DE102005003200B4 - Circuit for measuring electrical currents in electrical conductors with optical fibers - Google Patents

Circuit for measuring electrical currents in electrical conductors with optical fibers Download PDF

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Abstract

Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Ströme in elektrischen Leitern mit Lichtwellenleitern, enthaltend als Messteil
– eine Lichtquelle zum Erzeugen eines polarisierten Messlichts,
– einen Polarisator, der mit der Lichtquelle mittels eines Lichtwellenleiters verbunden ist,
– eine Lichtwellenleiter-Messspule, die mit einer Windungszahl N um einen den zu messenden Strom i führenden elektrischen Leiter gewickelt ist,
– einen Analysator, an den die Lichtwellenleiter-Messspule geführt ist,
– einen Lichtempfänger mit einer Auswerteeinrichtung, wobei der Lichtempfänger dem Analysator zugeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lichtquelle (2) schräg unter einem Winkel φ an den nachfolgenden Polarisator (3), der für die z-Richtung favorisiert ist, angeschlossen ist sowie zwischen dem Polarisator (3) und der Lichtwellenleiter-Messspule (5) ein erster Koppler (9) und zwischen der Lichtwellenleiter-Messspule (5) und dem Analysator (7) ein zweiter Koppler (10) angeordnet sind, wobei die Koppler (9, 10) einem zum Messteil (11) parallel gerichteten, beidendseitig reflexionsfreien Kompensationsteil (16) zugeordnet...
Circuit arrangement for measuring electrical currents in electrical conductors with optical waveguides, containing as a measuring part
A light source for generating a polarized measuring light,
A polarizer connected to the light source by means of an optical waveguide,
An optical fiber measuring coil wound with a number of turns N around an electrical conductor leading to the current i to be measured,
An analyzer to which the optical fiber measuring coil is guided,
A light receiver with an evaluation device, the light receiver being associated with the analyzer,
characterized,
the light source (2) is connected obliquely at an angle φ to the following polarizer (3) which is favored for the z-direction, and a first coupler (9) is connected between the polarizer (3) and the optical waveguide measuring coil (5) ) and between the optical waveguide measuring coil (5) and the analyzer (7), a second coupler (10) are arranged, wherein the coupler (9, 10) associated with a measuring part (11) directed in parallel, both sides of the reflection-free compensation part (16). ..

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Ströme in elektrischen Leitern mit Lichtwellenleitern, enthaltend als Messteil

  • – eine Lichtquelle zum Erzeugen eines polarisierten Messlichts,
  • – einen Polarisator, der mit der Lichtquelle verbunden ist,
  • – eine Lichtwellenleiter-Messspule, die mit einer Windungszahl N um einen den zu messenden Strom i führenden elektrischen Leiter gewickelt ist,
  • – einen Analysator, an den die Lichtwellenleiter-Messspule geführt ist, und
  • – einen Lichtempfänger mit einer Auswerteeinrichtung, wobei der Lichtempfänger dem Analysator zugeordnet ist.
The invention relates to a circuit arrangement for measuring electrical currents in electrical conductors with optical waveguides, containing as a measuring part
  • A light source for generating a polarized measuring light,
  • A polarizer connected to the light source,
  • An optical fiber measuring coil wound with a number of turns N around an electrical conductor leading to the current i to be measured,
  • An analyzer to which the optical fiber measuring coil is guided, and
  • - A light receiver with an evaluation, wherein the light receiver is associated with the analyzer.

Eine derartige Schaltungsanordnung mit Lichtwellenleitern zur Messung elektrischer Ströme in einem elektrischen Leiter ist in der Druckschrift US 3 605 013 beschrieben. Die Schaltungsanordnung besteht im Wesentlichen aus einer Laserdiode, einem Polarisator, einem Analysator und einem Lichtempfänger mit einer angeschlossenen Auswerteeinrichtung, wobei zwischen der Laserdiode und dem Lichtempfänger ein faseroptischer Lichtwellenleiter die dazwischenliegenden Bauelemente miteinander verbindet. Der den Polarisator und den Analysator verbindende Lichtwellenleiter umgibt spiralförmig mit mindestens einer Windung als Lichtwellenleiter-Messspule den elektrischen Leiter.Such a circuit arrangement with optical waveguides for measuring electrical currents in an electrical conductor is in the document US Pat. No. 3,605,013 described. The circuit arrangement consists essentially of a laser diode, a polarizer, an analyzer and a light receiver with a connected evaluation device, wherein between the laser diode and the light receiver, a fiber optic optical waveguide connects the intermediate components together. The optical waveguide connecting the polarizer and the analyzer spirally surrounds the electrical conductor with at least one turn as an optical waveguide measuring coil.

Breitet sich linear polarisiertes Licht der Laserdiode in dem Lichtwellenleiter aus, so bleibt die Polarisation erhalten. Wenn im elektrischen Leiter Strom fließt, wird ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld dreht die Polarisationsebene des linear polarisierten Lichtes aufgrund des Faraday-Effektes. Je größer der Wert des elektrische Stromes, desto größer ist das Magnetfeld und je länger der Weg im Lichtwellenleiter ist, desto stärker ist die Drehung der Polarisationsebene. Folglich kann aus dem Drehwinkel α der Polarisationsebene der Wert des elektrischen Stromes i ermittelt werden.spreads linearly polarized light of the laser diode in the optical waveguide out, so the polarization remains. When in the electrical conductor Electricity flows, a magnetic field is generated. The magnetic field rotates the polarization plane of the linearly polarized light due to the Faraday effect. The bigger the Value of the electric current, the larger the magnetic field and the longer the path in the optical fiber is the stronger the rotation of the polarization plane. Consequently, from the rotation angle α of Polarization level of the value of the electric current i determined become.

Es ist ein optischer Stromsensor in der Druckschrift EP 0 826 971 B1 beschrieben, der versehen ist mit

  • – einer Lichtquelle zum Erzeugen eines polarisierten Messlichts,
  • – einer Messspule aus einer optischen Faser mit vielen Windungen, die um einen elektrischen Leiter gewickelt sind, in dem der zu messende elektrische Strom i fließt, wobei die Windungen derart angeordnet sind, dass das von der Lichtquelle emittierte polarisierte Licht um den Leiter im Kreis geführt wird, so dass die Polarisationsebene des polarisierten Messlichts durch das von dem elektrischen Strom erzeugte Magnetfeld gedreht wird, und
  • – Messmittel zur Bestimmung des elektrischen Stromes durch Erfassen des Drehwinkels α der Polarisationsebene,
wobei die optische Messspule ein mit der Lichtquelle verbundenes Eingangsende und ein mit dem Messmittel verbundenes Ausgangsende aufweist,
wobei das Eingangsende und das Ausgangsende auf eine solche Art und Weise angeordnet sind, dass ein durch Betrachten der beiden Enden von der Mitte des Leiters erhaltener Winkel nicht mehr als 1% von 2πn ist, und wobei das Eingangsende und das Ausgangsende in einem einzigen, aus einem magnetischen Material hergestellten Element enthalten ist.It is an optical current sensor in the document EP 0 826 971 B1 described, which is provided with
  • A light source for generating a polarized measuring light,
  • - A measuring coil of a multi-turn optical fiber, which are wound around an electrical conductor in which the electrical current to be measured i flows, wherein the windings are arranged such that the polarized light emitted from the light source is circulated around the conductor is rotated so that the polarization plane of the polarized measuring light is rotated by the magnetic field generated by the electric current, and
  • Measuring means for determining the electric current by detecting the angle of rotation α of the polarization plane,
the optical measuring coil having an input end connected to the light source and an output end connected to the measuring means,
wherein the input end and the output end are arranged in such a manner that an angle obtained by observing the both ends from the center of the conductor is not more than 1% of 2πn, and wherein the input end and the output end are in a single, off contained element made of a magnetic material.

Dabei sind die optische Faser und die Lichtquelle miteinander durch ein erstes optisches Kopplungselement verbunden, während die optische Faser und das Messmittel miteinander durch ein zweites optisches Kopplungssystem verbunden sind.there The optical fiber and the light source are connected to each other by a first optical coupling element while the optical fiber and the measuring means to each other through a second optical coupling system are connected.

Ein Problem besteht darin, dass die ersten und die zweiten optischen Kopplungssysteme in einem Element enthalten sind.One Problem is that the first and the second optical Coupling systems are contained in one element.

Des Weiteren sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Störungsschwingungen mit faseroptischen Spulen, die zirkular polarisiertes Licht leiten, in der Druckschrift US 4 922 095 beschrieben. Eine zirkular polarisierte Lichtquelle breitet Licht in einer faseroptischen Messspule in einer störungsempfindlichen Umgebung und in einer faseroptischen Refe renzspule in einer konstanten Umgebung aus. Das Licht von beiden Spulen wird ausgewertet durch eine Polarisations-Einrichtung, um den Grad der Polarisationsdrehung zu registrieren, um dabei eine Bestimmung der Frequenz und der Amplitude der Störungsschwingung zu ermöglichen.Further, a method and apparatus for measuring disturbance oscillations with fiber optic coils that conduct circularly polarized light are disclosed US 4,922,095 described. A circularly polarized light source propagates light in a fiber optic sensing coil in a noise sensitive environment and in a fiber optic reference coil in a constant environment. The light from both coils is evaluated by a polarization device to register the degree of polarization rotation to allow determination of the frequency and amplitude of the disturbance vibration.

Ein Problem besteht darin, dass damit kein kontinuierlicher elektrischer Strom gemessen werden kann.One Problem is that with it no continuous electrical Electricity can be measured.

Es ist ein faseroptischer Magnetfeldsensor zur Bestimmung elektrischer Ströme in der Druckschrift DE 37 26 411 A1 beschrieben, bei dem die magnetfeldabhängige Faraday-Drehung der Polarisationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahls, der sich in einem Lichtwellenleiter ausbreitet, gemessen wird. Der durch das Magnetfeld verursachten Faraday-Drehung sind jedoch lineare und zirkulare Doppelbrechungseigenschaften des Lichtwellenleiters überlagert, die eine Messung der Faraday-Drehung erschweren und außerdem noch abhängig von Umgebungseinflüssen sind.It is a fiber optic magnetic field sensor for determining electrical currents in the document DE 37 26 411 A1 described in which the magnetic field-dependent Faraday rotation of the plane of polarization of a linearly polarized light beam propagating in an optical waveguide is measured. However, the Faraday rotation caused by the magnetic field is superimposed with linear and circular birefringence properties of the optical waveguide, which make it difficult to measure the Faraday rotation and, in addition, are still dependent on environmental influences.

Dazu gehört eine Anordnung mit Heterodym-Empfang und reziprokem Lichtweg, die eine Messung der Faraday-Drehung ohne Beeinflussung durch lineare und nahezu ohne Beeinflussung durch zirkulare Doppelbrechungsanteile des Lichtwellenleiters ermöglicht.To belongs an arrangement with heterodyne reception and reciprocal light path, the a measurement of the Faraday rotation without being influenced by linear and almost without interference from circular birefringence components of the optical waveguide allows.

Ein Problem besteht darin, dass mehrere Photodioden mit in der Praxis unterschiedlichen Eigenschaften Verwendung finden.One Problem is that several photodiodes with in practice find different properties use.

Eine weitere Anordnung zum Messen von elektrischen Strömen aus wenigstens zwei Messbereichen in einem Stromleiter ist in der Druckschrift EP 0 776 477 B1 beschrieben. Die Anordnung weist folgende Bestandteile auf:

  • – wenigstens zwei, dem Stromleiter zugeordnete Faraday-Elemente,
  • – Mittel zum Einkoppeln von linear polarisiertem Messlicht in ein erstes der Faraday-Elemente,
  • – optische Verbindungsmittel, über die das erste Faraday-Element mit einem zweiten der Faraday-Elemente optisch in Reihe geschaltet ist und die das durch das erste Faraday-Element gelaufene Messlicht in einen ersten Teil und wenigstens einen weiteren Teil aufteilen,
  • – einer ersten Auswerteeinheit zum Auswerten der Faraday-Drehung der Polarisationsebene von dem ersten, nur durch das erste Faraday-Element wenigstens einmal gelaufenen Teil des linear polarisierten Messlichts als Maß für einen Strom aus einem ersten Messbereich,
  • – für jeden weiteren Messbereich jeweils einer Auswerteeinheit zum Auswerten der Faraday-Drehung der Polarisationsebene von jeweils einem durch das erste Faraday-Element und wenigstens ein weiteres Faraday-Element wenigstens einmal gelaufenen, weiteren Teil des Messlichts als Maß für einen Strom aus diesem weiteren Messbereich.
Another arrangement for measuring electrical currents from at least two measuring ranges in a current conductor is in the document EP 0 776 477 B1 described. The arrangement has the following components:
  • At least two Faraday elements associated with the conductor,
  • Means for coupling linearly polarized measuring light into a first of the Faraday elements,
  • Optical connecting means, via which the first Faraday element is optically connected in series with a second one of the Faraday elements and which divide the measuring light passed through the first Faraday element into a first part and at least one further part,
  • A first evaluation unit for evaluating the Faraday rotation of the polarization plane from the first part of the linearly polarized measurement light which has passed at least once only by the first Faraday element as a measure of a current from a first measurement range,
  • For each further measuring range, in each case one evaluation unit for evaluating the Faraday rotation of the polarization plane of a further part of the measuring light which has passed at least once through the first Faraday element and at least one further Faraday element as a measure of a current from this further measuring range.

Ein Problem besteht darin, dass mehrere Photodioden Verwendung finden.One The problem is that several photodiodes are used.

Andererseits stellt die Messung elektrischer Ströme auf beliebigem Potenzial bei Einfügen der bekannten Schaltungsanordnung in den elektrischen Stromkreis ein grundsätzliches Problem der Messtechnik dar.on the other hand provides the measurement of electrical currents at any potential at insertion the known circuit arrangement in the electrical circuit a fundamental Problem of metrology dar.

Das Problem besteht darin, dass die bekannten Schaltungsanordnungen zur Messung des elektrischen Stromes nur durch eine aufwendige Signalverarbeitung und dann nur näherungsweise mit den Nachteilen, dass die schwankende Doppelbrechung selbst in der Näherung im Messwert enthalten ist oder der Zusammenhang zwischen Messwert und Messgröße nichtlinear ist, aufweisen.The The problem is that the known circuit arrangements for measuring the electric current only by a complex signal processing and then only approximately with the disadvantages that the fluctuating birefringence itself in the approximation is included in the measured value or the relationship between measured value and measurand nonlinear is, have.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Ströme in elektrischen Leitern mit Lichtwellenleitern anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass in einfacher Weise bei der potenzialgetrennten Messung elektrischer Ströme ohne Eingriff in den elektrischen Stromkreis der Messgröße eine schwankende Doppelbrechung und Temperaturschwankungen kompensiert werden.Of the Invention is based on the object, a circuit arrangement for Measurement of electrical currents specify in electrical conductors with optical fibers, the like is suitably designed that in a simple manner in the isolated Measurement of electrical currents without intervention in the electrical circuit of the measured variable fluctuating birefringence and temperature fluctuations compensated become.

Die Aufgabe wird mit eine Schaltungsanordnung gemäß des ersten Patentanspruchs gelöst. Die Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Ströme i in elektrischen Leitern mit Lichtwellenleitern enthält als Messteil

  • – eine Lichtquelle zum Erzeugen eines polarisierten Messlichts,
  • – einen Polarisator, der mit der Lichtquelle mittels eines Lichtwellenleiters verbunden ist,
  • – eine Lichtwellenleiter-Messspule, die mit einer Windungszahl N um den zu messenden Strom i führenden elektrischen Leiter gewickelt ist,
  • – einen Analysator, an den die Lichtwellenleiter-Messspule geführt ist, und
  • – einen Lichtempfänger mit einer Auswerteeinrichtung, wobei der Lichtempfänger dem Analysator zugeordnet ist,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 die Lichtquelle schräg unter einem Winkel φ an den nachfolgenden Polarisator, der für die z-Richtung favorisiert ist, angeschlossen ist sowie zwischen dem Polarisator und der Lichtwellenleiter-Messspule ein erster Koppler und zwischen der Lichtwellenleiter-Messspule und dem Analysator ein zweiter Koppler angeordnet sind, wobei die Koppler einem zum Messteil parallel gerichteten, beidendseitig reflexionsfreien Kompensationsteil zugeordnet sind, in dem sich zwischen den Kopplern eine Lichtwellenleiter-Kompensationsspule, die mit einer zweiten Windungszahl N0 um einen zweiten elektrischen Leiter gewickelt ist, der einen Strom i0 führt, angekoppelt befindet, wobei die Koppler jeweils zur Gegenseite der Ankopplung der Lichtwellenleiter-Kompensationsspule reflexionsfreie Abschlüsse aufweisen, wobei dem zweiten elektrischen Leiter eine Auswerteeinrichtung zugeordnet ist, die mit dem Lichtempfänger des Analysators in Verbindung steht und einen Messwert iR des Stromes i0 erzeugt, so dass ein Messwert iF des Stromes i aus der Gleichung
Figure 00070001
in der Auswerteeinrichtung ermittelbar ist, wobei der am Ende des optischen Teils angeordnete Analysator die x-Komponente Dx und die y-Komponente Dy der elektrischen Verschiebungsflussdichte unterdrückt und nur bei deren z-Komponente einen Photostrom iph liefert, der einen Regelkreis steuert, der der Lichtwellenleiter-Kompensationsspule zugeordnet ist, wobei der Strom i durch den elektrischen Leiter eine Führungsgröße – gemessen als Messwert iF – und der Strom i0 durch den zweiten elektrischen Leiter eine Regelgröße – gemessen als Messwert iR – darstellen.The object is achieved with a circuit arrangement according to the first claim. The circuit arrangement for measuring electrical currents i in electrical conductors with optical waveguides contains as a measuring part
  • A light source for generating a polarized measuring light,
  • A polarizer connected to the light source by means of an optical waveguide,
  • An optical fiber measuring coil wound with a number of turns N around the electric current to be measured i,
  • An analyzer to which the optical fiber measuring coil is guided, and
  • A light receiver with an evaluation device, the light receiver being associated with the analyzer,
wherein according to the characterizing part of claim 1, the light source is obliquely connected at an angle φ to the subsequent polarizer, which is favored for the z-direction, and between the polarizer and the optical fiber measuring coil, a first coupler and between the optical fiber measuring coil and the Analyzer, a second coupler are arranged, wherein the couplers are assigned to a parallel measuring part, both sides end reflection-free compensation part, in which between the couplers, an optical fiber compensation coil, which is wound with a second winding number N 0 to a second electrical conductor, the one Current i 0 leads coupled, the coupler each have to the opposite side of the coupling of the optical fiber compensation coil reflection-free terminations, wherein the second electrical conductor is associated with an evaluation that st with the light receiver of the analyzer in conjunction eht and a measured value i R of the current i 0 is generated, so that a measured value i F of the current i from the equation
Figure 00070001
can be determined in the evaluation device, wherein the analyzer arranged at the end of the optical part suppresses the x-component D x and the y-component D y of the electrical shift flux density and supplies only at its z-component a photocurrent i ph which controls a control loop, is associated with the optical waveguide compensation coil, wherein the current i through the electrical conductor, a reference variable - measured as measured value i F - and the current i 0 through the second electrical conductor a controlled variable - measured as measured value i R - represent.

Die Lichtquelle kann vorzugsweise eine Laserdiode sein.The Light source may preferably be a laser diode.

Am Eingangstor des Polarisators weist ein Eingangssignal des Polarisators eine elektrische Verschiebungsflussdichte mit den zum zugehörigen Eingangstor parallelen Komponenten Dxin, Dyin sowie der zu den parallelen Komponenten Dxin, Dyin senkrechten Komponente Dzin auf.At the input port of the polarizer, an input signal of the polarizer has an electrical shift flux density with the components D xin , D yin parallel to the associated input port as well as the component D zin perpendicular to the parallel components D xin , D yin .

Der Polarisator besitzt eine erste Jones-Matrix J gemäß GleichungOf the Polarizer has a first Jones matrix J according to the equation

Figure 00080001
Figure 00080001

Am Ausgangstor des Polarisators weist ein Ausgangssignal eine elektrische Verschiebungsflussdichte mit den Komponenten Dxout, Dyout, D'zout des Polarisators auf, wobei D'zout die z-Komponente der Verschiebungsflussdichte am Ausgang des Polarisators darstellt.At the output port of the polarizer, an output signal has an electrical displacement flux density with the components D xout , D yout , D ' zout of the polarizer, where D' zout represents the z component of the shift flux density at the output of the polarizer.

Die beiden Koppler weisen jeweils zwei Eingangstore und zwei Ausgangstore auf, wobei sich die jeweils zugeordneten Eingangs-/Ausgangstore in Lichtwellenrichtung gegenüberliegen und die Eingangs-/Ausgangstore voneinander gleich beabstandet sind.The two couplers each have two input ports and two output ports on, with each associated input / output gates opposite to each other in the optical wave direction and the input / output ports are equally spaced from each other.

Der erste Koppler ist vorzugsweise ein Drei-dB-Koppler mit Θ1 = π / 4, wobei Θ1 einen zugehörigen ersten Koppelwinkel darstellt.The first coupler is preferably a three dB coupler with Θ 1 = π / 4, where Θ 1 represents an associated first coupling angle.

Der zweite Koppler ist ein Drei-dB-Koppler mit Θ2 = π / 4, wobei Θ2 einen zugehörigen zweiten Koppelwinkel darstellt.The second coupler is a three dB coupler with Θ 2 = π / 4, where Θ 2 represents an associated second coupling angle.

Das Ausgangssignal am Ausgangstor des Polarisators entspricht dem Eingangssignal für den ersten Drei-dB-Koppler mit dem ers ten Koppelwinkel Θ1 = π / 4.The output signal at the output port of the polarizer corresponds to the input signal for the first three dB coupler with the first coupling angle Θ 1 = π / 4.

Alle Komponenten des Ausgangssignale lassen sich dabei jeweils als Funktion der z-Komponente darstellen.All Components of the output signals can each be used as a function represent the z component.

Es sind an das zweite Eingangstor des ersten Kopplers ein reflexionsfreier erster Abschluss und an das erste Ausgangstor des ersten Kopplers die Lichtwellenleiter-Messspule, der eine zweite Jones-Matrix J = J(α) und eine erste z-Komponenten-Übertragungsfunktion Tz = Tz(α) in Abhängigkeit vom ersten Drehwinkel α der Polarisationsebene der nichtabgelenkten Lichtwelle sowie die Windungszahl N zugeordnet sind, angeschlossen.There are at the second input port of the first coupler a reflection-free first termination and the first output port of the first coupler, the optical fiber measuring coil, a second Jones matrix J = J (α) and a first z-component transfer function T z = T. z (α) in dependence on the first rotation angle α of the polarization plane of the undeflected light wave and the number of turns N are connected.

An das zweite Ausgangstor ist die um den zweiten elektrischen Leiter gewickelte Lichtwellenleiter-Kompensationsspule angeschlossen, der die zweite Windungszahl N0, eine dritte Jones-Matrix J0 = J00) und eine zweite z-Komponenten-Übertragungsfunktion Tz0 = Tz00) in Abhängigkeit vom zweiten Drehwinkel α0 der Polarisationsebene der abgelenkten Lichtwelle zugeordnet sind.To the second output port is wound around the second electrical conductor Lichtwellenlei connected, the second winding number N 0 , a third Jones matrix J 0 = J 00 ) and a second z-component transfer function T z0 = T z00 ) in response to the second rotation angle α 0 are assigned to the polarization plane of the deflected light wave.

Die Lichtwellenleiter-Messspule sowie die Lichtwellenleiter-Kompensationsspule sind an den zweiten Drei-dB-Koppler mit dem zweiten Koppelwinkel Θ2 = π / 4 angeschlossen, der als zweites Ausgangstor einen reflexionsfreien zweiten Abschluss zum eingangsseitigen, gegenüberliegenden zweiten Eingangstor des zweiten Kopplers besitzt.The optical waveguide measuring coil and the optical waveguide compensation coil are connected to the second three-dB coupler with the second coupling angle Θ 2 = π / 4, which has a reflection-free second termination to the input side, opposite second input port of the second coupler as a second output port.

An das erste Ausgangstor des zweiten Kopplers ist als Analysator ein z-Komponenten-Analysator angeschlossen, der die von der Laserdiode erzeugten Komponenten der elektrischen Verschiebungsflussdichte Dxin, Dyin, die über den Polarisator, den ersten Koppler, die Lichtwellenleiter-Spulen und den zweiten Koppler übertragen werden, unterdrückt und nur die z-Komponente der elektrischen Verschiebungsflussdichte Dzout im zugehörigen Lichtempfänger in den Photostrom iph wandelt.Connected to the first output port of the second coupler as the analyzer is a z-component analyzer, which generates the components of the electrical displacement flux density D xin , D yin generated by the laser diode via the polarizer, the first coupler, the optical fiber coils and the second Coupler are transmitted, suppressed and converts only the z component of the electrical displacement flux density D zout in the associated light receiver in the photocurrent i ph .

Zwischen der z-Komponente D'zout bzw. der z-Komponente Dzin und der z-Komponente Dzout der elektrischen Verschiebungsflussdichte bestehen folgende Gleichung: D'zout = ½ Dzout (III). The following equation exists between the z-component D ' zout or the z-component D zin and the z-component D zout of the electrical displacement flux density . D ' zout = ½ D zout (III).

Für die gesamte z-Komponenten-Übertragungsfunktion Tzges gilt die Gleichung: Tzges = Dzout/Dzin (IV),wobei auch die Gleichung Tzges = ½ cosΘ1 Tz cosΘ2 – ½ sinΘ1 Tz0 sinΘ2 (V)gilt.For the entire z-component transfer function T zges , the equation applies: T CGUs = D zout / D zin (IV), where also the equation T CGUs = ½ cosΘ 1 T z cos 2 - ½ sinΘ 1 T z0 sinΘ 2 (V) applies.

Die Auswerteeinrichtung kann einen Integrator eines Regelkreises enthalten.The Evaluation device may include an integrator of a control loop.

Der den Photostrom iph(t) erhaltende Integrator kann derart ausgebildet sein, dass die bleibende Regelabweichung, d.h. die Differenz der Drehwinkel α(t)-α0(t) in Abhängigkeit von der Einschwingzeit t mit t gegen Unendlich, gegen Null geht und der Integrator ausgangsseitig den Messwert iR des Stromes i0 liefert, um daraus den Messwert iF des Stromes i zu ermitteln.The integrator receiving the photocurrent i ph (t) can be designed in such a way that the permanent control deviation, ie the difference between the rotational angles α (t) -α 0 (t), approaches zero as a function of the settling time t with t approaches infinity, and on the output side, the integrator supplies the measured value i R of the current i 0 , in order to determine therefrom the measured value i F of the current i.

Gemäß der Gleichung

Figure 00110001
liegt ein optischer Transformator vor, wobei in den beiden Lichtwellenleiter-Spulen der Faraday-Effekt zur Drehung der Polarisationsebenen der in den Lichtwellenleiter-Spulen laufenden Lichtwellen um den jeweiligen Drehwinkel α, α0 vorhanden ist und die sich ausbildenden Drehwinkel α, α0 stromproportional dem Messwert iF bzw. dem Messwert iR entsprechend den Proportionalitäten α ~ i und α0 ~ i0 sind.According to the equation
Figure 00110001
is an optical transformer, wherein in the two optical fiber coils of the Faraday effect for rotating the polarization planes of the current in the optical fiber coils light waves around the respective rotation angle α, α 0 is present and the forming angle of rotation α, α 0 current proportional to the Measured value i F or the measured value i R corresponding to the proportionalities α ~ i and α 0 ~ i 0 .

Die Schaltungsanordnung geht somit erfindungsgemäß von einer schrägen Anregung der Schaltungsanordnung durch eine Laserdiode aus, wobei die schräge Anregung durch die durch den vorgegebenen Winkel φ dimensionierte geschlossene Einkoppelstelle zur Erzeugung einer z-Komponente Dz als Längskomponente der elektrischen Verschiebungsflussdichte der ausgesendeten Lichtwelle führt. Die z-Komponente Dz der elektrischen Verschiebungsflussdichte wird durch die Festlegung eines x,y,z-Koordinatensystem, in dem die z-Koordinate als Längskoordinate wahlweise bestimmt ist, favorisiert. Letztendlich wird nur die z-Komponenten-Übertragungsfunktion für den optischen Teil der Schaltungsanordnung verwendet.The circuit arrangement is thus according to the invention of an oblique excitation of the circuit arrangement by a laser diode, the oblique excitation through the φ by the predetermined angle dimensioned closed coupling point for generating a z-component D z as a longitudinal component of the electrical displacement flux density of the emitted light wave leads. The z-component D z of the electrical displacement flux density is favored by the definition of an x, y, z-coordinate system in which the z-coordinate is optionally determined as a longitudinal coordinate. Finally, only the z-component transfer function is used for the optical part of the circuit.

Die Schaltungsanordnung sieht im Wesentlichen neben der faseroptischen Lichtwellenleiter-Messpule eine faseroptische Lichtwellenleiter-Kompensationsspule vor. Der am Ende des optischen Teils der Schaltungsanordnung angeordnete Analysator in Form des z-Komponenten-Analysators unterdrückt die x-Komponente Dx und die y-Komponente Dy der elektrischen Verschiebungsflussdichte und liefert nur für deren z-Komponente einen Photostrom iph. Der Photostrom iph steuert einen Regelkreis, der auf die Lichtwellenleiter-Kompensationsspule zugeschnitten dimensioniert ist und den Messwert iR liefert.The circuit arrangement essentially provides, in addition to the fiber optic optical waveguide measuring coil, a fiber optic optical waveguide compensation coil. The arranged in the end of the optical part of the circuit analyzer in the form of the z-component analyzer suppresses the x-component D x and the y-component D y of the electrical shift flux density and provides only for the z-component of a photocurrent i ph . The photocurrent i ph controls a control loop, which is cut to size the optical waveguide compensation coil and supplies the measured value i R.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist somit wesentlich, dass nur die z-Komponente der elektrischen Verschiebungsflussdichte Da letztendlich Verwendung findet. Somit ist hier eine einfache skalare Kompensationsbedingung gegeben. Andere Lösungen sind dagegen schwierig zu erfüllen, weil diese dann auf der Kompensation aller vier Matrizenelemente der Jones-Matrix beruhen.at the circuit arrangement according to the invention is therefore essential that only the z component of the electrical Displacement flux density Since ultimately finds use. Consequently Here is a simple scalar compensation condition. Other solutions are difficult to fulfill, because these then on the compensation of all four matrix elements based on the Jones matrix.

Als Faraday-Effekt wird die Erscheinung bezeichnet, bei der die Schwingungsebene linear polarisierten Lichtes beim Durchgang durch ein Magnetfeld gedreht wird. Der Drehwinkel – der Faraday-Winkel – ist dabei proportional dem Skalarprodukt aus der Magnetisierung und dem Ausbreitungsvektor des Lichtes sowie der Länge des Magnetfeldes.When Faraday effect is called the phenomenon in which the vibration plane linearly polarized light passing through a magnetic field is turned. The angle of rotation - the Faraday angle - is proportional to the scalar product of the magnetization and the propagation vector of the light as well as the length of the magnetic field.

Eine Jones-Matrix ist eine zweidimensionale Matrix, welche zur Repräsentation der Polarisation ebener elektromagnetischer Wellen dient. Der Jones-Formalismus eignet sich insbesondere zur Analyse optischer Systeme, in denen ein polarisiertes Lichtstrahlenbündel eine Kaskade von optischen Bauelementen durchläuft.A Jones matrix is a two-dimensional matrix, which is used for representation the polarization of plane electromagnetic waves is used. The Jones formalism is particularly suitable for the analysis of optical systems in which a polarized light beam goes through a cascade of optical components.

Dadurch, dass nur die erzeugten z-Komponenten der elektrischen Verschiebungsflussdichte letztlich Verwendung finden, entsteht für die faseroptische Schaltungsanordnung eine einfache skalare Kompensationsbedingung.Thereby, that only the generated z-components of the electrical displacement flux density ultimately find use arises for the fiber optic circuitry a simple scalar compensation condition.

Die Erfindung ermöglicht einen einfachen Aufbau einer Schaltungsanordnung, die auch zur potenzialgetrennten Strommessung einsetzbar ist.The Invention allows a simple structure of a circuit arrangement, which also for the isolated Current measurement is used.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich sowohl zur Messung sehr kleiner Ströme im mA-Bereich als auch zur Messung sehr größer Ströme im kA-Bereich und ist auch in einem großen Frequenzbereich einsetzbar.The inventive circuit arrangement is suitable both for measuring very small currents in the mA range and for Measurement of very high currents in the kA range and is also in a big one Frequency range can be used.

Die Strommessung ist ohne Einfügung der Schaltungsanordnung in den elektrischen Stromkreis auf beliebigem, insbesondere auf Hochspannungspotenzial möglich, wobei zweckmäßige Nachrüstbedingungen an schon bestehenden Anlagen durchgeführt werden können.The Current measurement is without insertion the circuit arrangement in the electrical circuit on any, in particular to high voltage potential possible, with appropriate retrofit conditions already existing plants can be carried out.

Gegenüber den herkömmlichen klassischen Wandlern bzw. Transformatoren ist eine Platzersparnis vorhanden und es braucht kein Öl oder andere kritische Materialien zur Isolation eingesetzt werden. Somit ergibt sich eine umweltfreundliche und explosionssichere Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Ströme.Compared to the usual classical converters or transformers saves space and it does not need oil or other critical materials for insulation. This results in an environmentally friendly and explosion-proof circuit arrangement for measuring electrical currents.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.further developments and advantageous embodiments of the invention are in further dependent claims specified.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.The Invention is based on an embodiment closer by means of several drawings explained.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Ströme in elektrischen Leitern mit Lichtwellenleiter-Spulen sowie eines zugehörigen x,y,z-Koordinatensystems in 1a, 1 a schematic representation of a circuit arrangement for measuring electrical currents in electrical conductors with optical fiber coils and an associated x, y, z coordinate system in 1a .

2 ein Schaltbild eines Integrators mit Lichtwellenleiter-Kompensationsspule, wobei der von der Lichtwellenleiter-Kompensationsspule umwundene elektrische Leiter einseitig an Masse angeschlossen ist, und eine Formelangabe in 2a und 2 a diagram of an integrator with optical fiber compensation coil, wherein the wound of the optical fiber compensation coil electrical conductor is connected to ground on one side, and a formula in 2a and

3 ein Schaltbild eines Integrators mit einer „schwimmenden" Lichtwellenleiter-Kompensationsspule, wobei der von der Lichtwellenleiter-Kompensationsspule umwundene elektrische Leiter an den Ausgang eines zweiten Operationsverstärkers angeschlossen ist, und eine Formelangabe in 3a. 3 a circuit diagram of an integrator with a "floating" fiber optic compensation coil, wherein the wound of the optical fiber compensation coil electrical conductor is connected to the output of a second operational amplifier, and a formula in 3a ,

In 1 ist in schematischer Darstellung eine Schaltungsanordnung 1 zur Messung elektrischer Ströme i in einem elektrischen Leiter 6 dargestellt. Die Schaltungsanordnung 1 enthält als Messteil 11

  • – eine Lichtquelle 2 zum Erzeugen eines polarisierten Messlichts,
  • – einen Polarisator 3, der mit der Lichtquelle 2 mittels eines Lichtwellenleiters 4 verbunden ist,
  • – eine Lichtwellenleiter-Messspule 5, die mit einer ersten Windungszahl N um einen den zu messenden Strom i führenden ersten elektrischen Leiter 6 gewickelt ist,
  • – einen Analysator 7, an den die Lichtwellenleiter-Messspule 5 geführt ist, und
  • – einen Lichtempfänger mit einer Auswerteeinrichtung 8, wobei der Lichtempfänger dem Analysator 7 zugeordnet ist.
In 1 is a schematic representation of a circuit arrangement 1 for measuring electrical currents i in an electrical conductor 6 shown. The circuit arrangement 1 contains as a measuring part 11
  • - a light source 2 for generating a polarized measuring light,
  • - a polarizer 3 that with the light source 2 by means of an optical waveguide 4 connected is,
  • - An optical fiber measuring coil 5 having a first number of turns N around a first electrical conductor leading to the current i to be measured 6 is wrapped
  • - an analyzer 7 to which the optical fiber measuring coil 5 is guided, and
  • - A light receiver with an evaluation 8th wherein the light receiver is the analyzer 7 assigned.

Erfindungsgemäß sind die Lichtquelle 2 schräg unter einem Winkel φ an den nachfolgenden Polarisator 3, der für die z-Richtung favorisiert ist, angeschlossen sowie zwischen dem Polarisator 3 und der Lichtwellenleiter-Messspule 5 ein erster Koppler 9 und zwischen der Lichtwellenleiter-Messspule 5 und dem Analysator 7 ein zweiter Koppler 10 angeordnet, wobei die Koppler 9, 10 einem zum Messteil 11 parallel gerichteten, beidendseitig reflexionsfreien Kompensationsteil 16 zugeordnet sind, in dem sich zwischen den beiden Kopplern 9, 10 eine Lichtwellenleiter-Kompensationsspule 12, die mit einer zweiten Windungszahl N0 um einen zweiten elektrischen Leiter 15 gewickelt ist, der einen Strom i0 führt, angekoppelt befindet, wobei die Koppler 9, 10 jeweils zur Gegenseite der Ankopplung der Lichtwellenleiter-Kompensationsspule 12 reflexionsfreie Abschlüsse 13, 14 aufweisen, wobei dem zweiten elektrischen Leiter 15 eine Auswerteeinrichtung 8 zugeordnet ist, die mit dem Lichtempfänger des Analysators 7 in Verbindung steht und einen Messwert iR des Stromes i0 erzeugt, so dass ein Messwert iF des Stromes i aus der Gleichung

Figure 00150001
in der zugehörigen Auswerteeinrichtung 8 ermittelbar ist, wobei der am Ende des optischen Teils 11, 16 der Schaltungsanordnung 1 angeordnete Analysator 7 die x-Komponente Dx und die y-Komponente Dy der elektrischen Verschiebungsflussdichte unterdrückt und nur für deren z-Komponente einen Photostrom iph liefert, der einen Regelkreis steuert, der der Lichtwellenleiter-Kompensationsspule 12 zugeordnet ist, wobei der Strom i durch den ersten elektrischen Leiter 6 eine Führungsgröße – gemessen als Messwert iF – und der Strom i0 durch den zweiten elektrischen Leiter 15 eine Regelgröße – gemessen als Messwert iR – darstellen.According to the invention, the light source 2 obliquely at an angle φ to the following polarizer 3 , which is favored for the z-direction, connected as well as between the polarizer 3 and the optical fiber measuring coil 5 a first coupler 9 and between the optical fiber measuring coil 5 and the analyzer 7 a second coupler 10 arranged, the couplers 9 . 10 one to the measuring part 11 parallel-directional compensation part free from reflection on both sides 16 are assigned, in which between the two couplers 9 . 10 an optical fiber compensation coil 12 having a second winding number N 0 around a second electrical conductor 15 is wound, which carries a current i 0 , coupled, the couplers 9 . 10 in each case to the opposite side of the coupling of the optical waveguide compensation coil 12 reflection-free terminations 13 . 14 have, wherein the second electrical conductor 15 an evaluation device 8th associated with the light receiver of the analyzer 7 is connected and generates a measured value i R of the current i 0 , so that a measured value i F of the current i from the equation
Figure 00150001
in the associated evaluation device 8th can be determined, wherein the at the end of the optical part 11 . 16 the circuit arrangement 1 arranged analyzer 7 suppresses the x-component D x and the y-component D y of the electrical displacement flux density and provides only for the z-component of a photocurrent i ph , which controls a control loop, that of the optical fiber compensation coil 12 is assigned, wherein the current i through the first electrical conductor 6 a reference variable - measured as measured value i F - and the current i 0 through the second electrical conductor 15 represent a controlled variable - measured as measured value i R -.

Die Lichtquelle 2 kann eine Laserdiode sein.The light source 2 may be a laser diode.

Am Eingangstor 17 des Polarisators 3 weist ein Eingangssignal eine elektrische Verschiebungsflussdichte mit den zum zugehörigen Eingangstor 17 parallelen Komponenten Dxin, Dyin sowie der zu Dxin, Dyin senkrechten Komponente Dzin auf.At the entrance gate 17 of the polarizer 3 For example, an input signal has an electrical shift flux density with the associated input port 17 parallel components D xin , D yin and the D xin , D yin vertical component D zin on.

Der Polarisator 3 besitzt eine erste Jones-Matrix J gemäß der Gleichung

Figure 00160001
The polarizer 3 has a first Jones matrix J according to the equation
Figure 00160001

Am Ausgangstor 18 des Polarisators 3 weist ein Ausgangssignal eine elektrische Verschiebungsflussdichte mit den Komponenten Dxout, Dyout, D'zout des Polarisators 3 auf, wobei gemäß Gleichung D'zout = ½ Dzout (III)ist, wobei Dzout die finale z-Komponente der elektrischen Verschiebungsflussdichte D'zout im zugehörigen Lichtempfänger des z-Komponenten-Analysators ist.At the exit gate 18 of the polarizer 3 An output signal has an electrical displacement flux density with the components D xout , D yout , D ' zout of the polarizer 3 on, according to equation D ' zout = ½ D zout (III) where D zout is the final z-component of the electrical displacement flux density D ' zout in the associated light receiver of the z-component analyzer.

Die Koppler 9, 10 weisen jeweils zwei Eingangstore 19, 21 und zwei Ausgangstore 20, 22 auf, wobei sich die jeweils zugeordneten Eingangs-/Ausgangstore 19, 20 in Lichtwellenrichtung gegenüberliegen und die Eingangs-/Ausgangstore 19, 21; 20, 22 in Parallelität zueinander gleich beabstandet sind.The couplers 9 . 10 each have two entrance gates 19 . 21 and two exit gates 20 . 22 on, with each associated input / output gates 19 . 20 in the lightwave direction and the input / output ports 19 . 21 ; 20 . 22 are equally spaced in parallelism to each other.

Der erste Koppler 9 kann vorzugsweise ein Drei-dB-Koppler mit Θ1 = π / 4 sein, wobei Θ1 einen ersten Koppelwinkel darstellt.The first coupler 9 may preferably be a three dB coupler with Θ 1 = π / 4, where Θ 1 represents a first coupling angle.

Damit entspricht das Ausgangssignal am Ausgangstor 18 des Polarisators 3 dem Eingangssignal für den ersten Drei-dB-Koppler 9 mit dem ersten Koppelwinkel Θ1 = π / 4.This corresponds to the output signal at the output gate 18 of the polarizer 3 the input signal for the first three dB coupler 9 with the first coupling angle Θ 1 = π / 4.

Es sind an das zweite Eingangstor 21 des ersten Kopplers 9 ein erster reflexionsfreier Abschluss 13 und an das erste Ausgangstor 20 des ersten Kopplers 9 ein um den den zu messenden Strom i als Führungsgröße leitenden elektrischen Leiter 6 gewickelter Lichtwellenleiter – die Lichtwellenleiter-Messspule 5 – angeschlossen, der eine zweite Jones-Matrix J = J(α), eine erste z-Komponenten-Übertragungsfunktion Tz = Tz(α) sowie die erste Windungszahl M zugeordnet sind.It is the second entrance gate 21 of the first coupler 9 a first anechoic conclusion 13 and to the first exit gate 20 of the first coupler 9 an electrical conductor which guides the current i to be measured as a reference variable 6 wound optical waveguide - the optical fiber measuring coil 5 - Connected to a second Jones matrix J = J (α), a first z-component transfer function T z = T z (α) and the first number of turns M are assigned.

An das zweite Ausgangstor 22 des ersten Kopplers 9 ist die um den zweiten elektrischen Leiter 15 gewickelte Lichtwellenleiter-Kompensationsspule 12 angeschlossen, der die zweite Windungszahl N0, eine dritte Jones-Matrix J0 = J00) und eine zweite z-Komponenten-Übertragungsfunktion Tz0 = Tz00) zugeordnet sind.To the second exit gate 22 of the first coupler 9 is the one around the second electrical conductor 15 wound optical waveguide compensation coil 12 connected, the second winding number N 0 , a third Jones matrix J 0 = J 00 ) and a second z-component transfer function T z0 = T z00 ) are assigned.

Der auf die Lichtwellenleiter-Kompensationsspule 12 bezogene Regelkreis arbeitet auf der Grundlage eines integrierenden operationsverstärkerprinzips.The on the optical fiber compensation coil 12 Related control circuit operates on the basis of an integrating operational amplifier principle.

Der zweite Koppler 10 ist ein Drei-dB-Koppler mit Θ2 = π / 4, wobei Θ2 einen zweiten Koppelwinkel darstellt.The second coupler 10 is a three-dB coupler with Θ 2 = π / 4, where Θ 2 represents a second coupling angle.

Allgemein gilt, dass der Koppelwinkel Θ = σ L ist, wobei σ der Koppelkoeffizient und L die Koppellänge darstellen.Generally holds that the coupling angle Θ = σ L, where σ is the coupling coefficient and L represent the coupling length.

Die Lichtwellenleiter-Messspule 5 sowie die Lichtwellenleiter-Kompensationsspule 12 sind eingangsseitig an den zweiten DreidB-Koppler 10 mit dem zweiten Koppelwinkel Θ2 = π / 4 angeschlossen, der als zweites Ausgangstor 26 einen reflexionsfreien zweiten Abschluss 14 zu seinem eingangsseitigen, gegenüberliegenden Eingangstor 24 besitzt.The fiber optic measuring coil 5 and the optical fiber compensation coil 12 are on the input side to the second DreidB coupler 10 connected to the second coupling angle Θ 2 = π / 4, the second output gate 26 a reflection-free second degree 14 to its entrance, opposite entrance gate 24 has.

Vorzugsweise können die Lichtwellenleiter-Messspule 5 und die Lichtwellenleiter-Kompensationsspule 12 folgende Parameter aufweisen:

  • – Gleiche Länge L,
  • – gleiche Hauptbrechzahlen nx, ny,
  • – gleiche Verdetkonstante V,
  • – gleiche Doppelbrechung δ und
  • – unterschiedliche Windungszahlen N, N0.
Preferably, the optical fiber measuring coil 5 and the optical fiber compensation coil 12 have the following parameters:
  • - same length L,
  • - same main refractive indices n x , n y ,
  • The same Verdetkonstante V,
  • - same birefringence δ and
  • - Different numbers of turns N, N 0 .

Die beiden Koppler 9 und 10 können vorzugsweise auf gleiche Koppelwinkel Θ1 = π / 4 und Θ2 = π / 4 eingestellt werden.The two couplers 9 and 10 can preferably be set to the same coupling angle Θ 1 = π / 4 and Θ 2 = π / 4.

Für die gesamte z-Komponenten-Übertragungsfunktion Tzges gilt die Gleichung: Tzges = Dzout/Dzin (IV), wobei auch unter Berücksichtigung der z-Koponenten-Übertragungsfunktion Tz des Messteils 11 und unter Berücksichtigung einer z-Komponenten-Übertragungsfunktion Tz0 des Kompensationsteils 16 die Gleichung Tzges = ½ cosΘ1 Tz cosΘ2 – ½ sinΘ1 Tz0 sinΘ2 (V)gilt.For the entire z-component transfer function T zges , the equation applies: T CGUs = D zout / D zin (IV), wherein also taking into account the z-component transfer function T z of the measuring part 11 and considering a z-component transfer function T z0 of the compensation part 16 the equation T CGUs = ½ cosΘ 1 T z cos 2 - ½ sinΘ 1 T z0 sinΘ 2 (V) applies.

Die optischen Koppler 9, 10 in 1 haben folgende Funktionen:
Der erste Koppler 9 bewertet alle Komponenten des Eingangssignals entweder mit der Kosinusfunktion oder der Sinusfunktion in Abhängigkeit vom eingestellten Koppelwinkel Θ1. Damit die Eingangspolarisation an den Ausgängen – den Ausgangstoren 20, 22 – des ersten Kopplers 9 erhalten bleibt, muss er genauso wie der zweite Koppler 10 polarisationserhaltend sein. Der zweite Koppler 10 führt die Signale aus den Lichtwellenleiterspulen 5, 12 und bewertet mit Sinusfunktion oder Kosinusfunktion in Abhängigkeit vom eingestellten zweiten Koppelwinkel Θ2 zusammen für die Auswertung im z-Komponenten-Analysator 7. Mit den beiden Kopplern 9, 10 wird auch das Minuszeichen in der Differenz der gesamten z-Komponenten-Übertragungsfunktion Tzges durch eine Ausnutzung der Eigenschaften der imaginären Einheit j bei den Sinusfunktionen der Koppler-Übertragungsfunktionen zwischen den einzelnen Toren der Koppler 9, 10 eingestellt.
The optical couplers 9 . 10 in 1 have the following functions:
The first coupler 9 evaluates all components of the input signal either with the cosine function or the sine function as a function of the set coupling angle Θ 1 . So that the input polarization at the outputs - the output gates 20 . 22 - the first coupler 9 it has to stay the same as the second coupler 10 be polarization preserving. The second coupler 10 carries the signals out of the fiber optic coils 5 . 12 and evaluates with sine function or cosine function as a function of the set second coupling angle Θ 2 together for evaluation in the z-component analyzer 7 , With the two couplers 9 . 10 is also the minus sign in the difference of the total z-component transfer function T zges by exploiting the properties of the imaginary unit j in the sine functions of the coupler transfer functions between the individual ports of the coupler 9 . 10 set.

Des Weiteren ist an das erste Ausgangstor 25 des zweiten Kopplers 10 der z-Komponenten-Analysator 7 angeschlossen, der die von der Laserdiode 2 erzeugten Komponenten der elektrischen Verschiebungsflussdichte Dxin, Dyin, die über den Polarisator 3, den ersten Koppler 9, die Lichtwellenleiter-Spulen 5, 12 und den zweiten Koppler 10 übertragen werden, unterdrückt, wodurch nur die z-Komponente der elektrischen Verschiebungsflussdichte Dzout im zugehörigen Lichtempfänger in den Photostrom iph gewandelt wird.Furthermore, to the first exit gate 25 of the second coupler 10 the z-component analyzer 7 connected to that of the laser diode 2 generated components of the electrical displacement flux density D xin , D yin , via the polarizer 3 , the first coupler 9 , the fiber optic coils 5 . 12 and the second coupler 10 be suppressed, whereby only the z-component of the electrical displacement flux density D zout is converted in the associated light receiver in the photocurrent i ph .

Die Auswerteeinrichtung 8 kann vorzugsweise einen Integrator darstellen.The evaluation device 8th may preferably represent an integrator.

Der zugehörige Regelkreis arbeitet in seinem Stabilitätsverhalten auf der Grundlage der „Harmonischen Balance" mit Einschwingvorgängen, wobei final der Messwert iR im Kompensationsteil 16 im eingeschwungenen Zustand gemessen wird.The associated control loop works in its stability behavior on the basis of "Harmoni balance with transients, where finally the measured value i R in the compensation section 16 measured in the steady state.

In 2 ist der Integrator 8 der Kompensationsspule 12 zugeordnet, die den einseitig mit Masse verbundenen zweiten elektrischen Leiter 15 umwindet. Der Integrator 8 in 2 besteht im Wesentlichen aus einem ersten Operationsverstärker 28, einem dazu zwischen seinem invertierenden Eingang 33 und seinem Ausgang 31 parallel geschalteten Kondensator 29 und einem an seinem Ausgang 31 angeschlossenen, in Reihe nachgeordneten Widerstand 30. Der Widerstand 30 steht mit dem der Lichtwellenleiter-Kompensationsspule 12 zugeordneten zweiten elektrischen Leiter 15 in Verbindung, der an Masse anliegt. Am Ausgang 31 des ersten Operationsverstärkers 28 wird die Messspannung uMess abgegriffen.In 2 is the integrator 8th the compensation coil 12 assigned to the unilaterally connected to ground second electrical conductor 15 umwindet. The integrator 8th in 2 consists essentially of a first operational amplifier 28 one in between its inverting input 33 and his exit 31 parallel connected capacitor 29 and one at its exit 31 connected, in series downstream resistance 30 , The resistance 30 stands with the optical fiber compensation coil 12 associated second electrical conductor 15 in connection, which rests on ground. At the exit 31 of the first operational amplifier 28 the measuring voltage u Mess is tapped.

Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen ist in 3 ein Integrator 8 vorhanden, dessen zugeordneter zweiter elektrischer Leiter 15 im Unterschied zur 2 nicht an Masse, sondern an den Ausgang 34 eines zweiten Operationsverstärkers 32 zugeführt ist, so dass eine „schwimmende" Lichtwellenleiter-Kompensationsspule 12 vorliegt. Die Eingänge des zweiten Ope rationsverstärkers 32 sind dessen invertierender Eingang 35, der mit dem Ausgang des Widerstands 30 verbunden ist, und dessen nichtinvertierender Eingang 36, der an der Masse anliegt.Using the same reference numerals is in 3 an integrator 8th present, its associated second electrical conductor 15 unlike 2 not to ground, but to the exit 34 a second operational amplifier 32 is fed so that a "floating" fiber optic compensation coil 12 is present. The inputs of the second operational amplifier 32 are its inverting input 35 that with the output of the resistor 30 connected, and its non-inverting input 36 which rests against the earth.

Bei beiden Integratoren 8 können nach den 2a, 3a aus dem Widerstandswert R, dem Kondensatorwert C und dem zeitlichen Verlauf des Photostroms iph(t) der Messwert iR des Stromes i0 gemäß der Gleichung i0 = 1/RC ∫ iph(t)dt + c (VI)ermittelt werden.With both integrators 8th can after the 2a . 3a from the resistance value R, the capacitor value C and the time profile of the photocurrent i ph (t), the measured value i R of the current i 0 according to the equation i 0 = 1 / RC ∫ i ph (t) dt + c (VI) be determined.

Außerdem ist der Photostrom iph(t) im z-Komponenten-Analysator 7 proportional der Differenz der beiden Drehwinkel α, α0 gemäß der Beziehung: iph(t) ~ [α(t) – α0(t)]2. In addition, the photocurrent is i ph (t) in the z-component analyzer 7 proportional to the difference between the two angles of rotation α, α 0 according to the relationship: i ph (t) ~ [α (t) - α 0 (T)] 2 ,

Der den Photostrom iph(t) empfangende Integrator 8 ist somit derart ausgebildet, dass die bleibende Regelabweichung, d.h. die Differenz der Drehwinkel α(t)-α0(t) in Abhängigkeit von der Einschwingzeit t mit t gegen Unendlich, gegen Null geht und der Integrator ausgangsseitig den Messwert iR des Stromes i0 liefert, um daraus den Messwert iF des Stromes i zu ermitteln.The integrator receiving the photocurrent i ph (t) 8th is thus designed such that the permanent control deviation, ie the difference of the rotation angle α (t) -α 0 (t) as a function of the settling time t with t towards infinity, approaches zero and the integrator on the output side the measured value i R of the current i 0 in order to determine the measured value i F of the current i from this.

Gemäß der Gleichung

Figure 00210001
liegt in der Schaltungsanordnung 1 ein optischer Transformator vor, wobei der Faraday-Effekt zur Drehung der Polarisationsebenen der in der Messspule 5 und der Kompensationsspule 12 getrennt laufenden Lichtwellen um die Faraday-Winkel α, α0 – als erster Drehwinkel α und zweiter Drehwinkel α0 bezeichnet – vorhanden ist und die sich ausbildenden Drehwinkel α, α0 stromproportional dem Messwert iF im Messteil 11 bzw. dem Messwert iR im Kompensationsteil 16 entsprechend den Proportionalitäten α ~ i und α0 ~ i0 sind.According to the equation
Figure 00210001
lies in the circuit arrangement 1 an optical transformer, wherein the Faraday effect for rotating the polarization planes of the in the measuring coil 5 and the compensation coil 12 separated current light waves by the Faraday angle α, α 0 - as the first rotation angle α and second rotation angle α 0 - is present - and the forming rotation angle α, α 0 current proportional to the measured value i F in the measuring section 11 or the measured value i R in the compensation part 16 corresponding to the proportionalities α ~ i and α 0 ~ i 0 .

Im Folgenden wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 zur Messung elektrischer Ströme i in einem elektrischen Leiter 6 mit Lichtwellenleitern erläutert: Wesentlich für die Ausgangslage ist eine schräge Anregung der Schaltungsanordnung 1 durch eine Laserdiode 2 und damit die Erzeugung der z-Komponente Dz als Längskomponente der elektrischen Verschiebungsflussdichte. Die schräge Anregung wird durch eine geschlossene Einkoppelstelle 27 erreicht, in der unter einem bestimmten Winkel φ die Lichtquelle 2 und der Polarisator 3 achsenbezogen miteinander verbunden sind.In the following, the operation of the circuit arrangement according to the invention 1 for measuring electrical currents i in an electrical conductor 6 explained with optical waveguides: Essential for the starting position is an oblique excitation of the circuit arrangement 1 through a laser diode 2 and thus the generation of the z-component D z as a longitudinal component of the electrical displacement flux density. The oblique excitation is by a closed Einkoppelstelle 27 reached, in which at a certain angle φ the light source 2 and the polarizer 3 Axially related to each other.

Daraus ergibt sich ein durchgängige und finale Verwendung der ersten z-Komponenten-Übertragungsfunktion Tz der Messspule 5 für den optischen Messteil 11 der Schaltungsanordnung 1.This results in a continuous and final use of the first z-component transfer function T z of the measuring coil 5 for the optical measuring part 11 the circuit arrangement 1 ,

Die zweite skalare z-Komponenten-Übertragungsfunktion Tz0 ist dem Kompensationsteil 16 zugeordnet.The second scalar z-component transfer function T z0 is the compensation part 16 assigned.

Dabei erfolgt eine Ausnutzung des Kompensationsprinzips für die beiden skalaren z-Komponenten-Übertragungsfunktionen Tz, Tz0 des Messteils 11 und des Kompensationsteils 16 der Schaltungsanordnung 1.This exploitation of the compensation principle for the two scalar z-components ten transfer functions T z , T z0 of the measuring part 11 and the compensation part 16 the circuit arrangement 1 ,

Dazu wird ein einfacher stabiler Regelkreis mit dem eingeschalteten Integrator 8 zur weitgehenden Elimination der bleibenden Regelabweichung α(t)-α0(t) mit t → ∞ eingesetzt.This is a simple stable control loop with the switched integrator 8th used for the substantial elimination of the remaining control deviation α (t) -α 0 (t) with t → ∞.

Die Schaltungsanordnung 1 lässt sich durch die genaue Einstellung des Winkels φ der schrägen Anregung relativ leicht abgleichen. Die Messwerte iR sind unter den gegebenen Bedingungen schon nach einer Einschwingzeit t von weniger als 1 s verfügbar.The circuit arrangement 1 can be adjusted by the exact adjustment of the angle φ of the oblique excitation relatively easily. The measured values i R are available under the given conditions after a settling time t of less than 1 s.

Durch die Berücksichtigung des Faraday-Effektes zur stromproportionalen Drehung der Polarisationsebenen der in den gleichartigen Lichtwellenleiter-Spulen – der Lichtwellenleiter-Messspule 5 und der Lichtwellenleiter-Kompensationsspule 12 – getrennt laufenden Lichtwellen wird die Drehung der Polarisationsebenen längs der z-Richtung miteinander verglichen.By taking into account the Faraday effect for current-proportional rotation of the polarization planes in the similar optical waveguide coils - the optical fiber measuring coil 5 and the optical fiber compensation coil 12 - Separate current light waves, the rotation of the polarization planes along the z-direction is compared.

Dabei wird ein einfacher linearer Zusammenhang zwischen dem Messwert iF des Stromes i und dem Messwert iR des Stromes i0 durch den Proportionalitätsfaktor – das Windungszahlenverhältnis N/N0 – der beiden zugehörigen Lichtwellenleiter-Spulen 5, 12 vermittelt.In this case, a simple linear relationship between the measured value i F of the current i and the measured value i R of the current i 0 by the proportionality factor - the number of turns N / N 0 - of the two associated optical fiber coils 5 . 12 taught.

Das bedeutet auch, dass die Erfindung es ermöglicht, dass die Schaltungsanordnung 1 alle nachteiligen Effekte, wie z.B. die Doppelbrechung gleichartiger Lichtwellenleiter eliminiert und somit ein linearer Zusammenhang zwischen dem Strom i und dem Strom i0 durch das Windungszahlenverhältnis in der Form

Figure 00230001
gegeben ist.This also means that the invention enables the circuit arrangement 1 eliminates all adverse effects, such as the birefringence of similar optical fibers and thus a linear relationship between the current i and the current i 0 by the number of turns in the form
Figure 00230001
given is.

11
Schaltungsanordnungcircuitry
22
Lichtquellelight source
33
Polarisatorpolarizer
44
erster Lichtwellenleiterfirst optical fiber
55
Lichtwellenleiter-MessspuleFiber optic measuring coil
66
erster elektrischer Leiterfirst electrical conductor
77
Analysatoranalyzer
88th
Auswerteeinrichtungevaluation
99
erster Kopplerfirst coupler
1010
zweiter Kopplersecond coupler
1111
Messteilmeasuring unit
1212
Lichtwellenleiter-KompensationsspuleOptical fiber compensating coil
1313
erster Abschlussfirst graduation
1414
zweiter Abschlusssecond graduation
1515
zweiter elektrischer Leitersecond electrical conductor
1616
Kompensationsteilcompensation part
1717
Eingangstor des Polarisatorsfront gate of the polarizer
1818
Ausgangstor des Polarisatorsoutput gate of the polarizer
1919
erstes Eingangstor des ersten Kopplersfirst Entrance gate of the first coupler
2020
erstes Ausgangstor des ersten Kopplersfirst Output gate of the first coupler
2121
zweites Eingangstor des ersten Kopplerssecond Entrance gate of the first coupler
2222
zweites Ausgangstor des ersten Kopplerssecond Output gate of the first coupler
2323
erstes Eingangstor des zweiten Kopplersfirst Entrance gate of the second coupler
2424
zweites Eingangstor des zweiten Kopplerssecond Entrance gate of the second coupler
2525
erstes Ausgangstor des zweiten Kopplersfirst Output gate of the second coupler
2626
zweites Ausgangstor des zweiten Kopplerssecond Output gate of the second coupler
2727
Einkoppelstellecoupling point
2828
erster Operationsverstärkerfirst operational amplifiers
2929
Kondensatorcapacitor
3030
Widerstandresistance
3131
Ausgangoutput
3232
zweiter Operationsverstärkersecond operational amplifiers
3333
invertierender Einganginverting entrance
3434
Ausgangoutput
3535
invertierender Einganginverting entrance
3636
nichtinvertierender Einganginverting entrance
ii
Strom im ersten elektrischen Leiterelectricity in the first electrical conductor
iF i f
Messwert des Stromes ireading of the current i
JJ
erste Jones-Matrixfirst Jones matrix
J(α)J (α)
zweite Jones-Matrixsecond Jones matrix
Tz(α)T z (α)
erste z-Komponenten-Übertragungsfunktionfirst z-component transfer function
Tzges T zges
gesamte z-Komponenten-Übertragungsfunktionall z-component transfer function
NN
erste Windungsanzahlfirst number of turns
N0 N 0
zweite Windungsanzahlsecond number of turns
i0 i 0
Strom im zweiten elektrischen Leiterelectricity in the second electrical conductor
iF i f
Messwert des Stromes i0 Measured value of the current i 0
J00)J 00 )
dritte Jones-Matrixthird Jones matrix
Tz00)T z00 )
zweite z-Komponenten-Übertragungsfunktionsecond z-component transfer function
αα
erster Drehwinkelfirst angle of rotation
α0 α 0
zweiter Drehwinkelsecond angle of rotation
Θ1 Θ 1
erster Koppelwinkelfirst coupling angle
Θ2 Θ 2
zweiter Koppelwinkelsecond coupling angle
φφ
Winkelangle
RR
Widerstandswertresistance
CC
Kondensatorwertcapacitor value
UMess U Mess
Messspannungmeasuring voltage
iph ph
Photostromphotocurrent
tt
ZeitTime

Claims (21)

Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Ströme in elektrischen Leitern mit Lichtwellenleitern, enthaltend als Messteil – eine Lichtquelle zum Erzeugen eines polarisierten Messlichts, – einen Polarisator, der mit der Lichtquelle mittels eines Lichtwellenleiters verbunden ist, – eine Lichtwellenleiter-Messspule, die mit einer Windungszahl N um einen den zu messenden Strom i führenden elektrischen Leiter gewickelt ist, – einen Analysator, an den die Lichtwellenleiter-Messspule geführt ist, – einen Lichtempfänger mit einer Auswerteeinrichtung, wobei der Lichtempfänger dem Analysator zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) schräg unter einem Winkel φ an den nachfolgenden Polarisator (3), der für die z-Richtung favorisiert ist, angeschlossen ist sowie zwischen dem Polarisator (3) und der Lichtwellenleiter-Messspule (5) ein erster Koppler (9) und zwischen der Lichtwellenleiter-Messspule (5) und dem Analysator (7) ein zweiter Koppler (10) angeordnet sind, wobei die Koppler (9, 10) einem zum Messteil (11) parallel gerichteten, beidendseitig reflexionsfreien Kompensationsteil (16) zugeordnet sind, in dem sich zwischen den Kopplern (9, 10) eine Lichtwellenleiter-Kompensationsspule (12), die mit einer zweiten Windungszahl N0 um einen zweiten elektrischen Leiter (15) gewickelt ist, der einen Strom i0 führt, angekoppelt befindet, wobei die Koppler (9, 10) jeweils zur Gegenseite der An kopplung der Lichtwellenleiter-Kompensationsspule (12) reflexionsfreie Abschlüsse (13, 14) aufweisen, wobei dem zweiten elektrischen Leiter (15) eine Auswerteeinrichtung (8) zugeordnet ist, die mit dem Lichtempfänger des Analysators (7) in Verbindung steht und einen Messwert iR des Stromes i0 erzeugt, so dass der Messwert iF des Stromes i aus der Gleichung
Figure 00270001
in der Auswerteeinrichtung (8) ermittelbar ist, wobei der am Ende des optischen Teils (11, 16) angeordnete Analysator (7) die x-Komponente Dx und die y-Komponente Dy der elektrischen Verschiebungsflussdichte unterdrückt und nur bei deren z-Komponente einen Photostrom iph liefert, der einen Regelkreis steuert, der der Lichtwellenleiter-Kompensationsspule (12) zugeordnet ist, wobei der Strom i durch den elektrischen Leiter (6) eine Führungsgröße – gemessen als Messwert iF – und der Strom i0 durch den zweiten elektrischen Leiter (15) eine Regelgröße – gemessen als Messwert iR – darstellen.
Circuit arrangement for measuring electrical currents in electrical conductors with optical waveguides, comprising as measuring part - a light source for generating a polarized measuring light, - a polarizer which is connected to the light source by means of an optical waveguide, - an optical waveguide measuring coil having a number of turns N to a the electrical conductor to be measured is wound, an analyzer, to which the optical waveguide measuring coil is guided, a light receiver with an evaluation device, wherein the light receiver is associated with the analyzer, characterized in that the light source ( 2 ) obliquely at an angle φ to the following polarizer ( 3 ), which is favored for the z-direction, is connected and between the polarizer ( 3 ) and the optical fiber measuring coil ( 5 ) a first coupler ( 9 ) and between the optical fiber measuring coil ( 5 ) and the analyzer ( 7 ) a second coupler ( 10 ), the couplers ( 9 . 10 ) one to the measuring part ( 11 ) parallel directed, on both sides reflection-free compensation part ( 16 ), in which between the couplers ( 9 . 10 ) an optical fiber compensation coil ( 12 ) having a second number of turns N 0 around a second electrical conductor ( 15 ), which carries a current i 0 , is coupled, the couplers ( 9 . 10 ) each to the opposite side to the coupling of the optical fiber compensation coil ( 12 ) reflection-free statements ( 13 . 14 ), wherein the second electrical conductor ( 15 ) an evaluation device ( 8th ) associated with the light receiver of the analyzer ( 7 ) and generates a measured value i R of the current i 0 , so that the measured value i F of the current i from the equation
Figure 00270001
in the evaluation device ( 8th ) can be determined, wherein the at the end of the optical part ( 11 . 16 ) analyzer ( 7 ) suppresses the x-component D x and the y-component D y of the electrical displacement flux density and provides only at the z-component of a photocurrent i ph , which controls a control loop of the optical fiber compensation coil ( 12 ), wherein the current i through the electrical conductor ( 6 ) a reference variable - measured as measured value i F - and the current i 0 through the second electrical conductor ( 15 ) represent a controlled variable - measured as measured value i R -.
Schaltunganordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) eine Laserdiode ist.Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that the light source ( 2 ) is a laser diode. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingangstor (17) des Polarisators (3) ein Eingangssignal eine elektrische Verschiebungsflussdichte mit den zum zugehörigen Eingangstor (17) parallelen Komponen ten Dxin, Dyin sowie der zu den parallelen Komponenten Dxin, Dyin senkrechten Komponente Dzin aufweist.Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that at the entrance gate ( 17 ) of the polarizer ( 3 ) an input signal an electrical displacement flux density with the associated input gate ( 17 ) parallel components D xin , D yin and the component D zin , which is perpendicular to the parallel components D xin , D yin . Schaltungsanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator (3) eine erste Jones-Matrix J gemäß Gleichung
Figure 00280001
besitzt.
Circuit arrangement according to any preceding claim, characterized in that the polarizer ( 3 ) a first Jones matrix J according to the equation
Figure 00280001
has.
Schaltungsanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgangstor (18) des Polarisators (3) ein Ausgangssignal eine elektrische Verschiebungsflussdichte mit den Komponenten Dxout, Dyout, D'zout des Polarisators (3) aufweist, wobei gemäß Gleichung D'zout = ½ Dzout (III)ist, wobei Dzout die finale z-Komponente der elektrischen Verschiebungsflussdichte D'zout im zugehörigen Lichtempfänger des z-Komponenten-Analysators (7) ist.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at the output gate ( 18 ) of the polarizer ( 3 ) an output signal an electrical displacement flux density with the components D xout , D yout , D ' zout of the polarizer ( 3 ), wherein according to equation D ' zout = ½ D zout (III) where D zout is the final z-component of the electrical displacement flux density D ' zout in the associated light receiver of the z-component analyzer ( 7 ). Schaltungsanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppler (9, 10) jeweils zwei Eingangstore (19, 21) und zwei Ausgangstore (20, 22) aufweisen, wobei sich die jeweils zugeordneten Eingangs-/Ausgangstore (19, 20) in Lichtwellenrichtung gegenüberliegen und die Eingangs-/Ausgangstore (19, 21; 20, 22) in Parallelität zueinander gleich beabstandet sind.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the couplers ( 9 . 10 ) two entrance gates ( 19 . 21 ) and two exit gates ( 20 . 22 ), wherein the respectively assigned input / output gates ( 19 . 20 ) in the optical wave direction and the input / output ports ( 19 . 21 ; 20 . 22 ) are equally spaced in parallelism with each other. Schaltungsanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Koppler (9) ein Drei-dB-Koppler mit Θ1 = π / 4 ist, wobei Θ1 einen ersten Koppelwinkel darstellt.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the first coupler ( 9 ) is a three dB coupler with Θ 1 = π / 4, where Θ 1 represents a first coupling angle. Schaltungsanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Koppler (10) ein Drei-dB-Koppler mit Θ2 = π / 4 ist, wobei Θ2 einen zweiten Koppelwinkel darstellt.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the second coupler ( 10 ) is a three dB coupler with Θ 2 = π / 4, where Θ 2 represents a second coupling angle. Schaltungsanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal am Ausgangstor (18) des Polarisators (3) dem Eingangssignal für den ersten Drei-dB-Koppler (9) mit dem ersten Koppelwinkel Θ1 = π / 4 entspricht.Circuit arrangement according to any preceding claim, characterized in that the output signal at the output gate ( 18 ) of the polarizer ( 3 ) the input signal for the first three dB coupler ( 9 ) corresponds to the first coupling angle Θ 1 = π / 4. Schaltungsanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass an das zweite Eingangstor (21) des ersten Kopplers (9) ein erster reflexionsfreier Abschluss (13) und an das erste Ausgangstor (20) des ersten Kopplers (9) die Lichtwellenleiter-Messspule (5), der eine zweite Jones-Matrix J = J(α) und eine erste z-Komponenten-Übertragungsfunktion Tz = Tz(α) in Abhängigkeit von dem ersten Drehwinkel α der Polarisationsebene der nichtabgelenkten Lichtwelle sowie die Windungszahl N zugeordnet sind, angeschlossen sind.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the second input gate ( 21 ) of the first coupler ( 9 ) a first anechoic conclusion ( 13 ) and to the first exit gate ( 20 ) of the first coupler ( 9 ) the optical fiber measuring coil ( 5 ), which are associated with a second Jones matrix J = J (α) and a first z-component transfer function T z = T z (α) in dependence on the first rotation angle α of the plane of polarization of the undeflected light wave and the number of turns N. are. Schaltungsanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass an das zweite Ausgangstor (22) des ersten Kopplers (9) die um den zweiten elektrischen Leiter (15) gewickelte Lichtwellenleiter-Kompensationsspule (12) angeschlossen ist, der die zweite Windungszahl N0, eine dritte Jones-Matrix J0 = J00) und eine zweite z-Komponenten-Übertragungsfunktion Tz0 = Tz00) in Abhängigkeit von dem zweiten Drehwinkel α0 der Polarisationsebene der abgelenkten Lichtwelle zugeordnet sind.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the second output port ( 22 ) of the first coupler ( 9 ) around the second electrical conductor ( 15 ) wound optical fiber compensation coil ( 12 ), the second winding number N 0 , a third Jones matrix J 0 = J 00 ) and a second z-component transfer function T z0 = T z00 ) in dependence on the second rotation angle α 0 are assigned to the polarization plane of the deflected light wave. Schaltungsanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter-Messspule (5) sowie die Lichtwellenleiter-Kompensationsspule (12) eingangsseitig an den zweiten Drei-dB-Koppler (10) mit dem zweiten Koppelwinkel Θ2 = π / 4 angeschlossen sind, der als zweites Ausgangstor (26) einen reflexionsfreien zweiten Abschluss (14) zu seinem der Lichtwellenleiter-Kompensationsspule (12) zugeordneten, eingangsseitigen, gegenüberliegenden zweiten Eingangstor (24) besitzt.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the optical waveguide measuring coil ( 5 ) as well as the optical waveguide compensation coil ( 12 ) on the input side to the second three dB coupler ( 10 ) are connected to the second coupling angle Θ 2 = π / 4, the second off Gangstor ( 26 ) a reflection-free second degree ( 14 ) to its optical fiber compensation coil ( 12 ), input side, opposite second input port ( 24 ) owns. Schaltungsanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter-Messspule (5) und die Lichtwellenleiter-Kompensationsspule (12) wahlweise folgende Parameter: – Gleiche Länge L, – gleiche Hauptbrechzahlen nx, ny, – gleiche Verdetkonstante V, – gleiche Doppelbrechung δ und – unterschiedliche Windungszahlen N, N0 besitzen.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the optical waveguide measuring coil ( 5 ) and the optical fiber compensation coil ( 12 ) optionally have the following parameters: - equal length L, - same main refractive indices n x , n y , - same Verdetkonstante V, - same birefringence δ and - have different numbers of turns N, N 0 . Schaltungsanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für die gesamte z-Komponenten-Übertragungsfunktion Tzges unter Berücksichtigung der z-Komponenten-Übertragungsfunktion Tz des Messteils (11) und unter Berücksichtigung der z-Komponenten-Übertragungsfunktion Tz0 des Kompensationsteils (16) die Gleichung Tzges = ½ cosΘ1 Tz cosΘ2 – ½ sinΘ1 Tz0 sinΘ2 (V)gilt.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that, for the entire z-component transfer function T zges , taking into consideration the z-component transfer function T z of the measuring part ( 11 ) and taking into account the z-component transfer function T z0 of the compensation part ( 16 ) the equation T CGUs = ½ cosΘ 1 T z cos 2 - ½ sinΘ 1 T z0 sinΘ 2 (V) applies. Schaltungsanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (8) einen Regelkreis einschließlich eines Integrators aufweist.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device ( 8th ) has a control loop including an integrator. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis ein Stabilitätsverhalten auf der Grundlage der „Harmonischen Balance" mit Einschwingvorgängen aufweist.Circuit arrangement according to Claim 15, characterized that the control loop has a stability behavior based on the "harmonics Balance "with transients. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrator (8) im Wesentlichen aus einem ersten Operationaverstärker (28), einem dazu zwischen dem invertierenden Eingang (33) und dem Ausgang (31) parallel geschalteten Kondensator (29) und einem am Ausgang (31) an geschlossenen, in Reihe nachgeordneten Widerstand (30) besteht, wobei der Widerstand (30) mit dem der Kompensationsspule (12) zugeordneten zweiten elektrischen Leiter (15) in Verbindung steht, der an Masse anliegt, und wobei am Ausgang (31) des ersten Operationsverstärkers (28) die Messspannung uMess abgegriffen wird.Circuit arrangement according to Claim 15 or 16, characterized in that the integrator ( 8th ) essentially from a first operational amplifier ( 28 ), one between the inverting input ( 33 ) and the output ( 31 ) parallel-connected capacitor ( 29 ) and one at the exit ( 31 ) on closed, series-connected resistance ( 30 ), the resistance ( 30 ) with the compensation coil ( 12 ) associated second electrical conductor ( 15 ), which is connected to ground, and at the output ( 31 ) of the first operational amplifier ( 28 ) the measuring voltage u Mess is tapped. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite elektrische Leiter (15) dem Ausgang (34) eines zweiten Operationsverstärkers (32) zugeführt ist, wodurch eine „schwimmende" Lichtwellenleiter-Kompensationsspule (12) vorliegt und wobei die Eingänge des zweiten Operationsverstärkers (32) dessen invertierender Eingang (35), der mit dem Ausgang des Widerstands (30) verbunden ist, und dessen nichtinvertierender Eingang (36), an dem die Masse anliegt, sind.Circuit arrangement according to claim 17, characterized in that the second electrical conductor ( 15 ) the output ( 34 ) of a second operational amplifier ( 32 ), whereby a "floating" optical fiber compensation coil ( 12 ) and wherein the inputs of the second operational amplifier ( 32 ) whose inverting input ( 35 ) connected to the output of the resistor ( 30 ) and its noninverting input ( 36 ), on which the mass is applied, are. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Integrator (8) aus dem Widerstandswert R, aus dem Kondensatorwert C und aus dem Verlauf des Photostroms iph(t) der Messwert iR des Stromes i0 nach Gleichung i0 = 1/RC ∫ iph(t)dt + c (VI)ermittelbar ist.Circuit arrangement according to claim 17 or 18, characterized in that with the integrator ( 8th ) from the resistance value R, from the capacitor value C and from the course of the photocurrent i ph (t) the measured value i R of the current i 0 according to the equation i 0 = 1 / RC ∫ i ph (t) dt + c (VI) can be determined. Schaltungsanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der den Photostrom iph(t) empfangende Integrator (8) derart ausgebildet ist, dass die bleibende Regelabweichung, d.h. die Differenz der Drehwinkel α(t)-α0(t) in Ab hängigkeit von der Einschwingzeit t mit t gegen Unendlich, gegen Null geht und der Integrator (8) ausgangsseitig den Messwert iR liefert.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the integrator receiving the photocurrent i ph (t) ( 8th ) is designed such that the permanent control deviation, ie the difference of the rotation angle α (t) -α 0 (t) in dependence on the settling time t with t to infinity, goes to zero and the integrator ( 8th ) supplies the measured value i R on the output side. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß der Gleichung
Figure 00330001
ein optischer Transformator vorliegt, wobei der Faraday-Effekt zur Drehung der Polarisationsebenen der in der Lichtwellenleiter-Messspule (5) und der Lichtwellenleiter-Kompensationsspule (12) getrennt laufenden Lichtwellen um den jeweiligen Drehwinkel α, α0 – den zugehörigen Faraday-Winkeln – vorhanden ist, wobei die sich ausbildenden Drehwinkel α, α0 stromproportional dem Messwert iF im Messteil (11) bzw. dem Messwert iR im Kompensationsteil (16) entsprechend den Proportionalitäten α ~ i und α0 ~ i0 sind.
Circuit arrangement according to claim 1 to 20, characterized in that according to the equation
Figure 00330001
an optical transformer is present, wherein the Faraday effect for rotating the polarization planes of the in the optical fiber measuring coil ( 5 ) and the optical fiber compensation coil ( 12 ) separated current light waves around the respective rotation angle α, α 0 - the associated Faraday angles - is present, wherein the forming angles of rotation α, α 0 proportional to the current measurement i F in the measuring part ( 11 ) or the measured value i R in the compensation part ( 16 ) corresponding to the proportionalities α ~ i and α 0 ~ i 0 .
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