DE19639944A1 - Optische Meßvorrichtung für elektrische Felder/Spannungen mit verringerter Temperaturabhängigkeit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrich­ tung entsprechend der obigen Bezeichnung, in der der Effekt elektrooptischer Doppelbrechung nach Pockels dazu benutzt wird, elektrische Feld-/Spannungsmessung, insbesondere im Be­ reich von Mittelspannungen und Hochspannungen, auszuführen. Bei diesen prinzipiell bekannten Meßvorrichtungen läßt man einen optischen (vorzugsweise Licht-)Strahl mit zirkularer Polarisation durch einen diesen Effekt aufweisenden Pockels- Kristall hindurchtreten. Das Maß der elektrooptisch induzier­ ten Doppelbrechung, das mit Hilfe eines hierfür üblichen Ana­ lysators detektiert wird, ist auch ein Maß für die im Poc­ kels-Kristall wirksam gewordene elektrische Feldstärke bzw. für die an dafür vorgesehenen Elektroden des Kristalls anlie­ gende elektrische Spannung. Die bekanntermaßen auftretenden zwei Teilstrahlen als Ausgangssignale des Analysators werden optoelektronischen Wandlern zugeführt und die daraus gewonne­ nen elektrischen Signale in an sich bekannter vielfältiger Weise für Meßanzeigen oder als Regelgröße signalverarbeitet.

Es gibt elektrooptisch wirksame Pockels-Kristalle, die zu­ sätzlich zu diesem Doppelbrechungseffekt auch noch die Eigen­ schaft optischer Aktivität besitzen. Diese Eigenschaft be­ wirkt, daß in dem betreffenden Kristall verlaufende optische Strahlung, die mit einer bestimmten Polarisation in den Kri­ stall eingetreten ist, in dem Kristall eine Drehung dieser Polarisation erfährt, so daß die aus dem Kristall wieder aus­ tretende Strahlung (bei Außerachtlassung sonstiger optischer Effekte, wie z. B. der elektrooptischen Eigenschaft) eine dem Strahlungseintritt gegenüber um einen Winkel ρ gedrehte Pola­ risation besitzt. Z.B. ist diese optische Aktivität bei im Kristall herrschender elektrischer Feldstärke gleich null zu beobachten.

Ein für einschlägige Meßvorrichtungen häufig verwendetes Kri­ stallmaterial ist Bi₁₂SiO₂₀ (= BSO). Dieses Material ist be­ kanntermaßen auch wie voranstehend beschrieben optisch aktiv.

Eine einschlägige optische Meßvorrichtung ist prinzipiell, bezogen auf den verwendeten einfallenden Meß-Lichtstrahl, als eine optische Reihenschaltung mit einem Polarisator (sofern das Meßlicht nicht bereits als linear polarisierte Strahlung einfällt), mit einem λ/4-Phasenschieber (im Regelfall ein λ/4-Plättchen) mit dem elektrooptischen Pockels-Element (vorzugsweise ein BSO-Kristall) und mit einem Analysator (zur polarisierten Strahlungsteilung in die erwähnten Teil­ strahlen) aufgebaut. Weitere folgende Teile der Meßvorrich­ tung sind wie bekannt, elektronischer Art für die Signalver­ arbeitung der in den Teil-Strahlen enthaltenen Intensitäts-Werte.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß in der hier ange­ gebenen Reihenschaltung die optische Elemente bekanntermaßen in ihrer Reihenfolge auch vertauscht angeordnet sein können.

Weitere Einzelheiten zum bekannten Aufbau und zur bekannten Verwendung sind z. B. den Druckschriften DE-C 34 04 608, EP-A- 0 586 226 und EP-B-0 083 196, insbesondere den in diesen Druckschriften beschriebenen speziellen Ausführungsformen, zu entnehmen.

Abgesehen von einer Temperaturabhängigkeit der optischen Ak­ tivität und einer Temperaturabhängigkeit des elektrooptischen Pockels-Effekts des Pockels-Elements der Meßvorrichtung un­ terliegt eine solche Vorrichtung auch einer solchen Tempera­ turbeeinflussung des jeweiligen Meßwertes, die in einer Tem­ peraturabhängigkeit des bekanntermaßen verwendeten λ/4-Phasenschieber, dem z. B. bereits erwähnten λ/4-Plättchen, be­ gründet ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Temperaturab­ hängigkeit des Meßergebnisses einer einschlägigen Meßvorrich­ tung zu verringern. Im Stand der Technik sind dazu zahlreiche Vorschläge gemacht worden, die sich auf den elektronischen Auswertebereich, d. h. auf die elektronische Signalverarbei­ tung beschränken. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, insbesondere auch zusätzlich zu solchen elektronischen Maß­ nahmen, im optischen Teil der Meßvorrichtung wirksam werdende Maßnahmen anzugeben, die die Temperaturbeeinflussung des Me­ ßergebnisses verringern.

Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen des Patentanspruchs ge­ löst.

Im Zusammenhang mit der Entwicklungstätigkeit auf dem ein­ schlägigen Gebiet wurde festgestellt, daß der größenordnungs­ mäßig überwiegende Temperatureinfluß durch den bekanntermaßen verwendeten λ/4-Phasenschieber bewirkt wird.

Eine Erläuterung der Erfindung wird anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zur Erfindung gegeben.

Fig. 1 zeigt eine auf an sich bekanntem Prinzip beruhende Meßvorrichtung zur Ausführung der Erfindung.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße, auf die Orientierung der optischen Achsen des Analysators bezogene Orientierung und Bemessung des Polarisators 11 und des λ/4-Phasenschiebers 14, die zusammen die Aufgabe lösen.

Die Fig. 1 zeigt den planaren Aufbau einer optischen Reihen­ schaltung mit einem die einfallende Strahlung linear polari­ sierenden Element 11 mit der mit 11a angegebenen Orientierung seiner Polarisations-Ausrichtung, mit einem λ/4-Phasenschieber 14, der aufgrund seiner optischen Achsen 14 b und 14c zirkular polarisierte Strahlung 14a liefert, mit einem elektrooptisch wirksamen Pockels-Kristall 15, der auch optisch Aktivität aufweist, und mit einem üblichen Analysator 16, dessen optische Achsen mit 16a und 16b bezeichnet und wie üblich zu einer Basis orientiert sind. Mit 12 ist der Weg der Lichtstrahlung innerhalb dieser Reihenschaltung bezeich­ net. In Richtung des Weges der Lichtstrahlung 12 hat das Poc­ kels-Element 15 eine Länge L. Für technisch günstige Einkopp­ lung der eingestrahlten Meß-Lichtstrahlung 12 und zur verein­ fachten Auskopplung der das Meßsignal enthaltenden aus treten­ den Teil-Strahlungen 17₁ und 17₂ sind Umlenkprismen 10 und 17 zusätzlich vorgesehen und ist der Analysator 16 in an sich bekannter Weise auch zur rechtwinklig zur Strahlung 12 erfol­ genden Auskopplung der einen Teil-Strahlung 17₁ ausgebildet.

Mit 19 ist die auf der einen Oberfläche c des Pockels-Elements 15 in der Figur sichtbare angebrachte Elektrode be­ zeichnet. Zwischen dieser Elektrode 19 und der auf der gegen­ überliegenden Seite des Pockels-Elements 15 angebrachten Ge­ genelektrode kann die zu messende elektrische Spannung ange­ legt werden, deren Feldausrichtung mit E bezeichnet ist.

Mit 20 ist die Basis-Montageplatte dieses planaren Aufbaus gemäß Fig. 1 bezeichnet.

Fig. 2 zeigt in Richtung des Strahlweges 12 der optischen Reihenschaltung der Fig. 1 gesehen die erfindungsgemäße Ori­ entierung des linearen Polarisators 11 und des λ/4-Phasenschieber 14 bezogen auf die Achsen des Analysators 16, und damit auf die Basisplatte 20. Als Bezugsausrichtung sind die zueinander orthogonalen optischen Achsen 16a und 16b des Analysators 16 angegeben. Zum Beispiel ist die Achsrich­ tung 16b in die Ebene der Oberfläche der Montageplatte 20 gelegt, was für den dargestellten planaren Aufbau und dessen technischen Einsatz von Vorteil ist. Mit 14b und 14c sind Ausrichtungen der beiden zueinander orthogonalen optischen Achsen des als λ/4-Phasenschieber verwendeten λ/4-Plättchens angegeben. In der Praxis üblich, ist die Ausrichtung der li­ nearen Polarisation 11a des Linearpolarisators 11 mit 45°, d. h. die Richtungen 14b und 14c winkelhalbierend, ausge­ richtet.

Es ist dem Fachmann wohl bekannt, daß die Polarisation 11a zu den Achsen 14b und 14c in wie angegebener Weise vorzu­ sehen ist. Keinerlei Hinweis ist jedoch auf eine besondere Funktion der Meßvorrichtung und hinsichtlich irgendwelcher Vorteile derselben bekannt, die Ausrichtungen 11a, 14b und 14c anders als oben bekannt auszuwählen, und zwar bezogen auf die optischen Hauptachsen 16a und 16b des Analysators (die technisch zweckmäßigerweise wie angegeben zur Grundplat­ te 20 orientiert sind).

Es ist festgestellt worden, daß eine wie in Fig. 2 gezeigte Winkelausrichtung α der linearen Polarisation 11a (und damit der Achsen 14b und 14c des λ/4-Phasenschieber) zur Achsaus­ richtung 16a, 16b (und damit zur Basisebene 20) von besonde­ rem Vorteil ist, nämlich man damit die Temperaturabhängigkeit der Meßvorrichtung verringern kann. Erfindungsgemäß ist die­ ser Winkel α für Verringerung der Temperaturabhängigkeit der Meßvorrichtung von der Länge L des elektrooptischen und zu­ sätzlich optisch aktiven Pockels-Kristalls 15 abhängig, näm­ lich wie dies die Formel angibt:

α = (Ψ + 45° ± n _* 90°)-ρ.

Darin ist Ψ die Ausrichtung der Achse 16 a zur Basisebene 20 (z. B. = 90 oder 0°), n eine ganze Zahl = 1, 2, . . . und ist ρ ein Winkelmaß, das (matertialinvariant) die Länge L festlegt. Das Maß ρ ist die resultierende/integrale Winkeldrehung, die die Strahlung 12 im Pockels-Kristall 15 aufgrund der opti­ schen Aktivität des Kristallmaterials bei Durchtritt der Strahlung 12 über die Länge L durch den Kristall hindurch er­ fährt. Zu messen ist diese Größe z. B. beim Feld E = 0 (wobei dann elektrooptischer Effekt eliminiert ist).

Wie ersichtlich, ist die erfindungsgemäße Lehre auf Meßein­ richtungen mit Pockels-Kristall mit optischer Aktivität an­ wendbar, wobei sie nicht nur für die bevorzugt verwendeten kubischen Kristalle, wie z. B. BSO, BGO sondern auch für Kri­ stalle anderer Kristallgruppen gilt z. B. α-Quarz.

Nachfolgend werden zwei quantitative Ausführungsbeispiele ge­ geben. Die Länge des Kristalls 15 entspreche einer optisch aktiven Drehung der Polarisation ρ = 81,6°. Der Polarwinkel des E-Feldes zum Gittersystem hat den Wert Φ = 118,75°. Es ist dies ein Beispiel, bei dem eine Meßvorrichtung mit BSO-Kristall ein Maximum der Kleinsignalempfindlichkeit aufweist. Ein zweites Beispiel hat eine Kristallänge entsprechend ρ = 103° mit einem Polarwinkel des E-Feldes Φ = 80°. Eine solche Ausrichtung entspricht einer angenähert maximalen Kleinsigna­ lempfindlichkeit bei extrem linearisierter Kennlinie (für Kleinsignale). Für beide Ausführungsbeispiele beträgt der Winkel α jeweils (45° + n·90°)-ρ, wobei die Ausrichtung Ψ (16a, 16b) gleich 0° ist.

Claims (2)

1. Elektrooptische Meßvorrichtung für elektrische Spannungs-/Feldstärkewerte, mit, jeweils auf einer Basisplatte (20) angeordnet,
einem elektrooptischen (Pockels-)Kristall (15) mit optischer Aktivität (ρ),
einer in dem Strahlengang (12) der Meß-Lichtstrahlung im Kris­ tall (15), diesem vorausgehend angeordneten Zirkularpolari­ satoreinrichtung, bestehend aus linearem Polarisator (11) und um 45° zu dessen Polarisatorachse (11a) gedrehtem λ/4-Phasenschieber (14) und
einem dem Kristall nachfolgend angeordneten Analysator (16) gekennzeichnet dadurch,
daß der Polarisator (11) bzw. seine Polarisationsebene der linearen Polarisation (11a) und damit auch der Phasenschieber (14) zur Basisplatte (20) im Winkel α gedreht positioniert sind mit
α = (Ψ + 45° ± n·90°)-ρ, worin Ψ der Winkel der Ausrichtung der optischen Hauptachse (16a/16b) des Analysators (16) zur Ba­ sisplatte (20) ist,
n eine ganze Zahl 1, 2, . . . ist und
ρ das Winkelmaß ist, um das im elektrooptischen Kristall (16) über dessen Länge L hinweg aufgrund der optischen Aktivität des Materials des Kristalls, eine integrale Drehung der Pola­ risationsebene durch den Kristall hindurchgetretener Strah­ lung (12) erfolgt.

2. Elektrooptische Meßvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel Ψ = 0° bzw. 90° entsprechend paralleler und senkrechter Orientierung der optischen Achsen (16a, 16b) des Analysators (16) zur Ebene der Basisplatte (20) beträgt.