DE19544778A1 - Verfahren und Anordnung zum Messen einer Meßgröße, insbesondere eines elektrischen Stromes, mit hoher Meßauflösung - Google Patents
Verfahren und Anordnung zum Messen einer Meßgröße, insbesondere eines elektrischen Stromes, mit hoher MeßauflösungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum
Messen einer Meßgröße.
Es sind optische Meßanordnungen zum Messen eines elektrischen
Stromes in einem Stromleiter bekannt, die auf dem magneto
optischen Faraday-Effekt beruhen und deshalb auch als magne
tooptische Stromwandler bezeichnet werden. Bei einem magne
tooptischen Stromwandler wird linear polarisiertes Meßlicht
durch ein in der Nähe des Stromleiters angeordnetes Faraday-
Element gesendet, das aus einem den Faraday-Effekt zeigenden,
optisch transparenten Material besteht. Das von dem Strom
erzeugte Magnetfeld bewirkt eine Drehung der Polarisations
ebene des Meßlichts um einen Drehwinkel ρ, der proportional
zum Wegintegral über das Magnetfeld entlang des vom Meßlicht
zurückgelegten Weges ist. Die Proportionalitätskonstante
nennt man Verdet-Konstante V. Die Verdet-Konstante V hängt im
allgemeinen vom Material und der Temperatur des Faraday-
Elements und von der Wellenlänge des verwendeten Meßlichts
ab. Im allgemeinen umgibt das Faraday-Element den Strom
leiter, so daß das Meßlicht den Stromleiter in einem prak
tisch geschlossenen Weg wenigstens einmal umläuft. Der Dreh
winkel ρ ist in diesem Fall im wesentlichen direkt proportio
nal zur Amplitude I des zu messenden Stromes gemäß der Be
ziehung
ρ = N · V · I (1),
wobei N die Zahl der Umläufe des Meßlichts um den Stromleiter
ist. Der Faraday-Drehwinkel ρ wird polarimetrisch durch eine
Polarisationsanalyse des durch das Faraday-Element gelaufenen
Meßlichts bestimmt, um ein Meßsignal für den elektrischen
Strom zu erhalten. Zur Polarisationsanalyse sind eine ein
kanalige Polarisationsauswertung und eine zweikanalige
Polarisationsauswertung bekannt.
Bei einer einkanaligen Polarisationsauswertung wird das Meß
licht nach Durchlaufen des Faraday-Elements einem Polarisator
als Analysator zugeführt und das vom Polarisator durchgelas
sene Meßlicht von einem photoelektrischen Wandler in ein
elektrisches Signal als Meßsignal S umgewandelt. Dieses Meß
signal S entspricht der Lichtintensität der auf die Polarisa
tionsachse (Transmissionsachse) des Polarisators projizierten
Lichtkomponente des Meßlichts und hat bei Vernachlässigung
von Störeinflüssen wie Temperaturänderungen und Vibrationen
die allgemeine Form
S = S₀/2 · (1 + sin(2ρ + ψ)) =
= S₀/2 · (1 + sin(2·N·V·I + ψ)) (2).
= S₀/2 · (1 + sin(2·N·V·I + ψ)) (2).
Dabei ist S₀ die konstante Maximalamplitude des Meßsignals S,
die dem Fall entspricht, wenn die Polarisationsebene des Meß
lichts parallel zur Polarisationsachse des Polarisators ist
(maximale transmittierte Lichtintensität). ψ ist ein kon
stanter Off-set-Winkel für einen Strom Null (I = 0 A) und
hängt von dem Polarisatorwinkel zwischen der Polarisations
ebene des Meßlichts beim Einkoppeln in das Faraday-Element
und der Polarisationsachse des Analysators ab. Wenn dieser
Polarisatorwinkel gleich 45° ist, so ist ψ=0 (IEEE Trans
actions on Power Delivery, Vol. 7, No. 2, April 1992, Seiten
848 bis 852).
Bei einer zweikanaligen Polarisationsauswertung wird das Meß
licht nach Durchlaufen des Faraday-Elements von einem Analy
sator in zwei linear polarisierte Lichtkomponenten L1 und L2
mit senkrecht zueinander gerichteten Polarisationsebenen zer
legt. Als Analysator sind polarisierende Strahlteiler wie
beispielsweise ein Wollaston-Prisma oder auch ein einfacher
Strahlteiler mit zwei nachgeschalteten Polarisatoren, deren
Polarisationsachsen um π/2 bzw. 90° gegeneinander verdreht
sind, bekannt. Beide Lichtkomponenten L1 und L2 werden von
jeweils einem zugeordneten photoelektrischen Wandler in je
weils ein elektrisches Intensitätssignal T1 oder T2 umge
wandelt, das proportional zur Lichtintensität der jeweiligen
Lichtkomponente L1 bzw. L2 ist. Aus diesen beiden elektri
schen Signalen wird ein Meßsignal
T = (T1 - T2)/(T1 + T2) (3)
gebildet, das dem Quotienten aus einer Differenz und der
Summe der beiden Intensitätssignale T1 und T2 entspricht
(WO 95/10046). Dieses Meßsignal T ist bei Vernachlässigung
von Störeinflüssen gleich
T = sin(2ρ + ζ) = sin(2·N·V·I + ζ) (4),
wobei ζ ein von dem Winkel zwischen der Polarisationsebene
des Meßlichts beim Einkoppeln in das Faraday-Element und ei
ner ausgezeichneten optischen Eigenachse des Analysators ab
hängiger Off-set-Winkel für I = 0 A ist.
Sowohl bei einer einkanaligen als auch bei einer zweikanali
gen Polarisationsanalyse ist das Meßsignal S gemäß Gleichung
(1) bzw. T gemäß Gleichung (4) somit eine periodische, sinus
förmige Funktion des doppelten Drehwinkels 2ρ mit der Periode
π. Es gilt also
S(ρ + n π) = S(ρ) und T(ρ + n π) = T(ρ)
mit der ganzen Zahl n. Die Periodizität der Meßsignale S und
T ist eine Folge davon, daß um ein ganzzahliges Vielfaches
von π bzw. 180° gegeneinander gedrehte Polarisationsebenen
des Meßlichts polarimetrisch nicht voneinander unterschieden
werden können.
So kommt es, daß zwar der Faraday-Meßwinkel ρ selbst gemäß
Gleichung (1) eine lineare und damit eindeutige Funktion des
Stromes I ist, die Meßsignale S und T eines polarimetrischen
magnetooptischen Stromwandlers dagegen nur über einem maximal
π/2 (bzw. 90°) großen Winkelbereich für den Meßwinkel ρ ein
deutige Funktionen des Meßwinkels ρ sind. Mit den bekannten
polarimetrischen magnetooptischen Stromwandlern sind deshalb
nur solche elektrische Ströme eindeutig meßbar, die in einem
dem genannten maximal π/2 (bzw. 90°) großen Winkelbereich für
den Meßwinkel ρ entsprechenden Strommeßbereich (Strommeß
intervall, measuring range)) MR der Intervallänge |MR| liegen.
Der Strommeßbereich MR ist gemäß Gleichung (1) maximal
|MR| = π/(2·N·V) (5)
groß. Aus Gleichung (5) ist ersichtlich, daß man die Größe
|MR| des Strommeßbereichs MR eines magnetooptischen Strom
wandlers durch die Wahl von Materialien mit unterschiedlichen
Verdet-Konstanten V für das Faraday-Element und/oder durch
die Zahl N der Umläufe des Meßlichts um den Stromleiter
einstellen kann. Einen größeren Strommeßbereich erhält man,
wenn man das Produkt N·V im Nenner kleiner einstellt. Jedoch
zieht eine solche Wahl eines größeren Strommeßbereichs MR
unweigerlich eine verringerte Meßauflösung (measuring
resolution) MA des Stromwandlers bei vorgegebener Anzeige
auflösung nach sich. Die Meßauflösung MA ist dabei und im
folgenden als Betrag |MS| der Meßempfindlichkeit MS des Strom
wandlers definiert. Die Meßempfindlichkeit MS entspricht der
Steigung der Kennlinie des magnetooptischen Stromwandlers in
einem Arbeitspunkt und ist im Falle der einkanaligen Auswer
tung gemäß Gleichung (2) gleich
MS = dS/dI = S₀ · N · V · cos(2·N·V·I + ψ) (6)
und bei einer zweikanaligen Auswertung gemäß Gleichung (4)
gleich
MS = dT/dI = 2 · N · V · cos(2·N·V·I + ζ) (7).
Aus den Gleichungen (6) und (7) erkennt man sofort, daß eine
Verkleinerung des Produkts N·V bei beiden Auswerteverfahren
zu einer Verringerung der Meßauflösung MA = |MS| führt.
Aus EP-B-0 088 419 ist ein magnetooptischer Stromwandler be
kannt, bei dem zwei Faraday-Glasringe parallel zueinander um
einen gemeinsamen Stromleiter angeordnet sind, die aus
Faraday-Materialien mit unterschiedlichen Verdet-Konstanten
bestehen und somit jeder für sich unterschiedliche Strom
meßbereiche aufweisen. Jedem Faraday-Glasring sind jeweils
eine Sendeeinheit zum Senden linear polarisierten Meßlichts
in den Glasring und eine zweikanalige Auswerteeinheit zum
Berechnen eines jeweiligen Meßsignals für den jeweiligen
Faraday-Drehwinkel zugeordnet. Die beiden Meßsignale der
beiden Auswerteeinheiten werden einem OR-Gatter zugeführt,
das ein Maximumssignal aus den beiden Meßsignalen ermittelt.
Mit diesem Maximumssignal wird zwischen den Meßbereichen der
beiden Glasringe umgeschaltet. Unterschiedliche Meßbereiche
der beiden Glasringe können auch bei gleichem Glasmaterial
für beide Glasringe erreicht werden, indem Meßlicht unter
schiedlicher Wellenlänge verwendet wird. Dabei wird die
Wellenlängenabhängigkeit der Faraday-Drehung ausgenutzt.
Aus "International Conference of Large High Voltage Electric
Systems", CIGRE, Paris, 28.8.-3.9.1988, Conference Procee
dings, T, Pref. Subj. 1, Vol. 34, Band 15, Seiten 1 bis 10
ist eine faseroptische Meßanordnung mit einem ersten magneto
optischen Stromwandler zum Messen von Nennströmen und mit
einem zweiten magnetooptischen Stromwandler zum Messen von
Überströmen bekannt. Der erste Stromwandler zum Messen von
Nennströmen enthält eine optische Monomode-Faser, die den
Stromleiter in Form einer Meßwicklung mit N Windungen umgibt.
Linear polarisiertes Licht durchläuft die Meßwicklung, wird
von einem Spiegel in die Faser zurückreflektiert und durch
läuft die Meßwicklung in umgekehrter Richtung ein zweites Mal
(Reflexionstyp). Der Faraday-Drehwinkel wird dabei verdop
pelt, während sich die unerwünschten temperaturabhängigen Ef
fekte der zirkularen Doppelbrechung des Fasermaterials gerade
herausheben. Nach zweimaligem Durchlaufen der Meßwicklung
wird das Licht einer zweikanaligen Polarisationsauswertung
unterzogen. Der zweite, für Schutzzwecke vorgesehene magneto
optische Stromwandler umfaßt ebenfalls eine Monomode-Faser,
die den Stromleiter in Form einer Meßwicklung mit einer
Meßwindung umgibt. Im Gegensatz zum ersten, für Meßzwecke
vorgesehenen Stromwandler ist der zweite Stromwandler vom
Transmissionstyp, d. h. das linear polarisierte Meßlicht wird
nach nur einmaligem Durchlaufen der Meßwindung einer Polari
sationsanalyse unterzogen.
Aus "SENSOR 93 Kongeßband IV B11.1, Seiten 137 bis 144" ist
ein magnetooptischer Stromwandler für Schutzzwecke zum Messen
von Wechselströmen bekannt, bei dem linear polarisiertes
Licht nach Durchlaufen einer Faraday-Lichtleitfaser in zwei
Lichtteilsignale aufgespalten wird und jedes dieser Licht
teilsignale einem Analysator zugeführt wird. Die Eigenachsen
(Polarisationsachsen) der beiden Analysatoren sind unter
einem Winkel von 45° oder 58° zueinander gerichtet. Die von
den Analysatoren durchgelassenen Lichtintensitäten werden
erst durch Division durch ihre Gleichanteile normiert, die
durch Spitzenwertgleichrichtung erhalten werden. Anschließend
wird ein Produkt der normierten Signale gebildet und dieses
Produkt dann differenziert. Durch Integration wird direkt der
Faraday-Drehwinkel erhalten. Dadurch erhält man ein Signal,
das proportional zum Strom ist und daher keinen Meßbereichs
beschränkungen unterliegt. Jedoch ist dieses Verfahren ver
gleichsweise aufwendig.
Aus der EP-B-0 208 593 ist ein magnetooptischer Stromwandler
bekannt, bei dem linear polarisiertes Meßlicht nach Durch
laufen einer einen Stromleiter umgebenden Faraday-Lichtleit
faser von einem Strahlteiler in zwei Lichtteilsignale aufge
teilt wird und jedes dieser Lichtteilsignale einem Analysator
zugeführt wird. Die Eigenachsen der beiden Analysatoren sind
unter einem Winkel von 0° bzw. 45° zur Einkoppelpolarisation
des Meßlichts, gerichtet. Dadurch erhält man am Ausgang eines
Analysators ein erstes, sinusförmiges Signal und am Ausgang
des anderen Analysators ein zweites, cosinusförmiges Signal
Diese beiden Signale sind jeweils mehrdeutige, oszillierende
Funktionen des Stromes im Stromleiter, die um einen Winkel
von 90° gegeneinander phasenverschoben sind. Aus diesen
beiden mehrdeutigen Signalen wird nun ein eindeutiges
Meßsignal zusammengesetzt durch Vergleich der Vorzeichen und
der Beträge der Meßwerte des ersten, sinusförmigen Signals
und des zweiten, cosinusförmigen Signals. Sobald die Beträge
von Sinus und Cosinus gleich sind, d. h. bei einem ganzzahli
gen Vielfachen von 45°, wird in Abhängigkeit von den Vor
zeichen von Sinus und Cosinus von einem eindeutigen Zweig des
ersten, sinusförmigen Signals in einen eindeutigen Zweig des
zweiten, cosinusförmigen Signals umgeschaltet oder umgekehrt.
Dieses Verfahren ist ein inkrementales Verfahren, so daß der
Arbeitspunkt bei Strom Null bei einem Ausfall der Elektronik
des Stromwandlers erst wieder neu eingestellt werden muß.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Anordnung zum Messen einer Meßgröße aus einem vorge
gebenen Meßbereich und insbesondere zum Messen eines elek
trischen Stromes in einem Stromleiter aus einem vorgegebenen
Strommeßbereich anzugeben, bei dem eine hohe Meßauflösung
erreicht wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merk
malen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 8.
Das Verfahren zum Messen einer Meßgröße aus einem vorgegebe
nen Meßbereich umfaßt die folgenden Verfahrensschritte:
- a) Ableiten eines ersten Meßsignals für die Meßgröße, das eine in dem vorgegebenen Meßbereich eindeutige Funktion der Meßgröße ist,
- b) Ableiten eines zweiten Meßsignals für die Meßgröße, das eine im wesentlichen periodische Funktion der Meßgröße ist mit einer Periode, die kleiner ist als die doppelte Intervallänge des Meßbereichs und
- c) Ableiten eines dritten Meßsignals für die Meßgröße aus den beiden genannten Meßsignalen, das im vorgegebenen Meßbereich eine eindeutige Funktion der Meßgröße ist und wenigstens die gleiche Meßauflösung wie das zweite Meßsignal aufweist.
Die Anordnung zum Messen einer Meßgröße aus einem vorgegebe
nen Meßbereich enthält
- a) eine erste Meßeinrichtung zum Erzeugen eines ersten Meß signals, das eine in dem vorgegebenen Meßbereich ein deutige Funktion der Meßgröße ist,
- b) eine zweite Meßeinrichtung zum Erzeugen eines zweiten Meßsignals, das eine im wesentlichen periodische Funktion der Meßgröße ist mit einer Periode, die kleiner ist als die doppelte Intervallänge des Meßbereichs und
- c) eine mit der ersten Meßeinrichtung und der zweiten Meß einrichtung verbundene Signalverarbeitungseinheit, die aus dem ersten Meßsignal und dem zweiten Meßsignal ein drittes Meßsignal ableitet, das im vorgegebenen Meß bereich eine eindeutige Funktion der Meßgröße ist und wenigstens die gleiche Meßauflösung wie das zweite Meßsignal aufweist.
Das dritte Meßsignal vereint in sich den Vorteil des größeren
Meßbereich des ersten Meßsignals und den Vorteil der höheren
Meßauflösung des zweiten Meßsignals und ermöglicht daher eine
eindeutige Messung der Meßgröße in dem vorgegebenen Meßbe
reich mit einer hohen Meßauflösung. Umgekehrt weist das
dritte Meßsignal bei vorgegebener Meßauflösung einen großen
Meßbereich. Das Verfahren und die Anordnung sind nicht inkre
mental. Bei einer Störung oder einem Ausfall des Stromwand
lers kann dieser ohne vorherige Eichung direkt wieder in
Betrieb genommen werden. Die Funktionszuverlässigkeit ist
somit immer gegeben.
Besondere Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens
und der Anordnung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den
jeweils abhängigen Ansprüchen.
Demnach ist in einer Ausführungsform auch das erste Meßsignal
eine periodische Funktion der Meßgröße.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird mit Hilfe des
ersten Meßsignals der Meßbereich in Eindeutigkeitsbereiche
unterteilt, über denen das zweite Meßsignal eine eindeutige
Funktion der Meßgröße ist und aus den Zweigen des zweiten
Meßsignals über diesen Eindeutigkeitsbereichen das dritte
Meßsignal zusammengesetzt wird.
Das dritte Meßsignal kann aus dem ersten Meßsignal und dem
zweiten Meßsignal mit Hilfe einer vorab ermittelten Werte
tabelle oder auch rechnerisch abgeleitet werden.
Vorzugsweise werden das Meßverfahren und die Meßanordnung zum
Messen eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter aus
einem vorgegebenen Strommeßbereich eingesetzt. Dazu sind
wenigstens zwei den Stromleiter umgebende Faraday-Elemente
vorgesehen. Ein erstes linear polarisiertes Lichtsignal wird
durch ein erstes der beiden Faraday-Elemente wenigstens
einmal geschickt, und aus einer Drehung der Polarisations
ebene dieses ersten Lichtsignals nach Durchlaufen des ersten
Faraday-Elements wird von einer ersten Auswerteeinheit das
erste Meßsignal für den Strom abgeleitet. Ein zweites linear
polarisiertes Lichtsignal wird wenigstens durch ein zweites
der beiden Faraday-Elemente wenigstens einmal gesendet, und
aus einer Drehung der Polarisationsebene dieses zweiten
Lichtsignals nach Durchlaufen wenigstens des zweiten Faraday-
Elements wird von einer zweiten Auswerteeinheit das zweite
Meßsignal für den Strom abgeleitet.
In einer besonderen Ausführungsform des Meßverfahrens durch
läuft das zweite linear polarisierte Lichtsignal sowohl das
erste Faraday-Element als auch das zweite Faraday-Element
jeweils wenigstens einmal. Die zweite Meßeinrichtung der
Meßanordnung enthält dann auch das erste Faraday-Element der
ersten Meßeinrichtung, und die beiden Faraday-Elemente sind
über optische Verbindungsmittel optisch in Reihe geschaltet.
In dieser Ausführungsform genügt eine Lichtquelle zum Senden
von linear polarisiertem Meßlicht, da das Meßlicht von den
optischen Verbindungsmitteln in zwei Lichtanteile aufgeteilt
wird, von denen ein Lichtanteil als erstes Lichtsignal und
der andere Lichtanteil als zweites Lichtsignal vorgesehen
werden. Außerdem ist ein kompakter Aufbau der Anordnung
möglich, da die beiden Faraday-Elemente raumsparend neben
einander angeordnet werden können.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung
Bezug genommen, in deren
Fig. 1 ein prinzipieller Aufbau einer Anordnung zum Messen
einer Meßgröße aus einem vorgegebenen Meßbereich,
Fig. 2 in einem Diagramm drei unterschiedliche Meßsignale
für die Meßgröße,
Fig. 3 eine Anordnung zum Messen eines elektrischen Stromes
aus einem vorgegebenen Strommeßbereich mit zwei
separaten Faraday-Meßeinrichtungen,
Fig. 4 eine Anordnung zum Messen eines elektrischen Stromes
aus einem vorgegebenen Strommeßbereich mit zwei
optisch in Reihe geschalteten und jeweils im Trans
missionsmodus betriebenen Faraday-Elementen,
Fig. 5 eine Recheneinheit zum Bestimmen des zweiten Meß
signals,
Fig. 6 eine Anordnung zum Messen eines elektrischen Stromes
aus einem vorgegebenen Strommeßbereich mit einem in
Transmission betriebenen ersten Faraday-Element und
einer Reihenschaltung aus diesem ersten Faraday-
Element und einem in Reflexion betriebenen zweiten
Faraday-Element und
Fig. 7 eine Anordnung zum Messen eines elektrischen Stromes
aus einem vorgegebenen Strommeßbereich mit einem in
Reflexion betriebenen ersten Faraday-Element und
einer in Transmission betriebenen Reihenschaltung
dieses ersten Faraday-Elements mit einem zweiten
Faraday-Element,
jeweils schematisch veranschaulicht sind. Einander entspre
chende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 zeigt eine Meßanordnung zum Messen einer Meßgröße I
in einem vorgegebenen Meßbereich MR. Die Meßanordnung enthält
eine erste Meßeinrichtung 5 und eine zweite Meßeinrichtung 6
sowie eine Signalverarbeitungseinheit 12. An einem Eingang 5A
der ersten Meßeinrichtung 5 und an einem Eingang 6B der
zweiten Meßeinrichtung 6 steht jeweils die Meßgröße I an.
Die erste Meßeinrichtung 5 wandelt die Meßgröße I in ein
erstes Meßsignal M₁ um, das zumindest über dem vorgegebenen
Meßbereich MR eine eindeutige Funktion der Meßgröße I ist.
Damit gilt also
M₁ (Ia) ≠ M₁ (Ib) (8)
für zwei beliebige, voneinander verschiedene Werte Ia und Ib
der Meßgröße aus dem vorgegebenen Meßbereich MR. Die erste
Meßeinrichtung 5 hat somit eine eindeutige Kennlinie in dem
Meßbereich MR. Das erste Meßsignal M₁ wird von einem Ausgang
5B der ersten Meßeinrichtung 5 einem ersten Eingang 12A der
Signalverarbeitungseinheit 12 zugeführt.
Die zweite Meßeinrichtung 6 erzeugt aus der Meßgröße I ein
zweites Meßsignal M₂, das zumindest über dem vorgegebenen
Meßbereich MR eine periodische Funktion der Meßgröße I mit
einer Periode P₂ ist. Es gilt also:
M₂ (I) = M₂ (I + n · P₂) (9)
mit der ganzen Zahl n, und die Kennlinie der zweiten Meßein
richtung 6 ist periodisch zumindest über dem Meßbereich MR.
Die Periode P₂ des zweiten Meßsignals M₂ ist kleiner als die
doppelte Intervallänge 2 |MR| des Meßbereichs MR, das heißt
P₂ < 2 |MR| (10).
Wegen der Bedingung (10) ist das zweite Meßsignal M₂ im
Gegensatz zum ersten Meßsignal M₁ keine eindeutige Funktion
der Meßgröße I über dem Meßbereich MR.
Die Meßauflösung
MA(M₂) = |dM₂/dI| (11)
des zweiten Meßsignals M₂ und der zweiten Meßeinrichtung 6
ist im Meßbereich MR gegebenenfalls mit Ausnahme einzelner
Teilbereiche höher als die Meßauflösung
MA(M₁) = |dM₁/dI| (12)
des ersten Meßsignals M₁ und der zugehörigen ersten Meßein
richtung 5. Das zweite Meßsignal M₂ wird von einem Ausgang 6B
der zweiten Meßeinrichtung 6 zu einem zweiten Eingang 12B der
Signalverarbeitungseinheit 12 übertragen.
Die Signalverarbeitungseinheit 12 bildet nun aus den beiden
an ihren Eingängen 12A und 12B anliegenden Meßsignalen M₁ und
M₂ ein drittes Meßsignal M₃, das über dem gesamten Meßbereich
MR zum einen eine eindeutige Funktion ist und zum anderen
wenigstens die Meßauflösung MA(M₂) des zweiten Meßsignals M₂
aufweist. Dieses dritte Meßsignal M₃ kann an einem Ausgang
12C der Signalverarbeitungseinheit 12 abgegriffen werden.
Die Fig. 2 zeigt in einem Diagramm ein Ausführungsbeispiel für
die drei in einer Meßanordnung gemäß Fig. 1 abgeleiteten Meß
signale M₁, M₂ und M₃. Ein vorgegebener Meßbereich für auf
der Abszisse aufgetragene Meßgröße I ist mit MR bezeichnet
und entspricht einem vorzugsweise geschlossenen Intervall
[IA, IB] von Werten der Meßgröße I zwischen einer ersten
Intervallgrenze IA und einer zweiten Intervallgrenze IB.
Dieser Meßbereich MR hat somit die Länge |MR| = |IB - IA|.
Das erste Meßsignal M₁ ist eine periodische und vorzugsweise
sinusförmige Funktion der Meßgröße I und oszilliert zwischen
einem Maximalwert Max(M₁) und einem Minimalwert Min(M₁) mit
der Periode P₁. Zwischen den beiden Extremwerten Max(M₁) und
Min(M₁) durchläuft das erste Meßsignal M den Zentralwert
Cen(M₁) = 0,5 · (Max(M₁) + Min(M₁)). Über dem Meßbereich MR
ist das erstes Meßsignal M₁ eine eindeutige Funktion der
Meßgröße I, d. h. es genügt der Bedingung (8). Im dargestell
ten Ausführungsbeispiel liegt der Meßbereich MR innerhalb
einer halben Periode P₁/2 des erstes Meßsignal M₁ zwischen
dessen Minimalwert Min(M₁) und Maximalwert Max(M₁), in
welchem Bereich eine sinusförmige Funktion bekanntlich ein
deutig ist, und der Zentralwert Cen(M₁) des erstes Meßsignals
M₁ entspricht dem Wert des erstes Meßsignals M₁ beim Mittel
punkt IM = 0,5 · (IB + IA) des Meßbereichs MR, also Cen(M₁) =
M₁(IM). Das erste Meßsignal M₁ steigt im Meßbereich MR mit
zunehmender Meßgröße I mit einer positiven Steigung streng
monoton an, kann aber auch eine streng monoton fallende
Funktion mit negativer Steigung sein.
Das zweite Meßsignal M₂ ist zumindest über dem Meßbereich MR
eine periodische und vorzugsweise sinusförmige Funktion der
Meßgröße I und oszilliert zwischen einem Maximalwert Max(M₂)
und einem Minimalwert Min(M₂) mit der Periode P₂. Drei Werte
der Meßgröße I, bei denen das zweite Meßsignal M₂ seinen
Minimalwert Min(M₂) annimmt, sind mit I₀, I₂ und I₄ bezeich
net, drei Werte, bei denen das zweite Meßsignal M₂ seinen
Maximalwert Max(M₂) annimmt, dagegen mit I₁, I₃ und I₅. Es
gilt I₀ < I₁ < I₂ < I₃ < I₄ < I₅. Zwischen zwei Extremwerten
Max(M₂) und Min(M₂) durchläuft das zweite Meßsignal M₂ einen
Zentralwert Cen(M₂) = 0,5 · (Max(M₂) + Min(M₂)). Im darge
stellten Ausführungsbeispiel umfaßt der Meßbereich MR zwei
Perioden 2·P₂ des zweiten Meßsignals M₂, wobei das zweite
Meßsignal M₂ an den Randpunkten IA und IB sowie am Mittel
punkt IM des Meßbereichs MR jeweils seinen Mittelwert Cen(M₂)
annimmt, also Cen(M₁) = M₁(IA) = M₁(IB) = M₁(IM) gilt. Das
dargestellte zweite Meßsignal M₂ erfüllt somit die vorgenann
ten Bedingungen (9) und (10).
Das erste Meßsignal M₁ ist der besseren Übersichtlichkeit in
einem größeren Maßstab dargestellt als das zweite Meßsignal
M₂, hat also im allgemeinen einen flacheren Verlauf im Ver
gleich zum zweite Meßsignal M₂, und ist überdies versetzt zum
zweiten Meßsignal M₂ gezeichnet. Die Wertebereiche
[Min(M₁),Max(M₁)] des ersten Meßsignals M₁ und
[Min(M₂),Max(M₂)] des zweiten Meßsignals M₂ können sich auch
überschneiden. Insbesondere können die beiden Zentralwerte
Cen(M₁) und Cen(M₂) gleich sein, vorzugsweise Cen(M₁) =
Cen(M₂) = 0 in entsprechenden Maßeinheiten. Die Meßauflösung
MA(M₁) des ersten Meßsignals M₁ ist über den größten Teil des
Meßbereichs MR deutlich kleiner als die Meßauflösung MA(M₂)
des zweiten Meßsignals M₂. Eine Ausnahme bilden nur kleine
Bereiche um die Werte In der Meßgröße I mit n = 0, 1, 2, 3, 4
oder 5, bei denen das zweite Meßsignal M₂ seine Extremalwerte
Max(M₂) bzw. Min(M₂) annimmt und bei denen folglich die Meß
auflösung des zweiten Meßsignals M₂ Null ist, d. h. MA(M₂(In))
= 0. Die maximale Meßauflösung MA(M₁(IM)) des ersten Meß
signals M₁ im Mittelpunkt IM des Meßbereichs MR ist deutlich
kleiner als die maximale Meßauflösung MA(M₂(IM)) des zweiten
Meßsignals M₂, die im gezeigten Ausführungsbeispiel über dem
Meßbereich MR fünfmal und insbesondere im Mittelpunkt IM des
Meßbereichs MR angenommen wird.
Das dritte Meßsignal M₃ wird nun folgendermaßen aus dem er
sten Meßsignal M₁ und dem zweiten Meßsignal M₂ abgeleitet.
Der Meßbereich MR kann in einzelne Eindeutigkeitsbereiche un
terteilt werden, über denen das zweite Meßsignal M₂ eine ein
deutige Funktion der Meßgröße I ist. Diese Eindeutigkeits
bereiche (Quadranten) sind im dargestellten Diagramm durch
Linien voneinander getrennt und entsprechen den Intervallen
[IA,I₁], [I₁,I₂], [I₂,I₃], [I₃,I₄] und [I₄,IB] zwischen zwei
benachbarten Extremalwerten des zweiten Meßsignals M₂. Der
erste Eindeutigkeitsbereich [IA′I₁] und der letzte Eindeutig
keitsbereich [I₄,IB] sind dabei nur P₂/4 lang, während die
dazwischen liegenden, inneren Eindeutigkeitsbereiche [I₁, I₂],
[I₂,I₃] und [I₃,I₄] jeweils die Maximallänge P₂/2 aufweisen.
Aus dem Meßwert M₂(I), den das zweite Meßsignal M₂ liefert,
allein kann nun jedoch nicht ermittelt werden, in welchem der
Eindeutigkeitsbereiche die aktuelle Meßgröße I liegt. Diese
Mehrdeutigkeit des zweiten Meßsignals M₂ wird nun mit Hilfe
des ersten Meßsignals M₁ aufgelöst. Die einzelnen Äste des
zweiten Meßsignals M₂ in den Eindeutigkeitsbereichen werden
durch Transformationen (Operationen) wie Translationen und
gegebenenfalls Spiegelungen zu dem neuen Meßsignal M₃
zusammengesetzt. Diese Operationen sind im allgemeinen für
jeden Eindeutigkeitsbereich unterschiedlich. Mit Hilfe des
aktuellen Wertes M₁(I) des ersten Meßsignals M₁ wird nun
zunächst der Eindeutigkeitsbereich ermittelt, in welchem der
aktuelle Wert der Meßgröße I liegt, und dann mit Hilfe der
diesem Eindeutigkeitsbereich zugeordneten Operation der
Meßwert M₃(I) des dritten Meßsignals M₃ für den aktuellen
Wert der Meßgröße I ermittelt. Für das dargestellte Ausfüh
rungsbeispiel sind insbesondere folgende Operationen zum
Ableiten des dritten Meßsignals M₃ aus dem zweiten Meßsignal
M₂ mit Hilfe des ersten Meßsignals M₁ geeignet:
M₃(I): = M₂(I) für M₁(IA) M₁(I) < M₁(I₁) (13a)
M₃(I): = 2·A₂ - M₂(I) für M₁(I₁) M₁(I) < M₁(I₂) (13b)
M₃(I): = M₂(I) + 4·A₂ für M₁(I₂) M₁(I) < M₁(I₃) (13c)
M₃(I): = 6·A₂ - M₂(I) für M₁(I₃) M₁(I) < M₁(I₄) (13d)
M₃(I): = M₂(I) + 8·A₂ für M₁(I₄) M₁(I) (M₁(IB) (13e),
wobei A₂ die vorgegebene Maximalamplitude des zweiten
Meßsignals M₂ ist mit
A₂ = 0,5 (Max(M₂) - Min(M₂)) (14).
Wegen der Eindeutigkeit des ersten Meßsignals M₁ entsprechen
die den Operationen (13a) bis (13e) zugrundeliegenden Bedin
gungen an den Wert M₁(I) des ersten Meßsignals M₁ gerade den
Eindeutigkeitsbereichen [IA,I₁] bis [I₄,IB] des zweiten Meß
signals M₂.
Eine nicht dargestellte weitere Ausführungsform zum Ableiten
des dritten Meßsignals M₃ ist durch folgende Operationen
gegeben, bei denen das zweite Meßsignal M₂ im Gegensatz zum
dargestellten Ausführungsbeispiel in den Eindeutigkeits
bereichen nicht gespiegelt wird:
M₃(I): = M₂(I) für M₁(IA) M₁(I) < M₁(I₁) (15a)
M₃(I): = M₂(I) + 2·A₂ für M₁(I₁) M₁(I) < M₁(I₂) (15b)
M₃(I): = M₂(I) + 4·A₂ für M₁(I₂) M₁(I) < M₁(I₃) (15c)
M₃(I): = M₂(I) + 6·A₂ für M₁(I₃) M₁(I) < M₁(I₄) (15d)
M₃(I): = M₂(I) + 8·A₂ für M₁(I₄) M₁(I) < M₁(IB) (15e).
Bei dieser Ausführungsform gemäß den Operationen (15a) bis
(15e) sind die einzelnen Äste des resultierenden dritten
Meßsignals M₃ im Gegensatz zum gezeigten Ausführungsbeispiel
gemäß den Operationen (13a) bis (13e) nicht stetig anein
andergesetzt.
Die Operationen (13a) bis (13e) oder (15a) bis (15e) können
insbesondere mit Hilfe einer vorab experimentell oder durch
Berechnungen ermittelten Wertetabelle (Look-up table) durch
geführt werden. Die Wertetabelle ordnet dem Wertepaar der
gemessenen Werte M₁(I) und M₂(I) des ersten Meßsignals M₁
bzw. zweiten Meßsignals M₂ einen Wert M₃(I) des dritten
Meßsignals M₃ als eindeutiges Maß für die gemessene Meßgröße
I zu. Die Signalverarbeitungseinheit 12 enthält dann vorzugs
weise einen Speicher zum Speichern der vorab ermittelten
Werte der Wertetabelle, einen Analog/Digital-Wandler zum
Umwandeln der aktuellen Werte des ersten Meßsignals M₁ und
des zweiten Meßsignals M₂ in jeweils einen Digitalwert und
einen digitalen Signalprozessor oder Mikroprozessor zum
Vergleichen dieser gemessenen Digitalwerte mit den in der
Wertetabelle gespeicherten Werten und Zuordnen des ebenfalls
digitalen Wertes M₃(I).
Die genannten Operationen (13a) bis (13e) oder (15a) bis
(15e) können aber auch rechnerisch durchgeführt werden. Der
gemessene Wert M₁(I) des ersten Meßsignals M₁ wird dann mit
den vorab ermittelten Werten des ersten Meßsignals M₁ an den
Intervallgrenzen In der Eindeutigkeitsbereiche verglichen,
und in Abhängigkeit von diesem Vergleich wird das zweite
Meßsignal M₂ der zugehörigen arithmetischen Operation unter
zogen. Die Signalverarbeitungseinheit 12 enthält in dieser
Ausführungsform beispielsweise eine entsprechende Anzahl von
Komparatorschaltungen zum Vergleichen des aktuellen Wert
M₁(I) des ersten Meßsignals M₁ mit den vorab ermittelten
Werten des ersten Meßsignals M₁ an den Intervallgrenzen In
der Eindeutigkeitsbereiche und eine analoge Recheneinheit mit
analogen Komponenten wie Subtrahierern, Addierern und
Invertierern oder einen Analog/Digital-Wandler und eine
nachgeschaltete digitale Recheneinheit zum Durchführen der
arithmetischen Operationen. Alternativ dazu kann die Signal
verarbeitungseinheit 12 auch einen Analog/Digital-Wandler zum
Umwandeln der aktuellen Werte des ersten Meßsignals M₁ und
des zweiten Meßsignals M₂ in jeweils einen Digitalwert und
einen nachgeschalteten digitalen Signalprozessor oder Mikro
prozessor enthalten, der den digitalen Wert des ersten Meß
signals M₁ mit den gespeicherten Digitalwerten M₁(In) an den
Intervallgrenzen In vergleicht und dann die zugehörigen
digitalen Rechenoperationen durchführt.
Der aktuelle Wert der Meßgröße I kann nun eindeutig aus dem
erhaltenen dritten Meßsignal M₃ bestimmt werden durch An
wenden der Umkehrfunktion M₃-1 des dritten Meßsignals M₃ auf
den ermittelten Wert M₃(I) des dritten Meßsignals M₃, denn es
gilt M₃-1(M₃(I)) = I.
Bei dem dargestellten sinusförmigen zweiten Meßsignal M₂ mit
der Amplitude A₂ und der Periode P₂ ergibt sich beispiels
weise als Meßwert I für die Meßgröße:
I = IOS(M₁) + I(M₂) (16),
wobei sich der Meßwert I aus einem vom ersten Meßsignal M₁
abhängigen, für einen Eindeutigkeitsbereich jeweils konstan
ten Offset-Meßwert IOS(M₁) und einem vom zweiten Meßsignal M₂
kontinuierlich abhängigen Anteil I(M₂) zusammensetzt.
Der in den Eindeutigkeitsbereichen des zweiten Meßsignals M₂
jeweils konstante Offset-Meßwert IOS(M₁) des Meßwertes I ist
im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß den Operationen
(13a) bis (13e) sowie auch im Ausführungsbeispiel gemäß den
Operationen (15a) bis (15e) gleich
IOS(M₁) = IA für M₁(IA) M₁(I) < M₁(I₁) (17a)
IOS(M₁) = IA + 0,5 P₂ für M₁(I₁) M₁(I) < M₁(I₂) (17b)
IOS(M₁) = IA + P₂ für M₁(I₂) M₁(I) < M₁(I₃) (17c)
IOS(M₁) = IA + 1,5 P₂ für M₁(I₃) M₁(I) < M₁(I₄) (17d)
IOS(M₁) = IA + 2 P₂ für M₁(I₄) M₁(I) < M₁(IB) (17e).
Der in den Eindeutigkeitsbereichen des zweiten Meßsignals M₂
kontinuierlich veränderliche Anteil I (M₂) beträgt
I(M₂) = (P₂/2π) arcsin(M₂/A₂) (18a)
für M₁(IA) M₁(I) < M₁(I₁) oder
M₁(I₂) M₁(I) < M₁(I₃) oder
M₁(I₄) M₁(I) M₁(IB)
für M₁(IA) M₁(I) < M₁(I₁) oder
M₁(I₂) M₁(I) < M₁(I₃) oder
M₁(I₄) M₁(I) M₁(IB)
und
I(M₂) = (P₂/2π) arcsin(-M₂/A₂) (18b)
für M₁(I₁) M₁(I) < M₁(I₂) oder
M₁(I₃) M₁(I) < M₁(I₄).
für M₁(I₁) M₁(I) < M₁(I₂) oder
M₁(I₃) M₁(I) < M₁(I₄).
Der aktuelle Wert der Meßgröße I kann somit in einer vorteil
haften Ausführungsform auch direkt aus dem ersten Meßsignal
M₁ und dem zweiten Meßsignal M₂ von der Signalverarbeitungs
einheit 12 ermittelt werden, beispielsweise wieder mit Hilfe
einer Wertetabelle oder auch rechnerisch mit Hilfe eines
Prozessors. In diesem Fall ist das dritte Meßsignal M₃ gleich
der identischen Funktion über dem Meßbereich MR, also
M₃(I) = I. (19).
Da es sich bei den beschriebenen Verfahren nicht um inkremen
tale Verfahren handelt, ist die Funktionszuverlässigkeit
immer gegeben.
Für eine höhere Meßauflösung kann in einer besonderen Aus
führungsform auch in Bereichen um die Stellen In, an denen
die Meßauflösung MA(M₂) des zweiten Meßsignals M₂ gleich Null
ist, das erste Meßsignal M₁ als drittes Meßsignal M₃ verwen
det werden. Dazu kann ein zusätzlicher Vergleich der Meßauf
lösungen MA(M₁) des ersten Meßsignals M₁ und MA(M₂) des
zweiten Meßsignals M₂ durchgeführt werden und das erste
Meßsignal M₁ als drittes Meßsignal M₃ herangezogen werden,
solange MA(M₂) < MA(M₁) gilt. Vorzugsweise werden die
Bereiche, in denen diese Bedingung gilt, vorab ermittelt.
Wenn die Bedingung nicht mehr erfüllt ist, wird das dritte
Meßsignal M₃ wieder wie vorne beschrieben abgeleitet.
Das zweite Meßsignal M₂ kann auch eine andere periodische
Funktion der Meßgröße I sein, beispielsweise eine lineare
Kippfunktion (Sägezahn). Das erste Meßsignal M₁ kann auch
eine lineare Funktion der Meßgröße I sein oder im Ausfüh
rungsbeispiel der Fig. 2 durch eine lineare Funktion im
Mittelpunkt IM angenähert werden (lineare Interpolation).
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Meßanordnung
und des Meßverfahrens gemäß der Erfindung werden vorzugsweise
zum Messen eines elektrischen Stromes I als Meßgröße mit
Hilfe des Faraday-Effekts eingesetzt. Wie bereits beschrie
ben, werden bei einem polarimetrischen magnetooptischen
Stromwandler im allgemeinen sinusförmige bzw. cosinusförmige
Meßsignale gemäß einer der Gleichungen (2) oder (4) erzeugt,
die dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel entsprechen.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer solchen Anordnung
zum Messen eines elektrischen Stromes I in einem Stromleiter
2 dargestellt. Dem Stromleiter 2 sind zwei Faraday-Meßein
richtungen 5 und 6 zugeordnet. Jede Faraday-Meßeinrichtung 5
und 6 weist jeweils ein den magnetooptischen Faraday-Effekt
zeigendes Faraday-Element 3 und 4, eine Lichtquelle 9 bzw. 11
zum Senden eines linear polarisierten Lichtsignals L₁ bzw. L₂
in das Faraday-Element 3 bzw. 4 sowie eine Auswerteeinheit 7
bzw. 8 zum Auswerten einer Polarisationsdrehung (Faraday-
Rotation) des linear polarisierten Lichtsignals L₁ bzw. L₂
nach wenigstens einmaligem Durchlaufen des Faraday-Elements 3
bzw. 4 infolge des von einem elektrischen Strom I im Strom
leiter 2 erzeugten Magnetfelds auf. Die beiden Faraday-
Elemente 3 und 4 umgeben vorzugsweise den Stromleiter 2, so
daß durch die Faraday-Elemente 3 oder 4 laufendes Licht den
Stromleiter 2 entlang eines praktisch geschlossenen Licht
weges wenigstens einmal umläuft.
Das erste Faraday-Element 3 und/oder das zweite Faraday-
Element 4 können in einer Ausführungsform mit massiven, den
Faraday-Effekt zeigenden Körpern, vorzugsweise aus Glas,
gebildet sein. Es können ein oder auch mehrere Körper für
jedes Faraday-Element 3 oder 4 vorgesehen sein. Ein einziger
zusammenhängender Körper ist dann als im allgemeinen poly
gonaler Ringkörper ausgebildet. Solche massiven Körper,
insbesondere ein Ringkörper, sind mechanisch robust und
weisen praktisch keine zirkulare Doppelbrechung auf. In einer
anderen Ausführungsform sind das erste Faraday-Element 3
und/oder das zweite Faraday-Element 4 mit einer bzw. jeweils
einer Monomode-Lichtleitfaser gebildet, die vorzugsweise den
Stromleiter 2 in Form einer Meßwicklung mit wenigstens einer
Windung umgibt.
Die Polarisation des ersten Lichtsignals L₁ nach Durchlaufen
des ersten Faraday-Elements 3 wird von der ersten Auswerte
einheit 7 der ersten Meßeinrichtung 5 für ein erstes Meß
signal M₁ für den elektrischen Strom I ausgewertet, während
die Polarisation des zweiten Lichtsignals L₂ von der zweiten
Auswerteeinheit 8 der zweiten Meßeinrichtung 6 für ein
zweites Meßsignal M₂ für den elektrischen Strom I ausgewertet
wird. Dabei kann für jede der beiden Auswerteeinheiten 7 und
8 jeweils eine einkanalige oder eine zweikanalige Polarisa
tionsauswertung verwendet werden, so daß sich insbesondere
sinusförmige Meßsignale M₁ und M₂ gemäß den Beziehungen (2)
oder (4) ergeben. Auch können prinzipiell alle zur Unter
drückung oder Kompensation von linearer und/oder zirkularer
Doppelbrechung, beispielsweise infolge von Temperaturänderun
gen oder Vibrationen, in den Faraday-Elementen 3 und 4 und
den optischen Übertragungsstrecken bekannten zusätzlichen
Maßnahmen vorgesehen werden, um Verfälschungen der Meßsignale
zu korrigieren.
Die beiden Meßsignale M₁ und M₂ werden wie in der Ausfüh
rungsform gemäß Fig. 1 der Signalverarbeitungseinheit 12
zugeführt und weiterverarbeitet für ein dritte Meßsignal M₃
für den elektrischen Strom I im Stromleiter 2. Die Meß
empfindlichkeit des ersten Faraday-Elements 3 ist kleiner als
die Meßempfindlichkeit des zweiten Faraday-Elements 4 und so
groß gewählt, daß das erste Meßsignal M₁ in einem vorgegebe
nen Strommeßbereich MR ein eindeutiges Maß für den Strom I
ist. Die Meßempfindlichkeit des zweiten Faraday-Elements 4
ist dagegen so gewählt, daß die Periode P₂ des zweiten Meß
signals M₂ kleiner als die doppelte Länge des Strommeß
bereichs MR ist. Das zweite Meßsignal M₂ ist somit keine
eindeutige Funktion des Stromes I im Strommeßbereich MR. Zur
Einstellung unterschiedlicher Meßempfindlichkeiten der beiden
Faraday-Elemente 3 und 4 können beispielsweise Materialien
mit unterschiedlichen Verdet-Konstanten für die beiden
Faraday-Elemente 3 bzw. 4 verwendet werden oder auch Faraday-
Elemente 3 und 4 mit unterschiedlichen Lichtweglängen entlang
des vom Strom I erzeugten Magnetfeldes verwendet werden.
Vorzugsweise reicht der vorgegebene Strommeßbereich MR von
einem Überstrommeßbereich, der typischerweise im Bereich
zwischen 10 kA und wenigstens 100 kA liegt, bis zu einem
Nennstrommeßbereich, der üblicherweise etwa um einen Faktor
10 bis 30 unterhalb des Überstrom-Meßbereichs liegt. Der
Nennstrommeßbereich wird dabei vorzugsweise von einem eine
halbe Periode P₂ langen Eindeutigkeitsbereich des zweiten
Meßsignals M₂ überdeckt. Das mit dem Verfahren und der
Anordnung gemäß der Erfindung hergeleitete dritte Meßsignal
M₃ erlaubt eine Messung sowohl von Nennströmen für Meß- oder
Zähleranwendungen als auch von Überströmen für Schutzzwecke
mit der gleichen Meßauflösung.
Außer der anhand von Fig. 3 beschriebenen Ausführungsform mit
zwei getrennten Meßeinrichtungen 5 und 6 sind auch Ausfüh
rungsformen möglich, bei denen die beiden Faraday-Elemente 3
und 4 über optische Verbindungsmittel optisch in Reihe ge
schaltet werden und ein erstes linear polarisiertes Licht
signal L₁ nur das erste Faraday-Element 3 sowie ein zweites
linear polarisiertes Lichtsignal L₂ das erste Faraday-Element
3 und das zweite Faraday-Element 4 durchlaufen. Solche Aus
führungsformen sind in den älteren, nicht-vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldungen P 44 29 909.5 und P 44 31 615.1
offenbart, deren Inhalt in die vorliegende Anmeldung mit
einbezogen wird. Die Fig. 4 bis 6 zeigen Ausführungsbeispiele
mit derart in Reihe geschalteten Faraday-Elementen 3 und 4.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind das erste Faraday-
Element 3 und das zweite Faraday-Element 4 über einen Drei
tor-Koppler 18 als optische Verbindungsmittel optisch in
Reihe geschaltet. Sowohl für das erste Faraday-Element 3 als
auch für das zweite Faraday-Element 4 ist jeweils eine opti
sche Faser vorgesehen, die den Stromleiter 2 in Form einer
Meßwicklung umgibt. Vorzugsweise sind getemperte optische
Fasern (annealed fibres) vorgesehen, die sich durch niedrige
lineare Doppelbrechung und praktisch vernachlässigbare
zirkulare Doppelbrechung auszeichnen. Zur Anpassung der
Strommeßbereiche kann in dieser Ausführungsform neben der
Wahl unterschiedlicher Materialien für die beiden Faraday-
Elemente 3 und 4 auch die Zahl der Windungen der Meßwicklun
gen variiert werden. Die Meßwicklung des zweites Faraday-
Elements 4 weist dabei vorzugsweise mehr Windungen auf als
die Wicklung des ersten Faraday-Elements 3. Eine Sendeeinheit
10 erzeugt linear polarisiertes Meßlicht L, das vorzugsweise
über einen polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter 50 in
das erste Faraday-Element 3 eingekoppelt wird. Als Sendeein
heit 10 kann beispielsweise eine Laserdiode oder auch eine
Lichtquelle (z. B. LED) mit nachgeschaltetem Polarisator
vorgesehen sein. Als polarisationserhaltender Lichtwellen
leiter 50 kann eine niedrigdoppelbrechende Lichtfaser (LoBi-
Fibre) vorgesehen sein. Ein Spleiß 53 verbindet vorzugsweise
den Lichtwellenleiter 50 mit der Meßwicklung des ersten
Faraday-Elements 3. Der Dreitor-Koppler 18 ist derart aus
gebildet, daß ein erster Teil des von der Sendeeinheit 10 in
das erste Faraday-Element 3 eingekoppelten und durch das
erste Faraday-Element 3 gelaufenen Meßlichts L als erstes
Lichtsignal L₁ in die erste Auswerteeinheit 7 und ein zweiter
Teil des durch das erste Faraday-Element 3 gelaufenen
Meßlichts L als zweites Lichtsignal L₂ in das zweite Faraday-
Element 4 eingekoppelt werden. Als Dreitor-Koppler 18 können
ein strahlteilender, teildurchlässiger Spiegel, der unter
einem Winkel von im allgemeinen 45° zur Strahlrichtung des
auftreffenden Meßlichts L angeordnet ist, beispielsweise ein
strahlteilender Spleiß, oder auch ein Y-Koppler, insbesondere
ein Faserkoppler, vorgesehen sein. Ein erstes Tor 18A des
Dreitor-Kopplers 18 ist mit dem ersten Faraday-Element 3, ein
zweites Tor 18B mit der ersten Auswerteeinheit 7 und ein
drittes Tor 18C mit dem zweiten Faraday-Element 4 optisch
verbunden. Zum Übertragen des ersten Lichtsignals L₁ vom
Dreitor-Koppler 18 zur ersten Auswerteeinheit 7 ist vorzugs
weise ein polarisationserhaltender Lichtwellenleiter 70 vor
gesehen. Das zweite Lichtsignal L₂ durchläuft das zweite
Faraday-Element 4 nur einmal und wird dann unmittelbar in die
zweite Auswerteeinheit 8 eingekoppelt, vorzugsweise ebenfalls
über einen polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter 60, der
über einen Spleiß 64 mit der Meßwicklung des zweiten Faraday-
Elements 4 verbunden sein und/oder als LoBi-Fibre ausgebildet
sein kann. Das zweite Faraday-Element 4 wird somit bezüglich
des zweiten Teils L₂ des Meßlichts L im Transmissionsmodus
betrieben.
Die erste Auswerteeinheit 7 wertet die Faraday-Drehung der
Polarisationsebene des ersten Lichtsignals L₁ für ein erstes
Meßsignal M₁ aus, das an einem Ausgang der ersten Auswerte
einheit 7 abgegriffen werden kann. Damit wird das erste
Faraday-Element 3 im Transmissionsmodus betrieben. Die zweite
Auswerteeinheit 8 wertet die Faraday-Drehung der Polarisa
tionsebene des zweiten Lichtsignals L₂ für ein zweites Meß
signal M₂ aus, das an einem Ausgang der zweiten Auswerteein
heit 8 abgegriffen werden kann. Die gesamte Faraday-Drehung
der Polarisationsebene des zweiten Lichtsignals L₂ setzt sich
dabei aus einem ersten, in dem ersten Faraday-Element 3 er
folgten ersten Faraday-Drehwinkelanteil und einem in dem
zweiten Faraday-Element 4 bewirkten, zweiten Faraday-Dreh
winkelanteil zusammen. Wenn die Faraday-Drehung in beiden
Faraday-Elementen 3 und 4 in der gleichen Richtung erfolgte,
entsprechend einem gleichen Umlaufsinn des transmittierten
Lichts in erstem Faraday-Element 3 und zweitem Faraday-
Element 4 relativ zur Stromrichtung im Stromleiter 2, dann
ist der gesamte Drehwinkel gleich der Summe der beiden
einzelnen Drehwinkel. Bei entgegengesetzter Drehrichtung
entspricht der resultierende Drehwinkel dagegen der Differenz
der beiden einzelnen Drehwinkel.
Die in Fig. 4 gezeigten vorteilhaften Ausführungsformen der
beiden Auswerteeinheiten 7 und 8 führen jeweils eine zwei
kanalige Polarisationsanalyse des zugehörigen Lichtsignals L₁
bzw. L₂ durch. In der ersten Auswerteeinheit 7 sind mit dem
Tor 18B des Dreitor-Kopplers 18 über den polarisationserhal
tenden Lichtleiter 70 optisch gekoppelte Mittel 72 zum Auf
teilen des erstes Lichtsignal L₁ in zwei linear polarisierte
Lichtteilsignale L₁₁ und L₁₂ mit unterschiedlichen Polarisa
tionsebenen vorgesehen, beispielsweise ein polarisierender
Strahlteiler, vorzugsweise ein Wollaston-Prisma, oder auch
ein Strahlteiler und zwei optisch nachgeschaltete, um einen
vorgegebenen Winkel gekreuzte Analysatoren. Als polarisa
tionserhaltender Lichtwellenleiter 70 kann insbesondere eine
optische Faser mit hoher linearer Doppelbrechung (HiBi-Faser)
vorgesehen werden, deren Eigenachsen der linearen Doppelbre
chung auf die Eigenachsen des Wollaston-Prismas 72 justiert
sind. Ferner enthält die Auswerteeinheit 7 photoelektrische
Wandler 74 und 75 zum Umwandeln der Lichtteilsignale L₁₁ und
L₁₂ in jeweils ein elektrisches Signal R₁₁ bzw. R₁₂ als Maß
für die Intensität des jeweiligen Lichtteilsignals L₁₁ bzw.
L₁₂ sowie elektronische Mittel 76 zum Ableiten des ersten
Meßsignals M₁ aus diesen beiden elektrischen Signalen R₁₁ und
R₁₂. Vorzugsweise ermitteln die elektronischen Mittel 76 als
erstes Meßsignal M₁ ein Quotientensignal
M₁ = (R₁₁-R₁₂)/(R₁₁+R₁₂) (20)
aus der Differenz R₁₁-R₁₂ und der Summe R₁₁+R₁₂ der beiden
elektrischen Signale R₁₁ und R₁₂. Dieses Quotientensignal ist
von Intensitätsschwankungen der Sendeeinheit 10 oder in den
Übertragungsstrecken für das Meßlicht L und das erste Licht
signal L₁ weitgehend befreit und es gilt im allgemeinen:
M₁ = sin(2·NS·VS·α + ζ) (21)
mit dem Faraday-Drehwinkel α des ersten Lichtsignals L₁, der
Anzahl NS der Windungen des ersten Faraday-Elements 3 und der
Verdet-Konstanten VS des Materials des ersten Faraday-Ele
ments 3 sowie dem konstanten Off-set-Winkel ζ. Typischerweise
ist NS zwischen 1 und 3. Die Lichtteilsignale L₁₁ und L₁₂
können in einer Freistrahlanordnung oder auch über Licht
leitfasern zu den Wandlern 74 und 75 übertragen werden. Die
Ausgänge der photoelektrischen Wandler 74 und 75 sind jeweils
mit einem Eingang der elektronischen Mittel 76 elektrisch
verbunden.
Die zweite Auswerteeinheit 8 ist analog zur ersten Auswerte
einheit 7 aufgebaut. Es sind mit dem zweiten Faraday-Element
4 über einen polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter 60
optisch verbundene Mittel 82 zum Aufteilen des linear polari
sierten, durch das zweite Faraday-Element 4 transmittierten
Lichtanteils L2 in zwei linear polarisierte Lichtteilsignale
L₂₁ und L₂₂ mit unterschiedlichen Polarisationsebenen vorge
sehen, vorzugsweise ein Wollaston-Prisma. Der Lichtwellen
leiter 60 ist mit der Faser des zweiten Faraday-Elements 4
über einen Spleiß 64 verbunden. Als polarisationserhaltender
Lichtwellenleiter 60 kann insbesondere eine optische Faser
mit hoher linearer Doppelbrechung (HiBi-Faser) vorgesehen
werden, deren Eigenachsen der linearen Doppelbrechung auf die
Eigenachsen des Wollaston-Prismas 82 justiert sind. Ferner
enthält die zweite Auswerteeinheit photoelektrische Wandler
84 und 85 zum Umwandeln dieser Lichtteilsignale L₂₁ und L₂₂
in jeweils ein elektrisches Signal T₂₁ bzw. T₂₂ als Maß für
die Intensität des jeweiligen Lichtteilsignals L₂₁ bzw. L₂₂
und elektronische Mittel 86 zum Ableiten des zweiten Meß
signals M₂ aus den beiden elektrischen Signale T₂₁ und T₂₂.
Vorzugsweise wird von den elektronischen Mitteln 86 als
zweites Meßsignal M₂ ein intensitätsnormiertes Quotienten
signal
M₂ = (T₂₁-T₂₂)/(T₂₁+T₂₂) (22)
aus der Differenz T₂₁-T₂₂ und der Summe T₂₁+T₂₂ der beiden
elektrischen Signale T₂₁ und T₂₂ hergeleitet. Dieses zweite
Meßsignal M₂ hängt vom Faraday-Gesamtdrehwinkel β des zweiten
Lichtsignals L₂ in folgender Weise ab:
M₂ = sin(2 · (NS · VS+NM · VM)·β + τ) (23)
mit der Windungszahl NM und der Verdet-Konstanten VM des
zweiten Faraday-Elements 4 und einem konstanten Off-set-
Winkel τ. Die Windungszahl NM des zweiten Faraday-Elements 4
wird im allgemeinen zwischen 10 und 50 gewählt.
Die elektronischen Mittel 76 und/oder 86 enthalten in einer
bevorzugten Ausführungsform einen Analog-/Digital-Wandler zum
Digitalisieren der beiden Signale R₁₁ und R₁₂ der Wandler 74
und 75 bzw. T₂₁ und T₂₂ der Wandler 84 und 85 und eine nach
geschaltete digitale Recheneinheit zum Berechnen des ersten
Meßsignals M₁ bzw. des zweiten Meßsignals M₂.
In einer anderen, in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform
enthalten die elektronischen Mittel 86 analoge Rechenkompo
nenten. Dadurch kann eine schnellere Signalverarbeitung er
reicht werden. Es sind ein Subtrahierer 31 und ein Addierer
32 vorgesehen, an deren Eingängen jeweils die beiden elek
trischen Signale T₂₁ und T₂₂ der nicht dargestellten Wandler
84 und 85 anliegen. Die Ausgänge des Subtrahierers 31 und des
Addierers 32 sind jeweils mit einem Eingang eines Dividierers
33 verbunden. Der Dividierer 33 bildet aus dem Differenz
signal T₂₁-T₂₂ am Ausgang des Subtrahierers 31 und dem Sum
mensignal T₂₁+T₂₂ am Ausgang des Addierers 32 das Quotien
tensignale (T₂₁-T₂₂)/(T₂₁+T₂₂) als zweites Meßsignal M₂. Eine
entsprechende Schaltung kann auch für die elektronischen
Mittel 76 der ersten Auswerteeinheit 7 vorgesehen sein.
Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Meßanord
nung. Das erste Faraday-Element 3 und das zweite Faraday-
Element 4 sind über einen optischen Viertor-Koppler 19 mit
vier Toren 19A bis 19D als optische Verbindungsmittel optisch
in Reihe geschaltet. Die zweite Auswerteeinheit 8 ist mit dem
Tor 19D des Viertor-Kopplers 19 optisch verbunden. Dem zwei
ten Faraday-Element 4 sind lichtreflektierende Mittel 40,
beispielsweise ein Spiegel, zugeordnet, die das zweite
Lichtsignal L₂ nach erstmaligem Durchlaufen des zweiten
Faraday-Elements 4 in das zweite Faraday-Element 4 zurück
reflektieren. Das zurückreflektierte zweite Lichtsignal L2′
durchläuft das zweite Faraday-Element 4 in umgekehrter
Richtung ein zweites Mal und wird über den Viertor-Koppler 19
dann der zweiten Auswerteeinheit 8 zugeführt. Das mit dem
zweiten Faraday-Element 4 verbundene Tor 19B und das mit der
zweiten Auswerteeinheit 8 verbundene Tor 19D des Viertor-
Kopplers 19 sind dazu optisch miteinander gekoppelt. Eben
falls optisch miteinander gekoppelt sind das mit dem ersten
Faraday-Element 3 verbundene Tor 19A und das mit der ersten
Auswerteeinheit 7 verbundene Tor 19C des Viertor-Kopplers 19.
Als Viertor-Koppler 19 kann beispielsweise ein Strahlteiler
mit einem schräg zur Lichtausbreitungsrichtung angeordneten
teildurchlässigen Spiegel oder ein faseroptischer Koppler
vorgesehen sein. Das zweite Faraday-Element 4 wird in dieser
Ausführungsform gemäß Fig. 6 im Reflexionsmodus betrieben. Das
von der zweiten Auswerteeinheit 8 ausgewertete zweites
Lichtsignal L2′ weist eine Faraday-Rotation seiner Polarisa
tionsebene auf, die sich aus der Faraday-Drehung bei einem
Durchlauf des ersten Faraday-Elements 3 und der doppelten
Faraday-Drehung bei einem Durchlauf des zweiten Faraday-
Element 4 zusammensetzt.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 7 wird das erste Faraday-
Element 3 in einer Reflexionsanordnung betrieben. Ein
optischer Koppler 13 verbindet das erste Faraday-Element 3
sowohl mit der Sendeeinheit 10 zum Senden von linear pola
risiertem Meßlicht L als auch mit der ersten Auswerteeinheit
7. Dieser Koppler 13 kann ein Y-Faserkoppler oder auch ein
mit einem teildurchlässigen Spiegel gebildeter Strahlteiler
sein. Die optischen Verbindungsmittel 15 zum optischen
Koppeln der beiden Faraday-Elemente 3 und 4 sind nun derart
ausgebildet, daß ein Teil des durch das erste Faraday-Element
3 gelaufenen Meßlichts L als erstes Lichtsignal L₁ in das
erste Faraday-Element 3 zurückreflektiert wird und ein
anderer Teil als zweites Lichtsignal L₂ durchgelassen und in
das zweite Faraday-Element 4 eingekoppelt wird. Dazu enthal
ten die optischen Verbindungsmittel 15 vorzugsweise einen
teildurchlässigen Spiegel 35, der im wesentlichen senkrecht
zur Strahlrichtung des auftreffenden Meßlichts L angeordnet
ist. Es können allerdings auch ein Strahlteiler mit einem
unter einem Winkel, beispielsweise 45°, zur Strahlrichtung
des einfallenden Meßlichts L gerichteten teildurchlässigen
Spiegel und ein im Strahlengang des an diesem teildurchlässi
gen Spiegel reflektierten Meßlichtanteils angeordneter
weiterer Spiegel zum Zurückreflektieren dieses Meßlichtan
teils zum teildurchlässigen Spiegel vorgesehen sein. Das von
den optischen Verbindungsmitteln 15 zurückreflektierte erste
Lichtsignal L₁ durchläuft das erste Faraday-Element 3 in
umgekehrter Richtung ein zweites Mal und wird über den
optischen Koppler 13 der ersten Auswerteeinheit 7 zugeführt.
Das erste Lichtsignal L₁ erfährt wegen der Nicht-Reziprokität
des Faraday-Effekts eine Faraday-Drehung, die doppelt so groß
ist wie bei nur einmaligem Durchlaufen des Faraday-Elements
3. Effekte einer möglichen zirkularen Doppelbrechung im
ersten Faraday-Elements 3 heben sich dagegen wegen ihrer
reziproken Eigenschaft gerade heraus. Die Auswerteeinheit 7
leitet aus dem ersten Lichtsignal L₁ das erstes Meßsignal M₁
ab. Das von den optischen Verbindungsmitteln 15 durchgelas
sene zweite Lichtsignal L₂ durchläuft dagegen nach dem ersten
Faraday-Element 3 auch das zweite Faraday-Element 4 und wird
nach dem Durchlaufen des zweiten Faraday-Element 4 der
zweiten Auswerteeinheit 8 zugeführt. Das an der Auswerteein
heit 8 ankommende zweite Lichtsignal L₂ weist eine Polarisa
tionsebene auf, die sowohl in dem ersten Faraday-Element 3 um
einen ersten Faraday-Drehwinkel als auch in dem zweiten
Faraday-Element 4 um einen zweiten Faraday-Drehwinkel gedreht
wurde. In der Auswerteeinheit 8 wird der resultierende Ge
samtdrehwinkel des zweiten Lichtsignals L₂ für ein zweites
Meßsignal M₂ ausgewertet.
Sowohl für das erste Faraday-Element 3 als auch für das
zweite Faraday-Element 4 sind in der dargestellten Ausfüh
rungsform jeweils eine den Stromleiter 2 umgebende Faserspule
aus einer optischen Monomode-Faser vorgesehen. Die optischen
Verbindungsmittel 15 sind dann mit einer halbdurchlässigen
durch Sputtern oder chemische Ablagerung auf das Faserende
vorzugsweise des ersten Faraday-Elements 3 aufgebrachten
Beschichtung als Spiegel 35 und mechanischen Verbindungs
mitteln zum Verbinden des mit dem Spiegel versehenen Faser
endes mit dem benachbarten Faserende des anderen Faraday-
Elements ausgebildet. Die mechanischen Verbindungsmittel
können eine lösbare Steckverbindung oder auch ein unlösbarer
Spleiß, beispielsweise ein Kapillarröhrchen der Firma Nippon
Electric Glass, sein.
Die zweite Auswerteeinheit 8 ist analog aufgebaut wie in Fig.
4. Die erste Auswerteeinheit 7 enthält dagegen in der dar
gestellten Ausführungsform polarisierende Mittel 10B, die
optisch zwischen das erste Faraday-Element 3 und den Koppler
13 geschaltet sind, und einen Photodetektor 79, der optisch
min dem Koppler 13 gekoppelt ist. Es ist eine Lichtquelle 10A
zum Senden von Licht L vorgesehen, die optisch mit dem Kopp
ler 13 gekoppelt ist. Der Koppler 13 kann über eine optische
Faser 50′ mit den polarisierenden Mitteln 10B verbunden sein.
Diese Faser 50′ kann in dieser Ausführungsform eine einfache
Telekommunikationsfaser sein ohne polarisationserhaltende
Eigenschaften, da die polarisierenden Mittel 10B das Licht L
erst unmittelbar vor seinem Eintritt in die Serienschaltung
der beiden Faraday-Elemente 3 und 4 am Eingang des ersten
Faraday-Elements 3 linear polarisieren. Daher kann als Licht
quelle 10A auch eine nicht polarisierende, einfache Licht
quelle vorgesehen sein. Die polarisierenden Mittel 10B und
die Lichtquelle 10A bilden gemeinsam die Sendeeinheit 10 zum
Einkoppeln linear polarisierten Meßlichts L in das erste
Faraday-Element 3. Für das von den teilreflektierenden Ver
bindungsmitteln 15 reflektierten, in seiner Polarisations
ebene gedrehte erste Lichtsignal L₁ sind die polarisierenden
Mittel 10B zugleich als Analysator vorgesehen. Der Analysator
läßt nur den auf seine eingestellte Polarisationsachse proji
zierten Anteil L1′ des ersten Lichtsignals L₁ durch. Die
durch den Analysator hindurchgetretene Lichtkomponente L1′
des ersten Lichtsignals L₁ wird über den Koppler 13 dem
Photodetektor 79 zugeführt und dort in ein elektrisches
Signal als erstes Meßsignal M₁ umgewandelt. Dieses erste
Meßsignal M₁ ist proportional zur Lichtintensität der
Lichtkomponente L1′. Es gilt deshalb
M₁ = K cos² (0,5·NS·VS·α) (24)
mit dem Faraday-Drehwinkel α des ersten Lichtsignals L₁ und
einem Proportionalitätsfaktor K.
Zusätzlich kann wegen der für Nennströme geforderten hohen
Meßauflösung ein Temperatur- und/oder Vibrationskompensa
tionsverfahren durchgeführt werden.
Für die Auswertung der Faraday-Drehwinkel in der ersten Aus
werteeinheit 7 sowie in der zweiten Auswerteeinheit 8 können
prinzipiell alle analogen und digitalen Auswerteverfahren zum
Erfassen des Polarisationszustandes von linear polarisiertem
Licht verwendet werden. Insbesondere können die Ausführungs
formen der Auswerteeinheiten 7 und 8 gemäß den Fig. 4, 5 und 7
beliebig miteinander kombiniert werden. Vorzugsweise werden
beide Lichtsignale L₁ und L₂ mit einer zweikanaligen Polari
sationsanalyse ausgewertet. Es können aber auch jeweils eine
einkanalige Auswertung für jedes Lichtsignal L₁ und L₂ vorge
sehen sein. Die erhaltenen Meßsignale M₁ und M₂ sind dann von
der sinusförmigen Gestalt wie in der Beziehung (23) oder (24)
und erfüllen somit bei entsprechend gewählten Meßempfindlich
keiten NS·VS des ersten Faraday-Elements 3 und NM·VM des zwei
ten Faraday-Elements 4 die Voraussetzungen für das Ableiten
des dritten Meßsignals M₃ gemäß einer der vorbeschriebenen
Ausführungsformen.
Die optische Kopplung der verschiedenen optischen Komponenten
der Meßanordnung wird vorzugsweise durch Kollimatorlinsen
(Grin lenses) zum Bündeln des Lichts unterstützt.
In einer besonderen, nicht dargestellten Ausführungsform kön
nen auch mehrere linear polarisierte Meßlichtsignale ver
schiedener und in der Regel nahe beieinanderliegender Wellen
längen in Verbindung mit wellenlängenempfindlichen optischen
Verbindungsmitteln 15, 18 oder 19 verwendet werden. Damit
kann ein Übersprechen zwischen Schutz- und Meßkanal vermieden
werden.
Claims (14)
1. Verfahren zum Messen einer Meßgröße (I) aus einem vorge
gebenen Meßbereich (MR), bei dem
- a) ein erstes Meßsignal (M₁) für die Meßgröße (I) abgeleitet wird, das eine über dem vorgegebenen Meßbereich (MR) eindeutige Funktion der Meßgröße (I) ist,
- b) ein zweites Meßsignal (M₂) für die Meßgröße (I) abge leitet wird, das zumindest über dem vorgegebenen Meß bereich (MR) eine periodische Funktion der Meßgröße (I) ist mit einer Periode (P₂), die kleiner ist als die doppelte Intervallänge (|MR|) des Meßbereichs (MR), und
- c) aus dem ersten Meßsignal (M₁) und dem zweiten Meßsignal (M₂) ein drittes Meßsignal (M₃) für die Meßgröße (I) abgeleitet wird, das im vorgegebenen Meßbereich (MR) eine eindeutige Funktion der Meßgröße (I) ist und wenigstens die gleiche Meßauflösung wie das zweite Meßsignal (M₂) aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem auch das erste Meß
signal (M₁) wenigstens über dem vorgegebenen Meßbereich (MR)
eine periodische Funktion der Meßgröße (I) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem mit
Hilfe des ersten Meßsignals (M₁) der Meßbereich (MR) in Ein
deutigkeitsbereiche unterteilt wird, über denen das zweite
Meßsignal (M₂) eine eindeutige Funktion der Meßgröße (I) ist
und aus den Zweigen des zweiten Meßsignals (M₂) über diesen
Eindeutigkeitsbereichen das dritte Meßsignal (M₃) zusammen
gesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
das dritte Meßsignal (M₃) aus dem ersten Meßsignal (M₁) und
dem zweiten Meßsignal (M₂) mit Hilfe einer vorab ermittelten
Wertetabelle abgeleitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das
dritte Meßsignal (M₃) aus dem ersten Meßsignal (M₁) und dem
zweiten Meßsignal (M₂) berechnet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum
Messen eines elektrischen Stromes (I) aus einem vorgegebenen
Strommeßbereich (MR) in einem Stromleiter (2) mit wenigstens
zwei den Stromleiter (2) umgebenden Faraday-Elementen (3, 4),
bei dem
- a) ein erstes linear polarisiertes Lichtsignal (L₁) ein erstes der beiden Faraday-Elemente (3) wenigstens einmal durchläuft und aus einer Drehung der Polarisationsebene dieses ersten Lichtsignals (L₁) das erste Meßsignal (M₁) für den Strom (I) abgeleitet wird,
- b) ein zweites linear polarisiertes Lichtsignal (L₂) wenigstens ein zweites der beiden Faraday-Elemente (4) wenigstens einmal durchläuft und aus einer Drehung der Polarisationsebene dieses zweiten Lichtsignals (L₂) das zweite Meßsignal (M₂) für den Strom (I) abgeleitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das zweite linear
polarisierte Lichtsignal (L₂) sowohl das erste Faraday-
Element (3) als auch das zweite Faraday-Element (4) jeweils
wenigstens einmal durchläuft.
8. Anordnung zum Messen einer Meßgröße (I) aus einem vor
gegebenen Meßbereich (MR) mit
- a) einer ersten Meßeinrichtung (5) zum Erzeugen eines ersten Meßsignals (M₁), das eine über dem vorgegebenen Meß bereich (MR) eindeutige Funktion der Meßgröße (I) ist,
- b) einer zweiten Meßeinrichtung (6) zum Erzeugen eines zweiten Meßsignals (M₂), das eine periodische Funktion der Meßgröße (I) ist mit einer Periode (P₂), die kleiner ist als die doppelte Intervallänge (|MR|) des Meßbereichs (MR), und
- c) einer mit den beiden Meßeinrichtungen (5, 6) verbundenen Signalverarbeitungseinheit (12), die aus dem ersten Meß signal (M₁) und dem zweiten Meßsignal (M₂) ein drittes Meßsignal (M₃) ableitet, das im vorgegebenen Meßbereich (MR) eine eindeutige Funktion der Meßgröße (I) ist und wenigstens die gleiche Meßauflösung wie das zweite Meß signal (M₂) aufweist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, bei der das von der zweiten
Meßeinrichtung (6) erzeugte zweite Meßsignal (M₂) eine
periodische Funktion der Meßgröße (I) ist.
10 Anordnung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, bei der die
Signalverarbeitungseinheit (12) mit Hilfe des ersten Meß
signals (M₁) den Meßbereich (MR) in Eindeutigkeitsbereiche
unterteilt, über denen das zweite Meßsignal (M₂) eine ein
deutige Funktion der Meßgröße (I) ist und aus den Zweigen des
zweiten Meßsignals (M₂) über diesen Eindeutigkeitsbereichen
das dritte Meßsignal (M₃) zusammensetzt.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die
Signalverarbeitungseinheit (12) zum Ableiten des dritten
Meßsignals (M₃) aus dem ersten Meßsignal (M₁) und dem zweiten
Meßsignal (M₂) eine vorab ermittelte Wertetabelle enthält.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die
Signalverarbeitungseinheit (12) arithmetische Mittel zum
Berechnen des dritten Meßsignals (M₃) aus dem ersten Meß
signal (M₁) und dem zweiten Meßsignal (M₂) enthält.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12 zum Messen
eines elektrischen Stromes (I) aus einem vorgegebenen Strom
meßbereich (MR) in einem Stromleiter (2), bei der
- a) die erste Meßeinrichtung (5) ein erstes, den Stromleiter (2) umgebendes Faraday-Element (3) und eine erste Aus werteeinheit (7) enthält, die aus einer Drehung der Polarisationsebene eines ersten linear polarisierten Lichtsignals (L₁) nach dessen wenigstens einmaligem Durchlaufen des ersten Faraday-Elements (3) das erste Meßsignal (M₁) für den Strom (I) ableitet,
- b) die zweite Meßeinrichtung (6) wenigstens ein zweites, den Stromleiter (2) umgebendes Faraday-Element (4) und eine zweite Auswerteeinheit (8) enthält, die aus einer Drehung der Polarisationsebene eines zweiten linear polarisierten Lichtsignals (L₂) nach dessen wenigstens einmaligem Durchlaufen wenigstens des zweiten Faraday-Elements (4) das zweite Meßsignal (M₂) für den Strom (I) ableitet.
14. Anordnung nach Anspruch 13, bei der
- a) das erste Faraday-Element (3) gemeinsamer Bestandteil sowohl der ersten Meßeinrichtung (5) als auch der zweiten Meßeinrichtung (6) ist,
- b) die beiden Faraday-Elemente (3, 4) über optische Verbin dungsmittel (14, 15, 16) optisch in Reihe geschaltet sind und
- c) das zweite Lichtsignal (L₂) das erste Faraday-Element (3) und das zweite Faraday-Element (4) jeweils wenigstens einmal durchläuft.
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