DE19621654A1

DE19621654A1 - Magneto-optischer Stromsensor

Info

Publication number: DE19621654A1
Application number: DE1996121654
Authority: DE
Inventors: Christian Baltensperger; Klaus Dr Bohnert; Werner Buser; Mathias Dr Ingold; Frank Zeindler
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1996-05-30
Filing date: 1996-05-30
Publication date: 1997-12-04
Also published as: EP0810442A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Optoelektronik. Sie geht aus von einem magneto-optischen Stromsensor nach dem Oberbegriff des ersten An spruchs.

Stand der Technik

Ein solcher magneto-optischer Stromsensor wird beispielsweise in der Europäi schen Patentanmeldung EP 0 657 740 A2 und dem Artikel "A Reciprocal- Compensated Fiber-Optic Current Sensor", IEEE, Journal of Lightwave Techno logy, Vol. 12, No. 10, Oct. 1994 von X. Fang et al. beschrieben. Der Stromsensor beruht auf dem Faraday-Effekt: Das Magnetfeld des Stromes bewirkt eine zum Strom proportionale Drehung der linearen Polarisationsrichtung des Lichtes. Demzufolge weisen solche Stromsensoren ein Sensorelement auf, das den strom führenden Leiter umschließt. Außerdem ist mindestens eine Lichtquelle, eine Multimode-Zuleitungsfaser und eine Detektionseinheit vorgesehen. In der De tektionseinheit wird die von der Polarisationsdrehung des Lichtes im Sensore lement abhängige Intensität nach Durchlaufen des Sensorelements detektiert. In den genannten Schriften wird vorgeschlagen, den Faraday-Stromsensor mit Hilfe von zwei gegenläufigen Lichtstrahlen vibrationsunempfindlich zu machen. Die beiden Lichtwellen durchlaufen dabei die gleichen Zuleitungsfasern und den gleichen Pfad im Sensorelement in gegenläufiger Richtung. Auf Grund des nicht reziproken Verhaltens des Faradayeffektes erscheinen die Messignale an den beiden Photodioden der beiden Detektionseinheiten in Phasenopposition, wäh rend die mechanisch bedingten Störsignale weitgehend in Phase auftreten. Die störenden Komponenten können dann durch elektronische Subtraktion der Pho todiodensignale unterdrückt werden. Das eigentliche Messignal erscheint hinge gen mit der doppelten Amplitude.

Beide eingangs genannten Schriften lassen jedoch die nicht reziproken Einflüsse z. B. der Übergangsstecker und des Sensorelements außer Acht. Diese können jedoch eine erhebliche Störwirkung entfalten und die Meßgenauigkeit empfind lich beeinträchtigen. Sie werden von der Elektronik auch nicht unterdrückt.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen magneto-optischen Stromsensor anzugeben, der eine größere Unempfindlichkeit gegen nicht rezi proke Störungen aufweist und eine höhere Meßgenauigkeit erlaubt.

Diese Aufgabe wird bei einem magneto-optischen Stromsensor der eingangs ge nannten Art durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.

Der Kern der Erfindung besteht also darin, daß unmittelbar vor den Detekti onseinheiten und allenfalls nach den Lichtquellen Modenfilter angeordnet sind.

Zusätzlich können die Modenfilter auch unmittelbar vor und nach dem Sensore lement angeordnet sein. Die Modenfilter bewirken, daß in den Pfaden, in denen das Licht dem Sensorelement zugeführt wird, die Moden höherer Ordnung, die von den mechanischen Schwingungen am meisten betroffen würden, gar nicht erst angeregt werden. Zudem bewirken die Modenfilter, daß höhere Moden, die durch die Vibrationen erzeugt bzw. moduliert wurden, vor Erreichen der Detek tionseinheit herausgefiltert werden.

Zudem wurde erkannt, daß die Faserstecker besonders kritische Elemente be züglich des Sensorverhaltens sind. Unpräzise Stecker mit einem seitlichen Ver satz der Faserkerne und/oder einem Luftspalt zwischen den Faserenden ver stärken die Störungen infolge von Faserbiegungen wesentlich. Dieser Einfluß ist um so gravierender, als der Effekt nicht reziprok ist. Er kann also durch die Elektronik nicht kompensiert werden. Eine präzise Ausrichtung der Faserkerne erlaubt demzufolge eine weitere Erhöhung der Meßgenauigkeit. Außerdem können durch einen Schräganschliff der Stecker Rückreflexe an den Faserstec kern vermieden werden. Die Rückreflexionen würden zum Messignal addiert und könnten zu einer Sättigung der Elektronik fahren. Durch Vermeiden eines Luftspaltes zwischen den Faserenden in den Steckern können weitere nicht re ziproke Einflüsse der Stecker vermindert werden.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den entsprechenden abhängigen Ansprüchen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus besteht darin, daß die nicht rezi proken Störeinflüsse, die von den Übergangssteckern und dem Sensorelement hervorgerufen werden und die oft das Messignal übersteigen, wirksam unter drückt werden können. Dies ergibt vor allem eine verminderte Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Erschütterungen und damit eine erhöhte Meßgenau igkeit.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam menhang mit den Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des magneto-optischen Stromsensors nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Detailansicht eines im Rahmen der Erfindung verwendeten Mo denfilters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 eine weitere Variante eines Modenfilters;

Fig. 4 eine dritte Variante eines Modenfilters;

Fig. 5 eine vierte Variante eines Modenfilters.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefaßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt schematisch einen magneto-optischen Stromsensor 1. Mit 2 ist ein Sensorelement bezeichnet, das einen Stromleiter 3 umschließt. Das Sensorele ment 2 wird von zwei gegenläufigen Lichtstrahlen durchlaufen. Diese werden in einer ersten Lichtquelle 4 und einer zweiten Lichtquelle 5 erzeugt und mittels einer ersten Zuleitungsfaser 6 und einer zweiten Zuleitungsfaser 7 zum Sensore lement 2 geführt. Nach Durchlaufen des Sensorelements 2 werden die Licht strahlen aus dem Sensorelement 2 ausgekoppelt und mittels der Zuleitungsfa sern einer ersten bzw. zweiten Detektionseinheit 8 bzw. 9 zugeführt. Auf Grund des Faraday-Effekts wird die lineare Polarisation der Lichtstrahlen beim Durchlaufen des Sensorelements 2 proportional zu einem Magnetfeld, das durch den durch den Stromleiter 3 fließenden Strom erzeugt wird, gedreht. Die prin zipielle Funktionsweise eines derartigen Stromsensors ist bekannt und kann beispielsweise den beiden eingangs genannten Schriften entnommen werden. In diesen Schriften wird insbesondere versucht, durch Vibrationen der Zuleitungs fasern und des Sensorelements hervorgerufene Störkomponenten durch die Verwendung zweier gegenläufiger Strahlengänge zu unterdrücken. Diese Ein flüsse verhalten sich nämlich in erster Näherung reziprok, während der Fara day-Effekt nicht reziproker Natur ist.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nun jedoch herausgefunden, daß auch die vibrationsinduzierten Intensitätsmodulationen der verwendeten Lichtstrahlen nicht reziproke Komponenten enthalten. Mögliche Störungen des magneto-optischen Stromsensors sind: Faserbiegung, Faservibration, Steckervi bration oder Schock und Vibrationen des Sensorelements diese Störungen ver ursachen in Verbindung mit der unterschiedlichen Modenfüllung an den Fase renden durch Abweichung der Faserpositionierung an den Faserübergängen, modenselektive Störungen durch Faserbiegung oder Vibration des Sensorele ments in Kombination mit Modenfilterung in unpräzisen Fasersteckern nicht reziproke Komponenten.

Eine weitere unerwünschte Störungsquelle stellt auch das Sensorelement 2 sel ber dar. Dieses hat die Wirkung eines räumlichen Modenfilters und stellt damit für ungleiche Modenbelegung der gegenläufigen Lichtwellen eine Quelle für nicht reziproke Störsignale dar, die von der elektronischen Differenzbildung nicht eliminiert werden können.

Die erfinderische Leistung liegt nicht nur im Erkennen dieser nicht reziproken Einflüsse, sondern auch darin, daß Maßnahmen angegeben werden, wie diese unerwünschten Einflüsse vermindert werden können.

Eine wirksame Verminderung dieser nicht reziproken Einflüsse erreicht man nach der Erfindung dadurch, daß unmittelbar vor den Detektionseinheiten 8, 9 und allenfalls unmittelbar nach den Lichtquellen 4 bzw. 5 und Modenfilter 11 eingeschaltet werden. Diese bewirken, daß in den Pfaden, in denen das Licht dem Sensorelement 2 zugeführt wird, die Moden höherer Ordnung, die von den mechanischen Schwingungen am meisten betroffen würden, gar nicht erst ange regt werden. Zudem bewirken die Modenfilter 11, daß höhere Moden, die durch die Vibrationen erzeugt bzw. moduliert werden, vor Erreichen der Detektions einheiten 8, 9 herausgefiltert werden. Modenfilter 11 können auch direkt vor dem Sensorelement 2 oder nach diesem vorgesehen sein.

Ein derartiges Modenfilter 11 kann man beispielsweise dadurch erzeugen, daß ein Lichtwellenleiter 14 zu mehreren Windungen mit kleinem Biegeradius (z. B. 10-25 Windungen mit einem Radius von 12.5 mm) aufgewickelt wird (Fig. 3). Eine weitere Möglichkeit bietet das Einflechten des Lichtwellenleiters 14 durch eine Reihe von Stäben 12 (Fig. 2). Durch die kleinen Biegeradien werden die höheren Moden aus der Faser ausgekoppelt. Nachteilig an diesen Lösungen ist jedoch, daß der Lichtwellenleiter 14 mechanisch stark belastet wird.

Eine elegantere und sehr effiziente Möglichkeit bieten die faseroptischen Kopp ler 13, die zur Aus- bzw. Einkopplung der gegenläufigen Lichtstrahlen in die Zuleitungsfasern 6, 7 vorgesehen sein müssen. Sie wirken als Strahlteiler (Fig. 5). Eine sehr effiziente Ausfilterung der höheren Moden in einem solchen Koppler erreicht man dadurch, daß die numerische Apertur des Kopplers klei ner ist diejenige der Verbindungsfasern gewählt wird. Bewährt haben sich Fa sern mit einer numerischen Apertur von 0.37 und Koppler mit einer Apertur von lediglich 0.26.

Falls keine faseroptischen Strahlteiler verwendet werden, sondern konventionel le Strahlteilerwürfel 15 (Fig. 4), so kann die Modenfilterung auch durch kurze Faserstücke mit reduzierter numerischer Apertur erzielt werden. Diese kurzen Faserstücke werden dann dem Strahlteiler z. B. nachgeschaltet.

Diese Variante mit den als Modenfilter wirkenden Koppler 13 oder dem Strahl teiler 15 stellt einen sehr einfachen Aufbau dar, bei dem die vor den Detekti onseinheiten 8, 9 bzw. vor den Lichtquellen 4, 5 angeordneten Modenfilter 11 zusammengefaßt werden können.

Besonders kritische Elemente sind auch die Faserstecker, die als Übergangs stecker sowohl zwischen den Kopplern 13 und den Zuleitungsfasern 6, 7 als auch zwischen den Zuleitungsfasern und dem Sensorelement 2 vorgesehen sein können. Unpräzise Stecker mit einer lateralen Versatz der Faserkerne und/oder einem Luftspalt zwischen den Faserenden verstärken die Störungen infolge von Faserbiegungen wesentlich. Faserbiegungen oder -vibrationen ändern die relati ven Amplituden der Moden bzw. koppeln höhere Moden aus der Faser aus. An unpräzisen Steckern ändert sich die Lichtintensität, die von einer Faser in die andere Faser übergekoppelt wird, mit der Modenverteilung. Das heißt, die transmittierte Lichtintensität erfährt am Stecker infolge seiner Wirkung als räumliches Filter eine zusätzliche Modulation, die sogar weit größer sein kann, als die Modulation, die unmittelbar mit der Faserbiegung zusammenhängt. Die ser Effekt ist nicht reziprok: Die Lichtwelle, die die Störung sieht, bevor sie den Stecker erreicht, wird am Stecker stark moduliert, während die gegenläufige Lichtwelle, die dieselbe Störung erst nach Durchlaufen des Steckers erfährt, deutlich weniger stark moduliert wird. Eine Kompensation dieser Störungen durch die Differenzbildung nach dem Stand der Technik ist daher nicht möglich.

Deshalb sollten die Faserenden in den Steckern eine maximale Abweichung der Faserkerne von +1/-10% des Kerndurchmessers aufweisen. Außerdem ist es von großem Vorteil, wenn sich zwischen den Faserenden kein Luftspalt befindet.

Eine weitere Störung, die in den Steckern 10 hervorgerufen wird und durch die elektronische Differenzbildung nur beschränkt behoben werden kann, stellt das starke optische Übersprechen zwischen den Kanälen als Folge von Lichtrefle xionen an den freien Faserenden innerhalb der Stecker dar. Um diese störenden Einwirkungen an den Übergangssteckern 10 zu vermindern, wird nach der Er findung vorgeschlagen, die Stecker mit einem Schräganschliff der Faserenden im Bereich von 10°-18°, noch besser von 14°-16° zu versehen. Die besten Resul tate wurden mit einem Schräganschliff von ungefähr 15° erreicht. Zusammen mit einer präzisen Ausrichtung der Faserkerne ohne Luftspalt konnte ein dra stische Verbesserung des Meßverhaltens erreicht werden.

Das Sensorelement ist als massiver Glaskörper, in den die Lichtstrahlen kolli miert eingekoppelt werden (wie in Fig. 1 dargestellt) ausgeführt. Lineare Dop pelbrechung im Glasblock stellt eine weitere Ursache nicht reziproker Lichtmo dulation dar. Nicht reziprokes Verhalten der Doppelbrechung entsteht vor allem durch:

- unterschiedliche Wellenlängen λ₁, λ₂ der gegenläufigen Lichtstrahlen
- räumlich getrennte Lichtstrahlen im Sensorkopf,
- inhomogene Doppelbrechungsverteilung.

Dabei sind dynamische und statische Doppelbrechung zu unterscheiden. Dy namische Doppelbrechung wird durch auf das Sensorelement wirkende Vibra tionen und mechanische Schocks hervorgerufen. Die resultierende Intensitäts modulation ist ungefähr proportional zur Wellenlänge im Quadrat. Zur Gewähr leistung hinreichender Reziprozität dürfen λ₁ und λ₂ höchstens um 20% differie ren, d. h.

Insgesamt ergibt sich mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen ein magneto optischer Stromsensor, bei dem die nicht reziproken Störungen einen weit gerin geren Einfluß ausüben, wodurch die Meßgenauigkeit des Sensors erheblich verbessert werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Magneto-optischer Stromsensor
2 Sensorelement
3 Stromleiter
4 erste Lichtquelle
5 zweite Lichtquelle
6 erste Zuleitungsfaser
7 zweite Zuleitungsfaser
8 erste Detektionseinheit
9 zweite Detektionseinheit
10 Übergangsstecker
11 Modenfilter
12 Stab
13 faseroptischer Koppler
14 Lichtwellenleiter
15 Strahlteiler

Claims

1. Magneto-optischer Stromsensor (1) umfassend

- ein Sensorelement (2), das einen Stromleiter (3) umschließt;
- mindestens eine erste und eine zweite Lichtquelle (4, 5), die einen ersten bzw. zweiten Lichtstrahl erzeugen, die das Sensorelement (2) gegenläufig durchlaufen und die über eine erste und eine zweite lichtleitende Zuleitungsfaser (6, 7) in das Sensorelement (2) einge koppelt werden;
- mindestens eine erste und zweite Detektionseinheit (8, 9), die eine von einer Polarisationsdrehung im Sensorelement abhängige In tensität des ersten bzw. zweiten Lichtstrahls nach Durchlaufen des Sensorelements (2) erfassen; dadurch gekennzeichnet, daß
- Modenfilter (11) vorgesehen sind, die unmittelbar vor den Detekti onseinheiten (8, 9) und allenfalls nach den Lichtquellen (4, 5) an geordnet sind.

2. Magneto-optischer Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Mehrzahl von Übergangssteckern (10) zur Ein- oder Auskoppelung der Lichtstrahlen von den Lichtquellen (4, 5) in die Zuleitungsfasern (6, 7) bzw. aus den Zuleitungsfasern (6, 7) in die Detektionseinheiten (8, 9) und/oder von den Zuleitungsfasern (6, 7) in das Sensorelement (2) bzw. aus dem Sensorelement (2) in die Zulei tungsfasern (6, 7) und/oder zwischen Abschnitten der Zuleitungsfa sern vorgesehen sind.

3. Magneto-optischer Stromsensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Faserenden in den Übergangsstecker (10) mit einem Schräganschliff im Bereich von 10° bis 18° versehen sind.

4. Magneto-optischer Stromsensor nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schräganschliff im Bereich von 14°-16° liegt und insbesondere 15° beträgt.

5. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß die Übergangsstecker (10) keinen Luftspalt zwischen den Faserenden und/oder die Faserkerne in den Übergangssteckern einen lateralen Versatz von kleiner gleich +/-10% des Faserdurchmessers aufweisen.

6. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mo denfilter (11) mehrere Windungen der Zuleitungsfasern (6, 7) mit kleinem Biegeradius umfassen.

7. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mo denfilter (11) einen Abschnitt der Zuleitungsfasern (6, 7) umfassen, in welchem die Zuleitungsfasern (6, 7) zwischen einer Mehrzahl von Stä ben (12) hindurch geflochten sind.

8. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mo denfilter (11) faseroptische Koppler (13) vorgesehen sind, die die ge genläufigen Lichtstrahlen vor den Lichtquellen (4, 5) bzw. Detekti onseinheiten (8, 9) aufteilen und deren numerische Apertur kleiner ist als diejenige der Zuleitungsfasern (6, 7).

9. Stromsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das Sensorelement (2) einen Glaskörper umfaßt, der den Stromleiter (3) umschließt.

10. Stromsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper vor Einbau in den Stromsensor getempert wurde.

11. Stromsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß sich die Wellenlängen der beiden gegenläufigen Lichtstrahlen um weniger als 20% unterscheiden.

12. Stromsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß zusätzliche Modenfilter 11 in beide Zuleitungsfa sern (6, 7) vor dem Sensorelement (2) eingeschaltet sind.