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Die Erfindung betrifft eine Methode zur Messung des elektrischen Stromes mittels Magnetfeldmessung unter Anordnung eines Plättchens aus magnetooptischem Material mit Domänenwänden im Magnetfeld des zu messenden Stromes, Durchleiten polarisierten Lichtes durch das Plättchen und einen Analysator sowie Messung der ausgesandten Lichtstärke mithilfe eines Photoempfängers.
Verschiedene Methoden von berührungslosen (kontaktlosen) Messungen zur Erfassung von elektrischen Strömen unter Ausnutzung des Faraday-Effekts wurden bisher entwickelt und werden in weiten Bereichen eingesetzt. Als Beispiel dafür sei eine von einem linear polarisiertem Licht durchdrungene Probe genannt : Ein zu bestimmender Strom erzeugt ein Magnetfeld, das auf die Probe einwirkt und darin eine Rotation der
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Wert der Faraday-Rotation proportional zum Wert des Magnetfeldes.
Folglich ist durch die Messung der Faraday-Rotation der Wert des Magnetfeldes und somit des Stromes bestimmbar Diese Art von Messmethoden beinhalten jedoch einige Nachteile : die Faraday-Rotation, die thermisch induzierte Doppelbrechung und die Transparenz des magnetooptischen Mediums sind temperaturabhängig, die Strahlenemission der Lichtquelle unterliegt Schwankungen ; die Empfindlichkeit des Photoempfängers weist Instabilitäten auf, etc. Diese Faktoren, besonders die Temperaturabhängigkeiten, beeinflussen die Resultate der Strommessungen und führen zu Messunsicherheiten. Überdies haben Dia- und Paramagnete eine sehr kleine VerdetKonstante. Die dadurch nötige grosse geometrische Ausdehnung verhindert den Einsatz als lokale Magnetfeldsensoren.
Um die Temperaturabhängigkeit der Faraday-Rotation zu reduzieren, eignet sich die Verwendung eines mit Wismut dotierten Eisengranates HoTbyBis-xFes-zAzOlz (wobei A zumindest aus den Gruppen Ga, Al, SI oder In sein muss), mit einer sehr konstanten Empfindlichkeit in einem weiten Temperaturbereich (Magnetischer Granateinkristall zur Messung von Magnetfeldstärken und Messapparaturen zur optischen Magnetfeldmessung, EP 521 527 A2). Diese Zusammensetzung weist jedoch Probleme mit der Langzeitstabilität sowie technologische Schwierigkeiten bei der Produktion auf. Weiters verbleiben die oben erwähnten Probleme bezüglich der tntensitätsbestimmung.
Der Hauptunterschied zwischen unserem Vorschlag und der EP 393 889 A2, welchem ebenfalls eine Zweidomänenstruktur zugrundeliegt, besteht In der Einbeziehung eines Objektives in das optische System, das das Bild der Domänenstruktur auf dem Photoempfänger fokussiert (in unserem Vorschlag handelt es sich um einen ortsauflösenden Photoempfänger). In obigem Dokument wird nur die pauschale Polarisations-
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ge Magnet ! S) erungsänderungals Funktion des gemessenen Magnetfeldes, direkt aus der Grenze zwischen den Bildern der benachbarten Domänen, charakterisiert durch unterschiedliche Helligkeit, zu bestimmen.
Im oben genannten Dokument wurde die Domänenwandposition mittels Winkelmessung der Polarisations-Rotation, die pauschale Faraday-Rotation in Abhängigkeit der Domänenwandposition, indirekt ermittelt Gemäss dem Dokument kann diese pauschale Faraday-Rotation mittels Transmission durch eine polariserende optische Faser oder einen Polarisator, oder durch direkte Analyse der Intensitätsverhältnisse der Hauptmoden, die über eine polarisationserhaltende Faser übertragen werden, bestimmt werden.
Die Nachteile der indirekten Messung der Domänenwandposition sind : a) Die Faraday-Rotation ist temperaturabhängig, da die Polansations-Rotation in den Domänen eine
Funktion der Temperatur ist. b) Die nichtlineare Abhängigkeit des Messsignals vom Magnetfeld. c) Die oben erwähnte Methode zur Messung der Faraday-Rotation beinhaltet eine Anzahl von Unsicher- heiten. Besonders wichtig sind jene, die durch Doppelbrechung verursacht werden, erwähnt in Spalte 4,
Zeilen 32-45. Die Messergebnisse sind sehr empfindlich auf lineare Doppelbrechung Die Doppelbrechung beeinflusst nicht nur die netto Rotation, sondern ändert auch die Messempfindlichkeit. Selbst wenn es nach
Anspruch 3 des obigen Dokumentes möglich ist, das magnetische Medium von der linearen Doppelbre- chung zu befreien, wird die Doppelbrechung mit Änderung der Temperatur erscheinen.
Die Vorteile der vorgeschlagenen Methode zur magnetischen Messung, beruhend auf der direkten Messung der Domänenwandposition, sind folgende : a) Sehr kleine Abhängigkeit der Polarisations-Rotation von Temperaturänderungen. Die Änderungen können eine Kontrastverminderung der Bilder der Domänenstruktur hervorrufen, sie können aber nicht den Ort der Grenzen zwischen den Bereichen unterschiedlicher Intensität beeinflussen. b) Lineare Abhängigkeit der gemessenen Parameter des Magnetfeldes, d. h. Grenzen zwischen den
Bereichen unterschiedlicher Intensität. c) Sehr kleine Empfindlichkeit bezüglich Polarisationsverzerrungen der im optischen Wellenleiter ein-und austretenden Wellen, sowie Änderungen der Stärke und der Wellenlänge der Lichtquelle und Änderun- gen der Transparenz des Sensors oder anderer optischer Elemente.
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Es sei noch bemerkt, dass in obigem Dokument die Richtung der Domänenwandbewegung parallel zur Fortpflanzungsrichtung des Lichtes (und der Magnetisierung) ist, während sie in unserem Vorschlag normal zum Licht ist.
Eine neue Methode zur Beseitigung dieser Nachteile besteht in der Verwendung von transparenten Ferromagneten mit einer starken uniaxialen magnetischen Anisotropie und Domänen mit grosser Ausdehnung, z. B. Orthoferrite. Die Einwirkung eines Magnetfeldes auf diese Knstalle führt zu einer Bewegung der Domänenwände, das heisst zu einer Änderung der Faraday-Rotation. Orthoferrite besitzen eine sehr grosse Mobilität der Domänenwände (Verhältnis der Domänenwandgeschwindigkeit zum treibenden Magnetfeld), das zu einer hohe Messempfindlichkeit führt.
Orthoferrite weisen die höchste Domänenwandgeschwindigkeit unter allen magnetischen Medien auf Deshalb sind die Domänenwandverschiebungen des Knstalls in einem weiten Frequenzbereich (Gleichfeld bis einige 10kHz) temperaturunabhängig (Bei höheren Frequenzen muss die Temperaturabhängigkeit der Domänenwandbewegungen berücksichtigt werden).
Fig. 1 zeigt schematisch den Messaufbau zur Stommessung mittels Kompensationsmethode. Flg. 2 zeigt eine typische Domänen Struktur in Orthoferriten.
Ein Yttrium-Orthoferrit-Plättchen, das senkrecht zu den optischen Achsen geschnitten ist, wird als Sensor (3) eingesetzt und von einem Laserlicht (1) durchdrungen. Mit Hilfe eines Objektivs (6) und eines Analysators (7) wird die Domänenstruktur in Form von dunklen und hellen Streifen sichtbar gemacht (siehe Fig. 2). Dieses vergrösserte Bild der Domänenstruktur wird In einem positionsempfindlichen Photoempfänger (8) fokussiert. Wenn im Draht (12) der zu messende Strom fliesst (Fig. 1), wirkt dessen Magnetfeld auf den Sensor und die Domänenwände bewegen sich in eine neue Ruhelage. Der positionsempfindliche Photoempfänger (PSP) misst die Position der Grenzen der dunklen und hellen Bereiche (Positionen des Domänenwandbildes). Die Resultate dieser Messung ergeben die Werte des gesuchten Magnetfeldes.
Um die Reproduzierbarkeit der Messung zu erhöhen und die Grenzen der Magnetfeldmessung zu erweitern, wird ein konstantes Gradientenmagnetfeld aus Mikromagneten (2,4) an die Probe angelegt.
Dieses Feld erzeugt im Sensor eine einzelne Domänenwand, die bestrebt ist, eine derartige Position einzunehmen, in der die Summe des Gradientenmagnetfeldes und des gesuchten Feldes null ergibt.
Wenn der Kontrast in der Domänenstruktur sehr hoch ist (etwa 1 : 1000), ist die Position der Domänenwand ablesbar bestimmt. Änderungen in der Faraday-Rotation oder in der Doppelbrechung führen zur Abnahme des Kontrasts, beeinflussen aber nicht die Messparameter : die Positionen der Domänenwand.
Daher erlaubt die Messung der Domänenwandkoordinaten (In Bewegungsrichtung), dass die Temperaturabhängigkeit der Messung des Sensors und die Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren in Verbindung mit Intensitätsmessungen unberücksichtigt bleiben können.
Die durch die Domänenwandverschiebungstrecken begrenzte Länge des Arbeitsbereiches des Sensors und des Photoempfängers beschränken den Bereich der Magnetfeldmessungen. In vielen Fällen stellt diese Beschränkung ein erhebliches Problem dar, und kann mittels Verwendung einer Kompensationsmethode gelöst werden. Der Nachteil einer konventionellen Magnetfeldkompensation ist die schlechte Dynamik, die durch die Induktivität der Spule hervorgerufen wird, da eine präzise Kompensation einen schwach integralen Regelkreis benötigt. Man kann anstatt einer Totalkompensation eine Teilkompensation verwenden, wenn sich eine Domänenwand innerhalb der gegebenen Grenzen bewegt und die Position der Domänenwand, hervorgerufen durch das verbleibende Magnetfeld, gemessen wird.
Bei der Verwendung der Kompensationsmethode bilden der elektronische Regelkreis (9), die Ausgangssignale des Photoempfängers zusammen mit dem Stromgenerator (10) und den Spulen (5) eine Rückkopplungsschleife. Wenn die x-Koordinate der Domänenwand in einem gegebenen Intervall nahe dem Zentrum des Photoempfängers liegt (nahe x = 0), ergeben der Spulenstrom zusammen mit der Domänenwandposition den Messwert des gesuchten Stromes. Dieses Intervall ist proportional zur Länge des Photoempfängers oder ist gleich der Breite einer ausgewählten Zone des Sensors. Wenn unter Einwirkung des Magnetfeldes des unbekannten Stromes der Absolutwert der x-Koordinate steigt, wird der Kompensationsstrom verändert.
Das Magnetfeld dieses Stromes verschiebt die Domänenwand zurück in Richtung x=0. Der Wert des Kompensationsstromes, bestimmt über den Widerstand (11), und die momentane Position der Domänenwand können gemessen werden.
Ein Teil der Kalibrierung des Instrumentes besteht in der Bestimmung des Verhältnisses zwischen den zu messenden und den Kompensationsströmen. Dies kann erreicht werden, indem man einen bekannten Strom durch den Draht (12) fliessen lässt und über den Widerstand (11) den Kompensationsstrom misst, der die Domänenwand an der Stelle x = 0 hält. Der zweite Teil der Kalibrierung besteht in der Messung der Abhängigkeit zwischen dem Wert des gesuchten Stromes und dem Signal des Photoempfängers.