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Vorrichtung zum Messen der Drehung der Polarisationsebene eines lichtstrahls
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Drehung der Polarisationsebene
eines lichtstrahls, bestehend aus einer Lichtquelle, einem Polarisator, Einrichtungen,
welche den polarisierten Lichtstrahl durch einen eine Drehung seiner Polarisationsebene
um einen verhältnismässig geringen Winkel erzeugenden Stoff leiten, Einrichtungen
zur Ubertragung des aus diesem Stoff austretenden Lichtstrahls auf einen ein andere
Polarisationsebene als der Polarisator aufweisenden Analysator und Einrichtungen
zum Messen der von dem Analysator übertragenen Beleuchtungsstärke. Die Erfindung
betrifft insbesondere die Messung eines Magnetfeldes oder der Stromstärke eines
in einem Kabel fliessenden
elektrischen Stroms über das durch diese
Strom stärke erzeugte Magnetfeld.
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In der US-Patentschrift 3 324 393 wurde bereits vorgeschlagen, die
Stroistärke eines in eines elektrischen Hochspannungskabel fliessenden Stroms über
das Magnetfeld, das in dem Luftspalt eines das Kabel umgebenden Magnets erzeugt
wird, lithilfe der Ablenkung der Polarisationseinrichtung eines polarisierten Lichtstrahls
zu messen, dessen Richtung parallel zu der des Magnetfeldes ist. Zu diesem Zweck
wird ein vorzugsweise monochroaatischer Lichtstrahl durch einen Polarisator geleitet.
Anschliessend durchquert der Lichtstrahl einen Zylinder, der aus einem Stoff mit
hohem Verdet-Koeffizient, beispielsweise einem optischen Flintglas, besteht und
in den Magnetfeld des Luftspa2tB eines das Kabel umgebenden Magnets angeordnet ist,
und tritt dann in einen Analysator ein. Der aus dem Analysator austretende Lichtstrahl
wird auf eine Fotozelle geleitet, deren elektrisches Signal auf einen Verstärker
übertragen wird. Die Ausgangsspannung dieses Verstärkers wird zur Messung des in
dem Luftspalt des Magnets herrschenden Magnetfeldes und damit der Stromstärke des
in dem elektrischen Kabel fliessenden Wechael- oder Gleichstroms verwendet. Werden
die Voraussetzungen so gewählt, dass der Winkel zwischen der Schwingungsebene des
Lichts, deren Polarisierung magnetisch gedreht wurde, und der Ubertragungsebene
des Analysators zwischen 250 und 650 liegt, so ist die lusgangsspannung des Verstärkers
proportional zur Stromstärke des in dem Kabel fliessenden Gleich- oder Wechselstroms.
Dies führt in den meisten
Fällen der Messung magnetischer Wechselfelder
dazu, für den Winkel zwischen der Polarisationsebene des Polarisators und der das
Analysators etwa 450 zu nehmen.
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Mit derartigen Vorrichtungen kann das Magnetfeld oder die Stromstärke,
die dieses erzeugt, Jedoch nur dann genau gemessen werden, wenn der Winkel der durch
Einwirkung des Feldes bewirkten Drehung der Polarisationsebene des Lichtstrahls
verhältnismässig hoch ist. Wenn nämlich die Wirkung der Schwankungen der Ausgangsbeleuchtungsstärke
durch Reguliervorrichtungen oder entsprechende Differenzmessvorichtungen aus geschaltet
werden kann, so wird durch die Fotozellen und durch die Verstärker ein Grundgeräusch
erzeugt, das das Messsignal verdeckt wenn es gering ist.
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Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu soflaffen, lit welcher
die Drehung der Polarisationsebene eines Lichtstrahls oder eine diese Drehung bewirkende
Erscheinung, beispielsweise das Magnetfeld eines in einem Kabel fliessenden elektrischen
Strohs, selbst bei geringem Rotationswinkel mit hoher Genauigkeit gemessen werden
kann indem Massnahmen ergriffen werden, wodurch das Verhältnis von Signal zu Rauschen
so gross wie möglich wird. Zu dies ei Zweck ist die erfindungagemässe Vorrichtung
insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der absolute Wert des Sinus des Winkels
zwischen der Polarisationsebene des Polarisators und der des Analysators nahezu
1, Jedoch nicht genau gleich 1 ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Merkmal der Erfindung besteht darin, dass
der Winkel zwischen der Polarisationsebene des Polarisators und der des Analysators
etwa zwischen 550 und 1250 liegt, Jedoch nicht genau 900 beträgt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass
in der Bahn des Lichtstrahls am Austritt aus dem eine Drehung der Polarisationsebene
bewirkenden Stoff Einrichtungen zum Teilen des Lichtstrahls in zwei Teile, hinter
diesem angeordnete Einrichtungen zur Ubertragung dieser beiden Teile auf Analysatoren,
deren Polarisationsebenen bezüglich der des Polarisators symmetrisch sind, und Einrichtungen
zum Messen der Differenz der von den beiden Analysatoren übertragenen Beleuchtungsstärken
vorgesehen sind, und dass diese Messeinrichtungen Einrichtungen zur Ubertragung
der beiden aus den Analysatoren austretenden Teile des Lichtstrahls oder der von
diesen erzeugten Signale auf einen optischen Mischer, einen in der Bahn eines der
beiden Teile oder eines der beiden Signale befindlichen, verstellbaren Dämpfer und
Einrichtungen zum Messen des Dämpfungsgrades besitzt, der den Ausgleich der zum
Mischer gelangenden Beleuchtungsstärken oder Signale gestattet.
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Die Einrichtungen zur Messung der von dem Analysator übertragenen
Beleuchtungsstärke können Einrichtungen zur Erzeugung von elektrischen, zu den Beleuchtungsstärken
der von den Analysatoren übertragenen Nicht strahlen proportionalen Signalen und
Einrichtungen zum Vergleich dieser Signale enthalten.
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Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann zweckmässigerweise zur Messung
eines Magnetfeldes oder einer elektrischen Stromstärke durch Faraday-Effekt verwendet
werden, wobei die eine Drehung der Polarisationsebene des Lichtstrahls erzeugende
Substanz ein Stoff mit hoher Verdet-Konstante ist, der in diesem gegebenenfalls
durch diese Stromstärke erzeugten Magnetfeld angeordnet ist. Ferner ist die erfindungsgemässe
Vorrichtung zur Messung der Verdet-Konstante der magnetischen Drehungspolarisation
eines bestimmten Stoffes, indem eine Probe dieses Stoffes bestimmter Länge in ein
Magnetfeld gegebener Grösse eingeführt wird, sowie zur Messung des spezifischen
Drehungsvermögens einer crganischen Substanz anwendbar.
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In der erfindungsgemässen Vorrichtung können die bekannten, mit Brechung
arbeitenden Polarisatoren und Analysatoren verwendet werden (Nikols Glazebrook-Prismen
oder Glanprismen aus Schwerspat und dgl., oder künstliche, unter dem Warenzeichen
"Polaroid" bekannte Polarisatoren und Analysatoren aus Herapatitmoles-le enthaltendem
transpareenten Kunststoff). Als Stoff mit hoher Verdet-Konstante werden vorzugsweise
optisches dichtes Flintglas, Schwefelkohlenstoff, Halbleiter, Yttrium- und Eisengranat
und dgl verwendet, derer Konstanten einen verhältnismässig hohen Wert haben Weitere
Einzelheiten der Erfindung ergeben aieS : der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
einer Vorrichtung zur Messung der Stromstärke eines in einem elektrischen Kabel
fliessenden Stroms, wobei auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird. Auf
dieser Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
Vorrichtung zur Stromstärkemessung.
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Fig. 2 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform
der auf Fig. 1 unterhalb der Achse A-A' angeordneten Vorrichtung zur Analyse des
aus dem einen hohen Verdet-Koeffizient aufweisenden Stoffs austretenden Lichtstrahls.
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Bei der auf Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wird der Lichtstrahl,
der aus dem einen hohen Verdet-Koeffizient aufweisenden Stoffe austritt, in zwei
Teile geteilt.
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Diese beiden Teile werden Analysatoren zugeleitet, deren Polarisationsebener
bezüglich der des Polarisators symmetrisch sind. Hinter diesen Analysatoren sind
Fotozellen vorgesehen, die mit einem Differentialverstärker verbunden sind Die auf
Fig. @ Dargestellt@@@@@@ielte ausführungsform den Vorrichtung @@@@@ @@es des der
einer hoher Ver@ @@@@@ @@@@@@@@ule@ Stoff aus @@@nden Lich@@tr@@@@ @@@äl@ehen@ zwei
@@al@@atoren,deren Polarisationseben @@zügn@h der @e@ Polarisators symmetrisch sind.
Hierbei werfen die beiden aus den Analysatoren aus@retenden Teile des Lichts@rah@@
jedoch einem optisch-mecanischen Mischer @geleitet.
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Bei der auf Fig. @ dargestellten Virrichtung wird die Stromstärke
ein in dem elektrischen Kabel 1 fliessenden Stroms gemessen. Von einer Lichtquelle
2 wird ein Lichtstrahl auf ein optisches Sammelsystem 3 (schematisch durch eine
Linse dargestellt) und eine Lichtleitung 5 geworfen. Die Lichtleitung überträgt
den
Lichtstrahl auf den Polarisator 6 und einen aus einem Stoff
mit hoher Verdet-Konstante, beispielsweise aus schwerem Flintglas, bestehenden Zylinder
7. Diese Organe sind in dem Hochspannungsbereich 17 in Nähe des Kabels 1 angeordnet.
Der Zylinder 7 ist beispielsweise von einer Wicklung 8 des Kabels 1 umgeben, so
daß er sich in dem von dem in dem Kabel fliessenden Strom erzeugten Magnetfeld befindet.
In dem aus Flintglas bestehenden Zylinder wird die Polarisationsebene des Lichts
um einen geringen Winkel von beispielsweise einigen Grad gedreht.
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Der aus dem aus Flintglas bestehenden Zylinder 7 austretende Lichtstrahl
wird von einer Lichtleitung 5a zu einem optischen Sammelsystem 9 (schematisch durch
eine Linse dargestellt) geleitet. Anschließend gelangt er zu einem halbtransparenten
Spiegel 10, der beispielsweise eine teilweise verspielgelte Rückseite besitzt und
45° gegen die Achse @@@@allenden Lichstrahls geneigt ist. Dieser Spiegel teilt deD
Lichtstrahl ei Teile. Der erste Teil durchgefurt den Spiegel und gelangt zu einem
Anaöysator 11, desen Polarisationsrichtung mit der des Polarisators beispielsweise
einen Winkel von+85° bildet. Hinter dem Analysator 11 ist eine Fotozelle 12 vorgesehen,
die den übertragenen lichtfluß aufnimmt.
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Der andere Teil des Lichtstrahls wird an dem Spiegel 10 auf einen
Analysator 13 zu reflektiert, dessen Polarisationsrichtung mit der des Polarisators
einen Winkel von etwa -85° bildet. Die Fotozelle 14 nimmt den übertragenen Lichtfluss
auf. Die beiden Fotozellen 12 und 14 sind in Differentialschaltung mit dem elektrischen
Verstärker 15 verbunden, der dem zur Messvorrichtung
führenden Kabel
ein Signal liefer, das zur Differenz der von den Analysatoten 11 und 13 übertragenen
Beleuchtungsstärken proportional ist.
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Die auf Fig. 2 dargestellte Vorrichtung enthält ebenfalls einen halbtransparenten
Spiegel 10, der gegen die Achse des einfallenden Lichtstrahls um 450 geneigt ist,
sowie zwei Analysatoren 11 und 13, deren Polarisationsebenen bezüglich der Polarisationsebene
des auf Fig. 1 dargestellten Polarisators 6 symmetrisch sind. Der an dem Spiegel
10 reflektierte und auf den Analsator 13 übertragene Te;il des Lichtstrahls wird
von einem vollständig verspiegelten Spiegel 17 um 90° abgelenkt.Dieser Teil durchquert
anschliessend einen Verschiebungskompensator 19 und fällt auf die Fläche eines optischmechanischen
Mischers, der sich in Pfeilrichtung um seine Achse 22 dreht. An dieser Fläche wird
dieser Teil des Lichtstrahls reflektiert, wenn er auf einen reflektierenden Sektor
23 dieses Mischers auftrifft In diesei Fall wird er der Fotozelle 24 zugeleitet.
Der von dem Spiegel 10 und dem Analysator 11 übertragene Teil des Lichtstrahls durchquert
einen mit einem Einstellorgan 21 versehenen Dämpfer 20 und wird anschliessend durch
zinken vollständig verspiegelten Spiegel 18 im rechten Winkel abgelenkt und auf
den optisch-mechanischen Mischer 22 geworfen. Dieser Teil durchquert die Fläche
des Mischers, wenn er auf einen nicht reflektierenden Sektor fällt, und gelangt
dabei zur Fotozelle 24. Der Konpensator 20 wird vorzugsweise von der Ausgangsspannung
der Fotozelle 24 gesteuert, so daß diese auf einem konstanten Wert gehalten wird.
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Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche 2aderungen der oben beschriebenen
Vorrichtung zur Messung einer elektrischen Stromstärke möglich. Insbesondere kann
das Magnetfeld in dem Luftspalt eines das elektrische Kabel umgebenden Magnets erezeugt
werden. Ferner kann die Stromstärke dadurch gemessen werden, daß in der Bahn des
aus dem Stoff mit hoher Verdet-Konstante austretenden Lichtstrahls ein diesem Zylinder
ähnlicher Zylinder angeordnet wird; dieser ist von einer Wicklung umgeben, die von
dem am Ausgang der Foto zellen angeordneten Verstärker gespeist wird und deren Speiseanschlüsse
so gewählt sind, daß das von dieser Wicklung erzeugte Magnetfeld im wesentlichen
gleich gross wie das von der gemessenen Strom stärke erzeugte Magnetfeld, jecodhc
diesem entgegengesetzt ist. Die diese zweite Wicklung speisende Stromstärke ist
hierbei proportional zu der zu messenden Stromstärke. Ferner kann dat Kabel, dessen
Stromstärke gemessen werden soll, eine zweite Wicklung bilden. die so gewickelt
ist, dass sie ein gleich grosses und entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt, welches
einen zwei ten Zylinder aus einem Stoff mit hoher Verdet-Konstante umgibt, den ein
zweiter Lichtstrahl mit derselben Beleuchtungastärke wie der erste durchquert. Dadurch
werden Störungen durch Störmagnetfelder oder Schwankungen der Beleuchtungsstärke
ausgeschaltet. Schliesslich kann der Einfluss des Altern dadurch ausgeschaltet werden,
dass beispielsweise auf die in der obengenannten US-Patentschrlft 3 324 393 beschriebenen
Weise der die Lichtquelle speisende Strom durch den Ausgangsstrom des Verstärkers
gesteuert wird.