DE1918730A1 - Verfahren und Einrichtung zur Messung der zeitlichen AEnderung der Feldstaerke eines Magnetfeldes - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Messung der zeitlichen AEnderung der Feldstaerke eines Magnetfeldes

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Description

Duplikat
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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Verfahren- und Einrichtung zur Messung der zeitlichen Aenderung der Feldstärke eines Magnetfeldes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der zeitlichen Aenderung der Feldstärke eines Magnetfeldes unter Benutzung des Faradayeffektes.
Solche Verfahren werden z.B. zur elektrischen Strommessung in Hochspannungsleitungen benutzt, wobei der zu messende Strom j in einem auf Hochspannungspotential befindlichen magnetooptischen Element ein Magnetfeld erzeugt und die Drehung der Polarisations- ' ebene eines dieses magnetooptische Element durchlaufenden Licht- j
ι bündeis bestimmt wird. Bei einem bekannten Verfahren dieser Art wird die Drehung der Polarisationsebene des Lichtbündels in eine Aenderung der optischen Strahlungsintensität umgesetzt. Der Zusammenhang zwischen Drehwinkel und Lichtintensität ist jedoch nicht linear und für Drehwinkel >-~- mehrdeutig. Eine Be-
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schränkung auf Drehwinkel< -~~- hätte aber zur Folge, dass im Interesse eines genügend grossen dynamischen Eereichs noch extrem kleine Drehwinkel aufgelöst werden müssten. Bei einem anderen bekannten Verfahren wird das Problem der Nichtlinearität dadurch umgangen, dass die von dem zu messenden Feld hervorgerufene Drehung der Polarisationsebene des Lichtbündels in einem weiteren magnetooptischen Element kompensiert wird, wobei das kompensierend-Magnetfeld ein Mass für das zu messende Feld ist. Die Anwendung dieses Verfahrens zur Strommessung führt jedoch in Jenen Fällen, bei denen rasche Aenderungen der Stromstärke wie z.B. bei einem Kurzschluss wenigstens angenähert richtig wiedergegeben werden sollen, wegen des hohen Leistungsbedarfes der Regeleinrichtung zu relativ teueren Einrichtungen.
Das Ziel der Erfindung ist ein Verfahren bzw. eine Einrichtung, zur Messung der Aenderung eines Magnetfeldes unter Benutzung des Faradayeffektes, bei welchem mit relativ einfachen und billigen Mitteln eine Messgenauigkeit und ein zeitliches Auflösungsvermögen erreicht wird, die wesentlich höher sind, als bei den bekannten Verfahren, wobei die Einrichtung gegen mechanische Erschütterungen und Temperatureinflüsse weitgehend unempfindlich ist.
Das Verfahren gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein monochromatisches Lichtbündel in einer Teileranordnung intensitätsmässig in zwei Teilbündel aufgespaltet wird, dass die ausgehenden Teilbündel Je durch einen zugehörigen Zirkularpolarisator in einander entgegengesetztem Sinn zirkulär polarisiert wer-
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den und die Teilbündel den gleichen, von der Teileranordnung
■ · * ■
ausgehenden und zu dieser zurückführenden Lichtweg in einander entgegengesetzter Richtung durchlaufen, da'ss in diesem Lichtweg beide zirkulär polarisierten Teilbündel ein magnetooptisches Element durchlaufen, in weichem die Differenz der optischen Weglängen der beiden Teilbündel proportional zur Feldstärke des dort herrschenden magnetischen Feldes verändert wird, und dass die rücklaufenden Teilbündel in der Teiler-. anordnung miteinander interferieren und dabei ein intensitätsmassig moduliertes ausgehendes Lichtbflndel erzeugen, dessen Intenslt&tsänderung gemessen und daraus ein zur Differenz der optischen Weglängen der Teilbündel proportionales Ausgangssignal abgeleitet wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren am Beispiel einer Einrichtung zur Messung der zeitlichen Veränderung eines Stromes in einer Hochspannungsleitung eingehend erläutert.
Flg. 1 zeigt einen interferometrischen Messkopf im Schnitt. Dieser Meoekopf enthält in einem gasdichten Gehäuse 1 ein magnetooptische:
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. . - · 41/68 "-■■■.
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Element 2 und ein Messinterferometer. Der zylindrische Teil 3
des Gehäuses 1, innerhalb dem das magnetooptische Element 2 ■ angeordnet ist, wird von einer Magnetspule 4 umschlossen. Das
•magnetooptische Element 2 besteht aus einem Prisma aus magnetooptischjaktlvem Material,; welches an seinen planparallelen Stirn» . flächen 5,6 verspiegelt ist. Die Verspiegelung an der dem Messinterferometer zugewandten Stirnfläche 6 weist am Rand, zwei Aussparungen zum Durchtritt der Lichtbündel auf.
Das Messinterferometer enthält ein als Teileranordnung wirkendes Koesters-Prisma 7, das so angeordnet ist, dass seine Teilerebene 8 angenähert senkrecht zu den Stirnflächen 5,6 des magnet©·=» optischen Elementes ist. An der zur Tellerebene 8 senkrechten Prismen-Ebene des Koestera-Prismas 7 sind zwei als Zirkularpolaris at or en wirkender1» Plättchen 9,10 angebracht. Eine Eingangs optik 11 bzw. «in· Ausgangsoptik 12 sind in Oeffnungen des Gehäusebodens eingesetzt. Zwischen der Eingangsoptik 11 bzw. der Ausgangsoptik 12 einerseits und dem Koesters-Prisma 7 andererseits.sind je ein Polarisationsfilter 15 bzw. 16 und ein Umlenkspiegel 17 bzw. 18 angeordnet.
Zu den Oeffnungen 13, 14 des Gehäusebodens ist jeweils über Rohrstutzen 19, 20 ein einfacher bzw. doppelter Lichtleiter 21, 22 • geführt. Zur Ausblendung der durch den Lichtleiter 22 zu führenden Lichtbündel ist innerhalb des Rohrstutzens 20 in der Fokussierungsebene der Ausgangsoptik 12 eine Blende 37 mit zwei Blendenöffnungen
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vorgesehen.-
Ül/68 · "
Der Messkopf, der*sich während der Messung des Stromes in der Hochspannungsleitung auf Hochspannungspotential befindet, ist einerseits über den Lichtleiter 21,mit einem Gas-Laser und anderer-j seIts über die zwei Licht Ie iterpf ade' des Doppellichtleiters 22 rait j zwei Photodetektoren verbunden. Die Ausgangssignale dieser Photo- j detektoren werden einer noch näher zu beschreibenden Auswerte- j schaltung zugeführt werden. Der Gas-Laser und die Photodetektoren mit der Auswerteschaltung befinden sich dabei auf Erdpotential. :
Die V/Irkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist folgende:
Das im Gas-Laser erzeugte monochromatische Lichtbündel wird über den Lichtleiter 21, die Eingangsöptik 11, das Polarisationsfilter 15 und den Ablenkspiegel 17 dem Koesters-Prisma 7 zugeführt, an dessen" Teilerebene 8 es intensitätsmässig in zwei Teilbündel aufgespaltet wird. Das eine"Teilbündel durchläuft in dem geschlossenen Lichtweg 23 das λ/k Plättchen 9, in welchem es in recht'sumlaufendem Sinn zirkulär polarisiert wird, das magnetooptische Element 2, an dessen verspiegelten Stirnflächen 5,6 es eine mehrfache Reflexion erleidet, und gelangt schliesslich über das λ·/H Plättchen 10 zurück zur Teilerebene 8 des Koesters-Prismas 7· Das andere zweite Teilbündel durchläuft denselben geschlossenen Lichtweg 2 3 in entgegengesetzter Richtung, wobei es im Λ./1| Plättchen 10 nun aber in linksumlaufendem Sinn zirkulär polarisiert wird. Die beiden zurückkehrenden Teilbündel vereinigen sich in der Teilerebene 8 des. Koesters-Prismas J zu einem ausgehenden Lichtbündel, welches über den Umlenkspiegel 18 und das Polarisations filter l6 der Ausgangsoptik 12 zugeführt werden. Solange kein
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Magnetfeld herrscht, sind die effektiven optischen Wege der zwei in einander entgegengesetzter Richtung den Liehtweg 23 durchlaufenden Teilbündel einander gleich^ sodass das ausgehende Lichtbündel keinerlei zeitlich ändernde Interferenzerscheinungen aufweist. Bei Auftreten eines Magnetfeldes wird in- dem magneto» optischen Element 2 für das erste, im re.ehtsumlauf enden Sinn polarisierte Teilbündel der effektive Liehtweg verschieden von dem des zweiten, im links umlaufenden Sinn polarisierten Teilbündels. Die zeitabhängige'Differenz ~·~- 0(t) dieser effektiven optischen- Lichtwege ist dabei, wie sich .zeigen\Läss-t, streng _ : proportional zu der Feldstärke H(t) des zu messenden seitlich veränderlichen Magnetfeldes, wobelAdie optische Wellenlänge im Vakuum ist. Bei einem seitlich veränderlichen Magnetfeld-weist, das ausgehende Lishtbündel eine dieser optischen Wegdifferenz entsprechende interferometrische Modulation auf»
Zur Bestimmung der Punktion 0(t) aus dem'modulierten ausgehenden · Lichtbündel muss ausser dem Intensitätswert auch noch die Phase der Modulation bestimmt werden. Zu diesem Zweck werden im Mess-
kopf (Fig. 1) zwei la ihrer Modulation um 90 phasenverschobene Lichtbündel erzeugt. Dies geschieht dadurch, dass das magnetooptische Element 2 in der Zeichnungsebene um einen sehr kleinen Winkel gegenüber dem Koesters-Prisma ? verdreht.Justriert wird. Dadurch erzielt man eine relative Seherung der Wellenfronten del» j zwei den Liehtweg 2-3 in entgegengesetzter Richtwg diEehlaufenäenTfell <* bündel. Infolge dieser Scherung wird in dem von der Teiler- -·■-"' ebene 8 des Koesters-Prismas J .ausgehenden Lichtbündel eine. über den Lichtbündelquerschnitt
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In einer Richtung verlaufende, sinusförmige Intensitätsänderung erzeugt. Aus diesem Lichtbündel werden nun über zwei schlitzförmige Blendenöffnungen der Blende 37 zwei Ausgangslichtbündel ausgeblendet, die in ihrer Modulation gegeneinander um 90° phasen verschoben sind und die je über einein Llchtpfad des Doppel-Lichtleiters 22 einen zugehörigen Photodetektor 2.4, 25, zugeführt werden.
Die Auswerteschaltung und ihre Wirkungsweise wird anhand von Fig. 2 beschrieben.
Die Detektorströme i., ip der Photodetekt'oren 2H, 25 haben nach Abspaltung der Gleichstromkomponenten und Verstärkung in den
• *
Stufen 26, 27 die normierte Form I1 s cos 0(t), I2 = ein 0 (t)
In einem Zwischenfrequenzoszillator mit angeschlossenem Phasenachleber 29 erzeugt man zwei ebenfalls um 90° gegeneinander phasenverachobene Oszillatorschwingungen E1* g2 der Frequenz to .und der normierten Form
g« ■ coscs.t , g, * Die Oszillatorfrequenz ca muss dabei den Bedingungen
min genfigen. .
Diese Oszillatorschwingungen werden in den Ringmodulatorstufen j 30,3*1 mit den Signalen I4 bzw. 1. multipliziert und die
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"·■.■■.·:>-■■:■■ ■·.· mi730
j -
Produkte einer additiven Mischs.tufe zugeführt, deren Ausgangssignal " ■ .
G s I1 . E1 I I2 E2 s cos [(0)Qt - 0(t)J
die Form eines echten phasenmodulierten Zwischenfrequenzsignals mit dem Frequenzhub -
ά F = —ρ- ;ß- - 0 (t) hat.
Aus diesem Zwischenfrequenzsignal G wird durch Frequenzdemodulation im FM-Diskriminator 35 und nachfolgende Integration in, der Integrationestufe 36 ein Signal der Form 0 Ct) abgeleitet, welches ein Mass der zu messenden Stromstärke in der Hochspannungsleitung ist.
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BADOBfQlNAL

Claims (1)

  1. Patentansorüehe
    1.J Verfahren zur Messung der zeitlichen Aenderung der Feld-· stärke eines Magnetfeldes unter Benutzung des Faradayeffektes," · dadurch gekennzeichnet, dass ein monochromatisches Lichtbündel in einer Teileranordnung intensität'smässig in zwei Teilbündel aufgespaltet wird, dass die ausgehenden Teilbündel je durch einen zugehörigen Zirkularpolarisator in einander entgegengesetztem Sinn zirkulär· polarisiert werden und die Teilbündel den gleichen, von der Teileranordnung (7) ausgehenden und zu dieser zurückführenden Lichtweg (23) in einander entgegengesetzter Richtung durchlaufen, dass in diesem Lichtweg beide Zirkular polarisierten TeilbUndel ein magnetooptisches Element (2) durchlaufen, in welchem die Differenz der optischen Weglängen der beiden Teilbündel proportional zur Feldstärke des dort herrschenden magnetischen Feldes verändert wird, und dass die rücklaufenden Teilbündel in der Teileranordnung miteinander interferieren und dabei ein intensitätsmässig moduliertes aus-'gehendes Lichtbündel erzeugen, dessen Intensitätsänderung gemessen und daraus ein zur Differenz der optischen Weglängen der
    s Teilbündel proportionales Ausgangssignal abgeleitet wird. J
    2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Anspruch 1,
    j gekennzeichnet durch eine Lichtquelle zur Erzeugung eines mono- ι chromatischen Lichtbündels, durch eine Messkopfanordnung ent- '
    haltend eine Eingangsoptik (11) für das monochromatische Lichtbündel, eine Teileranordnung (7)> ein magnetooptisches Element
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    BAD
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    (2) mit im wesentlichen planparallelen Stirnflächen (5*6)»: welche zur Reflexion der durch seine eine Stirnfläche (6) eingestrahlten TeilbUndel .an seiher anderen Stirnfläche (5) . verspiegelt ist, zwei zwischen der Telleranordnung (7V und dem magnetooptischen Element angeordneten /4 Plättchen (9,10) und eine Ausgangsoptik (12) für das intensitätsmodulierte Lichtbündel und ferner gekennzeichnet durch eine Photodetektoreinrichtung (24,25) zur Messung der Intensitätsänderungen des intensitätsmodulierten Lichtbündels und eine Schaltung zur Ableitung eines Ausgangssignals proportional zur Differenz der effektiven optischen Weglängen der Teilbündel.
    5. Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch 2,,dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld durch eine Magnetspule (4) erzeugt wird, die von einem zu bestimmenden elektrischen Strpmdurohflossen ist und die sich zusammen mit der Messkopfanordnung auf Hochspannungspotential befindet und dass die das kohärente, monochromatische LichtbUndel erzeugende Lichtquelle 'und die Photodetektoreinrichtung (24,25) sowie eine dieser nachgeschalteten Auswerteeinrichtung sich gemeinsam wenigstens angenähert auf Erdpotential befinden.
    4. Verfahren gemäss Anspruchl, dadurch gekennzeichnet, dass .. durch Scherung der Wellenfronten der Teilbündel innerhalb * ihres Lichtweges (23) im modulierten Lichtbündel eine über ■: den liichtbUnderlquerschnitt in einer Richtung verlaufende sinusförmige Intensitätsänderung erzeugt wird, dass aus diese» LlohtbUndel in einer Blendenebene zwei Ausgangslichtbündel
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    : BAD ORIGiHAL
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    ausgeblendet werden, die in ihrer Modulation gegeneinander um 90° phasenverschoben sind und die Je einen Photodetector (24,25) zugeführt werden, dass, ferner zwei gleichfrequente · gegeneinander um 90° phasenverschobene Oszillatorschwingungen' ■ g,, gg erzeugt werden, welche von den Ausgangssignalen i-, ig der Photodetektoren (24, 25) amplitudenmoduliert und die modulierten Signale zur Bildung eines phasenmodulierten Zwischenfrequenzslgnals additiv gemischtwerden und dass aus diesem Zwischenfrequenzsignal durch Demodulation und nachfolgende Integration das interferometrieehe Modulationssignal reproduziert wird. *
    5. Einrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Teileranordnung ein Koesters-Prisma (7) verwendet ist.
    6. Einrichtung gemäss Anspruch5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Scherung der Wellenfronten der Teilbündel die Stirnflächen (5,6) des magnetooptischen Elementes (2) gegen die Austrittsebene des Koesters-Prismas (7) um einen sehr kleinen Winkel geneigt Justiert let
    7- Einrichtung genäse Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer Mehrfachreflexion der TeilbUndel Im magneto· optischen Elemente (2), dieses Über einen Teil, seiner als Durohtrittsflttch© der TeilbUndel wirkenden Stirnfläche (6) verspiegelt 1st.
    Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI & CIE.
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