具有偏移消除和電流線性化的光學(xué)電流換能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明題為具有偏移消除和電流線性化的光學(xué)電流換能器。提供一種與光纖電流換能器一起使用的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括處理單元，其配置成將第一光信號(hào)換能為第一電信號(hào)。處理單元還配置成將第二光信號(hào)換能為第二電信號(hào)。處理單元配置成通過(guò)迫使第一電信號(hào)和第二電信號(hào)基于相同標(biāo)幺制，從第一電信號(hào)和第二電信號(hào)中去除偏移。此外，處理單元配置成組合第一電信號(hào)和第二電信號(hào)，以產(chǎn)生合成信號(hào)，合成信號(hào)沒有偏移。以及處理單元還配置成線性化合成信號(hào)，以產(chǎn)生指示在設(shè)置成接近FOCT的導(dǎo)體中流動(dòng)的電流的輸出電流。
【專利說(shuō)明】
具有偏移消除和電流線性化的光學(xué)電流換能器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本公開一般涉及光學(xué)電流換能器。更具體來(lái)說(shuō)，本公開涉及具有偏移消除的光學(xué)電流換能器。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓傳輸線要求持久電流或電壓監(jiān)測(cè)，以便減輕故障。具體來(lái)說(shuō)，快速可靠地檢測(cè)電流瞬變的能力是極為重要的，因?yàn)楸Ｗo(hù)電路必須充分及時(shí)作出反應(yīng)以隔離或去除能夠損壞位于傳輸線的任一端的設(shè)備的短路。
[0003]在一些應(yīng)用中，大電流瞬變能夠使用傳統(tǒng)鐵芯電流變壓器來(lái)測(cè)量。這類變壓器包括高費(fèi)用陶瓷絕緣體，其用來(lái)提供變壓器的繞組之間的充分隔離。因此，當(dāng)考慮大電力分配網(wǎng)絡(luò)中的部署時(shí)，鐵芯變壓器可能不是經(jīng)濟(jì)解決方案。但是，最重要的是，這些變壓器具有不合需要的性能特性。即，它們因其鐵芯的滯后而會(huì)在所測(cè)量電流信號(hào)中引入顯著失真。
[0004]光纖電流換能器(FOCT)用作備選技術(shù)以避免上述問(wèn)題;FOCT費(fèi)用不太高(當(dāng)應(yīng)用于高壓線路時(shí))，并且它們具有優(yōu)良性能。它們根據(jù)作為磁光效應(yīng)的法拉第旋轉(zhuǎn)原理進(jìn)行操作，由此響應(yīng)大電流瞬變的發(fā)生所感應(yīng)的磁場(chǎng)而觀察放置在傳輸線附近的光纖波導(dǎo)中限定的光束的偏振平面的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角與沿光的傳播方向的磁場(chǎng)的分量成線性比例，并且因此角的變化與磁場(chǎng)強(qiáng)度(其又能夠用來(lái)計(jì)算電流)相互關(guān)連。
[0005]典型的基于反射的FOCT測(cè)量系統(tǒng)包括具有與其附連的三個(gè)光纖的光學(xué)組件的模塊。光纖(數(shù)據(jù)光纖)的兩個(gè)連接到接收器，以及第三光纖是低雙折射光纖(LBF)，其卷繞傳輸線或?qū)w。
[0006]在模塊內(nèi)部，存在在零度使光偏振的偏光器。在使光偏振之后，使用法拉第旋轉(zhuǎn)器將它旋轉(zhuǎn)22.5度。從旋轉(zhuǎn)器，光進(jìn)入LBF，其中它通過(guò)傳輸線中的電流所感應(yīng)的磁場(chǎng)進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)。在LBF的末端，存在反射鏡，其將光反射回旋轉(zhuǎn)器，旋轉(zhuǎn)器將光旋轉(zhuǎn)另一個(gè)22.5度。在第二旋轉(zhuǎn)之后，光分為兩個(gè)分量，其由接收器換能為表示為“X”和“Y”的兩個(gè)電信號(hào)。
[0007]法拉第旋轉(zhuǎn)器可引起X和Y分量中的顯著誤差。這些誤差表示為每個(gè)信號(hào)中的DC偏移，并且它們歸因于在組成法拉第旋轉(zhuǎn)器的晶體處的溫度的變化。因此，這些偏移稱作“晶體偏移”。偏移還可產(chǎn)生于當(dāng)光穿過(guò)數(shù)據(jù)光纖時(shí)發(fā)生的損失。所有這些偏移能夠在估計(jì)傳輸線中的電流中引入顯著誤差。
[0008]此外，在典型FOCT中，在大電流狀況(S卩，大于4000A(rms)的電流)，所測(cè)量電流通常呈現(xiàn)高程度的非線性度，這導(dǎo)致傳輸線中的電流的不準(zhǔn)確估計(jì)。此外，典型FOCT無(wú)法跟蹤在傳輸線的電流中發(fā)生的突然變化，因?yàn)樗鼈兝寐M組件來(lái)處理X和Y信號(hào)。因此，常規(guī)FOCT在這些情況下還產(chǎn)生錯(cuò)誤測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]按照本公開的實(shí)施例所配置的FOCT具有若干優(yōu)點(diǎn)，其幫助減輕相干領(lǐng)域中已知的若干缺點(diǎn)。例如，本公開的實(shí)施例允許因溫度變化引起的偏移從所測(cè)量信號(hào)中去除，并且因而提供比采用常規(guī)FOCT而是可能的更準(zhǔn)確的輸出。此外，按照本文所包含的理論所配置的FOCT具有如下優(yōu)點(diǎn):去除所測(cè)量電流波形中的非對(duì)稱特征，因而使得有可能在例如使用傅立葉變換技術(shù)處理電流時(shí)提供準(zhǔn)確信息。具體來(lái)說(shuō)，按照當(dāng)前實(shí)施例所配置的FOCT能夠線性化所測(cè)量電流波形，因而使得有可能以高保真度來(lái)測(cè)量高達(dá)LBF的最大額定電流(S卩，高達(dá)35000 A(rms)的電流)。這些優(yōu)點(diǎn)以及相干領(lǐng)域的技術(shù)人員將易于清楚知道的其他優(yōu)點(diǎn)通過(guò)本文所公開的新實(shí)施例來(lái)提供。
[0010]在一個(gè)實(shí)施例中，本公開包含一種與光纖電流換能器一起使用的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括處理單元，其配置成將第一光信號(hào)換能為第一電信號(hào)。處理單元還配置成將第二光信號(hào)換能為第二電信號(hào)。此外，處理單元配置成通過(guò)迫使第一電信號(hào)和第二電信號(hào)基于相同標(biāo)幺制(per unit)，從第一電信號(hào)和第二電信號(hào)中去除偏移。此外，處理單元配置成組合第一電信號(hào)和第二電信號(hào)，以產(chǎn)生合成信號(hào)，合成信號(hào)沒有偏移。以及處理單元還配置成線性化合成信號(hào)，以產(chǎn)生指示在設(shè)置成接近FOCT的導(dǎo)體中流動(dòng)的電流的輸出電流。
[0011]在另一個(gè)實(shí)施例中，本公開提供一種與光纖電流換能器一起使用的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括處理單元，其配置成將第一光信號(hào)換能為第一電信號(hào)并且將第二光信號(hào)換能為第二電信號(hào)。處理單元能夠包括調(diào)節(jié)電路，其配置成歸一化第一電信號(hào)和第二電信號(hào)，并且在歸一化時(shí)去除第一電信號(hào)和第二電信號(hào)中的偏移。此外，處理單元配置成組合第一電信號(hào)和第二電信號(hào)，以產(chǎn)生合成信號(hào)，合成信號(hào)沒有偏移。以及處理單元還配置成線性化合成信號(hào)，以產(chǎn)生指示在設(shè)置成接近FOCT的導(dǎo)體中流動(dòng)的電流的輸出電流。
[0012]在又一實(shí)施例中，本公開包含一種方法，包括由系統(tǒng)調(diào)整第一電信號(hào)和第二電信號(hào)，直到兩種電信號(hào)均基于相同標(biāo)幺制。該方法還包括由系統(tǒng)去除經(jīng)調(diào)整的第一電信號(hào)和第二電信號(hào)的每個(gè)中存在的偏移。該方法包括組合第一電信號(hào)和第二電信號(hào)，以產(chǎn)生合成信號(hào)，合成信號(hào)沒有偏移。此外，該方法包括線性化合成信號(hào)，以產(chǎn)生指示在設(shè)置成接近FOCT的導(dǎo)體中流動(dòng)的電流的輸出電流。
[0013]下面參照附圖詳細(xì)描述附加特征和優(yōu)點(diǎn)以及各個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和操作。要注意，本公開并不局限于本文所述的具體實(shí)施例。這類實(shí)施例僅為了便于說(shuō)明而提供。附加實(shí)施例將是相干領(lǐng)域的技術(shù)人員基于本文包含的理論顯而易見的。
[0014]技術(shù)方案1:一種與光纖電流換能器(FOCT) —起使用的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:
處理單元，配置成(i)將第一光信號(hào)換能為第一電信號(hào)，并且(ii)將第二光信號(hào)換能為第二電信號(hào)；
其中所述處理單元還配置成通過(guò)迫使所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)基于相同標(biāo)幺制，從所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)中去除偏移；
其中所述處理單元還配置成組合所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)，以產(chǎn)生合成信號(hào)，所述合成信號(hào)沒有所述偏移；以及
其中所述處理單元還配置成線性化所述合成信號(hào)，以產(chǎn)生指示在設(shè)置成接近所述FOCT的導(dǎo)體中流動(dòng)的電流的輸出電流。
[0015]技術(shù)方案2:如技術(shù)方案I所述的系統(tǒng)，其中，所述偏移通過(guò)在所述FOCT中包含的晶體的溫度的變化所引起，所述晶體配置成傳遞所述第一光信號(hào)和所述第二光信號(hào)。
[0016]技術(shù)方案3:如技術(shù)方案I所述的系統(tǒng)，其中，所述處理單元配置成通過(guò)檢測(cè)所述合成信號(hào)的峰值來(lái)線性化所述合成信號(hào)。
[0017]技術(shù)方案4:如技術(shù)方案3所述的系統(tǒng)，其中，所述處理單元配置成檢測(cè)所述合成信號(hào)的循環(huán)的所述峰值。
[0018]技術(shù)方案5:如技術(shù)方案3所述的系統(tǒng)，其中，所述處理單元配置成基于校正系數(shù)來(lái)線性化所述合成信號(hào)。
[0019]技術(shù)方案6:如技術(shù)方案5所述的系統(tǒng)，其中，所述校正系數(shù)基于所述峰值。
[0020]技術(shù)方案7:如技術(shù)方案I所述的系統(tǒng)，其中，所述處理單元配置成通過(guò)將所述第一電信號(hào)與第一調(diào)節(jié)信號(hào)求和并且通過(guò)將所述第二電信號(hào)與第二調(diào)節(jié)信號(hào)求和，去除所述偏移。
[0021]技術(shù)方案8:如技術(shù)方案7所述的系統(tǒng)，其中，所述第一調(diào)節(jié)信號(hào)和所述第二調(diào)節(jié)信號(hào)各為積分調(diào)節(jié)器所提供的數(shù)模轉(zhuǎn)換信號(hào)。
[0022]技術(shù)方案9:如技術(shù)方案I所述的系統(tǒng)，其中，所述處理單元包括推挽調(diào)節(jié)器，其配置成監(jiān)測(cè)所述第一電信號(hào)與所述第二電信號(hào)之間的DC偏移的差。
[0023]技術(shù)方案10:如技術(shù)方案9所述的系統(tǒng)，其中，所述推挽調(diào)節(jié)器還配置成調(diào)整所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)，直到兩種信號(hào)相等。
[0024]技術(shù)方案11:一種與光纖電流換能器(FOCT) —起使用的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:
處理單元，配置成將第一光信號(hào)換能為第一電信號(hào)并且將第二光信號(hào)換能為第二電信號(hào)，其中所述處理單元包括調(diào)節(jié)電路，其配置成(i)歸一化所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)，并且(ii)在歸一化時(shí)去除所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)中的偏移；
其中所述處理單元還配置成組合所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)，以產(chǎn)生合成信號(hào)，所述合成信號(hào)沒有所述偏移；以及
所述處理單元還配置成線性化所述合成信號(hào)，以產(chǎn)生指示在設(shè)置成接近所述FOCT的導(dǎo)體中流動(dòng)的電流的輸出電流。
[0025]技術(shù)方案12:如技術(shù)方案11所述的系統(tǒng)，其中，所述偏移通過(guò)在所述FOCT中包含的晶體的溫度的變化所引起，所述晶體配置成傳遞所述第一光信號(hào)和所述第二光信號(hào)。
[0026]技術(shù)方案13:如技術(shù)方案11所述的系統(tǒng)，其中，所述處理單元配置成通過(guò)將所述第一電信號(hào)與第一調(diào)節(jié)信號(hào)求和并且通過(guò)將所述第二電信號(hào)與第二調(diào)節(jié)信號(hào)求和，去除所述偏移。
[0027]技術(shù)方案14:如技術(shù)方案13所述的系統(tǒng)，其中，所述第一調(diào)節(jié)信號(hào)和所述第二調(diào)節(jié)信號(hào)各為積分調(diào)節(jié)器所提供的數(shù)模轉(zhuǎn)換信號(hào)。
[0028]技術(shù)方案15:—種方法，包括:
由配置成將第一光信號(hào)換能為第一電信號(hào)并且將第二光信號(hào)換能為第二電信號(hào)的系統(tǒng)來(lái)調(diào)整所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)，直到兩種電信號(hào)基于相同標(biāo)幺制；
由所述系統(tǒng)去除所述經(jīng)調(diào)整的第一電信號(hào)和第二電信號(hào)的每個(gè)中存在的偏移；
組合所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)，以產(chǎn)生合成信號(hào)，所述合成信號(hào)沒有所述偏移；以及
線性化所述合成信號(hào)，以產(chǎn)生指示在設(shè)置成接近所述FOCT的導(dǎo)體中流動(dòng)的電流的輸出電流。
【附圖說(shuō)明】
[0029]說(shuō)明性實(shí)施例可采取各種組件和組件的布置的形式。說(shuō)明性實(shí)施例在附圖中示出，附圖中，相似參考標(biāo)號(hào)在各個(gè)附圖中可通篇表示對(duì)應(yīng)或相似部件。附圖僅為了便于示出實(shí)施例，而并不是要被理解為限制本公開。給定附圖的以下操作性描述，本公開的新方面對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)變得顯而易見。
[0030]圖1是按照示范實(shí)施例的光纖電流換能器系統(tǒng)配置的圖示。
[0031]圖2A是按照示范實(shí)施例的接收器或解碼器系統(tǒng)的圖示。
[0032]圖2B是圖2A的示范系統(tǒng)中包含的子系統(tǒng)的圖示。
[0033]圖3是按照示范實(shí)施例的另一個(gè)系統(tǒng)的圖示。
[0034]圖4是示出按照示范實(shí)施例、用于去除偏移的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]雖然本文中對(duì)特定應(yīng)用描述了說(shuō)明性實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，本公開并不局限于此。本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過(guò)閱讀本文所提供的理論，將會(huì)知道在本發(fā)明以及本公開在其中具有顯著效用的其他領(lǐng)域的范圍之內(nèi)的其他修改、應(yīng)用和實(shí)施例。
[0036]圖1是按照示范實(shí)施例的光纖電流系統(tǒng)100換能器的圖示。FOCT包括傳感器模塊105和接收器/解碼器模塊101。傳感器模塊105包括圍繞導(dǎo)體113所定位的光纖115。接收器模塊101包括光源107，其產(chǎn)生非偏振光束131供輸入到分光器109。分光器109配置成將光束131分離為多個(gè)輸出，僅示出其中的兩個(gè)(125和126)。
[0037]將輸出126饋送到光學(xué)循環(huán)器111，其允許光進(jìn)入第一端口(Pl)并且經(jīng)過(guò)第二端口(P2)離開。返回到光學(xué)循環(huán)器111的第二端口(P2)的光經(jīng)由光學(xué)模塊118定向到光纖傳感器105的分光器109的第三端口(P3)。光束131耦合到光纖115，并且用作探頭光束，其當(dāng)電流在導(dǎo)體113中流動(dòng)時(shí)改變偏振。光纖115中的光使用端反射鏡116反射回光纖中，并且經(jīng)由通路123和通路121反射回接收器101。通路123和121能夠使用光纖或者本領(lǐng)域已知的許多其他波導(dǎo)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0038]如上所述，光纖115中的光反射回接收器101。接收器101中包含的處理單元132配置成處理反射光，以提供(在端子129)導(dǎo)體113中的電流的量度。處理單元132包括換能器117和119。這些換能器配置成把來(lái)自通路123和通路121的光束分別轉(zhuǎn)換為電信號(hào)X和Y。
[0039]換能器117和119能夠使用PIN二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。作為舉例而不是限制，每個(gè)PIN二極管可具有大約0.1 [安培/伏特]([A/W])至大約I [A/W]的范圍中的響應(yīng)性。換能器還能夠使用其他類型的光電檢測(cè)器配置來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，p-n結(jié)、光電門、有源或無(wú)源像素傳感器能夠用來(lái)實(shí)現(xiàn)換能器117和119的每個(gè)。一般來(lái)說(shuō)，能夠使用任何光電換能器，而沒有背離本公開所考慮的范圍。
[0040]處理單元132包括系統(tǒng)200，其配置成處理電信號(hào)X和Y，以便在端子129產(chǎn)生輸出信號(hào)，輸出信號(hào)指示導(dǎo)體113中的電流。雖然圖1中僅示出作為處理單元132(和系統(tǒng)200)的輸出的端子129，但是其他輸出端子可存在。這可以是存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)字值或者來(lái)自D/A轉(zhuǎn)換器的模擬值。此外，雖然換能器117和119示為與系統(tǒng)200分離，但是在一些實(shí)現(xiàn)中，這些換能器能夠是系統(tǒng)200的組成部分。
[0041 ]圖2A是如以上針對(duì)圖1所述的系統(tǒng)200的圖示。要注意，系統(tǒng)200能夠使用分立集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、復(fù)用器(MUX)、放大器、積分調(diào)節(jié)器、推挽調(diào)節(jié)器、求和結(jié)點(diǎn)等。系統(tǒng)200還能夠使用一個(gè)或多個(gè)可編程嵌入式系統(tǒng)(參見圖3)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)或多個(gè)嵌入式系統(tǒng)能夠提供下面將針對(duì)系統(tǒng)200、圖2A和圖2B所述的功能性。
[0042]系統(tǒng)200用作解碼器，因?yàn)樗鼘?duì)電信號(hào)X和Y中包含的信息進(jìn)行解碼。這些信號(hào)表示從光纖115反射到接收器101的光束。系統(tǒng)200能夠包括處理器(未示出)和存儲(chǔ)器(未示出)。處理器能夠編程為運(yùn)行來(lái)自存儲(chǔ)器的指令，以便控制圖2A和圖2B所示的系統(tǒng)200的各種組件。例如，處理器能夠編程為選擇系統(tǒng)200的各種增益級(jí)的增益。信號(hào)值還能夠存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，以便允許進(jìn)一步處理和/或數(shù)據(jù)記錄。存儲(chǔ)器能夠與處理器和系統(tǒng)200的其他組件并存。
[0043]在加電時(shí)，系統(tǒng)200經(jīng)過(guò)初始化和校準(zhǔn)過(guò)程，其中消除DAC模塊和A/D模塊的固有偏移。在初始化和校準(zhǔn)期間，增益級(jí)201的增益設(shè)置為1(或者設(shè)置為零，考慮小電流輸入信號(hào))，因?yàn)椴僮髌陂g的增益通常大于1000t3DAC 221中的固有偏移通過(guò)使用增益級(jí)203取兩個(gè)不同增益的數(shù)據(jù)來(lái)確定。然后通過(guò)偏移DAC 221的輸出去除這個(gè)固有偏移，并且將它加入輸入到DAC 221的任何信號(hào)。在校準(zhǔn)DAC 221之后，A/D 217的偏移被計(jì)算并且存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。類似過(guò)程使用增益級(jí)209和211、DAC 225和A/D 219進(jìn)行。
[0044]系統(tǒng)200包括兩個(gè)信號(hào)通路，各為電信號(hào)X和電信號(hào)Y其中之一所保留。這些信號(hào)通路的每個(gè)形成通道。電信號(hào)X的通路(以下稱作“X信號(hào)通路”或“X通道”)包括第一增益級(jí)201，其緩沖信號(hào)X。增益級(jí)201能夠編程為放大電信號(hào)X。當(dāng)信號(hào)X是電流(S卩，換能器117中的光電流)時(shí)，增益級(jí)201將電信號(hào)X轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。
[0045]增益級(jí)201是可變?cè)鲆婕?jí)。在系統(tǒng)200的操作期間，處理器步進(jìn)增益級(jí)201所支持的若干增益值，直到增益級(jí)201的輸出達(dá)到最佳值。例如，最佳值可對(duì)應(yīng)于增益級(jí)201的輸出達(dá)到處于大約4伏特至大約6伏特的范圍中的電壓。最佳值也能夠是預(yù)定目標(biāo)電壓，以及處理器可在輸出電壓處于預(yù)定目標(biāo)電壓的容差之內(nèi)時(shí)停止步進(jìn)增益級(jí)201的增益值。
[0046]積分調(diào)節(jié)器233迫使求和結(jié)點(diǎn)202的輸出為零。因此，積分調(diào)節(jié)器233的輸出表示電信號(hào)X中包含的DC偏移。通過(guò)迫使求和結(jié)點(diǎn)202的輸出為零，增益級(jí)203(其也是可變?cè)鲆婕?jí))的增益能夠較大，而沒有使A/D 217飽和。
[0047]類似地，在電信號(hào)Y的通路(S卩，“Y信號(hào)通路”或“Y通道”)中，存在作為可變?cè)鲆婕?jí)的增益級(jí)209。處理器步進(jìn)增益級(jí)209所支持的若干增益值，直到增益級(jí)209的輸出達(dá)到最佳值。如先前所述，最佳值可對(duì)應(yīng)于增益級(jí)209的輸出達(dá)到處于大約4伏特至大約6伏特的范圍中的電壓。最佳值也能夠是預(yù)定目標(biāo)電壓，以及處理器可在輸出電壓處于預(yù)定目標(biāo)電壓的容差之內(nèi)時(shí)停止步進(jìn)增益級(jí)209的增益值。
[0048]積分調(diào)節(jié)器231迫使求和結(jié)點(diǎn)204的輸出為零。因此，積分調(diào)節(jié)器231的輸出表示電信號(hào)Y中包含的DC偏移。通過(guò)迫使求和結(jié)點(diǎn)204的輸出為零，增益級(jí)211(其也是可變?cè)鲆婕?jí))的增益能夠較大，而沒有使A/D 219飽和。
[0049]系統(tǒng)200還包括X信號(hào)通路中的MUX 2070MUX 207將若干X通道復(fù)用為驅(qū)動(dòng)器205，其驅(qū)動(dòng)A/D 217 JUX 207的輸入也能夠包括電源數(shù)據(jù)，其能夠用來(lái)將驅(qū)動(dòng)器205的輸出推動(dòng)到電源干線。在一些實(shí)現(xiàn)中，MUX 207能夠是16:1復(fù)用器。
[0050]將A/D217的輸出235饋送到積分調(diào)節(jié)器233的輸入通路。A/D 217能夠是18位轉(zhuǎn)換器。要注意，能夠使用A/D配置、例如閃速或Σ - △或者任何其他A/D架構(gòu)，而沒有背離本公開的范圍。此外，Y信號(hào)通路包括在架構(gòu)和功能上與X信號(hào)通路的上述組件相似的組件。例如，Y信號(hào)通路包括MUX 213，其也能夠用來(lái)將系統(tǒng)200與源自多個(gè)FOCT的多個(gè)Y信號(hào)通路進(jìn)行接口。驅(qū)動(dòng)器215驅(qū)動(dòng)A/D 219，與驅(qū)動(dòng)器205驅(qū)動(dòng)A/D 217極為相似。將A/D 219的輸出237饋送到積分調(diào)節(jié)器231的輸入通路供進(jìn)一步處理。此外，要注意，A/D 217和A/D 219必須同步，使得X和Y信號(hào)在相同時(shí)刻來(lái)取樣。如果不是的話，則誤差發(fā)生，這阻止兩個(gè)信號(hào)正確地相加或相減。
[0051]系統(tǒng)200還包括積分調(diào)節(jié)器233和231的輸入通路中的若干組件。例如，輸出信號(hào)235在積分調(diào)節(jié)器233的輸入被饋送到求和結(jié)點(diǎn)之前通過(guò)系數(shù)“-Γ和系數(shù)“1/G2”來(lái)縮放。使用縮放系數(shù)“-1”，因?yàn)锳/D驅(qū)動(dòng)器205和215是倒相運(yùn)算放大器。在另一個(gè)實(shí)施例中，非倒相放大器能夠用來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器205和215，其中正確縮放系數(shù)為“+I”。
[0052]兩個(gè)縮放系數(shù)有效地縮放輸出235的信號(hào)，以提供信號(hào)239，其表示原始X信號(hào)，但是采取數(shù)字格式。類似地，在積分調(diào)節(jié)器231的輸入通路中，輸出信號(hào)237通過(guò)系數(shù)“-Γ和縮放系數(shù)“1/G2”來(lái)縮放，以提供信號(hào)241，其表示也采取數(shù)字格式的原始Y信號(hào)。要注意，G2是級(jí)203的增益或者級(jí)211的增益。在操作期間，兩個(gè)級(jí)均具有相同增益。但是，一般來(lái)說(shuō)，增益級(jí)203和211不需要具有相同增益，因?yàn)檫@些增益能夠通過(guò)采用其對(duì)應(yīng)增益的倒數(shù)值調(diào)整各通路中的信號(hào)來(lái)消除。這類調(diào)整意味著輸出239和241按照工程單位。要注意，能夠使用其他單位制，而沒有背離本公開的范圍。
[0053]積分調(diào)節(jié)器233和231的每個(gè)輸入通路中的塊247和249中的“n/k”比表示在每個(gè)輸入通路上能夠觀測(cè)信號(hào)的電壓解析度。這個(gè)電壓解析度通過(guò)A/D 217和A/D 219的量化等級(jí)的數(shù)量來(lái)控制。例如，在塊247和249中，“η”能夠?yàn)?0，指示10伏特的最大電壓擺動(dòng)，以及“k”能夠?yàn)?31071，表示18位A/D 217和A/D 219的量化等級(jí)的數(shù)量。要注意，10 V對(duì)應(yīng)于131071，以及-10 V對(duì)應(yīng)于-131071，由此允許雙極操作。此外，要注意，“η”和“k”的這些值是示范的;它們能夠改變，而沒有背離本公開的范圍。
[0054]系統(tǒng)200還包括DAC221和225，其將積分調(diào)節(jié)器233和231的輸出在被輸入到求和結(jié)點(diǎn)204和202之前轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。塊227和223中的比“m/n”只是指示數(shù)模轉(zhuǎn)換的解析度。例如，“m”能夠?yàn)?2767，表示DAC 221和DAC 225的任一個(gè)的模擬等級(jí)的數(shù)量，以及“η”能夠?yàn)?0，指示10伏特的最大電壓。
[0055]在系統(tǒng)200的操作期間，在Y信號(hào)通路上返回的標(biāo)稱功率與在X信號(hào)通路上返回的標(biāo)稱功率是不同的，因?yàn)椴煌瑩p耗能夠在每個(gè)通道中發(fā)生。這些損耗對(duì)應(yīng)于小于I的增益。因此，推挽調(diào)節(jié)器229配置成調(diào)整X信號(hào)通路和Y信號(hào)通路中的增益，以便迫使電信號(hào)X和電信號(hào)Y的每個(gè)基于相同標(biāo)么制。這經(jīng)由求和結(jié)點(diǎn)242和244并且通過(guò)縮放積分調(diào)節(jié)器233和231的輸出發(fā)生。這補(bǔ)償因溫度變化、晶體偏移和光學(xué)組件中存在的其他損耗而引起的損耗。
[0056]一旦推挽調(diào)節(jié)器229校正了增益，電信號(hào)Y則能夠從電信號(hào)X中被減去，并且任何DC分量將被消除。信號(hào)243和245分別對(duì)應(yīng)于電信號(hào)X和/或電信號(hào)Y中的DC偏移。推挽調(diào)節(jié)器229確保當(dāng)存在光源107的輸出功率的突然變化時(shí)仍然能夠執(zhí)行偏移去除。這是重要的，因?yàn)樵谝恍?shí)現(xiàn)中，積分調(diào)節(jié)器233和231在迫使求和結(jié)點(diǎn)202和204的輸出為零中可以比較慢。因此，由于推挽調(diào)節(jié)器229的操作，將去除因失真而會(huì)出現(xiàn)在所測(cè)量電流中的任何AC分量。
[0057]系統(tǒng)200能夠配置成提供低電流狀況和高電流狀況中的準(zhǔn)確電流測(cè)量。例如，當(dāng)相加X和Y信號(hào)以得到所測(cè)量電流時(shí)，其AC分量被消除，而只有DC分量保留。這在導(dǎo)體113中的電流處于低電流狀況、即低于大約4000 A (rms)時(shí)發(fā)生。
[0058]在高電流狀況(S卩，對(duì)于大于4000 A (rms)的導(dǎo)體113中的電流)中，所測(cè)量電流中的AC波形的負(fù)區(qū)間的區(qū)域大于其正區(qū)間中的區(qū)域。這兩個(gè)區(qū)域之間的差隨較大電流而增長(zhǎng)。因此，在大電流測(cè)量期間，DC信號(hào)將通過(guò)電流的負(fù)部分來(lái)支配，并且將具有兩倍于負(fù)區(qū)間中的波形的基頻。
[0059]因此，如果DC信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波，則輸出將隨著大電流測(cè)量而衰減。這個(gè)衰減對(duì)應(yīng)于穩(wěn)態(tài)光功率的所感知降低。系統(tǒng)200能夠配置成檢測(cè)捕獲光源的真實(shí)功率值所需的各循環(huán)中的最大值。這使用作為電流校正系數(shù)的最大值與所感知功率值之比進(jìn)行。這將非線性誤差消除到I Pu電流、即引起穩(wěn)態(tài)值的45度變化的電流電平。下面針對(duì)圖2A來(lái)描述能夠?qū)崿F(xiàn)這些功能的系統(tǒng)200的子系統(tǒng)260。
[0060]子系統(tǒng)260(圖2B)利用來(lái)自X信號(hào)(信號(hào)243)的所提取DC偏移、來(lái)自Y信號(hào)(信號(hào)245)的所提取DC偏移、推挽調(diào)節(jié)器229的輸出(S卩，信號(hào)251)、原始X信號(hào)239和原始Y信號(hào)241。原始信號(hào)與輸出251相乘，以便將信號(hào)置于基于相同標(biāo)幺制，然后它們與其對(duì)應(yīng)DC偏移相組合。所產(chǎn)生合成信號(hào)然后饋送到塊261，其配置成檢測(cè)合成信號(hào)的電流循環(huán)中的最大數(shù)。當(dāng)信號(hào)基于相同標(biāo)么制時(shí)，它們能夠相加或相減。當(dāng)相加信號(hào)時(shí)，消除信號(hào)的AC部分。當(dāng)相減信號(hào)時(shí)，消除DC分量。相干領(lǐng)域的技術(shù)人員將易于理解，用于動(dòng)態(tài)檢測(cè)來(lái)自信號(hào)的最大值(基于每循環(huán))的共同部件能夠用來(lái)實(shí)現(xiàn)塊261。例如，峰值檢測(cè)器能夠用來(lái)實(shí)現(xiàn)塊261。
[0061]一旦檢測(cè)電流循環(huán)中的最大值，采用子系統(tǒng)260所計(jì)算的校正系數(shù)271來(lái)校正合成信號(hào)。計(jì)算使用多個(gè)求和結(jié)點(diǎn)、乘法結(jié)點(diǎn)和除法結(jié)點(diǎn)(267、265、269)并且采用最大值選擇器263(具有I的最大值和輸入)來(lái)實(shí)現(xiàn)。DC電力通過(guò)2的系數(shù)來(lái)縮放，進(jìn)入除法結(jié)點(diǎn)265。校正輸出電流129(也在圖1中示出)是導(dǎo)體113中感應(yīng)的電流的高保真測(cè)量。
[0062]圖3是按照一實(shí)施例的系統(tǒng)300的圖示。系統(tǒng)300能夠執(zhí)行以上針對(duì)系統(tǒng)200所述的全部功能。此外，系統(tǒng)300是使用可編程硬件所實(shí)現(xiàn)的專用系統(tǒng)。系統(tǒng)300的功能能夠通過(guò)軟件和/或固件來(lái)編程，軟件和/或固件能夠加載到計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)(其能夠由系統(tǒng)300來(lái)讀取，以便使系統(tǒng)300運(yùn)行功能的一個(gè)或多個(gè))上。
[0063]系統(tǒng)300能夠使用芯片上系統(tǒng)(SoC)、嵌入式計(jì)算機(jī)和微控制器的至少一個(gè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)300能夠包括耦合到存儲(chǔ)器裝置的處理單元。存儲(chǔ)器能夠具有其上存儲(chǔ)的指令，指令配置成使處理單元運(yùn)行以上針對(duì)系統(tǒng)200所述的各種功能。
[0064]系統(tǒng)300能夠包括一個(gè)或多個(gè)硬件和/或軟件(或固件)組件，其配置成對(duì)于與本文所述的各種功能和應(yīng)用相關(guān)的信息進(jìn)行取、解碼、運(yùn)行、存儲(chǔ)、分析、分配、評(píng)估和/或分類。在一些實(shí)施例中，整個(gè)系統(tǒng)300可位于接近傳輸線(即，圖1中的導(dǎo)體113)。在其他實(shí)施例中，系統(tǒng)300的一些組件可位于遠(yuǎn)離傳輸線、即遠(yuǎn)離測(cè)量站點(diǎn)。
[0065]系統(tǒng)300能夠包括一個(gè)或多個(gè)處理單元311、存儲(chǔ)裝置315、存儲(chǔ)器301、輸入/輸出(I/O)模塊309和通信網(wǎng)絡(luò)接口 313。系統(tǒng)300能夠經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)接口 313連接到通信網(wǎng)絡(luò)317。因此，系統(tǒng)300能夠在通信上耦合到數(shù)據(jù)庫(kù)319。雖然圖3僅示出一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)(數(shù)據(jù)庫(kù)319)，但是相干領(lǐng)域的技術(shù)人員將易于理解，系統(tǒng)300可在通信上耦合到若干數(shù)據(jù)庫(kù)。
[0066]系統(tǒng)300能夠配置成用作客戶端裝置，其經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)40在通信上耦合到服務(wù)器(未示出)。服務(wù)器可位于一個(gè)數(shù)據(jù)中心或者分布于多個(gè)數(shù)據(jù)中心。在一些實(shí)施例中，I/o模塊309包括用于用戶輸入的小鍵盤。在其他實(shí)施例中，I/O模塊309能夠包括用于輸入的觸摸屏界面以及用于視覺輸出的一個(gè)或多個(gè)顯示器、例如視屏。
[0067]處理單元311能夠包括一個(gè)或多個(gè)處理裝置或核心(未示出)。此外，如圖3所示，處理單元311能夠在通信上耦合到存儲(chǔ)裝置315、存儲(chǔ)器301、I/O模塊309和網(wǎng)絡(luò)接口 313。因此，處理單元311可配置成運(yùn)行軟件或固件指令、例程或者子例程，其設(shè)計(jì)成使處理單元311執(zhí)行符合本公開的實(shí)施例的多種功能和/或操作。在一個(gè)示范實(shí)施例中，指令能夠加載到存儲(chǔ)器301的各種模塊中，以供處理單元311運(yùn)行。指令還能夠由處理單元311從數(shù)據(jù)庫(kù)319、存儲(chǔ)裝置315中取出，或者它們可從I/O模塊309提供給處理單元311。
[0068]存儲(chǔ)裝置315能夠包括易失性或者非易失性、磁、半導(dǎo)體、磁帶、光、可拆卸、不可拆卸、只讀、隨機(jī)存取或者其他類型的存儲(chǔ)裝置或計(jì)算機(jī)可讀計(jì)算機(jī)介質(zhì)。此外，存儲(chǔ)裝置315能夠配置成記錄在系統(tǒng)300的操作期間所處理、記錄或收集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)能夠按照符合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的多種方式來(lái)加時(shí)戳加時(shí)戳、分類、索引或組織，而沒有背離本公開的范圍。
[0069]通信網(wǎng)絡(luò)接口313包括一個(gè)或多個(gè)組件，其配置成經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)317來(lái)傳送和接收數(shù)據(jù)。這些組件能夠包括一個(gè)或多個(gè)調(diào)制器、解調(diào)器、復(fù)用器、解復(fù)用器、網(wǎng)絡(luò)通信裝置、無(wú)線裝置、天線、調(diào)制解調(diào)器以及任何其他類型的裝置，其配置成實(shí)現(xiàn)經(jīng)由任何適當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信。此外，通信網(wǎng)絡(luò)317能夠是允許一個(gè)或多個(gè)計(jì)算系統(tǒng)之間的通信的任何適當(dāng)網(wǎng)絡(luò)，例如因特網(wǎng)、局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)。
[0070]存儲(chǔ)器301能夠包括初始化和校準(zhǔn)模塊303，其配置成使處理單元311初始化和校準(zhǔn)系統(tǒng)300，如以上針對(duì)系統(tǒng)200所述。此外，存儲(chǔ)器301能夠包括X偏移去除模塊305，其配置成使處理單元311從一個(gè)換能器(未示出)接收電信號(hào)X，并且從電信號(hào)X中去除偏移。此外，存儲(chǔ)器301能夠包括Y偏移去除模塊307，其配置成使處理單元311從另一個(gè)換能器(未示出)接收電信號(hào)Y，并且從電信號(hào)Y中去除偏移。
[0071]存儲(chǔ)器301還能夠包括歸一化模塊308，其配置成歸一化電信號(hào)Y和電信號(hào)X，其中歸一化包括使電信號(hào)X和電信號(hào)Y基于相同標(biāo)么制?？傊m然僅相對(duì)存儲(chǔ)器301來(lái)描述幾個(gè)模塊，但是應(yīng)當(dāng)理解，系統(tǒng)200的全部功能能夠采取存儲(chǔ)器301的模塊的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，存儲(chǔ)器301能夠包括線性化模塊310，其配置成校正輸出電流中的非線性度，如針對(duì)子系統(tǒng)260所述。
[0072]提出了系統(tǒng)200的結(jié)構(gòu)和功能以及示范系統(tǒng)200中包含的各種模塊，現(xiàn)在描述符合本公開的實(shí)施例的操作。這類操作能夠包括運(yùn)行使用先前所述示范系統(tǒng)去除DC偏移的方法。
[0073]圖4是示出按照一實(shí)施例的方法400的流程圖。方法400能夠使用上述示范系統(tǒng)來(lái)運(yùn)行。此外，它也可用來(lái)去除電信號(hào)中的偏移，也將一個(gè)或多個(gè)電信號(hào)調(diào)整為基于相同標(biāo)幺制。要注意，雖然在從FOCT光信號(hào)所換能的電信號(hào)的上下文中論述方法400，但是方法400并不局限于只有這類應(yīng)用。具體來(lái)說(shuō)，方法400能夠用于要求偏移去除和信號(hào)歸一化的任何應(yīng)用。
[0074]方法400包括由系統(tǒng)、例如本文所公開系統(tǒng)來(lái)接收第一光信號(hào)。此外，方法400包括將第一光信號(hào)換能為第一電信號(hào)，其能夠是X信號(hào)，如上所述(401)。方法400還包括接收第二光信號(hào)，并且將第二光信號(hào)換能為第二電信號(hào)，其能夠是Y信號(hào)，如上所述(401)。
[0075]方法400然后包括調(diào)整第一電信號(hào)和第二電信號(hào)，直到兩種電信號(hào)基于相同標(biāo)幺制(403)。此外，方法400還能夠包括去除經(jīng)調(diào)整的第一電信號(hào)和第二電信號(hào)的每個(gè)中存在的偏移(405)。
[0076]在一些實(shí)施例中，方法400能夠包括監(jiān)測(cè)第一電信號(hào)與第二電信號(hào)之間的DC偏移的差(407)。此外，由于監(jiān)測(cè)DC偏移，方法400能夠包括改變第一電信號(hào)和第二電信號(hào)，直到兩種信號(hào)相等。調(diào)整電信號(hào)可包括通過(guò)提供增益以便相乘每個(gè)信號(hào)直到兩者相等，來(lái)改變第一電信號(hào)和第二電信號(hào)。此外，調(diào)整信號(hào)能夠包括歸一化第一電信號(hào)和第二電信號(hào)。
[0077]方法400還能夠?qū)⒌谝浑娦盘?hào)和第二電信號(hào)組合為合成信號(hào)，其是沒有偏移的(409)。此外，存儲(chǔ)器301能夠包括線性化合成信號(hào)(411)，并且隨后基于線性化合成信號(hào)來(lái)產(chǎn)生在接近FOCT的導(dǎo)體中感應(yīng)的電流的高保真輸出(413)。
[0078]相干領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解，能夠配置上述實(shí)施例的各種適配和修改，而沒有背離本公開的范圍和精神。因此，將會(huì)知道，在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，可以不按照本文的具體描述來(lái)實(shí)施本公開。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種與光纖電流換能器(FOCT) —起使用的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 處理單元，配置成(i)將第一光信號(hào)換能為第一電信號(hào)，并且(ii)將第二光信號(hào)換能為第二電信號(hào)； 其中所述處理單元還配置成通過(guò)迫使所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)基于相同標(biāo)幺制，從所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)中去除偏移； 其中所述處理單元還配置成組合所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)，以產(chǎn)生合成信號(hào)，所述合成信號(hào)沒有所述偏移；以及 其中所述處理單元還配置成線性化所述合成信號(hào)，以產(chǎn)生指示在設(shè)置成接近所述FOCT的導(dǎo)體中流動(dòng)的電流的輸出電流。2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述偏移通過(guò)在所述FOCT中包含的晶體的溫度的變化所引起，所述晶體配置成傳遞所述第一光信號(hào)和所述第二光信號(hào)。3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述處理單元配置成通過(guò)檢測(cè)所述合成信號(hào)的峰值來(lái)線性化所述合成信號(hào)。4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述處理單元配置成檢測(cè)所述合成信號(hào)的循環(huán)的所述峰值。5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述處理單元配置成基于校正系數(shù)來(lái)線性化所述合成信號(hào)。6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述校正系數(shù)基于所述峰值。7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述處理單元配置成通過(guò)將所述第一電信號(hào)與第一調(diào)節(jié)信號(hào)求和并且通過(guò)將所述第二電信號(hào)與第二調(diào)節(jié)信號(hào)求和，去除所述偏移。8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述第一調(diào)節(jié)信號(hào)和所述第二調(diào)節(jié)信號(hào)各為積分調(diào)節(jié)器所提供的數(shù)模轉(zhuǎn)換信號(hào)。9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述處理單元包括推挽調(diào)節(jié)器，其配置成監(jiān)測(cè)所述第一電信號(hào)與所述第二電信號(hào)之間的DC偏移的差。10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述推挽調(diào)節(jié)器還配置成調(diào)整所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)，直到兩種信號(hào)相等。
【文檔編號(hào)】G01R15/24GK106053914SQ201610198596
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年4月1日 公開號(hào)201610198596.X, CN 106053914 A, CN 106053914A, CN 201610198596, CN-A-106053914, CN106053914 A, CN106053914A, CN201610198596, CN201610198596.X
【發(fā)明人】D.R.華萊士, D.科羅特, C.M.塞拉迪米尼
【申請(qǐng)人】通用電氣公司