DE19608944A1 - Magneto=optic sensor current determination method giving optical signal esp. for HV applications - Google Patents
Magneto=optic sensor current determination method giving optical signal esp. for HV applicationsInfo
- Publication number
- DE19608944A1 DE19608944A1 DE1996108944 DE19608944A DE19608944A1 DE 19608944 A1 DE19608944 A1 DE 19608944A1 DE 1996108944 DE1996108944 DE 1996108944 DE 19608944 A DE19608944 A DE 19608944A DE 19608944 A1 DE19608944 A1 DE 19608944A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- signal
- frequency component
- analog
- address
- voltage signal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
- G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
- G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
- G01R15/245—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect
- G01R15/246—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect based on the Faraday, i.e. linear magneto-optic, effect
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auswertung von Meßsignalen magnetooptischer Sensoren für Wechselstrom nach den Oberbegriffen von Anspruch 1 und Anspruch 7.The invention relates to a method and a device for evaluating measurement signals Magneto-optical sensors for alternating current according to the preambles of claim 1 and Claim 7.
Zum Nachweis und zur Kontrolle von elektrischen Strömen finden Sensoren aus magnetooptischen Materialien Verwendung. Die wesentliche Eigenschaft dieser Sensoren ist die Wirkung des Faraday- Effektes. Unter der Wirkung eines Magnetfeldes dreht sich die Polarisationsebene von Licht, welches in einem solchen Sensormaterial geführt wird. Die Polarisationsdrehung ist proportional zum Magnetfeld und damit zum Strom in einem Leiter, der dieses Magnetfeld verursacht.Magneto-optical sensors are used to detect and control electrical currents Materials use. The essential property of these sensors is the effect of the Faraday Effect. Under the action of a magnetic field, the plane of polarization of light rotates, which is carried in such a sensor material. The polarization rotation is proportional to the magnetic field and thus to the current in a conductor that causes this magnetic field.
Magnetooptischen Stromsensoren gemeinsam ist eine optische Anordnung für die Untersuchung der Polarisation des aus dem Sensorelement austretenden Lichtstrahls. Dazu wird der Lichtstrahl in einem optischen Element in zwei Teilstrahlen gleicher Strahlungsleistung aufgeteilt, die durch separate Polarisatoren analysiert werden. Die Intensitätssignale werden in Lichtleitfasern weitergeführt und optoelektronisch in adäquate Spannungssignale umgewandelt.Magneto-optical current sensors together is an optical arrangement for the investigation of the Polarization of the light beam emerging from the sensor element. To do this, the light beam is in an optical element divided into two partial beams of the same radiation power, which by separate polarizers are analyzed. The intensity signals are in optical fibers continued and optoelectronically converted into adequate voltage signals.
Man umgeht zwar das Problem, daß gewöhnliche Lichtleitfasern Polarisationszustände nicht verzerrungsfrei übertragen können. Der Nachteil liegt jedoch darin, daß die Intensitäten des Lichts in den beiden Teilstrahlen sehr empfindlich abhängig von den lokalen Bedingungen in den beiden Lichtleitern sind. Besonders problematisch ist z. B. die Bereinigung von Dämpfungseffekten der einzelnen Fasern auf die Lichtleistung. Die Abhängigkeit der Signale von der Übertragungsstrecke ist insgesamt problematisch. Die Meßwerte werden verfälscht und die Korrektur der Meßwerte ist kompliziert und zeitaufwendig. Die Kompensation der Effekte während der Messung ist schwierig und bringt große Nachteile bei der Dynamik der Messung. Besonders bei Schutzanordnungen in Hochspannungsschaltungen führt dies zur Gefahr des Versagens der Schutzmaßnahmen.The problem is avoided that ordinary optical fibers do not have polarization states can transmit without distortion. The disadvantage, however, is that the intensities of the light in the two partial beams very sensitive depending on the local conditions in the two Are light guides. Z is particularly problematic. B. the adjustment of damping effects individual fibers on the light output. The dependence of the signals on the transmission path is problematic overall. The measured values are falsified and the correction of the measured values is complicated and time consuming. It is difficult to compensate for the effects during the measurement and has major disadvantages in the dynamics of the measurement. Especially with protective arrangements in High-voltage circuits lead to the risk of failure of the protective measures.
Für den technischen Einsatz ist elektromagnetische Störfreiheit gefordert. Zur Kompensation derartiger Störeffekte und um eine Unabhängigkeit der Auswertung von der Übertragungsstrecke zu gewinnen, werden die Signalkomponenten meist mittels Hoch- und Tiefpaßfiltern und anschließender Quotientenbildung der Signale ausgewertet. Grundsätzlich führen solche Filter jedoch zu unerwünschten Phasenverschiebungen der Signalkomponenten.No electromagnetic interference is required for technical use. For compensation such interference effects and to make the evaluation independent of the transmission link gain, the signal components are mostly by means of high and low pass filters and subsequent quotient formation of the signals evaluated. Basically such filters lead however, to undesirable phase shifts in the signal components.
Eine derartige Anordnung ist z. B. aus US-A 4 973 899 bekannt. Die nachzuweisenden Polarisationssignale werden in Spannungssignale umgesetzt, die mit Hoch- und Tiefpaßfiltern und Analogdividierern analysiert werden. Der Quotient der beiden Komponenten kompensiert zwar die Unterschiede der Übertragungsstrecke, allerdings bewirken Hoch- und Tiefpaßfilter eine deutliche Phasenverschiebung der Signale. Die Quotientenbildung reduziert den Dynamikbereich des Sensors stark. Die der zu bestimmenden Stromstärke proportionale Drehung der Polarisation des Lichtes ist auf wenige Grad beschränkt.Such an arrangement is e.g. B. is known from US-A 4 973 899. The ones to be proven Polarization signals are converted into voltage signals using high and low pass filters and Analog dividers are analyzed. The quotient of the two components compensates for the Differences in the transmission path, however, high and low pass filters have a clear effect Phase shift of the signals. The formation of the quotient reduces the dynamic range of the sensor strong. The rotation of the polarization of light proportional to the current to be determined limited to a few degrees.
Eine Einsatzmöglichkeit von magnetooptischen Stromsensoren sind Hochspannungsschaltanlagen. Für die Überwachung von Hochspannungsschaltanlagen gilt jedoch die Anforderung, daß ein Dynamikbereich einschließlich eines Überstromfaktors, gegeben durch den Quotienten aus maximaler zu minimal bestimmbarer Stromstärke von mindestens Jmax/Jmin=40 erreicht sein muß. Soll diese Anforderung erfüllt sein, ist die Verarbeitung der Signale aufwendig und komplex. Besonders die Bestimmung kleiner Polarisationsdrehwinkel mit hinreichender Genauigkeit kann nur mit sehr großem Aufwand erreicht werden.High-voltage switchgear is one possible application of magneto-optical current sensors. For the monitoring of high-voltage switchgear, however, the requirement applies that a dynamic range including an overcurrent factor, given by the quotient of the maximum to minimum current intensity of at least J max / J min = 40, must be reached. If this requirement is to be met, the processing of the signals is complex and complex. In particular, the determination of small polarization rotation angles with sufficient accuracy can only be achieved with great effort.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die Auswertung der Signale von magnetooptischen Sensoren vereinfacht, sowie eine Anordnung dazu.The invention has for its object to provide a method that the evaluation of Signals from magneto-optical sensors simplified, as well as an arrangement for this.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 und 7 gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.The object is solved by the features of claims 1 and 7. Further and advantageous embodiments can be found in the subclaims and the description.
Die Erfindung geht davon aus, das über ein optisches Auskoppelelement aus dem magnetooptischen Sensor entnommene Sensorsignal, das in äquivalente Spannungssignale umgesetzt wurde, auf digitalem Weg auszuwerten. Das Auswerteverfahren ist insbesondere für Wechselströme geeignet. Aus dem Spannungssignal Us(t) wird in ein hochfrequenter Anteil Uf(t) gewonnen und ein niederfrequenter Anteil U₀(t) durch Subtraktion der beiden Signale gebildet. U₀(t) wird als Referenzsignal in einen Analog-Digitalwandler eingespeist, der den hochfrequenten Anteil Uf(t) verarbeitet. Aus dem Vergleich der beiden Signale wird ein Adressenfeld erzeugt. Dem Analog- Digitalwandler ist ein elektronischer digitaler Speicher nachgeschaltet, der die Kennlinie des optischen Auskoppelelements enthält. Den Adressen aus dem Analog-Digitalwandler werden über eine Zuordnungsvorschrift Daten der Kennlinie zugeordnet. Am Speicherausgang stehen die digitalisierten Werte zur Umsetzung in analoge Signale oder zur weiteren Aufbereitung in einem Rechner zur Verfügung.The invention is based on the fact that the sensor signal, which was extracted from the magneto-optical sensor via an optical coupling element and was converted into equivalent voltage signals, is evaluated digitally. The evaluation method is particularly suitable for alternating currents. A high-frequency component U f (t) is obtained from the voltage signal U s (t) and a low-frequency component U₀ (t) is formed by subtracting the two signals. U₀ (t) is fed as a reference signal into an analog-digital converter, which processes the high-frequency component U f (t). An address field is generated from the comparison of the two signals. The analog-digital converter is followed by an electronic digital memory, which contains the characteristic of the optical decoupling element. Data from the characteristic curve is assigned to the addresses from the analog-digital converter using an assignment rule. The digitized values are available at the memory output for conversion into analog signals or for further processing in a computer.
Das Auswerteverfahren hat den großen Vorteil, daß der Eindeutigkeitsbereich der Polarisationsanalyse durch die Möglichkeit, das volle Kennlinienfeld des optischen Auskoppelelements auszunutzen, voll ausgeschöpft werden kann, d. h. es können Polarisationsdrehwinkel bis 90° zuverlässig ausgewertet werden. Dabei können gleichzeitig große und kleine Drehwinkel hochgenau bestimmt werden, ohne daß die Dynamik verkleinert wird.The evaluation method has the great advantage that the uniqueness range of the Polarization analysis through the possibility of the full characteristic field of the optical To exploit decoupling element can be fully exploited, d. H. it can Polarization rotation angles up to 90 ° can be reliably evaluated. It can be large at the same time and small angles of rotation can be determined with high precision without the dynamics being reduced.
Es ist vorteilhaft, daß Störeffekte die auf das Sensorsignal einwirken, wie z. B. Temperatureinflüsse oder Vibrationen der Faser, unmittelbar durch die Referenzsignalbildung und -verarbeitung eliminiert werden, da der niederfrequente Anteil praktisch wie eine Amplitudenmodulation des hochfrequenten Anteils des Sensorsignals wirkt.It is advantageous that interference effects that act on the sensor signal, such as. B. Temperature influences or vibrations of the fiber, directly through the reference signal generation and processing can be eliminated because the low frequency component is practically like an amplitude modulation of the high-frequency portion of the sensor signal acts.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß keine aufwendige Auswerteelektronik, wie z. B. Analogdividierer, zum Einsatz kommen muß, welche den Dynamikbereich sehr stark einschränkt und die Genauigkeit z. B. durch Drifterscheinungen verringert. Im Gegensatz zu Auswerteverfahren, bei denen statt eines Analogdividierers ein Rechner zur Auswertung eingesetzt wird, ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr schnell und wenig aufwendig.Another advantage is that no complex evaluation electronics, such as. B. Analog divider must be used, which limits the dynamic range very much and the accuracy z. B. reduced by drift phenomena. In contrast to evaluation methods, in which a computer is used for evaluation instead of an analog divider, that is The inventive method very quickly and inexpensively.
Von ganz besonderem Vorteil ist außerdem, daß das Sensorsignal aus einer einzigen Signalkomponente gewonnen wird und so das übliche aufwendige und teure Strahlteilverfahren beim Auskoppeln des Signals aus der Meßstrecke entfällt. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann der kostspielige Strahlteiler z. B. durch einen einfachen Polfilter ersetzt werden, und es entfällt die gesamte Auswerteeinrichtung für eine zweite Signalkomponente.It is also of particular advantage that the sensor signal consists of one Signal component is obtained and so the usual complex and expensive beam splitting process There is no need to decouple the signal from the test section. With the configuration according to the invention can the expensive beam splitter z. B. be replaced by a simple polarizing filter, and it is omitted the entire evaluation device for a second signal component.
Im folgenden ist die Erfindung erläutert und die verbesserten Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens anhand von Abbildungen näher beschrieben.In the following the invention is explained and the improved devices for performing the Process described in more detail with the help of illustrations.
Es zeigenShow it
Fig. 1 eine übliche Stromsensoranordnung mit Auswertestrecke Fig. 1 shows a conventional current sensor arrangement with an evaluation section
Fig. 2 eine Anordnung mit erfindungsgemäßer Auswertestrecke. Fig. 2 shows an arrangement with an evaluation section according to the invention.
Fig. 1 zeigt eine übliche Stromsensoranordnung in einer Hochspannungsschaltanlage. Über eine Lichtquelle 1 und einen Lichtleiter 2, z. B. eine hochdoppelbrechende HB-Faser, gelangt Sendelicht über eine Einkopplung 3 in einen Strahlteiler 4 und wird über eine Einkopplung 5 in den Sensor zum Spiegel 6 geführt. Die Einkopplungen 3 und 5 sind nur schematisch dargestellt. Der Sensor ist benachbart zu einem Stromleiter 7 und z. B. als Schlaufe um den Leiter ausgebildet. Fig. 1 shows a conventional current sensor assembly in a high-voltage switchgear. Via a light source 1 and a light guide 2 , for. B. a high birefringence HB fiber, transmitted light passes through a coupling 3 in a beam splitter 4 and is guided via a coupling 5 in the sensor to the mirror 6 . The couplings 3 and 5 are only shown schematically. The sensor is adjacent to a conductor 7 and z. B. formed as a loop around the conductor.
Auf der Strecke 5-6 wirkt der Faraday-Effekt und dreht die Polarisation des Lichtes um einen der Stromstärke proportionalen Winkel. Nach der Reflexion am Spiegel 6 erfährt das Licht auf der Strecke 6-5 eine weitere Polarisationsdrehung in dieselbe Richtung. Die Anordnung ist ab Einkopplung 3 und bis zu den Polarisations-Analysatoren 9 bzw. 10 auf Hochspannungspotential.On the route 5-6 the Faraday effect works and rotates the polarization of the light by an angle proportional to the current. After reflection on the mirror 6 , the light undergoes a further polarization rotation in the same direction on the section 6-5 . The arrangement is at high voltage potential from coupling 3 and up to polarization analyzers 9 or 10 .
Das zurücklaufende Licht wird im Strahlteiler 4 in das Auskoppelelement 8, einen Strahlteiler, geführt und dort in zwei Teilstrahlen aufgespalten, die in den Polarisations-Analysator 9 bzw. in den Polarisations-Analysator 10 mittels den üblichen Einkoppelelementen wie z. B. Koppelkollimatoren, münden.The returning light is guided in the beam splitter 4 into the outcoupling element 8 , a beam splitter, and split there into two partial beams, which in the polarization analyzer 9 or in the polarization analyzer 10 by means of the usual coupling elements such as. B. coupling collimators open.
Für die Drehung Φ(t) der Polarisationsebene des Sendelichts gilt Φ(t) ∞ J(t), wobei J(t) den elektrischen Strom im Leiter 7 darstellt. In den Analysatoren 9 bzw. 10 werden der Polarisationsrichtung entsprechende Intensitätssignale erzeugt. Die Teilstrahlen werden anschließend als Lichtintensitätssignale in der Übertragungsstrecke, den Lichtleitfasern 11 bzw. 12 zur Auswerteeinheit 13 auf Erdpotential geführt. Dort werden die Strahlungsleistungen der beiden Teilstrahlen optoelektronisch in zwei adäquate Spannungssignale gewandelt. Eine typische Auswerteeinheit 13 stellt z. B. ein Hoch- und Tiefpaßsystem dar, mit dem die beiden adäquaten Spannungssignale der Teilstrahlen gefiltert und mittels eines Analogdividierers verglichen werden.For the rotation Φ (t) of the polarization plane of the transmitted light, Φ (t) ∞ J (t) applies, where J (t) represents the electrical current in conductor 7 . Intensity signals corresponding to the direction of polarization are generated in the analyzers 9 and 10 , respectively. The partial beams are then guided as light intensity signals in the transmission path, the optical fibers 11 and 12 to the evaluation unit 13 at ground potential. There the radiation powers of the two partial beams are optoelectronically converted into two adequate voltage signals. A typical evaluation unit 13 , for. B. represents a high and low pass system with which the two adequate voltage signals of the partial beams are filtered and compared by means of an analog divider.
Eine Vorrichtung, die das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Auswerte- Anordnung verwendet, ist in Fig. 2 dargestellt. Der magnetooptische Sensor kann ein beliebiger magnetooptischer Sensor wie z. B. eine Faserspule, ein magnetooptischer Kristall, ein magnetooptischer Ring etc. sein.A device which uses the method according to the invention and the evaluation arrangement according to the invention is shown in FIG. 2. The magneto-optical sensor can be any magneto-optical sensor such as. B. a fiber coil, a magneto-optical crystal, a magneto-optical ring, etc.
Mit einem Auskoppelelement 8 wird das optische Sensorsignal, welches die Information der Polarisationsdrehung enthält, dem Sensor entnommen. Das Auskoppelelement 8 ist immer ein Polarisationsanalysator, vorzugsweise ein Polfilter. Zweckmäßigerweise ist die Orientierung des Polarisators auf α=± 45° eingestellt.With a decoupling element 8 , the optical sensor signal, which contains the information of the polarization rotation, is taken from the sensor. The decoupling element 8 is always a polarization analyzer, preferably a polarizing filter. The orientation of the polarizer is expediently set to α = ± 45 °.
Das Auskoppelelement 8 verknüpft die Information über Polarisationsdrehwinkel Φ und Intensität I über die Beziehung I=I₀·cos²[α+Φ]. Die Ausrichtung des Winkels α der Polarisatorebene erfolgt derart, daß der Polarisator die Lichtintensität in Phase mit dem zu messenden Strom moduliert. Das optische Sensorsignal wird nun als Intensitätssignal weitergeführt.The decoupling element 8 links the information about polarization rotation angle Φ and intensity I via the relationship I = I₀ · cos² [α + Φ]. The angle α of the polarizer plane is aligned in such a way that the polarizer modulates the light intensity in phase with the current to be measured. The optical sensor signal is now continued as an intensity signal.
Das Auskoppelelement 8 ist so angeordnet, daß das entnommene Polarisationssignal in Phase mit dem Strom im Sensor ist. Ein Aufspalten des optischen Ausgangssignals der Meßstrecke in zwei separate Teilstrahlen ist zur Auswertung nicht notwendig. Es kann jedoch auch ein Strahlteiler mit nachfolgenden Polarisatoren bzw. ein polarisierender Strahlteilerwürfel verwendet werden, wobei zur Auswertung des Sensorsignals lediglich ein einzelner Teilstrahl verwendet wird so daß das Verfahren auch an bestehenden, herkömmlichen Systemen zur Anwendung kommen kann.The decoupling element 8 is arranged such that the polarization signal taken is in phase with the current in the sensor. Splitting the optical output signal of the measuring section into two separate partial beams is not necessary for the evaluation. However, a beam splitter with subsequent polarizers or a polarizing beam splitter cube can also be used, only a single partial beam being used for evaluating the sensor signal, so that the method can also be used on existing, conventional systems.
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bietet bei einem herkömmlichen Zweistrahlverfahren die Möglichkeit, den zweiten Teilstrahl zur zusätzlichen Selbstkontrolle des Sensors zu verwenden. Bevorzugt wird derjenige Teilstrahl zur Gewinnung der Sensor- Istwerte verwendet, der mit dem Strom in Phase ist. The use of the method according to the invention offers a conventional one Two-beam process the possibility of the second beam for additional self-control of the Sensor to use. That partial beam is preferred for obtaining the sensor Actual values used that are in phase with the current.
Dem Auskoppelelement 8 folgt eine übliche Einkopplung 9 in eine Lichtleitfaser 10, die am Ende in einen Photoempfänger 11 mündet, der das Intensitätssignal in eine Spannung Us(t) umsetzt. Ist der Polarisatorwinkel des Auskoppelelements 8 bei α=±45°, so kann das Spannungssignal Us(t) vereinfacht ausgedrückt werden als Us(t)=U₀(t)·(1+sin[2Φ(t)] ). Für andere Polarisationswinkel des Auskoppelelements 8 ist der Zusammenhang erheblich komplizierter.The coupling-out element 8 is followed by a usual coupling 9 into an optical fiber 10 , which at the end opens into a photoreceiver 11 , which converts the intensity signal into a voltage U s (t). If the polarizer angle of the decoupling element 8 is α = ± 45 °, the voltage signal U s (t) can be expressed in a simplified manner as U s (t) = U₀ (t) · (1 + sin [2Φ (t)]). The relationship is considerably more complicated for other polarization angles of the coupling-out element 8 .
Das Spannungssignal Us(t), das Komponenten mit der Frequenz des zu bestimmenden Stromes enthält, wird durch einen Hochpaß 12 gefiltert, wodurch der hochfrequente Signal-Anteil Uf(t)= U₀(t)·sin[2Φ(t)] vom Sensorsignal Us(t) abgetrennt wird. Dieses Hochpaßfilter 12 ist vorzugsweise ein Filter erster Ordnung. Treten sehr hohe Störfrequenzen auf, so ist der Einsatz eines Hochpaßfilters höherer Ordnung günstig, wobei bezüglich der Stromfrequenz nur für eine definierte Grenzfrequenz des Filters tatsächlich keine Phasenverschiebung auftritt. Das Filter ist so zu dimensionieren, daß Spannungen mit der Frequenz des zu messenden Stromes ohne Phasenverschiebung gefiltert werden, wobei die Amplitude des abgetrennten hochfrequenten Signalanteils Uf(t) derart verstärkt werden sollte, daß der Übertragungsfaktor des Filters auf den Wert 1 korrigiert wird.The voltage signal U s (t), which contains components with the frequency of the current to be determined, is filtered by a high-pass filter 12 , as a result of which the high-frequency signal component U f (t) = U₀ (t) · sin [2Φ (t)] is separated from the sensor signal U s (t). This high pass filter 12 is preferably a first order filter. If very high interference frequencies occur, the use of a higher-order high-pass filter is favorable, with no phase shift actually occurring with respect to the current frequency only for a defined cut-off frequency of the filter. The filter must be dimensioned so that voltages with the frequency of the current to be measured are filtered without phase shift, the amplitude of the separated high-frequency signal component U f (t) should be amplified in such a way that the transmission factor of the filter is corrected to the value 1.
Der hochfrequente Anteil Uf(t) wird mittels einer üblichen Operationsverstärkerschaltung 13 mit dem Sensorsignal Us(t) verglichen und die Differenz U₀(t) = Us(t)-Uf(t) gebildet. Dieser niederfrequente Anteil U₀(t) enthält somit nur noch die auf die Übertragungsstrecke einwirkenden langsam variierenden Störungen. Eine etwaige Phasenverschiebung zwischen dem Spannungssignal des Sensors und dem zu bestimmenden Strom wird nur durch das Hochpaßfilter 12 beeinflußt. Auch für Strommeßgenauigkeiten von 0,1% des Absolutwertes ist die Phasenverschiebung unter 1°. Würde U₀(t) nicht durch Differenzbildung, sondern durch ein Tiefpaßfilter gewonnen, so müßte ein zusätzlicher Phasenfaktor für niederfrequente Störungen berücksichtigt werden, der auch die Amplitudengenauigkeit beeinflußt. Besonders beim Auftreten größerer Störfrequenzen kommt dieser Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Geltung.The high-frequency component U f (t) is compared with the sensor signal U s (t) by means of a conventional operational amplifier circuit 13 , and the difference U₀ (t) = U s (t) -U f (t) is formed. This low-frequency component U₀ (t) thus only contains the slowly varying disturbances acting on the transmission link. Any phase shift between the voltage signal of the sensor and the current to be determined is only influenced by the high-pass filter 12 . The phase shift is also below 1 ° for current measurement accuracies of 0.1% of the absolute value. If U₀ (t) were obtained not by difference formation, but by a low-pass filter, an additional phase factor for low-frequency interference would also have to be taken into account, which also influences the amplitude accuracy. This advantage of the method according to the invention comes into play particularly when larger interference frequencies occur.
Der hochfrequente Anteil Uf(t) des Sensorsignals wird dem Eingang eines Analog-Digitalwandlers 14 zugeführt, während U₀(t) als Referenzsignal des Analog-Digitalwandlers 14 verwendet wird. Das Differenzsignal U₀(t) wird dem Referenzkanal dergestalt zugeführt, daß der Arbeitsbereich des Analog-Digitalwandlers 14 einem Spannungsbereich von insgesamt 2 U₀(t) entspricht. Wirkt ein Störsignal auf die Übertragungsstrecke und damit auf das Signal Us(t), so ändert sich auch das Referenzsignal U₀(t) mit der Störung, so daß die Wirkung der Störung unmittelbar kompensiert wird.The high-frequency component U f (t) of the sensor signal is fed to the input of an analog-digital converter 14 , while U₀ (t) is used as the reference signal of the analog-digital converter 14 . The difference signal U₀ (t) is fed to the reference channel in such a way that the working range of the analog-digital converter 14 corresponds to a voltage range of 2 U₀ (t) in total. If an interference signal acts on the transmission link and thus on the signal U s (t), the reference signal U₀ (t) also changes with the interference, so that the effect of the interference is immediately compensated for.
Der hochfrequente Anteil Uf(t) wird dem Signaleingang des Analog-Digitalwandlers 14 zugeführt und somit auf die Mitte des Arbeitsbereichs des Analog-Digitalwandlers 14 gesetzt. Im Analog- Digitalwandler 14 werden die beiden Signale verglichen und ein Wertesignal erzeugt. Die Wertesignale sind Elemente eines Adressenfeldes A(t), das über einen Algorithmus im Analog- Digitalwandler 14 erzeugt wird.The high-frequency component U f (t) is fed to the signal input of the analog-digital converter 14 and is thus set in the middle of the working range of the analog-digital converter 14 . In the analog-digital converter 14 , the two signals are compared and a value signal is generated. The value signals are elements of an address field A (t) which is generated by an algorithm in the analog-digital converter 14 .
Für einen 16-Bit-Analog-Digitalwandler erhält man an dessen Ausgang die Größen A(t) mit A(t)=2¹⁵ + sin[2Φ(t)]·2¹⁵, wobei die Größen A(t) Adressen darstellen mit denen ein nachfolgender elektronischer Speicher 15, z. B. ein EPROM, adressiert werden kann, in dem beispielsweise die Kennliniendaten des Auskoppelelements 8 einprogrammiert ist. Dieses Datenfeld stellt Sollwerte dar, mit denen das Ausgangssignal des Analog-Digitalwandlers A(t) korreliert wird, um die digitalen Istwerte des Stromsensors zu erzeugen.For a 16-bit analog-digital converter, the outputs A (t) with A (t) = 2¹⁵ + sin [2Φ (t)] · 2¹⁵ are obtained, the sizes A (t) representing addresses with those subsequent electronic memory 15 , e.g. B. an EPROM can be addressed in which, for example, the characteristic data of the decoupling element 8 is programmed. This data field represents setpoints with which the output signal of the analog-digital converter A (t) is correlated in order to generate the actual digital values of the current sensor.
Der elektronische Speicher 15 ist so programmiert, daß er den Ist-Adressen A(t) entsprechend ihren nach sin[2Φ(t)] gewichteten Anteilen des ursprünglichen Senorsignals Daten D(t) mit dem jeweiligen Winkel 2Φ(t) nach der Formel D(t)= 2¹⁵+F(2Φ)·sin[2Φ(t)]·2¹⁵ mit einer Datenzuweisungsfunktion F(2Φ)=2 Φ(t)/sin[2Φ(t)] zuweist. Die Datenzuweisung kann je nach erforderlichem Dynamikbereich mit Normierungsfaktoren an das dem Speicher nachfolgende Auswerteelement angepaßt werden.The electronic memory 15 is programmed so that it corresponds to the actual addresses A (t) according to their sin [2Φ (t)] weighted portions of the original sensor signal data D (t) with the respective angle 2Φ (t) according to the formula D. (t) = 2¹⁵ + F (2Φ) · sin [2Φ (t)] · 2¹⁵ with a data assignment function F (2Φ) = 2 Φ (t) / sin [2Φ (t)]. Depending on the required dynamic range, the data assignment can be adapted to the evaluation element following the memory using standardization factors.
Die mittels des elektronischen Speichers 15 gewonnenen Daten D(t) können anschließend auf mehrere Arten weiterverarbeitet werden.The data D (t) obtained by means of the electronic memory 15 can then be processed further in a number of ways.
Eine bevorzugte Möglichkeit ist, daß ein 16-Bit-Digital-Analogwandler, der wie der Analog- Digitalwandler 14 geschaltet ist, allerdings mit einer konstanten Referenzspannung UD betrieben wird, die Daten D(t) in analoge Spannungssignale S(t)= UD·2Φ(t) umwandelt. Alternativ dazu können die digitalen Signale jedoch auch mit einem Rechner weiter aufbereitet werden.A preferred possibility is that a 16-bit digital-to-analog converter, which is connected like the analog-to-digital converter 14 , but is operated with a constant reference voltage U D , converts the data D (t) into analog voltage signals S (t) = U D · 2Φ (t) converts. Alternatively, the digital signals can also be processed further with a computer.
Die Kombination Analog-Digitalwandler - EPROM - Digital-Analogwandler ist besonders günstig, da am Ausgang des Digital-Analogwandlers ein Wechselspannungssignal mit derselben Frequenz wie der nachzuweisende elektrische Strom, z. B. 50 Hz, vorliegt das gegenüber dem Strom selbst eine vernachlässigbare Zeitverzögerung aufweist. Die Amplitude ist direkt proportional zur Amplitude des zu bestimmenden Stromes. Zur Bestimmung des Absolutwertes ist dann lediglich noch die Signalamplitude zu normieren.The combination of analog-digital converter - EPROM - digital-analog converter is particularly cheap, there is an AC signal with the same frequency at the output of the digital / analog converter how the electrical current to be detected, e.g. B. 50 Hz, this is compared to the current itself has a negligible time delay. The amplitude is directly proportional to the Amplitude of the current to be determined. To determine the absolute value is then only nor to normalize the signal amplitude.
Um den Arbeitsbereich des Digital-Analogwandlers voll auszuschöpfen, wird die Datenzuweisungsfunktion F(2Φ) für unterschiedliche Dynamikbereiche angepaßt.To fully exploit the working range of the digital-to-analog converter, the Data assignment function F (2Φ) adapted for different dynamic ranges.
Der Definitionsbereich F(2Φ)=2Φ(t)/sin[2Φ(t)] gilt bis zu 2Φ = 57,3°. Soll der Dynamikbereich bis zur Grenze des Eindeutigkeitsbereichs einer Polarisationsanalyse von 2Φ = 90° ausgeweitet werden, so gilt F(2Φ)=2/π·2Φ(t)/sin[2Φ(t)]. The definition range F (2Φ) = 2Φ (t) / sin [2Φ (t)] applies up to 2Φ = 57.3 °. Should the dynamic range to expanded to the limit of the uniqueness range of a polarization analysis of 2Φ = 90 °, then F (2Φ) = 2 / π · 2Φ (t) / sin [2Φ (t)].
Der konstante Faktor 2/π geht lediglich in eine Normierung der Signalamplitude ein und ermöglicht ein Ausschöpfen des Arbeitsbereiches des Digital-Analogwandlers, ohne diesen zu übersteuern.The constant factor 2 / π is only included in a normalization of the signal amplitude and enables exhausting the working range of the digital-to-analog converter without overriding it.
Bei kleinen Drehwinkeln von z. B. 20-25° wird der Arbeitsbereich des Analog-Digitalwandlers nicht voll ausgeschöpft. Dies kann verbessert werden, indem ein Gewichtsfaktor k eingeführt wird, wobei gilt k·sin[2Φmax)]=1. Φmax ist der größte Polarisationsdrehwinkel, und für die Datenzuweisungsfunktion gilt F(2Φ)=k/F(2 Φmax)·2Φ(t)/sin[2Φ(t)].At small angles of rotation of z. B. 20-25 °, the working range of the analog-digital converter is not fully exhausted. This can be improved by introducing a weight factor k, where k · sin [2Φ max )] = 1. Φ max is the largest polarization rotation angle, and for the data assignment function F (2Φ) = k / F (2 Φ max ) · 2Φ (t) / sin [2Φ (t)].
Bei einem maximalen Drehwinkel von z. B. 10° kann damit ein Drehwinkel von 0,1° hochgenau aufgelöst werden, womit ein Dynamikbereich von 100 erreicht ist.At a maximum angle of rotation of z. B. 10 ° can be a rotation angle of 0.1 ° highly accurate be resolved, thus achieving a dynamic range of 100.
Für sehr geringe Störfrequenzen in Us(t) kann alternativ statt des Hochpaßfilters 10 zum Abtrennen eines hochfrequenten Anteils Uf(t) mit anschließender Differenzbildung zum Signal Us(t) vorteilhaft ein Tiefpaßfilter höherer Ordnung zum Abtrennen des niederfrequenten Anteils U₀(t) eingesetzt werden. Dadurch ist es möglich, den hochfrequenten Anteil des Signals ohne Phasenverschiebung zu gewinnen. Sehr geringe Störfrequenzen treten bevorzugt bei der Verwendung von Single-Mode- Fasern statt der üblichen Multimode-Fasern zur Signalübertragung auf. In diesem Fall treten im wesentlichen nur temperaturbedingte Driften, z. B. bei der Einkoppeldämpfung in die Single-Mode- Faser, auf.For very low interference frequencies in U s (t), instead of the high-pass filter 10 for separating a high-frequency component U f (t) with subsequent difference from the signal U s (t), a higher-order low-pass filter can advantageously be used to separate the low-frequency component U₀ (t). be used. This makes it possible to obtain the high-frequency component of the signal without phase shift. Very low interference frequencies are preferred when using single-mode fibers instead of the usual multimode fibers for signal transmission. In this case, only temperature-related drifts occur, e.g. B. in the coupling loss in the single-mode fiber.
Claims (17)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1996108944 DE19608944A1 (en) | 1996-03-08 | 1996-03-08 | Magneto=optic sensor current determination method giving optical signal esp. for HV applications |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1996108944 DE19608944A1 (en) | 1996-03-08 | 1996-03-08 | Magneto=optic sensor current determination method giving optical signal esp. for HV applications |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19608944A1 true DE19608944A1 (en) | 1997-09-11 |
Family
ID=7787578
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE1996108944 Ceased DE19608944A1 (en) | 1996-03-08 | 1996-03-08 | Magneto=optic sensor current determination method giving optical signal esp. for HV applications |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19608944A1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999050678A2 (en) * | 1998-03-31 | 1999-10-07 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and configuration for processing at least one analog signal comprising several frequency ranges |
| DE10154309A1 (en) * | 2001-11-05 | 2003-05-15 | Abb Research Ltd | Device for electro-optical measurement of high voltage has a high-voltage (HV) part, an electro-optical voltage transformer to convert HV in the HV part into an optical signal, an optical detector and a scanning circuit. |
| WO2016112993A1 (en) * | 2015-01-16 | 2016-07-21 | Siemens Aktiengesellschaft | Optoelectric measuring device and method for measuring an electrical current |
| RU2713087C1 (en) * | 2019-07-25 | 2020-02-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА - Российский технологический университет" | Low pressure pneumatic pulse logging sensor |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2831407C3 (en) * | 1978-07-17 | 1986-06-19 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Electronic measuring device for analog electrical signals |
| DE4312184A1 (en) * | 1993-04-14 | 1994-10-20 | Siemens Ag | Optical measuring method for measuring an electrical alternating current with temperature compensation and device for carrying out the method |
-
1996
- 1996-03-08 DE DE1996108944 patent/DE19608944A1/en not_active Ceased
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2831407C3 (en) * | 1978-07-17 | 1986-06-19 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Electronic measuring device for analog electrical signals |
| DE4312184A1 (en) * | 1993-04-14 | 1994-10-20 | Siemens Ag | Optical measuring method for measuring an electrical alternating current with temperature compensation and device for carrying out the method |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999050678A2 (en) * | 1998-03-31 | 1999-10-07 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and configuration for processing at least one analog signal comprising several frequency ranges |
| WO1999050678A3 (en) * | 1998-03-31 | 1999-11-18 | Siemens Ag | Method and configuration for processing at least one analog signal comprising several frequency ranges |
| US6392583B1 (en) | 1998-03-31 | 2002-05-21 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and configuration for processing at least one analog signal containing a number of frequency ranges |
| DE10154309A1 (en) * | 2001-11-05 | 2003-05-15 | Abb Research Ltd | Device for electro-optical measurement of high voltage has a high-voltage (HV) part, an electro-optical voltage transformer to convert HV in the HV part into an optical signal, an optical detector and a scanning circuit. |
| WO2016112993A1 (en) * | 2015-01-16 | 2016-07-21 | Siemens Aktiengesellschaft | Optoelectric measuring device and method for measuring an electrical current |
| KR20170094412A (en) * | 2015-01-16 | 2017-08-17 | 지멘스 악티엔게젤샤프트 | Optoelectric measuring device and method for measuring an electrical current |
| KR101972935B1 (en) | 2015-01-16 | 2019-04-29 | 지멘스 악티엔게젤샤프트 | Optoelectric measuring device and method for measuring an electrical current |
| US10317433B2 (en) | 2015-01-16 | 2019-06-11 | Siemens Aktiengesellschaft | Optoelectric measuring device and method for measuring an electrical current |
| RU2713087C1 (en) * | 2019-07-25 | 2020-02-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА - Российский технологический университет" | Low pressure pneumatic pulse logging sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3139133B1 (en) | Device and method for local measurement of temperature and/or strain using brillouin scattering | |
| DE69416396T2 (en) | Noise level measurement method in the presence of a signal | |
| DE68907520T2 (en) | Device for measuring the dispersion of an optical fiber. | |
| DE69427219T2 (en) | SENSORS FOR ELECTRICAL FIELDS | |
| DE69328825T2 (en) | Electrical current measurement | |
| DE19708163A1 (en) | Circuit for signal processing of signals occurring in a heterodyne interferometer | |
| DE102018124435A1 (en) | Distributed measuring device | |
| DE4312183A1 (en) | Optical measuring method for measuring an electrical alternating current with temperature compensation and device for carrying out the method | |
| DE4312184A1 (en) | Optical measuring method for measuring an electrical alternating current with temperature compensation and device for carrying out the method | |
| EP0779988B1 (en) | Process and device for measuring an alternating electric current with temperature compensation | |
| DE19601727C1 (en) | Magneto-optical current converter including Faraday sensor | |
| EP0721590B1 (en) | Method and device for measuring an electric current using two oppositely directed light signals and making use of the faraday effect | |
| DE4436181A1 (en) | Method and device for measuring an electrical variable with temperature compensation by fitting | |
| CH659329A5 (en) | METHOD FOR MEASURING CURRENT ON AN ELECTRIC CONDUCTOR THROUGH THE FARADAY EFFECT. | |
| EP0866974B1 (en) | Optical measuring process and optical measuring arrangement for measuring an alternating quantity with intensity scaling | |
| DE4226220A1 (en) | METHOD AND SYSTEM FOR MEASURING ELECTRICAL HIGH-FREQUENCY AND BROADBAND FREQUENCY SIGNALS BY ELECTRO-OPTICAL EFFECT | |
| DE3703116A1 (en) | METHOD FOR REDUCING NOISE SIGNALS IN MEASURING SETUP FOR THE EXAMINATION OF EMISSION OR TRANSMISSION PROCESSES | |
| DE19545759A1 (en) | Optical measuring method and optical measuring device for measuring an alternating magnetic field with intensity normalization | |
| DE19608944A1 (en) | Magneto=optic sensor current determination method giving optical signal esp. for HV applications | |
| DE60219550T2 (en) | Method and system for optical spectrum analysis with correction of a non-uniform sampling rate | |
| WO2001067649A1 (en) | Device for detecting the pmd of optoelectronic transmission lines | |
| EP0786092B1 (en) | Optical measuring process and device for measuring an electric a.c. voltage or an electric alternating field with temperature compensation | |
| DE102018005432B4 (en) | Apparatus and method for Brillouin frequency domain reflectometry | |
| WO1998005975A1 (en) | Method and arrangement for optically detecting an electrical variable | |
| EP0904550B1 (en) | Temperature calibration process for an optical magnetic field measurement device and measurement device calibrated by this process |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DAIMLERCHRYSLER AG, 70567 STUTTGART, DE |
|
| 8131 | Rejection |