DD208859A1

DD208859A1 - Elektro- bzw. magnetooptischer messwandler

Info

Publication number: DD208859A1
Application number: DD24126682A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Knoeschke; Bernhard Hoier; Gerd Bogedale
Original assignee: Wolfgang Knoeschke; Bernhard Hoier; Gerd Bogedale
Priority date: 1982-06-30
Filing date: 1982-06-30
Publication date: 1984-04-11
Also published as: JPS5920864A

Abstract

Die Erfindung ist vorzugsweise anwendbar zur Messung von Stroemen oder Spannungen in elektrischen Hochspannungsanlagen. Es wird die Aufgabe geloest, einen derartigen Wandler zu schaffen, bei dem eine direkte Umwandlung der Polarisationsebenen-Drehung des polarisierten Lichtes in digitale Signale erfolgt. Der Wandler zeichnet sich dadurch aus, dass er als Modulator (2) eine Lichtwellenleiterspule mit einem Lichtwellenleiter einer definierten, sehr grossen Laenge und grosser elektro- oder magnetooptischer Konstante enthaelt,dass durch den daran angeschlossenen Analysator (3) neben dem Durchlauf der Oolarisationsebene des Lichtes durch eine bestimmte Lage auch die Durchlaufrichtung erkennbar ist, wobei das beeinflussende elektrische oder magnetische Feld im Modulator (2) eine so grosse Drehung der Polarisationsebene hervorruft, dass der Analysator (3) fuer den zu messenden Wert mehrmals zum Ansprechen gelangt, und dass eine Zaehleinrichtung vorgesehen ist, die aus einer Logikeinheit(41;42)zum Erfassen der Analysatorimpulse u.zum Unterscheiden hinsichtlich des Vor- oder Rueckdrehens der Polarisationsebene und einem digitalen Vor - und Rueckwaertszaehler (43) besteht, an dessen parallelen Ausgaengen der Messwert in digitaler Form abnehmbar ist.

Description

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Titel .der .Erfindung .

Elektro- bzw· magnetooptischer Meßwandler

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar zur Messung von elektrischen

Strömen oder\Spannungen in elektrischen Anlagen, speziell in Hochspannungsanlagen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für die Messung von Strömen oder Spannungen in elektrischen Anlagen sind'als nichtkonventionelle Verfahren u.a. Lösungen bekannt, die als Informationsträger zur Überbrückung hoher Potentialdifferenzen Licht verwenden und bei denen mit der zu messenden Größe eine Drehung der Polarisationsebene des Lichtes erzielt wird, mit Hilfe eines Modulators, der einen elektrooptischen oder magnetooptischen Effekt aufweist_a

Dabei kann als Maß für die zu messende Größe sowohl der Drehwinkel der Polarisationsebene direkt ausgewertet, als auch mit einer Kompensationsschaltung (zweiter Modulator) die Drehung rückgängig gemacht und die Höhe des Kompensa-.tionsstromes bestimmt werden. Als Modulatoren wurden ursprünglich Glasstäbe, z.B. aus Flintglas, verwendet. Infolge ihrer geringen Länge wurden nur geringe Drehwinkel der Polarisationsebene erreicht. Damit ergaben sich Probleme bei der Auswertung der Signale,

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Mit der Entwicklung von Lichtwellenleitern, die pblari-Sierb es Licht ohne Zerstörung der Polarisation fortleiten können, ergab sich die Möglichkeit, Modulatoren in Form von Spulen aus derartigen Lichtwellenleitern auf zubauen (DE-OS 2624692). Damit können wesentlich größere PoIarisations-Drehwinkel erreicht werden.

Pur die dabei auftretenden Probleme, Vermeidung der Auswirkungen von Spannungsdoppelbrechung und Formdoppelbrechung in den Lichtv/ellenleitern, gibt es geeignete Losungen, z.B. die Anwendung von Lichtwellenleitern mit Flüssigkern (DE-AS 2445369) bzw. spezielle konstruktive Anordnungen. j

So ist in der DE-CB 2845625 eine Anordnung zur elektrooptischen Spannungsmessung beschrieben, bei der als Zuleitung oder Rückleitung für den polarisierten Lichtstrahl zwischen einem Kopfteil mit dem Hochspannungslejiter und dem Fußteil wenigstens eine Kristallfaser mit longitudinalem, linearem elektrooptischen! Effekt aus piezoelektrischem Material vorgesehen ist. Am Hochspannung sie it er! ist die Kristallfaser um einen Umlenkkörper geführt, durch dessen Gestaltungsform eine zusätzliche Formdoppelbrechung durch die Krümmung der Kristallfaser verhindert wird*

Bei einem anderen bekannten magnetooptischen Meßwandler zur Messung von Strömen, der einen als Lichtleiterspule ausgebildeten Meßfühler besitzt, die einen Stromleiter umschließt und bei dem der Lichtleiter weitestgehend frei von herstellungsbedingten mechanischen Spannungen ist, wird die Formdoppelbrechung dadurch kompensiert, daß die Lichtleiterspule einen großen Steigungswinkel aufweist (DE-pS 2548278).

Auf diese Weise lassen sich bereits Spulen aus Lichtwellenleitern von über 1 km Länge herstellen, durch die polarisiertes Licht ohne wesentliche Depolarisationserscheinungen geleitet werden kann.

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Es wird jedoch bei allen bekannten Lösungen davon ausgegangen, eine analoge Abbildung der zu messenden Größe über die Drehung der Polarisationsebene zu erreichen., Dabei sind bei größeren Drehwinkeln besondere Maßnahmen erforderlich₉ um Linearität in der Meßwertabbildung insgesamt zu erreichen« So ist ζ_βΒ_β in der DS-CE 2812188 ein Verfahren zur magnet ο optischen Strommessung beschrieben, bei dem bei einem sinusförmigen Modulationssignal auch für größere Winkel der Faraday-Drehung dadurch eine Linearität der Meßwertabbildung erreicht wird, daß aus dem Meßsignal die Grundfrequenz und die erste Oberschwingung des Modulationssignals getrennt herausgefiltert werden, daß anschließend das Meßsignal demoduliert und dann der Quotient aus den Intensitäten der beiden Signalanteile gebildet wird®

Will man die Ausgangssignale des Wandlers jedoch mittels eines Digitalrechners verarbeiten oder an einen zentralen Datenbus ankoppeln^ benötigt man im allgemeinen digitalisierte oder binär codierte Signale_β Dazu sind aufwendige elektronische . Zus at ζ schaltungen, ζ „Β«, Analog -Digit al -Umsetzer, erforderlich^ die jedoch zusätzliche Meßfehler mit sich bringen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines elektro- bzw«, magnetooptischen Wandlers, dem die Nachteile der bekannten auf diesen Prinzipien beruhenden Wandler-nicht anhaften«,

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektro» oder magnetooptischen Wandler zu schaffen, bei dem eine direkte Umwandlung der Polarisationsebenen-Drehung in digitale Ausgangssignale erfolgt«,

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'Merkmale.;-der; Erfindung.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst ,· daß der Wandler /als Modulator eine Liehtwellenleiterspule mit einem Lichtwellenleiter einer definierten, sehr großen Länge und großer elektro- bzw, magnetooptischer Konstante enthält, daß durch den daran angeschlossenen Analysator von ihm neben dem Durchlauf der Polarisationsebene des Lichtes durch eine bestimmte Lage auch die Durchlaufrichtung erkennbar ist, wobei das beeinflussende elektrische oder magnetische Feld im Modulator eine so große Drehung der Polarisationsebene hervorruft, daß der Analysator für den au messenden Wert mehrmals zum Ansprechen gelangt, und daß eine Zähleinriehtung vorgesehen ist, die aus einer Logikeinheit zum Erfassen der Analys.atorimpulse und zum Unterscheiden hinsichtlich des Tor- oder Rückdrehens der Polaris at ionsebene und aus einem digitalen Yor- und Biickwärtszähler besteht_? .an dessen parallelen Ausgängen der Meßwert in digitaler Form abnehmbar ist«, ^

Durch Aufteilung des modulierten Lichtes auf mehrere Analysatoren mit unterschiedlichen Ansprech-Polarisationswinkeln_s deren Ausgangskreise miteinander verknüpft sind, kann für eine bestimmte Drehung der Polarisationsebene eine Vervielfachung der abgegebenen Impulszahl erreicht werden»

Der gleiche Effeiet kann erzielt werden, wenn als Analysator eine Einrichtung eingesetzt wird, die mehrere definierte Lagen der Polarisationsebene des auftreffenden Lichtes erkennt und jeweils in elektrische Impulse umformt«,

Mit dieser Lösung ist erreicht, daß beim Durchlaufen einer bestimmten Lage der Polarisationsebene jeweils ein elektrischer Ausgangsimpuls abgegeben wird_s der in einem Zählkreis oder Speicher aufsummiert werden kann und somit eine rechnerverarbeitbare Information über die momentane Größe des Meßwertes darstellte Da jedoch im allgemeinen aus dem Analysatorsignal nicht auf die Richtung der Lageänderung der Polarisationsebene geschlossen werden kann, diese Sichtung aber darüber entscheidet, ob der zugehörige Impuls

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mit positivem oder negativem Vorzeichen zur Summenbildung beitragen muß, ist der erfindungsgemäße Analysator, der neben dem Durchlauf der Polarisationsebene des Lichtes durch eine bestimmte Lage auch eine Infoimatiön über die Durchlaufrichtung liefert, erforderlich·

Ein solcher Analysator bewertet die Durchlaufrichtung der Polarisationsebene anhand der impulsmäßig erfaßten vorhergehenden Lage der Polarisationsebene.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden· In den zugehörigen Zeichnungen zeigen . : '_:\ y

Pig, 1s Schema des Aufbaues eines erfindungsgemäßen . . Stromwandlers ' . ^;

Fig« 2 s Analyse der Lage und Änderungsrichtung der Polarisationsebene ·;/,

Fig« 3s Abhängigkeit von Lichtintensität und Ausgangs-. ·. ''. . ; signal · ' ' ' ' ' ^;: Γ ''

Pig» 4s Darstellung von zeitlichen Impulsfolgen Pig_e 5' Schaltung zur Impulsbewertung _:

Ausführungsbeispiel

Ein erfindungsgemäßer Stromwandler besteht aus einer Lichtquelle 1 , die monochromatisches und linear polarisiertes Licht an einen Lichtwellenleiter 5 abgibt. Dieser Lichtleiter 5 überbrückt die Potentiäidifferenz zwischen Erdpotential und Hochspannungspotential des Meßstrompfades 6-6^f und wird zur Erfassung des Meßstromes als Modulator ausgebildet, beispielsweise so, daß der Lichtwellenleiter in einer großen Länge zu einer Spule aufgewickelt ist, die ihrerseits den Meßstrom führenden Leiter umfaßt und somit

. ι , ; . ... . '. . ·. .-

von dessen Magnetfeld beeinflußt wird· Das im Modulator 2 in seiner Polarisationsebene beeinflußte Licht wird über den Lichtwellenleiter 7 in. den sich auf Srdpotential be-

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findlichen Analysator 3 geleitet, der beim Feststellen bestimmter vorgegebener Lagen der Polarisationsebene des Lichtes elektrische Impulse an die Leitung 8 !abgibt, die in geeigneter Weise in einer Summiereinrichtüng 4 äufsummiert , gespeichert und über die Leitung 9 !in einer zur <7e it e verarbeitung passenden Signalform ausgegeben werden

Den grundsätzlich gleichen Aufbau weist ein erfindungsgemäßer Spannungswandler auf, wobei nur der Modulator 2 konstruktiv so gestaltet ist, daß er vom elektrischen Feld der Hochspannungsleitung beeinflußt wird·

Eine Möglichkeit für die Analyse der Lage und Änderungsrichtung der Polarisationsebene zeigt Fig. 2. Das über den Lichtwellenleiter 7 ankommende Licht wird über eine (Feuereinrichtung 10 in die drei T ei !licht bündel 11, 11',11" getrennt, wobei alle Teillichtbündel weiterhin polarisiert bleiben« Die drei Teilanalysatoren 12, 127, 12" sind so aufgebaut, daß sie beim Erreichen oder Durchlaufen einer definierten Lage der Polarisationsebene des auftreffenden Lichtes einen elektrischen Impuls abgeben, wie in Fig_e 3 dargestellt» Es wird der Intensitätsverlauf 16 des Lichtes im Analysator dargestellt, wie er vom Winkel 4 ψ zwischen Polarisationsebene des einlaufenden Lichtes und der im Analysator fest eingestellten Richtung des Polarisationsfilters abhängt und in dieser Stärke auf eine fotoelektrische Umwandlungsrichtung fällt j die bei gegen Null gehender Lichtintensität 16 eine Änderung ihres Ausgangssignals 17 vornimmt β

Die fest eingestellten Richtungen der drei Teilanalysatoren 12, 12 ^f, 12'' sind im Bereich von 180° so gegeneinander versetzt, daß keine Impulsüberlappung eintritt, vorzugsweise um jeweils 60°« Damit entstehen beim Drehen der Polarisationsebene des Lichtes im Modulator 2 in unterschiedlichen Richtungen die in Fig» 4 angegebenen zeitlichen Impulsfolgen 13, 13', 13'^?» die in der sich anschließenden Summiereinrichtung 14 bewertet, gespeichert und zu einem Ausgangs-

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impuls 15 verarbeitet werden.

Fig. 5 stellt;-eine Schaltungsmöglichkeit zur Impulsbewertung dar. Dabei gelangen die mit A, B, C bezeichneten Impulse aus den drei Analys at oren in kombinierter Form auf eine logische Schaltung 41, 42, die einen eintreffenden Impuls auf der Grundlage des vorhergehenden Inipulses bewertet und damit einen Vorwärts/Bückwärtszähler 43 speist. Der Zählerstand kann zwischengespeichert und über den Ausgang D abgefragt werden. ;

Claims

ErfindungsansprucJb. ^

1. Elektro- bzw. magnet ο optischer Meßwandler mit einem als Lichtleiterspule ausgebildeten Meßfühler, gekennzeichnet dadurch, daß er als Modulator (2) eine Lichtwelienleiterspule mit einem Lichtwellenleiter einer definierten, sehr großen Länge und großer elektro- oder magnetooptischer Konstante enthält, daß durch den daran angeschlossenen Analysator (3) neben dem Durchlauf der Polarisationsebene des Lichtes durch eine bestimmte Lage auch die purcblaufrichtung erkennbar ist, wobei das beeinflussende elektrische oder magnetische Feld im Modulator (2) eine so große Drehung der Polarisationsebene hervorruft, daß der Analysator (3) für den zu messenden Wert mehrmals zum Ansprechen gelangt, und daß eine Zähleinrichtung vorgesehen ist, die aus einer Logikeinheit(41; 42) zum Erfassen der Analysatorimpulse und zum Unterscheiden hinsichtlich des Vor- oder Rückdrehens der Polarisationsebene und einem digitalen Vor- und Rückwärtszähler (43) besteht, an dessen parallelen Ausgängen der Meßwert in digitaler Form abnehmbar ist.

2. Elektro- bzw. magnetooptischer Meßwandler nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Teilanalysatoren (12j 12', 12'') mit unterschiedlichen Ansprechpolarisationswinkeln vorgesehen sind und daß ihre Ausgänge miteinander verknüpft sind»

3» Elektro- bzw_e me gnet ο opt is eher Meßwandler nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß durch den Analysator mehrere definierte Lagen der Polarisationsebene des auftreffenden Lichtes erkennbar und in elektrische Impulse; umsetzbar sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen