DE112012002258B4

DE112012002258B4 - Faseroptischer Spannungssensor

Info

Publication number: DE112012002258B4
Application number: DE112012002258.0T
Authority: DE
Inventors: Olivier Steiger; Joris PASCAL; Stephan Wildermuth
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: Hitachi Energy Switzerland AG
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2019-10-24
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: DE112012002258T5; WO2012163923A1; CN103718050A; WO2012163924A1; EP2715375B1; EP2715375A1; CN103718050B; ES2698051T3

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Spannung (V) zwischen zwei Anschlüssen (1a, 1b), insbesondere einer Wechselspannung im Hochspannungsregime, offenbart. Das Verfahren und/oder die Vorrichtung verwenden einen elektrooptischen Effekt in einem elektrooptischen Element (2; 2a, 2b, 2c). Dieser elektrooptische Effekt führt z.B. eine unterschiedliche optische Phasenverschiebung in zwei senkrecht polarisierte Lichtwellen ein, die sich durch das elektrooptische Element (2; 2a, 2b, 2c) ausbreiten. Ein Signal (S, S), das das elektrische Feld an der Position oder über der Länge des elektrooptischen Elements (2; 2a, 2b, 2c) anzeigt, kann somit gemessen werden. Mehrdeutigkeiten in den Signalen werden durch ein zusätzliches Quadratursignal aufgelöst. Die Erfindung offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum genauen Rekonstruieren der Signalform der angelegten Spannung (V) zwischen den Anschlüssen (1a, 1b) unter Verwendung mehrerer elektrooptischer Elemente, aber ohne ein Quadratursignal für jedes elektrooptische Element (2; 2a, 2b, 2c) zu erfordern.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer Spannung, insbesondere einer Wechselspannung im Hochspannungsbereich.
Einleitung und Stand der Technik
Optische Hochspannungssensoren verwenden oft elekrooptische Effekte (wie etwa den Pockels-Effekt und/oder den Kerr-Effekt) in kristallinen Materialien wie Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO) (L. Duvillaret, S. Rialland, und J.-L. Coutaz „Electrooptic sensors for electric field measurements. II. Choice of the crystal and complete optimization of their orientation“ J. Opt. Soc. Am. B 19 2704 (2002)).
US 4,904,931 und US 5,001,419 offenbaren einen Sensor, bei dem die volle Netzspannung (bis zu 100 kV) über die Länge eines einzigen BGO-Kristalls (typischerweise zwischen 100 mm und 250 mm Länge) angelegt wird. Die Kristallkasse von BGO weist Symmetrie auf, dergestalt, dass das Kristall das Linienintegral ∫E*ds über die Kristalllänge misst, d.h. von Masse zu Hochspannungspotential. Folglich beeinflussen Streufelder z.B. aus benachbarten Phasen die Messung nicht. Die angelegte Spannung führt eine optische Differenz-Phasenverschiebung zwischen zwei orthogonalen linear polarisierten Lichtwellen ein, die sich auf parallelen optischen Pfaden durch denselben Kristall ausbreiten. Diese Phasenverschiebung ist proportional zu der angelegten Spannung. Die Lichtwellen interferieren an einem Polarisator am Ende des Kristalls. Die resultierende Lichtintensität variiert proportional zu einer DC-vorgespannten Kosinusfunktion der Phasenverschiebung. Bei typischen Spannungen in Hochspannungs-Unterwerken kann die Phasenverschiebung mehreren Vielfachen von π entsprechen und führt somit zu mehrdeutiger Sensorausgabe. Die Mehrdeutigkeit wird aufgelöst, indem man einen zweiten optischen Ausgangskanal zu dem Kristall hinzufügt, der einen Viertelwellenretarder enthält, der ein 90°-Phasenoffset zwischen den interferierenden Wellen einführt. Ein Signalprozessor rekonstruiert die Signalform der angelegten Spannung aus den zwei optischen Ausgangssignalen bei Quadratur. Da die elektrische Feldstärke am Kristall typischerweise sehr hoch ist, wird der Kristall in einem hohlen Hochspannungsisolator angebracht, der aus faserverstärktem Epoxidharz hergestellt wird und mit SF₆ -Gas unter Druck gefüllt ist, um ausreichende Durchschlagfestigkeit zu erhalten. Der Isolatordurchmesser ist groß genug, um die Feldstärke in der Luft außerhalb des Isolators unter kritischen Grenzen zu halten.
US 6,252,388 beschreibt einen Spannungssensor, der mehrere kleinere elektrooptische Kristalle verwendet, die an ausgewählten Positionen entlang der Longitudinalachse eines hohlen Hochspannungsisolators angebracht sind. Die Kristalle messen die elektrischen Felder an ihren Orten. Die Summe dieser lokalen Feldmessungen dient als Approximation der an den Isolator angelegten Spannung. In diesem Fall liegt die elektrooptische Phasenverschiebung an jedem Kristall innerhalb von ±90° bei der Nennspannung, d.h. es besteht keine Mehrdeutigkeit in der Sensorantwort.
Deshalb haben die Hochspannungssensoren der obigen Typen die Nachteile, dass entweder die elektrische Feldstärke am (großen und deshalb kostspieligen) Kristall so hoch ist, dass (kostspielige) Maßnahmen zur Isolation und/oder Feldlenkung unternommen werden müssen, oder - im Fall von mehreren Sensoren, dass komplizierte optische Systeme, z.B. mit Strahlteilern und Viertelwellenretardern für unzweideutige und/oder präzise Rekonstruktion des Spannungssignals an jedem Kristall angeordnet sein müssen.
US 5,247,244 offenbart ein elektrooptisches Spannungsmesssystem in Reflexion und mit Temperaturkompensation. Wieder wird die hohe Spannung entlang einem einzelnen Kristall angelegt und die zwei optisch parallelen Lichtstrahlen werden durch die volle Kristalllänge durchquert und sind relativ zueinander phasenverschoben. Temperaturkompensation wird über Messung von kapazitivem Strom durch den elektrooptischen Kristall bewirkt und es wird ein Korrekturfaktor abgeleitet und auf die Halbwellenspannung angewandt und wird zur Berechnung des Momentan-Spannungswerts verwendet.
US 5,715,058 offenbart einen anderen elektrooptischen Sensor zur Messung hoher Spannungen in einem reflektiven Aufbau. Es wird Hochspannung an den Kristall angelegt und der Kristall wird von einem einzigen Lichtstrahl hin- und herdurchquert. Dieser Lichtstrahl wird erst nach dem Austritt aus dem Kristall in zwei optische Kanäle aufgeteilt, die relativ zueinander phasenverschoben sind. Temperaturkompensation wird durch Messung einer Temperaturabhängigkeit der Phasenverschiebungs-Wellenplatte erzielt.
DE 197 16 477 offenbart ein Verfahren zur Messung einer elektrischen Spannung, bei dem wenigstens ein Sensorelement und Auswertemittel unter Ausnutzung des Pockel's-Effekts benutzt werden.
US 5 113 131 offenbart ein weiteres Verfahren zum Messen einer Spannung unter Verwendung von elektrooptischen Materialien.
Offenbarung der Erfindung
Daher ist ein allgemeines Ziel der Erfindung die genaue Messung von Spannungen über einen sehr großen Bereich auf einfache Weise.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtung der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den abhängigen Ansprüchen und Anspruchskombinationen werden beispielhafte Ausführungsformen offenbart.
Dementsprechend werden in dem elektrischen Feld zwischen zwei beabstandeten Anschlüssen mit der an die Anschlüsse angelegten zu messenden Spannung mindestens zwei elektrooptische lichtdurchlässige Elemente (Sensormodule, z.B. mit elektrooptischen Kristallen, gepolten Wellenleitern oder piezoelektrischen Vorrichtungen) angeordnet. Weiter wird eine Teilspannung an jedes elektrooptische lichtdurchlässige Element angelegt, die Teilspannung aus einem ersten und zweiten Signal für jedes elektrooptische lichtdurchlässige Element bestimmt, und die Gesamtspannung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss durch Berechnen der Summe aller Teilspannungen bestimmt. Dabei wird Licht, zum Beispiel linear polarisiertes Licht, durch die elektrooptischen lichtdurchlässigen Elemente geleitet. Mittels der Eigenschaften der elektrooptischen lichtdurchlässigen Elemente werden dann mindestens ein erstes und ein zweites Signal, die die elektrischen Felder über den jeweiligen elektrooptischen lichtdurchlässigen Elementen angeben, gemessen. Dieses erste und zweite Signal sind periodische Funktionen der angelegten Spannung. Durch Kombinieren der mindestens zwei Signale kann somit die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss abgeleitet werden, und Mehrdeutigkeiten in dem ersten Signal werden unter Verwendung des zweiten Signals aufgelöst. Als Vorteil gegenüber dem Stand der Technik reicht deshalb nur ein zweites Signal (aus einem elektrooptischen lichtdurchlässigen Element) aus, um Mehrdeutigkeiten in der Spannungsberechnung auf der Basis des ersten Signals von dem anderen elektrooptischen lichtdurchlässigen Element aufzulösen. Dies führt zu einfacherer Optik, die billiger und im Hinblick auf Größe vorteilhaft ist.
Gemäß der Erfindung werden die elektrooptischen lichtdurchlässigen Elemente in Reihe angeordnet, d.h. elektrisch in Reihe (d.h. eines nach dem anderen entlang der z-Achse in einer Longitudinal- oder Axialrichtung) zwischen den Anschlüssen angeordnet. Somit wird das elektrische Feld über die einzelnen elektrooptischen lichtdurchlässigen Elemente verteilt, was zu einfacherer Isolation und billigerer Implementierung führt.
Bei Ausführungsformen weisen das erste und das zweite Signal dieselbe Periodizität der Spannung V auf oder sind so skaliert, dass sie dieselbe Periodizität der Spannung aufweisen. Ferner weisen das erste und zweite Signal eine von null verschiedene gegenseitige Phasenverschiebung auf, d.h. die Phase des zweiten Signals ist mit Bezug auf die Phase des ersten Signals verschoben. Bei Ausführungsformen wird die von null verschiedene Phasenverschiebung des zweiten Signals mit Bezug auf das erste Signal durch ein Phasenverschiebungselement eingeführt, das in einem optischen Pfad an dem zweiten elektrooptischen lichtdurchlässigen Element angeordnet ist. Dieses Phasenverschiebungselement ist z.B. ein λ/4-Retarder, und somit wird eine Quadraturauslesung ermöglicht.
Bei Ausführungsformen ist die Phasenverschiebung des zweiten Signals mit Bezug auf das erste Signal von der Temperatur des Phasenverschiebungselements abhängig. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Temperatur des Phasenverschiebungselements somit aus dem zweiten Signal abgeleitet werden. Diese abgeleitete Temperatur kann dann zum Beispiel zur rechnerischen Kompensation einer Temperaturabhängigkeit der gemessenen Signale und daher für eine rechnerische Kompensation der Temperaturabhängigkeit der abgeleiteten Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss verwendet werden. Somit kann eine bessere Genauigkeit bereitgestellt werden.
Bei Ausführungsformen basieren die zwei Signale auf vom elektrischen Feld abhängigen Änderungen einer physikalischen Eigenschaft der Lichtstrahlen, zum Beispiel der Phase von zwei orthogonalen linear polarisierten Lichtwellen pro elektrooptischem lichtdurchlässigem Element. Dann, z.B. nach Interferenz dieser Lichtwellen an einem Polarisator am Ende jedes elektrooptischen lichtdurchlässigen Elements werden die resultierenden Lichtintensitätssignale dann z.B. durch Fotodioden in ein elektrisches Signal pro Kristall umgesetzt.
Die zu messende Spannung zwischen den Anschlüssen ist insbesondere eine Wechselspannung und/oder im Hochspannungsbereich, insbesondere im Bereich zwischen 75 kB und 800 kV oder sogar mehr. Somit können Spannungen in Unterwerken von Energieübertragungsnetzen gemessen werden.
Nach einem ersten Zeitintervall [t1; t2] mit Spannungsbereichen, die zu einer Periodizität der gemessenen Signale als Funktionen der Spannung führen (d.h. es wird die gesamte Periode der gemessenen Signale abgedeckt oder anders ausgedrückt die gemessenen Signale als periodische Funktionen der Spannung erreichen ihre Maximal- und Minimalwerte), ist eine vorteilhafte Ausführungsform des offenbarten Verfahrens und/oder der Vorrichtung auch zur Messung kleiner Spannungen während eines zweiten Zeitintervalls [t3; t4] geeignet. Der Ausdruck „kleine Spannung“ bezieht sich auf einen Bereich von Spannungen, der zu klein dafür ist, dass die gemessenen Signale ihre Maximal- und Minimalwerte erreichen (d.h. zur Abdeckung der vollen Periode der gemessenen Signale). Dies ist vorteilhaft im Fall eines Spannungsabfalls z.B. aufgrund einer Fehlfunktion in dem Energieübertragungsnetz. Die Zeitlücke (t3-t2) zwischen dem ersten Zeitintervall und dem zweiten Zeitintervall ist größer als eine Spannungssignalperiode, um „Kleinspannungs-Detektion“ zu ermöglichen. Der Skalen- und/oder Offsetparameter, der während des ersten Zeitintervalls [t1; t2] abgeleitet wurde oder wurden, wird oder werden dann zur Ableitung der Spannung V zwischen den Anschlüssen während des zweiten Zeitintervalls [t3; t4] konstant gehalten. Somit ist eine genaue Ableitung der Spannung selbst für Spannungsbereiche möglich, die die volle Periode der gemessenen Signale nicht abdecken.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird nur ein Signal pro elektrooptischem lichtdurchlässigem Element gemessen. Dies führt zu einfacherer Optik.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird mindestens ein interner Parameter α_n , z.B. der Anteil der Gesamtspannung V, der an ein einzelnes elektrooptisches lichtdurchlässiges Element angelegt wird (oder eine anderer Wert, der eine Verteilung der Spannung über die elektrooptischen lichtdurchlässigen Elemente beschreibt), rekursiv auf der Basis seines häufigsten Werts abgeleitet. Aufgrund einer rekursiven Verfolgung des internen Parameters α_n werden seine exakten Werte während einer ersten Initialisierung nicht benötigt.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Schritt des Auflösens der Mehrdeutigkeit in dem ersten Signal einen Schritt des Treffens einer binären Entscheidung zwischen zwei Hypothesen. Diese Hypothesen entsprechen verschiedenen möglichen Spannungswerten bei gegebenem gemessenem Wert des ersten Signals. Die binäre Entscheidung umfasst ferner eine Ableitung eines erwarteten Werts des zweiten Signals für jede der Hypothesen und einen Vergleich des erwarteten Werts mit einem gemessenen Wert des zweiten Signals. Somit kann eine unzweideutige Lösung gefunden werden.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden mindestens drei elektrooptische lichtdurchlässige Elemente in Reihe in dem elektrischen Feld zwischen den Anschlüssen angeordnet und mindestens drei Signale, die die elektrischen Felder über den jeweiligen elektrooptischen lichtdurchlässigen Elementen angeben, werden gemessen. Durch Kombinieren aller Signale kann die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss abgeleitet werden. In diesem Prozess können Mehrdeutigkeiten in allen Signalen aufgelöst werden.
Ferner wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die dafür ausgelegt ist, eine Spannungsmessung mittels eines Verfahrens gemäß der Erfindung auszuführen.
Figurenliste
Die Erfindung wird besser verständlich und Ziele außer den oben dargelegten werden ersichtlich, wenn die folgende ausführliche Beschreibung der Erfindung betrachtet wird. Diese Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

1 (Stand der Technik) eine schematische Darstellung eines optischen Spannungssensors,
2a, 2b, 2c verschiedene Konfigurationen für elektrooptische Spannungssensoren,
3 eine Anordnung von zwei elektrooptischen lichtdurchlässigen Elementen im elektrischen Feld zwischen zwei Anschlüssen,
4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Messung einer Spannung zwischen einem ersten und zweiten Anschluss mit mehreren elektrooptischen lichtdurchlässigen Elementen,
5 ein Signal mit Periodenzahlen,
6 eine Mehrdeutigkeitsbeseitigungsprozedur, die ein Quadratursignal verwendet,
7 eine Prozedur zur Messung einer Phase,
8 ein Verfahren zum Finden von Rückkehrpunkten eines Spannungssignals,
9 eine Anordnung von drei elektrooptischen lichtdurchlässigen Elementen im elektrischen Feld zwischen zwei Anschlüssen.

Arten der Ausführung der Erfindung
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Spannung zwischen zwei Anschlüssen, insbesondere einer Wechselspannung im Hochspannungsregime wird offenbart. Bei Ausführungsformen verwendet das Verfahren und/oder die Vorrichtung einen elektrooptischen Effekt in einem elektrooptischen Element. Dieser elektrooptische Effekt führt z.B. eine verschiedene optische Phasenverschiebung in zwei senkrecht polarisierten Lichtwellen ein, die sich durch das elektrooptische Element ausbreiten. Somit kann ein Signal gemessen werden, das das elektrische Feld an der Position oder über der Länge des elektrooptischen Elements angibt. Mehrdeutigkeiten in den Signalen werden durch ein zusätzliches Quadratursignal aufgelöst. Durch Anordnen mehrerer dieser elektrooptischen Elemente in Reihe zwischen den Anschlüssen werden Vorteile hinsichtlich Kosteneffizienz und Isolation erreicht, das Auflösen der Mehrdeutigkeiten der Signale wird jedoch problematischer, insbesondere für ungleiche und/oder variierende Spannungen über den einzelnen elektrooptischen Elementen (und folglich ungleicher Periodizität der gemessenen Signale) sowie variierende relative Phasen der Signale. Die Erfindung offenbart ein Verfahren zum genauen Rekonstruieren der Signalform der angelegten Spannung zwischen den Anschlüssen unter Verwendung mehrerer elektrooptischer Elemente, aber ohne ein Quadratursignal für jedes elektrooptische Element zu erfordern. Ferner kann die Temperatur des Systems aus der Phase des Quadratursignals abgeleitet und dazu verwendet werden, die Temperaturabhängigkeit des elektrooptischen Effekts selbst zu kompensieren. Ferner wird ein Verfahren zum Ableiten einer kleinen Spannung (d.h. die Spannung ist viel kleiner als die Nennspannung und die elektrooptische Phasenverschiebung liegt innerhalb von ±180°) offenbart. Ferner wird eine Vorrichtung zur Messung einer Hochspannung offenbart.
Definitionen
Der Ausdruck „Hochspannung“ bedeutet Wechselspannungen von mehr als 1 kV oder Gleichspannungen von mehr als 1,5 kV und insbesondere Spannungen von mehr als 75 kV.
Die Ausdrücke „radial“ und „axial“ werden mit Bezug auf die Axialrichtung (parallel zu der Achse des Lichtstrahls hv, z-Achse) des Sensors aufgefasst, wobei „radial“ eine Richtung r bedeutet, die zu der Axialrichtung senkrecht ist und „axial“ eine zu der Axialrichtung z parallele Richtung bedeutet.
Beschreibung der Erfindung
Wie in 1 (Stand der Technik) gezeigt, umfasst ein elektrooptisches lichtdurchlässiges Element 2 einen optischen Sensor 21 (z.B. einen elektrooptischen Kristall), der eine feldabhängige Phasenverschiebung zwischen einer ersten Polarisation oder Mode und einer zweiten Polarisation oder Mode von dort hindurch geleitetem Licht einführt. Dieses Licht kann z.B. durch eine optische Faser 27 und eine Koppellinse 26 in den optischen Sensor 21 geführt werden. Im Idealfall misst ein elektrooptisches lichtdurchlässiges Element 2 das Pfadintegral ∫E*ds des elektrischen Felds zwischen zwei elektrischen Potentialen 1a, 1b, z.B. Masse 1a und Hochspannungspotential 1b. Dieses Konzept eignet sich besonders für Außeninstallationen, z.B. Unterwerke in Energieübertragungsnetzen, weil die Messgenauigkeit durch Feldstörungen, z.B. aufgrund von Regen oder Eis oder Übersprechen von benachbarten Phasen nicht verschlechtert wird. Elektrooptische Kristalle 21 bestimmter Symmetrie sind gut für die Implementierung dieses Konzepts geeignet.
Ein an einen elektrooptischen Kristall 21 angelegtes elektrisches Feld verursacht eine anisotrope Änderung des Brechungsindex des Materials (Doppelbrechung). Diese Doppelbrechung (oder Änderung der Doppelbrechung) verursacht eine Phasenverschiebung zwischen zwei orthogonal linear polarisierten Lichtwellen, die den Kristall 21 durchqueren (Pockels-Effekt). Durch Messung dieser Phasenverschiebung kann die angelegte Spannung abgeleitet werden. Eine Konfiguration eines elektrooptischen lichtdurchlässigen Elements 2, die Linienintegration des elektrischen Felds implementiert, ist in 1 gezeigt: die Spannung V wird an die Endflächen eines Kristalls 21 angelegt, wobei das Licht auch durch die Endflächen in den Kristall eintritt und diesen verlässt. Das Kristallmaterial und seine Achsenorientierung werden so gewählt, dass nur elektrische Feldkomponenten E_z (die entlang dem Zylinder zeigen) zu der elektrooptischen Phasenverschiebung beitragen. Ein geeignetes Material ist Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO) in einer [001]-Konfiguration, die dem entspricht, dass die 4-fache Kristallachse parallel zu der Richtung der Lichtausbreitung ist. Das Eingangslicht hν (breiter Pfeil) ist durch einen ersten Polarisator 22 linear polarisiert (dünnere Pfeile geben die Richtung einer durchgelassenen Polarisation an; der erste Polarisator 22 kann auch ein faserinterner Polarisator sein). Zur Erzielung von maximalem Modulationskontrast werden die elektrooptischen Achsen des Kristalls x', y' vorzugweise unter einem Winkel von 45° mit Bezug auf das ankommende linearpolarisierte Licht orientiert. Die Phasenverschiebung Γ zwischen den Komponenten des Lichts mit Polarisationen parallel zu x' und y' wird durch das elektrische Feld im Kristall 21 verursacht und wird durch einen zweiten Polarisator 23, der am Ausgangsende des Kristalls 21 angeordnet ist, in eine Amplitudenmodulation des durchgelassenen Lichts umgesetzt. Zur Vorspannung der Phasenverschiebung Γ kann ein zusätzliches Phasenverschiebungselement 3 (das eine Phase φ addiert) in den optischen Pfad (zwischen den zwei Polarisatoren 22, 23) gesetzt werden. Die Haupt-Retarderachsen e1 und e2 sind parallel zu den elektrooptischen Achsen x' und y' des Kristalls 21 ausgerichtet. Im Allgemeinen hat die Intensität I des durchgelassenen Lichts nach dem zweiten Polarisator 23 die Form I∼cos²(V). Der Retarder 3 ist zum Beispiel eine λ/4-Wellenplatte.
Für typische Spannungen V in Hochspannungs-Unterwerken wird gewöhnlich eine mehrdeutige Sensorantwort erzielt. Diese Mehrdeutigkeit wird klassisch durch Arbeiten mit zwei optischen Ausgangskanälen pro Kristall aufgelöst, die im Wesentlichen um 90° (π/2) phasenverschoben sind (d.h. sich in Quadratur befinden) oder die eine beliebige andere gegenseitige Phasenverschiebung aufweisen, die kein Vielfaches von π ist. Die 90°-Phasenverschiebung kann durch Aufteilen des Lichts, das den Kristall verlässt, in zwei Pfade mittels eines Strahlteilers 24 und eines Ablenkungsprismas 25 und Anordnen eines Phasenverschiebungselements 3 in einem der Pfade (2a) erzeugt werden.
In einem Spannungssensor, der mindestens ein erstes und ein zweites elektrooptisches lichtdurchlässiges Element 2a und 2b (3) umfasst, kann ein Quadratursignal S₂ erzeugt werden, indem man einen Phasenretarder 3 in den optischen Pfad an einem der elektrooptischen lichtdurchlässigen Elemente (hier dem elektrooptischen lichtdurchlässigen Element 2b wie in 2c) einfügt und das andere elektrooptische lichtdurchlässige Element bzw. die anderen elektrooptischen lichtdurchlässigen Elemente (hier das elektrooptische lichtdurchlässige Element 2a wie in 2b) ohne einen Retarder betreibt. Folglich gibt es nur einen Ausgangskanal pro Kristall (wie in 2b und 2c). Somit werden zusätzliche Strahlteiler 24 und Ablenkprismen 25 für einen Quadraturkanal pro Kristall 21 (wie in 2a) vermieden. Als Folge wird die Vorrichtung signifikant kleiner (und billiger), wodurch Anbringung der Messelemente in einer relativ schmalen Bohrung möglich wird.
Bei der gezeigten Ausführungsform wird Licht durch optische Fasern 27 zu und von den elektrooptischen lichtdurchlässigen Elementen 2a, 2b geführt. Das Licht wird gewöhnlich durch eine Lichtquelle 4c (z.B. eine LED oder einen Laser) in einem Lichtverarbeitungsmodul 4 produziert. Durchlasslicht wird in dem Lichtverarbeitungsmodul 4 durch einen Fotodetektor 4a, 4b, wie etwa eine Fotodiode, pro Kanal detektiert, was hier z.B. pro elektrooptischem lichtdurchlässigem Element 2a, 2b bedeutet, da ein einziger Kanal pro Element vorliegt. Als Alternative könnten die Fotodetektoren 4a, 4b in die elektrooptischen lichtdurchlässigen Elemente 2a, 2b selbst integriert werden. Ein erstes und ein zweites Signal S₁ und S₂ , die das elektrische Feld über dem jeweiligen elektrooptischen lichtdurchlässigen Element 2a, 2b anzeigen, werden somit gemessen. Eine (aus einer CPU 41a und einem Speicher 41b) bestehende Steuereinheit 41 leitet die Spannung V zwischen den Anschlüssen 1a und 1b auf der Basis der Signale S₁ und S₂ ab. Während der Ableitung werden Mehrdeutigkeiten in einem einzelnen Signal - oder im Fall von mehr als zwei Signalen, Mehrdeutigkeiten in einer Teilmenge der Signale - durch das Quadratursignal S₂ aufgelöst. Anders ausgedrückt, produzieren alle Paare gemessener Signale eine unzweideutige Ausgabe, insbesondere wenn eines und vorzugweise genau eines der Signale mit Bezug auf das andere phasenverschoben ist. Deshalb ist es möglich, nur ein Signal S₁ und S₂ pro elektrooptischem lichtdurchlässigem Element 2a und 2b zu messen und dessen ungeachtet zu einem unzweideutigen Spannungssignal V zu kommen. Dies führt zu einfacherer Optik, die billiger und hinsichtlich Größe vorteilhaft ist.
Der in 9 gezeigte Spannungssensor ist dem oben besprochenen Spannungssensor sehr ähnlich, mit der Ausnahme, dass er ein zusätzliches, z.B. ein drittes, elektrooptisches lichtdurchlässiges Element 2c umfasst, woraus ein drittes Signal S₃ über einen dritten Fotodetektor 4d gemessen wird.
Die Prozedur zum genauen Rekonstruieren der Signalform der angelegten Spannung V (selbst unter ungleichen und variierenden teilweisen Kristallspannungen V_n und folglich unter ungleicher Periodizität der optischen Signale S_n ) sowie unter variierenden relativen Phasen ist in 4 zusammengefasst.
Die Prozedur beginnt mit einer Initialisierungsphase, in der (nicht unbedingt genaue) Anfangswerte α_n , V_n , Δ_n für jedes elektrooptische lichtdurchlässige Element gesetzt werden (siehe unten). Diese Parameter könnten auf (halb-) automatisierte Weise bestimmt oder vom Bediener manuell bereitgestellt werden. Für jedes gemessene Signal S_n (z.B. aus den Fotodioden 4a, 4b, ...), das einen Lichtintensitätspegel I von jedem elektrooptischen lichtdurchlässigen Element 2a, 2b, ... repräsentiert, wird verifiziert, ob die angelegte Spannung „groß“ ist, d.h. eine elektrooptische Phasenverschiebung >±180° verursacht wird oder anders ausgedrückt der Absolutwert der elektrooptischen Phasenverschiebung 180° übersteigt, oder im Allgemeinen ob das Signal bzw. die Signale ein Minimum und ein Maximum erreicht, oder „klein“, d.h. die elektrooptische Phasenverschiebung innerhalb von ±180° bleibt oder anders ausgedrückt der Absolutwert der elektrooptischen Phasenverschiebung kleiner oder gleich 180° ist, oder im Allgemeinen ob das Signal bzw. die Signale ein Minimum und ein Maximum nicht erreicht. Wenn die Spannung „groß“ ist, wird die Amplitude des beschafften Signals S_n auf ein gegebenes Intervall, z.B. auf das Intervall [-1;1], normiert, um Verstärkungs- und Offsetdifferenzen zwischen den Kanälen aufgrund der Messkette (hier z.B. Fotodiode - Verstärker) zu beseitigen. Wenn die Spannung „klein“ ist, wird das Signal S_n nicht normiert, um die korrekten Informationen über Amplitude und somit über die angelegte Spannung zu bewahren (siehe unten).
Dann wird die an jedes elektrooptische lichtdurchlässige Element 2a, 2b, ... angelegte Teilspannung V_n in zwei Schritten aus S_n bestimmt: der erste Schritt ist das Zählen der Nulldurchgänge in S_n , so wie es in 5 dargestellt ist. Dies wird verwendet, um die Periode K der kosinusförmigen Antwort zu bestimmen, und liefert eine erste grobe Approximation der angelegten Spannung V_n . Diese Approximation kann dann (gegebenenfalls) durch Berechnen des Rests oder Approximationsfehlers, der durch die inverse Antwort (gewöhnlich die Arkuskosinusfunktion) des Sensors gegeben wird, verfeinert werden. Die Summe der Nulldurchgangsapproximation und des Rests gibt die angelegte Spannung V_n .
Die Gesamtspannung V zwischen den Anschlüssen 1a und 1b wird schließlich durch die Summe aller Teilspannungen V_n gegeben: bei der Ausführungsform der Erfindung von 3 besteht der Hochspannungssensor aus mehreren elektrooptischen lichtdurchlässigen Elementen 2a, 2b. Jedes elektrooptische lichtdurchlässige Element 2a, 2b besteht aus einem Isolator mit einer mittleren Bohrung, die z.B. einen BGO-Kristall 21 enthält. Die Gesamtspannung zwischen den Anschlüssen 1a und 1b wird als V bezeichnet. Die Teilspannung, die an ein gegebenes elektrooptisches lichtdurchlässiges Element 2a, 2b, ... angelegt wird, wird mit V_n bezeichnet. Die Gesamtspannung V ist dann die Summe aller Teilspannungen: V=ΣV_n. Umgekehrt werden Teilspannungen V_n durch den Anteil α_n der Gesamtspannung V definiert, der an das entsprechende Modul angelegt wird: V_n=α_n*V. Wie bereits erwähnt, könnten sich die Teilspannungen unterscheiden und mit der Zeit variieren. Deshalb gilt α_n≠α_m für n≠m und α_n=α_n(t). Die Intensität I des aus jedem elektrooptischen lichtdurchlässigen Element 2a, 2b, ... austretenden Lichtstrahls wird durch den folgenden Ausdruck gegeben: $I_{n} = I_{n,0} \cdot {cos}^{2} (π (Γ_{n} + Δ_{n}))$
$Γ_{n} = \frac{V_{n}}{2 V_{h, n}}$
dabei ist I_n,0 die Intensität des austretenden Strahls mit Retardierung null, Γ_n drückt die Retardierung (feldabhängige Phasenverschiebung) zwischen den zwei polarisierten Lichtkomponenten, wenn sie aus dem Kristall 21 austreten, aus und Δ_n ist die relative Phase des Signals. V_h,n ist die Halbewellenspannung des BGO-Kristalls 21 im optischen Pfad n. Dies ist die Spannung, die zu der Retardierung Γ_n=1/2 führt. In Gleichung (1) wird angenommen, dass die Modulationstiefe des optischen Signals gleich Eins ist. Die relativen Phasen Δ_n der Signale können sich abhängig von der Temperatur wie bereits erwähnt unterscheiden und zeitlich variieren. Deshalb gilt Δ_n≠Δ_m für n≠m und Δ_n=Δ_n(t).
Die durch die Messungskette (Fotodiode - Verstärker) produzierten elektrischen Signale S_n werden dann gegeben durch $S_{n} = G_{n} \cdot I_{n} + b_{n} + e_{n}$
wobei G_n die kumulierte Verstärkung aller Komponenten in der Messungskette und b_n ein Offset ist. Der Term e_n ist ein Rauschterm.
Messung der angelegten Spannung
Wie bereits erwähnt, kann in der ersten Signalverarbeitungsphase (4) die Amplitude jedes elektrischen Signals auf das Intervall [-1; 1] normiert werden. Diese Operation beseitigt die Verstärkungs- und Offsetparameter aus Gleichung 3 (der Rauschterm e_n wurde hier vernachlässigt): $S_{n}^{N o r m} = 2 \cdot {cos}^{2} (π (Γ_{n} + Δ_{n})) - 1$
Signalnormierung wird einfach durch Anwenden der Skalen- und Offsetfaktoren erzielt, die das Minimum oder Maximum der tatsächlichen Antwort auf das gewünschte normierte Minimum oder Maximum (d.h. -1 und 1) abbilden: $s c a l e = 0,5 \cdot (max - min)$
$o f f s e t = min + s c a l e$
$S_{n}^{N o r m} = \frac{S_{n} - o f f s e t}{s c a l e}$
Um die obigen Gleichungen zu lösen, sollen beide Antwortextrema min (=Minimum) und max (=Maximum) bestimmt werden. Das bedeutet wiederum, dass Antwortnormierung nur geschehen kann, wenn die durch die angelegte Spannung zwischen den Anschlüssen 1a und 1b verursachte elektrooptische Phasenverschiebung über ±180° liegt, d.h. eine „große“ Spannung gemessen wird. Andernfalls müssen die Skalen- und Offsetfaktoren konstant gehalten werden, bis die obige Bedingung wieder erfüllt ist (siehe „Messung kleiner Spannungen“ unten). In der zweiten Phase werden alle Teilspannungen V_n durch Auflösen der Gleichungen (1) - (4) nach V_n bestimmt. Dies führt zu $V_{n} = \frac{V_{h, n}}{π} ((\pm arccos (\frac{2 (S_{n} - b_{n})}{G_{n} \cdot I_{n,0}} - 1) + K \cdot 2 π) - 2 π Δ_{n})$
Man beachte, dass nach Signalnormierung G_n=1 und b_n=0 gilt. In Gleichung (8) ist ersichtlich, dass aufgrund der Periodizität des (Arkus)-Kosinus V_n nur bis auf den Faktor 2K*V_h,n aufgelöst werden kann, wobei K = Anzahl der Perioden unbekannt ist. Um K zu bestimmen, d.h. die Anzahl der Perioden der kosinusförmigen Antwort des elektrooptischen lichtdurchlässigen Elements, das der angelegten Spannung V_n entspricht, wird ein bidirektionaler Zählwert k der Anzahl der Nulldurchgänge des gemessenen Signals S_n verwendet. Tatsächlich ändert sich die Anzahl k der Nulldurchgänge zweimal pro Periode K. Die Nulldurchgangs-Zählprozedur ist aus US 5'001'419 abgeleitet, die hiermit durch Bezugnahme vollständig aufgenommen wird. Es werden zwei optische Signale in Quadratur betrachtet: der Zählwert k wird inkrementiert, wenn die durch das Basissignal repräsentierte Spannungssignalform positiver wird, und dekrementiert, wenn der Betrag der repräsentierten Signalform negativer wird. Das Basissignal ist das Signal, für das der interessierende Parameter, z.B. hier die Anzahl der Nulldurchgänge, bestimmt wird. Das Quadratursignal ist ein anderes Signal - in unserem Fall von einem anderen elektrooptischen lichtdurchlässigen Element 2a, 2b, ... - das mit Bezug auf das Basissignal z.B. durch Verwendung eines Phasenverschiebungselements 3 verzögert wurde. Die Richtung, in der sich die Signalform bewegt, wird dadurch bestimmt, welches der Signale (Basissignal oder Quadratursignal) vorauseilt. Umkehrung der Richtung der Spannungssignalform führt zu einem Wechsel, bei dem ein Signal vorauseilt, und kann deshalb durch zwei aufeinanderfolgende Nulldurchgänge im selben Signal detektiert werden.
Um zufällige Indexierung des bidirektionalen kumulativen Zählwerts k von Nulldurchgängen, die bei kleinen Signalen auftreten könnte, zu vermeiden, wird ein Totband um die Nullachse herum erzeugt. Nulldurchgänge werden nicht gezählt, während sich das Signal in diesem Totband befindet. Stattdessen wird bestimmt, wann das Signal das Totband wieder verlässt, hinsichtlich ob die Nulldurchgänge indexiert werden sollen:

• Wenn das Signal das Totband auf derselben Seite verlässt, auf der es eingetreten ist, hat das Zielsignal die Richtung gewechselt und k sollte nicht indexiert werden;
• wenn das Signal das Totband auf der entgegengesetzten Seite von der es eingetreten ist, verlässt, hat ein Nulldurchgang stattgefunden und k wird indexiert.

Man beachte, dass wenn der Nulldurchgangszähler k auf null gesetzt werden kann, wenn die Spannung null ist, nachfolgende Spannungsmessungen korrekt sein werden. Im Allgemeinen ist die Spannung beim Herauffahren (während der Initialisierung) jedoch nicht bekannt, und deshalb ist k beliebig. Unter der Annahme, dass die angelegte Spannung rein Wechselspannung ist, kann k in ganzzahligen Schritten justiert werden, bis der Mittelwert der berechneten Spannung über einen Zyklus null ist. Nachdem k ordnungsgemäß justiert wurde, sind die berechneten Spannungen korrekt, bis das Programm unterbrochen wird.
In Gleichung (8) ist ersichtlich, dass eine gemessene Spannung V_n durch die Summe von zwei verschiedenen Termen gegeben wird. Der erste Term K*2n wird unter Verwendung von kumulativer Nulldurchgangszählung k wie oben besprochen approximiert. Die Berechnung des zweiten Terms arccos (2 (S_n -b_n ) /G_n *I_n,0)-1) wird als nächstes besprochen: prinzipiell muss Gleichung (8) nach V_n bei gegebenem Signal S_n aufgelöst werden, wobei K = Anzahl der Perioden aus Nulldurchgangszählung k bekannt ist. Das Vorzeichen des Arkuskosinus kann aus S_n alleine nicht bestimmt werden. Deshalb wird zusätzlich das Quadratursignal verwendet, um die Mehrdeutigkeit des Vorzeichens zu entfernen. Die entsprechende Prozedur ist in 6 dargestellt. Als erstes werden zwei Hypothesen h⁺ und h^- erzeugt: $h^{+} : V_{n}^{h +} \infty + arccos (\cdot)$
$h^{-} : V_{n}^{h -} \infty - a r c c o s (\cdot)$
Die Spannung V_n unter beiden Hypothesen V_n ^h+ und V_n ^h- wird dann unter Verwendung von Gleichung (8) berechnet. Danach wird die Quadratursignalantwort unter beiden Hypothesen S_n' ^h+ und S_n' ^h- berechnet. Dies geschieht durch Einsetzen von V_n ^h+ und V_n ^h- in den folgenden aus Gleichungen (1) - (4) abgeleiteten Ausdruck: $S_{n'}^{h} = G_{n'} \cdot I_{n',0} \cdot {cos}^{2} (π (\frac{V_{n'}^{h}}{2 V_{h, n'}} + Δ_{n'})) + b_{n'}$
Man beachte, dass in Gleichung (9) n' der Index des Quadratursignals (z.B. n'=2) ist, mit dem die Mehrdeutigkeit des Vorzeichens beseitigt wird, und nicht der Index n des Signals, dessen Spannung berechnet wird: n'≠ n. Die Hypothese mit der berechneten Quadratursignalantwort S_n' ^h (erwarteter Wert), die der gemessenen Quadratursignalantwort S_n' (im Hinblick auf euklidische Distanz) am nächsten kommt, wird schließlich validiert.
Wie oben erwähnt, wird die Mehrdeutigkeit des Arkuskosinus beseitigt, indem beide Spannungen V_n ^h+ und V_n ^h- auf die Quadraturantwort „projiziert“ werden, um zu verifizieren, welche Hypothese ein Bild erzeugt, das am besten mit dem gemessenen Quadratursignal übereinstimmt. Da es möglich ist, dass die an den Basiskanal und an den Quadraturkanal angelegten Spannungsanteile verschieden sind (α_n∈[0;1]), ist es notwendig, vor dem Vergleich ein Signal mit Bezug auf das andere zu normieren. Man erreicht dies durch Ausdrücken einer Antwort als Funktion der anderen: $\begin{array}{l} V_{n} = α_{n} \cdot V \\ V_{n'} = α_{n'} \cdot V \\ \Rightarrow V_{n'} = \frac{α_{n'}}{α_{n}} \cdot V_{n} \end{array}$
Insbesondere werden die Signale skaliert, um dieselbe Periodizität der Spannung aufzuweisen, d.h. die Basisspannung V_n wird vor der Berechnung von S_n' ^h+ und S_n' ^h- mit Bezug auf die Quadraturspannung V_n' normiert.
Bestimmung der Alphas
Es wurde bereits erwähnt, dass die Teilspannungen ungleich und zeitlich variierend sein könnten. D.h. α_n≠α_m für n≠m und α_n=α_n(t). Die an jedes elektrooptische lichtdurchlässige Element 2a, 2b, ... angelegte Teilspannung kann durch Umschreiben der Definition von α_n bestimmt werden: $α_{n} = \frac{V_{n}}{V}$
In Gleichung (11) wird α_n unter Verwendung der gemessenen Teilspannungen V_n und der Gesamtspannung V berechnet. Das α_n muss dagegen bekannt sein, um V_n und somit V unter Verwendung von Gleichung (8) zu berechnen. Das bedeutet, dass im Allgemeinen α_n bekannt sein muss, um V_n und V zu berechnen, und die Spannungen sind erforderlich, um α_n zu berechnen.
Dieser scheinbare Widerspruch wird jedoch gelockert, indem man beobachtet, dass bei der Messung der angelegten Spannung der Zweck von α_n nur darin besteht, die Mehrdeutigkeit beim Vorzeichen des Arkuskosinus zu beseitigen. Insbesondere erfolgt Kompensation verschiedener α_n vor dem in 6 dargestellten Datenassoziationsschritt. Da das Ergebnis dieses Schritts eine binäre Entscheidung ist, d.h. positives oder negatives Vorzeichen, ist die Entscheidung selbst mit etwas fehlerhaftem α_n korrekt, solange die gemessene Quadratursignalantwort S_n' der einen berechneten Signalantwort S_n' ^h „viel näher“ ist als der anderen.
Bei Wechselspannung folgt aus der obigen Beobachtung, dass für den größten Teil der Zeit (oder äquivalent für die meisten Spannungen V_n ) das unter Verwendung von Gleichung (8) berechnete α_n=f(V_n(t)) korrekt ist. α_n wird nur fehlerhaft, wenn V_n und somit V aufgrund einer falschen Hypothesenauswahl falsch ist. Deshalb ist α_n „die meiste Zeit“ korrekt, oder äquivalent wird das korrekte α_n durch den häufigsten Wert oder Modus von α_n gegeben.
α_n-Verfolgungsregelschleife
Normalerweise sind die exakten α_n während der Initialisierung nicht bekannt. Tatsächlich sind sie gewöhnlich zu keiner Zeit bekannt, weil α_n von Streufeldern, mechanischen Schwankungen des Sensors usw. abhängen. Deshalb sollte die Hilfsregelschleife mit einer Schätzung von α_n für alle optischen Kanäle n initialisiert werden. Dann wird eine erste Reihe von Messungen genommen und auf der Basis der resultierenden V_n werden unter Verwendung von Gleichung (11) und des Modus der α_n exaktere α_n berechnet. Diese neuen Schätzungen von α_n werden für die folgenden Berechnungen von V_n verwendet, die ihrerseits zum Verfeinern von α_n verwendet werden usw. Somit konvergieren die α_n .
Das obige beschreibt die Hilfsregelschleife, die die α_n auf der Basis ankommender Spannungsmessungen verfolgt. Die optimale Auffrischrate der Regelschleife muss experimentell bestimmt werden; es wird jedoch erwartet, dass sie einigen wenigen Perioden der angelegten (Wechsel-) Spannung entspricht.
Messung von Delta und Extraktion der Retardertemperatur
Die durch das Phasenverschiebungselement 3 eingeführte tatsächliche Retardierung variiert (ungefähr linear) mit der Temperatur, während die Temperaturabhängigkeit der Phase der optischen Kanäle ohne Retarder schwach ist. Deshalb kann die Temperatur des Retarders aus der Phasendifferenz zwischen dem Quadratursignal S₂ (mit dem Phasenverschiebungselement 3) und dem Basissignal S₁ (ohne Retarder) extrahiert werden. Diese Informationen werden ihrerseits zur Kompensation der Sensorausgabe bezüglich Temperaturabhängigkeit des elektrooptischen Effekts verwendet.
Um die relative Signalphase Δ_n für einen beliebigen Kanal n zu messen, wird Gleichung (8) nach Δ_n aufgelöst, wenn V_n=0 (deshalb k=0) gilt, wie in 7 dargestellt. Mit dem normierten Signal (G_n=1 und b_n=0) führt dies zu dem folgenden Ausdruck: $Δ_{n} = \pm \frac{V_{h, n}}{2 π^{2}} arccos (\frac{2 (S_{n})}{I_{n,0}} - 1)$
Das Lösen von Gleichung (8) im Fall V_n=0 ist nützlich, weil an diesem spezifischen Punkt die Antwort von der relativen Phase Δ_n abhängt, aber nicht von dem angelegten Spannungsanteil α_n . Daraus folgt jedoch, dass der richtige Zeitpunkt (Sample) bestimmt werden muss, wenn V_n=0 ist.
Die Prozedur zum Finden dieses Zeitpunkts im Fall V_n=0 wird als nächstes zusammengefasst: als erstes werden die Rückkehrpunkte R1 und R2 der angelegten Spannung gefunden (wie in 8 dargestellt), unter der Annahme, dass das Erregungssignal reiner Wechselstrom ist (d.h. Mittelwert=0). Dies ist unter normalen Betriebsbedingungen eine vernünftige Annahme; immer wenn die Annahme nicht gilt, wird die Berechnung von Δ_n vorübergehend gesperrt. Gleichstromkomponenten in der angelegten Spannung können durch Berechnen des Mittelwerts der rekonstruierten Spannung V über eine oder mehrere Perioden detektiert werden.
Eine leichte Methode zum Finden von R1 und R2 besteht darin, das Antwortsignal für zwei sukzessive Extrema, die weder gleich 0,5 noch gleich -0,5 sind, zu scannen. Dies funktioniert jedoch nicht für bestimmte Werte von Eingangssignalamplituden. Zum Beispiel mit 225 kV angelegter Spannung wie in 8 liegt ein Signalextremum genau bei -0,5.
Deshalb wird stattdessen ein Verfahren auf der Basis von Nulldurchgängen verwendet (8, unten). Als erstes werden alle Nulldurchgänge in einem gegebenen Signalabschnitt (z.B. 1,25 Nennspannungsperioden) gefunden. Dann wird für jeden Nulldurchgang die Summe S_i von drei Zeitintervallen berechnet, die durch vier (oder eine beliebige gerade Anzahl größer als vier) aufeinanderfolgende Nulldurchgänge definiert sind (siehe das eingerahmte Beispiel in 8, unten: die vertikalen gestrichelten Linien entsprechen Nulldurchgängen des Basissignals S₁ ): $S_{i} = \sum_{k = 1}^{i + 3} (t_{Z K + 1} - t_{Z K})$
Die Nulldurchgänge, die zu der größten Summe S_i führen, enthalten dann in ihrer Mitte die Punkte R1 und R2. Der Zeitpunkt, zudem V_n=0 gilt, wird schließlich im Zentrum zwischen R1 und R2 gefunden.
Ein alternatives Verfahren zum Finden der Rückkehrpunkte R1 und R2 besteht darin, die Nulldurchgangs-Zählungsausgabe k zu verwenden. Die Rückkehrpunkte R1 und R2 befinden sich auf den Extrema (entweder Minimum oder Maximum, z.B. durch die zweite Ableitung bestimmt) des gemessenen Signals (Basis oder Quadratur), die sich in dem Zeitraum befinden, in dem die Zählerausgabe k maximal oder minimal ist. Diese Extrema von k geben die Rückkehrpunkte der angelegten Spannung V an, da k eine Approximation von V ist.
Messung kleiner Spannungen
Die Erfindung stellt auch einen Mechanismus zum Bestimmen der angelegten Spannung V zwischen den Anschlüssen 1a und 1b, falls die Spannung V viel kleiner als die Nennspannung ist und die elektrooptische Phasenverschiebung deshalb innerhalb von ±180° liegt, bereit. Insbesondere ist die Messung von Spannungen, die zu Phasenverschiebungen von kleiner als oder innerhalb von ±180° führen, mit großen Spannungen (wie oben beschrieben) identisch, aber mit zwei Unterschieden:

• Keine Signalnormierung. Phasenverschiebungen von kleiner als oder innerhalb ±180° führen zu Signalen, die nicht den gesamten möglichen Ausgangsamplitudenumfang abdecken. D.h. die Intensität I des aus dem elektrooptischen lichtdurchlässigen Element 2a, 2b, ... austretenden Lichtstrahls, gegeben durch Gleichung (1), deckt nicht den gesamten zulässigen Umfang [0; I_n,0 ] ab. Deshalb muss Signalnormierung gesperrt werden, um die korrekten Informationen über Signalamplitude und somit die angelegte Spannung zu bewahren.
• Keine Messung von Delta. Da die Schätzung von Δ_n und somit der Temperatur Nulldurchgänge im Antwortsignal verwendet, kann dies nicht durchgeführt werden, wenn die elektrooptische Phasenverschiebung innerhalb von ±180° liegt.

Um Spannungen V mit einer Phasenverschiebung unter oder innerhalb von ±180° zu detektieren, kann man nicht die Spannungsmessung selbst verwenden, weil dies offensichtlich erst verfügbar ist, nachdem Signalnormierung durchgeführt wurde. Stattdessen verwendet man die Skalen- und Offsetfaktoren, die durch die Normierungsprozedur in Gleichung (5) - (6) produziert werden. Tatsächlich muss in einem ersten Zeitraum [t1; t2] mit t2>t1 die Phasenverschiebung über oder außerhalb von ±180° sein (d.h. voller Ausgangsamplitudenumfang abgedeckt, „großer“ Umfang von Spannungen an die Anschlüsse 1a und 1b angelegt). Dann bleiben Skala und Offset ungefähr konstant. Wenn man sich in einem zweiten Zeitraum [t3; t4] (mit t4>t3) befindet, fällt die Phasenverschiebung unter oder innerhalb von ±180° ab und mindestens einer dieser Faktoren würde sich schnell ändern (d.h. innerhalb einer Periode der Spannung V), weil das Signal S_n umskaliert werden muss.
Deshalb wird die Spannung V oder V_n als „klein“ (Phasenverschiebung < ± 180°) betrachtet, wenn entweder $s c a l e (t) - s c a l e (t - Δ) > δ_{s c a l e}$

oder $offset (t) - o s s f e t (t - Δ) > δ_{o f f s e t}$

gilt.
Hierbei sind δ_scale und δ_offset Schwellenwerte, die zum Detektieren signifikanter oder schneller Änderungen der entsprechenden Parameter verwendet werden. Δ ist das Zeitintervall, das zwei aufeinanderfolgende Auswertungen von Skala und/oder Offset trennt. (Anmerkung: das Zeitintervall Δ bezieht sich hier nicht auf eine Phasenverschiebung!). Für ordnungsgemäßen Betrieb des Verfahrens muss dieses Zeitintervall Δ klein genug sein, um ordnungsgemäße Reaktionszeit (keine sich langsam ändernden Spannungen) sicherzustellen, aber größer als eine Signalperiode (d.h. 20 ms bei 50 Hz oder 16,6 ms bei 60 Hz) sein.
Anmerkungen:
2a - 2c zeigen Anordnungen, bei denen die elektrooptischen lichtdurchlässigen Elemente 2, 2a, 2b im Reflexionsmodus unter Verwendung eines Reflektors 28 betrieben werden, d.h. das Licht durchläuft den optischen Sensor 21 zweimal. Als Alternative kann das elektrooptische lichtdurchlässige Element 2 auch wie in 1 im Durchlassmodus betrieben werden, d.h. das Licht durchläuft den Kristall 21 nur einmal.
Eine andere Möglichkeit zur Entfernung der Mehrdeutigkeit anstelle von oder zusätzlich zu der Verwendung eines Quadratursignals besteht darin, den Sensor mit Licht zweier verschiedener Wellenlängen zu betreiben.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf zwei oder drei elektrooptische lichtdurchlässige Elemente. Es versteht sich jedoch, dass das Verfahren und/oder die Vorrichtung gemäß der Erfindung für eine beliebige Anzahl von elektrooptischen lichtdurchlässigen Elementen größer als zwei und/oder mehr als zwei gemessene Signale geeignet ist. Das gemessene Signal von irgendeinem elektrooptischen lichtdurchlässigen Element kann zur Beseitigung von Mehrdeutigkeit des Signals bzw. der Signale von einem beliebigen anderen elektrooptischen lichtdurchlässigen Element bzw. beliebigen anderen elektrooptischen lichtdurchlässigen Elementen verwendet werden, insbesondere wenn mindestens ein gemessenes Signal mit Bezug auf das andere gemessene Signal bzw. die anderen gemessenen Signale phasenverschoben ist (z.B. ein Element weist ein Phasenverschiebungselement auf, das andere bzw. die anderen nicht).
Die Rolle von „Basis“- und „Quadratur“-Signalen in der vorliegenden Erfindung ist austauschbar, d.h. das Quadratursignal kann zum Auflösen von Mehrdeutigkeiten bei der Ableitung der Spannung aus dem Basissignal verwendet werden und/oder das Basissignal kann zum Auflösen von Mehrdeutigkeiten bei der Ableitung der Spannung aus dem Quadratursignal verwendet werden.
Es sollte beachtet werden, dass das beschriebene Hypothesenverfahren im Abschnitt „Messung der angelegten Spannung“ im Prinzip auch zur Beseitigung von Mehrdeutigkeit bei einem „Basis“-Signal mit einem „Quadratur“-Signal in einem Sensor geeignet ist, bei dem beide Signale aus demselben elektrooptischen lichtdurchlässigen Element stammen, z.B. einem klassischen Sensor, bei dem zwei Kanäle (einer ohne und einer mit einem Viertelwellenretarder) von demselben elektrooptischen lichtdurchlässigen Element ausgelesen werden.
Bezugszeichenliste

1a, 1b:: Anschlüsse
2, 2a, 2b, 2c:: elektrooptisches lichtdurchlässiges Element (Sensormodul)
3:: Phasenverschiebungselement
4:: Lichtverarbeitungsmodul
4a, 4b, 4d:: Fotodetektor
4c:: Lichtquelle
21:: optischer Sensor, z.B. elektrooptischer Kristall
22:: erster Polarisator
23:: zweiter Polarisator
24:: Strahlteiler
25:: Ablenkungsprisma
26:: Koppellinse
27:: optische Faser
28:: Reflektor
41:: Steuereinheit
41a:: zentrale Verarbeitungseinheit (CPU)
41b:: Speicher
S₁, S₂, S₃, S_n:: Signale
V:: Spannung
I:: Intensität

Claims

Verfahren zur Messung einer Spannung (V) zwischen einem ersten (1a) und einem zweiten Anschluss (1b), wobei der erste Anschluss (1a) räumlich von dem zweiten Anschluss (1b) getrennt ist und wobei die Spannung (V) ein elektrisches Feld zwischen den Anschlüssen (1a, 1b) erzeugt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Anordnen mindestens eines ersten und eines zweiten elektrooptischen lichtdurchlässigen Elements (2, 2a, 2b) in dem elektrischen Feld zwischen dem ersten (1a) und dem zweiten Anschluss (1b), Anlegen einer Teilspannung (Vn) an jedes elektrooptische lichtdurchlässige Element (2a, 2b), Bestimmen der Teilspannung (Vn) aus dem ersten und zweiten Signal (S1, S2) für jedes elektrooptische lichtdurchlässige Element (2a, 2b) und Bestimmen der Gesamtspannung (V) zwischen dem ersten Anschluss (1a) und dem zweiten Anschluss (1b) durch Berechnen der Summe (V=∑V_n) aller Teilspannungen (V_n) [früherer Anspruch 13], dabei umfassend Leiten von Licht durch das erste und das zweite elektrooptische lichtdurchlässige Element (2a, 2b), Messen mindestens eines ersten Signals (S₁) von dem ersten elektrooptischen lichtdurchlässigen Element (2a) und mindestens eines zweiten Signals (S₂) von dem zweiten elektrooptischen lichtdurchlässigen Element (2b), wobei das erste Signal (S₁) das elektrische Feld über dem ersten elektrooptischen lichtdurchlässigen Element (2a) anzeigt, wobei das zweite Signal (S₂) das elektrische Feld über dem zweiten elektrooptischen lichtdurchlässigen Element (2b) anzeigt und wobei die Signale (S₁, S₂) periodische Funktionen der Spannung (V) sind, Ableiten der Spannung (V) aus dem ersten (S₁) und dem zweiten Signal (S₂), und wobei die elektrooptischen lichtdurchlässigen Elemente (2a, 2b) in Reihe in einer Axialrichtung zwischen den Anschlüssen (1a, 1b) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Signal (S₂) verwendet wird, um eine Mehrdeutigkeit beim Ableiten der Spannung (V) unter Verwendung des ersten Signals (S₁) aufzulösen, das erste Signal (S₁) mit Bezug auf das zweite Signal (S₂) vor dem Vergleich normiert wird, indem eine Antwort als Funktion der anderen ausgedrückt wird: $\begin{array}{l} V_{n} = α_{n} \cdot V \\ V_{n'} = α_{n'} \cdot V \\ \Rightarrow V_{n'} = \frac{α_{n'}}{α_{n}} \cdot V_{n} \end{array}$
mit V_n = Basisspannung, V_n' = Quadraturspannung, an und α_n' = interne Parameter (S.7, Z.16-22; S.21, Z.32 - S.22, Z.5) und V = Spannung zwischen dem ersten (1a) und zweiten Anschluss (1b) und das erste Signal (S₁) so auf das zweite Signal (S₂) skaliert wird, dass sie dieselbe Periodizität der Spannung (V) aufweisen, und das erste Signal (S₁) und das zweite Signal (S₂) eine von null verschiedene gegenseitige Phasenverschiebung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Phasenverschiebung zwischen dem ersten Signal (S₁) und dem zweiten Signal (S₂) mindestens teilweise durch ein Phasenverschiebungselement (3) eingeführt wird, das in einem optischen Pfad in dem zweiten elektrooptischen lichtdurchlässigen Element (2b) angeordnet ist, und wobei insbesondere das Phasenverschiebungselement (3) ein λ/4-Retarder ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Phasenverschiebung zwischen dem ersten Signal (S₁) und dem zweiten Signal (S₂) eine Funktion der Temperatur des Phasenverschiebungselements (3) ist und die Temperatur des Phasenverschiebungselements (3) aus dem zweiten Signal (S₂) abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Signal (S₁) und das zweite Signal (S₂) mittels der elektrooptischen lichtdurchlässigen Elemente (2a, 2b) auf einer vom elektrischen Feld abhängigen Änderung einer physikalischen Eigenschaft des Lichts basieren, das durch das erste und zweite elektrooptische lichtdurchlässige Element (2a, 2b) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 und 4, wobei die vom elektrischen Feld abhängige Änderung eine Funktion der Temperatur des elektrooptischen lichtdurchlässigen Elements (2, 2a, 2b) ist und wobei die abgeleitete Temperatur des Phasenverschiebungselements (3) beim Ableiten der Spannung (V) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannung im Hochspannungsbereich liegt und/oder die Spannung eine Wechselspannung ist.
Verfahren zur Messung einer Spannung (V) zwischen einem ersten (1a) und zweiten Anschluss (1b), wobei der erste Anschluss (1a) räumlich von dem zweiten Anschluss (1b) getrennt ist und wobei die Spannung (V) ein elektrisches Feld zwischen den Anschlüssen (1a, 1b) erzeugt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Anordnen mindestens eines ersten und eines zweiten elektrooptischen lichtdurchlässigen Elements (2, 2a, 2b) in dem elektrischen Feld zwischen dem ersten (1a) und dem zweiten Anschluss (1b), Leiten von Licht durch das erste und das zweite elektrooptische lichtdurchlässige Element (2a, 2b), Messen mindestens eines ersten Signals (S₁) von dem ersten elektrooptischen lichtdurchlässigen Element (2a) und mindestens eines zweiten Signals (S₂) von dem zweiten elektrooptischen lichtdurchlässigen Element (2b), wobei das erste Signal (S₁) das elektrische Feld über dem ersten elektrooptischen lichtdurchlässigen Element (2a) anzeigt, wobei das zweite Signal (S₂) das elektrische Feld über dem zweiten elektrooptischen lichtdurchlässigen Element (2b) anzeigt und wobei die Signale (S₁, S₂) periodische Funktionen der Spannung (V) sind, Ableiten der Spannung (V) aus dem ersten (S₁) und dem zweiten Signal (S₂), wobei die elektrooptischen lichtdurchlässigen Elemente (2a, 2b) in Reihe in einer Axialrichtung zwischen den Anschlüssen (1a, 1b) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Signal (S₂) zum Auflösen einer Mehrdeutigkeit beim Ableiten der Spannung (V) unter Verwendung des ersten Signals (S₁) verwendet wird, in einem ersten Zeitintervall [t1; t2] zwischen einer ersten Zeit t1 und einer zweiten Zeit t2>t1 ein Bereich der Spannungen (V) über den Anschlüssen (1a, 1b) groß genug ist, damit die Signale S_n ihre Maximum- und Minimumwerte als Funktionen der Spannungen (V) erreichen, und eine Signalnormierung S_n ^Norm durch Anwenden von Skalen- und Offsetfaktoren, die das Minimum oder Maximum der tatsächlichen Antwort auf das gewünschte normierte Minimum oder Maximum -1 und 1 abbilden, folgendermaßen erzielt wird: $s c a l e = 0,5 \cdot (max - min)$
$\begin{array}{l} o f f s e t = min + s c a l e \\ S_{n}^{N o r m} = \frac{S_{n} - o f f s e t}{s c a l e} \end{array}$
wobei beide Antwortextrema min (=Minimum) und max (=Maximum) bestimmt werden, und dass in einem zweiten Zeitintervall [t3; t4] zwischen einer dritten Zeit t3>t2 und einer vierten Zeit t4>t3 der Bereich der Spannungen (V) nicht groß genug ist, damit die Signale (S_n) ihre Maximum- und Minimumwerte als Funktionen der Spannungen (V) erreichen, und mindestens die Skala und/oder das Offset der Signale S_n, die im ersten Zeitintervall [t1;t2] abgeleitet wurden, beim Ableiten der Spannung (V) im zweiten Zeitintervall [t3; t4] verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1-6.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrooptische lichtdurchlässige Element (2, 2a, 2b) einen optischen Sensor (21) umfasst, der eine feldabhängige Phasenverschiebung zwischen einer ersten Polarisation oder Mode und einer zweiten Polarisation oder Mode von das elektrooptische lichtdurchlässige Element (2, 2a, 2b) durchlaufendem Licht einführt, und wobei insbesondere der optische Sensor (21) Folgendes umfasst: eine elektrooptische Vorrichtung mit feldabhängiger Doppelbrechung, insbesondere einen Kristall, insbesondere aus kristallinem Bi₄Ge₃O₁₂ (BGO) oder Bi₄Si₃O₁₂ (BSO), oder einen gepolten Wellenleiter, der einen Pockels-Effekt aufweist, oder eine piezoelektrische Vorrichtung, insbesondere aus kristallinem Quartz oder einer piezoelektrischen Keramik, und einen Wellenleiter, der mindestens zwei Moden führt, wobei der Wellenleiter so mit der piezoelektrischen Vorrichtung verbunden ist, dass eine Länge des Wellenleiters feldabhängig ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nur ein Signal (S_n) pro elektrooptischem lichtdurchlässigem Element (2, 2a, 2b) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit den folgenden Schritten: Definieren mindestens eines internen Parameters α_n=V_n/V, wobei V_n = an das n-te elektrooptische lichtdurchlässige Element (2a, 2b) angelegte Teilspannung und V = Gesamtspannung zwischen dem ersten Anschluss (1a) und dem zweiten Anschluss (1b) ist, Bestimmen einer Schätzung für α_n für alle elektrooptischen lichtdurchlässigen Elemente (2a, 2b) und rekursives Ableiten mindestens eines der internen Parameter (an) durch Initialisieren einer Hilfsregelschleife mit der Schätzung von α_n für alle optischen Kanäle n, wobei der interne Parameter (an) eine Verteilung der Spannung (V) über die elektrooptischen lichtdurchlässigen Elemente (2a, 2b) beschreibt, Nehmen einer ersten Reihe von Messungen und auf der Basis des resultierenden V_N: Berechnen genauerer α_n unter Verwendung der Gleichung α_n=V_n/V und der häufigsten Werte von α_n und Verwenden der α_n zum Auflösen der Mehrdeutigkeit beim Ableiten der Spannung (V) aus dem ersten Signal (S₁).
Verfahren nach Anspruch 11, das, wenn es nicht von Anspruch 4 abhängt, ferner die folgenden Schritte umfasst: wobei das erste Signal (S₁) und das zweite Signal (S₂) mittels der elektrooptischen lichtdurchlässigen Elemente (2a, 2b) auf einer vom elektrischen Feld abhängigen Änderung einer physikalischen Eigenschaft des Lichts basieren, das durch das erste und zweite elektrooptische lichtdurchlässige Element (2a, 2b) geleitet wird, Messen von elektrischen Signalen S_n als Funktion der Intensitäten des aus jedem elektrooptischen lichtdurchlässigen Element (2a, 2b) austretenden Lichts, Bestimmen aller Teilspannungen V_n gemäß $V_{n} = \frac{V_{h, n}}{π} ((\pm arccos (\frac{2 (S_{n} - b_{n})}{G_{n} \cdot I_{n,0}} - 1) + K \cdot 2 π) - 2 π Δ_{n})$
mit V_h,n = Halbwellenspannung des Kristalls (21) im n-ten elektrooptischen lichtdurchlässigen Element (2a, 2b), b_n = Signaloffset, G_n = kumulierte Verstärkung aller Komponenten in der Messungskette von einer Photodiode bis zu einem Verstärker, I_n,0 = Intensität des austretenden Strahls mit Retardierung null, K = Zählwert von Perioden der kosinusförmigen Antwort und Δ_n = relative Phase des Signals mit Bezug auf die Spannung (V, V_n) für jeglichen Kanal n und Verwenden der α_n zum Beseitigen von Mehrdeutigkeit beim Vorzeichen des Arcuscosinus.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Auflösen der Mehrdeutigkeit einen Schritt des Treffens einer binären Entscheidung zwischen zwei Hypothesen (h⁺, h^-) umfasst, wobei die Hypothesen (h⁺, h^-) verschiedenen möglichen Spannungswerten (V₁ ^h-, V₁ ^h+) für einen gegebenen Wert des ersten Signals (S₁) entsprechen, und wobei der Schritt des Treffens einer binären Entscheidung eine Ableitung eines erwarteten Werts (S₂ ^h+, S₂ ^h-) des zweiten Signals (S₂) für jede der Hypothesen (h⁺, h^-) und einen Vergleich des erwarteten Werts (S₂ ^h+, S₂ ^h-) mit einem gemessenen Wert des zweiten Signals (S₂) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Treffens einer binären Entscheidung Verwendung der α_n zur Berechnung von V_n und V und Auswählen desjenigen erwarteten Werts (S₂ ^h+, S₂ ^h-) des zweiten Signals (S₂) , der dem gemessenen Wert des zweiten Signals (S₂) näher ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei stark fehlerhafte α_n aus einer falschen Hypothesenauswahl detektiert werden, insbesondere aus einer Unstetigkeit in der gemessenen Spannung (V) und die häufigsten Werte von an, die die meiste Zeit verwendet werden, als die korrekten α_n bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit den folgenden Schritten: Verwenden der genaueren α_n als neue geschätzte α_n und Konvergieren der α_n und/oder Verfolgen einer Zeitabhängigkeit α_n(t) der α_n.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit den folgenden Schritten: Anordnen mindestens eines dritten elektrooptischen lichtdurchlässigen Elements (2c) in dem elektrischen Feld zwischen dem ersten (1a) und dem zweiten Anschluss (1b), Leiten von Licht durch das dritte elektrooptische lichtdurchlässige Element (2c), Messen mindestens eines dritten Signals (S₃) aus dem dritten elektrooptischen lichtdurchlässigen Element (2c), wobei das dritte Signal (S₃) das elektrische Feld über dem dritten elektrooptischen lichtdurchlässigen Element (2c) anzeigt und wobei das dritte Signal (S₃) eine periodische Funktion der Spannung (V) ist, Ableiten der Spannung (V) aus dem ersten Signal (S₁), dem zweiten Signal (S₂) und dem dritten Signal (S₃), wobei das zweite Signal (S₂) zum Auflösen einer Mehrdeutigkeit beim Ableiten der Spannung (V) unter Verwendung des ersten (S₁) und des dritten Signals (S₃) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während der Ableitung die Mehrdeutigkeit anstelle von oder zusätzlich zu der Verwendung eines Quadratursignals durch Verwendung von Licht zweier verschiedener Wellenlängen aufgelöst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrooptischen lichtdurchlässigen Elemente (2a, 2b) parallel optisch ausgelesen werden.