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Verfahren und Anordnung zur Übertragung von Signalen von einem auf
Hochspannungspotential liegenden Meßkreis zu einem auf Erdpotential befindlichen
Empfänger Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Übertragung
von Signalen, insbesondere Meßwerten beliebiger physikalischer Größen, z. B. mit
beliebigem Zeitverlauf, von einem auf Hochspannungspotential liegenden Signalkreis
zu einem auf Erdpotential befindlichen Empfänger.
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Übertragungsverfahren von Hochspannungs- auf Erdpotential müssen
speziellen Forderungen genügen: Großer Störabstand gegenüber Beeinflussungen durch
starke elektromagnetische und elektrostatische Fremdfelder, verursacht durch Ströme
und Spannungen, Unempfindlichkeit gegen mechanische Relativbewegungen zwischen den
Teilen der Übertragungseinrichtung bei guter Richtwirkung für den Signalträger,
hoher Kanalstörabstand mehrerer gleichartiger Übertragungskanäle untereinander und
ein der meist kurzen Übertragungsstrecke angemessener Preis der Einrichtungen. Sie
sind bekannt als Verfahren, die die kontinuierliche oder diskrete Modulation sinusförmiger
oder pulsförmiger Signalträger benutzen. Als Signalträger werden wegen der notwendigen
Trennung des Hochspannungs- vom Erdpotential fast ausschließlich elektromagnetische
Wellen angewendet.
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Als oberster Bereich für die zu modulierende Trägerfrequenz gilt der
Frequenzbereich des sichtbaren Lichts.
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Nur für einige wenige physikalische Größen sind Übertragungsverfahren
bekannt, die es gestatten, die zur Erzeugung eines Trägers mit ausreichender Leistung
notwendige Energie aus einer auf Erdpotential liegenden Energiequelle zur Verfügung
zu stellen.
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Dabei wird der Träger in einer seiner Bestimmungsgrößen mittels eines
Bauelementes, das auf Hochspannungspotential liegt, durch eine solche physikalische
Größe moduliert und darauf zur Empfangseinrichtung, die auf Erdpotential liegt,
zurückgeleitet.
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Bei einer derartigen Anordnung werden die Lichtstrahlen einer inkohärenten
und nicht monochromatischen Lichtquelle mittels eines Spiegels auf eine auf Hochspannungspotential
liegende Code-Lochscheibe gelenkt, die durch eine Meßgröße, z. B. Leistung, um einen
bestimmten Winkelausschlag aus ihrer Nullage herausgedreht wird, und die durch die
Code-Lochscheibe dringenden Lichtstrahlen werden in einem Digital-Analogwandler
in bekannter Weise verarbeitet. Die Anwendung eines solchen elektromechanischen
Verschlüßlers schränkt die mit Licht erreichbare Übertragungsbandbreite stark ein
und ist nur für die Übertragung von statischen Meßwerten geeignet.
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Ein anderes Verfahren benutzt eine außenverspiegelte Membran, die
von innen durch Druck beauf-
schlagt und von außen durch einen auf sie treffenden
Lichtstrahl als Träger beleuchtet wird. Die druckabhängige Durchbiegung der Membran
ermöglicht eine Änderung des reflektierten Lichtstroms je Raumwinkeleinheit und
damit dessen Amplitudenmodulation. Diese Verfahren versagen jedoch meist bei Beaufschlagung
mit anderen als der jeweils speziellen physikalischen Größe und sind daher universell
nicht anwendbar. Oft wird deshalb zu Modulationszwecken die auf Hochspannungspotential
anfallende und zu messende physikalische Größe in ein von ihr funktional abhängiges
elektrisches Signal umgewandelt, um mittels einer Modulatorschaltung den Träger
zu modulieren, der von einem Trägersender, der gemeinsam mit dem Meßwertaufnehmer
und der Modulatorschaltung auf Hochspannungspotential liegt, zu einem Empfänger,
der auf Erdpotential liegt, abgestrahlt wird. Die zur Erzeugung und Modulation des
Trägers nötige Energie muß einer gleichfalls auf Potential liegenden Energiequelle
oder einem Energiespeicher entnommen werden. Der Energieanteil zur Trägererzeugung
überwiegt in vielen Fällen den zur Modulation und Meßwertwandlung. Dies trifft auch
bei Anwendung von Halbleiter-Laserdioden oder -Lumineszenzdioden zu.
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Nachteilig an den Verfahren, die einen auf Potential liegenden Sender
benutzen, der von einer auf Erdpotential liegenden Energiequelle aus versorgt werden
soll, ist einerseits der technisch und ökonomisch hohe Aufwand für die Energieübertragung
und -wandlung auf dieses Potential, da die Energie nur während der Dauer der Messung
benötigt wird. Andererseits
zwingt die Lösung mittels Energiespeicher
zu einem Kompromiß zwischen Übertragungsdauer und Speicherkapazität sowie Masse
des Energiespeichers. Diese Lösungswege sind bedingt durch den Mangel an Bauelementen
und Schaltungen, die es gestatten, daß ein in Form elektromagnetischer Wellen an
beliebigem Ort erzeugter Träger im Verlauf seiner Ausbreitung in einem seiner Bestimmungsstücke
mit ihrer Hilfe durch elektrische Signale genügend trägheitsarm und gering verzerrt
moduliert werden kann. Flüssigkeitsgefüllte Bauelemente auf der Grundlage des Kerreffektes
sind zwar für diese Aufgabe geeignet, ihr Einsatz in auf Hochspannungspotential
liegenden Modulatorschaltungen ist wegen der hohen Steuerspannungen und -leistungen
auf Sonderfälle beschränkt. Die zum Teil bis in das UHF-Gebiet reichenden Frequenzanteile
des die Übertragung beeinflussenden Spektrums der Fremdfelder in Hochspannungs-,
speziell in Hochleistungsprüfschaltungen, zwingen aus Gründen eines hohen Störabstandes
zur Wahl hoher Trägerfrequenzen, meist oberhalb der oberen Frequenzgrenze des Fremdfeldspektrums,
da eine metallische elektromagnetische Schirmung aus Gründen der Potentialdifferenz
meist nicht möglich ist. Die in diesen Frequenzgebieten angewendete Schaltungstechnik
ermöglicht zwar eine gute Richtwirkung und damit neben anderen bekannten Vorteilen
einen hohen Kanalstörabstand, bedingt - aber einen unverhältnismäßig hohen Preis,
der mit wachsender Unempfindlichkeit gegen mechanische Relativbewegungen zwischen
den Teilen des Übertragungskanals noch ansteigt.
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Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren und eine Anordnung
zu schaffen, bei denen sowohl eine Energiespeicherung bzw. -erzeugung auf Hochspannungspotential
als auch die Energieübertragung zu einem universellen Sender elektromagnetischer
Wellen, der auf einem solchen Potential liegt, vermieden werden. Außerdem soll der
Signalkreis auf Hochspannungspotential im wesentlichen während der Obertragungspausen
keine Energie verbrauchen. Darüber hinaus muß der gesamte Übertragungskanal trotz
der vor allem durch Schaltgeräte verursachten Störbewegungen des Signalkreises gegenüber
dem Empfänger einen hohen Fremd- und Kanalstörabstand besitzen. Der Signalträger
andererseits soll keine Beeinflussung anderer Meßeinrichtungen hervorrufen sowie
außerhalb der von den kommerziellen Funkdiensten benutzten Frequenzbereiche des
elektromagnetischen Spektrums liegen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Übertragung
der Signale oder Meßwerte Lichtwellen einer monochromatischen Lichtquelle auf eine
Stirnfläche der Sperrschicht eines im Meßkreis liegenden und zwischen zwei Polarisatoren
angeordneten Halbleiterkörpers mit elektrooptischem Verhalten, wie Pockels-Effekt,
fokussiert werden, in welchem eine Modulation der Lichtwellen erfolgt, die in bekannter
Weise von einem Empfänger demoduliert wird und somit ein eingangsspannungsabhängiges
oder meßwertabhängiges Ausgangssignal liefert.
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Als Pockels-Effekt werden Erscheinungen der Doppelbrechung an piezoelektrischen
Kristallen bezeichnet, die erst bei Anliegen eines elektrischen Feldes den im feldlosen
Zustand bezüglich der Lichtausbreitungsgeschwindigkeit isotropen Kristall in einen
anisotropen Kristall verwandeln, abhängig von
der Symmetrieklasse des Kristalles
und der relativen Lage des elektrischen Lichtvektors zu einem Hauptschnitt des Kristalles.
Auf Grund der Doppelbrechung wird ein linear polarisierter Lichtstrahl in einen
ordentlichen und einen außerordentlichen Lichtstrahl aufgespalten und die Ausbreitungsgeschwindigkeit
dieser beiden Lichtstrahlen in Abhängigkeit von der räumlichen Lage zwischen Lichteinfallsrichtung
und Lage der durch das Feld entstehenden optischen Achse der Sperrschicht beeinflußt.
Infolge der durch die unterschiedlichen Lichtgeschwindigkeiten unterschiedlichen
Wellenlängen wächst damit proportional der Länge der vom Licht durchlaufenen Sperrschicht
der Wellenlängenunterschied, d. h. der Gangunterschied, der sich an der Austrittsebene
des Kristalles als Phasendifferenz feststellen läßt. Die beiden Strahlen sind senkrecht
zueinander linear polarisiert, ihre Überlagerung ergibt also im allgemeinen elliptisch
polarisiertes Licht, das in bekannter Weise durch einen Analysator in Amplitudenänderungen
umgewandelt wird, wenn sich der Gangunterschied ändert.
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Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet,
daß eine auf Erdpotential befindliche, monochromatische Lichtquelle über eine optisch
abgeschirmte Faseroptikverbindung und über einen Polarisator mit einer Stirnfläche
der Sperrschicht einer im Meßkreis an einer vom Meßwert abhängigen Spannung liegenden
Gallium-Phosphid-Diode oder einem anderen Halbleiterkörper mit elektrooptischem
Verhalten verbunden ist und daß die gegenüberliegenden Stirnfläche der Diodensperrschicht
über eine weitere Faseroptikverbindung und über einen Analysator mit einem Empfänger,
z. B. einer Fotodiode, und einer Einrichtung zur Meßwertverarbeitung in Verbindung
steht.
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Die erste Faseroptikverbindung weist auf Hochspannungspotential eine
Verzweigung auf, durch die ein Teil der monochromatischen Lichtwellen auf aktive
fotoelektrische Bauelemente leitbar ist, die diese Strahlungsenergie in elektrische
Energie zum Betreiben der die Gallium-Phosphid-Diode ansteuernden elektrischen Modulatorschaltung
umformen. Durch die Umwandlung der Versorgungsenergie in Trägerenergie des Senders
auf Erdpotential entfällt eine Energieübertragung für die Versorgung eines Senders
auf Hochspannungspotential, und es wird damit der Forderung nach Energieantarkie
auf Hochspannungspotential entsprochen. Die vergleichsweise geringe Energie zur
Modulation des Trägers wird längs der Ausbreitungsrichtstrecke des Trägers übertragen,
auf Hochspannungspotential abgezweigt, umgeformt und mittels eines vergleichsweise
kleinen Energiespeichers oder unmittelbar im Modulator umgesetzt, wodurch eine getrennte
Energieleitung außerhalb der Bauelemente der genannten Richtstrecke entfällt. Zusätzlich
werden die Forderungen nach hohen Störabständen und nach Richtwirkung trotz mechanischer
Relativbewegungen bei vergleichsweise geringem technischem Aufwand und daher niedrigem
Preis des auf Hochspannungspotential liegenden Geräteteiles der Einrichtung befriedigt.
Der niedrige Preis des letztgenannten Teiles ist besonders günstig im Hinblick auf
die mögliche Zerstörung dieses Teiles während Entwicklungsprüfungen an Hochspannungsschaltgeräten.
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Die bei der erfindungsgemäßen Lösung eingesetzten Bauelemente gewährleisten
im Gegensatz zu den eingangs erwähnten Verfahren und Anordnungen die
Ausnutzung
der durch das Licht gegebenen Bandbreite sowie die Befriedigung der Forderungen
für den gesamten Frequenzbereich der derzeitig anfallenden Meßaufgaben auf Hochspannungspotential.
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Die Erfindung soll nachstehend an Hand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Ein Helium-Neon-Gaslaser 1 erzeugt eine monochromatische Lichtstrahlung,
die über eine optisch geschirmte Glasfaserlichtleitung 2 und eine Faseroptikverzweigung
3 sowohl einem Selenfotoelement 4, als auch einer als Polarisator wirkenden Polarisationsfolie
5 zugeführt wird. Die nach Verlassen dieses Polarisators linear polarisierte Strahlung
wird auf eine Stirnseite der Sperrschicht einer in Sperrichtung betriebenen Gallium-Phosphid-Diode
6 fokussiert, an deren Elektroden eine von einem Signal funktionalabhängige Modulationsspannung
liegt, die über der Sperrschicht eine in der durch den Polarisator 5 vorgegebenen
Polarisationsebene liegende elektrische Feldstärke erzeugt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit
des beim Eintreten des Lichtstrahls in die Gallium-Phosphid-Diode 6 erzeugten außerordentlichen
und des ordentlichen Strahles wird unterschiedlich in bekannter Weise durch die
elektrische Modulationsfeldstärke beeinflußt, so daß nach Verlassen dieser Diode
6 die Strahlung elliptisch polarisiert ist und durch einen Analysator 7 in eine
amplitudenmodulierte Strahlung umgewandelt wird, die über die optisch geschirmte
Glasfaserlichtleitung 8 einer Fotodiodenschaltung 9 zur Demodulation zugeführt wird,
deren elektrisches Ausgangssignal an eine Meßwertverarbeitungseinrichtung 10 übertragen
wird. Eine beliebige zeitabhängige Größe, z. B. der Druck einer Gassäule im Hochspannungsschaltgerät
oder die geometrische Lage zweier Elektroden zueinander während des Schaltvorganges,
wird mittels eines Aufnehmers, z. B. eines Piezodruckgebers, in ein elektrisches
Signal umgeformt, das mittels der Modulatorschaltung 12 eine je nach dem gewählten
Modulationsverfahren vom Signal funktionalabhängige Modulationsspannung, z. B. eine
ihm proportionale oder eine pulsdauermodulierte Modulationsspannung, erzeugt, die
auf die Diode 6 einwirkt, wie bereits erläutert. Die zum Betreiben des Aufnehmers
11, der Modulatorschaltung 12 und der Diode 6 nötige elektrische Energie wird entweder
unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines elektrochemischen Speicers 13 der
vom Selenfotoelement4 umgeformten Strahlungsenergie entnommen.
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Patentansprüche: 1. Verfahren zur Übertragung von Signalen, insbesondere
Meßwerten beliebiger physikalischer Größen, von einem auf Hochspannungspotential
liegenden Meßkreis zu einem auf Erdpotential befindlichen Empfänger mit Hilfe des
Lichtes einer niederspannungsseitig angeordneten Lichtquelle, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Übertragung der Signale oder Meßwerte Lichtwellen einer monochromatischen
Lichtquelle auf eine Stirnfläche der Sperrschicht eines im Meßkreis liegenden und
zwischen zwei Polarisatoren angeordneten Halbleiterkörpers mit elektrooptischem
Verhalten, wie Pockels-Effekt, fokussiert werden, in welchem eine Modulation der
Lichtwellen erfolgt, die in bekannter Weise von einem Empfänger demoduliert wird
und somit ein eingangsspannungsabhängiges oder meßwertabhängiges Ausgangssignal
liefert.