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Die
vorliegende Erfindung betrifft faseroptische Sensoren, und insbesondere
faseroptische Stromsensoren.
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Faseroptische
Stromsensoren arbeiten auf der Grundlage des Faraday-Effekts. In
einem Draht fließender
Strom induziert ein Magnetfeld, welches aufgrund des Faraday-Effektes
die Polarisationsebene des Lichtes dreht, welches sich in der optischen
Faser ausbreitet, welche um den stromführenden Draht herum gewickelt
ist. Das Faraday'sche
Gesetz kann geschrieben werden als:
wobei I der elektrische Strom
ist, H das magnetische Feld ist und das Integral über einen
geschlossenen Pfad um den Strom herum genommen ist. Wenn die Erfassungsfaser
um den stromführenden
Draht mit einer ganzzahligen Anzahl an Windungen gewickelt ist und
jeder Punkt in der Erfassungsfaser eine konstante Empfindlichkeit
auf das magnetische Feld aufweist, dann hängt die Drehung der Polarisationsebene
des Lichts in der Faser von dem Strom ab, welcher in dem Draht fließt, und
ist unempfindlich gegenüber
allen außerhalb
erzeugten Magnetfeldern, wie sie beispielsweise durch Ströme verursacht
sind, welche durch in der Nähe
befindliche Drähte
fließen.
Der Winkel ΔΦ, um welchen
sich die Polarisationsebene von Licht in der Anwesenheit eines Magnetfeldes
dreht, ist gegeben durch:
ΔΦ = v ∫ H.dL, (2)wobei V die
Verdet-Konstante des Faserglases ist.
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Die
optische Erfassungsfaser führt
das Linienintegral des Magnetfeldes entlang seinem Pfad aus, welches
Magnetfeld proportional zu dem Strom in dem Draht ist, wenn sich
dieser Pfad schließt.
Daher ist ΔΦ = VNI,
wobei N die Anzahl an Windungen der Erfassungsfaser ist, welche
um den stromführenden
Draht herumgewickelt ist. Die Drehung der Polarisation des Lichtes
aufgrund der Anwesenheit eines elektrischen Stromes kann gemessen
werden, indem Licht in einem wohldefinierten Zustand linearer Polarisation
in den Erfassungsbereich eingeführt
wird, und dann der Polarisationszustand des Lichtes analysiert wird,
nachdem es den Erfassungsbereich verläßt. Alternativ stellt ΔΦ die Überschuß-Phasenverschiebung
dar, welche eine Lichtwelle zirkular polarisierten Lichts erfährt, welche
sich in der Erfassungsfaser ausbreitet.
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Diese
Technologie beruht auf dem faseroptischen In-line-Strom-Sensor (in-line
optical fibre current sensor), wie er in dem dem Erfinder James
N. Blake erteilten US-Patent Nr. 5,644,397 beschrieben ist, herausgegeben
am 1. Juli 1997, mit dem Titel "Fiber
Optic Interferometric Circuit and Magnetic Field Sensor", welches hierin
durch Inbezugnahme aufgenommen ist. Sensoren mit optischen Fasern
sind auch in den dem Erfinder James N. Blake erteilten US-Patenten
US 5,696,858 , herausgegeben
am 9. Dezember 1997, mit dem Titel "Fiber Optics Apparatus and Method for
Accurate Current Sensing",
sowie
US 6,188,811 ,
mit dem Titel "Fiber
Optic Current Sensor",
beschrieben, deren Offenbarungen hierin durch Inbezugnahme aufgenommen sind.
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Ein
in dem '811-Patent
offenbarter faseroptischer Stromsensor ist hier als 1 wiedergegeben. Licht von einer Quelle 10 breitet
sich demgemäß durch
einen Koppler 11 und Polarisator 12 hin zu einem 45-Grad-Spleiß 13 aus,
wo es sich gleichmäßig in die
zwei Polarisationszustände
aufteilt, welche durch den übrigen
Teil des optischen Kreises aufrechterhalten werden. Ein piezoelektrischer
Doppelbrechungsmodulator 14 moduliert die Phasen des Lichts
in den zwei Polarisationszuständen
unterschiedlich. Der Modulator 14 ist durch einen Modulatorsignalgenerator 71 getrieben,
welcher ein elektrisches, periodisches, alternierendes Signal mit
entweder einer rechteckförmigen
oder sinusförmigen
Welle bereitstellt. Das Licht breitet sich dann durch die Verzögerungsleitung 15 durch
den Modenkonverter 16, welcher die zwei linearen Polarisationszustände in zwei
zirkulare Polarisationszustände
umwandelt, und durch die optimierte Sensorspule 17 aus.
Die optimierte Sensorspule 17 ist um einen stromführenden
Draht 18 herum gewickelt. Das Licht wird an dem reflektierenden
Abschluß 19 zurück reflektiert
und nimmt seinen Weg zurück
durch die optische Schaltung und fällt schließlich auf den Detektor 20.
Ein Open-Loop (offenschleifiger)-Signal-Prozessor 21 wandelt
das erfaßte Signal
zu einer Ausgabe 22 um, welche den Strom anzeigt, welcher
in dem stromführenden
Draht 18 fließt. Das '811-Patent beschreibt
auch Ausführungsformen,
worin ein Faraday-Rotator und Modenkonverter anstelle des Doppelbrechungsmodulators 14 verwendet
werden können,
um einen Stromsensor passiv mit einem Versatz (bias) zu versehen.
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Der
Koppler 11 kann als eine optische 3dB-Kopplungsvorrichtung
realisiert sein und führt
intrinsische optische Verluste in das System ein. Intrinsische optische
Verluste bedeuten Verluste, welche in dem faseroptischen Stromsensor
vorliegen, unter Annahme idealer Geräteeigenschaften, und unter
Ausschluß von
Verlusten außerhalb
der Geräte
selbst, beispielsweise Verluste, welche optischen Spleißen zuzuschreiben
sind. Beispielsweise wird, während
der Vorwärtsausbreitung
des Lichtes von der Lichtquelle 10 zu dem reflektiven Abschluß 19,
ein Teil (beispielsweise etwa eine Hälfte) des durch die Lichtquelle 10 erzeugten
Lichts durch den Koppler 11 in die optische Faser 24 gekoppelt
und nimmt seinen Weg weg von dem Detektor 20 (wie durch den
Pfeil A dargestellt). Diese Lichtenergie kann absorbiert werden
oder auf andere Weise entsorgt werden, da sie in der Stromerfassungsmessung
nicht verwendet wird. Der übrige
Teil des Lichtes (dargestellt durch den Pfeil B) nimmt seinen Weg
in Richtung des reflektiven Abschlusses 19, wie oben beschrieben,
jedoch geht etwa eine Hälfte
dieses Lichtes in dem Polarisator 12 verloren. Wenn das
Licht von dem reflektiven Abschluß 19 zurückkehrt,
erfährt
es wiederum Verluste, wenn es durch den Polarisator 12 hindurchgeht.
Zur Erläuterung sei
angenommen, daß der
Modulator 14 dazu ausgebildet ist, den Stromsensor mit
einem Versatz zu dem Quadraturpunkt (unten beschrieben) zu versehen;
dann werden die mit dem Polarisator 12 auf dem Rückkehrpfad
zusammenhängenden
intrinsischen optischen Verluste wiederum etwa eine Hälfte der
da hindurchgehenden Lichtenergie sein. Das Restlicht wird wiederum
in die optische Faser 24 eingekoppelt, was dazu führt, daß ein Teil
des Lichtes (dargestellt durch den Pfeil C) zu dem Detektor 20 weiterläuft und
ein anderer Teil (dargestellt durch den Pfeil D) fortgesetzt in
Richtung der Quelle 10 weiterläuft. Bei Betrachtung der intrinsischen
Verluste wird daher lediglich etwa ein Sechzehntel der ursprünglich durch
die Lichtquelle 10 erzeugten Lichtenergie tatsächlich dem
Detektor 20 zurückgeführt.
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Entsprechend
wäre es
wünschenswert,
optische Stromsensoren bereitzustellen, welche unter anderem reduzierte
optische Verluste und eine geringere Anzahl an Komponenten aufweisen
und kosteneffizienter herzustellen sind.
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Entsprechend
einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform umfaßt ein Verfahren
zum Erfassen von Strom unter Verwendung eines faseroptischen stromerfassenden
Gerätes:
Polarisieren eines Quellenlichtes, indem dieses durch einen Polarisationsstrahlteiler
geführt
wird, Einführen
einer ersten versetzenden Phasenverschiebung (biasing phase shift)
in zirkular polarisierte Wellenkomponenten (component waves) eines
von dem Polarisationsstrahlteiler ausgehenden Lichtes, Umwandeln
der Polarisationswellenkomponenten von zirkular polarisierten Wellenkomponenten
in linear polarisierte Wellenkomponenten, Führen der linear polarisierten
Wellenkomponenten durch eine polarisationserhaltende Faser, Umwandeln
der linear polarisierten Wellenkomponenten zurück in zirkular polarisierte
Wellenkomponenten, Einführen
einer mit dem Strom zusammenhängenden
zweiten Phasenverschiebung in die zirkular polarisierten Wellenkomponenten, Rückführen des
Lichtes entlang einem entgegengesetzten Pfad des faseroptischen
stromerfassenden Gerätes,
wodurch eine dritte Phasenverschiebung, welche mit dem Strom zusammenhängt, sowie
eine vierte versetzende Phasenverschiebung in die zirkular polarisierten
Wellen eingeführt
wird, und Richten des rückgeführten Lichtes
auf einen Detektor über
einen nicht-reziproken Port des Polarisationsstrahlteilers, um den
Strom zu erfassen.
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Entsprechend
einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
umfaßt
ein faseroptischer Stromsensor eine Lichtquelle, einen mit der Lichtquelle
verbundenen Polarisationsstrahlteiler mit einem reziproken Port
und einem nicht-reziproken Port, einen mit dem Polarisationstrahlteiler
verbundenen Faraday-Rotator, eine erste Lambda-Viertel-Platte, welche mit
dem Faraday-Rotator verbunden ist, eine mit der ersten Lambda-Viertel-Platte
verbundene polarisationserhaltende Faser, eine zweite Lambda-Viertel-Platte,
welche mit der polarisationserhaltenden Faser verbunden ist, eine
mit der zweiten Lambda-Viertel-Platte verbundene Erfassungsfaser,
und einen über
den nicht-reziproken Port mit dem Polarisationsstrahlteiler verbundenen
Detektor mit einem Ausgang.
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Die
begleitenden Zeichnungen zeigen beispielhafte erfindungsgemäße Ausführungsformen,
und es zeigt:
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1 einen
herkömmlichen
faseroptischen Stromsensor;
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2 einen
faseroptischen Stromsensor entsprechend einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform;
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3 einen
Graph einer Intensität
in Abhängigkeit
von einer Phase für
Licht, welches auf einen Detektor fällt, für einen herkömmlichen
faseroptischen Stromsensor nach 1;
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4 einen
Graph einer Intensität
in Abhängigkeit
von einer Phase für
Licht, welches entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführungsform auf einen Detektor
des faseroptischen Stromsensors nach 2 fällt;
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5 ein
Blockdiagramm, welches einen beispielhaften Closed-Loop-Steuerschaltkreis
entsprechend einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt; und
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6 ein
Flußdiagramm,
welches ein Verfahren zum Erfassen von Strom unter Verwendung eines
faseroptischen Stromsensors entsprechend einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt.
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Die
folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung bezieht sich auf
die begleitenden Zeichnungen. Dieselben Referenzzeichen in verschiedenen
Zeichnungen identifizieren diesselben oder ähnliche Komponenten. Auch schränkt die
folgende detaillierte Beschreibung nicht die Erfindung ein.
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Vielmehr
ist der Gültigkeitsbereich
der Erfindung durch die angefügten
Ansprüche
definiert.
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Entsprechend
beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsformen
werden optische Verluste in faseroptischen Stromsensoren reduziert,
indem ein Polarisationsstrahlteiler verwendet wird, um Licht während einer
Vorwärtsausbreitung
in Richtung des reflektiven Abschlusses zu führen und während des Rückwegs in Richtung des Detektors
zu führen.
Andere Vorteile und Vorzüge
hängen
auch mit den faseroptischen Stromsensoren zusammen, welche Polarisationsstrahlteiler
verwenden, wie unten beschrieben wird.
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Ein
Beispiel ist in 2 gezeigt. Darin emittiert eine
Lichtquelle 50 (beispielsweise eine Superlumineszenzdiode
(SLED)) Licht mit einem zufälligen
Polarisationszustand, welches Licht in eine optische Mono-Mode-Faser
(single mode (SM)) 51 gekoppelt wird. Das Licht wird optional
durch einen Depolarisator 52 depolarisiert, so daß der Polarisationszustand
der Lichtausgabe von dem Depolarisator 52 etwa eine Hälfte von
Licht mit einem ersten linearen Polarisationszustand und den Rest
des Lichtes mit einem zweiten linearen Polarisationszustand enthält, welcher
orthogonal zu dem ersten linearen Polarisationszustand ist.
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Das
depolarisierte Licht breitet sich zu dem Polarisationsstrahlteiler
(PBS) 54 aus, wo es durch den Port 55 eintritt.
Der Polarisationsstrahlteiler 54 funktioniert dahingehend,
das depolarisierte Licht in seine zwei orthogonalen Polarisationskomponenten
zu zerlegen. Eine Polarisationskomponente (dargestellt durch den Pfeil
A) wird von einer Aufspaltungsverbindung (splitting junction) innerhalb
des PBS 54 zurückreflektiert,
und es wird im wesentlichen innerhalb des Gerätes gestreut (obwohl etwas
von dem Licht durch den Port 55 zurückreflektiert werden könnte) und
die andere Polarisationskomponente (dargestellt durch den Pfeil
B) wird durch den Port 57 des PBS durchgelassen. In der
Vorwärtsausbreitungsrichtung
(das heißt
von der Quelle 50 zu dem reflektiven Abschluß 56)
funktioniert der PBS 54 daher als ein Polarisator, so daß Licht
mit einem einzelnen linearen Polarisationszustand zu dem Faraday-Rotator 58 befördert wird.
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Das
linear polarisierte Licht, welches auf den Faraday-Rotator 58 fällt, kann
als zwei im wesentlichen gleiche zirkular polarisierte Komponentenwellen
angesehen werden, beispielsweise eine rechtsdrehende zirkular (RHC)
polarisierte Wellenkomponente und eine linksdrehende zirkular (LHC)
polarisierte Wellenkomponente. Der Faraday-Rotator 58 funktioniert dahingehend,
passiv einen Versatz zwischen der RHC-Wellenkomponente und der LHC-Wellenkomponente
einzuführen,
um die Empfindlichkeit des Detektors auf die Größe des durch den Draht 59 fließenden Stromes
zu verbessern, wie detaillierter unten mit Bezug auf 3 beschrieben
wird. In dieser beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform führt der
Faraday-Rotator 58 eine Phasenverschiebung von +22,5 Grad
auf eine der RHC- und
LHC-Wellenkomponenten und eine Phasenverschiebung von –22,5 Grad
auf die andere der RHC- und LHC-Wellenkomponenten ein. Die mit Versatz
versehene Lichtenergie wird dann auf eine Lambda-Viertel-Platte
(λ/4) 60 ausgegeben,
welche als ein Modenkonverter funktioniert, um das zirkular polarisierte
Licht in linear polarisiertes Licht umzuwandeln.
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Das
linear polarisierte Licht wird dann über eine polarisationserhaltende
(PM) Faser 61 zu einer weiteren Lambda-Viertel-Platte 62 befördert, welche
als ein Modenkonverter funktioniert, um das linear polarisierte
Licht zurück
in zirkular polarisiertes Licht umzuwandeln. Die Lambda-Viertel-Platte 60,
PM-Faser 61 und Lambda-Viertel-Platte 62 sind
als ein Mechanismus bereitgestellt, um zu helfen, die Polarisationszustände (und
noch wichtiger die relative Phasenverschiebung zwischen den Polarisationskomponenten)
des Lichtes aufrechtzuerhalten, da der Detektor 64 arbeitet,
um diese Phasenverschiebung zu erfassen, von welcher die Größe des durch
den Leiter 59 fließenden
Stromes ermittelt wird. In Abhängigkeit
von der besonderen Realisierung der erfindungsgemäßen faseroptischen
Stromsensoren kann die PM-Faser 61 eine beliebige Länge von
ein oder zwei Metern bis zu mehreren hundert Metern aufweisen, über welche
Länge es
nützlich
ist, die Polarisationszustände
der Komponenten und die Phasenverschiebungsinformation aufrechtzuerhalten.
Zum Befördern
des Lichtes über
diesen Teil des Systems wird eine lineare Polarisation verwendet,
weil sie weniger empfindlich gegenüber magnetischen und Spannungswirkungen
ist, welche dazu neigen, die Reinheit des Polarisationszustandes
der Wellenkomponenten des Lichtes verringern.
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Nachdem
das zirkular polarisierte Licht von der Lambda-Viertel-Platte 62 ausgegegeben
ist, tritt es in eine Erfassungsfaser 66 ein, welche den
Draht 59 umgibt, dessen Strom überwacht wird. Der Detektor 64 erzielt
auch seine größte Empfindlichkeit,
wenn die Zustände
zirkularer Polarisation durch die Erfassungsfaser 66 hindurch
gut aufrechterhalten werden. Wie in dem '811-Patent beschrieben, kann eine gesponnene
doppelbrechende Faser einen zirkularen Polarisationszustand in einem
gewissen Maß bewahren.
Jedoch kann es für einige
beispielhafte erfindungsgemäße Ausführungsformen
wünschenswert
sein, daß der
zirkulare Polarisationzustand gut aufrechterhalten wird, so dass
eine Erfassungsfaser mit sehr großer Länge (hunderte von Metern) verwendet
werden kann.
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Wie
einleitend erörtert,
wird der durch den Leiter 59 fließende Strom eine zusätzliche
Phasenverschiebung zwischen der RHC- und LHC-Polarisations-Wellenkomponenten
des Lichtes, welches durch die Erfassungsfaser 66 hindurchgeht,
einführen,
entsprechend ΔΦ = VNI,
kumulativ 2VNI. Das Licht wird dann den reflektiven Abschluß 56 erreichen,
beispielsweise einen Spiegel, wo es durch die Erfassungsfaser 66 auf
die Lambda-Viertel-Platte 62 zurückreflektiert wird. Während sich
das Licht zurück
durch die Erfassungsfaser 66 ausbreitet werden die RHC-
und LHC-Wellen-Komponenten des Lichtes eine zweite Phasenverschiebung
dazwischen von 2VNI erfahren, so daß sich in den zwei Durchgängen insgesamt
4VNI ergeben. Diese zweite Phasenverschiebung wird kumulativ zu
der ersten Phasenverschiebung sein (und nicht von dieser abzuziehen),
weil sich der Polarisationssinn der RHC- und LHC-Wellen-Komponenten bei dem
Auftreffen auf den reflektiven Abschluß umkehren und das Licht in
dem Rückwärtspfad
durch das Magnetfeld, welches von dem durch den Leiter 59 fließenden Strom
erzeugt ist, in der entgegengesetzten Richtung hindurchgeht.
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Das
Licht wird in dem Rückwärtspfad
durch die PM-Faser 61 von der Lambda-Viertel-Platte zurück in linear
polarisiertes Licht umgewandelt, und dann von der Lambda-Viertel-Platte 60 wieder
zurück
in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt. Dieses Licht wird dann
wieder von dem Faraday-Rotator 58 phasenverschoben, so
daß die
zwischen den RHC- und LHC-Wellenkomponenten eingeführte kumulative
Phasenverschiebung 90 Grad +4VNI beträgt. Das von dem Faraday-Rotator 58 ausgegebene
Licht breitet sich dann weiter zu dem PBS 54 aus. Ein Teil
des von dem Faraday-Rotator 58 ausgegebenen
Lichtes (ein Betrag, welcher von der während der Vorwärts- und
Rückwärtspfade
eingeführten
kumulativen Phasenverschiebung abhängt) wird eine Polarisation
aufweisen, welche bewirkt, daß es
von der Pfadachse des Faraday-Rotators 58 reflektiert wird
und durch den Port 65 des PBS 54 auf den Detektor 64 hin
gerichtet wird (wie durch den Pfeil C in 2 dargestellt).
Der Rest des Lichtes wird durch den Port 55 des PBS 54 in
Richtung der Quelle 50 zurückgeschickt werden (wie durch
den Pfeil D in 2 dargestellt), und kann isoliert
oder entladen werden, je nach Wunsch. In diesem Zusammenhang ist
der Port 65 der "nicht-reziproke
Port" von PBS 54,
weil das durch den Pfeil C dargestellte Licht auf seinem Rückwärtspfad
den PBS 54 durch einen anderen Port verläßt als den
Port (Port 55), durch welchen es in den PBS 54 entlang
des Vorwärtspfades
eingetreten ist. Umgekehrt verläßt der durch
den Pfeil D dargestellte Teil des Rückkehrlichtes den PBS 54 durch
den reziproken Port 55. Beispielhafte erfindungsgemäße Ausführungsformen
erfassen die Intensität
des Lichtes, welches durch den nicht reziproken Port eines Polarisationsstrahlteilers
zurückkehrt.
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Wie
oben erwähnt
erzeugt der Detektor 64 Intensitätsdaten, aus welchen die Phasenverschiebung zwischen
den Polarisationswellenkomponenten des Lichtes ermittelt wird, welches
zu ihm über
den umgekehrten Ausbreitungspfad zurückgekehrt ist. Diese Phasenverschiebung
wird auf einen durch den Leiter 59 fließenden Strom bezogen und kann
daher verwendet werden, eine hiermit zusammenhängende Strommessung auszugeben.
Die von dem Detektor gemessene Lichtintensität folgt einer ungefähr sinusoidalen
Funktion, wie begrifflich in 3 für einen
Detektor dargestellt ist, welcher in einem herkömmlichen faseroptischen Stromsensor
arbeitet, welcher einen Koppler 11 und Polarisator 12 umfaßt, wie
beispielsweise der in 1 gezeigte. Darin ist eine auf
den Detektor fallende Lichtintensität als eine Funktion 100 einer
Phase dargestellt. Unter Abwesenheit des Versatzes, welcher beispielsweise
durch einen Faraday-Rotator oder einen Doppelbrechungsmodulator
eingeführt
ist, würde
die Phasenänderung
des auf den Detektor 20 fallenden Lichtes in einem kleinen
Bereich um Null herum fluktuieren. Wie in 3 gesehen
werden kann, variiert die Lichtintensität sehr gering in einem kleinen
Phasenbereich um Null herum. Daher führt der Phasenverschiebungs-Versatz
einen hinreichenden Versatz ein, um die Phase des zu dem Detektor
zurückgeführten Lichtes
in einem Bereich um den Quadraturpunkt der sinusoidalen Funktion
herum zu verschieben, wo die Steigung der Funktion steiler ist und der
Detektor empfindlicher für
Phasenänderungen
ist.
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Nun
wird in 4 die entsprechende Intensitätsfunktion 200 für die beispielhafte
Ausführungsform
der 2 gezeigt, wobei sie auf die Funktion 100 gelegt
ist. Wie derum, wie bei 3, ist die 4 rein
begrifflich in dem Sinne, daß sie
nicht das Ergebnis von Messungen einer tatsächlichen Schaltung ist, sondern
vielmehr die Größenordnung
des Unterschiedes der optischen Verluste zeigen sollen, welche bei
dem faseroptischen Stromsensor der 1 auftreten,
gegenüber
dem faseroptischen Stromsensor von 2. Darin
kann gesehen werden, daß die
Spitzenintensitäten
der Funktion 200 etwa viermal so groß wie die Spitzenintensitäten der Funktion 100 bei
derselben Lichtquelle sind, was ein Ergebnis der Verwendung eines
Polarisationsstrahlteilers ist, anstelle der Verwendung des optischen
Kopplers 11 und Polarisators 12. Dies stellt mehrere
Vorteile für beispielhafte
erfindungsgemäße Ausführungsformen
von faseroptischen Stromsensoren bereit. Als erstes wird, wie in 4 gesehen
werden kann, die Empfindlichkeit des Detektors 64 relativ
zu der des Detektors 20 vergrößert, weil die Steigung der
Funktion 200 in dem Phasenbereich von möglichen Werten für Φ = 90 Grad +4VNI
steiler ist als die entsprechende Steigung für die Funktion 100.
Alternativ, falls beurteilt wird, daß die Steigung der Funktion 100 eine
hinreichende Detektorempfindlichkeit für eine gegebene faseroptische
Stromerfassungsanwendung bereitstellt, kann dann die Lichtquelle 50 als
eine Lichtquelle realisiert sein, welche Licht von geringerer Intensität erzeugt,
beispielsweise eine billigere Lichtquelle.
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Verschiedene
Variationen und Umstellungen der oben beschriebenen beispielhaften
Ausführungsform werden
betrachtet. Beispielsweise kann der Detektor 64 mit einem
Open-Loop-Signalprozessor verbunden sein, um in einer ähnlichen
Weise wie in 1 gezeigt einen Strom zu erfas sen,
welcher mit der erfaßten
Phasenverschiebung zusammenhängt.
Alternativ kann der Detektor 64 mit einem Closed-Loop (geschlossenschleifigen)-Signal-Prozessor 250 verbunden
sein, welcher einen Stromerzeuger 260 treibt, welcher einen phasenaufhebenden
(phase-nulling) Strom erzeugt, wie in 5 gezeigt,
welche lediglich einen Teil des dieser beispielhaften Ausführungsform
entsprechenden faseroptischen Stromsensors zeigt. Der phasenaufhebende Strom
kompensiert im wesentlichen eine von dem Strom in dem stromführenden
Draht 59 erzeugte nicht-reziproke Phasenverschiebung. Eine
andere Variation ist, daß der
Faraday-Rotator 58 und die Lambda-Viertel-Platte 60 durch
einen Doppelbrechungsmodulator und eine Verzögerungsspule ersetzt werden
können.
Die erstere Kombination hat allerdings den Vorteil, daß sie ein
passives Gerät
ist und daher keine Leistungszufuhr erfordert. Die optischen Bauteile 54, 58 und 60 können als
eine einzelne Einheit zusammengepackt sein oder können diskret
realisiert sein. Zusätzlich
kann ein Schild, beispielsweise eine Drahtschleife, in der Nähe des Faraday-Rotators 58 angeordnet
werden, um den Faraday-Rotator gegen möglicherweise starke Magnetfelder abzuschirmen,
falls dieser Bereich des faseroptischen Stromsensors in der Nähe des Leiters 59 angeordnet ist.
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Ein
entsprechendes Verfahren zum Erfassen von Strom unter Verwendung
eines faseroptischen Sensors ist mittels des Flußdiagramms von 6 gezeigt.
Hierin wird in dem Schritt 300 das Licht linear polarisiert, indem
es durch einen PBS hindurchtritt. Zirkular polarisierte Wellenkomponenten
werden, beispielsweise durch einen Faraday-Rotator, in dem Schritt 302 mit
einem Versatz versehen, um eine erste Phasenverschiebung zwischen
den Wellen zu erzeugen.
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Die
zirkular polarisierten Wellen werden in dem Schritt 304 in
linear polarisierte Wellen umgewandelt, durch eine polarisationserhaltende
Faser hindurchgeleitet (Schritt 306) und dann in dem Schritt 308 zurück in zirkular
polarisierte Wellen umgewandelt. Eine zweite Phasenverschiebung
wird zwischen den zirkular polarisierten Wellen in dem Schritt 310 aufgrund
des durch den Draht 59 fließenden Stroms eingeführt. Das
Licht breitet sich in dem Schritt 312 entlang eines umgekehrten
Pfades zurück
aus, wodurch dritte und vierte Phasenverschiebungen hierzu eingeführt werden
(diese hängen
jeweils mit dem durch den Draht 59 fließenden Strom und dem Versatz
liefernden Gerät
zusammen). Dann kehrt das Licht in dem Schritt 314 zu dem
PBS zurück,
wo es durch einen nicht-reziproken Port des PBS auf den Detektor
gerichtet wird. Das Licht kann optional vor dem Schritt 300 depolarisiert
werden.
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Wie
oben erwähnt
können
beispielhafte erfindungsgemäße Ausführungsformen
einen Doppelbrechungsmodulator anstelle eines Faraday-Rotators verwenden,
um den gewünschten
Versatz bereitzustellen. In solchen Ausführungsformen kann die Lambda-Viertel-Platte 60 weggelassen
werden, weil der Doppelbrechungsmodulator auf linear polarisiertes
Licht einwirkt.
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Die
oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sollen die vorliegende
Erfindung in jeder Hinsicht erläutern
und nicht einschränken.
Daher kann die vorliegende Erfindung von einem Fachmann auf viele
verschiedene Weisen realisiert werden, welche von der hier enthaltenen
Beschreibung abgeleitet werden können.
All solche Variationen und Veränderungen
werden als innerhalb des Geltungsbe reiches und Geistes der vorliegenden
Erfindung angesehen, wie durch die folgenden Ansprüche definiert
ist. Kein in der Beschreibung der vorliegenden Anmeldung verwendetes
Element, keine Handlung oder Anweisung sollte als kritisch oder
wesentlich für
die Erfindung angesehen werden, es sei denn, daß es bzw. sie explizit als
solches oder solche beschrieben ist. Auch soll der Artikel "ein", wie hierin verwendet,
einen oder mehrere Gegenstände
umfassen.
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Insbesondere
ist also ein faseroptische Stromsensor bereitgestellt, welcher einen
Polarisationsstrahlteiler umfaßt.
Der Polarisationsstrahlteiler funktioniert in dem Vorwärtspfad
dahingehend, Licht zu polarisieren, welches durch einen reziproken
Port in Richtung eines Faraday-Rotators hindurchgelassen wird. Der Polarisationsstrahlteiler
funktioniert in einem Rückwärtspfad
dahingehend, Licht durch einen nicht-reziproken Port auf einen Photodetektor
zu richten.