DE1698279A1 - Verfahren und Einrichtung zur Fernmessung mit Hilfe modulierter Lichtbuendel - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Fernmessung mit Hilfe modulierter Lichtbuendel

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Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boverl & CIe., Baden (Schweiz)
Verfahren und Einrichtung zur Fernmessung mit Hilfe modulierter Lichtbündel
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Uebertragung einer periodisch veränderlichen Messgrösse, insbesondere des Stromes in einer Hochspannungsleitung von einem auf Hochspannungspotential liegenden Ressor u. zu v. -am Anzeigeort mittels Lichtstrahlen als Informationsträger
Bei den üblichen Messwandiern zur Strommessung in Hochspannungsleitungen liegt ein Hauptproblem ;'n der sicheren Isolierung der Wicklung des Wandlers vom Hochspannungspotential, welches bei der in den letzten Jahren herrschenden Tendenz zu höheren Betriebsspannungen immer schwerwiegender wird. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, hat man vorgeschlagen, den Stromwandler selbst auf Hochspannungspotential zu belassen u:.. sein Ausgangssignal zur Modulation eines am Messort erzeugte _ichtbündels zu verwenden, welches dann am Anzeigeort in einer Empfangseinrichtung mit Photodetektor aufgenommen und demoduliert
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wird. Eine derartige Einrichtung wird z.B. in dem Artikel von CH. Moulton "Light pulse system shrinks high-voltage protection device", Electronics, 17. Mai I965, S. 71-75* beschrieben. Diese bekannten Einrichtungen erfordern jedoch die Anordnung eines relativ komplexen, auf Hochspannung angeordneten Senders mit allen damit verbundenen Schwierigkeiten, z.B. der Erzeugung stabiler Hilfsspannungen und der Störungsbehebung.
Das Ziel der Erfindung ist ein Verfahren und eine Einrichtung ψ zur Messwertübertragung, bei der die Einrichtungen am Messort besonders einfach und robust sind und keine Hilfsspannungen benötigen.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist gekennzeichnet durch die Umwandlung des Messwertes in eine relative Verschiebung von zwei Messspiegeln mit Hilfe eines Messwertwandlers, die Erzeugung eines monochromatischen Lichtbündels am Anzeigeort, die interferometrische Modulation des Lichtbündels durch diese Verschie- ψ bung der Messspiegel, die Rückführung von mindestens einem modulierten Lichtbündel zum Anzeigeort und dessen Empfang durch einen zugehörigen Photodetektor, und durch Bestimmung der periodisch veränderlichen Frequenz der Intensität der den Photodetektoren zugeführten Lichtbündel.
Die Erfindung wird anhand der Figuren beispielsweise erläutert.
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Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau und das Schaltschema des sich auf Hochspannungspotential befindlichen Messkopfes einer Einrichtung zur Fernmessung des Stromes in einer Hochspannungsleitung. Der Stromleiter 1 wird durch den Stromwandler 2 umschlossen, dessen Ausgang 5, 4 durch einen Spannungsteiler mit dem Potentiometer 5 abgeschlossen ist, von dem ein Ausgangssignal abgegriffen wird, welches über eine Integrationsschaltung 6 die Lichtmodulationseinrichtung 7 speist.
Ein Stützisolator 8 trägt den vom Gehäuse 9 umschlossenen Messkopf. Eine nicht gezeigte monochromatische Lichtquelle, z.B. ein Gas-Laser, ist am Fusse des Stützisolators 8 angeordnet und erzeugt ein Lichtbündel, das über die in der Höhlung des Stützisolators verlegte Gasfaserleitung 10 der Lichtmodulationseinrichtung 7 zugeführt wird. Diese gibt zwei durch Interferenzerscheinungen intensitätsmodulierte Lichtbündel ab, deren zeitliche Intensitätsverteilungen gegeneinander um 90° phasenverschoben sind, und die über die Gasfaserleitun^ 11 einer nicht gezeigten auf Erdpotential liegenden Empfangdeinrichtung mit Photodetektoren zugeführt werden.
Die Figuren 2 und 2 zeigen die Lichtmodulationseinrichtung im Detail. In einem mit dem Deckel 12 luftdicht verschlossenen Gehäuse 15 ist das elektromechanische Wandlersystem und das Interferometer untergebracht. Das Wandlersystem besteht aus zwei elektrostriktiven Wandlern 14, 15, die je einen Messspiegel 16, 17 tragen und denen je das halbe Eingangssignal in
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Gegenphase zugeführt wird, so dass eine gegensinnige Verschiebung der Messspiegel 17* 18 senkrecht zu ihren Oberflächen und proportional zur Eingangsspannung hervorgerufen wird. Die Messspiegel 17, 18 gehören zu einem Interferometersystem mit Teilerprisma nach Koesters, dessen Wirkungsweise in .dem Artikel von J.B. Saunders "A High-Sensitivity Interferometer for Measurement of Phase Shift and Other Applications", Nat. Bur. Stand. 77, Vol. 3, (1961) S. 216/51, eingehend beschrieben ist.
Die Wirkungsweise der Lichtbündelmodulation im Interferometer ist folgende:
Ein monochromatisches Lichtbündel tritt über die Glasfaserleitung 10 und die Eingangsoptik 18 in das Teilerprisma 19 ein, an dessen Teilerebene 20 es in zwei Lichtbündel aufgespalten wird, die je auf eine aus einem Messspiegel 16, 17 und dem schräg dazu angeordneten Spiegel 21 gebildete Doppelspiegelanordnung treffen und in sich zurückreflektiert in der JTeilerebene 20 wieder vereinigt werden. Jede Doppelspiegelanordnung hat die Wirkung einer virtuellen Spiegelfläche, die senkrecht zu den Bündelachsen 22 steht und deren Verschiebung ein Vielfaches der Verschiebung der Messspiegel beträgt: Diese Doppelspiegelanordnung, deren Wirkungsweise ebenfalls aus den genannten Artikeln von Saunders (siehe Fig. J>) bekannt ist, bewirkt also eine wesentliche Erhöhung der Empfindlichkeit der Anordung.
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Im Strahlengang des Interferometers zwischen der Teilerebene und dem Messspiegel 16 ist über einem Teil des Bündelquerschnittes eine Phasenplatte 2j5 angeordnet, welche bewirkt, dass nach Vereinigung der Teilbündel in der Teilerebene 20 zwei parallele intensitätsmodulierte Lichtbündel entstehen, deren Intensitätsverteilungen gegeneinander um 90° phasenverschoben sind und die über die Ausgangsoptik: 22I-, die Blenden und die Glasfaserleitungen 11 zu den Photodetektoren der Empfangseinrichtung geleitet, werden.
Die Empfangseinrichtung und ihre Wirkungsweise wire annand von Fig. 4 beschrieben.
Die elektrostriktiven Wandler 14, 15 erzeugen eine Verschiebung der Messspiegel 16, 17 proportional zu ihren Eingangssignalen. Wie man zeigen kann, hat jeder Photodetektorstrom
die Form t
1 = io (1 ■+ K cos <f )
wobei K 1 und 0 proportional zu ist.
Die Photodetektoren 26, 27 empfangen Lichtbündel, deren zeitliche Intensitätsverteilungen gegeneinander um 90° phasenverschoben sind, und die also Detektorströme liefern, welche nach Abspaltung der ÖleIchstromkomponenten von der Form
i β cos jZf ; i* a sin fö sind.
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Ein Zwischenfrequenzoszillator 28 mit angeschlossenem Phasenschieber 29 erzeugt Trägersignale der Form g = cos ot ; g* = sin ot
die in den Modulationsstufen 30, 31 mit den Signalen i bzw. i* amplitudenmoduliert werden. In den nachgeschalteten Stufen 32, 33 wird die Oszillatorschwingung von den amplioudenmodulierten Signalen abgetrennt. Die Ausgangssignale dieser Stufen 32, 33 werden einer additiven Mischstufe 3^ zugeführt, deren Ausgangssignal schliesslich d,ie Form
G(t) = m cos ot + 0 sin Lt aufweist, wenn man
0 = 0 sin ^t
setzt, wobei l die Kreisfrequenz des Leitungsstromes darstellt.
Das Signal G(t) hat die Form einer phasenmodulierten Schwingung. Zum Empfang von phasenmodulierten Schwingungen werden in der Praxis jedoch fast ausschliesslich FM-Empfanger verwendet. Da es sich bei der zu übertragenden Messgrösse, nämlich dem Strom I(t), um einen Vorgang mit endlicher Bandbreite handelt, ist es im Interesse einer getreuen Wiedergabe des Frequenzspektrums erforderlich, die Phasenmodulation in eine Frequenzmodulation umzuwandeln. Dies geschieht in einfacher Weise durch Integration des Ausgangssignals des Stromwandlers 2 in der Integrationsschaltung 6 (Fig. l), die ein integrierendes RC-Glied aufweist, so dass z.B. bei einer Ausgangsspannung des Stromwandlers
u ■ ü cos t
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BAD ORlGINAl.
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die Messspiegelverschiebung zu
= .q . sin t
wird.
Die Verwendung eines Integrators führt überdies zu einer wesentlichen Entlastung des Wandlers. Die dynamische Beanspruchungsgrenze solcher Wandler wird nämlich durch die festigkeitsbedingte maximale Hubgeschwindigkeit . bestimmt. Nach obiger Gleichung ist dieser Betrag jedoch konstant für konstantes ü, woraus folgt, dass ein für die Grundfrequenz dimensionierter Wandler durch Oberwellen mit frosser Amplitude nicht überlastet werden kann.
Das von der additiven Mischstufe J54 abgegebene Signal wird über das Zwischenfrequenzfilter 35* den Verstärker 36 und die Begrenzerschaltung 37 dem Demodulator 38 zugeführt, dessen Ausgangssignal der Messgrösse proportional ist und einem Anzeigegerät 39 oder einem Registriergerät 40 zugeführt wird.
Zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Wandler l4, ist ein bimetallgesteuertes Potentiometer 5 vorgesehen, das in Abhängigkeit von der Temperatur das vom Ausgangsspannungsteiler des Stromwandlers abgegriffene Signal u entsprechend variiert.
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Claims (10)

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1. Verfahren zur üebertragung des Messwertes einer periodisch veränderlichen Messgrösse von einem auf Hochspannungspotential liegenden Messort zu einem Anzeigeort mittels Lichtstrahlen als Informationsträger, gekennzeichnet durch die Umwandlung des Messwertes in eine relative Verschiebung von zwei Messspiegeln mit Hilfe eines-Messwertwandlers, die Erzeugung eines monochromatischen Lichtbündels am Anzeigeort, dieinterferometrische Modulation des Lichtbündels durch diese Verschiebung der Messspiegel, die Rückführung von mindestens einem modulierten Lichtbündel zum Anzeigeort und dessen Empfang durch einen zugehörigen Photodetektor, und durch Bestimmung der periodisch veränderlichen Frequenz der Intensität der den Photodetektoren zugeführten Lichtbündel.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgrösse der Strom in einer Hochspannungsleitung ist, dass der Messwertwandler einen den Stromleiter (1) umschliessenden Stromwandler (2) aufweist, dass ein vom Ausgangssignal des Stromwandlers (2) gespeistes elektromechanisches Wandlersystem (14, 1$) vorgesehen ist, welches die gegensinnige Verschiebung zweier Messspiegel (Ιό, 17) in Funktion des AusgangsSignaIs des Stromwandlers (2) be wirkt, dass ein Interferometer vorgesehen ist, in dessen
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Teilerebene (20) das vom Anzeigeort zugeführte Lichtbündel in zwei Teilbündel aufgespalten wird, die je auf einen der Messspiegel (16,17) treffen und die in sich zurückreflektiert in der Teilerebene (20) zur Bildung von mindestens einem durch Interferenzerscheinungen intensitätsmodulierten Lichtbündels vereinigt werden, und dass eine mit Phötoelektroden (26,27) versehene Empfangseinrichtung zur Aufnahme und Demodulation des von den modulierten Li.chtbündeln übertragenen Signals dient.
3. Einrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Interferometers zwischen der Teilerebene (20) und einem der Messpiegel (l6) über einem Teil des BUndelquerschnittes eine Phasenplatte (25) angeordnet ist, wodurch zwei parallele modulierte Lichtbündel erzeugt werden, deren zeitliche Intensitätsverteilungen gegeneinander um 90° phasenverschoben sind.
4. Einrichtung gemäss Anspruch 3* gekennzeichnet durch zwei Photoelektroden (26,27), die je einen der modulierten Lichtbündel empfangen, durch einen Zwischenfrequenzoszillator (28) mit Phasenverschieber (29), der zwei um 90° phasenverschobene harmonische Signale abgibt, die in zugehörigen Modulationsstufen (30,31) durch je ein Ausgangssignal der Photodetektoren (26,27) amplitudenmoduliert werden, durch zwei Stufen (32,33) zur Abtrennung der Oszillatorschwingung von
den amplitudenmodulierten Signalen, eine Mischstufe (31O
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zur additiven Mischung der von der Oszillatorschwingung befreiten amplitudenmodulierten Signale, deren Ausgang über Zwischenfrequenzfilter (35) und einen Verstärker (36) mit einem Demodulator (38) verbunden ist, dessen Ausgangssignal Anzeige- und/oder Registriergeräten (39*^0) zugeführt wird.
5. Einrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Ausgangssignal des Stromwandlers gespeiste Integrationsschaltung (6) dem elektromechanischen Wandler vorgeschaltet ist.
6. Einrichtung gemäss Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Gas-Laser zur Erzeugung des monochromatischen Lichtbündels.
7.Einrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Führung der Lichtbündel zum und vom Messort Glasfaserleitungen (10,11) verwendet werden.
8. Einrichtung gemäss Anspruch 2, gekennzeichnet durch elektrostriktive Messwertwandler (14,15).
9. Einrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Stromwandlers von einem bimetallgesteuerten Potentiometer (5) abgenommen wird.
10. Einrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
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jeder Messspiegel (l6,17) durch einen zugeordneten zweiten Spiegel (21) zu einer Doppelspiegelanordnung ergänzt ist.
Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
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