CH659329A5

CH659329A5 - METHOD FOR MEASURING CURRENT ON AN ELECTRIC CONDUCTOR THROUGH THE FARADAY EFFECT.

Info

Publication number: CH659329A5
Application number: CH579782A
Authority: CH
Inventors: Rene Prof Dr Daendliker
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1981-10-17
Filing date: 1982-10-01
Publication date: 1987-01-15
Also published as: DE3141325A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Strommessung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a method for current measurement according to the preamble of claim 1.

Ein solches Verfahren ist bekannt aus einer Reihe von drei Artikeln mit dem gemeinsamen Titel «Magneto-optical Cur-40 rent Transformer» von A. Papp und H. Harms in Appi. Optics, 15. November 1980, Nr. 19, Seiten 3729 bis 3745. Darin wird ein Verfahren zur Strommessung mit einer sogenannten optischen Spule beschrieben. Das Labormuster des instrumenteilen Stromwandlers besitzt dieGüteklase 0.2, 45 bezogen auf die VDE Norm 0414. Dabei wird Licht einer Lichtquelle mit einer sehr engen Bandbreite über einen Line-arpolarisator und eine einkoppelnde Linse einem Lichtleiter zugeführt, welcher direkt mit der optischen Spule verbunden ist. Laser-Lichtquellen erfüllen die Bedingung der Band-50 breite besonders gut, und daher werden ein He-Ne-Laser oder eine Laserdiode, z.B. ein GaAl As-Laser verwendet. Ein wegführender Lichtleiter führt das Licht über einen Linearpola-risator zu einer Detektionsanordnung. Diese Anordnung besteht aus einer Linse, welche das Licht auskoppelt, einem 55 Wollaston-Prisma als Strahlteiler, zwei Photodetektoren und einer Signalverarbeitungseinrichtung. Die Anforderungen, die an die gesamte Anordnung gestellt werden müssen, sind hoch. Die Lichtleiter müssen über ihre ganze Länge so wenig wie möglich doppelbrechende Eigenschaften aufweisen, 60 damit die Faraday-Rotation überhaupt beobachtet wird. Um die störende Doppelbrechung in den optischen Fasern zu reduzieren, werden die Fasern mechanisch in einer Richtung entgegengesetzt der Richtung der Doppelbrechung gedreht und entsprechend fixiert. Das Messsystem ist grundsätzlich 65 nichtlinear, im Messbereich begrenzt und empfindlich auf Intensitätsänderungen. Such a method is known from a series of three articles with the common title "Magneto-optical Cur-40 rent Transformer" by A. Papp and H. Harms in Appi. Optics, November 15, 1980, No. 19, pages 3729 to 3745. This describes a method for current measurement with a so-called optical coil. The laboratory pattern of the instrumental current transformer has the quality class 0.2, 45 based on the VDE standard 0414. Here light from a light source with a very narrow bandwidth is fed via a line arpolarizer and a coupling lens to a light guide which is connected directly to the optical coil. Laser light sources meet the band-50 width requirement particularly well, and therefore a He-Ne laser or a laser diode, e.g. a GaAl As laser is used. A light guide leading away leads the light via a linear polarizer to a detection arrangement. This arrangement consists of a lens that couples the light, a 55 Wollaston prism as a beam splitter, two photodetectors and a signal processing device. The requirements that must be placed on the entire arrangement are high. The light guides must have as few birefringent properties as possible over their entire length, 60 so that the Faraday rotation is observed at all. In order to reduce the annoying birefringence in the optical fibers, the fibers are mechanically rotated in a direction opposite to the direction of the birefringence and fixed accordingly. The measuring system is fundamentally 65 non-linear, limited in the measuring range and sensitive to changes in intensity.

Ein ähnliches Verfahren wird beschrieben von S.C. Rash-leigh und R. Ulrich in Appi. Phys. Lett. 34 (11), 1. Juni 1979, A similar process is described by S.C. Rash-leigh and R. Ulrich in Appi. Phys. Lett. 34 (11), June 1, 1979,

3 3rd

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S. 768-770. Die dort verwendete Messanordnung besteht, in der folgenden Reihenfolge angeordnet, aus einem He-Ne-Laser, einem Linearpolarisator, einem lichteinkoppelnden Mikroskopobjektiv, einer zuführenden optischen Faser, welche mechanisch verbunden ist mit einer optischen Spule, welche ihrerseits wieder mit einer wegführenden optischen Faser verbunden ist, einem lichtauskoppelnden Mikroskopobjektiv, einem die Doppelbrechung der Fasern teilweise kompensierenden Soleil-Babinet-Kompensator, einem Wol-laston-Prisma, welches das Licht in zwei senkrecht zueinander stehende Linearpolarisationen aufspaltet, und zwei Photodetektoren, womit die Intensitäten, und indirekt die zu messende Faraday-Rotation bestimmt werden. In diesem Aufsatz werden verschiedene Probleme der Doppelbrechung auf mögliche Lösungen untersucht. Dazu wird unter anderem die Faser, aus welcher die optische Spule besteht, mechanisch gedreht und zwischen zwei Fixierpunkten festgeklemmt. Pp. 768-770. The measuring arrangement used there, arranged in the following order, consists of a He-Ne laser, a linear polarizer, a light-coupling microscope objective, a feeding optical fiber, which is mechanically connected to an optical coil, which in turn is connected to a leading optical fiber is a light coupling-out microscope objective, a Soleil-Babinet compensator partially compensating for the birefringence of the fibers, a Wol-laston prism that splits the light into two linear polarizations perpendicular to each other, and two photodetectors, with which the intensities, and indirectly the one to be measured Faraday rotation can be determined. In this Review, various birefringence problems are examined for possible solutions. For this purpose, the fiber from which the optical coil is made is mechanically rotated and clamped between two fixing points.

Da es sich hier um eine Absolutmessung handelt, ist es ebenfalls sehr wichtig, die systematischen Fehler so gut wie möglich zu kompensieren oder wenigstens quantitativ zu erfassen. Das System besitzt grundsätzlich die gleichen Nachteile wie die vorher beschriebene Anordnung. Since this is an absolute measurement, it is also very important to compensate for the systematic errors as much as possible or at least to record them quantitatively. The system basically has the same disadvantages as the arrangement described above.

Da die beschriebenen Anordnungen im wesentlichen gedacht sind für die Strommessung an Hochspannungsleitungen, liegt die optische Spule auf Hochspannungspotential. Die opto-elektronischen Elemente, d.h. die Laserlichtquellen und die Detektoren, und die Auswerteelektronik müssen dagegen auf Erdpotential liegen. Since the arrangements described are essentially intended for current measurement on high-voltage lines, the optical coil is at high-voltage potential. The opto-electronic elements, i.e. the laser light sources and the detectors, and the evaluation electronics, however, must be at ground potential.

Die Nachteile der beiden Anordnungen können wie folgt zusammengefasst werden : The disadvantages of the two arrangements can be summarized as follows:

- Die Bestimmung der Faraday-Rotation ist abhängig vom Verhältnis der beiden gemessenen Intensitäten. Die beiden opto-elektronischen Detektionskanäle müssen deshalb genau abgeglichen sein und bleiben. - The determination of the Faraday rotation depends on the ratio of the two measured intensities. The two opto-electronic detection channels must therefore be and remain precisely balanced.

- Die Bestimmung der Faraday-Rotation ist nur für relativ kleine Drehwinkel (<6°) linear und nur bis 90° eindeutig. Elektronische Korrektur der Nichtlinearität und zusätzliche Messung mit einem um 90° verschobenen Detektionssystem sind nötig. - The determination of the Faraday rotation is linear only for relatively small angles of rotation (<6 °) and only up to 90 °. Electronic correction of the non-linearity and additional measurement with a detection system shifted by 90 ° are necessary.

- Die Verwendung derselben optischen Faser für die Überbrückung der Spannungsdifferenz (Hochspannungs-Leitung) wie für die optische Spule zur Messung des Faraday-Effektes bringt das zusätzliche Problem, dass die Doppelbrechung in der Faser die Messung sehr empfindlich stört. Die Eigendoppelbrechung, eventuell kompensiert durch geeignete Torsion der Faser, beschränkt die maximale Länge der Faser und damit auch die Windungszahl der optischen Spule. Induzierte Doppelbrechung durch mechanische Spannungen muss durch äusserst sorgfältige Halterung und Verlegung der Faser vermieden werden. Diese Bedingungen sind für die Zuleitungen zur optischen Spule schwieriger zu erfüllen als für diese selbst. - The use of the same optical fiber for bridging the voltage difference (high-voltage line) as for the optical coil for measuring the Faraday effect brings the additional problem that the birefringence in the fiber disturbs the measurement very sensitive. The intrinsic birefringence, possibly compensated for by suitable torsion of the fiber, limits the maximum length of the fiber and thus also the number of turns of the optical coil. Induced birefringence due to mechanical stresses must be avoided by extremely careful mounting and laying of the fiber. These conditions are more difficult to meet for the leads to the optical coil than for them themselves.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, die bekannten Verfahren zur Strommessung an einem elektrischen Leiter durch den Faraday-Effekt derart zu verbessern, dass die obigen Nachteile nicht auftreten. The object of the invention is therefore to improve the known methods for measuring current on an electrical conductor by means of the Faraday effect in such a way that the above disadvantages do not occur.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäss gelöst durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1. In the method mentioned at the outset, this object is achieved according to the invention by the characterizing part of claim 1.

Einige wichtige Vorteile der Erfindung werden im folgenden aufgeführt: Some important advantages of the invention are listed below:

Anforderungen an die Polarisationseigenschaften (Doppelbrechung) der Lichtleiter für die Übertragungsstrecke. Requirements for the polarization properties (birefringence) of the light guides for the transmission path.

- Die Verwendung von zwei getrennt auf Hochspannung geführten optischen Frequenzen ermöglicht die Erzeugung s eines virtuell rotierenden Polarisations-Analysators durch rein passive optische Elemente auf Hochspannungspotential. - The use of two optical frequencies which are carried separately at high voltage enables the generation of a virtually rotating polarization analyzer by purely passive optical elements at high voltage potential.

Andere wichtige Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger anhand von Zeichnungen erläuteter Beispiele der Erfindung. Dabei zeigt: Other important advantages of the invention will become apparent from the following description of some examples of the invention explained with reference to drawings. It shows:

10 10th

Fig. 1 eine Anordnung zur Strommessung an einem elektrischen Leiter durch den Faraday-Effekt, 1 shows an arrangement for measuring current on an electrical conductor through the Faraday effect,

Fig. 2 eine Ausführungsform zur Verbesserung der Phasenmessung, und ls Fig. 3 eine Variante der Ausführungsform gemäss Fig. 2. FIG. 2 shows an embodiment for improving the phase measurement, and FIG. 3 shows a variant of the embodiment according to FIG. 2.

In Fig. 1 ist der elektrische Leiter 1 dargestellt, der von einer aus einem Lichtleiter bestehenden optischen Spule 2a umschlungen wird. Die Laser-Lichtquelle 3 zur Erzeugung 20 von Lichtwellen der Frequenz coi bzw. C02 besteht mit Vorteil aus einem He-Ne-Laser oder aus einer GaAlAs-Diode. In Fig. 1, the electrical conductor 1 is shown, which is wrapped by an optical coil 2a consisting of an optical fiber. The laser light source 3 for generating 20 light waves of the frequency coi or C02 advantageously consists of a He-Ne laser or a GaAlAs diode.

Das Licht der Laserlichtquelle 43 gelangt getrennt über die einkoppelnden Konvexlinsen 9 in die zuführenden mono-moden Lichtleiter 10a und 10b. Diese liegen nach der Hoch-2s spannungsbereichsgrenze 12 auf Hochspannungspotential. Der Frequenzunterschied Sì — coi-coz zwischen den Frequenzen der beiden Lichtwellen liegt etwa zwischen 1 kHz und 1 MHz. Das Licht mit der Frequenz coi wird aus dem monomoden Lichtleiter 10a über eine auskoppelnde IConvex-30 linse 9 einem Linearpolarisator 6 zugeführt. Das Licht mit der Frequenz an aus dem monomoden Lichtleiter 10b wird über eine andere auskoppelnde Konvexlinse 9 dem Linearpolarisator 5 zugeführt. Die Polarisationsrichtungen der beiden Polarisatoren 5 und 6 stehen senkrecht zueinander. In dem 3s Strahlteiler 4a werden die beiden Lichtwellen überlagert, und dann einerseits einem Zirkularpolarisator 7 zugeführt, und andererseits über einen unter 45° zu den Richtungen der Polarisatoren 5, 6 polarisierenden Linearpolarisator 8a und eine einkoppelnde Konvexlinse 9 dem multimoden Licht-40 leiter 10c zugeführt. Der Zirkularpolarisator 7 ist ein -^1 4-Plättchen, das die Lichtwellen mit den Frequenzen coi und 0)2 entsprechend ihren Polarisationsrichtungen in entgegengesetzt zirkular-polarisierte Wellen umwandelt. Hinter dem Zirkularpolarisator 7 und der optischen Spule 2a ent-45 steht also eine Lichtwelle, die die entgegengesetzt zirkulär polarisierten Komponenten so The light from the laser light source 43 passes separately via the coupling-in convex lenses 9 into the feeding monomode light guides 10a and 10b. After the high-2s voltage range limit 12, these are at high-voltage potential. The frequency difference Sì - coi-coz between the frequencies of the two light waves is approximately between 1 kHz and 1 MHz. The light with the frequency coi is fed from the monomode light guide 10a via a coupling-out IConvex lens 9 to a linear polarizer 6. The light with the frequency on from the monomode light guide 10b is fed to the linear polarizer 5 via another convex lens 9 which is coupled out. The directions of polarization of the two polarizers 5 and 6 are perpendicular to each other. In the 3s beam splitter 4a, the two light waves are superimposed and then on the one hand fed to a circular polarizer 7, and on the other hand fed to the multimode light conductor 10c via a linear polarizer 8a polarizing at 45 ° to the directions of the polarizers 5, 6 and a coupling-in convex lens 9 . The circular polarizer 7 is a - ^ 1 4-plate, which converts the light waves with the frequencies coi and 0) 2 according to their polarization directions in opposite circularly polarized waves. Behind the circular polarizer 7 and the optical coil 2a there is a light wave, which the opposite circularly polarized components

A+=a+exp{i((oit+(pi+ 9)}, und A- = a- exp ■( i (q>21 + (p2 - 9)} A + = a + exp {i ((oit + (pi + 9)}, and A- = a- exp ■ (i (q> 21 + (p2 - 9)}

umfasst. Dabei sind a+ und a - die (reellen) Amplituden der rechts- bzw. linkszirkular polarisierten Wellen. 5<p = <pi-(p ist 55 die relative Phase am Eingang der optischen Spule 2a, und 9 = V.N.j die Faraday-Rotation mit der Verdet-Konstanten V, der Windungszahl N der optischen Spule 2a, und dem elektrischen Strom j, der den Leiter 1 durchfliesst. Die relative Phase der beiden zirkulär polarisierten Wellen A+ und A-60 erscheint als Phase (Acp + 29) der Schwebungsfrequenzen Q in der Intensität I (t) des Lichtes hinter einem unter 45° mit den Polarisationsrichtungen der Polarisatoren 5, 6 polarisierenden Analysator 8b, nämlich includes. Here, a + and a - are the (real) amplitudes of the right and left circularly polarized waves. 5 <p = <pi- (p is 55 the relative phase at the input of the optical coil 2a, and 9 = VNj the Faraday rotation with the Verdet constant V, the number of turns N of the optical coil 2a, and the electric current j, which flows through the conductor 1. The relative phase of the two circularly polarized waves A + and A-60 appears as the phase (Acp + 29) of the beat frequencies Q in the intensity I (t) of the light behind one at 45 ° with the polarization directions of the polarizers 5 , 6 polarizing analyzer 8b, namely

- Die Phasenmessung bringt einen linearen und unbe- 65 schränkten Messbereich für die Faraday-Rotation. - The phase measurement brings a linear and unrestricted 65 measuring range for the Faraday rotation.

- Die Verwendung zweier getrennter Lichtleiter für die Übertragung der beiden optischen Frequenzen stellt keine - The use of two separate light guides for the transmission of the two optical frequencies does not constitute

I(t)=l/2|A++A|2=l /2(a2++a2-) + a + a- cos (<pt+A(p+29). I (t) = l / 2 | A ++ A | 2 = l / 2 (a2 ++ a2-) + a + a- cos (<pt + A (p + 29).

Der Analysator 8b ist zweckmässig zwischen zwei licht- The analyzer 8b is expediently between two light

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koppelnden Konvexlinsen angeordnet, wodurch die Lichtwelle dem wegführenden multimoden Lichtleiter lOd zugeführt wird, ohne dass eine mechanische Bindung dieses Lichtleiters lOd mit der optischen Spule 2a besteht. Die Lichtleiter 10c und lOd befinden sich nach der Hochspannungsbereichsgrenze 12 auf Erdpotential. Coupling convex lenses arranged, whereby the light wave is fed to the leading multimode light guide 10d without a mechanical connection of this light guide 10d with the optical coil 2a. The light guides 10c and 10d are located at ground potential after the high voltage range limit 12.

Die über den Lichtleiter 10c über den Photodetektor IIb zur Phasenvergleichsanordnung 13 geführte Lichtwelle ergibt als Referenzsignal The light wave led to the phase comparison arrangement 13 via the light guide 10c via the photodetector IIb results as a reference signal

Ir = ar cos (<pt + A<p). Ir = ar cos (<pt + A <p).

Die oben genannte Intensität I(t) erzeugt über den Photodetektor 1 la in der Phasenvergleichsanordnung 13 das Messsignal Im. Als Photodetektoren können z.B. Photodioden verwendet werden. Als Phasenmessanordnung kann im einfachsten Fall zum Beispiel das Phasenmeter 305 der Firma Dranetz, South Plainfield, N.J., USA verwendet werden: The above-mentioned intensity I (t) generates the measurement signal Im via the photodetector 1 la in the phase comparison arrangement 13. As photodetectors e.g. Photodiodes can be used. In the simplest case, the phase meter 305 from Dranetz, South Plainfield, N.J., USA can be used as the phase measurement arrangement:

Durch Vergleich der Phasen der beiden Signale, also der Phase am Eingang und am Ausgang der optischen Spule 2a, kann die Faraday-Rotation genau, unabhängig von den Amplituden a+ und a-, linar und über Winkelbereichen -180° bis +180° und 0° 360° gemessen werden. By comparing the phases of the two signals, i.e. the phase at the input and at the output of the optical coil 2a, the Faraday rotation can be carried out exactly, independently of the amplitudes a + and a-, linearly and over angular ranges -180 ° to + 180 ° and 0 ° 360 ° can be measured.

Die Übertragung der Intensitätssignale durch die Lichtleiter 10c und lOd stellt weder Anforderungen an die Polarisationseigenschaften noch an die Verlusteigenschaften (Amplitudenänderung) der Lichtleiter auf der Übertragungsstrecke. Das einzige auf Doppelbrechung und mechanische Spannung kritische Lichtleiterstück ist die optische Spule 2a. Bei gleicher Qualität des Lichtleiters kann die Windungszahl N der optischen Spule 2a, und damit die Messempfindlichkeit, erhöht werden. Weil eine reine optische Kopplung zwischen den Lichtleitern 10a, b, c, d und der optischen Spule 2a besteht, kann nämlich die maximal verwendbare Lichtleiterlänge ausschliesslich für die optische Spule 2a benützt werden. The transmission of the intensity signals through the light guides 10c and 10d places neither demands on the polarization properties nor on the loss properties (amplitude change) of the light guides on the transmission path. The only optical fiber piece critical to birefringence and mechanical stress is the optical coil 2a. With the same quality of the light guide, the number of turns N of the optical coil 2a, and thus the measurement sensitivity, can be increased. Because there is a pure optical coupling between the optical fibers 10a, b, c, d and the optical coil 2a, the maximum usable optical fiber length can be used exclusively for the optical coil 2a.

Wenn eine eindeutige Strommessung niit der vorstehend beschriebenen Anordnung auszuführen ist, ist es notwendig, die Phase der Faraday-Rotation absolut bestimmen zu können. Eine solche Messung der Phase kann nur vorgenommen werden mit einem Phasenmeter mit unbeschränktem Messbereich. Dabei wird im wesentlichen die Phase in einem Intervall von 180° sehr genau gemessen, und es tritt eine automatische Umschaltung des Messbereiches auf, wenn die Phase ausserhalb des ursprünglichen Messbereiches liegt. Die jeweilige Umschaltung wird positiv oder negativ gezählt, so dass die absolute Phase eindeutig bestimmt ist, wenn der Nullwert einmal vorgegeben ist. Ein solches Phasenmeter wurde von J. Mastner in der DE-OS 3 006 840 beschrieben. If a clear current measurement is to be carried out with the arrangement described above, it is necessary to be able to determine the phase of the Faraday rotation absolutely. Such a phase measurement can only be carried out with a phase meter with an unlimited measuring range. Essentially, the phase is measured very precisely in an interval of 180 °, and the measuring range is switched over automatically if the phase lies outside the original measuring range. The respective switchover is counted positively or negatively, so that the absolute phase is clearly determined once the zero value has been specified. Such a phase meter was described by J. Mastner in DE-OS 3 006 840.

Die Eingangssignale, welche diesem Phasenmeter zugeführt werden, müssen dauernd vorhanden sein, und ihre zeitlich veränderliche Phasenverschiebung muss genügend zuverlässig verfolgt werden könen, damit keine Messum-schaltungen verloren gehen. Bei der Strommessung durch den Faraday-Effekt sind diese Bedingungen möglicherweise nicht immer erfüllt, insbesondere dann nicht, wenn sehr hohe und schnelle Stromänderungen im elektrischen Leitungssystem auftreten (Kurzschlüsse). The input signals that are fed to this phase meter must be constantly available and their time-shifting phase shift must be able to be tracked with sufficient reliability so that no measurement switches are lost. When measuring the current using the Faraday effect, these conditions may not always be met, especially not if very high and rapid current changes occur in the electrical line system (short circuits).

Diese Probleme treten nicht auf, wenn ausser dem Referenzsignal Ir = ar cos fît am Eingang der optischen Spule, und dem Messsignal Im = am cos (fit + 29) am Ausgang der optischen Spule, mindestens ein zweites Messsignal I'm = a'm cos (Ci t + 2 9') zur Verfügung gestellt wird. Die Phase 29' dieses zweiten Messsignals l'm entspricht einer anderen Windungszahl N' der optischen Spule als die Phase 29 des ersten Messsignals Im. Dieses zweite Messsignal I'm kann erhalten werden durch Ableiten eines Signals bei einer anderen Windungszahl N' der optischen Spule 2c als die ursprüngliche Windungszahl N. Eine solche Möglichkeit ist dargestellt in Fig. 2. Hier wird von der optischen Spule 2c wie in Fig. 1 Licht ausgeleitet bei der Stelle I für die Windungszahl N s zusätzlich aber noch bei der Stelle II für die Windungszahl N'. Beide Wellen umfassen wiederum entgegengesetzt zirkulär polarisierte Kompqnenten. Analog Fig. 1 werden beide Wellen über koppelnde Konvexlinsen 9 und unter 45° zu den Polarisatoren 5,6 der Fig. 1 geneigte Linearpolarisatoren 8b, io 8b' zu den Lichtleitern lOdbzw. 10d' geführt. Lichtleiter lOd wird wie in Fig. 1 über einen (nicht gezeichneten) Photodetektor IIa, Lichtleiter 10d' wird wie in Fig. 1 über einen (nichtgezeichneten)Photodetektor IIa, Lichtleiter 10d' über einen weiteren (auch nicht gezeichneten) Photodetektor mit 15 der (wiederum nicht gezeichneten) Phasenvergleichsanordnung verbunden. These problems do not occur if, in addition to the reference signal Ir = ar cos fît at the input of the optical coil and the measurement signal Im = am cos (fit + 29) at the output of the optical coil, at least a second measurement signal I'm = a'm cos (Ci t + 2 9 ') is provided. The phase 29 'of this second measurement signal I'm corresponds to a different number of turns N' of the optical coil than the phase 29 of the first measurement signal Im. This second measurement signal I'm can be obtained by deriving a signal at a different number of turns N 'of the optical coil 2c as the original number of turns N. Such a possibility is shown in FIG. 2. Here, as in FIG. 1, the optical coil 2c emits light at point I for the number of turns N s, but additionally at point II for the number of turns N '. Both waves in turn comprise oppositely circularly polarized components. Analogously to FIG. 1, both waves are coupled via coupling convex lenses 9 and at 45 ° to the polarizers 5, 6 of FIG. 1 linear polarizers 8b, io 8b 'to the optical fibers 10d. 10d 'led. As in FIG. 1, light guide 10d is connected via a (not shown) photodetector IIa, light guide 10d 'as in FIG. 1 via a (not shown) photodetector IIa, light guide 10d' via another (also not shown) photo detector with 15 phase comparison arrangement, again not shown).

In Fig. 3 ist eine Variante der Ausführungsform nach Fig. 2 dargestellt. Hier wird das zweite Messignal I' durch eine zweite optische Spule 2b erhalten. Insbesondere ist die Ver-2o wendung einer grossen optischen Spule mit N Windungen und einer kleinen optischen Spule mit N' Windungen und einer kleinen optischen Spule mit N' Windungen, wobei N'<N ist, für die Bestimmung des 180°-Intervalles zweckmässig. Dazu ist nach dem ersten Strahlteiler 4a noch ein 25 zweiter 4b angeordnet. Der weitere Verlauf der Anordnungen ergibt sich unmittelbar durch ein Vergleich mit den Figuren 1 und 2. FIG. 3 shows a variant of the embodiment according to FIG. 2. Here the second measurement signal I 'is obtained by a second optical coil 2b. In particular, the use of a large optical coil with N turns and a small optical coil with N 'turns and a small optical coil with N' turns, where N '<N, is expedient for the determination of the 180 ° interval. For this purpose, a second 4b is arranged after the first beam splitter 4a. The further course of the arrangements results directly from a comparison with FIGS. 1 and 2.

Für die Faraday-Rotationen der beiden Signale Im und Im' gilt dann The following then applies to the Faraday rotations of the two signals Im and Im '

30 30th

9= VN j, 9' = VN'j, 9 = VN j, 9 '= VN'j,

wobei V die verdetsche Konstante der optischen Faser und j der elektrische Strom ist. Die Windungszahl N' wird so 35 gewählt, dass die Phase 29' beim maximalen Strom jmax den Wert 90° nicht überschreitet. Damit kann jederzeit eindeutig festgestellt werden, in welchem 180°-Intervall sich das Phasenmeter befindet, weil die Phase 29' dem jeweiligen 180°Intervall eindeutig entspricht. Diese Phase wird mit 40 einem Hilfs-Phasenmeter festgestellt. where V is the optical fiber constant and j is the electric current. The number of turns N 'is chosen to be 35 so that the phase 29' at the maximum current jmax does not exceed 90 °. In this way, it can be clearly determined at any time in which 180 ° interval the phase meter is located, because phase 29 'clearly corresponds to the respective 180 ° interval. This phase is determined using an auxiliary phase meter.

Die Bedindungen für die eindeutige Messbarkeit der Phase lauten demnach: The conditions for the clear measurability of the phase are therefore:

29'max = 2VN'jmax<90°(l) 29'max = 2VN'jmax <90 ° (l)

45 45

8y<90° • 9'max/9max< 90° • N'/N (2) 8y <90 ° • 9'max / 9max <90 ° • N '/ N (2)

wobei Sy die Genauigkeit für die Messung der Phase 29' bedeutet. where Sy means the accuracy for the measurement of phase 29 '.

so Die zweite Bedingung besagt, dass die Genauigkeit 8y mindestens ausreichen muss, um das entsprechende 180°-Inter-vall zu bestimmen. Z.B. für ôy = 1° des Hilfs-Phasenmeters ist bereits ein gesamter Phasenmessbereich von 29max = ± (45 x 180°) = ± 8000° abgedeckt. Die totale für die Strommes-55 sung massgebende Genauigkeit der Phasenmessung ist gegeben durch ôy = 289 des Haupt-Phasenmeters. so The second condition states that the accuracy 8y must at least be sufficient to determine the corresponding 180 ° interval. E.g. For ôy = 1 ° of the auxiliary phase meter, an entire phase measuring range of 29max = ± (45 x 180 °) = ± 8000 ° is already covered. The total accuracy of the phase measurement, which is decisive for the current measurement, is given by ôy = 289 of the main phase meter.

Als Alternative kann auch die Differenz der Windungszahlen N und N' so gewählt werden, dass die Differenz (29 -29') beim maximalen Strom jmax den Wert 90° nicht über-60 schreitet. Diese Differenz wird dann mit dem Hilfs-Phasenmeter gemessen. As an alternative, the difference between the number of turns N and N 'can also be chosen such that the difference (29-29') at the maximum current jmax does not exceed 90 °. This difference is then measured with the auxiliary phase meter.

Durch die parallele Verwendung von zwei Haupt-Phasen-metern für die geraden, resp. ungeraden 180°-Intervalle (keine Inversion, resp. Inversion) können zusätzlich noch die 65 Umschaltzeiten und Einschwingzeiten reduziert werden, um die Ansprechzeit der gesamten Phasenmessung möglichst klein zu machen. Through the parallel use of two main phase meters for the straight, resp. odd 180 ° intervals (no inversion or inversion), the 65 switching times and settling times can also be reduced in order to minimize the response time of the entire phase measurement.

Die Vorteile der Erfindung sind mannigfach. Als sehr The advantages of the invention are manifold. As very

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wichtiger Vorteil muss betrachtet werden, dass die zu- und wegführenden Lichtleiter Störungen wie Doppelbrechung und Schwächung der Lichtamplitude aufweisen mögen, ohne dass die Empfindlichkeit der Strommessung beeinflusst wird. Der Bereich, wo die ganze Anordnung am empfindlichsten ist, beschränkt sich nunmehr auf die eigentliche Messvorrichtung, nämlich die optische Spule. Gerade bei der optischen Spule sind die Probleme der Doppelbrechung am besten zu beheben (mechanische Torsion). Ein anderer wichtiger Vorteil der Erfindung ist, dass die Anordnung im Vergleich zum konventionellen Stromwandler viel kostengünstiger und raumsparender hergestellt werden kann, und trotzdem eine sehr grosse Empfindlichkeit und somit eine s sehr genaue Strommessung aufweist. Ein anderer nicht zu vernachlässigender Vorteil ist, dass auch bei plötzlichen Stromänderungen wie Kurzschlüsse die genaue Erfassung des Stromwertes nicht behindert wird. important advantage must be considered that the incoming and outgoing light guides may have disturbances such as birefringence and weakening of the light amplitude, without affecting the sensitivity of the current measurement. The area where the entire arrangement is most sensitive is now limited to the actual measuring device, namely the optical coil. The problems of birefringence can be solved best with the optical coil (mechanical torsion). Another important advantage of the invention is that the arrangement can be manufactured much more cost-effectively and in a space-saving manner compared to the conventional current transformer, and nevertheless has a very high sensitivity and thus a very precise current measurement. Another not to be neglected advantage is that even with sudden changes in current such as short circuits, the exact detection of the current value is not hindered.

B B

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

659329 PATENT CLAIMS

1. Method for measuring the current (j) in an electrical conductor (1) using the Faraday effect

- an optical coil (2a, b, c) surrounding the conductor (1), which consists of an optical fiber,

- A laser light source (3), the light of which reaches the optical coil (2a, b, c) via a feeding light guide (10a, b), and

- A receiving arrangement (13, 11 a, 11 b) remote from the coil (2a, b, c), which is connected to the coil (2a, b, c) via a light guide (1 Oc, 1 Od) leading away,

the rotation of the plane of polarization of the light conducted through the coil (2a, b, c) represents a measure of the current (j) flowing through the electrical conductor (1),

characterized in that

- Via a first feeding light guide (10a) and a second feeding light guide (10b), two waves of a first frequency (cùi) and a second frequency (002) separated from the laser light source (3) at ground potential to one at measurement potential Beam splitter arrangement (4a) are guided,

- that the two waves are linearly polarized perpendicular to each other before entering the beam splitter arrangement (4a),

- That after exiting the beam splitter arrangement (4a)

- The one emerging wave with respect to one frequency (coi) right and left with respect to the other frequency (002) are circularly polarized, and

- The other emerging wave is linearly polarized in a direction inclined by 45 ° to the directions of entry, and

- That the wave comprising the circularly polarized components is then passed through the optical coil (2a), and

- that it is then linearly polarized, and

- That it is then fed via a first optical fiber (1 Od) leading to a phase comparison arrangement (13) lying at earth potential, and

- That the other the beam splitter arrangement (4a) leaving the shaft via a second optical fiber (10c) is fed directly to the phase comparison arrangement (13), and

- That the phase difference arrangement (13) measures the phase difference (29) of the intensities of the two waves supplied as a measure of the value of the current to be measured (j).

2. The method according to claim 1, characterized in that the beat frequency (£ 2) is chosen as the difference between the two wave frequencies (coi-02) between 1 kHz and 1 MHz.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a second wave is derived from the optical coil (2a) such that the phase difference (29 ') between the two oppositely circularly polarized components of a different number of turns (N') of the coil (2a) corresponds to the phase difference (29) of the circularly polarized components of the first wave, the other number of turns (N ') being very much smaller than the first number of turns (N) and the phase difference (29') of the second wave at the maximum occurring Measuring current (jmax) does not exceed 90 °.

4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a second wave is derived from the optical coil (2a) such that the phase difference (29 ') between the two oppositely circularly polarized components of a different number of turns (N') of the coil (2a) corresponds to the phase difference (29) of the circularly polarized components of the first wave, the decisive number of turns (N, N ') being selected such that the difference (2 (9-9')) of the two phase differences (29, 29 ') does not exceed 90 ° at the maximum measuring current (jmax).

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5. The method according to claim 3, characterized in that the second shaft is derived by means of a second optical coil (2b) comprising the electrical conductor (1) next to the first (2a).

6. The method according to claim 3 or 4, characterized in that in the phase comparison arrangement (13) the phase difference (29 ') determined by the circularly polarized components contained in the second wave is used to determine the 180 ° interval, in which the phase difference ls (29) caused by the current to be measured (29) lies, and the phase difference (29) determined by the circularly polarized components in the first wave for measuring the value of the current (j).

7. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that convex lenses (9) on the corre-

20 corresponding inputs and outputs of the light guides (10a, 10b, 10c, 10d) couple the light in and out.

8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the laser light source (3) is a He-Ne laser.

25th

9. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the laser light source (3) is a GaAl As laser diode.

10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the supplying light guides 30 (10a, 10b) are monomode and the outgoing light guides (10c, 10d) are monomode or multimode light guides.