Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur
optischen Messung einer elektrischen Spannung, vorzugsweise einer
Hochspannung.
Konventionelle Spannungswandler, die zur Messung von Hochspannungen in
energietechnischen Anlagen eingesetzt werden, basieren auf einem induktiven
Meßprinzip, gegebenenfalls werden zusätzlich kapazitive Spannungsteiler
verwendet. Bei herkömmlichen Wandlern steigt der Isolationsaufwand
überproportional mit der Übertragungsspannung der Energieversorgungsnetze
(siehe A. J. Schwab, "Hochspannungsmeßtechnik"). Im Zuge zunehmender
Digitalisierung der den Wandlern nachgeordneten Meßtechnik, die im
allgemeinen niedrigere Störschwellen aufweist als herkömmliche analoge
Meßtechnik, gewinnt die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) an
Bedeutung. Aufgrund der induktiv/kapazitiven Kopplung von Primärebene
(Netzseite) zu Sekundärebene (Meß- und Steuerungsseite) bei herkömmlichen
Spannungswandlern gestaltet sich deren Einsatz in Verbindung mit digitaler
Netztechnik unter EMV-Gesichtspunkten problematisch (siehe H. Hirsch,
"Polarimetrische faseroptische Stromwandler"). Im Vergleich zu herkömmlichen
Wandlern ist der Rohstoffeinsatz aufgrund der kleinen Größe von optischen
Baugruppen gering. Optische Wandler benötigen zur Isolierung prinzipiell kein
Öl, so daß die Gefahr einer Ölverseuchung angrenzender Erdmassen im Fall
einer Wandlerexplosion bei netz- oder geräteseitigen Fehlern nicht existiert.
Allgemein bekannt sind bereits optische Meßverfahren aus verschiedenen
Druckschriften, die die Messung von elektrischen Feldern und elektrischen
Spannungen über den Pockels-Effekt an elektrooptischen Kristallen
durchführen. Dabei ändern sich die physikalischen Eigenschaften eines
elektrooptischen Mediums in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke
derart, daß der Polarisationszustand der durch das Sensormedium sich
ausbreitenden optischen Welle durch eine vom elektrischen Feld induzierte
lineare Doppelbrechung beeinflußt wird. Mit Hilfe einer optischen Anordnung,
bestehend aus einem Polarisator, einem Verzögerungselement, einem
elektrooptischen Material und einem Analysator ist in Verbindung mit
elektronischen Auswertemitteln das Meßsignal zwecks Bestimmung der
elektrischen Spannung transversal oder parallel zur Ausbreitungsrichtung der
optischen Welle ermittelbar. Um eine Trennung der Nutzgröße elektrische
Spannung von den Störgrößen - nicht zeitlich konstante Dämpfung entlang des
optischen Signalpfades, Temperaturabhängigkeiten von Parametern der
eingesetzten optischen Bauteile - zu ermöglichen, wird der optische Signalweg
in mehr als einen Teilstrahl geteilt. Die Teilstrahlen werden über verschiedene
optische Elemente separaten Empfängern zugeführt und die detektierten
Signale werden nach geeigneter Verarbeitung mit analogen elektronischen
Mitteln gegebenenfalls einer digitalen Signalverarbeitung unterzogen.
In DE 44 36 454 wird polarisiertes Meßlicht durch eine Pockel's-Sensor
einrichtung, die unter dem Einfluß des Wechselfeldes oder der
Wechselspannung steht, auf einen Strahlteiler geleitet, der die optische Welle
in zwei unterschiedliche Polarisationsebenen aufteilt. Das in der
Ausführungsform angegebene Verfahren nutzt zur Messung des elektrischen
Feldes den transversalen elektrooptischen Effekt (Fig. 1) aus. Das Verfahren
eignet sich zur Messung von Spannungen, die transversal über dem
Sensorkristall abfallen. Eine Meßbereichsanpassung ist über eine Änderung
der Kristallänge möglich, jedoch ist die maximal zu messende Spannung durch
die elektrische Festigkeit des Sensorkristalls beschränkt. Wegen der in der
Praxis begrenzten Kristallabmessungen ist die Messung von Hochspannungen
über den transversalen elektrooptischen Effekt technologisch sehr aufwendig,
die Messung von "kleinen" Spannungen unterhalb der elektrischen Festigkeit
des Kristallmaterials jedoch durch die Sensitivitätserhöhung durch
Verlängerung des Kristalls sinnvoll.
Nach der DE-OS 44 16 298 wird eine Ausführungsformen des Meßverfahrens
und der durchführenden Vorrichtung beschrieben, die den longitudinalen
elektrooptischen Effekt ausnutzt. Eine zu messende elektrische Spannung ruft
ein elektrisches Feld im Kristall hervor, dessen Feldlinien parallel zur
Ausbreitungsrichtung des Meßlichtes verlaufen. Aufgrund der maximal
technologisch möglichen Kristallabmessungen und der damit verbundenen
begrenzten elektrischen Festigkeit steigt der Isolationsaufwand bei Messungen
von elektrischen Spannungen im Bereich der maximalen elektrischen Festigkeit
der Anordnungen beträchtlich.
In DE-Patentschrift 41 00 054 wird ein optischer Meßwandler vorgestellt, der
über eine Magnetfeldbestimmung ein Maß für den elektrischen Strom liefert
und mittels eines eingebauten kapazitiven Teilers den Spannungsabfall an
einer Teilkapazität als Maß für die elektrische Spannung heranzieht. Die
Bestimmung der elektrischen Spannung erfolgt nur dann exakt, solange das
angegebene Teilungsverhältnis, bestimmt durch Ober- und
Unterspannungskapazität, konstant bleibt. Da eine räumlich ausgedehnte
Unterspannungskapazität eingesetzt wird, kann die Kapazität durch eine
Feldverzerrung beeinflußt werden, so daß das Teilungsverhältnis des
Meßwandlers verändert wird. In der Praxis kann im allgemeinen nicht von
konstanten Feldverteilungen ausgegangen werden.
In DE-EB 34 04 608 wird eine Vorrichtung zur optischen Messung der
elektrischen Feldstärke beschrieben, die über ein Übertragungselement eine
optische Welle einer Sensoreinrichtung für ein elektrisches Feld zuführt, die
den Modulationsgrad der optischen Welle in Abhängigkeit von der elektrischen
Feldstärke ändert. Es wird darauf verwiesen, daß die verwendeten
Sensorkristalle der Gruppe 23 und 43m eine geringe Abhängigkeit des
optischen Effekts von der Temperatur aufweisen, jedoch findet keine
vollständige Kompensation des Temperatureinflusses statt.
In der DE-Patentschrift 30 39 136 wird eine Einrichtung zum Messen einer
Spannung und eines elektrischen Feldes unter Verwendung von Licht
angegeben. Die Patentschrift erläutert die Verwendung eines beispielsweise
Wismuthgermaniumoxid-Kristalls zur Spannungs- und Feldmessung. Es wird
angegeben, daß die Temperaturabhängigkeiten der materialspezifischen
Konstante Vπ mit ca. 0.01%/K angenommen werden kann. Bei einem
Temperaturbereich von ΔT = 100 K kann demzufolge der Fehler 1% betragen.
Für Anwendungen mit höheren Genauigkeiten ist nicht nur eine Kompensation
der Temperaturcharakteristik des Sensorkristalls, sondern auch der der
Verzögerungsplatte notwendig.
In der DE-EB 28 45 625 wird eine Anordnung zur elektrooptischen
Spannungsmessung beschrieben, bei der der longitudinale lineare
elektrooptische Effekt an einer piezoelektrischen Faser ausgenutzt wird und
durch die räumliche Ausdehnung der Kristallfaser die optischen Auswirkungen
der Feldstärkeverteilung entlang der Faser integriert werden. Nach dem
heutigen Stand der Technik ist eine derartige Kristallfaser zur Zeit kommerziell
nicht erhältlich, so daß dieses Verfahren zur Spannungsmessung in der Praxis
großserientechnisch sich bisher nicht durchgesetzt hat.
Nach der DE-EB 21 31 224 ist eine Einrichtung zur Messung von Spannungen
an Hochspannungsleitern bekannt, zu der angegeben wird, daß das zur zu
messenden Spannung proportionale elektrische Feld die Polarisationsebene
von polarisiertem Licht verändert, das in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt
ist. Es wird eine Anordnung vorgeschlagen, bei der zur Vergrößerung des
Effekts der Lichtwellenleiter mäanderförmig geführt ist. Bei dieser Realisierung
ist eine große Temperaturabhängigkeit des Meßsignals zu erwarten, die durch
die durch Biegung induzierte lineare Doppelbrechung des Lichtwellenleiters
verursacht wird.
Die DE-EB 1591976 beschreibt eine elektrisch-optische Spannungs-
Reduziervorrichtung und ihre Anwendung zum Messen von Spannungen.
Dabei wird die Polarisation eines Lichtbündels, das eine Anzahl
elektrooptischer Zellen durchquert, die elektrisch in Reihe geschaltet sind,
geändert und mittels einer Pockel's Zelle über eine Kompensationsschaltung
ausgelesen. Die beschriebene Anordnung stellt im Prinzip einen ohmsch/kapazitiven
Teiler dar, dessen Spannungsabfälle über Teilkapazitäten optisch
ausgelesen werden. Das Verfahren birgt den Nachteil, daß
Temperaturabhängigkeiten der optischen Elemente nicht kompensiert werden
und daß die vorgeschlagene Vorrichtung technologisch aufwendig und damit
kostenaufwendig hergestellt werden muß, da neben den Kosten für den
optischen Aufbau die Kosten für den Spannungsteiler anfallen. Ferner macht
die Kompensationsschaltung eine Zuführung einer sekundären elektrischen
Spannung notwendig.
In DE 44 36 181 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer
elektrischen Wechselgröße mit Temperaturkompensation durch Fitting
angegeben. Es wird eine Normierungsschaltung vorgeschlagen, die den
Quotienten aus Wechsel- zu Gleichsignalanteil des Intensitätssignals der vom
Empfängern detektierten optischen Welle bilden. Zur Durchführung dieser
Funktion wird ein Dividierer verwendet. Es werden keine Maßnahmen zur
Unterdrückung der Auswirkungen von Toleranzen der Bauteile in der
Normierungsstufe angegeben.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Einrichtung zum
Messen einer elektrischen Wechselspannung mit Hilfe des elektrooptischen
Effekts zu schaffen, bei der die Messung unter Freiluftbedingungen auch in der
Hoch- und Höchstspannungsebene auf technologisch einfache Art
durchgeführt werden kann. Das Verfahren und die Einrichtung sollen
Maßnahmen enthalten, die die Auswirkungen von Temperaturänderungen auf
optische und elektrische Parameter der Einrichtung reduzieren. Zwecks
Kostensenkung und Erhöhung der Produktionsstückzahlen wird ein modular
skalierbarer Aufbau angestrebt.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren und eine Einrichtung zur
Messung einer elektrischen Wechselspannung vorgeschlagen wird, das unter
Verwendung mindestens einer Lichtquelle und mindestens einer optischen
Übertragungsstrecke wenigstens ein Sensorelement und Auswertemittel unter
Ausnutzung des Pockel's-Effekts benutzt. Das Sensorelement beinhaltet
mindestens ein Sensoraktivteil. Die an dem Sensorelement anliegende
Spannung fällt an der Anzahl NSA (NSA größer oder gleich 1) von
Sensoraktivteilen ab, so daß die an dem (den) Sensoraktivteil(en)
abfallende(n) Teilspannung(en) USA,1 . . . USA,NSA gemessen werden und zur
weiteren Verarbeitung zur Verfügung stehen. Es wird eine Anzahl NSE (NSE
größer oder gleich 1) von Sensorelementen eingesetzt, so daß die Summe der
an ihnen abfallenden Teilspannungen USE,1 . . . USE,NSE zur Verfügung steht und
zur Ermittlung der zu messenden Gesamtspannung verwendet wird. Die
Teilspannungen USE,1. . . . USE,NSE setzen jeweils sich wiederum aus einer Summe
von Teilspannungen USA,1 . . . USA,NSA zusammen.
Von einer Lichtquelle erzeugtes Meßlicht durchdringt ein aus mindestens zwei
Sensorkristallen bestehendes Sensoraktivteil, an dem eine elektrische
Spannung abfällt. Der Polarisationszustand des Meßlichts wird nach
Durchlaufen der Sensorkristalle einer weiteren Verwendung zugeführt zur
Verarbeitung von Informationen, die nach geeigneter Auswertung ein Maß für
die elektrische Spannung, die über die Sensorkristalle abfällt, darstellen, wobei
die Anzahl NSK der Sensorkristalle auf der Meßstrecke, bezogen auf die
Inhomogenität der elektrischen Feldverteilung, hinreichend groß gewählt wird
und die Länge der Meßstrecke in derselben Größenordnung liegt wie die
Länge der Strecke, über die die zu messende Spannung abfällt. Das
Sensoraktivteil beinhaltet mindestens ein temperaturabhängiges optisches
Element, das eine optische Aktivität aufweist. Die Temperaturabhängigkeit der
optischen Aktivität wird als Maß für die am temperaturabhängigen optischen
Element herrschende Temperatur für die Bewertung der Meßwerte zur
Verfügung gestellt wird. Das Sensoraktivteil ist so ausgebildet, daß die darin
enthaltenen Sensorkristalle hintereinander in derselben kristallographischen
Orientierung befindlich von einem einzigen Lichtstrahl durchstrahlt werden und
die Auswirkungen der elektrooptischen Effekte in den Einzelkristallen addiert
werden, sowie die Summenwerte als Basis für die Ermittlung der am
Sensoraktivteil anliegenden Spannung bereitstehen und verwandt werden. Das
Sensoraktivteil weist einen Träger auf, der zur Halterung und Justierung der
eingesetzten Kristalle dient.
Die von den Sensoraktivteilen übermittelten optischen Wellen werden
detektiert und jeweils als Signal I über eine in zweckentsprechenden
Auswertemitteln enthaltene Baugruppe in ein Signal IN umgewandelt, indem
das Signal I aus einem Wechselanteil IAC als kennzeichnende Größe besteht,
die sich mit der Frequenz der zu messenden Spannung zeitlich ändert, deren
Zeitkonstante mit TAC bezeichnet wird und die Änderung des Gleichanteiles IDC
als weitere kennzeichnende Größe des Signals I mit der Zeitkonstante TDC
beschrieben wird, wobei die Zeitkonstante TDC deutlich größer ist als TAC und
die Normierung über eine Multiplikation vom Signal I mit einem Faktor K in der
Art und Weise geschieht, daß der Gleichanteil von IN den vorgegebenen Wert
eines Referenzsignals Vref annimmt und der zur Aufbereitung verwendete
Faktor K in einer geschlossenen Regelschleife ermittelt wird.
Es ist ebenso möglich anstatt des Gleichanteils den Spitzenwert zu erfassen
und weiter zu verwenden.
Eine zweckentsprechende Einrichtung zur Messung der elektrischen
Spannung, bei dem die elektrische Spannung eine Wechselgröße ist, verfügt
mindestens über eine Lichtquelle, mindestens eine optische
Übertragungsstrecke, mindestens ein Sensoraktivteil und über Auswertemittel
unter Ausnutzung des Pockel's-Effekts. Das Sensoraktivteil verfügt über
mindestens zwei elektrooptische von einem polarisierten Meßlicht
durchdrungene Sensorkristalle, denen ein temperaturabhängiges optisches
Element nachgeordnet sein kann. Die von einem polarisierten Meßlicht
durchdrungenen Kristalle sowie das temperaturabhängige optische Element
bestehen vorzugsweise aus den Materialien Bi4Ge3O12, Bi4Si3O12 oder
Bi12GeO20, Bi12SiO20 beziehungsweise aus Verbindungen der Kristallgruppe
43m oder 23.
Das Sensoraktivteil besteht aus mehreren aufeinanderfolgenden gerichteten
mittels eines einzigen Lichtstrahles durchstrahlbaren in derselben
kristallographischen Orientierung befindlichen Sensorkristallen, die zur
gegenseitigen Orientierung justierbar in Durchstrahlungsrichtung in oder an
einem zweckentsprechenden Träger angeordnet sind. Vorzugsweise fluchten
diese axial.
Das Sensorelement enthält eine Vorrichtung, die es gestattet, ein
Sensoraktivteil oder mehrere so anzuordnen, daß die am Sensorelement
anliegende Spannung an dem (den) Sensoraktivteil(en) in Teilspannungen
abfällt und die Summe der Teilspannungen gleich der anliegenden Spannung
ist. Über Halte- und Feldsteuerelement können Sensorelemente derart
kombiniert werden, daß die an ihnen anliegende Spannung in Teilspannungen
an den einzelnen Sensorelementen abfällt.
Die Einrichtung beinhaltet als Auswertemittel mindestens eine Baugruppe, über
die die Normierung über eine Multiplikation des Eingangssignals mit einem
Faktor durchgeführt wird, wobei der Faktor von einer Funktionseinheit generiert
wird, dessen Eingangsgröße die Differenz aus einem Referenzsignal und aus
dem mit einem Faktor beaufschlagten Eingangssignal darstellt. Als
Funktionseinheit kann zweckmäßigerweise ein Integrator, ein Tiefpaß oder ein
Spitzenwertgleichrichter benutzt werden.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die erfindungsgemäße
Einrichtung einen modularen Aufbau aufweist, so daß die Einrichtung zur
Spannungsmessung in verschiedenen Spannungsebenen anzupassen ist,
ohne daß grundlegende konstruktive Änderungen vorzunehmen sind. Durch
diese Maßnahme kann durch Erhöhung der Stückzahl eines Sensoraktivteils
ein Spannungswandler kostengünstig realisiert werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die diskrete Summation
der elektrischen Feldstärke zur Näherung der anliegenden elektrischen
Spannung durch die Verwendung einer Vielzahl von Sensorkristallen
durchgeführt wird. Dadurch kann auf den Einsatz von langen Kristallstäben, an
denen die zu messende Spannung angelegt wird, verzichtet werden. Aufgrund
der kleineren Kristallvolumina ist dadurch eine Kostensenkung zu erwarten.
Durch den Einsatz eines temperaturabhängigen optischen Elements als
Temperatursensor ergibt sich die Möglichkeit, temperaturabhängige Effekte
kompensieren zu können.
In der Normierungsstufe der Auswerteschaltung wird ein Regelkreis zur
Durchführung der Normierung vorgeschlagen, der durch die Verwendung einer
Rückkopplung im Gegensatz zu Verfahren ohne Rückkopplung
Bauteiletoleranzen ausregelt. Durch diesen Regelkreis können nachfolgende
analoge und digitale Schaltungen vorteilhaft angesteuert werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß ein
diskreter Spannungsteiler zur Steuerung des Spannungsabfalls beim
vorgeschlagenen optischen Wandler nicht notwendig ist. Durch die Integration
der elektrischen Feldstärkekomponente auf der Meßstrecke wird die
Bestimmung der elektrischen Spannung gemäß ihrer Definition durchgeführt.
Die Erfindung soll nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert
werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
Fig. 1 Prinzip einer Pockelszelle auf Basis des transversalen
elektrooptischen Effekts,
Fig. 2 Prinzip einer Pockelszelle auf Basis des longitudinalen
elektrooptischen Effekts,
Fig. 3 Prinzip einer erweiterten Pockelszelle zur Spannungsmessung und
Temperaturerfassung,
Fig. 4 Verwendung von mehreren Sensorkristallen zur Spannungsmessung,
Fig. 5 Prinzipieller Aufbau der Einrichtung zur Messung einer Spannung,
Fig. 6 Prinzipieller modularer Aufbau der Einrichtung zur Anpassung der
Spannungsebene,
Fig. 7 Prinzipieller Aufbau der Auswertemittel,
Fig. 8 Übliche Normierung eines optischen Signals mittels Dividierers,
Fig. 9 Normierung des optischen Signals mittels geregeltem Multiplizierer.
Die Messung des elektrischen Feldes kann bekannterweise mit einer
Pockelszelle durchgeführt werden. In Fig. 1 und 2 ist der prinzipielle Aufbau
einer Pockelszelle dargestellt. Von einer Lichtquelle 31 wird eine optische
Welle emittiert, die über einen Polarisator 11, ein elektrooptisches Element 12
ein Verzögerungselement 13, einen Analysator 14 auf einen optoelektrischen
Wandler 32 geführt wird. Wird als elektrooptisches Element 12 ein Kristall
ohne natürliche lineare Doppelbrechung eingesetzt, so sollte der Arbeitspunkt
der Anordnung zur Gewährung einer maximalen Sensitivität und Linearität
durch den Einsatz einer Verzögerungsplatte 13 mit einer Verzögerung von
einer Viertelwellenlänge festgelegt werden. Wird der transversale
elektrooptische Effekt ausgenutzt (Fig. 1), so stehen die
Lichtausbreitungsrichtung und das modulierende elektrische Feld senkrecht
zueinander. Der elektrooptische Kristall 12 wird zur Ausnutzung des
longitudinalen elektrooptischen Effekts (Fig. 2, elektrisches Feld und
Lichtausbreitungsrichtung verlaufen parallel zueinander) so orientiert, daß sich
die eingekoppelte linear polarisierte optische Welle entlang einer Hauptachse
im Sensorkristall 12 ausbreitet und die Polarisationsebene der optischen Welle
im 45°-Winkel zu den anderen elektrooptisch ausgezeichneten Achsen des
Kristalls bei anliegenden Feld E orientiert ist. Der Analysator 14 wandelt das
durch das anliegende elektrische Feld phasenmodulierte optische Signal in ein
intensitätsmoduliertes Signal. Über Auswertemittel ist die Bestimmung der
Feldstärke E aus dem intensitätsmodulierten Signal, das vom Empfänger 32
zur Verfügung gestellt wird, möglich.
In Fig. 3 wird das Prinzip der in der Erfindung eingesetzten erweiterten
Pockelszelle beschrieben. Im Unterschied zu Fig. 1 und 2 besteht diese aus
mehreren Sensorkristallen SKi (mit i = 1, 2 . . . NSK, NSK größer oder gleich zwei) und
zusätzlich aus einem Strahlteiler 19, einem temperaturabhängigen Element 16
einem Analysator 17 und einem Empfänger 33. Die Verbindung von der
Lichtquelle 31 zum Sensoraktivteil 21 stellt die optische Übertragungsstrecke
OS1 dar, die Verbindungen von 21 zu den elektrooptischen Wandlern 32 und
33 werden durch die optischen Übertragungsstrecken OS2 bzw. OS3 realisiert.
Durch das Sensoraktivteil 21 wird die optische Welle an diskreten Stellen der
Sensorkristalle SKi durch die dort lokal herrschende Feldstärke Ei moduliert.
Nach Durchlaufen des Strahlteilers 19 wird die eine Teilwelle über ein
temperaturabhängiges optisches Element 16 einem Analysator 17 und einem
Empfänger 33 zugeführt. Die andere Teilwelle trifft nach dem Strahlteiler direkt
auf einen Analysator 14 und einen Empfänger 32. Arbeitet die Pockelszelle
nach dem longitudinalen elektrooptischen Effekt, addieren sich die
Einzelmodulationen an den Sensorkristallen, wenn sich diese in derselben
kristallographischen Orientierung befinden. Die Summe der
Einzelmodulationen resultiert in einer Gesamtphasenverzögerung F zweier
orthogonaler Teilwellen.
Die zu bestimmende Spannung fällt auf der Meßstrecke des Sensoraktivteils
zwischen den Stellen A und B ab. Der zugehörige angenommene
Feldstärkeverlauf (durchgezogene Linie) in Abhängigkeit von der Meßstelle ist
in Fig. 4 dargestellt. Gemäß der Definition zur Bestimmung der Spannung
zwischen den Stellen A und B wird das Intergral der Feldstärke-Wegprodukte
herangezogen.
Wird der Feldstärkeverlauf durch eine Treppenfunktion mit der Anzahl NSK
Stufen angenähert, so geht UA,B über in
wobei Ei die konstante Feldstärke am Sensorkristall SKi auf der Stufe i mit der
Breite di darstellt. Der Übergang von Gleichung (1) nach (2) ist unter der
Bedingung möglich, daß ausschließlich die Feldstärkekomponente E in
Wegrichtung dl einen Einfluß auf den Wert des Integrals hat. Sind die Breiten
der Stufen di identisch einer Konstante d und die Längen Ii der Sensorkristalle
ebenfalls gleich einer Konstante I, so erhält man aus (2) durch Erweiterung die
Gleichung (3) mit
Wird der longitudinale elektrooptische Effekt genutzt, so ist die
Phasenverzögerung zweier orthogonaler optischer Teilwellen proportional zu Ei
und Ii (siehe A. Yariv, P. Yeh, "Optical Waves in Crystals")
Γi ∞ Ei.li (4.1),
so daß in Verbindung mit Gleichung (3) UA,B proportional zur Summe der
Teilphasenverzögerungen ist
Wenn sich die Teilphasenverzögerungen, die durch die einzelnen
Sensorkristalle hervorgerufen werden, sich addieren gemäß
so ist die Gesamtphasenverzögerung Γ gemäß den Gleichungen (4.2) und (5)
proportional der zu messenden Spannung UA,B.
Bei hinreichend großer Anzahl von Sensorkristallen kann somit die
Bestimmung der elektrischen Spannung über die Berechnung des
Wegintegrals der elektrischen Feldstärke auf eine Summation von diskreten
Feldstärke-Weg-Produkten zurückgeführt werden. Die Summation nähert das
Integral um so genauer an, je mehr Sensorkristalle verwendet werden.
Allerdings steigen dann auch die Kosten für die Kristalle und die durch
Oberflächenreflexionen verursachten Verluste. In der Praxis ist eine
Optimierung bzgl. Kosten und Meßgenauigkeit vorzunehmen.
Die zweite durch den Strahlteiler ausgekoppelte optische Welle durchläuft ein
temperaturabhängiges optisches Element, das eine optische Aktivität aufweist.
Mit dieser Anordnung kann ein Korrekturfaktor gewonnen werden, der die
temperaturabhängigen Fehler der linearen Doppelbrechung in den
Sensorkristallen und in der Verzögerungsplatte kompensiert.
Fig. 5 zeigt den schematischen Aufbau der Einrichtung zur Messung einer
Spannung, bestehend aus Lichtquellen und Auswertemitteln 30 und aus einem
Sensorelement 20, das aus einer Anzahl NSA von Sensoraktivteilen 21-X und
Halte- und Feldsteuerungselementen 22 besteht. Die optischen
Übertragungsstrecken zwischen dem Sensorelement 20 und
Auswerteeinrichtung 30 werden mit OS zusammenfassend bezeichnet. Dem
optischen Sensorelement werden optische Wellen über die
Übertragungsstrecke OS zugeführt. Mindestens zwei optische Wellen werden
vom Sensorelement 20 zu den Auswertemitteln 30 über die
Übertragungsstrecke OS zurückgeleitet. Die Auswertemittel generieren ein
Maß U' für die Summe der Spannungen USA,1 . . . USA,NSA, die an den
Sensoraktivteilen 21-1 . . . 21-NSA anliegen. Die Spannung U' ist proportional der
Gesamtspannung U.
In Fig. 6 ist ein Beispiel für den modularen Aufbau zur Anpassung der
Spannungsebene für den Fall dargestellt, daß die Sensorelemente 20-X
(X = 1, 2 . . . NSE) jeweils genau ein Sensoraktivteil 21 beinhalten, so daß in diesem
Fall NSE gleich NSA ist. Die Sensorelemente 20-X werden so angeordnet, daß
die in den Auswertemitteln 30-X ermittelten Teilspannungen U1', U2', . . . UNSE' der
Sensorelemente durch Summenbildung in der Einheit 35 ein zur
Gesamtsystemspannung U proportionales Maß U' ergeben. Die Einheit 35
kann ein Teil der Auswertemittel 30 sein oder eine aus 30 ausgegliederte
Einheit.
Als Sensorkristall soll in diesem Ausführungsbeispiel Bi4Ge3O12 betrachtet
werden, das zur Klasse 43m des kubischen Kristallsystems gehört. Das
Kristall weist keine natürliche lineare Doppelbrechung auf und besitzt keine
optische Aktivität. Durch die fehlende optische Aktivität kann eine Vielzahl von
Sensorkristallen derselben Art auf konstruktiv einfache Art und Weise
hintereinander angeordnet werden, so daß die Auswirkungen des
longitudinalen Pockelseffekts in Form von induzierter linearer
Doppelbrechung bei den Einzelkristallen Γi sich zu einer
Gesamtphasenverzögerung F der sich ausbreitenden orthogonalen Teilwellen
summieren. Wird in Fig. 3 der Polarisator 11 im Winkel von 45° zu den
elektrooptisch ausgezeichneten Achsen der Sensorkristalle, die alle dieselbe
Orientierung aufweisen, orientiert und der Analysator 14 zum
Eingangspolarisator gekreuzt angeordnet, so läßt sich am Empfänger 32 die
Intensität I1 detektieren gemäß
I1 = I1,DC(1 + sin(Γ)) (6)
wobei Γ die Phasenverzögerung aufgrund des Pockelseffekts zwischen den
optischen Teilwellen darstellt, die entlang der 1. bzw. 2. elektrooptisch
ausgezeichneten Achsen polarisiert sind und die Lichtausbreitung in Richtung
der 3. elektrooptisch ausgezeichneten Achse stattfindet. I1,DC ist der
Gleichanteil der am Empfänger detektierten Intensität I1. Γ läßt sich aus der
Summe der Teilphasenverzögerungen Γi an den einzelnen Sensorkristallen
berechnen, wobei NSK die Anzahl der verwendeten Sensorkristalle darstellt.
Die Teilphasenverzögerungen Γi der einzelnen Sensorkristalle ergeben sich
gemäß des longitudinalen elektrooptischen Effekts zu
mit
n0: Brechungsindex,
λ0: Wellenlänge der optischen Welle,
Γ41: elektrooptische Konstante,
Ez,i: elektrische Feldkomponente in Ausbreitungsrichtung der
optischen Welle im Kristall i,
Ii: Länge des Lichtweges im elektrooptischen Kristall.
Der 2. Teilstrahl in Fig. 3 wird über ein temperaturabhängiges optisches
Element 16 und über einen Analysator 17 auf einen Empfänger 33 geführt.
Wird beispielsweise Bi12GeO20 als temperaturabhängiges optisches Element 16
eingesetzt, so läßt sich ein Maß für die Temperatur ermitteln, indem die
Temperaturabhängigkeit der natürlichen optischen Aktivität ausgenutzt wird.
Dabei wird die Polarisationsebene einer durchlaufenden optischen Welle bei
einer Temperaturänderung um ΔT um Δθ gedreht. Am Empfänger 33 kann die
normierte optische Intensität 12 detektiert werden mit dem Gleichanteil I2,DC
gemäß
I2 = I2,DC (1 + sin(Γ).sin(2.θ)) (9)
wobei der Winkel θ sich zusammensetzt aus Drehung der Polarisationsebene
durch die optische Aktivität bei Bezugstemperatur θ0 und dem Anteil Δθ, der
durch Temperaturänderungen verursacht wird.
θ = θ0 + Δθ, (10)
Der Analysator ist um einen Winkel von 45° + Δθmax zum Winkel θ0 orientiert.
Durch die zusätzliche Drehung um Δθmax führt die Änderung um Δθ innerhalb
des Intervalls [-Δθmax' + Δθmax] stets zu einer Modulation des Ausgangssignals
I2 ohne Vorzeichenänderung.
Zwecks Kompensation von Dämpfungseinflüssen auf der optischen
Übertragungsstrecke zwischen Lichtquelle und Empfänger ist es vorteilhaft,
wenn die Signale I1 und I2 in den Gleich- und Wechselanteil zerlegt werden und
eine Normierung gemäß der folgenden Vorschrift durchgeführt wird:
In den oben angeführten Beziehungen ist Γ ein Wechselsignal im
Frequenzbereich 20 Hz bis 20 kHz, hingegen ändert sich Δθ nur "langsam" im
Bereich der thermischen Zeitkonstante der Meßvorrichtung im Frequenzbereich
kleiner 20 Hz.
Werden die Signale I1N und I2N über eine Zeitspanne τ betragsmäßig integriert
(τ sollte deutlich kleiner sein als die thermische Zeitkonstante und deutlich
größer sich als die Periodendauer der unteren Grenzfrequenz des
Wechselsignals Γ) und miteinander dividiert, so erhält man die Größe T21 zu
Für Änderungen von Δθ + Δθmax « 1 kann die Sinusfunktion durch Ihr Argument
linear genähert werden. Aus (13) erhält man dann
Δθ = T21-Δθmax (14)
Eine Bestimmung der Temperatur ist über Δθ möglich, da Δθ in Abhängigkeit
von der Temperatur sich näherungsweise linear ändert und eine
Umkehrfunktion mathematisch eindeutig in dem betrachteten Intervall bestimmt
werden kann. Mit diesem ermittelten Maß für die Temperaturänderung bzgl. der
Bezugstemperatur ist eine Korrektur der Temperaturcharakteristik des Signals
möglich. Wird der Arcussinus von I1N gebildet, so erhält man ein
Ausgangssignal A, das mit dem Faktor KT zur Temperaturkompensation
korrigiert werden kann. Der Faktor KT muß durch eine Kalibrierung bekannt
sein.
A = KT.α sin(I1N) (15)
Das Signal A ist somit proportional zur Gesamtphasenverzögerung Γ des
Sensorelements und zur Summe der an den Meßstellen herrschenden
elektrischen Feldstärken.
Eine Voraussetzung für das angegebene Verfahren ist, daß beim Übergang
von der Definitionsgleichung der elektrischen Spannung (1) zur Gleichung (2)
ausschließlich die elektrische Feldstärkekomponente in Wegrichtung einen
Einfluß auf den Wert des Integrals aus (1) hat. Wird die Richtung der
Lichtausbreitung im Sensorkristall parallel zur Richtung des Integrationsweges
gewählt und breitet sich das Meßlicht entlang einer optischen Hauptachse im
Sensorkristall aus, so hat bei Verwendung eines kubischen Kristalls nur die
elektrische Feldkomponente einen Einfluß auf die Summe in Gleichung (2), die
parallel zur Ausbreitungsrichtung des Meßlichtes gerichtet ist. Um dies zu
zeigen, wird die Indikatrix als beschreibendes Modell der Brechungsindizes in
Abhängigkeit von der Lichtausbreitungsrichtung herangezogen. Es ergibt sich
die mathematische Formulierung der Indikatrix (siehe A. Yariv, P. Yeh, "Optical
Waves in Crystals") zu
wobei die Richtungen x mit der Kristallrichtung <100<, y mit <010< und z mit
<001< übereinstimmen. Wird nun die Lichtausbreitung in z-Richtung
betrachtet, so wird ein Schnitt der Indikatrix in der x-y-Ebene im
Koordinatenursprung durchgeführt, was mathematisch mit der Bedingung z = 0
zu beschreiben ist.
Die Indikatrix ändert sich in diesem Fall zu
Nach Durchführung einer Koordinatentransformation von (x, y) nach (x', y') mit
läßt sich die Indikatrix aus (17) beschreiben durch
mit den Brechungsindizes nx' und ny' entlang der x'- und y'-Richtung (unter
Vernachlässigung von Termen mit höheren Potenzen von r41) gemäß
In (21) und (22) zeigt sich, daß bei Lichtausbreitung in z-Richtung entlang einer
Hauptachse im Kristall die Indikatrix ausschließlich durch die elektrische
Feldkomponente in Ausbreitungsrichtung beeinflußt wird. Andere
Feldkomponenten beeinflussen die Indikatrix und damit die
Phasenverzögerung, die proportional zur Differenz von nx' und ny' ist, als Maß
für die lokalen Feldstärken in diesem Fall nicht.
Das Signal A aus (15) ist also proportional zur Spannung UA,B, die über die
Sensorkristalle abfällt, die sich auf der Meßstrecke des Sensoraktivteils 21
befinden.
Wird zur Anpassung der Spannungsebene der Gesamtspannungsabfall über
mehrere Sensorelemente aufgeteilt (Fig. 6), so führt die Summation der
Teilspannungen der Sensorelemente wieder zur Gesamtspannung.
Beinhaltet das Sensorelement nur einen einzigen Sensorkristall, so wird in
diesem Fall keine Spannung gemessen, sondern nur eine
Feldstärkekomponente, die über dem Sensorkristall abfällt. Der
Spannungssensor läßt sich als Sensor für eine elektrische
Feldstärkekomponente einsetzen.
In Fig. 7 sind die Auswertemittel 30 dargestellt. Sie enthalten eine Lichtquelle
31 und mindestens zwei elektrooptische Wandler 32 und 33. Die Signale
werden durch Baugruppen 40 vorverarbeitet, digitalisiert durch einen
mehrkanaligen AD-Wandler 51, in einem Rechner 53 bearbeitet und als
Ausgangsgröße A über einen DA-Wandler 52 zur Verfügung gestellt. In den
Baugruppen 40 wird das von den Empfängern 32 und 33 detektierte Signal
normiert, so daß der nachgeschaltete AD-Wandler ausreichend ausgesteuert
ist. Zu diesem Zweck wird üblicherweise ein analoger Dividierer sowie ein
analoger Hoch- und Tiefpaß oder ein Subtrahierer als Ersatz eines Hoch- oder
Tiefpasses eingesetzt, die direkt die mathematische Funktion realisieren, wie
es beispielsweise in Fig. 8 dargestellt ist. Die Normierung wird üblicherweise
bei optischen Sensoren eingesetzt, die auf einer optischen
Übertragungsstrecke ein intensitätsmoduliertes Signal übertragen, das einer
zeitlichen Veränderung der optischen Dämpfung unterliegt. Ferner kann
ebenfalls der Einfluß der Steilheit des Empfängers eliminiert werden.
Die üblicherweise verwendete Schaltung besitzt den Nachteil, daß der
Dividierer bei Zunahme der Dämpfung auf der optischen Übertragungsstrecke
zwischen Lichtquelle und Empfänger nicht mehr ausreichend ausgesteuert ist
oder andererseits bei Abnahme der Dämpfung auf der optischen
Übertragungsstrecke übersteuert werden kann. Somit können durch die
Elektronik Fehler entstehen. Eine Lösung dieser Problematik bietet sich durch
den Einsatz eines Multiplizierers an, der in einer Rückkopplungsschleife
integriert ist, so daß Toleranzen der Bauteile durch die Regelschleife
ausgeregelt werden können. Eine Ausregelung der Toleranzen ist notwendig,
da in der Praxis keine kommerziell erhältlichen Bauteile zur Verfügung stehen,
die eine ausreichende Genauigkeit aufweisen.
Ein prinzipieller Aufbau der Schaltung ist in Fig. 9 gezeigt. Das zu normierende
Eingangssignal I wird als erster Faktor einem Multiplizierer MUL zugeführt, der
zweite Faktor für den Multiplizierer wird durch die Funktionseinheit INT aus
dem Ausgangssignal des Multiplizierers MUL und aus einer Referenzgröße Vref
gewonnen. Die Funktionseinheit kann in einem Ausführungsbeispiel einen
Integrator darstellen. In diesem Fall generiert der Integrator eine Stellgröße als
zweiten Faktor für den Multiplizierer, die den DC-Anteil der Ausgangsgröße auf
den Wert ausregelt, der durch Vref vorgegeben ist. Der AC-Anteil des Signals I
wird mit demselben Faktor, den die Regelung für den DC-Anteil ermittelt,
skaliert. In einer anderen Ausführungsform kann die Funktionseinheit INT
einen Spitzenwertgleichrichter darstellen. In diesem Fall würde das
Eingangssignal mit einem Faktor skaliert, so daß der Spitzenwert von IN dem
Pegel Vref entspricht. Der Multiplizierer kann auch durch ein anderes
spannungsgesteuertes Koeffizientenglied realisiert werden.