(57)【要約】電力を輸送する導電体内の特定の電界及び／又は磁界を測定する装置。本発明は、磁界（Ｂ）及び／又は電界（Ｅ）を測定するための測定装置（１）に関し、  アルカリ性ガスを含むゼーマン効果及び／又はシュタルク効果に敏感なガスを収容し、かつ、磁界（Ｂ）及び／又は電界（Ｅ）内に配置されるように構成された測定セル（３）と、  ゼーマン効果及び／又はシュタルク効果に敏感なガスの吸収線に合わせて波長が調整され、測定セル（３）を通過する光線（９）を放射する偏光光源（７）と、  光線（９）が、ゼーマン効果及び／又はシュタルク効果に敏感なガスを収容した測定セル（３）を通過することによって生じる偏光角の回転に対応する第１のパラメータを測定するように構成された少なくとも１つの偏光測定システム（１１）と、第１のパラメータは、測定セル（３）の温度に依存し、  測定セル（３）内のゼーマン効果及び／又はシュタルク効果に敏感なガスによる光線（９）の吸収率に対応する第２のパラメータを測定するように構成された吸収測定システム（１３）と、この第２のパラメータは、測定セル（３）の温度に依存し、  偏光角の回転に対応する第１のパラメータの測定値と、吸収測定システムによって測定された吸収率に対応する第２のパラメータの測定値を組み合わせて、これから、それぞれ測定対象の電界（Ｅ）及び／又は磁界（Ｂ）に対応する測定セル（３）内の温度に依存しない第３のパラメータ及び／又は第４のパラメータを抽出するように構成された処理ユニット（１５）とを含む。【選択図】図３
2021508049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界（Ｂ）及び／又は電界（Ｅ）を測定するための測定装置（１）であって、
アルカリ性ガスを含むゼーマン効果及び／又はシュタルク効果に敏感なガスを収容し、かつ、磁界（Ｂ）及び／又は電界（Ｅ）内に配置されるように構成された測定セル（３）と、
ゼーマン効果及び／又はシュタルク効果に敏感なガスの吸収線に合わせて波長が調整され、測定セル（３）を通過する光線（９）を放射する偏光光源（７）と、
光線（９）が、ゼーマン効果及び／又はシュタルク効果に敏感なガスを収容した測定セル（３）を通過することによって生じる偏光角の回転に対応する第１のパラメータを測定するように構成された少なくとも１つの偏光測定システム（１１）と、第１のパラメータは、測定セル（３）の温度に依存し、
測定セル（３）内のゼーマン効果及び／又はシュタルク効果に敏感なガスによる光線（９）の吸収率に対応する第２のパラメータを測定するように構成された吸収測定システム（１３）と、この第２のパラメータは、測定セル（３）の温度に依存し、
偏光角の回転に対応する第１のパラメータの測定値と、吸収測定システムによって測定された吸収率に対応する第２のパラメータの測定値を組み合わせて、これから、それぞれが測定対象の電界（Ｅ）及び／又は磁界（Ｂ）の対応する測定セル（３）内の温度に依存しない第３のパラメータ及び／又は第４のパラメータを抽出するように構成された処理ユニット（１５）と
を含む、測定装置。
【請求項２】
アルカリ性ガスは、ルビジウム、リチウム、ナトリウム、カリウム、セシウム又はフランシウムである、請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
偏光測定システム（１１）は、２つの第１のパラメータを測定するように構成されており、一方の第１のパラメータは、光線（９）が、敏感なガスを収容する測定セル（３）を通過することによるゼーマン効果によって誘発された偏光角の回転に対応し、他方の第１のパラメータは、光線（９）が、敏感なガスを収容する測定セル（３）を通過することによるシュタルク効果によって誘発された偏光角の回転に対応し、これらの２つの第１のパラメータは、測定セル（３）内の温度に依存し、
処理ユニット（１５）は、一方がゼーマン効果によって誘発された偏光角の回転に対応し、他方がシュタルク効果によって誘発された偏光角の回転に対応する２つの第１のパラメータの測定値と、吸収システムによって測定された吸収率に対応する第２のパラメータとを組み合わせて、これから、測定対象の電界（Ｅ）及び磁界（Ｂ）に対応する測定セル（３）内の温度に依存しない第３のパラメータ及び第４のパラメータを抽出するように構成される、請求項１又は２に記載の測定装置。
【請求項４】
処理ユニット（１５）は、吸収システムによる吸収測定値から測定セル（３）内の温度を抽出するように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の測定装置。 
【請求項５】
偏光光源（７）からの光線（９）を少なくとも２つの部分的な光線（９Ｅ，９Ｂ）に分離するビームスプリッタ（３５）を備える測定ヘッド（３３）と、
互いに垂直な２つの測定ブランチを規定するリフレクタ（３７，３９）とを含み、
測定セル（３）は、測定ヘッド（３３）内の２つの部分的な光線（９Ｅ，９Ｂ）の交点に配置される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の測定装置。 
【請求項６】
測定ヘッド（３３）は、光ファイバ（４１）によって、偏光光源（７）、偏光測定システム（１１）及び吸収測定システム（１３）に接続される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項７】
測定セル（３）を通過する光線（９）の経路は、
測定対象の磁界（Ｂ）若しくは電界（Ｅ）と共線的な少なくとも１つの構成要素を有し、または、
測定対象の磁界（Ｂ）又は電界（Ｅ）と共線的である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項８】
測定セル（３）は、０．１ｍｍ〜２０ｍｍの長さの第１の面と０．１ｍｍ〜２５ｍｍの長さの第２の面を有する立方体であり、又は、高さが０．１ｍｍ〜２０ｍｍ、直径が０．１ｍｍ〜２５ｍｍの円筒形である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項９】
偏光測定システム（１１）は、測定セル（３）の下流に配置され、かつ、偏光ビームスプリッタ（１７）及び２つの関連する光検出器（１９，２１）を備える平衡偏光測定システムである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項１０】
偏光測定システム（１１）は、測定セル（３）の下流に配置された偏光子（４４）と、関連する光検出器（１９Ｅ，１９Ｂ）とを備え、測定セル（３）の入力における光線は、直線的に偏光される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項１１】
ビームスプリッタ（４６）が、測定セル（３）の下流かつ偏光子（４４）の上流に配置され、光線の一部を吸収測定システム（１３）の光検出器（２５）に導く、請求項７又は１０に記載の測定装置。
【請求項１２】
吸収測定システム（１３）は、
それぞれ測定セル（３）の上流及び下流に配置された第１のビームスプリッタプレート及び第２のビームスプリッタプレート（２３，２７）と、
それぞれビームスプリッタープレート（２３，２７）に関連付けられ、測定セル（３）の上流及び下流の光線（９）の光度を検出するように構成された２つの光検出器（２５，２９）と
を含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項１３】
光源（７）は、レーザダイオードを含むレーザである、請求項１〜１２のいずれかに１項に記載の測定装置。
【請求項１４】
単一のレーザ光源（７）を用いて、少なくとも１つの電界（Ｅ）及び少なくとも１つの磁界（Ｂ）の双方が測定される、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項１５】
中電圧又は高電圧の導電体（３１）の電流及び／又は電圧を測定するためのユニットであって、
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の測定装置（１）を少なくとも１つ備え、
処理ユニット（１５）はさらに、導電体（３１）と測定セル（３）との距離に基づいて、対地電圧及び／又は導電体（３１）を流れる電流を決定するように構成される、ユニット。
【請求項１６】
中電圧又は高電圧の導電体（３１）を収容する金属筐体（５１）を含むガス絶縁変電所であって、
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の測定装置（１）を含み、
測定セル（３）は、ガス絶縁変電所内において、金属筐体（５１）の内部に固定される、ガス絶縁変電所。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、高電圧交流（ＨＶＡＣ）及び高電圧直流（ＨＶＤＣ）の輸送及び分配グリッドにおける電気の輸送に関し、特に、グリッドのような電気エネルギー輸送ケーブルに関し、また、電界及び／若しくは磁界、又は電流及び／若しくは電圧を測定する関連装置に関する。
【０００２】
電気が生成される様々な場所は、通常、互いに遠く、また、消費地から離れているため、現在の再生可能エネルギーの開発は、電力グリッドに新たな制限をかけている。したがって、エネルギー損失を最小限に抑えながら、非常に長い距離の電気の輸送が可能な新たな送電網を開発する必要がある。
【０００３】
これらの制限を満たすために、高電圧（例えば５０ｋＶ）の直流（ＨＶＤＣ）グリッドは、交流グリッドと比べて、ラインロスが少なく、長距離グリッドにおいて浮遊容量が発生しないため、有望な解決策であると考えられる。電気エネルギー輸送グリッドを制御するため、電圧及び／又は電流が、電力線又は変電所の適切な位置で測定される。
【０００４】
これを行うため、例えば、導電体／電気エネルギー輸送ケーブルの周囲に配置され、電磁誘導の原理で動作する巻線で形成された誘導変圧器が知られている。
【０００５】
しかしながら、このような既知の装置は、直流の電気エネルギー輸送ケーブルを測定することができない。
【０００６】
既知の装置の別の問題は、導電体／電気エネルギー輸送ケーブルの周囲に配置された巻線の重量に関するものであり、特に、後者が高い所に配置された場合に顕著である。具体的には、この場合、巻線の重量により、測定装置の支持部材に大きな機械的ストレスが生じる可能性がある。
【０００７】
近年、上述の問題を解決すべく、別の測定方法が開発されている。
【０００８】
欧州特許出願公開第０４５３６９３号明細書（ＥＰ０４５３６９３）は、「ポッケルス効果電界センサ」に関する。このセンサは、電界の値及び方向を決定するために、単色の偏光線が通過するように構成された結晶を有する。
【０００９】
ポッケルス効果は、静的又は動的な電界によって生成された環境における複屈折の発生である。複屈折は、電界に比例して発生するため、測定することができる。
【００１０】
具体的には、欧州特許出願公開第０４５３６９３号明細書に記載のセンサは、単色光線を生成するように構成された光源と、プローブ結晶と、例えば、フォトダイオード型の光検出器とを備える。光源は、シングルモード光ファイバによってプローブ結晶に接続され、プローブ結晶は、偏光保持光ファイバによって光検出器に接続される。
【００１１】
使用されるプローブ結晶は、電界に晒されたときに特定の複屈折結晶構造を有しており、プローブ結晶を通過した偏光線の２つの成分の位相差を測定することにより、電界を測定することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、使用されるプローブ結晶は、温度変化に敏感であるため、気候の変化に晒されるエネルギー輸送網で使用することが困難である。さらに、温度センサ及び補正ユニットを用いて、温度変化が測定に与える影響を補正する必要がある。
【００１３】
例えば、電流を測定するために用いられる他の効果は、ファラデー効果である。ファラデー効果は、物質内の光と磁界の相互作用によって生じる。具体的には、偏光は、光の伝播方向において磁界の構成要素に比例する回転を引き起こす。この磁界の構成要素は、導電体／エネルギー輸送ケーブル内の電流に比例するため、偏光の回転を測定することにより、電流を測定することができる。
【００１４】
例えば、そのような測定装置の一例が、欧州特許出願公開第０１０８０１２号明細書（ＥＰ０１０８０１２）に記載されている。
【００１５】
この公報に記載された測定装置は、導電体に周囲に巻かれ、かつ、レーザダイオード等の光源によって生成された単色光線が通過する光ファイバを有する。一方、この公報に記載された測定装置は、光ファイバの出力における偏光を分析する装置を有する。分析装置は、偏光スプリッタキューブ偏光と、それぞれが線形偏光線及び直交偏光線の強度を検出する２つのフォトダイオードと、導電体／電気エネルギー輸送ケーブル内で測定される強度の代表的な比率を算出するアナログユニットとを備える。
【００１６】
これもまた、温度に対するファラデー効果の依存度を観察することができるが、測定結果を補正する必要がある。
【００１７】
中国特許出願公開第２０６０５７４２４号明細書（ＣＮ２０６０５７４２４）は、さらに別の効果であるホール効果を利用する。この公報は、ホール効果検出器と、ホール効果検出器の温度に基づいて取得した測定値を補正する温度検出ユニットとを備える電流測定装置を開示する。また、この公報に記載された電流測定装置は、ホール効果検出器によって測定された電圧データを処理及び補正するように構成されたマイクロプロセッサを備える。この公報は、導電体／電気エネルギー輸送ケーブルを流れる電流が比例磁界を生成することを明記しており、導電体／電気エネルギー輸送ケーブルを流れる電流の強度及び電圧を検出することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の目的は、温度変化の問題を解決し、かつ、気候の変化が大きな場所に設置可能な耐久性を有する、電界又は磁界を測定する装置を提案することである。この目的のために、本発明は、磁界及び／又は電界を測定する装置に関し、当該装置は、
ゼーマン効果及び／又はシュタルク効果に敏感なガス、具体的にはアルカリ性ガスを収容し、磁界及び／又は電界に配置されるように構成された測定セルと、
ゼーマン効果及び／又はシュタルク効果に敏感なガスの吸収線に合わせて波長が調整され、測定セルを通過する光線を放射する偏光光源と、
光線が、ゼーマン効果及び／又はシュタルク効果に敏感なガスを収容する測定セルを通過することによって生じる偏光角の回転に対応する第１のパラメータを測定するように構成された少なくとも１つの偏光測定システムと、
測定セル内のゼーマン効果及び／又はシュタルク効果に敏感なガスによる光線の吸収に対応する第２のパラメータを測定するように構成された吸収測定システムと、
偏光角の回転に対応する第１のパラメータの測定値と吸収測定値を組み合わせて、これから、それぞれが電界及び／又は磁界に対応する第３のパラメータ及び／又は第４のパラメータを抽出するように構成された処理ユニットとを含む。
【００１９】
本発明はさらに、単独で又は組み合わせて、以下の１以上の態様を含むことができる。
【００２０】
一態様では、アルカリ性ガスは、例えば、ルビジウム、リチウム、ナトリウム、カリウム、セシウム又はフランシウムである。
【００２１】
本装置は、偏光源からの光を少なくとも２つの部分的な光線に分離するビームスプリッタ（スプリッタプレート又はビームスプリッタキューブ）を含む測定ヘッドと、互いに垂直な２つの測定ブランチを規定するリフレクタとを含むことができ、測定セルは、測定ヘッド内の２つの部分的な光線の交点に配置される。
【００２２】
測定ヘッドは、例えば、光ファイバによって、偏光源、偏光測定システム及び吸収測定システムに接続される。
【００２３】
別の態様では、測定セルを通過する光線の経路は、測定対象の磁界又は電界と共線的な少なくとも１つの構成要素を有し、または、測定対象の磁界又は電界と共線的である。
【００２４】
測定セルは、長さが０．１ｍｍ〜２０ｍｍの第１の面と長さが０．１ｍｍ〜２５ｍｍの第２の面とを有する立方体、または、高さが０．１ｍｍ〜２０ｍｍであり直径が０．１ｍｍ〜２５ｍｍである円筒形とすることができる。
【００２５】
偏光測定システムは、具体的には、測定セルの下流に配置され、かつ、偏光ビームスプリッタ及び２つの関連する光検出器を備える平衡偏光測定システムである。
【００２６】
吸収測定システムは、例えば、それぞれ測定セルの上流及び下流に配置された第１のビームスプリッタプレート及び第２のビームスプリッタプレートと、ビームスプリッタプレートのそれぞれに関連付けられ、測定セルの上流及び下流の光線の光度を検出するように構成された２つの光検出器とを含む。
【００２７】
光源は、具体的にはレーザ、特にレーザダイオードである。
【００２８】
単一のレーザ光源を用いて、少なくとも１つの電界及び少なくとも１つの磁界の双方を測定することができる。
【００２９】
本発明はさらに、中電圧又は高電圧の導電体の電流及び／又は電圧を測定するユニットに関し、当該ユニットは、上述した少なくとも１つの測定装置を含み、処理ユニットはさらに、導電体と測定セルとの距離に基づいて、対地電圧及び／又は導電体内を流れる電流を決定するように構成される。
【００３０】
本発明はさらに、中電圧又は高電圧の導電体を収容する金属筐体を含むガス絶縁変電所に関し、ガス絶縁変電所は、上述した測定装置を備え、その測定セルは、変電所の内部に配置され、具体的には、金属筐体の内部に固定される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照し、例示であって限定ではない以下の説明から明らかになるであろう。
【図１】図１は、偏光に関する図を示す。
【図２】図２は、アルカリ原子のエネルギーレベルをモデル化した２つの簡略図を示しており、具体的には、ａ）電磁界が存在しない場合と、ｂ）光線の伝搬方向に平行な磁界又は電界が存在する場合である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る測定装置の簡略図である。
【図４Ａ】図４Ａは、導電体の周囲に形成された電界及び磁界の説明図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、導電体から所定の距離にある磁界及び電界の双方を測定するために、導電体の周りに配置された２つの測定装置を示す簡略図である。
【図５】図５は、図４Ｂの実施形態を簡略化及び最適化した変形例である。
【図６】図６は、いくつかの導電体の近くの電気及び／又は磁界を測定する測定装置の例示的な実施形態である。
【図７】図７は、一方に測定ヘッドを備え、他方に測定ベースを備え、これらが光ファイバによって互いに接続された第２の実施形態の簡略図である。
【図８】図８は、第３の実施形態に係る測定装置を備えたガス絶縁変電所の簡略図である。
【図９】図９は、図８の測定ヘッドの例示的な一実施形態の概略断面図である。
【図１０】図１０は、図８の測定ヘッドの例示的な一実施形態の概略断面図である。
【００３２】
全ての図面において、同一の機能を有する構成要素には、同じ参照番号が付される。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下の実施形態は例示である。以下の説明では１以上の実施形態に言及するが、これは、各言及が同一の実施形態に関すること、又は特徴が単一の実施形態にのみ適用されることを、必ずしも意味するものではない。また、様々な実施形態の個別の特徴が組み合わされ、又は、置換されて、他の実施形態を提供することができる。
【００３４】
「上流」又は「下流」は、構成要素が光の伝播の方向に配置された場合を意味する。したがって、光線が、初めに第１の装置又は構成要素を通過し、次に第２の装置を通過する場合、第１の装置又は構成要素が、第２の装置又は構成要素の上流に位置にする。
【００３５】
本開示では、いくつかの参照は、測定対象の電界又は磁界の性質を表す文字で補足することができる。例えば、光検出器１９は、電界の測定に関する場合は光検出器１９Ｅであり、磁界の場合は１９Ｂである。測定ヘッド３３は、電界の測定に関する場合は測定ヘッド３３Ｅであり、磁界の場合は３３Ｂであり、磁界Ｂ及び電界Ｅの双方の測定に関する場合は３３ＥＢである。
【００３６】
本発明は、中電圧又は高電圧の交流又は直流の設備に関し、特に、導電体／電気エネルギー輸送ケーブル、又は例えばガス絶縁変電所に関する。
【００３７】
本発明は、特に、電気エネルギー、すなわち電流を輸送する高電圧直流（ＨＶＤＣ）グリッドに有益である。
【００３８】
図１は、偏光についての説明図である。光波は電磁波であり、その電界及び磁界が光波の伝播方向に対して直接三面体（direct trihedron）を形成する。この電界は、光波の伝播中に発生する一方、光波を観察すると特定の形状を示す。したがって、伝播中の光波の偏光（電界の方向）は、直線偏光、円偏光、楕円偏光の３つに分類できる。
【００３９】
ゼーマン効果（磁界Ｂに関する）及びシュタルク効果（電界Ｅに関する）は、原子（アルカリを含む）の電子エネルギーレベルで生じる効果である。これらの効果は、これらのエネルギーレベルが相互作用する場合に観察することができる。これらのエネルギーレベルと相互作用する１つの方法は、共鳴光放射、例えばレーザからの光子による対象の原子の電子スピンと、調査対象のエネルギーレベルとの相互作用を利用することである。
【００４０】
そして、関連するエネルギーレベルと相互作用する直線偏光波を用いて、ゼーマン効果又はシュタルク効果を観察できるであろう。この観測は、光波の直線偏光の回転を観察することによって行われる。
【００４１】
これらの効果は、特に、単一の価電子を有する原子、例えばアルカリ原子等から形成されたガスにおいて観察することができる。アルカリは、単一の価電子が、容易に操作可能な不一致のスピンを有するため、多くの応用例で広く利用されている。したがって、価電子帯の単一電子のエネルギーを用いて、原子のエネルギーを近似することができる。
【００４２】
しかしながら、気体媒質が含まれる場合、これら２つのシュタルク効果及びゼーマン効果は、光が通過する気体媒質の密度に依存するため、温度にも依存する。
【００４３】
図２のａ）は、電磁界が存在しない場合のアルカリ原子のエネルギーレベルをモデル化した簡略図である。
【００４４】
これは、このように簡略化した３つのレベルのエネルギーシステムである（基準サブレベルｍＦ＝０は、後述する原子とレーザの相互作用プロセスには含まれない）。
【００４５】
このシステムは、運動量の３つの基準サブレベルｍＦ＝−１，ｍＦ＝０，ｍＦ＝＋１で形成される基準レベルを有する。また、このシステムは、運動量のサブレベルが含まれない励起レベルｍＥ＝０を有する。
【００４６】
所定の伝播方向を有する直線偏光波が伝播する場合、この直線偏光を、反対方向σ＋，σ−の２つの円偏光の集合に分解することができる。
【００４７】
そして、光波は、運動量の２つの基準サブレベルｍＦ＝−１，ｍＦ＝＋１と相互作用し、電子を運動量の励起レベルｍＥ＝０にすることができる。これは、角運動量の保存に関する選択規則と、光波σ＋が、＋１の運動量の光子を交換し、光波σ−が、−１の運動量の光子を交換する事実によって説明される。
【００４８】
図２のｂ）は、光線ｐＥの伝播方向と平行な磁界Ｂ又は電界Ｅが存在する場合のアルカリ原子のエネルギーレベルをモデル化した簡略図である。
【００４９】
光波ｐＥの伝播方向と共線的な電界Ｅ又は磁界Ｂを適用すると、運動量の基準サブレベルｍＦ＝−１，ｍＦ＝＋１のエネルギー変位が生じる（一方が正で他方が負であり、反対方向の界の場合は、その逆である）。
【００５０】
電界の場合、この効果はシュタルク効果と呼ばれ、このエネルギーのオフセット値は、下記数式１に示す値を有する。
【数１】
2021508049.tif 000003
【００５１】
磁界Ｂの場合 、この効果はゼーマン効果と呼ばれ、エネルギーオフセット値は、下記数式２に示す値を有する。
【数２】
2021508049.tif 000004
【００５２】
図２ｂに示すように、２つの運動量の基準サブレベルｍＦ＝−１，ｍＦ＝＋１の間には、電界の場合は数式１に示すオフセット値の２倍のエネルギー差があり、磁界の場合は数式２に示すオフセット値の２倍のエネルギー差がある。したがって、これにより、対象のアルカリ原子の電子を有する構成要素σ＋及び構成要素σ-の間に違いが生じる。
【００５３】
光波の偏光を数学的に再構築すると、長さｌのアルカリ原子媒質を通過した光波の直線偏光は、数式３及び数式４に示す角度θで回転する。
【数３】
2021508049.tif 000005
【数４】
2021508049.tif 000006
Ｅは、光波ｐＥの伝播軸に沿った電界の構成要素であり、
Ｂは、光波ｐＥの伝播軸に沿った磁界の構成要素であり、
ｎａｌは、アルカリの体積密度であり、温度に依存するパラメータである。
【００５４】
したがって、体積密度が既知又は一定である場合、偏光分析によって光波の偏光の回転を検出することにより、電界及び／又は磁界が測定可能であると理解される。
【００５５】
測定セル内に存在するアルカリ性ガスの密度は、温度（飽和蒸気圧）に依存する。この問題を解決すべく、アルカリ性ガスが光線を吸収する現象を利用することが提案されている。具体的には、測定セルの出力における光線のパワーＰＴは、入力パワーＰ０の関数として、数式５によって与えられる。
【数５】
2021508049.tif 000007
これは、数式６を与える。
【数６】
2021508049.tif 000008
【００５６】
数式６をｎａｌについて整理する。
【数７】
2021508049.tif 000009
【００５７】
また、数式（７）を上記数式（３）及び（４）に代入することにより、温度の影響を取り除くことができる。
【数８】
2021508049.tif 000010
【数９】
2021508049.tif 000011
【００５８】
図３は、光線の伝搬が磁界又は電界と共線的である場合に、磁界の測定又は電界の測定のいずれかを実現する、偏光及び吸収の双方の測定を組み合わせた第１の実施形態に係る測定装置１の簡略図の一例を示す。磁界及び／又は電界を測定するための測定装置１は、
ゼーマン効果及び／又はシュタルク効果に敏感なガス、具体的にはアルカリ性ガスを含み、矢印５で示す磁界及び／又は電界内に配置されるように構成された測定セル３と、
偏光光源７であって、その波長が、測定セル３に収容されたゼーマン効果及び／又はシュタルク効果に敏感なガスの吸収線に合わせて調整され、測定セル３を通過する光線９を放射する偏光光源７と、
光線が、測定セル３内のゼーマン効果及び／又はシュタルク効果に敏感なガスを通過することによって生じる偏光角の回転に対応する第１のパラメータを測定するように構成された偏光測定システム１１と、
測定セル３内のゼーマン効果及び／又はシュタルク効果に敏感なガスによる光線９の吸収に対応する第２のパラメータを測定するように構成された吸収測定システム１３と、
偏光角の回転に対応する第１のパラメータの測定値と吸収測定値を組み合わせて、これから、それぞれが測定対象の電界Ｅ及び／又は磁界Ｂに対応する第３のパラメータ及び／又は第４のパラメータを抽出するように構成された処理ユニット１５とを含む。
【００５９】
したがって、測定セル３に含まれるゼーマン効果及び／又はシュタルク効果に敏感なガスには、具体的には、ルビジウム原子、リチウム原子、ナトリウム原子、カリウム原子、セシウム原子又はフランシウム原子等で構成されるアルカリ性ガスが含まれる。
【００６０】
測定セル３は、具体的には、使用される光源７の波長に対して透過性を有する。光線９が通過する面のみが透過性を有すれば十分である。他の面は透過性を有していなくてもよく、周囲光によって生じ得る干渉を排除できるため有利である。
【００６１】
測定セル３は、例えば、第１の面が０．１ｍｍ〜２０ｍｍであり、第２の面が０．１ｍｍ〜２５ｍｍである立方体／平行六面体、又は、高さが０．１ｍｍ〜２０ｍｍであり、直径が０．１ｍｍ〜２５ｍｍである円筒形等である。したがって、測定セル３は、電気エネルギー輸送設備の任意の場所に設置できるほど十分に小さく、又は、さらに説明するように、電気エネルギー輸送設備の装置に組み込むことが可能な大きさである。さらに、セルが小さいことにより、測定範囲の調整が可能であると共に、感度に影響を与えることができる。
【００６２】
光源７は、例えばレーザ、具体的にはレーザダイオードである。レーザの波長は、選択したアルカリの吸収遷移に基づいて選択される。以下の表は、特定のアルカリ及び特定の遷移の波長の例を示す。
【表１】
2021508049.tif 000012
【００６３】
偏光測定システム１１は、具体的には、測定セル３の下流に配置される平衡偏光測定システム（balanced polarimetry system）とすることができる（特に、図３、図５及び図６を参照）。このような偏光測定システム１１は、具体的には、偏光ビームスプリッタ１７と、関連する２つの光検出器１９及び２１とを備える。
【００６４】
偏光ビームスプリッタ１７（図のＰＢＳ）は、偏光成分ｓ及びｐを分離して、これらの偏光成分を光検出器１９及び２１（図のＰＤ）のそれぞれ、例えばフォトダイオードに送信する。例えば、偏光成分ｓは、光検出器１９に向かって９０°で反射される一方、偏光成分ｐは、偏光ビームスプリッタ１７を通過して、光検出器２１によって検出される。
【００６５】
したがって、光検出器１９及び２１の測定信号を考慮すると、測定セル３の出力における光線の偏光角を測定することができ、また、光源７の出力における直線偏光が分かっている場合、偏光角の変動を判断できるため、測定対象の電界及び／又は磁界の値を判断することができる。
【００６６】
限定ではなく、説明を容易にするため、測定セル内の入力偏光が、偏光ビームスプリッタ１７の偏光成分ｓ又は偏光成分ｐに対して４５°である場合が想定される。
【００６７】
そして、これは、電界Ｅの出力信号と、磁界Ｂの出力信号を与え、レーザの伝播軸に沿った電界Ｅの構成要素及び磁界Ｂの構成要素のそれぞれは、数式１０及び数式１１によって与えられる。
【数１０】
2021508049.tif 000013
【数１１】
2021508049.tif 000014
ここで、Ｅは、光線９の伝播方向と共線的な電界Ｅの構成要素であり、
Ｂは、光線９の伝播方向と共線的な磁界Ｂの構成要素であり、
αＡＴＴは、光線の既知又は所定の減衰係数であり、
Ｐ１は、光検出器１９によって測定された光強度であり、
Ｐ２は、光検出器２１によって測定された光強度であり、
Ｐ０は、光検出器２５によって測定された光強度である。
【００６８】
もちろん、我々の事例では、電界Ｅと磁界Ｂが垂直であること（Ｅ⊥Ｂ）、すなわち、光線が、２つの電界又は磁界の一方に感度を有するように配向されることを想定している。偏光ビームスプリッタ１７に対して光線９の直線偏光を調整すべく、半波長板２２（図ではλ／２で示す）が測定セル３の上流に配置される。
【００６９】
温度への依存を解決すべく、吸収測定システム１３が利用される。吸収測定システム１３は、上流部１３Ａと、下流部１３Ｂとを備える。より詳細には、上流部１３Ａは、測定セル３の上流に配置された第１のビームスプリッタプレート２３（「ビームスプリッタ」、図ではＢＳ）と、関連する光検出器２５とを含み、これらは、測定セル３の上流に配置された光線９の光度を検出するように構成される。下流部１３Ｂは、測定セル３の下流に配置され、かつ、偏光測定システム１１の上流に配置された第２のビームスプリッタプレート２７と、関連する光検出器２９とを備え、これらは、測定セル３の下流の光線９の光度を検出するように構成される。スプリッタプレート２３及び２７は、スプリッタキューブと置き換えてもよい。
【００７０】
そして、この温度に依存する信号は、上述した吸収信号で補正することができる。数式（１０）の電界の出力信号又は数式（１１）の磁界の出力信号は、数式（１２）及び数式（１３）になる。
【数１２】
2021508049.tif 000015
【数１３】
2021508049.tif 000016
【００７１】
したがって、温度に依存しない信号が取得され、電界又は磁界を測定することができる。測定対象の電界Ｅ又は磁界Ｂの絶対値を返すため、例えば、キャリブレーションを用いて、測定信号Ｓと電界Ｅ又は磁界Ｂの絶対値との対応を決定することができる。
【００７２】
そして、導電体内を流れる電流、又は対地電圧に返すため、測定セル３と導電体との距離を考慮する必要がある。
【００７３】
アルカリ原子が測定セル内に閉じ込められる場合、吸収率は、究極的に温度にのみ依存する。したがって、光検出器２９の信号ＰＴを用いることにより、温度の局所的な測定も可能となる。具体的には、アルカリの密度ｎａｌは、温度Ｔ（ケルビン）に依存し、数式１４に示す関係が与えられる。
【数１４】
2021508049.tif 000017
ここで、ａ及びｂは、各アルカリに固有のパラメータである。
【００７４】
信号ＰＴ／ＰＯを考慮した数学的な計算を用いると、局所的な温度を測定できると共に、電界又は磁界を測定することができる。
【００７５】
図３では、光源７は、測定ヘッド３３とも呼ばれるオプトエレクトロニクスアセンブリに直接的に設置される。
【００７６】
変形例では、光源７、すなわち、例えばレーザは、例えば、測定ヘッド３３から離れており、これらは、光ファイバによって相互に接続される。
【００７７】
図４Ａは、導電体３１の周りに形成される電界Ｅ及び磁界Ｂの説明図である。
【００７８】
磁界Ｂは、導電体３１の周りで円を描く一方、電界Ｅの方向は、磁界Ｂに垂直な半径方向である。
【００７９】
図４Ｂは、同じ導電体３１の断面と、導電体３１の周囲に形成された電界Ｅ及び磁界Ｂを示す簡略図である。また、導電体３１から所定の距離Ｒにおける磁界及び電界の双方を測定するために、導電体３１の周りに配置された２つの測定装置１の２つの電気（Ｅ）測定ヘッド３３Ｅ及び磁気（Ｂ）測定ヘッド３３Ｂが概略的に示される。この例示的な実施形態では、光源７Ｅ及び７Ｂは、光ファイバ４１、すなわち、光源７Ｅと測定ヘッド３３Ｅとの間の光ファイバ４１Ｅ、光源７Ｂと測定ヘッド３３Ｂとの間の光ファイバ４１Ｂによって個別の測定ヘッド３３Ｅ，３３Ｂに接続される。
【００８０】
図４Ｂに概略的に示す測定ヘッド３３Ｅ及び３３Ｂの長手方向として示すように、測定ヘッド３３Ｅの光線が、電界Ｅと共線的な測定セル３を部分的に通過し、測定ヘッド３３Ｂの光線が、磁界Ｂと共線的な測定セル３を部分的に通過する。
【００８１】
この構成では、導電体３１を流れる電流Ｉは、数式１５によって与えられる。
【数１５】
2021508049.tif 000018
【００８２】
ここで、μ０は、自由空間における透磁率である。
【００８３】
同様に、導電体３１の対地電圧が得られる。
【００８４】
測定された電界Ｅ０と導電体３１に印加された電圧Ｖ０との関係は、数式１６によって与えられる。
【数１６】
2021508049.tif 000019
【００８５】
もちろん、既知の電流が流れている導電体３１でキャリブレーションを実行することにより、測定装置１を較正し、測定された信号と、測定されるパラメータ（電界又は磁界）を関連付けることができる。
【００８６】
図５は、図４Ｂの実施形態を簡略化及び最適化した変形例であり、測定ヘッド３３Ｅ及び３３Ｂを組み合わせて単一の測定ヘッド３３ＥＢとしたものである。本実施形態では、測定ヘッド３３ＥＢは、偏光光源７からの光線９を２つの部分的な光線９Ｅ及び９Ｂに分離するスプリッタプレート３５と、互いに垂直な２つの測定ブランチを規定するリフレクタと、測定ヘッド内の２つの部分的な光線９Ｅ及び９Ｂの交点に配置された測定セル３とを含む。
【００８７】
したがって、このアセンブリでは、偏光測定システム１１Ｅを備える図３に示すアセンブリに対して、スプリッタプレート３５と、２つのリフレクタ３７及び３９が追加され、光線９Ｂが光線９Ｅに垂直に交差する状態で光線９Ｂを測定セル３内に導く。測定セル３の出力の光線９Ｂは、偏光測定システム１１Ｂに導かれる。
【００８８】
図５に示すように、偏光された光線９を、直接又は光ファイバ４１を介して測定ヘッド３３ＥＢに導くことができる。
【００８９】
図６は、いくつかの導電体３１の近くの電界及び／又は磁界を測定する測定装置１の例示的な実施形態である。本実施形態では、測定ヘッド３３、ここでは３３Ｅ又は３３Ｂ及び３３ＥＢには、単一のレーザ７から偏向された光線９が供給される。この例では、測定ヘッド３３Ｅ又は３３Ｂは、図３の測定ヘッドと同じであり、光線の方向は電界と共線的であり、別の測定ヘッド３３ＥＢは、図５の測定ヘッドと同じであり、導電体３１の電界及び磁界の双方を測定する。
【００９０】
図７は、第２の実施形態の簡略図であり、測定ヘッド部３３ＥＢに関し、測定セル３の光学機能／配置機能と、具体的には光検出器を含むオプトロニックコンポーネントによる測定機能が分離される。
【００９１】
このように、測定ヘッド３３は、プローブヘッド４２と、測定ベース４３に分けられる。
【００９２】
プローブヘッド４２は、その中心に測定セル３を備える。さらに、プローブヘッド４２は、光源７に接続された入力光ファイバ４１Ｉと、測定セル３を通過すると共に電界Ｅと共線的で部分的な光線９Ｅを、測定ベース４３の対応する入力に導く出力光ファイバ４１Ｅと、測定セル３を通過すると共に磁界Ｂと共線的で部分的な光線９Ｂを、対応する測定ベース４３の入力に導く出力光ファイバ４１Ｂと、吸収測定のために、測定セル３を通過した部分的な光線９Ｅを光検出器２５に導く出力光ファイバ４１Ｔとに接続される。
【００９３】
入力光ファイバ４１Iは、偏光保持ファイバである。出力光ファイバ４１Ｅ，４１Ｂ，４１Ｔは、非偏光保持ファイバである（しかしながら、偏光保持光ファイバも使用できるが、必須ではない）。したがって、プローブヘッド４２は、測定セル４１に加えて、リフレクタ３７と、測定セル３の上流に配置されたスプリッタプレート３５と、部分的な光線９Ｅ及び９Ｂにおける下流に配置されたプレート状又は立方形状等の２つの偏光子４４と、本実施形態では具体的には部分的な光線９Ｅにおける測定セル３の下流に配置され、偏光子４４の一方の上流に配置されたスプリッタプレート４６のみを含む。数学的な理由から、偏光子４４の軸は、測定セル３の入力偏光に対して４５°に設定される。
【００９４】
光源７、２つの偏光測定システム１１Ｅ及び１１Ｂ、並びに吸収測定システム１３は、測定ベース４３に設置される。この構成により、具体的には光検出器１９Ｅ，１９Ｂ，２５，２９を、導電体３１から、例えば、数メートル、数十メートル又はそれ以上離すことができる。したがって、導電体３１から遠く離れた位置に、光検出器１９Ｅ，１９Ｂ，２５，２９を配置することができ、測定センサ内で導電体３１の電界及び磁界によって生じ得る潜在的な電磁干渉を解決することができる。
【００９５】
変形例では、測定ベース４３は、ファラデーケージとして機能する金属筐体内に設置され、組み込まれる。
【００９６】
図８は、中電圧又は高電圧の導電体３１を収容するガス絶縁変電所５１の部分的な簡略図であり、図７の測定ベースと酷似する測定ベース４３を有する測定装置１を含み、測定ベース４３においてスプリッタプレート３５によって２つの部分的な光線９Ｅ及び９Ｂに分離され、４つの光ファイバ４１がプローブヘッド４２に接続される点が異なる。
【００９７】
したがって、図７及び図８では、プローブヘッド４２の上流の光ファイバ（例えば４１Ｉ）は、偏光保持ファイバである。このプローブヘッドの上流で使用される半波長板λ／２  ２２により、偏光を調整することができ、光源７からの光線を、ファイバの好適な軸に沿って偏光保持ファイバに入れることができる。
【００９８】
プローブヘッド４２の光線の下流で使用される光ファイバ４１Ｅ，４１Ｂ，４１Ｔは、例えば、非偏光保持ファイバである（しなしながら、偏波保持光ファイバも使用できるが、必須ではない）。プローブヘッド４２に追加されたスプリッタプレート４６は、追加の光ファイバ４１Ｔを用いて、吸収（したがって温度）に関する情報を取得することができる。
【００９９】
測定ベース４３では、３つの光検出器１９Ｅ，１９Ｂ及び２５により、信号を分析することができる。光検出器２５により、吸収を測定することができる一方、光検出器１９Ｅ及び１９Ｂにより、回転角を測定することができるため、以下の式を利用して電界及び磁界を測定することができる。
2021508049.tif 000020
ここで、Ｅは、光線９の伝播方向と共線的な電界Ｅの構成要素であり、
Ｂは、光線９の伝播方向と共線的な磁界Ｂの構成要素であり、
αａｔｔは、光線の既知又は所定の減衰係数であり、
Ｐ０は、光検出器によって測定された光強度である。
【０１００】
図７及び図８の実施形態は、測定セル３の下流に配置された偏光子４４と、各ブランチの関連する光検出器１９Ｅ，１９Ｂとを備える簡素化された偏光測定システムを含むと理解される。この場合、測定セル３の入力における光線は、光源７により、又は例えば偏光子を測定セル３の上流に配置することにより、直線的に偏光される。
【０１０１】
吸収測定システム１３は、例えば、測定セル３の下流に配置され、かつ、（例えばプレート状又は立体形状の）偏光子４４の上流に配置されたビームスプリッタ４６（例えば、スプリッタプレート又はスプリッタキューブ等）を含み、光線の一部を吸収測定システム１３の光検出器２５に導く。
【０１０２】
もちろん、光ファイバを備えない簡略化した実施形態も考えられる。この場合、平衡偏光測定システムを利用することも考えられる。
【０１０３】
図９及び図１０は、互いに垂直な２つの切断プレートを有する金属筐体５１に組み込まれたプローブヘッド４２の実施形態の概略断面図である。
【０１０４】
図９及び図１０に示すように、測定セル３は、金属筐体５１の内部に配置され、具体的には、金属筐体５１の内側部分に固定される。
【０１０５】
これを実現するため、金属筐体５１は、測定セル３において、フランジ５５によって固定されたウィンドウ５３を備え、光線９Ｅ（図９）及び９Ｂ（図１０）が通過することができる。
【０１０６】
ウィンドウ５３と反対側の測定セル３の後壁５７は、反射性を有しており、又は、ミラーが設置される。
【０１０７】
したがって、電界Ｅ（図９）を検出すべく、光線９Ｅが、磁界Ｂに垂直な面で放射される。光線９Ｅは、特定の角度で測定セル３に入り、後壁５７で反射して、測定ベース４３に送られる。
【０１０８】
この構成では、光線９Ｅの共線的な成分のみが、シュタルク効果に寄与する。光線９Ｅが測定セル３を２回通過するため（往路及び復路）、測定セル３のサイズは比較的小さくなる。
【０１０９】
次いで、磁界Ｂ（図１０）を検出すべく、光線９Ｂが経路を介して放射され、当該経路では、光線９Ｂは、磁界Ｂ及び電界Ｅと部分的に共線的になる。光線９Ｂは、特定の角度で測定セル３に入り、後壁５７で反射され、測定ベース４３に送られる。
【０１１０】
この構成では、電界Ｅ及び磁界Ｂと共線的な光線９Ｂの成分のみが、それぞれゼーマン効果及びシュタルク効果に寄与する。初めに図９のアセンブリを用いて電界Ｅを決定し、算出された測定結果から、図９のアセンブリを用いた測定から分かる電界Ｅの寄与を差し引くことにより、図１０のアセンブリを用いた測定によって磁界Ｂを決定することができる。光線９Ｂが測定セル３を２回通過するため（往路及び復路）、測定セル３のサイズは比較的小さくなる。
【０１１１】
以下、電流及び電圧の測定の具体例について説明し、この例は、記載した全ての実施形態に適用される。
【０１１２】
測定セル３で使用されるアルカリ性ガスは、シュタルク効果及びゼーマン効果のため、例えば、ルビジウムであると想定される。
【０１１３】
ゼーマン効果について、アンペア（Ａ）単位の電流と偏光の回転角θＺとの関係は、数式１７によって与えられる。
【数１７】
2021508049.tif 000021
ここで、ｒは、導電体３１と測定セル３との距離ｍｍであり、
ｗは、測定セル３内の光線９の直径ｍｍであり、
ｌＢは、磁界Ｂと共線的な光線９Ｂの経路において移動した長さｍｍである。
2021508049.tif 000022
この範囲は、選択したルビジウムのエネルギー遷移に依存する。したがって、この方程式を逆にすることにより、導電体３１の電流を返すことができる。
【０１１４】
シュタルク効果について、ｋＫ単位の電圧Ｕと回転角θＳとの関係は、数式１８で与えられる。
【数１８】
2021508049.tif 000023
ここで、ｒ０は、導電体３１の半径ｍｍであり、
ｒは、導電体３１と測定セル３との距離ｍｍであり、
ｌＥは、電界Ｅと共線的な光線９Ｅの経路において移動した長さｍｍである。
2021508049.tif 000024
この範囲は、選択したルビジウムのエネルギー遷移に依存する。したがって、この方程式を逆にすることにより、電圧を返すことができる。
【０１１５】
交流電流及び交流電圧の測定：
【０１１６】
交流電圧Ｖ（ｔ）＝ＶＯｃｏｓ（ωｔ）を印加する場合、数式１９によって定義される電界が得られる。
【数１９】
2021508049.tif 000025
【０１１７】
したがって、回転角が、下記数式によって測定及び与えられる。
【数２０】
2021508049.tif 000026
【数２１】
2021508049.tif 000027
【０１１８】
次いで、２つの成分、すなわち、連続的な成分及び周波数が２倍の交流成分で構成される信号が得られる。
【０１１９】
交流電流Ｉ（ｔ）＝ＩＯｃｏｓ（ωｔ）を供給する場合、下記数式によって定義される磁界が得られる。
【数２２】
2021508049.tif 000028
【０１２０】
したがって、回転角は、下記数式によって測定され、与えられる。
【数２３】
2021508049.tif 000029
【数２４】
2021508049.tif 000030
【０１２１】
したがって、本発明は、サイズが小さく、電流及び電圧について活性部分（測定セル３内のアルカリ性ガス）の体積が１０ｃｍ３未満とし得ることを特徴とすると理解される。
【０１２２】
活性部分は、密閉された測定セル３内のガスであるため、物理的な測定値は絶対値であり、経時的に変化しない。変化パラメータのみが、制御可能なパラメータ（温度）であり、又は、遠隔の装置で較正可能なパラメータである。
【０１２３】
故障する可能性のある構成部品は、潜在的に光源７のみであり、これは導電体３１から離れている。そのため、メンテナンスが容易である。
【０１２４】
上述した光学的な測定により、高帯域幅を用いた高感度な測定が可能になる。
【０１２５】
上述した通り、測定装置は実装が容易である。電流及び電圧を測定するために、様々な光検出器を導電体３１と接触させる必要がない。これにより、電力網から測定チェーンを電気的に分離することもできる。
【０１２６】
最後に、測定装置１により、直流モード及び交流モードの電流及び電圧を測定することができる。
【図１】
2021508049.tif 000031
【図２】
2021508049.tif 000032
【図３】
2021508049.tif 000033
【図４Ａ】
2021508049.tif 000034
【図４Ｂ】
2021508049.tif 000035
【図５】
2021508049.tif 000036
【図６】
2021508049.tif 000037
【図７】
2021508049.tif 000038
【図８】
2021508049.tif 000039
【図９】
2021508049.tif 000040
【図１０】
2021508049.tif 000041
【国際調査報告】
2021508049.tif 000042
2021508049.tif 000043
2021508049.tif 000044
2021508049.tif 000045
2021508049.tif 000046
2021508049.tif 000047