DE19624922A1

DE19624922A1 - Optisches Meßverfahren und optische Meßanordnung zum Messen einer Wechselgröße mit Temperaturkompensation mit Hilfe von Gleichsignalanteilen

Info

Publication number: DE19624922A1
Application number: DE1996124922
Authority: DE
Inventors: Peter Menke; Thomas Dr Bosselmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-06-21
Filing date: 1996-06-21
Publication date: 1998-01-08

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Messen eines Wechselgröße. Unter einer Wechselgröße wird da bei und im folgenden eine Meßgröße verstanden, die in ihrem Frequenzspektrum nur von Null verschiedene Frequenzanteile aufweist und somit insbesondere eine zeitlich veränderliche Meßgröße ist.

Es sind optische Meßanordnungen und Meßverfahren zum Messen einer Wechselgröße, insbesondere zum Messen eines magneti schen Wechselfeldes oder eines elektrischen Wechselstromes unter Ausnutzung des magnetooptischen Faraday-Effekts oder zum Messen eines elektrischen Wechselfeldes oder einer elek trischen Wechselspannung unter Ausnutzung des elektroopti schen Pockels-Effekts bekannt. In eine unter dem Einfluß der Wechselgröße stehende Sensoreinrichtung werden ein einziges oder zwei gegenläufige polarisierte Meßlichtsignale eingekop pelt. Die Polarisation der Meßlichtsignale wird in der Sen soreinrichtung in Abhängigkeit von der Wechselgröße geändert. Zur Analyse dieser Polarisationsänderung wird jedes Meßlicht signal nach wenigstens einmaligem Durchlaufen der Sensorein richtung einem Polarisationsanalysator zugeführt. Der Polari sationsanalysator kann das zugehörige Meßlichtsignal entweder in zwei linear polarisierte Lichtteilsignale mit unterschied lichen Polarisationsebenen aufteilen (zweikanalige Auswer tung) oder nur einen auf eine vorgegebenen Polarisationsrich tung projizierten Lichtanteil durchlassen. Aus den Lichtin tensitäten der beiden Lichtteilsignale oder des Lichtanteils wird ein Meßsignal für die Wechselgröße hergeleitet.

Ein Problem bei diesen bekannten optischen Meßsystemen sind Temperatureinflüsse. Temperaturänderungen führen nämlich zu Änderungen der linearen Doppelbrechung und der Meßempfind lichkeit in der Sensoreinrichtung. Eine lineare Doppelbre chung in der Sensoreinrichtung verfälscht jedoch den Polari sationszustand der Meßlichtsignale. Zur Verringerung der ge nannten Temperatureinflüsse sind einige Signalauswertungen bekannt, bei denen Gleichsignalanteile der Lichtintensitäten der vom Polarisationsanalysator gebildeten Lichtsignale ge bildet werden, die ein Maß für die Temperatur in der Sen soreinrichtung sind und keine Frequenzanteile der zu messen den Wechselgröße enthalten. Diese Gleichsignalanteile werden zusammen mit weiteren Signalen, die noch die Informationen über die Wechselgröße enthalten, jedoch auch temperaturabhän gig sind, zum Ableiten eines weitgehend temperaturunabhängi gen Meßsignals für die Wechselgröße verwendet (WO 94/24573, WO 94/24572, DE 44 36 454 A1, WO 95/10046, WO 96/12195). Ein Gleichsignalanteil eines Signals wird im allgemeinen durch zeitliche Mittelung über ein fortlaufendes Zeitintervall vor gegebener Intervallänge gebildet. Mathematisch entspricht der Gleichsignalanteil also dem zeitlichen Integral des Signals als Funktion der Zeit mit den Intervallgrenzen als Integrati onsgrenzen dividiert durch die vorgegebene Intervallänge (zeitlicher Mittelwert über das Zeitintervall). Bei einem si nusförmigen Signal entspricht die vorgegebene Intervallänge in der Regel einer Periode des Signals.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein optisches Meßverfahren und eine optische Meßanordnung zum Messen einer Wechselgröße anzugeben, bei denen Temperatureinflüsse auf das Meßsignal deutlich reduziert werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkma len des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3.

Das Verfahren zum Messen einer Wechselgröße gemäß der Erfin dung umfaßt folgende Verfahrensschritte:

a) polarisiertes Meßlicht durchläuft eine unter dem Einfluß der Wechselgröße stehende Sensoreinrichtung, die die Pola risation des Meßlichts in Abhängigkeit von der Wechselgrö ße ändert,
b) nach wenigstens einmaligem Durchlaufen der Sensoreinrich tung wird aus dem Meßlicht wenigstens ein elektrisches Si gnal abgeleitet, das ein Maß für den Polarisationszustand des Meßlichts ist,
c) das wenigstens eine elektrische Signal wird durch eine Si gnaltransformation in ein transformiertes Signal umgewan delt, das eine ungerade Funktion der zu messenden Wechsel größe ist,
d) es wird ein Gleichsignalanteil des transformierten Signals durch zeitliche Mittelung gebildet, der keine Frequenzan teile der Wechselgröße enthält,
e) aus dem Gleichsignalanteil und einem Signalanteil des transformierten Signals, der von der Wechselgröße abhängt, wird ein weitgehend temperaturunabhängiges Meßsignal für die Wechselgröße gebildet.

Die Anordnung zum Messen einer Wechselgröße gemäß der Erfin dung enthält

a) eine Sensoreinrichtung, die die Polarisation von polari siertem Licht in Abhängigkeit von der Wechselgröße ändert,
b) Mittel zum Einkoppeln von polarisiertem Meßlicht in die Sensoreinrichtung,
c) Mittel zum Ableiten wenigstens eines elektrischen Signals aus dem Meßlicht nach dessen wenigstens einmaligem Durch laufen der Sensoreinrichtung, wobei das elektrische Signal ein Maß für den Polarisationszustand des Meßlichts ist,
d) Mittel zur Signaltransformation des wenigstens einen elek trischen Signals in ein transformiertes Signal, das eine ungerade Funktion der zu messenden Wechselgröße ist,
e) Mittel zum Bilden eines Gleichsignalanteils des transfor mierten Signals durch zeitliche Mittelung, der keine Fre quenzanteile der Wechselgröße enthält,
f) Mittel zum Ableiten eines weitgehend temperaturunabhängi gen Meßsignals für die Wechselgröße aus dem Gleich signalanteil und einem Signalanteil des transformierten Signals, der von der Wechselgröße abhängt.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei den aus dem Stand der Technik bekannten Meßsystemen der Gleichsignalan teil eines elektrischen Signals insbesondere bei Änderungen der Winkelstellungen von Polarisator und Analysator auch von der Wechselgröße abhängen kann, was die erreichbare Meßgenau igkeit begrenzt. Diese überraschende Abhängigkeit des Gleich signalanteils von der Wechselgröße kommt durch eine uner wünschte Verschiebung des als Maß für den Polarisationszu stand des Meßlichts gebildeten elektrischen Signals als Funk tion der Wechselgröße zustande. Durch die Transformation des elektrischen Signals in eine ungerade Funktion der Wechsel größe vor dem Bilden des Gleichsignalanteils ist der Gleich signalanteil wieder unabhängig von der zu messenden Wechsel größe.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfah rens und der Anordnung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den jeweils abhängigen Ansprüchen.

Eine bevorzugte Signaltransformation des elektrischen Signals ist eine Linearisierung. Das transformierte Signal ist dann direkt proportional zur zu messenden Wechselgröße.

Das Verfahren und die Anordnung können zum Messen eines ma gnetischen Wechselfeldes eingesetzt, indem eine den magneto optischen Faraday-Effekt zeigende Sensoreinrichtung verwendet wird und das Meßsignal als Maß für das magnetische Wechsel feld herangezogen wird.

Das Verfahren und die Anordnung können aber auch zum Messen einer elektrischen Wechselspannung oder eines elektrischen Wechselfeldes eingesetzt werden, indem eine den elektroopti schen Pockels-Effekt zeigende Sensoreinrichtung verwendet wird und das Meßsignal als Maß für die elektrische Wechsel spannung oder das elektrische Wechselfeld herangezogen wird.

Besonders vorteilhaft sind das Verfahren und die Anordnung gemäß der Erfindung einsetzbar in Kombination mit den aus WO 94/24573, WO 94/24572, DE 44 36 454 A1, WO 95/10046 oder WO 96/12195 bekannten Ausführungsformen, die alle in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung miteinbezogen werden.

In der mit der WO 95/10046 kombinierten Ausführungsform wird beispielsweise das Meßlicht nach wenigstens einmaligem Durch laufen der Sensoreinrichtung in zwei linear polarisierte Lichtteilsignale mit unterschiedlichen Polarisationsebenen zerlegt (Zerlegung in Polarisationskomponenten). Aus den Lichtintensitäten der beiden Lichtteilsignale wird ein elek trisches, intensitätsnormiertes Signal P abgeleitet, das dem Quotienten aus einer Differenz und der Summe der beiden Lichtintensitäten entspricht. Dieses intensitätsnormierte Quotientensignal P wird linearisiert oder allgemein in ein transformiertes Signal P′ umgewandelt (transformiert), das eine ungerade Funktion der Wechselgröße X ist. Für die unge rade Funktion P′ gilt: P′(X) = -P′(-X). Für den Spezialfall der linearen Funktion gilt P′ (X) = a X mit der reellen Zahl a, die verschieden von Null ist. Nach dieser Signaltransfor mation werden der Gleichsignalanteil des transformierten Si gnals P′ durch zeitliche Mittelung gebildet und der Wechsel signalanteil des transformierten Signals P′ als Komplement des Gleichsignalanteils. Der Gleichsignalanteil des transfor mierten Signals P′ ist nun unabhängig von der Wechselgröße, während der Wechselsignalanteil alle Frequenzanteile der Wechselgröße enthält. Aus dem Gleichsignalanteil und dem Wechselsignalanteil des transformierten Signals P′ wird nun in der in WO 95/10046 beschriebenen Art und Weise ein tempe raturkompensiertes Meßsignal für die Wechselgröße abgeleitet.

Claims

1. Verfahren zum Messen einer Wechselgröße, bei dem

a) polarisiertes Meßlicht eine unter dem Einfluß der Wechsel größe stehende Sensoreinrichtung, die die Polarisation des Meßlichts in Abhängigkeit von der Wechselgröße ändert, wenigstens einmal durchläuft,
b) aus dem Meßlicht nach wenigstens einem Durchlauf durch die Sensoreinrichtung wenigstens ein elektrisches Signal abge leitet wird als Maß für den Polarisationszustand des Meß lichts,
c) das wenigstens eine elektrische Signal in ein transfor miertes Signal umgewandelt wird, das eine ungerade Funk tion der Wechselgröße ist,
d) ein Gleichsignalanteil des transformierten Signals durch zeitliche Mittelung gebildet wird, der keine Frequenz anteile der Wechselgröße enthält,
e) aus dem Gleichsignalanteil und dem transformierten Signal oder einem aus diesem transformierten Signal abgeleiteten Signal, das von der Wechselgröße abhängt, ein weitgehend temperaturunabhängiges Meßsignal für die Wechselgröße gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das transformierte Signal eine lineare Funktion der Wechselgröße ist.

3. Anordnung zum Messen eine Wechselgröße mit

a) einer Sensoreinrichtung, die den Polarisationszustand von polarisiertem Licht in Abhängigkeit von der Wechselgröße ändert,
b) Mitteln zum Einkoppeln von polarisiertem Meßlicht in die Sensoreinrichtung
c) Mitteln zum Ableiten wenigstens eines elektrischen Signals aus dem Meßlicht nach wenigstens einem Durchlauf durch die Sensoreinrichtung als Maß für den Polarisationszustand des Meßlichts,
d) Mitteln zur Transformation des wenigstens einen elek trischen Signals in ein transformiertes Signal, das eine ungerade Funktion der Wechselgröße ist,
e) Mitteln zum Bilden eines Gleichsignalanteils des trans formierten Signals durch zeitliche Mittelung, der keine Frequenzanteile der Wechselgröße enthält,
f) Mitteln zum Ableiten eines weitgehend temperaturunabhängi gen Meßsignals für die Wechselgröße aus dem Gleichsignal anteil und dem transformierten Signal oder einem aus die sem transformierten Signal abgeleiteten Signal, das von der Wechselgröße abhängt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, bei der das transformierte Signal eine lineare Funktion der Wechselgröße ist.