CN111492252B - 用于测量在电能传输导体中的电场和/或磁场的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量磁场(B)和/或电场(E)的测量装置(1)，包括：‑测量单元(3)，其包含对塞曼效应和/或斯塔克效应敏感的气体，偏振光源(7)，其波长被调整到对塞曼效应和/或斯塔克效应敏感的气体吸收线，‑至少一个偏振测量系统(11)，其被配置为测量与由于所述光束(9)穿过包含对塞曼效应和/或斯塔克效应敏感的气体的测量单元(3)而导致的偏振角的转动相对应的第一参数，‑吸收测量系统(13)，其配置为测量与由所述测量单元(3)中对塞曼效应和/或斯塔克效应敏感的气体吸收的光束(9)的吸收率相对应的第二参数，以及‑处理单元(15)，其配置为将与偏振角的转动相对应的第一参数的测量值和吸收测量值相结合，以从中提取分别与待测量的电场(E)和/或磁场(B)相对应的第三和/或第四参数。
Description
本发明的领域涉及在高压交流电(HVAC)和高压直流电(HVDC)的输配电网中的电力传输，并且更具体地，涉及用于这样的网络的电能传输电缆以及相关联的装置，该装置使得可以测量电场和/或磁场、甚至是电流和/或电压。
当前可再生能源的发展正在对电力网络造成新的限制，这是因为生产电力的不同场所通常彼此相距很远，并且与消耗区域相距很远。因此，似乎有必要开发新的输电网络，该网络能够在将能量损失降至最低的情况下在非常长的距离内传输电力。
为了满足这些约束，由于其线路损耗比交流电网低而且没有电网的长距离寄生电容的发生，高压直流(HVDC)网络(例如50kV)似乎是一个有前途的解决方案。
为了控制电能传输网络，在电力线或变电站的适当位置测量电压和/或电流。
为此，已知例如感应变压器，该感应变压器由围绕电能传输电缆/电导体的绕组组成，并根据电磁感应原理工作。
但是，这样的已知装置不允许对直流电能传输电缆进行测量。
已知装置的另一个缺陷与围绕电能传输电缆/电导体的绕组的重量有关，特别是当电能传输电缆/电导体布置在高处时。实际上，在这种情况下，绕组的重量会在测量装置的支架上引起很大的机械应力。
最近，已经开发了其他测量方法来克服上述缺陷。
EP 0453693涉及一种具有普克尔斯效应的电场传感器。该传感器具有旨在与偏振单色光束交叉的晶体，以确定电场的值及其方向。
普克尔斯效应是在由静态或可变电场产生的环境中出现双折射。出现的双折射与可以测量的电场成正比。
EP0453693的传感器特别包括例如旨在生成单色光束的光源、探针晶体和光电二极管类型的光电检测器。光源通过单模光纤连接到探针晶体，探针晶体通过保持偏振的光纤连接到检测器。
所使用的探针晶体在受到电场作用时具有特定的双折射晶体结构，从而通过测量已经穿过探针晶体的光束的偏振的两个分量之间的相位差，可以测量电场。
然而，所使用的探针晶体对温度变化敏感，这使得其很难在受气候变化影响的能量传输网络中使用。此外，还必须使用温度传感器和补偿单元来校正温度变化对测量的影响。
可以用来测量例如电流的另一种效应是法拉第效应。法拉第效应是材料中光与磁场之间相互作用的结果。实际上，光的偏振实现与光的传播方向上的磁场分量成比例的转动。磁场的这一分量与能量传输电缆/电导体中的电流成比例，因此可以通过测量偏振的转动来测量电流。
在EP0108012中描述了这种测量装置的示例。
在该文献中描述的装置具有缠绕在电导体上的光纤，并且使由诸如激光二极管之类的光源生成的单色光束穿过该光纤。另一方面，这里描述的装置提出了一种用于分析光纤的输出处的光偏振的装置。该分析装置包括偏振分离器立方体、分别检测线性和正交偏振光束的强度的两个光电二极管，以及用于计算表示在电能传输电缆/电导体中待测量的强度的比值的模拟单元。
同样在这种情况下，法拉第效应也依赖于温度，这需要随后校正测量结果。
CN206057424还利用了另一个效应：霍尔效应。该文献公开了一种电流测量装置，该电流测量装置包括霍尔效应检测器和温度检测单元，以便根据霍尔效应检测器的温度对所进行的测量进行校正。这里描述的装置还包括用于处理和校正由霍尔效应检测器测得的电压数据的微处理器。该文献规定，流过电能传输电缆/电导体的电流产生成比例的磁场，使得可以检测流过电能传输电缆/电导体的电流的强度和电压。
本发明的目的是提供一种用于测量电场或磁场的装置，该装置可以克服温度变化并且可以足够坚固以安装在遭受明显气候变化的地方。
为此，本发明涉及一种用于测量磁场和/或电场的装置，该装置包括：
-测量单元，其包含对塞曼效应和/或斯塔克效应敏感的气体、特别是碱性气体，并且旨在被布置在磁场和/或电场中，
-偏振光源，其波长被调整到对塞曼效应和/或斯塔克效应敏感的气体吸收线，并发出穿过所述测量单元的光束，
-至少一个偏振测量系统，其被配置为测量与由于光束穿过包含对塞曼效应和/或斯塔克效应敏感的气体的测量单元而导致的偏振角的转动相对应的第一参数，
-吸收测量系统，其配置为测量与由测量单元中对塞曼效应和/或斯塔克效应敏感的气体吸收的光束的吸收率相对应的第二参数，以及
-处理单元，其配置为将与偏振角的转动相对应的第一参数的测量值与吸收测量值相结合，以从中提取分别与待测量的电场和/或磁场相对应的第三和/或第四参数。
本发明可以进一步包括被单独或组合考虑的以下一个或更多个方面：
根据一个方面，碱性气体是例如铷、锂、钠、钾、铯或钫。
装置可以包括测量头，所述测量头包括将来自偏振光源的光束分成至少两个部分光束的分光器(分光板或分光立方体)和用于限定彼此垂直的两个测量分支的反射器，测量单元布置在两个部分光束的相交处的测量头中。
测量头通过光纤例如连接到偏振光源、偏振测量系统和吸收测量系统。
根据另一方面，穿过测量单元的光束的路径具有与待测量的磁场或电场共线的至少一个分量，或者与待测量的磁场或电场共线。
测量单元可以是立方体或圆柱体，所述立方体的第一侧的长度为0.1mm至20mm且第二侧的长度为0.1mm至25mm，所述圆柱体的高度为0.1mm至20mm且直径为0.1mm至25mm。
偏振测量系统尤其是布置在测量单元的下游并且包括偏振分光器和两个相关的光电检测器的平衡偏振系统。
吸收测量系统包括例如分别设置在测量单元的上游和下游的第一和第二分光板以及与分光板中的每个相关联并配置为检测测量单元的上游和下游的光束的光强度的两个光电检测器。
光源特别是激光器，尤其别是激光二极管。
可以设置用于同时测量至少一个电场和至少一个磁场的单个激光光源。
本发明还涉及一种用于测量中压或高压电导体处的电流和/或电压的单元，包括如上限定的至少一个测量装置，并且其中处理单元还被配置为根据电导体与测量单元之间的距离来确定相对于地的电压和/或在导体中流过的电流。
本发明还涉及一种金属壳体中的站，该站包括包围中压或高压电导体的金属壳体，其中该站包括如上限定的测量装置，该测量装置的测量单元布置在站内，特别地固定到金属壳体的内部。
参考附图，本发明的其他特征和优点将从下面的以示例且非限制性的方式给出的描述中得到，在这些附图中：
-图1示出了与光的偏振有关的示意图，
-图2示出了模拟碱性原子的能级的两个简化的图，所述图对于a)部分不存在任何电磁场和对于b)部分存在平行于该光束传播方向的磁场或电场，
-图3示出了根据第一实施例的测量装置的简化图，
-图4A是在电流导体周围形成的电场和磁场的说明图，
-图4B是示出在电流导体周围布置的两个测量装置的简化图，用于在距导体预定距离处同时测量磁场和电场，
-图5是图4B的实施例的简化和优化的变型，
-图6是用于测量多个电导体附近的电场和/或磁场的测量装置的实施例，
-图7是第二实施例的简化图，具有通过光纤彼此连接的一方面的测量头与另一方面的测量基座，
-图8是具有金属壳体的站的简化图，该站包括根据第三实施例的测量装置，以及
-图9和10是图8的测量头的实施例的横截面的简化图。
在所有附图中，具有相同功能的元件具有相同的附图标记。
以下实施例是示例。尽管描述参考一个或更多个实施例，但这并不一定意味着每个参考都涉及同一实施例，或者这些特征仅适用于单个实施例。不同实施例的简单特征也可以组合或互换以提供其他实施例。
“上游”或“下游”指的是元件在光传播的方向上所处的位置。因此，如果光束首先穿过第一设备然后穿过第二设备，则第一设备或元件位于第二设备或元件的上游。
在本公开中，某些附图标记可以由表示待测量的场的性质的字母来补充。例如，光电检测器19在涉及电场的测量时可以变成光电检测器19E，而在涉及磁场的情况下可以变成光电检测器19B。当测量头33涉及电场的测量时可以变成测量头33E，而在涉及磁场的情况下可以变成33B，或者如果同时涉及测量磁场B和电场E可以变成33EB。
本发明涉及任何中压或高压设备、交流电或直流电，特别是电能传输电缆/电导体，或例如具有空气绝缘的站或在金属壳体中的站。
本发明在用于电能(即电流)传输的高压直流(HVDC)网络中特别有益的应用。
图1示出了与光的偏振有关的示意图。光波是一种电磁波，其电场
和磁场
与该波的传播方向为
形成一个直接三面体。如果面对波观察，则该电场会在该波的传播过程中演变，同时描述特定形状。因此，在该波的传播过程中，波的偏振(电场方向)可分为3类：线偏振、圆偏振和椭圆偏振态。
塞曼效应(对于磁场B)和斯塔克效应(对于电场E)是对原子的电子能级(碱金属等)发生的效应。当可以与这些能级相互作用时，可以看到这些效应。与这些能级相互作用的方法利用所讨论原子的电子自旋与来自谐振光辐射(例如激光)的光子以及与要询问的能级的相互作用。
然后，通过使用与所涉及的能级相互作用的线偏振态光波，可以观察到塞曼效应或斯塔克效应。该观察通过控制光波的线偏振的转动实现。
例如，在由具有单价电子的原子(例如碱性原子)形成的气体中，可以特别好地观察到这些效应。由于单价电子具有易于控制的不匹配的自旋，因此碱金属在许多应用中得到了广泛使用。因此，可以通过价带上单个电子的能量来近似原子的能量。
然而，当涉及气态介质时，这两种斯塔克和塞曼效应取决于被光穿过的介质的密度，因此也取决于温度。
图2中的a)部分示出了对于没有任何电磁场的碱性原子的模拟了能级的简化图。
因此，这是一个简化的三能级能源系统(基本子能级mF＝0不会干预我们将描述的原子-激光相互作用过程)。
该系统具有一个基本能级，该基本能级由动量为mF＝-1、mF＝0和mF＝+1的三个基本子能级组成。该系统还具有无动量为mE＝0的子能级的激励能级。
当具有给定传播方向的线偏振光波传播时，可以将该线偏振分解为方向相反的两个圆偏振σ+和σ-之和。
因此，光波将与动量为mF＝-1和mF＝+1的两个基本子能级相互作用，以使电子处于动量为mE＝0的激励能级上。这由涉及角动量的守恒的选择规则以及波σ+交换动量+1的光子和波σ-交换动量-1的光子的事实来解释。
关于b)部分的图2示出了对于在平行于光束的传播方向
的磁场
或电场
的存在下的碱性原子模拟了能级的简化图。
与光波
的传播方向共线的电场
或磁场
的应用导致动量为mF＝-1和mF＝+1的基本子能级的能量位移(一个方向为正，另一个方向为负，在相反方向的场中反之亦然)。
在电场的情况下，此效应称为“斯塔克效应”，该能量偏移
的值为：
其中，
为与碱性原子的偶极矩。
在磁场
的情况下，这种效应称为塞曼效应，那么能量偏移
的值为：
其中，
为玻尔磁子。
如在图2b)上所见，在动量为mF＝-1和mF＝+1的两个基本子能级之间施加电场的情况下，存在能量差
和在施加磁场的情况下，存在能量差
因此，这在分量σ+和分量σ-与所考虑的碱性原子的电子的相互作用之间产生差异。
在数学上重建了光波的偏振之后，穿过长度为
的碱性原子介质的光波的线偏振具有转动角度θ为：
其中
-
为在电场存在下的光物质相互作用的参数，
-E为沿着光波
的传播轴线的电场分量，
-
为在磁场存在下的光物质相互作用参数，
-B为沿着光波的传播
轴的磁场分量，
-nal为碱性的体积密度，其是基于温度的参数。
因此可以理解，当体积密度已知或固定时，通过旋光法检测光波的偏振转动使得可以测量电场和/或磁场。
测量单元中存在的碱性气体密度取决于温度(饱和蒸汽压)。为了克服该问题，提出了利用碱性气体吸收光束的现象。实际上，测量单元的输出处的光束的功率PT与输入功率P0的关系由下式给出：
其中，ψAbs是由吸收引起的光物质相互作用的已知参数。然后：
通过在此公式中分离nal：
并且通过在公式(3)和(4)中使用公式(7)，因此可以克服温度的影响。
图3示出了根据第一实施例的测量装置1的简化图的示例，该测量装置同时将偏振测量法和吸收测量法结合，以便如果光束的传播与磁场或电场共线，视情况测量磁场或测量电场。
用于测量磁场和/或电场的测量装置1包括
-测量单元3，其包含对塞曼效应和/或斯塔克效应敏感的气体、特别是碱性气体，并且旨在被布置在箭头5所示的磁场和/或电场中，
-偏振光源7，其波长被调整到对测量单元3中包含的对塞曼效应和/或斯塔克效应敏感的气体的吸收线，并发出穿过所述测量单元3的光束9，
-偏振测量系统11，其配置为测量与由于光束穿过测量单元3中对塞曼效应和/或对斯塔克效应敏感的气体而导致的偏振角的转动相对应的第一参数，
-吸收测量系统13，其配置为测量与由在测量单元3中对塞曼效应和/或斯塔克效应敏感的气体吸收的光束9相对应的第二参数，以及
-处理单元15，其配置为将与偏振角的转动相对应的第一参数的测量值与吸收测量值相结合，以从中提取分别与电场E和/或磁场B相对应的第三和/或第四参数。
因此，包含在测量单元3中的对塞曼效应和/或斯塔克效应敏感的气体、特别是碱性气体，例如由铷、锂、钠、钾、铯或钫原子组成。
测量单元3尤其对于所使用的光源7的波长是透明的。仅光束9的通过面是透明的即可。其他表面可以是不透明的，这对于消除环境光的可能干扰是有利的。
测量单元3例如是立方体/平行六面体或圆柱体，其立方体/平行六面体的第一侧的长度为0.1mm至20mm和第二侧的长度为0.1mm至25mm，其圆柱体的高度为0.1mm至20mm和直径为0.1mm至25mm。因此，所述测量单元具有足够小的尺寸，以能够被安装在电能传输设施中的任何合适的地方，或者甚至如下文将详细描述的那样，将其集成到该设施的设备中。此外，小单元使得可以在影响灵敏度的同时在测量范围内工作。
光源7例如是激光器，特别是激光二极管。根据所选择的碱的吸收跃迁来选择激光器的波长。
下表列出了给定的碱和给定的跃迁的波长示例。
偏振测量系统11尤其可以是布置在测量单元3下游的平衡偏振测量系统(特别参见图3、5和6)。这种偏振测量系统11尤其包括偏振分光器17以及两个相关的光电检测器19和21。
偏振分光器17(英语为“polarizing beam splitter”-图中的PBS)将偏振分量s和p分开，以分别将它们发送到例如为光电二极管的光电检测器19和21(英语为“photodetector”-图中的PD)。例如，偏振分量s以90°在光电检测器19的方向上反射，而分量p穿过偏振分光器17以被光电检测器21检测。
因此，考虑到光电检测器19和21的测量信号，可以测量在测量单元3的输出处的光束的偏振角，并且可以通过知道在在光源7的输出处的起始线偏振来确定偏振角的变化，其使得可以确定待测量的电场和/或磁场的值。
为了简化说明而非限制性的，假设测量单元中的输入偏振相对于偏振分光器17的分量s或p成45°的情况。
然后，沿着激光器的传播轴线，得到对于电场
和磁场
的输出信号，分别是对于电场的分量E和对于磁场的分量B，其由以下公式给出：
其中
-E＝与光束9的传播方向共线的电场E的分量，
-B＝与光束9的传播方向共线的磁场B的分量，
-αAtt为光束的已知或预定衰减系数
-P1为由光电检测器19测量的光强度
-P2为由光电检测器21测量的光强度
-P0为由光电检测器25测量的光强度
当然，在该情况下假设
也就是说，光束被定向为仅对两个电场或磁场之一敏感。
为了能够相对于偏振分光器17调节光束9的线偏振，在测量单元3的上游布置半波片22(在图中也标为λ/2)。
吸收测量系统13将用于克服温度依赖性。该吸收测量系统包括上游部分13A和下游部分13B。更详细地，上游部分13A包括布置在测量单元3上游的第一分光板23(英语为“beamsplitter”-图中的BS)，以及被配置为用于检测在测量单元3的上游的光束9的光强度的光电检测器25。下游部分13B包括布置在测量单元3下游但位于偏振测量系统11上游的第二分光板27，以及被配置为用于检测在测量单元3的下游的光束9的光强度的光电检测器29。分光板23和27可以由分光立方体代替。
然后可以使用如上定义的吸收信号来校正该温度相关信号。公式(10)的电场或公式(11)的磁场的输出信号将变为：
因此获得与温度无关的信号，从而使得可以测量电场或磁场。为了回到待测量的场E或B的绝对值，例如可以借助于校准来确定测量信号S与场E或B的值之间的对应关系。
然后为了返回在电导体中流动的电流或相对于地的电压，必须考虑测量单元3相对于电导体的距离。
由于碱性原子被限制在测量单元中，因此吸收速率最终仅取决于温度。因此，在光电检测器29上使用PT信号还使得能够局部测量温度。实际上，碱密度nal取决于开尔文的温度T，其关系如下：
其中a和b为针对每种碱的参数。
通过考虑信号
的数学计算，因此可以测量局部温度和同时测量电场或磁场。
在图3中，光源7直接给光电组件供电，该光电组件也可以称为测量头33。
根据一种变型，光源7(即例如激光器)例如远离测量头33，所述光源与测量头通过光纤彼此连接。
图4A是在电流导体31周围形成的电场
和磁场
的说明图。
磁场
围绕导体31呈圆形，而电场
指向垂直于磁场
的径向方向。
图4B是以横截面的形式示出同一电导体31以及在电流导体31周围形成的电场
和磁场
的简化图。另外，示意性地示出了在电流导体31周围布置的两个测量装置1的两个电(E)测量头33E和磁(b)测量头33B，用于同时测量距电导体31预定距离R的磁场和电场。在该实施例中，光源7E和7B通过光纤41(也就是说在光源7E和测量头33E之间的41E和在光源7B和测量头33B之间的41B)连接到相应的测量头33E、33B。
从图4B中示意性示出的测量头33E和33B的纵向取向可以看出，测量头33E的光束的一部分穿过与电场
共线的测量单元3，并且测量头33B的光束的一部分穿过与磁场
共线的测量单元3。
在这种配置中，流过电导体31的电流I由以下关系式给出：
其中μ0是真空的磁导率。
类似地，获得电导体31相对于地的电压。
测得的电场E0与施加到电流导体31的电压V0之间的关系由以下关系式给出：
当然，通过对其中流过已知电流的电导体31进行校准，可以校准测量装置1并使测量信号与待测量的参数(电场或磁场)相关联。
图5是图4B的实施方式的简化和优化的变型，其将测量头33E和33B组合成单个测量头33EB。在这种情况下，测量头33EB包括将来自偏振光源7的光束9分成两个部分光束9E和9B的分光板35，限定彼此垂直的两个测量分支的反射器，测量单元3布置在两个部分光束9E和9B的相交处的测量头中。
因此，在该组件中，在具有偏振测量系统11E的图3所示的组件中增加了分光板35以及两个反射器37和39，以用于通过穿过与光束9E垂直的光束9B来在测量单元3中导向光束9B。在测量单元3的输出处，光束9B被导向偏振测量系统11B。
如图5所示，偏振光束9可以直接地或通过光纤41被引导到测量头33EB。
图6是用于测量多个电导体31附近的电场和/或磁场的测量装置1的实施例。在这种情况下，测量头33(在此为33E或B以及33EB)可以由单个激光器7的偏振光束9供电。在该示例中，测量头33E或B与图3的测量头相同，其中光束的取向与电场共线，并且另一个测量头33EB与图5的测量头相同，用于同时测量电导体31的电场和磁场。
图7是第二实施例的简化图，其中对于测量头部33EB，测量单元3的光学功能/布置和测量功能通过光电元件分开，所述光电元件尤其包括光电检测器。
因此，测量头33分为探头42和测量基座43。
探头42在其中心包括测量单元3。它还连接至与光源7连接的输入光纤41I，以及用于将已经穿过测量单元3与电场E共线的部分光束9E引导向测量基座43的对应输入的输出光纤41E、用于将已经穿过测量单元3与磁场B共线的部分光束9B引导向测量基座43的对应输入的输出光纤41B，和用于引导已经穿过测量单元3以被引导向光电检测器25以用于吸收测量的部分光束9E的输出光纤41T。
输入光纤41I是保偏光纤。输出光纤41E、41B、41T是非保偏光纤(但是也可以使用具有保偏光纤，但不是必须的)。因此，在探头42中，除了测量单元41之外还仅存在反射器37、布置在测量单元3上游的分光板35、例如以板或立方体形式在部分光束9E和9B中布置在测量单元3的下游的两个偏振器44，以及在本示例中特别地在部分光束9E中布置在测量单元3的下游和在偏振板44中的一个的上游的分光板46。出于数学原因，偏振器44的轴线相对于单元3的输入偏振被设置为45°。
在测量基座43中安装有光源7、两个偏振测量系统11E和11B以及吸收测量系统13。这种配置使得可以更加远离电导体31(例如几米或几十米，或甚至更远)特别地放置光电检测器19E、19B、25、29。因此，光电检测器19E、19B、25、29可以被放置成远离电导体31，以便更好地克服可能由测量传感器上的电导体31的电场和磁场产生的潜在电磁干扰。
根据一个变型，测量基座43安装并集成在用作法拉第笼的金属壳体中。
图8是具有金属壳体的站51的简化局部视图，该站包围中压或高压电导体并且包括具有测量基座43的测量装置1，该测量基座与图7中的测量基座非常相似，不同之处在于由分光板35分离成两个部分光束9E和9B发生在测量基座43中，使得四根光纤41连接到探头42。
对于图7和8，探头42上游的光纤(例如41I)因此是保偏光纤。在探头的上游使用的半波片λ/222使得可以调节偏振，以将光源7的光束沿着光纤的优选轴线注入到一根或更多根保偏光纤中。
用于探头42下游的光束的光纤41E、41B、41T例如是非保偏光纤(但是也可以使用保偏光纤，但不是必须的)。在探头42处添加的分光板46使得能够利用附加光纤41T获得吸收(因此温度)信息。
在测量基座43一侧，三个光电检测器19E、19B和25使得能够分析信号。光电检测器25使得能够测量吸收，而光电检测器19E和19B使得能够测量转动角度，因此可以通过以下关系式测量场：
其中，
-E＝与光束9的传播方向共线的电场E的分量，
-B＝与光束9的传播方向共线的磁场B的分量，
-αAtt为光束的已知或预定衰减系数
-
为由光电检测器测量的光强度
-
为由光电检测器测量的光强度
-P0为由光电检测器测量的光强度
应当理解，图7和图8的实施例包括简化的偏振测量系统，对于每个分支，其具有布置在测量单元3的下游的偏振器44和相关的光电检测器19E、19B。在这种情况下，由于光源7或者通过例如在测量单元3的上游放置偏振器，测量单元3的输入处的光束被线性偏振。
吸收测量系统13包括例如分光器46(例如，分光板或分光立方体)，所述分光器布置在测量单元3的下游和偏振器44的上游(例如以板或立方体的形式)以将光束的一部分引向吸收测量系统13的光电检测器25。
当然，可以设想没有光纤的简化版本。在这种情况下，也可以考虑使用平衡偏振系统。
图9和图10是根据彼此垂直的两个剖面集成在金属壳体51中的探头42的实施例的横截面的简化图。
如在图9和10中可以看到的，测量单元3布置在金属壳体51的内部并且尤其固定到金属壳体51的内部。
为此，金属壳体51在测量单元3处包括由凸缘55固定的窗口53，以使光束9E(图9)和9B(图10)通过。
测量单元3的与窗口53相对的后壁57是反射性的或设有镜子。
因此，为了检测电场E(图9)，光束9E在与磁场B垂直的平面中演化。光束9E以一定角度进入测量单元3，被后壁57反射以随后被发送到测量基座43。
在这种配置中，只有光束9E的共线分量有助于斯塔克效应。测量单元3的尺寸可以非常小，这是因为光束9E两次穿过测量单元3(来回)。
然后，为了检测磁场B(图10)，光束9B在与磁场B和电场E部分共线的路径上演化。光束9B以一定角度进入测量单元3，被后壁57反射以随后被发送到测量基座43。
在该配置中，只有光束9B的电场E和磁场B的共线分量分别有助于塞曼效应和斯塔克效应。通过首先根据图9的组件确定电场E，可以通过由计算的测量结果来去除根据图9的组件的测量已知的磁场E贡献，由根据图10的组件的测量值来确定磁场B。测量单元3的尺寸可以非常小，这是因为光束9B两次穿过测量单元3(往返)。
随后，将给出适用于所描述的所有实施例的电流和电压的测量值的详细示例。
假设在测量单元3中使用的碱性气体例如是用于斯塔克效应和塞曼效应的铷。
对于塞曼效应，以安培(A)为单位的电流与偏振的转动角度θZ之间的关系为：
其中
-r为电流导体31和测量单元3之间的距离，单位为mm，
-W为测量单元3中光束9的直径，单位为mm，
-lB为光束9B的与磁场B共线的路径部分的经过的长度，单位为mm。
-
此范围取决于铷所选的能量跃迁。通过逆转这个公式，可以得到电流导体31中的电流。
对于斯塔克效应，以kV为单位的电压U和转动角度θS之间的关系由下式给出：
其中，
-r0为电流导体31的半径，单位为mm，
-r为电流导体31和测量单元3之间的距离，单位为mm，
-lE为与电场E共线的光束9E的路径部分的经过的长度，单位为mm。
-
此范围取决于铷所选的能量跃迁。通过逆转这个公式，可以得到电压。
交流电流和电压的测量：
当施加交流电压V(t)＝VO cos(ωt)时，得到由以下关系式定义的电场：
因此，测量由以下关系式给出的转动角度：
然后，得到由2个分量组成的信号：
-连续分量
-频率高2倍的交流分量
当施加交流电流I(t)＝IO cos(ωt)时，获得由以下关系式定义的磁场：
因此，测量由以下关系式给出的转动角度：
因此，应当理解，本发明的特征在于其小尺寸，用于电流和电压的活性部分(测量单元3中的碱性气体)的体积能够小于10cm3。
活性部分是密封测量单元3中的气体，物理测量是绝对的，并且不会随时间漂移。唯一的漂移参数是可控制的参数(温度)，或者可以在可拆卸部分中进行校准。
唯一的磨损部件可能是光源7，该光源可以从导体31上拆下。因此维护很容易。
上面介绍的光学测量可以实现灵敏的测量并具有高带宽。
如上所述，测量装置易于实现。各种光电检测器不需要与电流导体31接触以测量电流和电压。这也提供了测量链与电网的电流隔离。
最后，测量装置1使得能够如在交流电流中测量直流电中的电流和电压。
Claims (19)
1.一种用于测量磁场(B)和/或电场(E)的测量装置(1)，所述装置包括：
-测量单元(3)，其包含对塞曼效应和/或斯塔克效应敏感的气体，并且旨在被设置在磁场(B)和/或电场(E)中，
-偏振光源(7)，其波长被调整到对塞曼效应和/或斯塔克效应敏感的气体吸收线，并发出穿过所述测量单元(3)的光束(9)，
-至少一个偏振测量系统(11)，其配置为测量与由于所述光束(9)穿过包含对塞曼效应和/或斯塔克效应敏感的气体的测量单元(3)而导致的偏振角的转动相对应的第一参数，所述第一参数取决于测量单元(3)中的温度，
-吸收测量系统(13)，其配置为测量与由所述测量单元(3)中对塞曼效应和/或斯塔克效应敏感的气体吸收的光束(9)的吸收率相对应的第二参数，所述第二参数取决于测量单元(3)中的温度，和
-处理单元(15)，其配置为将与偏振角的转动相对应的第一参数的测量值与由吸收测量系统测量的吸收率相对应的第二参数的测量值相结合，以从中提取与待测量的电场(E)相对应的第三参数和/或与待测量的磁场(B)相对应的第四参数，所述第三参数和第四参数与所述测量单元(3)中的温度无关。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述对塞曼效应和/或斯塔克效应敏感的气体是碱性气体。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其中，所述碱性气体是铷、锂、钠、钾、铯或钫。
4.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中，
-所述偏振测量系统(11)被配置为测量两个第一参数，所述两个第一参数分别对应于由于光束(9)穿过包含敏感气体的测量单元(3)而一方面由塞曼效应和另一方面由斯塔克效应引起的偏振角的转动，所述两个第一参数取决于测量单元(3)中的温度，
-所述处理单元(15)被配置为将与一方面由塞曼效应和另一方面由斯塔克效应引起的偏振角的转动相对应的两个第一参数的测量值与由吸收系统测量的吸收率相对应的第二参数结合，以从中提取分别与待测量的电场(E)和磁场(B)相对应的与所述测量单元(3)中的温度无关的第三和第四参数。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的测量装置，其中，所述处理单元(15)被配置为由吸收系统的吸收测量值中提取测量单元(3)中的温度。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的测量装置，其中，所述测量装置包括测量头(33)，所述测量头包括来自偏振光源(7)的光束(9)分成至少两个部分光束(9E、9B)的分光器(35)和限定彼此垂直的两个测量分支的反射器(37、39)，所述测量单元(3)设置在两个部分光束(9E、9B)的相交处的测量头(33)中。
7.根据权利要求6所述的测量装置，其中，所述测量头(33)通过光纤(41)连接到偏振光源(7)、偏振测量系统(11)和吸收测量系统(13)。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的测量装置，其中，穿过所述测量单元(3)的光束(9)的路径具有与待测量的磁场(B)或电场(E)共线的至少一个分量，或者与待测量的磁场(B)或电场(E)共线。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的测量装置，其中，所述测量单元(3)是立方体或圆柱体，所述立方体的第一侧的长度为0.1mm至20mm且第二侧的长度为0.1mm至25mm，所述圆柱体的高度为0.1mm至20mm且直径为0.1mm至25mm。
10.根据权利要求1-3中的任一项所述的测量装置，其中，所述偏振测量系统(11)是设置在测量单元(3)的下游并且包括偏振分光器(17)和两个相关的光电检测器(19、21)的平衡偏振系统。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的测量装置，其中，所述偏振测量系统(11)包括设置在测量单元(3)的下游的偏振器(44)和相关的光电检测器(19E、19B)，所述测量单元(3)输入处的光束是线偏振。
12.根据权利要求11所述的测量装置，其中，分光器(46)设置在所述测量单元(3)的下游并且在偏振器(44)的上游，以将一部分光束引导向所述吸收测量系统(13)的光电检测器(25)。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的测量装置，其中，所述吸收测量系统(13)包括分别设置在测量单元(3)的上游和下游的第一和第二分光板(23、27)以及与分光板(23、27)中的每个相关联并配置为检测测量单元(3)的上游和下游的光束(9)的光强度的两个光电检测器(25、29)。
14.根据权利要求1-3中任一项所述的测量装置，其中，所述光源(7)是激光器。
15.根据权利要求14所述的测量装置，其中，所述激光器是激光二极管。
16.根据权利要求14所述的测量装置，其中，使用单个激光光源(7)来同时测量至少一个电场(E)和至少一个磁场(B)。
17.一种用于测量中压或高压电导体(31)处的电流和/或电压的单元，所述单元包括至少一个根据权利要求1-16中任一项所述的测量装置(1)，并且其中处理单元(15)还被配置为根据所述电导体(31)与测量单元(3)之间的距离来确定相对于地的电压和/或在导体(31)中流过的电流。
18.一种金属壳体中的站，所述站包括包围中压或高压电导体(31)的金属壳体(51)，其中所述站包括根据权利要求1-16中任一项所述的测量装置(1)，所述测量装置的测量单元(3)设置在站内。
19.根据权利要求18所述的站，其中，所述测量单元(3)固定到金属壳体(51)的内部。
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