DE10054810C2 - Magnetfeldsensor nach dem magnetooptischen Effekt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor nach dem magnetooptischen Effekt umfassend eine Lichtquelle, eine Lichtleitfaser als faseroptischer Sensor und einen Photoempfänger.

Magnetfeldsensoren nach dem magnetooptischen Effekt benutzen die Auswertung der Drehung der Polarisationsebene des Lichts. Bei faseroptischen Magnetfeldsenso­ ren wird der Faraday-Effekt eingesetzt. Hierzu wird linear-polarisiertes Licht in eine Faseroptik eingekoppelt und die Drehung der Polarisationsebene des Lichts nach Durchlauf durch einen Lichtwellenleiter ausgewertet. Der optische Aufbau verlangt daher vor und hinter dem Lichtwellenleiter eine polarimetrische Anordnung. Polari­ metrische Anordnungen sind insbesondere dann unverhältnismäßig aufwendig, wenn Magnetfelder nachgewiesen aber nicht ausgemessen werden sollen.

Bei bekannten faseroptischen Stromsensoren mit polarimetrischer Auswertung spielt die Richtung des Magnetfeldes die entscheidende Rolle. Bei Vorhandensein mehrerer Magnetfelder, die in der Regel unterschiedliche Feldrichtungen haben, wird aus der Überlagerung der Felder ein additives Signal erzeugt, welches zu einer kleinen oder sogar verschwindenden Resultante führt. Eine solche Meßanordnung hat also den Nachteil, daß für jede Magnetfeldquelle (jede Phase eines dreiphasiger Stroms) jeweils ein Magnetfeldsensor vorgesehen sein muß, da die Einwirkung mehrerer Magnetfelder an unterschiedlichen Orten zu Überlagerungen und zur gegenseitigen Kompensation führen kann.

Störeinflüsse können in Lichtleitelementen lineare Doppelbrechungen erzeugen, die eine Fortleitung des Faraday-Signals unmöglich machen. Es werden daher für Senso­ ren nach dem magnetooptischen Effekt polarisationserhaltende Lichtleitelemente ein­ gesetzt (Aufsatz von Hirsch. H. u. a. "Faseroptische Stromwandler mit optisch analo­ ger Messsignalübertragung". In: Sensor 93. Kongressband IV, pp. 137 bis 144).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte Anordnung eines Mag­ netfeldsensors anzugeben, der zur Sensorik für starke Magnetfelder einsetzbar ist.

Ausgehend von der eingangs genannten Anordnung wird die Aufgabe erfindungsge­ mäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.

Der Kern der Erfindung besteht darin, ein polarisationserhaltendes Lichtleitelement (vorzugsweise Monomode-Lichtleitfaser) einzusetzen. Das Lichtleitelement führt Licht einer bevorzugten Polarisationsrichtung.

Als eingestrahltes Licht kann unpolarisiertes und vorzugsweise schmalbandiges Licht verwendet werden. Damit können einfache Lichtquellen (beispielsweise eine Photo­ diode) eingesetzt werden. Der Photoempfänger ist der Wellenlänge der Lichtquelle angepaßt.

Mit der Anordnung wird die Lichtdämpfung hinter dem Lichtleitelement (faseroptischer Sensor) ausgenutzt, es wird jedoch keine Drehung der Polarisationsebene ausgewer­ tet. Im Gegensatz zu den zuvor erwähnten polarimetrischen Meßeinrichtungen kann die Überlagerung verschiedener Magnetfelder nicht zu einer Verminderung des Sig­ nals führen, da keine vektorielle Addition auftritt. In der vorgeschlagenen Anordnung tragen Magnetfelder an verschiedenen Orten des Lichtleitelements immer zur Ver­ minderung (Dämpfung) des durchgelassenen Lichts bei, so daß die Dämpfung ein Maß für die Summe aller vorhandenen Magnetfelder betrachtet werden kann. Die Lichtleitfaser ist somit Sensor- und Auswertelement in einem.

Mit der Anordnung soll ein Nachweis führbar sein, daß ein Magnetfeld (oder ein Strom) eine bestimmte Schwelle überschritten hat. In elektrischen Betriebsanlagen deutet ein starker Stromanstieg in der Regel auf unzulässige Betriebswerte hin, die durch Kurzschluß, Fehlerstrom oder Blitzeinschlag verursacht sein können.

Als Lichtleitelement kann eine sogenannte Panda-Lichtleitfaser eingesetzt werden. Die optische Struktur im Kern der Lichtleitfaser hat elliptischen Querschnitt, wobei die Fortpflanzung der in der Hauptachse der Ellipse eingestrahlte Schwingungsrichtung des Lichts über die Länge der Lichtleitfaser bevorzugt ist. Wird durch den Faraday- Effekt die Schwingungsrichtung aus der Hauptachse der Ellipse herausgedreht, tritt eine Schwächung (Dämpfung) des eingestrahlten Lichts ein.

Lichtquellen und Photoempfänger können Photodioden mit schmalem Wellenlängen­ bereich sein. Als schmalbandige Lichtquellen stehen beispielsweise Super-Lumines­ zens-Dioden (Super LED) zur Verfügung.

Das Lichtleitelement kann auch vorzugsweise mit mehreren Transmissionsregionen im Faserquerschnitt ausgebildet sein, von denen mindestens eine Region polarisati­ onserhaltend ist. Mit einem solchen Lichtleitelement kann Licht unterschiedlicher Wellenlänge und unterschiedlich, linearer oder zirkularer Polarisation eingestrahlt und für verschiedene Zwecke ausgewertet werden. Beispielsweise kann mit einem sol­ chen Lichtleitelement auch optischer Datentransfer betrieben werden. Als Lichtquelle kann beispielsweise ein mit 50 kHz gepulster Laser mit IR- oder langweilig, sichtba­ rem Licht eingesetzt werden, so daß die Auswertung des Faraday-Effekts in Korrela­ tion mit der Pulsation des Lasers erfolgt und andere Lichteffekte - wie beispielsweise die Einstrahlung von Licht im UV-Bereich, welches von Störlichtbogen stammen kann, getrennt vornehmbar ist.

Die Auswerteeinrichtung kann auf mehrere Schwellen eingestellt sein, so daß für jede Schwelle entweder nur ein Signal oder ein Signal und ein Abschaltimpuls abgegeben werden kann.

Eine einfache Anordnung der Erfindung geht von Transmissionsbetrieb des Lichtleit­ elements aus. Man kann jedoch auch eine Anordnung vorsehen, bei der am Ende des Lichtleitelements ein Spiegel vorgesehen ist, und die Auswertung des druchstrahlten Lichts am Anfang des Lichtleitelements vorgenommen wird.

Die Abnahme des durchstrahlten Lichts in einer konkreten elektrischen Einrichtung wird in Beziehung zu von elektrischen Strömen herrührenden Magnetfeldern ge­ bracht, so daß damit eine Korrelation zu unzulässig hohen Stromstärken herstellbar ist. Als elektrische Einrichtung oder Betriebsmittel können elektrische Verteilersy­ steme (Schaltkästen), Kabelanlagen oder Motorantriebe verstanden werden. Anwen­ dungen auf weitere Einrichtungen können von einem Fachmann leicht übertragen werden.

Das Signal der Auswerteeinrichtung kann zur elektrischen, optischen oder akusti­ schen Signalisation und/oder zur Abschaltung eines unzulässig hohen Stroms ver­ wendet werden; beispielsweise die Signalisation oder das Abschalten eines eine Stromstärke von 10 kA übersteigenden Stroms, der aus einem Kurzschluß, einem Fehlerschluß oder einem Blitzeinschlag herrühren kann.

Die Oberfläche des Lichtleitelements kann zur Aufnahme von Seitenlicht, insbeson­ dere von Licht eines Störlichtbogens präpariert sein. Das Licht des Störlichtbogens wird über die Oberfläche einer Lichtleitfaser eingekoppelt. Störlichtbogen-Licht hat ein intensives UV-Spektrum. Störlichtbogendetektor mit Lichtleitfaser ist in der DE 43 31 716 A1 beschrieben, so daß hierzu Einzelheiten nicht wiederholt werden müssen. Das Lichtleitelement nach der Erfindung läßt sich in zu überwachenden Anlagen auch zusammen mit weiteren Lichtwellenleitern oder elektrischen Leitern in einem Bündel gemeinsam verlegen. Ein solches Bündel kann auch als fertig konfektioniertes Kabel ausgebildet sein.

Wie aus dem Dargestellten klar geworden sein sollte, können mit der Anordnung äußerst schnelle Vorgänge erfaßt werden, beispielsweise einen schnellen Stroman­ stieg in einer Zeit kürzer als 10 ms. Damit ist die Erfassung schneller Ausgleichsvor­ gänge in elektrischen Betriebsanlagen, z. B. einen Blitzeinschlag in eine Hochspan­ nungs-Stromverteilungsanlage eines der Haupteinsatzgebiete der Erfindung.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der beigefügten Figur. Dort ist schema­ tisch eine Anordnung mit einer Lichtleitfaser LF wiedergegeben, die durch eine elek­ trische Einrichtung geführt ist. Die elektrische Einrichtung ist durch drei ein- oder mehrphasige elektrische Leitungen A, B, C und einen elektrischen Verbraucher D angedeutet. Die polarisationserhaltende Lichtleitfaser LF befindet sich im Einzugsbe­ reich aller in der elektrischen Einrichtung vorhandenen oder erzeugten Magnetfelder.

Die Lichtleitfaser LF kann gerade gestreckt oder in Wendeln gewickelt ausgelegt sein. In den Anfang der Lichtleitfaser wird über eine vorzugsweise schmalbandige Licht­ quelle LQ Licht eingekoppelt und am Ende der Lichtleitfaser von einem Lichtempfän­ ger LE aufgenommen. Die Lichtquelle LQ kann auch gepulst von einer Steuereinrich­ tung SE angesteuert werden. Das empfangene Licht wird durch vorhandene Magnet­ felder geschwächt, wobei die Sensoranordnung für ein vorherrschendes Magnetfeld im Normalbetrieb der elektrischen Einrichtung als Grundeinstellung einrichtet ist.

Das vorherrschende Magnetfeld wird in der Auswerteeinrichtung AE mit einstellbaren Schwellwerten in Beziehung gesetzt, so daß die Auswerteeinrichtung AE bei Über­ schreiten einer Schwelle ein Signal S oder einen Abschaltimpuls oder beides abgeben kann. Das Signal S kann zum Auslösen eines Schutzschalters verwendet werden.

Claims (6)

1. Magnetfeldsensor nach dem magnetooptischen Effekt umfassend eine Lichtquelle (LQ), ein Lichtleitelement (LF) mit polarisationserhaltender Eigenschaft als faseropti­ scher Sensor und einen Photoempfänger (LE), dadurch gekennzeichnet, daß das Empfangssignal des Photoempfängers (LE) in eine Auswerteeinrichtung (AE) geführt ist, welche bei Überschreiten mindestens einer voreinstellbaren Schwelle eines Mag­ netfelds ein Signal (S) abgibt.

2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtleit­ element (LF) mit mehreren Transmissionsregionen im Faserquerschnitt ausgebildet ist, von denen mindestens eine Region polarisationserhaltend ist.

3. Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Signal (S) zur Signalisation und/oder zur Abschaltung eines unzu­ lässig hohen Stroms verwendet wird.

4. Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Lichtquelle (LQ) und Photoempfänger (LE) Photodioden eines schma­ len Wellenlängenbereichs sind.

5. Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberfläche des Lichtleitelements (LF) zur Aufnahme von Seiten­ licht, insbesondere von Licht eines Störlichtbogens präpariert ist.

6. Verwendung eines Magnetfeldsensors nach einem der vorgehenden Ansprüche für die elektrische Schutztechnik.