，并在每次以該波長(zhǎng)通過(guò)時(shí)，能夠使偏振光的角度旋轉(zhuǎn)小于0.45°/kA；通過(guò)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中；在玻璃纖維傳感器中測(cè)量偏振光的旋轉(zhuǎn)角；以及從偏振光的旋轉(zhuǎn)角確定電流值。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括把玻璃電流傳感器制成一個(gè)線圈，導(dǎo)體延伸通過(guò)該線圈。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括提供光彈性系數(shù)不超過(guò)0.25(nm/cm)/(kg/cm2)的玻璃纖維傳感器。
9.一種玻璃纖維傳感器，用于測(cè)量在磁場(chǎng)中異常大的電流，纖芯玻璃具有氟化物玻璃組成，所述氟化物玻璃組成包含ZrF4作為主要成分，并包含不超過(guò)3mole百分?jǐn)?shù)的PbF2，從而使玻璃的光彈性系數(shù)降低到不超過(guò)0.25(nm/cm)/(kg/cm2)的值。
10.如權(quán)利要求9所述的玻璃纖維傳感器，其特征在于，纖芯玻璃以mol％計(jì)算基本上包括52-56％ZrF414-24％BaF23-6％ LaF33-6％ AlF314-22％NaF高達(dá)約3％ PbF全文摘要
一種用于確定在導(dǎo)體(4)中的異常大電流的方法,它包括用玻璃纖維(3)傳感器測(cè)量來(lái)自光源(1、2)的偏振光(6、7、8)在電流所建磁場(chǎng)中的旋轉(zhuǎn)角,所述玻璃纖維傳感器是由具有低Verdet常數(shù)和不超過(guò)約0.25(nm/cm)/(kg/cm
文檔編號(hào)C03C13/00GK1332852SQ99815423
公開(kāi)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·伯里尼, Y·A·布羅徹頓, L·K·考耐爾路易斯, P·L·耐特爾, D·L·瑞考爾特, P·A·提克 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司