DE19717496C1 - System for magneto=optical current e.g. direct current (DC) measurements, with at least one light source - Google Patents
System for magneto=optical current e.g. direct current (DC) measurements, with at least one light sourceInfo
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Abstract
Description
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren und von einer Vorrichtung zur magnetooptischen Strommessung nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1, 11 und 12.The invention is based on a method and from a device for magneto-optical current measurement the preamble of claims 1, 11 and 12.
Mit den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 11 und 12 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der DE 43 42 410 A1 bekannt ist. Dort ist eine magnetoopti sche Strommesseinrichtung angegeben, bei welcher zwei ortho gonal zueinander polarisierte Lichtstrahlen im Zeit- oder Frequenzmultiplexverfahren durch einen Stromsensor geschickt und am Ausgang jeweils unter ± π/4 analysiert werden. Durch zweimalige Quotientenbildung aus den Ausgangssignalen mit Wechsel- und Gleichlichtanteilen werden die Leistungen der Lichtquellen, die Transmissionsfaktoren und die Detektoremp findlichkeiten eliminiert. Jedoch werden wesentliche Stör einflüsse durch dynamisch und quasistatisch variierende li neare Spannungsdoppelbrechung nicht kompensiert.With the preambles of claims 1, 11 and 12 takes the invention related to a prior art as it from DE 43 42 410 A1 is known. There is a magnetoopti cal current measuring device specified, in which two ortho gonally polarized light beams in time or Frequency division multiplexed by a current sensor and analyzed at the output under ± π / 4. By two quotient formation from the output signals with Alternating and constant light components become the services of Light sources, the transmission factors and the detector temp sensitivities eliminated. However, essential sturgeon influences by dynamically and quasi-statically varying li linear voltage birefringence not compensated.
Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen 1, 11 und 12 defi niert ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrich tung zur magnetooptischen Strommessung anzugeben, welche so wohl eine Kompensation der durch lineare Spannungsdoppelbre chung verursachten Störungen erlaubt als auch für Gleich strommessungen geeignet ist.The invention as defined in claims 1, 11 and 12 ned, solves the task, a procedure and a Vorrich to specify magneto-optical current measurement, which so probably a compensation of the linear double voltage interferences caused as well as for equals current measurements is suitable.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in abhängi gen Patentansprüchen definiert.Advantageous embodiments of the invention are in dependent defined gene claims.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der Einfluß quasistatisch und dynamisch induzierter linearer Spannungs doppelbrechung auf die Leistung des Lichtsignals weitgehend kompensiert wird und die magnetooptische Strommesseinrich tung deshalb sowohl auf langsame als auch auf schnelle me chanische Störungen unempfindlich reagiert.An advantage of the invention is that the influence quasi-static and dynamically induced linear voltage birefringence on the power of the light signal largely is compensated and the magneto-optical current measuring device Therefore, both slow and fast measurement mechanical disorders reacted insensitively.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Unempfindlich keit gegen langsame und schnelle Schwankungen von Lichtlei stungen, Transmissionsfaktoren und Detektorempfindlichkeiten so weit verbessert ist, daß die Erfindung eine störungs freie und genaue Wechsel- und Gleichstrommessung sowohl für Schutzzwecke (breitbandige Überwachung hinsichtlich Über strömen) als auch für Verrechnungszwecke (schmalbandige Strommessung zur Verrechnung elektrischer Leistung) ermög licht.Another advantage is that the insensitive against slow and fast fluctuations in light conditions, transmission factors and detector sensitivity is so far improved that the invention is a disturbance free and accurate AC and DC measurement for both Protection purposes (broadband monitoring for over stream) as well as for billing purposes (narrowband Current measurement for the calculation of electrical power) light.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß meh rere Kombinationen von Polarisator-Analysatorstellungen mit variabler Winkeldifferenz zwischen Polarisator und Analysa tor realisiert werden können.Another advantage of the invention is that meh more combinations of polarizer analyzer positions variable angle difference between polarizer and analyzer can be realized.
Ein zusätzlicher Vorteil liegt darin, daß aus den Sensor signalen eine störungsbedingte Doppelbrechung und Transmis sionsänderung quantitativ bestimmbar sind.An additional advantage is that the sensor signals birefringence due to interference and transmis tion change can be determined quantitatively.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen erläutert. Es zeigen: The invention is illustrated below with reference to embodiments play explained. Show it:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäß en Strommesseinrichtung, Fig. 1 a first embodiment of the present invention s current measuring device,
Fig. 1a eine alternative Ausführung eines Bestandteils der Strommesseinrichtung nach Fig. 1 und Fig. 1a shows an alternative embodiment of a component of the current measuring device according to Fig. 1 and
Fig. 2-4 zweite bis vierte Ausführungsformen einer er findungsgemäßen Strommesseinrichtung. Fig. 2-4 second to fourth embodiments of a current measuring device according to the invention.
Im folgenden werden die theoretischen Grundlagen der Erfin dung kurz zusammengefaßt.The following are the theoretical foundations of Erfin briefly summarized.
Ein Lichtstrahl wird durch einen Polarisator mit einem Pola risationswinkel α linear polarisiert und durch einen Strom sensor, z. B. einen Glaskörper oder eine Glasfaser, ge schickt und am Ende durch einen Analysator mit einem Polari sationswinkel β analysiert. Die Stromempfindlichkeit des Glases beruht auf einer magnetfeldinduzierten zirkularen Doppelbrechung (magnetooptischer oder Faradayeffekt). Bei zusätzlicher Anwesenheit einer homogen verteilten linearen Doppelbrechung im Stromsensor kann die resultierende Lei stung bzw. ein lichtleistungsproportionales elektrisches Si gnal S(α, β) - ausgehend von einer Veröffentlichung von W. J. Tabor und F. S. Chen: Electromagnetic Propagation through Materials Possessing both Faraday Rotation and Birefrin gence: Experiments with Ytterbium Orthoferrite, J. Appl. Phys. 40, Nr. 7 (1969), S. 2760-2765, nach längerer Rech nung und geschickter Zusammenfassung der Terme durch folgen de Formel dargestellt werden:A beam of light is transmitted through a polarizer with a pola Risation angle α linearly polarized and by a current sensor, e.g. B. a vitreous or a glass fiber, ge sends and in the end through an analyzer with a polar sationswinkel β analyzed. The current sensitivity of the Glases is based on a magnetic field-induced circular Birefringence (magneto-optical or Faraday effect). At additional presence of a homogeneously distributed linear Birefringence in the current sensor can result in lei or a light output proportional to Si gnal S (α, β) - based on a publication by W. J. Tabor and F. S. Chen: Electromagnetic Propagation through Materials Possessing both Faraday Rotation and Birefrin gence: Experiments with Ytterbium Orthoferrite, J. Appl. Phys. 40, No. 7 (1969), pp. 2760-2765, after a longer calculation followed and skillful summary of the terms of the formula:
S(α, β) = I₀/2· [1 + cos (2·(α - β))·cos δ + sin (2·(α - β))·sin δ·sin χ + cos (2·(α - ψ))·cos (2·(β - ψ))·(1 - cos δ)·(cos χ)²] (G1)S (α, β) = I₀ / 2 [1 + cos (2 · (α - β)) · cos δ + sin (2 · (α - β)) · sin δ · sin χ + cos (2 · (α - ψ)) · cos (2 · (β - ψ)) · (1 - cos δ) · (cos χ) ²] (G1)
Dabei istIt is
mit θ = V·I, V = Verdetkonstante, I = Strom für den Dreh winkel, Γ = durch lineare Doppelbrechung verursachte (mittlere) Phasenverschiebung und ψ = (mittlere) Orientie rung der schnellen Doppelbrechungsachse im Stromsensor. I₀ faßt die Leistung bzw. Stärke der Lichtquelle, den Trans missionskoeffizienten und die Empfindlichkeit des Detektors inkl. einer elektronischen Signalverstärkung zusammen. Alle Polarisationswinkel α, β haben eine Periode von π, d. h., es gilt: α + π = α und β + π = β; sie werden bezüglich raumfe ster Koordinaten, d. h. unabhängig von der Strahlrichtung, gemessen. Im folgenden gelte -π/2 < α, β π/2.with θ = V · I, V = Verdet constant, I = current for the rotation angle, Γ = caused by linear birefringence (mean) phase shift and ψ = (mean) orientation the fast birefringence axis in the current sensor. I₀ summarizes the power or strength of the light source, the trans mission coefficients and the sensitivity of the detector including an electronic signal amplification. All Polarization angles α, β have a period of π, d. i.e. it applies: α + π = α and β + π = β; you will be regarding most coordinates, d. H. regardless of the beam direction, measured. In the following, apply -π / 2 <α, β π / 2.
Mit C(α, β) = cos (2·(α - β))·cos δ,
A(α, β) = 2·sin (2(α - β))·(sin δ)/δ und N(α, β, ψ) =
cos (2·(α - ψ))·cos (2·(β - ψ))·(1 - cos δ)·Γ²/δ²
lautet Gleichung (G1)With C (α, β) = cos (2 (α - β)) cos δ,
A (α, β) = 2 · sin (2 (α - β)) · (sin δ) / δ and N (α, β, ψ) = cos (2 · (α - ψ)) · cos (2 · (β - ψ)) · (1 - cos δ) · Γ² / δ² is equation (G1)
S(α, β) = I₀/2·[1 + C(α, β) + A(α, β)·θ + N(α, β, ψ)] (G2)S (α, β) = I₀ / 2 · [1 + C (α, β) + A (α, β) · θ + N (α, β, ψ)] (G2)
Der 1. Term 1 + C bezeichnet einen Gleichlichtanteil, der 2. Term bzw. Nutzterm A·θ Intensitätsänderungen durch den Faradayeffekt und der 3. Term bzw. Störterm N Intensitätsän derungen durch lineare Doppelbrechung.The 1st term 1 + C denotes a constant light component, the 2. Term or usage term A · θ changes in intensity by the Faraday effect and the 3rd term or disturbance term N changes due to linear birefringence.
Offenbar gelten für alle die oben aufgeführten Funktionen C(α, β), A(α, β) und N(α, β) die folgenden Relationen:Apparently, all of the functions listed above apply C (α, β), A (α, β) and N (α, β) the following relations:
F(α ± π/2, β ± π/2) F(α, β) und (G3a)
F(α ± π/2, β) = F(α, 13 ± π/2) = -F(α, β) (G3b)F (α ± π / 2, β ± π / 2) F (α, β) and (G3a)
F (α ± π / 2, β) = F (α, 13 ± π / 2) = -F (α, β) (G3b)
Aus Gleichung (G3a) folgt, daß Anordnungen, die sich nur durch gemeinsame Drehung des Polarisators und des Analysa tors eines Kanals um π/2 unterscheiden, auf einer theoreti schen Ebene völlig äquivalent sind. Gleichung (G3b) besagt, daß alle Funktionen ihr Vorzeichen wechseln, wenn entweder der Polarisator oder der Analysator um π/2 rotiert wird.From equation (G3a) it follows that arrangements that only by rotating the polarizer and the analyzer together on a theoreti level are completely equivalent. Equation (G3b) states that all functions change sign if either the polarizer or analyzer is rotated by π / 2.
Bei Vertauschung von Polarisator- und Analysatorwinkel gilt hingegen, daß ausschließlich der Faradayeffekt das Vorzei chen wechselt: Es gilt:If polarizer and analyzer angles are interchanged however, that only the Faraday effect is the forerunner chen changes: The following applies:
C(β, α) = C(α, β) (G4a)
A(β, α) = -A(α, β) und (G4b)
N(β, α) = N(α, β) (G4c)C (β, α) = C (α, β) (G4a)
A (β, α) = -A (α, β) and (G4b)
N (β, α) = N (α, β) (G4c)
Ferner hängen C(α, β) und A(α, β) nur von der Differenz zwi schen den beiden Winkeln ab und sind daher invariant unter gemeinsamer Drehung des Polarisator- und des Analysatorwin kels.Furthermore, C (α, β) and A (α, β) depend only on the difference between between the two angles and are therefore invariant under joint rotation of the polarizer and analyzer kels.
Die Erfindungsaufgabe, einen weitgehend störungsfreien mag netooptischen Stromsensor zur exakten Messung sowohl von Wechsel- als auch Gleichströmen anzugeben, wird dadurch ge löst, daß mehrere optische Kanäle geschaffen und aus ihren Signalen ein störungsfreies Stromsignal mit Wechsel- und Gleichanteil extrahiert wird. Die optischen Kanäle sind da bei insbesondere durch ihre Polarisator- und Analysatorwin kel und die Anordnung der optischen Zu- und Wegführungsfa sern charakterisiert. Die zu eliminierenden Störungen be treffen insbesondere dynamische und (quasi)statische Licht leistungsschwankungen durch Rauschen und Drift der Licht quelle(n), durch Doppelbrechung im Stromsensor, durch Bie gung der Zu- und Wegführungsfasern und durch Variation oder Drift der Transmission optischer Komponenten sowie der De tektorempfindlichkeiten und elektronischen Verstärkungen. Zusätzlich kann eine optische Aktivität, wie sie z. B. in einer tordierten Sensorfaser auftritt, eliminiert werden, wenn optische Kanäle mit paarweise entgegengesetzter Licht ausbreitungsrichtung im Stromsensor verwendet werden. In diesem Fall verhält sich nämlich die optische Aktivität be züglich der Winkelvertauschungsbeziehungen (G4) gleich wie der lineare Doppelbrechungsterm N.The invention task, a largely trouble-free mag netooptical current sensor for exact measurement of both Specifying alternating and direct currents is thereby ge resolves that multiple optical channels are created and out of their Signals a trouble-free current signal with alternating and DC component is extracted. The optical channels are there especially with their polarizer and analyzer win kel and the arrangement of the optical feed and Wegfa characterized. The disturbances to be eliminated hit dynamic and (quasi) static light in particular power fluctuations due to noise and drift of the light source (s), by birefringence in the current sensor, by Bie supply and exit fibers and by variation or Drift of the transmission of optical components as well as the De tector sensitivity and electronic gain. In addition, an optical activity as z. B. in a twisted sensor fiber occurs, are eliminated, if optical channels with pairs of opposite light direction of propagation can be used in the current sensor. In in this case the optical activity behaves with respect to the angular exchange relationships (G4) the same as the linear birefringence term N.
In einem ersten Schritt werden die Polarisator- und Analysa torwinkel bestimmt, welche die Elimination des Störterms N erlauben. Dabei wird von einem 4Kanal-Stromsensor ausgegan gen, aus dessen lichtleistungsproportionalen Signalen Si (i = 1, . . ., 4) durch Bildung eines Quotienten Q = (S₁·S₄)/(S₂·S₃) oder einer Differenz D = S₁ + S₄-S₂-S₃ eine Stromstärke bestimmt werden soll. Es wird dann gefordert, daß unter der im allgemeinen zu treffenden Annahme, daß A·θ und N verhältnismäßig klein gegenüber 1 sind, das doppelbrechungsbedingte Störsignal Null ist und ein nichtverschwindendes Faradaysignal resul tiert:In a first step, the polarizer and analyzer angles are determined which allow the elimination of the interference term N. It is output from a 4-channel current sensor, from its light output proportional signals S i (i = 1,..., 4) by forming a quotient Q = (S₁ · S₄) / (S₂ · S₃) or a difference D = S₁ + S₄-S₂-S₃ a current is to be determined. It is then required that under the general assumption that A · θ and N are relatively small compared to 1, the birefringence-induced interference signal is zero and a non-vanishing Faraday signal results:
N(α₁, β₁) + N(α₄, β₄)-N(α₂, β₂)-N(α₃, β₃) = 0 (G5)
A(α₁, β₁) + A(α₄, β₄)-A(α₂, β₂)-A(α₃, β₃) ≠ 0 (G6)
wobei αi und βi die Polarisator- und Analysatorwinkel des i-
ten optischen Kanals bezeichnen. Winkelbeziehungen, welche
die Bedingungen (G5) und (G6) erfüllen, können leicht mit
Hilfe der Relationen (G3) und (G4) gefunden werden. Aus
Gleichung (G4) ergibt sich z. B. die Lösung:N (α₁, β₁) + N (α₄, β₄) -N (α₂, β₂) -N (α₃, β₃) = 0 (G5)
A (α₁, β₁) + A (α₄, β₄) -A (α₂, β₂) -A (α₃, β₃) ≠ 0 (G6)
where α i and β i denote the polarizer and analyzer angles of the ith optical channel. Angular relationships that satisfy the conditions (G5) and (G6) can easily be found using the relations (G3) and (G4). From equation (G4) we get z. B. the solution:
α₃ = β₁, β₃ = α₁; α₄ = β₂, β₄ = α₂ (G7a)α₃ = β₁, β₃ = α₁; α₄ = β₂, β₄ = α₂ (G7a)
mit der Zusatzbedingung α₁ - β₁ ≠ α₂ - β₂, wobei durch Ver tauschung der Indizes 2 und 3 wieder eine gültige Lösung re sultiert. Mit Hilfe von Gleichung (G7a) und der Relation (G3b) findet man als wichtige Lösung auch eine Beziehung zwischen den optischen Kanälen (2) und (3) sowie zwischen (1) und (4):with the additional condition α₁ - β₁ ≠ α₂ - β₂, swapping the indices 2 and 3 again results in a valid solution. With the help of equation (G7a) and the relation (G3b), a relationship between the optical channels ( 2 ) and ( 3 ) and between ( 1 ) and ( 4 ) can be found as an important solution:
α₃ = β₂ , β₃ = α₂ - π/2; α₄ = β₁ + π/2, β₄ = α₁ (G8a)
wiederum mit α₁ - β₁ ≠ α₂ - β₂.α₃ = β₂, β₃ = α₂ - π / 2; α₄ = β₁ + π / 2, β₄ = α₁ (G8a)
again with α₁ - β₁ ≠ α₂ - β₂.
Andere Lösungen ergeben sich, wenn sich Terme zweier Kanäle in (G5) separat aufheben. Dann ergibt sich analog zu Glei chung (G7a) z. B. die Lösung:Other solutions arise when there are terms of two channels Store separately in (G5). Then we get analog to Glei chung (G7a) z. B. the solution:
α₃ = β₁, β₃ = α₁; α₄ = α₂, β₄ = β₂ (G7b)α₃ = β₁, β₃ = α₁; α₄ = α₂, β₄ = β₂ (G7b)
wobei durch die Indexvertauschungen 2 mit 3 oder 1 mit 4 oder simultan 2 mit 3 und 1 mit 4 weitere Lösungen entste hen. Ebenfalls findet man analog zu Gleichung (G8a)with the index exchanges 2 with 3 or 1 with 4 or simultaneously 2 with 3 and 1 with 4 further solutions hen. One also finds analogous to equation (G8a)
α₃ = β₂, β₃ = α₂ -π/2; α₄ = α₁ + π/2, β₄ = β₁ (G8b)α₃ = β₂, β₃ = α₂ -π / 2; α₄ = α₁ + π / 2, β₄ = β₁ (G8b)
mit einer weiteren Lösung durch simultane Indexvertauschung 1 mit 2 und 3 mit 4. Selbstverständlich können aus allen obigen Lösungen mit Gleichung (G3a) zusätzliche Lösungen ge wonnen werden. with another solution through simultaneous index swapping 1 with 2 and 3 with 4. Of course, from all above solutions with equation (G3a) additional solutions ge be won.
Zur Bestimmung eines Stromsignals wird im folgenden von ei ner Signalauswertung mittels Quotientenbildung ausgegangen, welche zur Messung von Wechsel- und Gleichstrom besonders geeignet ist. Unter der Annahme, daß θ klein ist und insbe sondere 2·θ < Γ und somit näherungsweise δ ≈ Γ gilt, findet man in Gleichung (G2) vereinfachte Funktionen C(α ,β), A(α, β) und N(α, β, ψ):To determine a current signal, ei signal evaluation based on quotient formation, which are particularly useful for measuring alternating and direct current suitable is. Assuming that θ is small and esp special 2 · θ <Γ and thus approximately δ ≈ Γ applies simplified functions C (α, β), A (α, β) and N (α, β, ψ):
C(α, β) = cos (2·(α - β)) (G9)
A(α, β) = 2·sin (2(α - β))·(sinΓ)/Γ (G10)
N(α, β, ψ) = -2·sin (2·(α - ψ))·sin (2·(β - ψ))·(sin (Γ/2))² (G11)C (α, β) = cos (2 · (α - β)) (G9)
A (α, β) = 2sin (2 (α - β)) (sinΓ) / Γ (G10)
N (α, β, ψ) = -2sin (2 (α - ψ)) sin (2 (β - ψ)) (sin (Γ / 2)) ² (G11)
Bei großer Faraday-Drehung θ gilt für den Nutzterm A·θ auch die Näherung:In the case of a large Faraday rotation θ, the useful term A · θ applies also the approximation:
Â(α, β) = sin (2·(α - β))·(sin (2·θ))/θ (G10′)Â (α, β) = sin (2 · (α - β)) · (sin (2 · θ)) / θ (G10 ′)
Es sei hier angemerkt, daß man unter der speziellen Voraus setzung α - β = ± π/4 die vereinfachten Größen:It should be noted here that under the special advance settlement α - β = ± π / 4 the simplified quantities:
C = 0 (G12)
A = ± 2·(sin Γ)/Γ bzw. (G13)
 = ± (sin (2·θ))/θ und (G13′)
N(α, ψ) = sin (4·(α - ψ))·(sin (Γ/2))² (G14)C = 0 (G12)
A = ± 2 · (sin Γ) / Γ or (G13)
 = ± (sin (2 · θ)) / θ and (G13 ′)
N (α, ψ) = sin (4 · (α - ψ)) · (sin (Γ / 2)) ² (G14)
erhält. Zudem gilt N(α, ψ) = - N(α + π/4, ψ), und zwar un abhängig von der Näherung (G11). receives. In addition, N (α, ψ) = - N (α + π / 4, ψ), un depending on the approximation (G11).
In einer 4Kanalanordnung können nun die Lichtleistungen bzw. elektrischen Signale Si mit der Notation Ci = C(αi, βi), Ai = A(αi, βi) und Ni = N(αi, βi, ψ) mit i = 1, . . ., 4, für die Näherungen (G9)-(G11) und beliebige Winkel α, β folgender maßen geschrieben werden:In a 4-channel arrangement, the light powers or electrical signals S i with the notation C i = C (α i , β i ), A i = A (α i , β i ) and N i = N (α i , β i , ψ) with i = 1,. . ., 4, for the approximations (G9) - (G11) and arbitrary angles α, β are written as follows:
S₁ = I₀₁·(1 + C₁ + A₁·θ + N₁) (G15a)
S₂ = I₀₂·(1 + C₂ + A₂·θ + N₂) (G15b)
S₃ = I₀₃·(1 + C₃ + A₃·θ + N₃) (G15c)
S₄ = I₀₄·(1 + C₄ + A₄·θ + N₄) (G15d)S₁ = I₀₁ · (1 + C₁ + A₁ · θ + N₁) (G15a)
S₂ = I₀₂ · (1 + C₂ + A₂ · θ + N₂) (G15b)
S₃ = I₀₃ · (1 + C₃ + A₃ · θ + N₃) (G15c)
S₄ = I₀₄ · (1 + C₄ + A₄ · θ + N₄) (G15d)
wobei I0i wiederum die Lichtleistung der Lichtquelle, die Transmission und die Detektorempfindlichkeit des i-ten opti schen Kanals zusammenfaßt. Die gleichen Beziehungen gelten für die Größen Âi. Unter den praktisch immer erfüllbaren Annahmen Ci < 1 und wegen θ, Γ < 1 auch Ai·θ, Âi·θ, Ni < 1 lautet der Quotient Q in erster Näherung:where I 0i in turn summarizes the light output of the light source, the transmission and the detector sensitivity of the i-th optical channel. The same relationships apply to sizes i i . Under the assumptions C i <1 that can practically always be fulfilled and because of θ, Γ <1 also A i · θ, Â i · θ, N i <1, the quotient Q is in a first approximation:
Q = (S₁·S₄)/(S₂·S₃) = b·[1 + (A₁ + A₄)·θ]/[1 + (A₂ + A₃)·θ] = b·[1 + (A₁ - A₂ - A₃ + A₄)·θ] (G16)Q = (S₁ · S₄) / (S₂ · S₃) = b · [1 + (A₁ + A₄) · θ] / [1 + (A₂ + A₃) · θ] = b · [1 + (A₁ - A₂ - A₃ + A₄) · θ] (G16)
Mit θ = V·I und dem Vorfaktor b = (I₀₁·I₀₄)/(I₀₂·I₀₃), des sen Faktoren I₀₁, . . . I₀₄ bei Abwesenheit eines Stromes I aus den Signalen S₁, . . ., S₄ und den Gleichungen (G15) gemäß den Beziehungen I0i = Si/(1 + Ci + Ni) bestimmt werden, findet man in den Näherungen (G10) bzw. (G10′) für den Strom I ins besondere die Auswerteformeln:With θ = V · I and the prefactor b = (I₀₁ · I₀₄) / (I₀₂ · I₀₃), the sen factors I₀₁,. . . I₀₄ in the absence of a current I from the signals S₁,. . ., S₄ and the equations (G15) are determined according to the relationships I 0i = S i / (1 + C i + N i ), can be found in the approximations (G10) and (G10 ') for the current I in particular the evaluation formulas:
I = [Q/b - I]/[V·(A₁ - A₂ - A₃ + A₄)] bzw. (G17)
I = 1/(2·V)· arc sin [(Q/b - 1)/(Â₁ - Â2 - Â₃ + Â₄)] (G17′)I = [Q / b - I] / [V · (A₁ - A₂ - A₃ + A₄)] or (G17)
I = 1 / (2 · V) · arc sin [(Q / b - 1) / (Â₁ - Â 2 - Â₃ + Â₄)] (G17 ′)
In einem zweiten Schritt sollen die Störeinflüsse der Licht quelle(n), der Lichtübertragungsstrecke und der Detektoren auf das zu gewinnende Stromsignal minimiert oder eliminiert werden. Einige optische Konfigurationen zur Lösung dieser Aufgabe sind in den Ausführungsbeispielen angegeben, aus de nen sich zusätzliche, mehr praktisch bedingte Einschränkun gen für die obigen Winkelbeziehungen (G7a), (G7b), (G8a) und (G8b) ergeben. Für eine sehr gute Störunterdrückung dürfen nämlich bei 4 optischen Kanälen (Fig. 1, 2) höchstens 2 Lichtquellen, 2 Zuführungsfasern, 2 Wegführungsfasern und 2 Detektoren verwendet werden. Bei 8 optischen Kanälen sind insbesondere auch bis zu 4 Wegführungsfasern und 4 Detekto ren zulässig (Fig. 3, 4). Die Zuführungsfasern sind vorteil hafterweise hochdoppelbrechende, polarisationserhaltende Mo nomodefasern, die jeweils ein Paar orthogonal zueinander po larisierter Eingangslichtstrahlen zum Sensor transportieren, so daß gilt:In a second step, the interference of the light source (s), the light transmission path and the detectors on the current signal to be obtained should be minimized or eliminated. Some optical configurations for solving this problem are given in the exemplary embodiments, from which there arise additional, more practical restrictions for the above angular relationships (G7a), (G7b), (G8a) and (G8b). For very good interference suppression, a maximum of 2 light sources, 2 feed fibers, 2 routing fibers and 2 detectors may be used with 4 optical channels ( FIGS. 1, 2). With 8 optical channels, up to 4 routing fibers and 4 detectors are also permissible (FIGS . 3, 4). The feed fibers are advantageously highly birefringent, polarization-maintaining monomode fibers, which each transport a pair of orthogonally polarized input light beams to the sensor, so that:
α₂ = α₁ + π/2; α₄ = α₃ + π/2 (G18)α₂ = α₁ + π / 2; α₄ = α₃ + π / 2 (G18)
Andererseits erfordert die Verwendung von nur zwei Wegfüh rungsfasern im 4Kanalsystem, daß gilt:On the other hand, the use of only two leads fiber in the 4-channel system, that applies:
β₁ = β₂; β₃ = β₄ (G19)β₁ = β₂; β₃ = β₄ (G19)
Unter den Bedingungen (G18) und/oder (G19) stellt nur die Beziehung (G8a) eine Winkellösung mit nichtverschwindendem Nutzeffekt dar. Diese Lösung hängt dann nur noch von den Winkeln des 1. Kanals (α₁, β₁) ab:Under the conditions (G18) and / or (G19) only the Relationship (G8a) an angular solution with non-vanishing This solution then depends only on the Angle of the 1st channel (α₁, β₁) from:
α₂ = α₁ + π/2, β₂ = β₁ (G20a)
α₃ = β₁, β₃ = α₁ (G20b)
α₄ = β₁ + π/2, β₄ = α₁ (G20c)α₂ = α₁ + π / 2, β₂ = β₁ (G20a)
α₃ = β₁, β₃ = α₁ (G20b)
α₄ = β₁ + π / 2, β₄ = α₁ (G20c)
Die Kanäle sind also durch folgende Polarisator-Analysator- Paare charakterisiert:The channels are so through the following polarizer analyzer Characterized couples:
Kanal 1: (α₁, β₁),
Kanal 2: (α₁ + π/2, β₁),
Kanal 3: (β₁, α₁),
Kanal 4: (β₁ + π/2,:α₁),Channel 1 : (α₁, β₁),
Channel 2 : (α₁ + π / 2, β₁),
Channel 3 : (β₁, α₁),
Channel 4 : (β₁ + π / 2,: α₁),
wobei 0 ≠ |α - β| ≠ π/2, die Winkel aber sonst beliebig wählbar sind.where 0 ≠ | α - β | ≠ π / 2, but the angles are arbitrary are selectable.
Eine äquivalente Winkelkonfiguration kann auch aufgrund der Relation (G3b) durch gemeinsame Drehung des Polarisators und Analysators in den Kanälen 2 und 4 um π/2 erzeugt werden:An equivalent angular configuration can also be generated based on the relation (G3b) by rotating the polarizer and analyzer in channels 2 and 4 by π / 2:
Kanal 1: (α₁, β₁),
Kanal 2: (α₁, β₁ + π/2),
Kanal 3: (β₁, α₁),
Kanal 4: (β₁, α₁ + π/2).Channel 1 : (α₁, β₁),
Channel 2 : (α₁, β₁ + π / 2),
Channel 3 : (β₁, α₁),
Channel 4 : (β₁, α₁ + π / 2).
Diese Konfiguration hat nur zwei verschiedene Polarisator winkel, aber vier verschiedene Analysatorwinkel. In der Pra xis sollen sämtliche genannte Winkelrelationen mit einer Ge nauigkeit von ± 0,1 rad oder besser erfüllt sein.This configuration has only two different polarizers angles, but four different analyzer angles. In the Pra xis should all the angular relations mentioned with a Ge accuracy of ± 0.1 rad or better.
Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele dargelegt.Some exemplary embodiments are set out below.
Für die praktische Ausführung erfindungsgemäßer Strommeß geräte wird vorzugsweise die erste der oben aufgeführten An ordnungen gemäß den Gleichungen (G20a)-(G20c) benutzt. Beispielsweise kann man zusätzlich die Wahl |α₁ - β₁| = π/4, insbesondere α₁ - β₁ = π/4, treffen, die auch den Ausfüh rungsbeispielen zugrundeliegt. Die Auswerteformeln (G17) bzw. (G17′) vereinfachen sich dann wegen (G13) bzw. (G13′):For the practical execution of current measurement according to the invention devices will preferably be the first of the above orders used according to equations (G20a) - (G20c). For example, you can also choose | α₁ - β₁ | = π / 4, in particular α₁ - β₁ = π / 4, meet who also the Ausfü examples. The evaluation formulas (G17) or (G17 ′) are then simplified because of (G13) or (G13 ′):
I = [Q/b - 1]/[8V·(sinΓ)/Γ] bzw. (G21)
I = 1/(2·V)·arc sin [(Q/b - 1)/4] (G21′)I = [Q / b - 1] / [8V · (sinΓ) / Γ] or (G21)
I = 1 / (2 · V) · arc sin [(Q / b - 1) / 4] (G21 ′)
In den Ausführungsbeispielen wurde zusätzlich α₁ = π/4 ge setzt, so daß die Kanäle durch folgende Winkel charakteri siert sind:In the exemplary embodiments, α 1 = π / 4 was also ge sets, so that the channels characterize by the following angles are:
Kanal 1: (π/4, 0),
Kanal 2: (-π/4, 0),
Kanal 3: (0, π/4),
Kanal 4: (π/2, π/4).Channel 1 : (π / 4, 0),
Channel 2 : (-π / 4, 0),
Channel 3 : (0, π / 4),
Channel 4 : (π / 2, π / 4).
Gemäß der ersten Ausführungsform (Fig. 1) werden 4 Kanäle (1, 2, 3, 4) durch Lichtstrahlen realisiert, welche einen Stromsensor (5), der z. B. als massivoptischer Glasblock ausgeführt ist, in gleicher Richtung durchlaufen. Sie werden von einer Lichtquelle (6) erzeugt, welche zwei Laserdioden (LD₁, LD₂) umfaßt, welche orthogonal zueinander linear po larisierte Lichtstrahlen in zwei hochdoppelbrechende, pola risationserhaltende Fasern einleiten, die zusammen einem nichtpolarisierenden Strahlteiler (7), z. B. einem polarisa tionserhaltenden Faserkoppler, zugeführt werden, wo sie wie derum über zwei hochdoppelbrechende polarisationserhaltende Fasern (8a), (8b) und Kollimatoren dem Stromsensor (5) zuge führt werden. Die Faser (8a) wird dabei um -π/4 verdrillt, so daß die Lichtstrahlen der Kanäle (1)-(4) wie weiter oben angegeben und in Fig. 1 angedeutet die Polarisationen π/4, -π/4, 0 und π/2 aufweisen.According to the first embodiment ( Fig. 1) 4 channels ( 1 , 2 , 3 , 4 ) are realized by light rays, which a current sensor ( 5 ), the z. B. is designed as a solid optical glass block, run in the same direction. They are generated by a light source ( 6 ), which comprises two laser diodes (LD₁, LD₂), which initiate orthogonal to each other linearly polarized light beams into two highly birefringent, polarization-maintaining fibers, which together form a non-polarizing beam splitter ( 7 ), e.g. B. a polarization-maintaining fiber coupler, where they are in turn via two highly birefringent polarization-maintaining fibers ( 8 a), ( 8 b) and collimators the current sensor ( 5 ) leads. The fiber ( 8 a) is twisted by -π / 4, so that the light rays of the channels ( 1 ) - ( 4 ) as indicated above and indicated in Fig. 1, the polarizations π / 4, -π / 4, 0 and π / 2.
Die Lichtstrahlen der Kanäle (1) und (2) werden durch einen ersten Polarisationsfilter (Pa) mit dem Analysatorwinkel 0 über ausgangsseitige Kollimatoren und Fasern (9) einer Pho todiode (Da) als Lichtdetektor zugeführt, welche zur Lei stung des Lichtstrahls proportionale, nicht dargestellte Ausgangssignale S₁, S₂ erzeugt. Lichtstrahlen der Kanäle (3) und (4) fallen durch einen Polarisationsfilter (Pb) mit dem Analysatorwinkel π/4 über Fasern (9) auf eine zweite Photo diode (Db) und rufen dort nicht dargestellte Ausgangssignale S₃, S₄ hervor. Die Signale S₁, S₂ und S₃, S₄ können jeweils durch ein Multiplexverfahren, z. B. durch Zeit-, Frequenz- oder Wellenlängenmultiplexen der beiden Leuchtdioden (LD₁, LD₂), getrennt werden. Es ist vorteilhaft, als Zuführungsfa sern (8a), (8b) biegeunempfindliche polarisationserhaltende Monomodefasern und als Wegführungsfasern (9) biegeunempfind liche Multimodefasern zu verwenden. Dies garantiert eine ho he und vibrationsunempfindliche Lichtkopplung durch den Glasblock-Stromsensor (5), da der kleine Kern der Monomode fasern eine sehr gute Kollimation und der relativ große Kern der Multimodefasern eine große Lichtempfangsfläche ge währleisten. Auch ist es von Vorteil, wenn die numerische Apertur der ausgangsseitigen Kollimatoren kleiner als die numerische Apertur der Rückführungsfasern (9) gewählt wird, um die Anregung extrem biegeempfindlicher Hüll-Moden (Cladding-Moden) in den Fasern (9) zu minimieren. Ferner sollen die Fasern (8a, 8b, 9) eine geringe Biegeempfindlich keit besonders dann aufweisen, wenn sehr lange Strecken, z. B. 1 km und mehr, überbrückt werden müssen oder die Strecken durch mechanische Erschütterungen stark gestört sind. Weiter unten wird gezeigt, daß die erfindungsgemäßen Mehrka nalanordnungen darüberhinaus verbleibende, störende Lichtei stungsschwankungen sehr wirkungsvoll kompensieren können.The light beams of the channels ( 1 ) and ( 2 ) are fed through a first polarization filter (P a ) with the analyzer angle 0 via output-side collimators and fibers ( 9 ) to a photodiode (D a ) as a light detector, which is proportional to the power of the light beam , Not shown output signals S₁, S₂ generated. Light rays of the channels ( 3 ) and ( 4 ) fall through a polarization filter (P b ) with the analyzer angle π / 4 over fibers ( 9 ) on a second photo diode (D b ) and cause output signals S₃, S₄ not shown there. The signals S₁, S₂ and S₃, S₄ can each by a multiplex method, for. B. by time, frequency or wavelength division multiplexing of the two LEDs (LD₁, LD₂), separated. It is advantageous to use as feed fibers ( 8 a), ( 8 b) bend-insensitive polarization-maintaining monomode fibers and as routing fibers ( 9 ) bend-insensitive multimode fibers. This guarantees a high and vibration-insensitive light coupling through the glass block current sensor ( 5 ), since the small core of the monomode fibers ensures very good collimation and the relatively large core of the multimode fibers ensures a large light receiving area. Also, it is advantageous if the numerical aperture of the output collimators is selected smaller than the numerical aperture of the return fibers (9), in order to minimize the excitation extremely flexurally sensitive cladding modes (cladding modes) in the fibers (9). Furthermore, the fibers ( 8 a, 8 b, 9 ) should have a low sensitivity to bending particularly when very long distances, for. B. 1 km and more, must be bridged or the routes are severely disturbed by mechanical shocks. It is shown below that the Mehrka channel arrangements according to the invention can also compensate for any remaining disturbing light egg fluctuations very effectively.
Die Lichtquelle (6) kann auch wie in Fig. 1a dargestellt ausgeführt werden, wo das Licht einer einzigen Laserdiode (LD) durch zwei orthogonal zueinander eingestellte Polarisa tionsfilter (P₁, P₂) und Modulatoren (M₁, M₂) - z. B. Schal ter - dem nichtpolarisierenden Strahlteiler (7) zugeführt werden. The light source ( 6 ) can also be carried out as shown in Fig. 1a, where the light from a single laser diode (LD) by two orthogonally set polarization filters (P₁, P₂) and modulators (M₁, M₂) - z. B. scarf ter - the non-polarizing beam splitter ( 7 ) are supplied.
Bei der Auswertung der Signale tritt bekanntlich das Problem auf, daß die Signale mit nicht vollständig kontrollierbaren unterschiedlichen Faktoren behaftet sind, welche - im Fall der Ausführung nach Fig. 1 - sowohl die im allgemeinen un terschiedlichen Lichtstärken der Laserdioden (LD₁, LD₂), das Aufteilungsverhältnis des Strahlteilers (7) und die Einkopp lung in den Stromsensor (5) als auch Unterschiede in der Auskopplung aus demselben, der Empfindlichkeiten der Photo dioden (Da, Db) und ihrer elektronischen Verstärkungen wi derspiegeln.When evaluating the signals, it is known that the problem arises that the signals are not fully controllable different factors, which - in the case of the embodiment according to Fig. 1 - both the generally un different light intensities of the laser diodes (LD₁, LD₂), Distribution ratio of the beam splitter ( 7 ) and the coupling into the current sensor ( 5 ) as well as differences in the coupling out of the same, the sensitivities of the photo diodes (D a , D b ) and their electronic amplifications.
Eine bekannte Lösung dieses Problems ist die Trennung von Wechselstrom- und Gleichstromanteilen und der Abgleich der besagten Faktoren durch Division des ersteren durch den letzteren in jedem Kanal (ac/dc - Verfahren). Diese Auswer temethode ist jedoch ungeeignet für Gleichstrommessungen, da quasistatische Variationen des Gleichlichtanteils durch die Division weggeregelt werden, und zwar unabhängig davon, ob sie durch veränderliche optische Sendeleistung(en), Licht transmissionen und Detektorempfindlichkeiten oder durch Gleichströme verursacht sind.A known solution to this problem is the separation of AC and DC components and the adjustment of said factors by dividing the former by the the latter in each channel (ac / dc method). This Auswer However, this method is unsuitable for direct current measurements because quasi-static variations of the constant light component by the Division be regulated, regardless of whether it through variable optical transmission power (s), light transmissions and detector sensitivities or through DC currents are caused.
Eine genaue Wechsel- und Gleichstrommessung sowohl für Schutz- als auch Verrechnungszwecke kann jedoch durch geeig nete Verarbeitung der erfindungsgemäß erhaltenen vier Sig nale erzielt werden. Dazu werden Quotienten aus den Signalen gebildet, in welchen die Störgrößen herausfallen, gemäßAccurate AC and DC measurement for both Protection as well as billing purposes can however be approved nete processing of the four Sig obtained according to the invention nale can be achieved. For this purpose, quotients from the signals formed in which the disturbance variables drop out, according to
Q₁₃ = S₁/S₃ = I₀₁/I₀₂·(1 + N + A·θ)/(1 + N - A·θ) (G22)Q₁₃ = S₁ / S₃ = I₀₁ / I₀₂ · (1 + N + A · θ) / (1 + N - A · θ) (G22)
Unter der im allgemeinen zutreffenden Annahme, daß A·θ und N verhältnismäßig klein sind gegenüber 1, werden also dyna mische und quasistatische Lichteistungsschwankungen durch vibrationsbedingte oder statische Spannungsdoppelbrechung eliminiert gemäßAssuming that A · θ and N are relatively small compared to 1, so they become dyna mix and quasi-static fluctuations in light output vibration or static stress birefringence eliminated according to
Q₁₃ = I₀₁/I₀₃·(1 + 2·A·θ) (G23)Q₁₃ = I₀₁ / I₀₃ · (1 + 2 · A · θ) (G23)
Der Faktor I₀₁/I₀₃ in Q₁₃ ist auch unabhängig von der Sende leistung und dem Rauschen der Lichtquelle (LD₁), aber abhän gig vom Verhältnis der Empfindlichkeiten der Photodioden (Da, Db), da die Kanäle (1) und (3) zwar von der gleichen Lichtquelle versorgt, aber von unterschiedlichen Photodioden empfangen werden. Analoges gilt für einen QuotientenThe factor I₀₁ / I₀₃ in Q₁₃ is also independent of the transmission power and the noise of the light source (LD₁), but depends on the ratio of the sensitivities of the photodiodes (D a , D b ), since the channels ( 1 ) and ( 3 ) supplied by the same light source, but received by different photodiodes. The same applies to a quotient
Q₂₄ = S₂/S₄ = I₀₂/I₀₄·(1 - N - A·θ)/(1 - N + A·θ) = I₀₂/I₀₄·(1 - 2·A·θ) (G24)Q₂₄ = S₂ / S₄ = I₀₂ / I₀₄ · (1 - N - A · θ) / (1 - N + A · θ) = I₀₂ / I₀₄ · (1 - 2 · A · θ) (G24)
Aus dem DoppelquotientenFrom the double quotient
Q = Q₁₃/Q₂₄ ≈ (I₀₁·I₀₄)/(I₀₂·I₀₃))·(1 + 4·A·θ) (G25)Q = Q₁₃ / Q₂₄ ≈ (I₀₁ · I₀₄) / (I₀₂ · I₀₃)) · (1 + 4 · A · θ) (G25)
fällt jedoch auch das Detektorverhältnis heraus, so daß Q weder von den Lichtquellen (LD₁, LD₂) noch von den Photodi oden (Da, Db) abhängt. Darüberhinaus sorgen die Verhältnisse I₀₁/I₀₂ und I₀₄/I₀₃ dafür, daß dynamische und quasistatische Transmissionsschwankungen hinter dem Strahlteiler (7), ins besondere durch Faserbiegung sowie Lichtkopplung durch den Stromsensor (5), weitgehend eliminiert werden.However, the detector ratio also falls out, so that Q depends neither on the light sources (LD₁, LD₂) nor on the photodiodes (D a , D b ). In addition, the ratios I₀₁ / I₀₂ and I₀₄ / I₀₃ ensure that dynamic and quasi-static transmission fluctuations behind the beam splitter ( 7 ), in particular by fiber bending and light coupling by the current sensor ( 5 ), are largely eliminated.
Der Vorfaktor b = (I₀₁·I₀₄)/(I₀₂·I₀₃) kann allerdings von 1 abweichen, wenn das Aufteilungsverhältnis des Strahlteilers (7) polarisationsabhängig ist, d. h. die Lichtleistung zwi schen den Kanälen (1) und (3) nicht genau gleich verteilt wird wie zwischen den Kanälen (2) und (4). Dies läßt sich jedoch durch eine Messung feststellen und durch Berücksich tigung des Vorfaktors b kompensieren. Zu beachten ist dann noch eine allfällige Temperaturdrift des Vorfaktors b auf grund unterschiedlicher Temperaturabhängigkeiten der Auf spaltungsverhältnisse für orthogonal polarisierte Strahlen. Eine solche Temperaturdrift läßt sich jedoch durch Tempera turstabilisierung des Strahlteilers (7) auffangen. The prefactor b = (I₀₁ · I₀₄) / (I₀₂ · I₀₃) can, however, deviate from 1 if the distribution ratio of the beam splitter ( 7 ) is polarization-dependent, ie the light output between the channels ( 1 ) and ( 3 ) is not distributed exactly the same becomes like between channels ( 2 ) and ( 4 ). However, this can be determined by a measurement and compensated for by taking the pre-factor b into account. It should then also be noted any temperature drift of the pre-factor b due to different temperature dependencies of the splitting conditions for orthogonally polarized beams. Such a temperature drift can be compensated for by temperature stabilization of the beam splitter ( 7 ).
Einflüsse allfälliger Wellenlängenverschiebungen, wie sie durch Temperaturänderungen in den Leuchtdioden (LD₁, LD₂) hervorgerufen werden können, lassen sich durch eine Ausfüh rung der Lichtquelle gemäß Fig. 1a vermeiden, wo alle Kanä le von der einzigen Lichtquelle (LD) versorgt werden.Influences of any wavelength shifts, as can be caused by temperature changes in the light emitting diodes (LD₁, LD₂), can be avoided by executing the light source according to FIG. 1a, where all channels are supplied by the single light source (LD).
Die zweite Ausführung gemäß Fig. 2 entspricht im Prinzip der bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen ersten, doch bilden die Kanäle (1), (3) sowie (2), (4) jeweils Paare mit entgegengesetzter Durchstrahlrichtung durch den Strom sensor (5) und gehen beidseits durch Strahlteiler (Ta, Tb), denen bei Bedarf zur Korrektur allfälliger Doppelbrechungs effekte in (Ta) oder (Tb) ausgangsseitig doppelbrechende Elemente nachgeordnet sein können. In dieser Anordnung sind die Lichtwege sämtlicher Kanäle im Stromsensor (5) iden tisch, so daß Einflüsse lokaler Unterschiede der optischen Eigenschaften des Stromsensors (5) ausgeschlossen sind. Auch wird eine möglicherweise vorhandene zirkulare Doppelbrechung bzw. optische Aktivität eliminiert. Die Auswertung erfolgt genau gleich wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungs beispiel geschildert. Die Lichtquelle (6) kann auch wie in Fig. 1a ausgeführt sein.The second embodiment according to FIG. 2 corresponds in principle to the first already described in connection with FIG. 1, but the channels ( 1 ), ( 3 ) and ( 2 ), ( 4 ) each form pairs with the opposite direction of radiation through the current sensor ( 5 ) and go on both sides through beam splitters (T a , T b ), which, if necessary, can be used to correct birefringence effects in (T a ) or (T b ) birefringent elements on the output side. In this arrangement, the light paths of all channels in the current sensor ( 5 ) are identical, so that influences of local differences in the optical properties of the current sensor ( 5 ) are excluded. Any circular birefringence or optical activity that may be present is also eliminated. The evaluation is carried out exactly as described in connection with the first embodiment example. The light source ( 6 ) can also be designed as in Fig. 1a.
Die dritte Ausführungsform nach Fig. 3 entspricht im grund
sätzlichen Aufbau der ersten nach Fig. 1. Die Analyse der
Lichtstrahlen erfolgt jedoch nicht durch Polarisationsfil
ter, sondern mittels polarisierender Strahlteiler (TPa,
TPb), welche die Lichtstrahlen in je zwei orthogonal zuein
ander polarisierte Komponenten aufteilen, die jeweils zwei
Photodioden (Da, Da′) und (Db, Db′) zugeleitet werden. Zu
sätzlich zu den vier Kanälen (1)-(4) der ersten Ausführungs
form entstehen so analog zu (G20a)-(G20c) vier weitere Kanä
le (1′)-(4′) mit den folgenden Polarisator- und Analysa
torwinkeln:
Kanal 1′: (α₁, β₁ + π/2),
Kanal 2′: (α₁ + π/2, β₁ + π/2),
Kanal 3′: (β₁, α₁ + π/2),
Kanal 4′: (β₁ + π/2, α₁ + π/2)The third embodiment according to FIG. 3 corresponds in principle to the first structure according to FIG. 1. However, the analysis of the light beams is not carried out by polarization filters, but by means of polarizing beam splitters (TP a , TP b ), which orthogonally divide the light beams into two divide other polarized components, which are each fed to two photodiodes (D a , D a ') and (D b , D b '). In addition to the four channels ( 1 ) - ( 4 ) of the first embodiment, four further channels ( 1 ′) - ( 4 ′) with the following polarizer and analyzer angles are created analogously to (G20a) - (G20c):
Channel 1 ′: (α₁, β₁ + π / 2),
Channel 2 ′: (α₁ + π / 2, β₁ + π / 2),
Channel 3 ′: (β₁, α₁ + π / 2),
Channel 4 ′: (β₁ + π / 2, α₁ + π / 2)
bzw. unter den Einschränkungen α₁ - β₁ = π/4 und α₁ = π/4or under the restrictions α₁ - β₁ = π / 4 and α₁ = π / 4
Kanal 1′: (π/4, π/2),
Kanal 2′: (-π/4, π/2),
Kanal 3′: (0, -π/4),
Kanal 4′: (π/2, -π/4).Channel 1 ′: (π / 4, π / 2),
Channel 2 ′: (-π / 4, π / 2),
Channel 3 ′: (0, -π / 4),
Channel 4 ′: (π / 2, -π / 4).
Wertet man die Ausgangssignale der Kanäle S₁ - S₄ genau gleich aus wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungs beispiel beschrieben und die Ausgangssignale S₁′-S₄′ der weiteren Kanäle analog, so erhält man zusätzlich zu (G25)If you evaluate the output signals of channels S₁ - S₄ exactly same as in connection with the first execution example described and the output signals S₁'-S₄ 'the other channels analog, so you get in addition to (G25)
Q′ = Q₁₃′/Q₂₄′ = ((I₀₁·I₀₄)/(I₀₂·I₀₃))·(1 - 4·A·θ) (G26)Q ′ = Q₁₃ ′ / Q₂₄ ′ = ((I₀₁ · I₀₄) / (I₀₂ · I₀₃)) · (1 - 4 · A · θ) (G26)
und darausand it
q = Q/Q′ = [(S₁·S₄)/(S₂·S₃)]/[(S₁′·S₄′)/(S₂′·S₃′)] = (1 + 8·A·θ) (G27)q = Q / Q ′ = [(S₁ · S₄) / (S₂ · S₃)] / [(S₁ ′ · S₄ ′) / (S₂ ′ · S₃ ′)] = (1 + 8A · θ) (G27)
Aus dieser Gleichung fällt auch der Vorfaktor b und damit das Verhältnis der Aufteilungsverhältnisse für orthogonale Polarisationen am Strahlteiler (7) heraus und man findet den StromThe pre-factor b and thus the ratio of the distribution ratios for orthogonal polarizations at the beam splitter ( 7 ) also fall out of this equation and the current is found
I = [q - I]/[16·V·(sin Γ)/Γ] (G28)I = [q - I] / [16 · V · (sin Γ) / Γ] (G28)
Eine allgemeine Auswerteformel für beliebige α und β findet man in unmittelbarer Analogie zu (G17) bzw. (G17′) gemäßA general evaluation formula for any α and β can be found one in direct analogy to (G17) or (G17 ′) according to
I = [q - 1]/[V·R] bzw. (G29)
I = 1/ (2·V)·arc sin [(q - 1)/r] (G29′)I = [q - 1] / [V · R] or (G29)
I = 1 / (2 · V) · arc sin [(q - 1) / r] (G29 ′)
wobei R = A₁-A₁′ + A₄-A₄′ - (A₂-A₂′ + A₃-A₃′), r = Â₁-Â₁′ + Â₄-Â₄′ - (Â₂-Â₂′ + Â₃-Â₃′) und die gestri chenen Größen sich auf die Kanäle (1′)-(4′) beziehen. Für einen nichtverschwindenden Nutzeffekt muß in Gleichung (G29) und (G29′) Q ≠ Q′ gelten. Dies ist erfüllbar, wenn mindestens ein Differenzwinkel αi′ - βi′ der Kanäle (1′)- (4′) von dem entsprechenden Differenzwinkel αi-βi der Kanä le (1)-(4) abweicht. Insbesondere können für gleiche Pola risatorwinkel αi′ = αi mit i = 1, . . ., 4 unterschiedliche Analysatorwinkel βi′ ≠ βi gewählt werden. In diesem Fall kann also auch ein verallgemeinerter polarisierender Strahlteiler (TPa, TPb) mit zwei frei einstellbaren Analysatorwinkeln verwendet werden. Ein solcher Strahlteiler kann z. B. durch Kombination eines nichtpolarisierenden Strahlteilers mit orientierbaren Polarisatoren an beiden Ausgängen realisiert werden.where R = A₁-A₁ ′ + A₄-A₄ ′ - (A₂-A₂ ′ + A₃-A₃ ′), r = Â₁-Â₁ ′ + Â₄-Â₄ ′ - (Â₂-Â₂ ′ + Â₃-Â₃ ′) and the deleted sizes refer to the channels ( 1 ') - ( 4 '). For a non-vanishing benefit, the equation (G29) and (G29 ′) must apply Q ≠ Q ′. This can be achieved if at least one difference angle α i ′ - β i ′ of the channels ( 1 ′) - ( 4 ′) deviates from the corresponding difference angle α i -β i of the channels ( 1 ) - ( 4 ). In particular, for the same polarizer angle α i ′ = α i with i = 1,. . ., 4 different analyzer angles β i ′ ≠ β i can be selected. In this case, a generalized polarizing beam splitter (TP a , TP b ) with two freely adjustable analyzer angles can also be used. Such a beam splitter can, for. B. can be realized by combining a non-polarizing beam splitter with orientable polarizers at both outputs.
Die vierte Ausführungsform gemäß Fig. 4 verbindet die Ana lyse unter zusätzlichen Analysatorwinkeln gemäß der dritten mit dem Wechsel der Durchstrahlrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform. So fallen nicht nur alle unerwünschten, das Ergebnis beeinflussenden Faktoren heraus, die Ausführungs form bietet auch eine vollständige Überlappung der Lichtwege der verschiedenen Kanäle im Stromsensor (5) und die zusätz liche Elimination einer eventuell vorhandenen zirkularen Doppelbrechung bzw. optischen Aktivität.The fourth embodiment according to FIG. 4 connects the analysis under additional analyzer angles according to the third with the change in the transmission direction according to the second embodiment. Not only are all undesirable factors influencing the result eliminated, the embodiment also offers a complete overlap of the light paths of the various channels in the current sensor ( 5 ) and the additional elimination of any circular birefringence or optical activity that may be present.
Auch die allgemeinen Winkelrelationen (G7a), (G7b) und (G8b) können selbstverständlich als Grundlage für insbesondere ge gen doppelbrechungsinduzierte Lichtschwankungen immune opti sche Konfigurationen herangezogen werden. The general angular relations (G7a), (G7b) and (G8b) can of course as a basis for ge immune refraction-induced light fluctuations immune opti configurations are used.
Die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1-4 zeichnen sich allerdings durch eine besonders kleine Anzahl optischer Ele mente und durch eine Strahlführung aus, welche eine weitge hende Eliminierung aller langsamen und schnellen Signal schwankungen gewährleistet, die durch Doppelbrechung im Stromsensor (5), durch die Lichtquelle (6), durch die Fasern (8a), (8b), (9), durch die Lichtkopplung durch den Sensor (5) und die Detektoren (Da, Da′, Db, Db′) verursacht werden. Es versteht sich von selbst, daß in den Ausführungsbeispie len auch allgemeine Polarisator- und Analysatorwinkel gemäß den Gleichungen (G20a)-(G20c) gewählt werden dürfen.The exemplary embodiments according to FIGS. 1-4, however, are characterized by a particularly small number of optical elements and by beam guidance, which ensures extensive elimination of all slow and fast signal fluctuations caused by birefringence in the current sensor ( 5 ) Light source ( 6 ), caused by the fibers ( 8 a), ( 8 b), ( 9 ), by the light coupling by the sensor ( 5 ) and the detectors (D a , D a ', D b , D b ') will. It goes without saying that in the exemplary embodiments, general polarizer and analyzer angles may also be selected in accordance with equations (G20a) - (G20c).
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen eine weitge hende Elimination störungsbedingter Verfälschungen des Stromsignals. Durch nichtideale Kompensation von Störungen können jedoch bei sehr hohen Störpegeln, z. B. durch heftige Vibration des Stromsensors (5) oder der Fasern (8a, 8b, 9), immer noch dynamische Störsignale auftreten. Es ist daher wünschenswert, die Störgrößen quantitativ zu kennen, um die Zuverlässigkeit der Strommessung beurteilen zu können.The measures according to the invention enable extensive elimination of interference-related falsifications of the current signal. By non-ideal compensation of interference, however, at very high interference levels, e.g. B. by violent vibration of the current sensor ( 5 ) or the fibers ( 8 a, 8 b, 9 ), dynamic interference signals still occur. It is therefore desirable to know the disturbances quantitatively in order to be able to assess the reliability of the current measurement.
Die Erfindung erlaubt es, mit Hilfe einer zusätzlichen Signalauswertung einzelne dynamische Störgrößen separat zu messen. Für diesen Zweck werden normierter Signale si gebil det, indem jedes Signal Si in einen Wechsel- und einen Gleichlichtanteil aufgespalten und der Wechselanteil durch den Gleichanteil dividiert wird (ac/dc-Verfahren). Durch Differenz- und Summenbildung der normierten Signale si las sen sich die vibrationsinduzierte Doppelbrechung Nac gemäß:The invention makes it possible to measure individual dynamic disturbance variables separately with the aid of an additional signal evaluation. For this purpose, standardized signals s i are formed by splitting each signal S i into an alternating and a constant light component and dividing the alternating component by the equal component (ac / dc method). By forming the difference and sum of the standardized signals s i , the vibration-induced birefringence N ac can be according to:
Nac = [s₁-s₂ + s₃-s₄]/8 (G30)N ac = [s₁-s₂ + s₃-s₄] / 8 (G30)
und schnelle Transmissionsänderungen τ₁₂ bzw. τ₃₄, insbesonde re solche durch Biegung der Fasern (8a), (8b) und (9), in den Kanälen (1) und (2) bzw. (3) und (4) gemäß:and rapid transmission changes τ₁₂ or τ₃₄, in particular those caused by bending the fibers ( 8 a), ( 8 b) and ( 9 ), in channels ( 1 ) and ( 2 ) or ( 3 ) and ( 4 ) according to:
τ₁₂ = [s₁ + s₂]/2 und (G31)
τ₃₄ = [s₃ + s₄]/2 (G32)τ₁₂ = [s₁ + s₂] / 2 and (G31)
τ₃₄ = [s₃ + s₄] / 2 (G32)
bestimmen.determine.
Bei den 8 Kanalanordnungen erhält man z. B. auchWith the 8 channel arrangements you get e.g. Belly
Nac = -[s₁′-s₂′ + s₃′-s₄′]/8 (G33)N ac = - [s₁′-s₂ ′ + s₃′-s₄ ′] / 8 (G33)
und die schnellen Transmissionsänderungen τ₁₂′ bzw. τ₃₄′ in den Kanälen (1′) und (2′) bzw. (3′) und (4′) können wegen der zusätzlichen Rückführungsfasern (9) andere Werte anneh men:and the rapid transmission changes τ₁₂ ′ or τ₃₄ ′ in channels ( 1 ′) and ( 2 ′) or ( 3 ′) and ( 4 ′) can take on other values because of the additional feedback fibers ( 9 ):
τ₁₂′ = -[s₁′ + s₂′]/2 (G34)
τ₃₄′ = -[s₃′ + s₄′]/2 (G35)τ₁₂ ′ = - [s₁ ′ + s₂ ′] / 2 (G34)
τ₃₄ ′ = - [s₃ ′ + s₄ ′] / 2 (G35)
In den Gleichungen (G31), (G32), (G34) und (G35) werden je weils zwei Lichtsignale si und sj summiert, welche gleiche optische Kanäle i und j durchlaufen und von einem gemeinsa men Detektor (Da, Da′, Db, Db′) empfangen werden. In den 8Kanalanordnungen kann die Doppelbrechung Nac natürlich auch mit der Gleichung (G30) oder einer Kombination der Gleichun gen (G30) und (G33) bestimmt werden.In the equations (G31), (G32), (G34) and (G35) two light signals s i and s j are summed up because the same optical channels i and j pass through and from a common detector (D a , D a ', D b , D b ') are received. In the 8-channel arrangements, the birefringence N ac can of course also be determined using equation (G30) or a combination of equations (G30) and (G33).
Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine gegen dynamische und statische Störungen hervorragend immune Strommessung mit ei nem polarimetrischen Faradaystromsensor.Overall, the invention enables a dynamic and static interference excellent immune current measurement with egg a polarimetric Faraday current sensor.
BezugszeichenlisteReference list
1-4, 1′-4′ optische Kanäle
5 Stromsensor
6 Lichtquelle
7 Strahlteiler, Faserkoppler
8a, 8b (Zuführungs-)Fasern
9 (Wegführungs-)Fasern
LD, LD₁, LD₂ Leuchtdiode, Laserdiode
P₁, P₂, Pa, Pb Polarisationsfilter
M₁, M₂ Modulatoren
Da, Db, Da′, Db′ Detektoren, Photodioden
Ta, Tb Strahlteiler
Tpa, Tpb polarisierende Strahlteiler. 1-4 , 1'-4 ' optical channels
5 current sensor
6 light source
7 beam splitters, fiber couplers
8 a, 8 b (feed) fibers
9 (guide) fibers
LD, LD₁, LD₂ light emitting diode, laser diode
P₁, P₂, P a , P b polarization filter
M₁, M₂ modulators
D a , D b , D a ′, D b ′ detectors, photodiodes
T a , T b beam splitter
Tp a , Tp b polarizing beam splitters.
Claims (12)
- a) α₃ = β₂, β₃ = α₂-π/2,
- b) α₄ = β₁ + π/2, β₄ = α₁,
- c) α₁-β₁ ≠ α₂-β₂ und
- d) daß jedes Winkelpaar αi, βi durch ein Winkelpaar αi ± π/2, βi + π/2 ersetzbar ist.
- a) α₃ = β₂, β₃ = α₂-π / 2,
- b) α₄ = β₁ + π / 2, β₄ = α₁,
- c) α₁-β₁ ≠ α₂-β₂ and
- d) that each angle pair α i , β i can be replaced by an angle pair α i ± π / 2, β i + π / 2.
- a) α₂ = α₁ + π/2 und
- b) α₄ = α₃ + π/2.
- a) α₂ = α₁ + π / 2 and
- b) α₄ = α₃ + π / 2.
- a) β₂ = β₁ + π/2 und
- b) β₄ = β₃ + π/2.
- a) β₂ = β₁ + π / 2 and
- b) β₄ = β₃ + π / 2.
- a) je zwei optische Kanäle (1, 3; 2, 4) zueinander ent gegengesetzte Durchstrahlrichtungen aufweisen,
- b) insbesondere, daß der erste optische Kanal (1) und der dritte optische Kanal (3) sowie der zweite opti sche Kanal (2) und der vierte optische Kanal (4) je weils ein Paar bilden.
- a) each have two optical channels ( 1 , 3 ; 2 , 4 ) opposite to each other ent transmission directions,
- b) in particular that the first optical channel ( 1 ) and the third optical channel ( 3 ) and the second optical channel ( 2 ) and the fourth optical channel ( 4 ) each form a pair.
- a) die Lichtquelle (6) ausgangsseitig zwei Lichtstrah len mit zueinander orthogonalen Polarisationsrich tungen (α₁, α₂) aufweist und
- b) daß die beiden Lichtstrahlen mit einem Multiplex verfahren getrennt detektierbar sind,
- c) insbesondere, daß jeder Lichtstrahl zeit-, fre quenz- oder wellenlängenmultiplex detektierbar ist.
- a) the light source ( 6 ) on the output side two light beams len with mutually orthogonal polarization lines (α₁, α₂) and
- b) that the two light beams can be detected separately using a multiplex method,
- c) in particular that each light beam is time, frequency or wavelength division multiplex detectable.
- a) α₃ = β₂, β₃ = α₂-π/2,
- b) α₄ = β₁ + π/2 und β₄ = α₁ eingestellt wird, mit:
- c) α₁-β₁ ≠ α₂-β₂
- d) wobei jedes Winkelpaar αi, βi durch ein Winkelpaar αi + π/2, βi ± π/2 ersetzbar ist, und
- e) daß ein zu messender Strom I gemäß:
I = [Q/b - 1]/[V·(A₁-A₂-A₃ + A₄)]
mit
Q = (S₁·S₄)/(S₂·S₃) und
b = (I₀₁·I₀₄)/(I₀₂·I₀₃) bestimmt wird,
wobei die I₀₁, . . . I₀₄ bei Abwesenheit eines Stromes I aus den Signalen S₁, . . ., S₄ gemäß den Beziehungen
I0i = Si/(1 + C₁ + N₁) bestimmt werden,
Ci = cos (2·(αi-βi)),
Ai = 2·sin (2·(αi-βi))·(sin Γ)/Γ, Ni = -2·sin (2·(αi - ψ))·sin (2(βi - ψ))·(sin (Γ/2))²,
Γ = durch eine lineare Doppelbrechung induzierte Phasenverschiebung, ψ = Orientierung der schnellen Doppelbrechungsachse und V = Verdetkonstante.
- a) α₃ = β₂, β₃ = α₂-π / 2,
- b) α₄ = β₁ + π / 2 and β₄ = α₁ is set with:
- c) α₁-β₁ ≠ α₂-β₂
- d) wherein each pair of angles α i , β i can be replaced by an angle pair α i + π / 2, β i ± π / 2, and
- e) that a current I to be measured according to:
I = [Q / b - 1] / [V · (A₁-A₂-A₃ + A₄)]
With
Q = (S₁ · S₄) / (S₂ · S₃) and
b = (I₀₁ · I₀₄) / (I₀₂ · I₀₃) is determined,
where the I₀₁,. . . I₀₄ in the absence of a current I from the signals S₁,. . ., S₄ according to relationships
I 0i = S i / (1 + C₁ + N₁) can be determined,
C i = cos (2 * (α i -β i )),
A i = 2 · sin (2 · (α i -β i )) · (sin Γ) / Γ, N i = -2 · sin (2 · (α i - ψ)) · sin (2 (β i - ψ)) · (sin (Γ / 2)) ²,
Γ = phase shift induced by a linear birefringence, ψ = orientation of the fast birefringence axis and V = Verdet constant.
- a) α₃ = β₂, β₃ = α₂ - π/2,
- b) α₄ = β₁ + π/2 und β₄ = α₁ eingestellt wird, mit:
- c) α₁-β₁ ≠ α₂-β₂
- d) wobei jedes Winkelpaar αi, βi durch ein Winkelpaar αi ± π/2, βi 1 π/2 ersetzbar ist, und
- e) die aus dem Stromsensor (5) austretenden Licht strahlen in polarisierenden Strahlteilern (TPa, TPb) ge teilt und über deren zweite Ausgänge zu Lichtdetektoren (Da′, Db′) geführt werden, welche ausgangsseitig vier weitere 5 . . . . 8. zur empfangenen Lichtleistung propor tionale elektrische Signale (S₁′, . . ., S₄′) erzeugen,
- f) ein zu messender Strom I gemäß:
I = [q - I]/[V·R]
mit
q = [(S₁·S₄)/(S₂·S₃)]/[(S₁′·S₄′)/(S₂′·S₃′)] und R = A₁-A₁′ + A₄-A₄′ - (A₂-A₂′ + A₃-A₃′) bestimmt wird,
wobei Ai = 2·sin (2·(αi-βi))·(sin Γ)/Γ,
Ai′ = 2·sin (2·(αi-(βi ± π/2)))·(sin Γ)/Γ,
Γ = durch eine lineare Doppelbrechung induzierte Phasenverschiebung und V = Verdetkonstante bedeuten.
- a) α₃ = β₂, β₃ = α₂ - π / 2,
- b) α₄ = β₁ + π / 2 and β₄ = α₁ is set with:
- c) α₁-β₁ ≠ α₂-β₂
- d) wherein each pair of angles α i , β i can be replaced by an angle pair α i ± π / 2, β i 1 π / 2, and
- e) the light emerging from the current sensor ( 5 ) beams in polarizing beam splitters (TP a , TP b ) and divides via the second outputs to light detectors (D a ', D b ') which have four further 5 on the output side. . . . 8. generate electrical signals proportional to the received light output (S₁ ',..., S₄'),
- f) a current I to be measured in accordance with:
I = [q - I] / [V · R]
With
q = [(S₁ · S₄) / (S₂ · S₃)] / [(S₁ ′ · S₄ ′) / (S₂ ′ · S₃ ′)] and R = A₁-A₁ ′ + A₄-A₄ ′ - (A₂-A₂ '+ A₃-A₃') is determined,
where A i = 2 · sin (2 · (α i -β i )) · (sin Γ) / Γ,
A i ′ = 2 · sin (2 · (α i - (β i ± π / 2))) · (sin Γ) / Γ,
Γ = phase shift induced by a linear birefringence and V = constant constant.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1997117496 DE19717496C1 (en) | 1997-04-25 | 1997-04-25 | System for magneto=optical current e.g. direct current (DC) measurements, with at least one light source |
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Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4342410A1 (en) * | 1993-12-13 | 1995-06-14 | Abb Research Ltd | Method for magneto-optical current measurement and magneto-optical current measuring device |
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1997
- 1997-04-25 DE DE1997117496 patent/DE19717496C1/en not_active Expired - Fee Related
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D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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