DE102005003200B4 - Circuit for measuring electrical currents in electrical conductors with optical fibers - Google Patents
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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). ..
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.
- 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
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
- – 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 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
- 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,
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
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
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
- – 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.
- 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,
- 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,
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
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 = J0(α0) und eine zweite z-Komponenten-Übertragungsfunktion Tz0 = Tz0(α0) 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 0 (α 0 ) and a second z-component transfer function T z0 = T z0 (α 0 ) 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:
Für die gesamte
z-Komponenten-Übertragungsfunktion
Tzges gilt die Gleichung:
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 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 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:
In
- – eine
Lichtquelle
2 zum Erzeugen eines polarisierten Messlichts, - – einen
Polarisator
3 , der mit der Lichtquelle2 mittels eines Lichtwellenleiters4 verbunden ist, - – eine
Lichtwellenleiter-Messspule
5 , die mit einer ersten Windungszahl N um einen den zu messenden Strom i führenden ersten elektrischen Leiter6 gewickelt ist, - – einen
Analysator
7 , an den die Lichtwellenleiter-Messspule5 geführt ist, und - – einen
Lichtempfänger
mit einer Auswerteeinrichtung
8 , wobei der Lichtempfänger dem Analysator7 zugeordnet ist.
- - a light source
2 for generating a polarized measuring light, - - a polarizer
3 that with the light source2 by means of an optical waveguide4 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 measured6 is wrapped - - an analyzer
7 to which the optical fiber measuring coil5 is guided, and - - A light receiver with an evaluation
8th wherein the light receiver is the analyzer7 assigned.
Erfindungsgemäß sind die
Lichtquelle
Die
Lichtquelle
Am
Eingangstor
Der
Polarisator
Am
Ausgangstor
Die
Koppler
Der
erste Koppler
Damit
entspricht das Ausgangssignal am Ausgangstor
Es
sind an das zweite Eingangstor
An
das zweite Ausgangstor
Der
auf die Lichtwellenleiter-Kompensationsspule
Der
zweite Koppler
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
Vorzugsweise
können
die Lichtwellenleiter-Messspule
- – Gleiche Länge L,
- – gleiche Hauptbrechzahlen nx, ny,
- – gleiche Verdetkonstante V,
- – gleiche Doppelbrechung δ und
- – unterschiedliche Windungszahlen N, N0.
- - 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
Für die gesamte
z-Komponenten-Übertragungsfunktion
Tzges gilt die Gleichung:
Die
optischen Koppler
Der erste Koppler
The first coupler
Des
Weiteren ist an das erste Ausgangstor
Die
Auswerteeinrichtung
Der
zugehörige
Regelkreis arbeitet in seinem Stabilitätsverhalten auf der Grundlage
der „Harmonischen
Balance" mit Einschwingvorgängen, wobei
final der Messwert iR im Kompensationsteil
In
Unter
Verwendung gleicher Bezugszeichen ist in
Bei
beiden Integratoren
Außerdem ist
der Photostrom iph(t) im z-Komponenten-Analysator
Der
den Photostrom iph(t) empfangende Integrator
Gemäß der Gleichung liegt in der Schaltungsanordnung
Im
Folgenden wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
Daraus
ergibt sich ein durchgängige
und finale Verwendung der ersten z-Komponenten-Übertragungsfunktion Tz der Messspule
Die
zweite skalare z-Komponenten-Übertragungsfunktion
Tz0 ist dem Kompensationsteil
Dabei
erfolgt eine Ausnutzung des Kompensationsprinzips für die beiden
skalaren z-Komponenten-Übertragungsfunktionen
Tz, Tz0 des Messteils
Dazu
wird ein einfacher stabiler Regelkreis mit dem eingeschalteten Integrator
Die
Schaltungsanordnung
Durch
die Berücksichtigung
des Faraday-Effektes zur stromproportionalen Drehung der Polarisationsebenen
der in den gleichartigen Lichtwellenleiter-Spulen – der Lichtwellenleiter-Messspule
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
Das
bedeutet auch, dass die Erfindung es ermöglicht, dass die Schaltungsanordnung
- 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
- J0(α0)J 0 (α 0 )
- dritte Jones-Matrixthird Jones matrix
- Tz0(α0)T z0 (α 0 )
- 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
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