DE102006002301B4 - Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Ströme in elektrischen Leitern mit Lichtwellenleitern - Google Patents

Abstract

Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Ströme in elektrischen Leitern mit Lichtwellenleitern gemäß Paten DE 10 2005 003 200 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine einem Lichtempfänger (37) zugeordnete Auswerteeinrichtung (8) mit ihrer als Führungsgröße dienenden Messspannung U_Mess(t)
– eine Arbeitspunkteinstellungs-Schaltung (39) für den Lichtempfänger (37),
– einen nachgeschalteten ersten Operationsverstärker (28) in invertierter Schaltung,
– einen Widerstand (41), der dem ersten Operationsverstärker (28) ausgangsseitig nachgeschaltet ist, wobei der Widerstand (41) über einen elektrischen Leiter (15) mit einem durchfließenden Strom i₀(t) durch eine Kompensationsspule (12) hindurchgeführt ist,
– eine Gleichstrom-Abtrennungs-Schaltung (43), an die der elektrische Leiter (15) mit dem durchfließenden Strom i₀(t) symmetrisch verbunden geführt ist,
– einen zweiten Operationsverstärker (32) wahlweise in invertierter Schaltung mit einem Überbrückungswiderstand R₂ (45) oder in normaler Schaltung mit einem überbrückten invertierten Eingang-Ausgang (46) und
– einen Messabgriff (47) für die Messspannung u_Mess(t) zur...

Description

• Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Ströme in elektrischen Leitern mit Lichtwellenleitern gemäß Patentn DE 10 2005 003 200 .
• Die Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Ströme in elektrischen Leitern mit Lichtwellenleitern kann auch als faseroptischer Stromsensor bezeichnet werden, der den Strom mittels einer Lichtwellenleiterspule misst. Breitet sich linear polarisiertes Licht in einem Lichtwellenleiter aus, so bleibt die Polarisation erhalten. Wird dabei jedoch ein Magnetfeld durchlaufen, so dreht sich die Polarisationsebene aufgrund des Faraday-Effektes. Je größer das Magnetfeld und je länger der Weg sind, desto stärker ist die Drehung. Die Drehung der Polarisationsebene wird zur Messung des elektrischen Stromes genutzt. Die Schaltungsanordnung besteht im Wesentlichen aus einer Laserdiode, einer Lichtwellenwicklung, die um den stromdurchflossenen Leiter angeordnet und von dessen Magnetfeld beeinflusst ist, und einer optisch-elektronischen Auswerteeinheit. Dabei erfolgt eine schräge Anregung der Messanordnung durch die Laserdiode, was zur Erzeugung einer z-Komponente als Längskomponente der elektrischen Verschiebungsflussdichte führt. Schließlich wird nur die z-Komponenten-Übertragungsfunktion für den optischen Teil der Schaltungsanordnung verwendet. Die Schaltungsanordnung sieht neben der faseroptischen Messspule eine faseroptische Kompensationsspule vor. Der am Ende der optischen Schaltungsanordnung vorhandene Analysator unterdrückt die x- und y-Komponente und liefert nur bei der z-Komponente einen Photonenstrom. Der Photonenstrom steuert einen Regelkreis, der mit einer Kompensationsspule arbeitet, einen Messwert liefert und zu einer Auswerteeinrichtung gehört.
• Die Schaltungsanordnung hat gegenüber den herkömmlichen Anordnungen folgende Vorteile:
• – einfacher Aufbau, der auch zur potenzialgetrennte Strommessung einsetzbar ist,
• – Eigung sowohl zur Messung sehr kleiner Ströme im mA-Bereich als auch zur Messung sehr großer Ströme im kA-Bereich und Einsetzbarkeit in einem großen Frequenzbereich,
• – Messung des Stromes ohne Einfügung der Schaltungsanordnung in den elektrischen Stromkreis auf beliebigem Potenzial, insbesondere auf Hochspannungspotenzial,
• – günstige Nachrüstbedingungen an bestehenden Anlagen,
• – Platzersparnis sowie kein Öl oder andere kritische Materialen zur Isolation gegenüber den herkömmlichen Wandlern sind vorhanden und
• – Umweltfreundlichkeit und Explosionssicherheit.
• Die Auswerteeinrichtung enthält neben dem Regelkreis einen zum Regelkreis gehörenden integrator.
• In dem Patent DE 10 2005 003 200 besteht der Integrator im Wesentlichen aus einem ersten Operationsverstärker, einem dazu zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang angeschlossenen, in Reihe nachgeordneten Widerstand, wobei der Widerstand mit einem der Kompensationsspule zugeordneten elektrischen Leiter in Verbindung steht, der an Masse anliegt, und wobei am Ausgang eines ersten Operationsverstärkers eine Messspannung u_Mess abgegriffen wird.
• Der elektrische Leiter ist dem Ausgang eines zweiten Operationsverstärkers zugeführt, wodurch eine "schwimmende" Lichtwellenleiter-Kompensationsspule vorliegt und wobei die Eingänge des zweiten Operationsverstärkers dessen invertierender Eingang, der mit dem Ausgang des Widerstands verbun den ist, und dessen nichtinvertierender Eingang, an dem die Masse anliegt, sind.
• Der den Photostrom i_ph(t) empfangende Integrator ist 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 i_R liefert.
• Ein Problem besteht darin, dass der faseroptische Stromsensor wegen des Einsatzes eines Integrators ohne Arbeitspunktteilung für die Photodiode nur positive Gleichströme messen kann. Außerdem sind die aufwändige Signalverarbeitungseinheit mit mehreren Photodioden, der Einsatz mehrerer Laserdioden sowie die unvollständige Kompensation der Doppelbrechung nachteilig.
• Das Problem ist auch in den herkömmlichen Schaltungsanordnungen durch eine aufwendige Signalverarbeitungseinheit mit mehreren Photodioden, z. T. auch Laserdioden und Installation bis zu vier Messkanälen ohne vollständige Kompensation der Doppelbrechung vorhanden.
• Eine Schaltungsanordnung mit Lichtwellenleitern zur Messung elektrischer Ströme in einem elektrischen Leiter mit einem Lichtwellenleiter 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 der faseroptische Lichtwellenleiter die dazwischenliegenden Bauelemente miteinander verbindet. Der den Polarisator und den Analysator verbindende Lichtwellenlei ter umgibt spiralförmig mit mindestens einer Windung als Lichtwellenleiter-Messspule den elektrischen Leiter.
• Breitet sich linear polarisiertes Licht der Laserdiode in dem Lichtwellenleiter aus, so bleibt die Polarisation erhalten. Wenn im elektrischen Leiter Strom fliegt, wird ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld dreht die Polarisationsebene des linear polarisierten Lichtes aufgrund des Faraday-Effektes. Je größer der Wert des elektrischen 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.
• 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 2 πn ist, und wobei das Eingangsende und das Ausgangsende in einem einzigen, aus einem magnetischen Material hergestellten Element enthalten ist.
• 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.
• Ein Problem besteht darin, dass die ersten und die zweiten optischen Kopplungssysteme in einem Element enthalten sind.
• 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 Referenzspule 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.
• Ein Problem besteht darin, dass damit kein kontinuierlicher elektrischer Strom gemessen werden kann.
• Es ist ein faseroptischer Magnetfeldsensor zur Bestimmung elektrischer Ströme in der Druckschrift DE 37 26 411 A1 be schrieben, 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.
• 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.
• Ein Problem besteht darin, dass mehrere Photodioden mit in der Praxis unterschiedlichen Eigenschaften Verwendung finden.
• 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 Polarisations- ebene 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.
• Ein Problem besteht darin, dass mehrere Photodioden Verwendung finden.
• Andererseits stellt die Messung elektrischer Ströme auf beliebigem Potenzial bei Einfügen der bekannten Schaltungsanordnung in den elektrischen Stromkreis ein grundsätzliches Problem der Messtechnik 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.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Ströme in elektrischen Leitern mit Lichtwellenleitern gemäß dem Patent DE 10 2005 003 200 anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass die Messung elektrischer Ströme beliebiger Signalform, z.B. bei Überlagerung von Gleich- und Wechsel anteil beliebigen Vorzeichens ohne Eingriff in den Stromkreis des zu messenden Stromes i(t) ermöglicht wird.
• Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
• In der Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Ströme in einem elektrischen Leiter gemäß Patent DE 10 2005 003 200
  weist gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 eine einem Lichtempfänger zugeordnete Auswerteeinrichtung mit ihrer als Führungsgröße dienenden Messspannung u_mess(t)
• – eine Arbeitspunkteinstellungs-Schaltung für den Lichtempfänger,
• – einen nachgeschalteten ersten Operationsverstärker in invertierter Schaltung,
• – einen Widerstand, der dem ersten Operationsverstärker ausgangsseitig nachgeschaltet ist, wobei der Widerstand über einen elektrischen Leiter mit einem durchfließenden Strom i₀(t) durch eine Kompensationsspule hindurchgeführt ist,
• – eine Gleichstrom-Abtrennungs (engl. DC-Offset)-Schaltung, an die der elektrische Leiter mit dem durchfließenden Strom i₀(t) symmetrisch verbunden geführt ist,
• – einen zweiten Operationsverstärker wahlweise in invertierter Schaltung mit einem Überbrückungswiderstand R₂ oder in normaler Schaltung mit einem überbrückten invertierten Eingang-Ausgang und
• – einen Messabgriff für die Messspannung U_mess(t) zur Ermittlung eines Stromes i(t)
auf.
• Vorzugsweise stellt der Lichtempfänger eine Photodiode dar.
• Die Arbeitspunkteinstellungs-Schaltung für die Photodiode kann einen Widerstand R_ph sowie eine Stromquelle zur Einstellung einer positiven Spannung U₊ und eine Stromquelle einer negativen Spannung U_– mit U₊ = –U_– enthalten, wobei die Stromquellen mindestens einem Netzteil zugeordnet sind.
• Die Gleichstrom-Abtrennungs-Schaltung kann im Wesentlichen aus einem gegenläufigen Tandempotentiometer, dessen Potentiometer Einstellpotentiometer sind, denen jeweils wahlweise ein jeweils gleichartiger Widerstand R1 zuschaltbar ist, bestehen.
• Dem gegenläufigen Tandempotentiometer kann jeweils endseitig zumindest eine Stromquelle zur Einstellung einer positiven Spannung U₊ und eine Stromquelle zur Einstellung einer negativen Spannung U_– mit U₊ = –U_– zugeschaltet sein, wobei die beiden Stromquellen zumindest einem Netzteil zugeordnet sind.
• Der elektrische Leiter ist in symmetrischer Verbindung in einem Verbindungspunkt zwischen den beiden Potentiometern an die Gleichstrom-Abtrennungs-Schaltung geführt.
• In den Auswerteeinrichtungen kann eine Arbeitspunkteinstellung der Photodiode mit einem Gleichstrom I_ph erreichbar sein, so dass bei einer Aussteuerung durch einen positiven Strom der Photodiode positive und negative Messwerte i_R des Stromes i₀(t) erhältlich sind, wobei die dabei entstehenden Werte der Gleichstrom-Abtrennung ±√K_phI_ph mit der Konstanten K_ph mittels der nachgeschalteten Gleichstrom-Abtrennungs-Schaltung zur Erzeugung einer zum Strom i₀(t) proportionalen Spannung u_mess(t) abgetrennt werden.
• Der Wert der Gleichstrom-Abtrennung ±√K_phI_ph kann mit dem gegenläufigen Tandempotentiometer abtrennbar sein, wodurch ein einfacher Abgleich in der Auswerteeinrichtung erreichbar ist.
• Die Einhaltung der Konstanzbedingung des Wertes der Gleichstrom-Abtrennung ±√K_phI_ph kann durch Verwendung eines amplitudenstabilisierten Lasers im optischen Teil bezüglich der Konstanten K_ph durchgeführt werden.
• Der Messwert i_R(t) des elektrischen Stromes i₀(t) ist nach Gleichung

  

  mit

  

  gegeben, wobei iR(t) den Messwert des Stromes i₀(t),

  

  den zum Strom i(t) proportionalen Anteil, iF(t) den Messwert des Stromes i(t) und

  

  den Wert der Gleichstrom-Abtrennung darstellen.
• In der Auswerteeinrichtung erfolgt eine Arbeitspunkteinstellung der Photodiode mit dem Gleichstrom I_ph, so dass bei einer Aussteuerung durch einen positiven Strom der Photodiode positive und negative Messwerte des Stromes i₀(t) möglich sind. Die dabei entstehende Gleichstrom-Abtrennung erreicht einen Wert ±√K_phI_ph mit der Konstanten K_ph und wird mittels einer nachgeschalteten Gleichstrom-Abtrennungs-Schaltung zur Erzeugung einer zum Strom i₀(t) proportionalen Spannung abgetrennt. Vorzugsweise wird der Wert der Gleichstrom-Abtrennung mit einem gegenläufigen Tandempoten tiometer abgetrennt, wodurch ein einfacher Abgleich der Auswerteeinheit möglich ist. Die Einhaltung der Konstanzbedingung des Wertes der Gleichstrom-Abtrennung erfolgt durch Verwendung eines amplitudenstabilisierten Lasers im optischen Teil der Schaltungsanordnung bezüglich der Konstanten K_ph. Die Einstellung eines Konstantstromes I_ph erfolgt mit einer Stromquelle gemäß I_ph = U₊/R_ph= const.
• Folgende Vorteile liegen vor:
  Es kann eine Messung elektrischer Ströme auf beliebigem Potenzial ohne Einfügen einer Messanordnung in den elektrischen Stromkreis durch Ausnutzung des Faraday-Effektes zur stromproportionalen Drehung der Polarisationsebenen der in gleichartigen Lichtwellenleiterspulen laufenden optischen Wellen durchgeführt werden, wobei
• – eine schräge Anregung der Messanordnung durch eine Laserdiode erzeugt wird und damit
• – eine Erzeugung der z-Komponente als Längskomponente der elektrischen Verschiebungsflussdichte herbeigeführt wird und
• – eine letztendliche Verwendung der z-Komponenten-Übertragungsfunktionen für den optischen Teil der Messanordnung erfolgt und
• – durch Verwendung eines Kompensationsteils neben dem Messteil eine Nutzung eines Kompensationsprinzips für die skalaren z-Komponenten-Übertragungsfunktionen von Mess- und Kompensationsteil der Schaltungsanordnung erreicht wird.
• Eine Messung von elektrischen Strömen beliebiger Signalform kann somit durchgeführt werden mittels
• – einer Auswerteeinrichtung für den Messstrom i₀(t),
• – einer Arbeitspunkteinstellung der Photodiode mit dem Konstantstrom I_ph bei Aussteuerung durch den positiven Strom der Photodiode, wodurch positive und negative Werte des Messstromes i₀(t) möglich sind, und
• – einer Abtrennung des entstehenden Wertes der Gleichstrom-Abtrennung zur Erzeugung einer zum Strom i₀(t) proportionalen Spannung durch die vorgegebene elektronische Gleichstrom-Abtrennungs-Schaltung.
• Durch die Arbeitspunkteinstellung der Photodiode mit dem Konstantstrom I_ph sind bei Aussteuerung durch den positiven Strom der Photodiode i_ph(t) positive oder negative Werte des Messwertes des Stromes i₀(t) möglich und der entstehende Wert der Gleichstrom-Abtrennung

  

  mit der Konstanten K_ph, [K_ph] = 1A, zur Erzeugung einer zum Strom i₀(t) proportionalen Spannung u_mess(t) durch die Gleichstrom-Abtrennungs-Schaltung abgetrennt wird. Dabei kann die bleibende Regelabweichung, verursacht durch die endliche Spannungsverstärkung des ersten Operationsverstärkers, durch Verwendung von Operationsverstärkern mit entsprechend hoher Spannungsverstärkung beliebig klein gemacht werden, sofern dadurch nicht die Stabilitätsbedingung bezüglich der optischen Rückkopplung verletzt wird.
• Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert: Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Ströme in elektrischen Leitern mit Lichtwellenleitern in Form von Spulen sowie ein zugehöriges x,y,z-Koordina tensystem in 1a gemäß Patent DE 10 2005 003 200 ,
• 2 ein erstes Schaltbild der Kompensationsspule in Verbindung mit einer ersten Auswerteeinrichtung zur Messung von Strömen beliebigen Vorzeichens und
• 3 ein zweites Schaltbild der Kompensationsspule in Verbindung mit einer zweiten Auswerteeinrichtung zur Messung von Strömen beliebigen Vorzeichens.
• Die in 1 schematisch dargestellte Schaltungsanordnung 1 zur Messung elektrischer Ströme i in einem elektrischen Leiter 6 nach Patent DE 10 2005 003 200 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,
wobei 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 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 i_R des Stromes i₀ erzeugt, so dass der ein zugehöriger Messwert i_F des Stromes i in der Auswerteeinrichtung 8 ermittelbar ist, wobei der am Ende des optischen Teils 11, 16 angeordnete Analysator 7 die x-Komponente D_x und die y-Komponente D_y der elektrischen Verschiebungsflussdichte unterdrückt und nur bei deren z-Komponente einen Photostrom i_ph 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 i_F – und der Strom i₀ durch den zweiten elektrischen Leiter 15 eine Regelgröße – gemessen als Messwert i_R – darstellen.
• Erfindungsgemäß weist, wie in den 2 und 3 gezeigt ist, die dem Lichtempfänger 37 – einer Photodiode – zugeordnete Auswerteeinrichtung 8 mit ihrer Führungsgröße U_mess(t)
• – eine Arbeitspunkteinstellungs-Schaltung 39 für die Photodiode 37,
• – einen nachgeschalteten ersten Operationsverstärker 28 in invertierter Schaltung,
• – einen Widerstand 41, der dem ersten Operationsverstärker 28 ausgangsseitig nachgeschaltet ist, wobei der Widerstand 41 über den zweiten elektrischen Leiter 15 mit dem durchfließenden Strom i₀(t) durch die Kompensationsspule 12 hindurchgeführt ist,
• – eine Gleichstrom-Abtrennungs-Schaltung 43, an die der zweite elektrische Leiter 15 mit dem durchfließenden Strom i₀(t) symmetrisch verbunden geführt ist,
• – einen zweiten Operationsverstärker 32 wahlweise in invertierter Schaltung mit einem Überbrückungswiderstand R₂ 45 oder in normaler Schaltung mit überbrücktem invertiertem Eingang-Ausgang 46, wie in 3 gezeigt ist, und
• – einen Messabgriff 47 für die Messspannung U_mess(t) zur Ermittlung des Stromes i(t)
auf.
• In 2 und 3 ist der optische Teil der Schaltungsanordnung 1 nach Patent DE 10 2005 003 200 bis auf die Kompensationsspule 12 nicht gezeichnet und das Differenzprinzip zur Kompensation der Doppelbrechung wird beibehalten.
• Die Arbeitspunkteinstellungs-Schaltung 39 für die Photodiode 37 enthält einen Widerstand R_ph 48 sowie eine Stromquelle 49 zur Einstellung einer positiven Spannung U₊ und eine Stromquelle 50 einer negativen Spannung U_– mit U₊ = –U_–, wobei die Stromquellen 49, 50 einem Netzteil 42 zugeordnet sein können.
• Die Gleichstrom-Abtrennungs-Schaltung 43 besteht im Wesentlichen aus einem gegenläufigen Tandempotentiometer 40, dessen Potentiometer 51, 52 Einstellpotentiometer sind, denen jeweils ein gleichartiger Widerstand R1 53, 54 zugeschaltet sein können.
• Auch hier ist jeweils endseitig zumindest eine Stromquelle 55 zur Einstellung einer positiven Spannung U₊ und eine Stromquelle 44 zur Einstellung einer negativen Spannung U_– mit U₊ = –U_– vorgesehen, wobei die beiden Stromquellen 55, 44 auch dem Netzteil 42 zugeordnet sein können.
• Der zweite elektrische Leiter 15 ist im Verbindungspunkt zwischen den beiden Potentiometern 51, 52 an die Gleichstrom-Abtrennungs-Schaltung 43 geführt.
• Im Folgenden wird die Funktionsweise der beiden angegebenen Ausführungsbeispiele anhand der 2 und 3 näher erläutert.
• In den Auswerteeinrichtungen 8 der Schaltungsanordnung 1 erfolgt eine Arbeitspunkteinstellung der Photodiode 37 mit dem Konstantstrom I_ph, so dass bei einer Aussteuerung durch einen positiven Strom der Photodiode 37 positive und negative Messwerte des Stromes i₀(t) möglich sind. Die dabei entstehenden Werte der Gleichstrom-Abtrennung ±√K_phI_ph mit der Konstanten K_ph werden mittels einer nachgeschalteten Gleichstrom-Abtrennungs-Schaltung 43 zur Erzeugung einer zum Strom i₀(t) proportionalen Spannung u_mess(t) abgetrennt. Vorzugsweise wird der Wert der Gleichstrom-Abtrennung ±√K_phI_ph mit einem gegenläufigen Tandempotentiometer 40 abgetrennt, wodurch ein einfacher Abgleich in der Auswerteeinrichtung 8 möglich ist. Die Einhaltung der Konstanzbedingung des Wertes der Gleichstrom-Abtrennung ±√K_phI_ph erfolgt durch Verwendung eines amplitudenstabilisierten La sers 2 im optischen Teil der Schaltungsanordnung 1 bezüglich der Konstanten K_ph. Die Einstellung des Photodioden-Konstantstromes I_ph erfolgt in einfacher Weise mit einer Stromquelle 55, 44 über das Netzteil 42 gemäß I_ph = const.
• Bedingt durch den in dem Patent DE 10 2005 003 200 angegebenen optischen Teil der faseroptischen Schaltungsanordnung 1 entsteht im Zusammenwirken mit der jeweiligen Auswerteeinrichtung 8 bezüglich der optischen Rückkopplung ein Photostrom i_ph(t) nach der Gleichung

  

  gemaß 2 oder 3.
• In Gleichung (I) bedeuten
• i_ph(t) : Strom der Photodiode 37,
• 
  Konstantstrom, N : Windungszahl der Lichtwellenleiter-Messspule 5,
• N_o : Windungszahl der Lichtwellenleiter-Kompensationsspule 12,
• i(t) : elektrischer Strom,
• i₀(t) : elektrischer Strom,
• 
  eine Konstante, V : Verdet-Konstante,
• S_E : Photoempfindlichkeit der Photodiode 37,
• P_zin : optische Eingangsleistung der faseroptischen Schaltungsanordnung 1 in Form der z-Komponente (z-Längsrichtung in den Lichtwellenleitern), herrührend vom amplitudenstabilisierten Laser 2 mit der Bedingung P_zin = const.
• Der Messwert i_R(t) des elektrischen Stromes i₀(t) wird aus der quadratischen Gleichung (I) nach folgender Gleichung

  

  mit

  

  erhalten,
  wobei iR(t) den Messwert des Stromes i₀(t),

  

  den zum Strom i(t) proportionalen Anteil, iF(t) den Messwert des Stromes i(t) und

  

  den Wert der Gleichstrom-Abtrennung darstellen.
• Der Widerstand R₀ 41 verhindert als Minimalwert einen Kurzschluss am Ausgang des ersten Operationsverstärkers 28 nach 2 und 3 und sorgt für eine genügend große Spannungsverstärkung des ersten Operationsverstärkers 28. Der Maximalwert des Widerstandes R₀ 41 wird durch den Spannungsaussteuerbereich des ersten Operationsverstärkers 28 im Zusammenwirken mit dem Strom i(t) sowie der Gleichstrom-Abtrennung gemäß der Gleichung (I) und damit der Messwert i_R(t) des Stromes i₀(t) bestimmt. Es gibt somit einen Optimalwert für den Widerstand R₀ 41.
• Aus 2 ergibt sich für die zum Strom i(t) proportionale Messspannung u_mess(t) am Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 32 die Gleichung uMess(t) = –R2[i0(t) + |+ –|–] (III)mit

  

  sowie U+ = –U–. (IIIc)
• Durch Einsetzen der Gleichung (I) in die Gleichung (III) wird für die Messspannung die Gleichung

  

  erhalten.
• Die Gleichstrom-Abtrennung in der Gleichstrom-Abtrennungs-Schaltung 43 erfolgt durch Einstellung des gegenläufigen Tandempotentiometers 40 bezüglich des einen Einstellpotentiometers R₊ 52 und des anderen Einstellpotentiometers R_– 51, so dass die Gleichung

  

  gilt.
• Damit ergibt sich gemäß Gleichung (IV) und Gleichung (V) folgende Gleichung für die Messspannung:

  
• Der Vorteil der Gewinnung der Messspannung u_mess(t) gemäß der Gleichung (VI) liegt darin, dass sie nicht von den Einstellwiderständen R₊ 52 und R_– 53 abhängt. Nachteilig ist, dass der Strom i(t) invertiert vorliegt, wenn aus Aufwandsgründen keine invertierende Operationsverstärkerschaltung 32, 46 an den Ausgang 47 gemäß 2 angeschlossen ist.
• Aus 3 ergibt sich in der Auswerteeinrichtung 8 für die zum Strom i(t) proportionale Spannung u_Mess(t) am Ausgang 47 des zweiten Operationsverstärkers 44 die Gleichung

  

  mit U₊ = –U_–.
• Durch Einsetzen des Stromes i₀(t) gemäß der Gleichung (I) in die Gleichung (VII) wird wieder die Gleichung (V) für die Gleichstrom-Abtrennung unter Berücksichtigung der Gleichungen (IIIa), (IIIb) und (IIIc) erhalten. Damit gilt für die Messspannung u_Mess(t) die Gleichung

  
• Der Vorteil der Gewinnung der Messspannung u_Mess(t) gemäß der Gleichung (VIII) liegt in dem nichtinvertierten Auftreten des Stromes i(t). Nachteilig ist, dass die Messspannung u_Mess(t) von den Einstellwerten der Widerstände R₊ 52 und R_– 51 abhängt. Ein weiterer Vorteil der Schaltung der Auswerteeinrichtung 8 nach 3 gegenüber der der Auswerteeinrichtung 8 2 besteht darin, dass ein großer Strom i₀(t) bei großem Strom i(t) nicht vom zweiten Operationsverstärker 32, wohl aber vom Netzteil 42 zur Erzeugung der Gleichspannungen U₊ und U_– aufgebracht wird.
• Durch Einfügen der Widerstände R₁ 53, 54 in die Gleichstrom-Abtrennungs-Schaltungen 43 nach 2 und 3 wird verhindert, dass eine unzulässig große positive oder negative Spannung durch eine eventuelle Fehleinstellung des Tandempotentiometers 40 an den Eingang des zweiten Operationsverstärkers 32 gelangt. Mit Hilfe des Überbrückungswiderstandes R₂ 45 wird im Zusammenwirken mit dem zweiten Operationsverstärker 32 in 2 eine Strom-Spannungswandlung durchgeführt.
• Dagegen ist die Spannungsverstärkung des zweiten Operationsverstärkers 32 in der Auswerteeinrichtung 8 in 3 gleich „Eins".
• Die Vorteile der Erfindung mit den Auswerteeinrichtungen 8 einschließlich der Arbeitspunkteinstellung des Lichtempfängers 37 und der Gleichstrom-Abtrennung bestehen in Folgendem:
• – Messung, von elektrischen Strömen i(t) beliebiger Signalform und beliebigen Vorzeichens, z.B. bei Überlagerung von Gleich- und Wechselanteil,
• – vollständige Kompensation der Doppelbrechung der verwendeten Lichtwellenleiter,
• – kein langsames Einschwingen der Schaltungsanordnung 1 auf den Strom i₀(t) und keine eventuellen Polstellen im Einschwingverhalten im Gegensatz zu den Beispielen in Patent DE 10 2005 003 200 ,
• – einfacher, unkomplizierter Aufbau der Auswerteeinrichtung 8,
• – einfacher Abgleich der Auswerteeinrichtung 8 mit einem gegenläufigen Tandempotentiometer 40 bezüglich der Gleichstrom-Abtrennung,
• – einfache Einhaltung der Konstanzbedingung der Gleichstrom-Abtrennung durch Verwendung eines amplitudenstabilisierten Lasers 2 im optischen Teil der Schaltungsanordnung 1 bezüglich des Wertes K_ph der Gleichstrom-Abtrennung und Einstellung des Gleichstromes I_ph mit mindestens einer Stromquelle 49, 50 gemäß I_ph = U₊/R_ph = const.

1

Schaltungsanordnung

2

Laser

3

Polarisator

4

Lichtwellenleiter

5

Lichtwellenleiter-Messspule

6

Erster elektrischer Leiter

7

Analysator

8

Auswerteschaltung

9

Erster Koppler

10

Zweiter Koppler

11

Messteil

12

Lichtwellenleiter-Kompensationsspule

13

Anschluss

14

Anschluss

15

Zweiter elektrischer Leiter

16

Kompensationsteil

28

erster Operationsverstärker

32

zweiter Operationsverstärker

37

Lichtempfänger

38

Verbindungspunkt

39

Arbeitspunkteinstellungs-Schaltung

40

Tandempotentiometer

41

Widerstand

42

Netzteil

43

Gleichstrom-Abtrennungs-Schaltung

44

vierte Stromquelle

45

Überbrückungswiderstand

46

invertierter Eingang-Ausgang

47

Messabgriff

48

Widerstand

49

erste Stromquelle

50

zweite Stromquelle

51

erstes Potentiometer

52

zweites Potentiometer

53

Widerstand

54

Widerstand

55

dritte Stromquelle

i

Strom im ersten elektrischen Leiter

i_F

Messwert des Stromes i

N

erste Windungsanzahl

N₀

zweite Windungsanzahl

i₀

Strom im zweiten elektrischen Leiter

i_F

Messwert des Stromes i₀

U_Mess

Messspannung

i_ph

Photodiodenstrom

t

Zeit

I_ph

Konstantstrom

K_ph

eine Konstante,

V

Verdet-Konstante,

S_E

Photodiodenempfindlichkeit

P_zin

optische Eingangsleistung

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Ströme in elektrischen Leitern mit Lichtwellenleitern gemäß Paten DE 10 2005 003 200 , dadurch gekennzeichnet, dass eine einem Lichtempfänger (37) zugeordnete Auswerteeinrichtung (8) mit ihrer als Führungsgröße dienenden Messspannung U_Mess(t) – eine Arbeitspunkteinstellungs-Schaltung (39) für den Lichtempfänger (37), – einen nachgeschalteten ersten Operationsverstärker (28) in invertierter Schaltung, – einen Widerstand (41), der dem ersten Operationsverstärker (28) ausgangsseitig nachgeschaltet ist, wobei der Widerstand (41) über einen elektrischen Leiter (15) mit einem durchfließenden Strom i₀(t) durch eine Kompensationsspule (12) hindurchgeführt ist, – eine Gleichstrom-Abtrennungs-Schaltung (43), an die der elektrische Leiter (15) mit dem durchfließenden Strom i₀(t) symmetrisch verbunden geführt ist, – einen zweiten Operationsverstärker (32) wahlweise in invertierter Schaltung mit einem Überbrückungswiderstand R₂ (45) oder in normaler Schaltung mit einem überbrückten invertierten Eingang-Ausgang (46) und – einen Messabgriff (47) für die Messspannung u_Mess(t) zur Ermittlung eines Stroms i(t) aufweist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger (37) eine Photodiode darstellt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitspunkteinstellungs-Schaltung (39) für die Photodiode (37) einen Widerstand R_ph (48) sowie eine Stromquelle (49) zur Einstellung einer positiven Spannung U₊ und eine Stromquelle (50) einer negativen Spannung U_– mit U₊ = –U_– enthält, wobei die Stromquellen (49, 50) mindestens einem Netzteil (42) zugeordnet sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstrom-Abtrennungs-Schaltung (43) im Wesentlichen aus einem gegenläufigen Tandempotentiometer (40), dessen Potentiometer (51, 52) Einstellpotentiometer sind, denen jeweils wahlweise ein gleichartiger Widerstand R₁ (53, 54) zuschaltbar ist, besteht.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem gegenläufigen Tandempotentiometer (40) jeweils endseitig zumindest eine Stromquelle (55) zur Einstellung einer positiven Spannung U₊ und eine Stromquelle (44) zur Einstellung einer negativen Spannung U_– mit U = –U_– zugeschaltet sind, wobei die beiden Stromquellen (55,44) zumindest dem Netzteil (42) zugeordnet sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinrichtung (8) die Arbeitspunkteinstellung der Photodiode (37) mit einem Konstantstrom I_ph erreichbar ist, so dass bei einer Aussteuerung durch einen positiven Strom der Photodiode (37) positive und negative Messwerte des Stroms i₀(t) erhältlich sind, wobei die dabei entstehenden Werte der Gleichstrom-Abtrennung ±√K_phI_ph mit der Konstanten K_ph mittels der nachgeschalteten Gleichstrom-Abtrennungs-Schaltung (43) zur Erzeugung einer zum Strom i₀(t) proportionalen Spannung U_mess(t) abgetrennt werden.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Gleichstrom-Abtrennung ±√K_phI_ph mit dem gegenläufigen Tandempotentiometer (40) abtrennbar ist, wodurch ein Abgleich der Auswerteeinrichtung (8) erreichbar ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einhaltung der Konstanzbedingung des Wertes der Gleichstrom-Abtrennung ±√K_phI_ph durch Verwendung eines amplitudenstabilisierten Lasers (2) im optischen Teil bezüglich der Konstanten K_ph erfolgt.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwert i_R(t) des elektrischen Stromes i₀(t) nach Gleichung

   

   gegeben ist, wobei iR(t) den Messwert des Stromes i₀(t),

   

   den zum Strom i(t) proportionalen Anteil, iF(t) den Messwert des Stromes i(t) und

   

   den Wert der Gleichstrom-Abtrennung darstellen.