DE1909671A1 - Stromwandler mit optischer Verbindung - Google Patents

Description

LsinwebeR

.-:^. Zimmermann

nan J, Rosental 2
Tel 2619 Sä

26, Feb. 1963

Compagnie Generale d'Electricite, Paris (Frankreich)

Stromwandler mit optiseher Verbindung

Die Erfindung betrifft Stromwandler mit optischer Verbindung. Bei derartigen Stromwandlern wird die den gemessenen Strom darstellende Information auf optischem Weg übertragen, wodurch die Probleme der Isolation auf bequeme Weise gelöst werden können. Aus diesem Grund werden diese Stromwandler insbesondere zur Messung der Stromstärken von Übertragungsleitungen für elektrische Energie sehr hoher Spannung verwendet. Bei derartigen Stromwandlern ist ein "optischer Modulator"' vorgesehen, der die Charakteristiken eines von einer Lichtquelle gelieferten Lichtstrahls in Abhängigkeit von der zu messenclen Stromstärke ändert» Bas Potential dieses Modulators befindet sich in Nähe des Potentials des Leiters» dessen Stromstärke gemessen wlrd|der "modulierte" Strahl wird zu einem Entschlüssler mit Brdpotential gesandt .

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In der franz. Patentschrift 1 5°9 786 wird ein auf dem Effekt der Magnetostriktion beruhender Stromwandler mit optischer Verbindung vorgeschlagen. Dieser besitzt einen magnetischen Stromwandler, der den Übertragungsleiter umgibt, ein von dem Ausgangssignal des Meßwandlers über einen Integratorkreis gespeistes System elektromechanischer Transduktoren, das eine Verschiebung von zwei Meßspiegeln in entgegengesetzter Richtung bewirkt, ein Interferometer, in einer dessen Teilungsebenen der Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen geteilt wird, von denen jeder zu einem der Meßspiegel gelangt, wo sie reflektiert werden und somit einen durch 4η3?θΜ die Interferenzerscheinungen intensitätsmodulierten Lichtstrahl bilden, sowie einen Empfänger mit fotoelektrischen De- W tektoren zum Empfang und zur Demodulation des von dem modulierten Lichtstrahl übertragenen Signals.

Der Nachteil eines derartigen Stromwandlers liegt jedoch darin, daß er nur die Messung von Wechselströmen und nicht die von Gleichströmen gestattet« Ferner gestattet er infolge des Vorhandenseins des magnetischen Transformators und des Integratorkreises, die gewisse Verzerrungen mit sich bringen, keine absolut getreue Aufzeichnung der Stromstärke des zu messenden Stroms* Ferner besitzt dieser Stromwandler einen verhältnismä= ßig komplizierten Aufbau.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromwandler mit optischer Verbindung, bei dem wie bei dem obener-' vrähnten bekannten Stromwandler eine Lichtquelle vor·= gesehen ist, deren Strahl in Abhängigkeit von der in einem Leiter zu messenden Stromstärke durch eine optische Vorrichtung moduliert wird, die eine Lichtquelle und einen spiegel besitzt, der mit einem verformbaren Stab aus einem für Magnetostriktion empfindlichen Material verbunden ist.

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Zlel der Erfindung ist es, einen Stromwandler mit optischer Verbindung zu schaffen, der die Messung der Stromstärken von Gleichströmen gestattet und die Änderungen der zu messenden Stromstärke getreu überträgt.

Der erfindungsgemäße Stromwandler ist dadurch gekennzeichnet, daß das den Leiter umgebende, von der zu messenden Stromstärke erzeugte Magnetfeld direkt auf den Stab einwirkt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Achse des verformbaren Stabes zu den Kraftlinien des von der zu messenden Stromstärke erzeugten Magnetfeldes senkrecht ist, daß der Stab von eineir ein zu seiner Achse paralleles Magnetfeld erzeugenden Vorrichtung umgeben 1st, und daß die optische Vorrichtung mit diesem Stab so verbunden ist, daß sie dessen Verdrehung registrieren kann.

Die Verdrehung eines magnetostriktiven Stabes unter Einwirkung der tjberlagerung eines axialen Feldes und eines kreisförmigen Feldes, was einem schraubenförmigen Feld entspricht, ist bereits bekannt und wird Wiedemann-Effekt genannt. Dieser Effekt ist zum algebraischen Wert des Stromes proportional und ändert somit im Gegensatz zur einfachen Ausdehnung durch Stromwärme die Richtung, wenn die Stromstärke ihr Vorzeichen ändert. Bis Jetzt wurde der Wiedemann-Effekt - wahrscheinlich aufgrund seines Charakters, der etwas komplexer als der des Stromwärmeeffekts 1st - außer für Tonköpfe zur Tonaufzeichnung technisch noch nicht angewendet.

Gemäß der oben erwähnten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird unter Ausnutzung des Wiedemann-Ef-

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-Infekts für die Messung direkt das kreisförmige Magnetfeld verwendet, welches das Kabel umgibt, in welchem die Stromstärke bestimmt werden soll, wobei Jede Störwirkung der Magnetfelder benachbarter Kabel, beispielsweise - im häufigsten Fall eines Mehrphasenstroms - der die anderen Stromphasen übertragenden Kabel, vermieden wird und gleichzeitig die Stromriehtung angegeben wird, was bei der Messung von transitorisehen Strömen interessant sein kann.

Die Biegung eines magnetostrlktiven Stabes unter der Einwirkung eines zu seiner Achse parallelen Feldes ist ebenfalls bekannt und wird "Guillemin-Effekt¹¹ genannt. Seine Anwendung zur Messung elektrischer Stromstärken scheint jedoch weniger vorteilhaft als die des Wiedemann-Bffekts zu sein. Insbesondere ist sein Wert nur zum absoluten Wert der Stromstärke proportional, was auch bei dem Stromwärmeeffekt der Fall ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen ist. Auf dieser Zeichnung zeigtι

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines auf dem Joule»sehen Magnetostriktionseffekt beruhenden erfindungsgemäßen Stromwandlers;

Fig. 2 ein zum Einbau in einen auf Fig. 1 dargestellten Stromwandler bestimmtes Zwelwelleninterferometer (Interferenzstreifen des Luftkeils);

Fig. 3 ein zum Einbau in einen auf Fig. 1 dargestellten Stromwandler bestimmtes Mehrwelleninterferometerj

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Fig. 4 eine detaillierte Darstellung eines Stromwandlers mit Nulldetektor gemäß Pig. I;

Fig. 5 die Darstellung einer Vorrichtung zur Umformung der Stromstärke in einen optischen Drehungseffekt eines Spiegels unter Anwendung des Wiedemann-Effekts;

Fig. 6 eine der auf Fig. 5 dargestellten Vorrichtung entsprechende Vorrichtung, bei der der magnetostriktive St-tat» in der Mitte befestigt ist;

Fig. 7 die Darstellung einer optischen Vorrichtung zum Abtasten der Verschiebung der Interferenzstreifen zweier Wellen monochromatischen Lichtes mittels eines beweglichen Spaltes;

Fig. 8 eine Darstellung einer optischen Vorrichtung zum Abtasten der Interferenzstreifen zweier Wellen polychromatisehen Lichtes mittels eines Spektralanalysators;

Fig. 9 eine Darstellung einer optischen Vorrichtung zum Abtasten der Interferenzstreifen zweier Wellen polychromstisehen Lichtes mittels Jamln-Spiegeln;

Fig. Io die Darstellung einer optischen Vorrichtung zum Abtasten der Ablenkung eines Lichtstrahls mittels eines Strahlenteilers;

Fig. 11 die Darstellung einer optischen Vorrichtung zum Abtasten der Ablenkung eines Lichtstrahls mittels eines Beugungsgitters;

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Fig. 12 die Anwendung der Umformung der Stromstärke in eine Drehung eines Spiegels zur Regelung der Leistung eines Gaslasers, wobei einer seiner Spiegel von der erfindungsgemäßen Vorrichtung getragen ist und der elektrische Strom in dem magnetostriktiven Stab selbst fließt;

Fig· 13 eine Anwendung der Umformung der Stromstärke in die Drehung eines Spiegels zur Regelung und Stabilisierung eines Stroms in einem Stromkreis.

Der auf Fig. 1 dargestellte Transformator besitzt W eine Lichtquelle 2, deren Strahl beispielsweise mittels eines halbdurchlässigen (halbverspiegelten) Spiegels 3 in zwei Strahlen geteilt wird.

Jeder der beiden auf diese Weise gebildeten Strahlen wird zu einem Interferometer h bzw· 5 gesandt. Die von jedem Interferometer gelieferten Streifensysteme werden mittels eines Nulldetektors 6 verglichen, der ein Fehlersignal S liefert.

Die beiden Interferometer sind einander ähnlich und besitzen einen Stab aus einem für Magnetostriktion empfindlichen Material» wie Kobalt- oder Nickellegierungen, Ferrite oder Keramiken, an dessen Ende ^ ein Spiegel vorgesehen ist. Auf den Stab des Interferometers 4 wirkt ein von der zu messenden Stromstärke erzeugtes Magnetfeld ein. Auf den Stab des Interferometers 5 wirkt ein Magnetfeld ein₉ das von einem von dem von dem Nulldetektor gelieferten Fehlersignal C gesteuerten elektrischen Strom erzeugt wird. Zu diesem Zweck wird das Fehlersignal £ zu einem Verstärker 7 gesandt, dessen Ausgangsstrom zu

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einer Spule gelangt, die das Magnetfeld zur Steuerung des Stabes des Interferometers 5 erzeugt. Zur Messung der zu messenden Stromstärke mißt man die Stromstärke des Steuerstroms des Stabes des Interferometers 5 beispielsweise mit einem Amperemeter 8„

Bei einer Ausführungsform werden Zweiwelleninterferometer, beispielsweise Michelson- oder Twyman-Green-Interferometer, verwendet. In diesem Fall ist die Verteilung der Streifen sinusförmig; es ist hierbei zweckmäßig, eine möglichst monochromatische Lichtquelle,beispielsweise eine Natriumdampflampe, zu verwenden. Ferner kann auch ein Laser verwendet werden, so daß man feinere Streifen erhält.

Gemäß einer anderen Ausführungsform werden zwei Mehrwelleninterferometer, beispielsweise Perot-Fabry-Interferometer, verwendet. Hierbei sind die Streifen nach der Airy-Kurve angeordnet; diese Verteilung ist gleichzeitig von der Frequenz und der Stellung im Raum abhängig. Hierbei kann derselben Frequenzspitze oder demselben Frequenzloch nachgegangen werden. In diesem Fall ist eine Lichtquelle zu verwenden, die ein ziemlich weites Spektrum liefert.

Da die Resonanzfrequenz der Magnetostriktion gewöhnlich ungefähr Io bis 2o kHz beträgt, 1st der Durchlaßbereich tatsächlich der des Verstärkers ?· Ein auf 5 kHz beschränkter Durchlaßbereich gestattet die Wiedergabe der hundertsten Oberschwingung im Fall eines Netzes von 5° Hz, was vollständig ausreicht· Die untere Grenzfrequenz kann beispielsweise 1 Hz betragen, so daß man eine geeignete Darstellung der transitorischen Gleichstromkomponenten erhält.

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Der erfindungsgemäße Stromwandler kann zur Messung eines Gleichstroms verwendet werden. In diesem Fall ist es zweckmäßig, eine ein Wechselmagnetfeld liefernde Vorrichtimg zur Polarisierung der Stäbe vorzusehen. In diesem Fall erhält man eine Modulation des gelieferten Signals.

Um eine lineare Änderung der Länge des Stabes zu erhalten, kann eine durch einen Dauermagnet oder eine Zusatzspule erzeugte magnetische Polarisation vorgenommen werden.

Der Stab des Interferometers h kann einfach in Nähe des Übertragungsleiters angeordnet sein_$ dessen Stromstärke gemessen werden solle Der Übertragungsleiter kann ferner auch ta eine oder mehrere Windungen beschreiben, so daß man ein stärkeres Magnetfeld erhält» line andere Ausführungsform besteht daxin₉ daß eine Spule durch eine Abzweigung der zu messenden Stromstärke gespßist wird.

Um eine Beeinflussung der Messung durch die Temperatur zu vermeiden, ist es zweckmäßig, zwei gleiche ₉ parallel angeordnete Stäbe zu verwenden» wobei auf einen dieser Stäbo&as von der zu messenden Stromstärke erzeugte Magnetfeld einwirkt und der andere in einer magnetischen Abschirmung angeordnet ist«, Die benutzte Längenänderung ist hierbei die Differenz der Änderungen der Länge beider Stäbe. Damit die beiden Stäbe genau dieselbe Temperatur haben und Fehler infolge von Wärmeausdehnung vermieden werden@ sind sie durch ein Teil aus gut wärmeleitendem Material miteinander verbunden. Eine derartige Anordnung ist auf Fig„2 darge-

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-abstellt« Hierbei sind zwei Stäbe 11 und 12 vorgesehen; der Stab 12-ist von einer magnetischen Abschirmung 13 umgeben.Die beiden Stäbe sind durch ein gut wärmeleitendes Teil Ik miteinander verbunden « Ferner ist ein Dauermagnet 15 vorgesehen , der eine Polarisation der beiden Stäbe bewir&t, wobei der Fluß von den magnetischen Teilen l6 usid 1? geleitet wird. Bei Polarisation ist es wichtig» daS das Teil Ik amagnetisch ist.

Das auf Fig. 2 dargestellte Interferometer ist ein
Zwelwelleninterferometer (Streifen des Luftkeils).
Hierzu besitzt es einen feststehenden Spiegel 2o_s
und einen Spiegel 21, der von den Enden der beiden
Stäbe getragen und dadurch einer Drehung um eine zur
Ebene der Figur senkrechte Achse unterworfen Ist.

Im Fall eines Mehrwelleninterferometers ist einer der Spiegel Jo am $nde des ersten magndDstriktiven Stabes

31 vorgesehen, der rohrförmig istj der zweite Spiegel

32 befindet sich am Ende des zweiten₉ ebenfalls rohrförmigen Stabes 33*· der aus demselben Material besteht, jedoch magnetisch abgeschirmt ist.

Die beiden Stäbe können beispielsweise, wie auf Fig,3 dargestellt ist, ineinandersitzen«,

Die beiden magnetosteiktiven Stäbe gemäS Fig. 3 sind
an einem gut wSriseleltenden Teil J^ angeklebt. Der
Ringquerschnitt 1st L-förmig₂ so daß die beiden Stäbe dieselbe Läiige haben und ihre Auedehnungen sieh genau kompensierenο

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Bei dem auf Fig. 4 dargestellten Stromwandler wird von einer weißen Lichtquelle ein Lichtstrahl auf ein Perot-Fabry-Meßinterferometer 4l geworfen, dessen eine verspiegelte Platte an dem magnetostriktiven Stab angebracht ist, der sich in einem in Nähe eines elektrischen Hochspannungskabels herrschenden Magnetfeld befindet. Es bildet sich ein Spektrum mit Streifen, deren Intensität sich in Abhängigkeit von der Frequenz nach der Airy-Kurve ändert.

Der aus dem Interferometer 4-1 austretende Lichtstrahl k wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel H-2 in zviei Teile geteilt. Ein T'eilstrahl wird von dem h^durchlässigen Spiegel auf ein Perot-Fabry-Ausgleichsinterferometer kj zu reflektiert, das eine feststehende verspiegelte Platte k>k und eine zweite, an dem von einer Wicklung ^7 umgebenen magnetostriktion Stab k-6 angebrachte verspiegelte Platts 45 besltsfco Der aweite Teilstrahl wird durch den totglrefleifcies-en-ά©η Spiegel 48 £,uf ein src-jeltee AxisgleleJisIaterferometer 4-9 geworfen, das eine feststehende Te^spiegelte Platte 5o und eine an dem magnetostriktiven Stab ^6 angebrachte verspiegelte Platte 51 besitzt_o Die feststehende Platte 5o ist hierbei jedoch auf des¹ de? fest= stehenden Platte 44 de?; ersten Ausgleiehsiaterferome- ^ ters entgegengesetzten Seite angeordnet _s so daß ©an eine StreifenverSchiebung In einer der dnreli das erste Interferometer erzeugten Strelfen^ersefeiebiiag entgegengesetzten Richtung erhält«

Hinter dem ersten Iireerferoaeter 1st ein erster foto= elektrischer- Detektor $2 und hinter dem ztjeltea I

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-!Inferometer ein zweiter fotoelektrischer Detektor 53 angeordnet. Die "beiden Detektoren sind mit einem Differenzverstärker 5^ verbunden, der die in der Wicklung 4-7 flieiende Stromstärke, die iron einem Amperemeter. 55 gemessen wird, steuert.

Wenn also die gesessene Stromgtärke von der in der Wicklung 4-7 fließenden Stromstärke abweicht, kommt es in den Ausgleichsinterferometern W^ und ^9 zu einer Verschiebung der Streifen in entgegengesetzter Richtung. Einer der Streifen entfernt sich von der Achse des Interferometers₅ während sich der andere dieser nähert_s x?as eine Differenz der von den fotoelektrischen Detektoren empfangenen Lichtintensitäten bewirkt» Der Differenzverstärker erhält ein Korrektur signal., das sich In Abhängigkeit von der Abweichung zwischen der zu messenden Stromstärke und der In der Wicklung *l·? fließenden Stromstärke ändert, und bewirkt eine Änderung der letztgenannten Stromstärke2 so daß das Gleichgewicht wieder hergestellt wird»

Bei dem auf Fig» 5 dargesteliteü Stromwandler 1st ein Rohr Io2 vorgesehen, das das elektrische Kabel ΐοΐ,ΐη welchem ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom fließt₉ dessen Stromstärke gemessen werden SQlI₂ konzentrisch umgibt. Das Hofar io2 besteht aus einem magnetostriktiven Materials beispielsweise Kickelg sein Innendurchmesser ist etwas größer als.der Durchmesser des Kabels. Das Rohr ist an eisen starren Halter Io3 angeschweißt, das mit einem feststehenden Rahmen verbunden ist. Es befindet sich in dem magnetischen Längsfeld eines Or-

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gans lo^, das ein Dauermagnet oder eine Spule" sein kann. An seinem freien Ende ist ein kleiner Konkavspiegel oder eine andere optische Einrichtung Io5 (Planspiegel, Gitter, Prisma und dgl·) angeklebt. Auf das aus Nickel bestehende Rohr Io2 wirkt ferner ein kreisförmiges Magnetfeld Io6 ein, das durch den in dem Kabel lol fließenden Strom erzeugt wird. Daraus ergibt sich ein schraubenförmiges Feld, das die Verdrehung des Rohrs Io2 (Wiedemann-Effekt) und die Drehung des Spiegels Io5 zur Folge hat» Bei einem elektrischen Kabel mit einem Durchmesser von 1 cm, in welchem ein Strom mit loo Ampe're fließt, und einem konzentrischen Nickelrohr mit einem Innendurchmesser von 12 mm und einer Dicke von o,5 m beispielsweise beträgt die in dem Nickelrohr erzeugte kreisförmige Induktion ungefähr ^o Oersteds. Wird dieser eine Längsinduktion von weniger als loo Oersteds überlagert, so erhält man eine Spiegeldrehung um etwa ^ Minuten«

Bei dem auf Fig. 6 dargestellten Stromwandler, der ähnlich wie der auf FIg. 5 dargestellte Stromwandler ausgebildet ist, 1st das Nickelrohr in der Mitte durch Verschweißung mit dem an einem feststehenden Rahmen verbundenen starren Halter Io3 blockiert. Auf jeder Seite des feststehenden Rahmens sind magnetfelderzeugende Organe (Dauermagnete oder Spulen) lo^A, loiffi vorgesehen» An jedem freien Ende des Rohres Io2 1st ein kleiner Spiegel oder eine andere optische Vorrichtung lo5A» 1o5B angeklebt. Die Organe 1o4a, loJffi sind vorzugsweise so angeordnet, daß die von Ihnen erzeugten Magnetfelder entgegengesetzte Richtung haben, so daß auch die Drehungen der Spiegel lo5A und lo5B in entgegengesetzten Rlehtungen vor sich gehen. In manchen Fällen können auch, beispielsweise wenn der Einfluß der Temperatur auf den

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Wiedemann-Effekt ausgeschaltet werden soll, längsgerichtete Magnetfelder derselben Richtung in den beiden Rohrteilen verwendet werden, wobei das Rohr aus Elementen aus verschiedenem Material besteht·

Auf Fig. 7 ist eine optische Vorrichtung zum Abtasten der Drehung des mit dem sich verdrehenden magnetostriktiven Stab verbundenen Spiegels durch Interferometrie dargestellt. Eine lnterferometrische Vorrichtung besteht ganz allgemein aus einem System von zwei Spiegeln (oder deren Bildern in einem beliebigen optischen System)«, Der Reflexionsfaktor der Spiegel kann nahe bei Null oder bei 1 liegen oder einen beliebigen Zwischenwert haben. Einer dieser Spiegel (oder sein Bild) ist feststehend, während der andere durch den dem Wiedemann-Effekt unterliegenden magnetostriktlven Stab in Drehung versetzt wird. Wenn das Spiegelsystem von einem Strahl monochromatischen Lichts mit der Wellenlänge X beleuchtet wird, so erhält man eine Überlagerung einer Reihe von Wellen, deren jede mit den benachbarten Wellen einen Winkel von 2 oC bildet (wenn OC der Winkel der beiden Spiegel oder ihrer Bilder ist). Es bildet sich ein System von geradlinigen Interferenzstreifen, die sich in dem Raum in Nähe der beiden Spiegel oder ihrer Bilder befinden. Der linea-re Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden hellen oder dunklen Streif en-ist gleich ^/20C (wobei angenommen wird - was auch in der Praxis der Fall ist - daß der Winkel zwischen den Spiegeln ausreichend klein ist, um an seine Tangente angeglichen werden zu können).

Bei der auf Flg. 7 dargestellten Vorrichtung tritt ein monochromatischer Lichtstrahl aus einem optischen System 111 aus und fällt auf eine halbreflektierende Platte 112 g die einen Teil von diesem Strahl e,uf das

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System der beiden Spiegel 113 und Il4 reflektierte Der Spiegel 113 ist feststehend und der Spiegel 114 ist beweglich und mit dem magnetostriktiven Stab verbundene Die von den beiden Spiegeln reflektierten strahlen werden auf eine durch die Linse 115 schematisch dargestellte optische Einrichtung geworfen, die in Nähe der Ebene des beweglichen Spalts 116 ein Bild der beiden Spiegel 11.3 und 114 bildet. Hinter diesem Spalt befindet sich eine Lichtführung 11? (Periskop, optische Pasern oder reflektierende Rohre und dgl.), die vor dem fotoelektrischen Detektor 118 angeordnet ist. Der bewegliche Spalt 116 bewegt sich periodisch vor den Spiegeln. Die fotoelek-) trische Vorrichtung 118 liefert somit ein Signal» das sich aus Impulsen zusammensetzt, deren Anzahl der Anzahl der von dem beweglichen Spalt bei einem Ausschlag angetroffenen hellen Streifen entspricht»

Die Interferenzstreifen können gegebenenfalls auch durch Transmission und nicht durch Reflexion beobachtet werden.

Die beiden Spiegel können Bewegungen In entgegengesetzt ten Richtungen oder in derselben Richtung ausführen«

Die auf Pig. 8 dargestellte Vorrichtung entspricht zum großen Teil der auf Figo 7 dargestellten Vorrichtung ο Sie wird durch eine Gruppe von monochromatischen Linien ' verschiedener Wellenlängen (oder auch durch ein kontinuierliches Spektrum) beleuchtet«, Das von den Spiegeln reflektierte Licht wird in einea Spektralanalysator 119 (mit Prisma» mit Gitter, Interferenzanalysator und dglo) analysierte Die Zahl der in dem Spektrum beobachteten Rillen ist abhängig vom Winkel zwischen den Splegeln_o Das aus dem "Spalt Jib des SpektralaBalysators austretende Lieht wird durch die Licht führung 117 sum fötoeleirfcri sehen Detektor 118 geführt.

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Ebenso kann auch ein optisches Interferenzsystem (Fig. 9) verwendet werden, bei dem zwei reflektierende Flächen Drelitingen in derselben Richtung mitmachen, beispielsweise Jamin-Spiegel (vgl, Handbuch der Physik, 2k_a Auflage^ Fran$on, Seite 215, Springer-Verlag). Die beiden auf Fig, 9 dargestellten dicken Spiegel 122,123 mit reflektierenden Rückseiten sind mechanisch miteinander verbunden und werden durch die magnetostriktlve Vorrichtung in Drehung versetzt«, Eine weite optische Quelle 121 beleuchtet die Spiegele Wenn die Spiegel 122j 123 nicht parallel sind, entsteht ein Gangunterschied zwischen den Lichtstrahlen 126 und 127. Es bilden sich Interferenzstreifen im Unendlichen, die in der Brennebene 131 eines schematisch dargestellten optischen Systems I3o beobachtet werden können. Eine Lichtführung 132 und ein fotoelektrischer Detektor 133 gestatten die Messung der Lichtintensität. Als Bezugslichtfluß kann der Lichtfluß des nicht interferierenden Strahls 128 genommen werden, der an den Vorderseiten der beiden Spiegel reflektiert und von einem Spiegel 129 abgetrennt wird.

Ferner können auch andere bekannte Interferometersysteme zur Messung der mit dem Wiedemann-Effekt verbundenen Drehung verwendet werden, Insbesondere dia Michelson- oder Perot-Fabry-Interferometer (vgl» Bruha* "Optik" I965, Seiten 135 und 151» Verlag Masson) oder Sa^art-Prismen (vglo Bruhat "Polarimetrie« 193o, Seite 66, Verlag Roti). Zur Erhöhung der Genauigkeit können auf bekannte Weise zwei Empfänger verwendet werden, die differential arbeiten.

Die auf FIg_a Io dargestellte Vorrichtung gestattet die Messung der Drehung des Magnetstabes, indem der mit diesem Stab verbundene Spiegel mit einem Lichtstrahlteilung sorgan verbunden ist_e

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EIne Lichtführung l*ta> sendet einen Lichtstrahl auf eine Öffnung 1^-1 .Der durch die Öffnung durchgelassene Strahl wird an dem drehbaren Hohlspiegel 1Λ2 auf das caehförmige Teilungsorgan 1Λ3 zu reflektiert«, Einer der Teilstrahlen wird an dem Spiegel 3Λ5 reflektiert, durchquert den Stellkompensator 146 und wird dann von dem Spiegel 1^9 des rotierenden optisch-mechanischen Mischers I5o zu dem fotoelektrischen Detektor 152 geleitet. Der andere Teilstrahl wird an dem Spiegel lW reflektiert, durchquert den gesteuerten Kompensator 1^7 mit einem Betätigungsorgan 1*1-8 und wird anschließend von dem Spiegel 151 In ^ den Perioden zu dem Detektor 152 gesandt, in denen er ™ nicht Ton dem Mischer I5o verdunkelt ist.

Anstelle des da-chförmigen Teilungsorgans kann auch ein Töppler-Messer verwendet (vgl. S. Wolter, Handbuch der Physik, Seite 556) und die Intensitätsänderung eines der von diesem geteilten Strahlen oder beider Strahlen einzeln beobachtet werden.

Da der Mischer die beiden Teilstrahlen abwechselnd zu dem Empfänger leitet, kann das Betätigungsorgan des !Compensators 14-7 so gesteuert werden, daß die Beleuchtungsstärke des durch ihn hindurchtretenden Strahls ständig gleich der des anderen Strahls ist.

" Anstelle des dachförmigen Teilungsorgans kann ferner auch ein abwechselnd lichtunduithlässiges und transparentes Gitter vorgesehen sein, wobei die Lichtquelle entweder aus einem Spalt oder einem entsprechenden Gitter besteht. Hierbei würde man sogenannte Molre-

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Streifen erhalten (A. Girard "Journal de Physique" Zk₉ 1963, Seite 139)» die auf dieselbe Weise wie die anderen Streifensysteine abgetastet werden können.

Die auf Pig· Il dargestellte Vorrichtung gestattet die Messung der Drehung durch Dispersion eines Lichtstrahls von einer engen und bekannten Spektralzusammensetzung (beispielsweise Emissionslinie). Die Lichtleitung I60 überträgt den Strahl bis zu dem Spalt 161, der die Lichtquelle darstellt. Das äusgesandte Licht wird von der halbreflektierenden Platte -3& zu dem Gitter 163 gesandt, das an dem magnetostriktiven Stab befestigt ist. Das von dem Gitter dispergierte Licht gelangt dann in eine Beobachtungsvorrichtung, die aus einem Kollektorspalt 164, einer Lichtleitung 165 und einem fotoelektrischen Detektor 166 besteht. Die zu dem Spalt l64 gelangende Lichtintensität und infolgedessen das Signal des Detektors 166 ändern sich mit dem Drehwinkel des Gitters.

Bei dem auf Pig. 12 dargestellten Anwendungsbeispiel ist ein Laserrohr 2oo vorgesehen, das mit Gas, beispielsweise Helium-Neon₉ gefüllt istj der Laserhohlraumresonator besitzt einen feststehenden, halbdurchlässigen Spiegel 2ol und einen Spiegel 2o2, der von. einem Stab 2o3 aus Nickel getragen 1st. Der Stab ist mechanisch an einem Rahmen 2o5 befestigt· Der Dauer-Magnet 2o8 besitzt zwei Polstücke 2o6 und 2o7j das Polstück 2οβ 1st an dem Rahmen 2o5 angebracht. Der Laserstrahl 216 durchquert den halbdurchlässigen Spiegel 2ol und wird von einer halbreflektierenden Platte 215 teilweise nach 217 reflektiert. Der Strahl 2l8 ist der durchgelassene Strahl· Der reflektierte Strahl 217

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beleuchtet eine lichtempfindliche Zelle 214, die zu einem Verstärker 211 ein zur Leistung des Strahls proportionales Signal sendet« Der Verstärker 211 wird zwischen seinen Anschlüssen 212 und 213 von dem Wechselstromnetz gespeist und speist zwischen seinen Ausgangsanschlüssen 2o9 und 21o den stab 2o3 mit Gleichstrom.

Wenn man den Laserhohlraumresona-tor so reguliert, daß man einen Überspannungskoeffizient erhält, der sich auf der Planke der Überspannungskurve eines derartigen Hohlraumresonators befindet, wirkt sich jede Änderung der Leistung des Laserstrahls 216 und damit des reflektierten Strahls 2L? nach Abtasten durch die fotoempfindliche Zelle 21^- und Verstärken durch den Verstärker 211 in einer Inderung des in dem Stab 2o3 fließenden Gleichstroms und damit in einer Drehung des Spiegels 2o2 und infolgedessen in einer Änderung des Überspannungskoeffizienten des Lassrhohlr&iaas aus₉so daß die Ausgangsleistuag des Lasers !constangehalten wird.

Bei dem auf Fig. 13 dargestellten Anwen&ungsbeispiel ist ein Spiegel 3°2 vorgesehen,, der von einem Rohr JoJ aus magnetostriktiveffl Material getragen ist₉ welches zu einem Leiter JoH- koaxial angeordnet ist_o Das Rohr 3o3 ist mechanisch an einem Rahmen 3©5 befestigt» Der Leiter 3°^ ist beispielsweise durch Verlöten mechanisch mit dem Rahmen 3o5 befestigt. Ferner ist ein Magnet JoQ vorgesehen der swel Polstücke Jo6 und 3©7 besitzt_o Das Polstück 306 ist mechanisch am Rahmen 305 befestigt _o Eine Lichtquelle 318 beleuchtet den Spiegel 3o2o Die von dem Spiegel 3o2 reflektierten Lichtstrahlen werden von einer

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Sammellinse 317 auf eine lichtempfindliche Zelle zu gebündelt, die ihrerseits mit einem Verstärker 311 verbunden ist. Der Verstärker 311 wirkt auf ein Organ zur Regelung des Speiseorgans 315 ein» das eine mit dem Leiter ^o in Reihe geschaltete Last 3l6 von den Anschlüssen 3©9 und 31 ο aus mit Strom speist. Das Speiseorgan 315 ist über seine Anschlüsse 312 und 313 mit dem Wechselstromnets verbunden.

Diese Vorrichtung arbeitet auf folgende Weise: Wenn sich der Strom in der Last 316 aus irgendeinem Grund ändert, dreht sich der Spiegel 3°2j wodurch sich die Beleuchtung der Zelle 31^ sowie das von dieser zu dem Verstärker 3H gesandte elektrische Signal ändern. Dieses geänderte Signal wird verstärkt und an das Organ zur Regelung des Speiseorgans 315 angelegt, das nunmehr so wirkt, daß der Strom auf seinen Ausgangswert zurückgela-ngt. Das Speiseorgan 315 kann beispielsweise eine Gleichrichterbrücke sein, die die Last 3l6 mit Gleichstrom speist. Das Organ zur Regelung des Speiseorgans 315 kann ein variabler Autotransformator sein, dessen Läufer von einem von dem Verstärker 311 gespeisten Elektromotor gesteuert ist.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführung sbeispiele beschränkt, sondern läßt zahlreiche Änderungen zu.

Insbesondere kann anstelle des das Längsmagnetfeld erzeugenden Dauermagnets eine von einem elektrischen Strom durchflossen Spule vorgesehen seinj in diesem Fall kann bei allen oben erwähnten Anwendungsbeispielen der Strom dieser Spule verwendet werden, sofern der das kreisförmige Magnetfeld erzeugende Strom konstant gehalten wird.

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Claims (1)

1. -2ο-Patentansprüche

   1·) Elektrischer Stromwandler mit optischer Verbindung, bei der eine Lichtquelle vorgesehen ist, deren Strahl in Abhängigkeit von der in einem Leiter zu messenden Stromstärke durch eine optische Vorrichtung mit einer Lichtquelle und einem mit einem verformbaren Stab aus einem für Magnetostriktion empfindlichen Material verbundenen Spiegel moduliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Stab (11, 31, 46, Io2) direkt das den Leiter (lol) umgebende, von der zu messenden Stromstärke erzeugte Magnetfeld einwirkt.

   2. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Vorrichtung ein Interferometer ist, das zwei gleiche, zueinander parallel angeordnete Stäbe (11, 12) besitzt, von denen nur einer (11) in dem von der zu messenden Stromstärke erzeugten Magnetfeld angeordnet ist und von denen der andere (12) durch eine Abschirmung (13) magnetisch isoliert ist, sowie zwei Spiegel (2o, 21), von denen einer (21) am Ende der beiden Stäbe befestigt und von denen der andere (2o) feststehend ist.

   3. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Vorrichtung ein Interferometer ist, das einen ersten rohrförmigen Stab (31)» an dessen Ende ein erster Spiegel (3o) befestigt ist, und einen zweiten, zu dem ersten Stab koaxial&ngeordneten, ebenfalls rohrförmigen Stab (33) besitzt, der durch eine Abschirmung magnetisch isoliert und an dessen Ende ein zweiter Spiegel (32) befestigt ist.

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   ^J-. Stromwandler nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stäbe (11, 12, 31» 33) durch ein Teil (1*1·, 3*0 aus gut wärmeleitendem Material miteinander verbunden sind·

   5. Stromwandler nach Anspruch 1, gekenn zeichnet durch eine ähnlich wie die erste optische Vorrichtung (b) ausgebildete zweite optische Vorrichtung (5)» einen verformbaren Stab, auf den ein von einer zusätzlichen Stromquelle erzeugtes Magnetfeld einwirkt, einen Nulldetektor (6), der die von den beiden optischen Vorrichtungen erzeugten signale empfängt, und eine Vorrichtung (7) zur Korrektur der Stromstärke der zusätzlichen Stromquelle in Abhängigkeit von der von dem Nulldetektor aufgezeichneten Abweichung.

   6. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verformbare Stab (11, 12) mit einer magnetischen Polarisationsvorrichtung (15) verbunden ist. .

   7. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des verformbaren stabes(lo2) zu den Kraftlinien des von der zu.messenden Stromstärke erzeugten Magnetfeldes (Io6) senkrecht ist, daß der Stab von einer ein zu seiner Achse paralleles Magnetfeld erzeugenden Vorrichtung (Ιο**-) umgeben ist, und daß die optische Vorrichtung mit diesem Stab so verbunden ist, daß sie dessen Verdrehung registrieren kann.

   8. Stromwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der verformbare Stab (lo2) aus einem Rohr aus magnetischem Material besteht, das zu dem Leiter (lol), in welchem die Stromstärke gemessen werden soll,

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   koaxial ist, daß er an einem seiner Querschnitte blockiert ist, und daß die optische Vorrichtung (Io5, 1o5a, 1o5B) mit einem oder mehreren anderen, von dem "blockierten Querschnitt entfernten, frei verformbaren Querschnitten verbunden ist.

   9. Stromwandler nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der verformbare Stab aus ei- ' ner Gruppe von Elementen aus verschiedenen Werkstoffen besteht, aufgrund deren Länge die Verdrehung temperaturunabhängig 1st.

   ^ Io. Stromwandler nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η-, ze i chnet, daß der verformbare Stab (2o3) ein Vollstab ist, und daß er in den von der zu messenden Stromstärke durchflossenen Leiter eingesetzt ist.

   11. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verformbare Stab parallel zu den Kraftlinien des von der zu messenden Stromstärke erzeugten Magnetfeldes angeordnet 1st, und daß die optische Vorrichtung mit dem Stab so verbunden ist, daß sie dessen Durchbiegung registrieren kann.

   12. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (111) monochromatisch ist, und daß die optische Vorrichtung zwei Spiegel (113»

   W 11*0» von denen einer (UM infolge seiner mechanischen Verbindung mit dem verformbaren Stab gegenüber dem anderen winkelmäßig beweglich ist, einen sich periodisch in einer den von diesen Spiegeln reflektierten oder übertragenen Lichtstrahl schneidenden Ebene bewegenden Spalt (116) und einen hinter diesem beweglichen Spalt angeordneten fotoelektrischen Detektor (119 zur Zählung der von den Spiegeln erzeugten Interferenzstreifen besitzt.

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   13· Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (111) polychromatisch ist, und daß die optische Vorrichtung zwei Spiegel (113 von denen einer (11*0 gegenüber dem anderen Infolge seiner mechanischen Verbindung mit dem verformbaren Stab winkelmäßig beweglich ist, und eine Vorrichtung zur Spektralanalyse (119) des von diesen Spiegeln reflektierten oder übertragenen Lichts besitzt.

   1^. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (121) polychromatisch ist, und daß die optische Vorrichtung zwei Jamin-Splegel (122, 123)» von denen mindestens einer mechanisch mit dem verformbaren Stab verbunden ist, ein den durch das Spiegelsystem hindurchgetretenen Lichtstrahl empfangendes Sammelsystem (13«) und einen fotoelektrischen Detektor (133) zur Zählung der Interferenzstreifen besitzt.

   15· Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Vorrichtung (1*1) Einrichtungen zur Begrenzung der geometrischen Ausdehnung des aus der Lichtquelle (l4o) austretenden Lichtstrahls, einen mit dem verformbaren Stab verbundenen Hohlspiegel (l*J-2) und ein Teilungsorgan (1*1-3)» das in Nähe der Ebene des reellen Bildes der von dem Hohlspiegel gebildeten Lichtquelle angeordnet ist und den Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen teilt, sowie Einrichtungen (lW, 1*1-5, 1*1-6, 14-7, 1*4-8) zur Übertragung von mindestens einem dieser Teilstrahlen zu einem fotoelektrischen Detektor (152) besitzt.

   l6. Stromwandler nach Anspruch 1*1-, dadurch ge k e η nze Ichnet, daß die optische Vorrichtung Einrichtungen zur Übertragung des zweiten Teils des Lichtstrahls zu dem fotoelektrischen Detektor (152), eine Mischvorrichtung (15°» 14-9) t die abwechsel-nd die beiden Teilstrahlen zu dem Detek-

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   tor leitet, und eine in der Bahn eines der Teilstrahlen angeordnete, verstellbare absorbierende Vorrichtung (1^8, 1^7) besitzt, die die Gleichheit der Intensitäten der beiden von dem Detektor (152) empfangenen Teilstrahlen gewährleistet.

   17· Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle hinter einem Spalt oder einem Gitter mit abwechselnd durchlässigen und undurchlässigen Zonen angeordnet ist, und daß die optische Vorrichtung aus einem Hohlspiegel, der sich bei Verformung des Stabes drehen kann, einem Gitter mit abwechselnd durchlässigen und undurchlässigen Zonen und einer Einrichtung zum Zählen der Streifen oder zur Messung der Änderungen des übertragenen Lichtflusses besteht.

   18. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Vorrichtung einen Spalt (l6l) zur Begrenzung der Breite des Lichtstrahls, ein Dispersionssystem (163)» das sich bei Verformung des Stabes drehen kann, einen diesem Dispersionssystem gegenüber angeordneten Spalt (16^) und einen fotoelektrischen Detektor £ 166) besitzt.

   19· Anwendung des Stromwandlers nach Anspruch 1 zur Stabilisierung der Stromstärke eines einen Leiter durchfließenden elektrischen Stroms.

   2o. Anwendung des Stromwandlers nach Anspruch 1 zur Stabilisierung der Leistung eines Gaslasers (2oo, 2ol, 2o2)

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   durch Messung der Leistung des Laserstrahls in Form einer elektrischen Stromstärke und durch Verstellung der Ausrichtung eines (2o2) der Spiegel (2ol, 2o2)
   des Laser-Hohlraumresona-tors (2oo) unter Einwirkung dieser elektrischen Stromstärke auf einen verformba" ren Stab (2o3) aus einem für Magnetostriktion empfindlichen Material.

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