DE19747416A1

DE19747416A1 - Verfahren und Anordnung zur optischen Erfassung einer schmalbandigen elektrischen Meßgröße

Info

Publication number: DE19747416A1
Application number: DE1997147416
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Phys Dr Bosselmann; Michael Dipl Phys Willsch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-10-27
Filing date: 1997-10-27
Publication date: 1999-05-06

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur optischen Erfassung einer schmalbandigen, vorzugsweise mono frequenten, elektrischen Meßgröße, insbesondere eines elek trischen Stromes oder einer elektrischen Spannung. Unter einer schmalbandigen Meßgröße wird dabei eine Meßgröße ver standen, deren Frequenzkomponenten innerhalb eines Frequenz bandes mit maximalen Abweichungen von nicht größer als 10% einer Grundfrequenz liegen. Die Grundfrequenz ist dabei als diejenige Frequenz innerhalb des Frequenzbandes anzusehen, die den höchsten Amplitudenwert aufweist.

Es sind optische Meßverfahren und Meßanordnungen zum Erfassen einer elektrischen Meßgröße bekannt. Dies gilt insbesondere für die optische Messung eines elektrischen Stromes unter Ausnutzung des magnetooptischen Faraday-Effekts und auch für die optische Messung einer elektrischen Spannung unter Aus nutzung des elektrooptischen Pockels-Effekts. In eine unter dem Einfluß der Meßgröße stehende Sensoreinrichtung (z. B. Faraday-Element oder Pockels-Element) werden ein einziges oder zwei gegenlaufige polarisierte Lichtsignale eingekop pelt. Die Polarisation der Lichtsignale wird in der Sensor einrichtung in Abhängigkeit von der Meßgröße variiert. Zur Analyse dieser Polarisationsänderung wird jedes Lichtsignal nach wenigstens einmaligem Durchlaufen der Sensoreinrichtung einem Polarisationsanalysator zugeführt. Der Polarisations analysator kann das zugehörige Lichtsignal entweder in zwei linear polarisierte Lichtteilsignale mit unterschiedlichen Polarisationsebenen aufteilen (zweikanalige Auswertung) oder nur einen auf eine vorgegebene Polarisationsrichtung produ zierten Lichtanteil durchlassen (einkanalige Auswertung). Aus den Lichtintensitäten der beiden Lichtteilsignale oder des Lichtanteils wird ein Meßsignal für die elektrische Meßgröße hergeleitet.

Ein begrenzender Faktor der beschriebenen optischen Meßver fahren und -anordnungen liegt in der meßgrößenabhängigen Polarisationsvariation, da sich die Polarisationszustände in periodischen Abständen wiederholen. Bei dem Faraday-Effekt ist dies beispielsweise nach einer 180°-Rotation der linearen Eingangspolarisation der Fall. Der durch den Faraday-Effekt oder den Pockels-Effekt vorgegebene Zusammenhang zwischen elektrischer Meßgröße und resultierendem Meßsignal ist im idealen, ungestörten Fall durch eine sinusförmige Kennlinie beschrieben. Daraus ergibt sich, daß die zulässige Dynamik der elektrischen Meßgröße beschränkt ist, wenn, wie in der Meßtechnik allgemein üblich, eine eindeutige Zuordnung zwi schen Meßgröße und resultierender Sensorantwort möglich sein soll. Lösungen, die eine eindeutige Detektierbarkeit von großen Signalamplituden durch eine Reduzierung der Sensor empfindlichkeit erreichen, gehen auf der anderen Seite zu Lasten kleiner Signalamplituden, die sich dann nicht mehr aus dem Rauschen extrahieren lassen. Beispielsweise im Bereich der elektrischen Energieversorgung, einem u. a. aufgrund der inhärent gegebenen hohen elektromagnetischen Verträglichkeit potentiellen Einsatzfeld optischer Meßverfahren, müssen hohe Dynamikbereiche der elektrischen Meßgröße, insbesondere des elektrischen Stromes abgedeckt werden können. Hierbei resul tieren die Forderungen nach höchsten Meßgenauigkeiten bei kleinen Stromamplituden aus der Verrechnungszählung und die nach Detektierbarkeit sehr hoher Stromamplituden aus der Kurzschlußstromerkennung. Möchte man bei diesem Anwendungs fall mit einer einzigen Sensoreinrichtung auskommen, so muß auch eine optische Erfassung von Meßgrößenamplituden jenseits des Eindeutigkeitsbereiches möglich sein.

In der EP 0 613 015 A ist ein elektrooptisches Spannungsmeß system offenbart, das Spannungswerte detektieren kann, die jenseits des Eindeutigkeitsbereichs des verwendeten elektro optischen Pockels-Elements liegen. Dabei werden zwei optische Lichtsignale ausgewertet, die mit vorgegebener Phasenverzöge rung zueinander durch das Pockels-Element gestrahlt werden. Die empfangenen Lichtsignale werden in entsprechende elektri sche Signale umgewandelt. Eine Signalrekonstruktion der zu messenden elektrischen Spannung erfolgt über ein spezielles Zählverfahren der Nulldurchgänge der beiden elektrischen Signale. Der Einsatz zweier Lichtsignale mit definierter Phasenverzögerung ist dabei immer mit zusätzlichem Aufwand an Technologie, Komponenten und Signalauswertung verbunden. Außerdem ist bei Zählverfahren unter gewissen Voraussetzungen wie z. B. bei bestimmten Signalaussteuerungen oder auch bei einem vorübergehenden Ausfall der Versorgungsspannung ein "Verzählen" nicht vollständig auszuschließen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun in der Angabe eines Verfahrens und einer Anordnung der einleitend jeweils be zeichneten Art, womit die elektrische Meßgröße, deren Ampli tudenwerte auch jenseits des Eindeutigkeitsbereiches liegen können, nicht inkremental zu erfassen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden ein Verfahren und eine An ordnung entsprechend den Merkmalen des jeweiligen unabhängi gen Patentanspruchs 1 bzw. 10 angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur optischen Erfassung einer schmalbandigen, vorzugsweise monofrequenten, elektri schen Meßgröße, insbesondere eines elektrischen Stromes oder einer elektrischen Spannung, handelt es sich um ein Verfah ren, bei welchem

a) mindestens ein Lichtsignal vorgesehen wird,
b) das mindestens eine Lichtsignal nur durch die elektrische Meßgröße variiert wird,
c) mindestens ein variiertes Lichtsignal in mindestens ein elektrisches Signal umgewandelt wird,
d) mit dem mindestens einen elektrischen Signal ein Meßsignal erzeugt wird, wobei das Meßsignal eine mehrdeutige Funk tion der elektrischen Meßgröße ist,
e) eine frequenzselektive Auswertung des Frequenzspektrums des Meßsignals oberhalb einer Grundfrequenz der elektri schen Meßgröße vorgesehen wird.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur optischen Erfassung einer schmalbandigen, vorzugsweise monofrequenten, elektri schen Meßgröße, insbesondere eines elektrischen Stromes oder einer elektrischen Spannung, handelt es sich um eine Anord nung, bei welcher

a) mindestens ein Sendemittel für mindestens ein Lichtsignal,
b) nur mindestens ein Variationsmittel, in dem die elektri sche Meßgröße das mindestens eine Lichtsignal derart variiert, daß ein mehrdeutiges Meßsignal resultiert,
c) mindestens ein optoelektrisches Empfangsmittel, vorzugs weise eine Photodiode, zur Umwandlung mindestens eines variierten Lichtsignals in mindestens ein elektrisches Signal,
d) ein frequenzselektives Auswertemittel, das das Frequenz spektrum des Meßsignals oberhalb einer Grundfrequenz der elektrischen Meßgröße auswertet,

vorgesehen sind.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß im Falle einer durch eine mehrdeutige Kennlinie beschriebenen Bezie hung zwischen der elektrischen Meßgröße und dem Meßsignal letzteres spätestens bei Überschreiten des Eindeutigkeits bereich nichtlinear verzerrt wird. Diese nichtlineare Verzer rung setzt sogar früher ein, nämlich bereits dann, wenn der lineare Bereich der Kennlinie verlassen wird. Als unmittel bare Folge der nichtlinearen Verzerrung bilden sich im Fre quenzspektrum des Meßsignals neue Frequenzkomponenten bei höheren Frequenzen, insbesondere bei Harmonischen (=Viel fachen) der Grundfrequenz der elektrischen Meßgröße. Das resultierende Frequenzspektrum zeigt einen um so höheren Oberwellengehalt, je weiter die elektrische Meßgröße den Eindeutigkeitsbereich überschreitet. Erfindungsgemäß werden nun diese neu entstehenden Frequenzkomponenten selektiv detektiert und ausgewertet, so daß man auch jenseits des Eindeutigkeitsbereiches liegende Werte der elektrischen Meßgröße erfassen kann. Als besonders vorteilhaft ist hierbei anzusehen, daß das erfindungsgemäße Verfahren und die erfin dungsgemäße Anordnung ohne zusätzliche optische Komponenten auskommen. Somit lassen sich auch bereits existierende opti sche Meßsysteme problemlos nachrüsten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfin dungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 bzw. vom Anspruch 10 je weils abhängigen Ansprüchen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens und der Anord nung zeichnet sich dadurch aus, daß die nach der optoelektro nischen Wandlung vorliegenden elektrischen Signale zunächst normiert werden. Dadurch wird erreicht, daß Lichtintensitäts schwankungen, die beispielsweise von dem Sendemittel oder aber auch von den optischen Übertragungsstrecken herrühren, weitestgehend eliminiert werden und somit die Meßsignalquali tät nicht beeinträchtigen.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht eine periodische, vorzugsweise eine sinusförmige Kennlinie für die Beziehung zwischen elektrischer Meßgröße und Meß signal vor. Dadurch wird eine Begrenzung der nichtlinearen Verzerrungen und infolge auch eine Begrenzung des resultie renden Oberwellengehaltes erreicht. Dies erleichtert die Ana lyse. Im idealen, d. h. im ungestörten Fall weisen die Varia tionsmittel optischer Erfassungssysteme in der Regel eine rein sinusförmige Kennlinie auf. Durch den in der Realität nur schwer zu unterdrückenden Störgrößeneinfluß wird die Kennlinie realer Variationsmittel jedoch verändert, so periodische und im allgemeinsten Fall mehrdeutige Zusammen hänge zwischen Meßgröße und Meßsignal resultieren. Die Wahl einer sinusförmigen Kennlinie impliziert somit die Verwendung eines besonders störgrößenunempfindlichen Variationsmittels.

Eine zusätzliche Weiterbildung des Verfahrens liegt darin, daß Harmonische, und insbesondere bevorzugt die ungeradzahli gen Harmonischen der Grundfrequenz der elektrischen Meßgröße untersucht werden. Geht man von einem sinusförmigen also einem ungeraden Kennlinienverlauf aus, so entstehen zumindest in erster Näherung auch nur ungeradzahlige Vielfache der Grundfrequenz, wenn die Meßgröße den Eindeutigkeitsbereich überschreitet. Somit bietet es Vorteile, wenn gerade diese Frequenzkomponenten für die Untersuchung herangezogen werden. Bei realen, störgrößenbeeinflußten Kennlinienverläufen kann eine Analyse anderer Frequenzkomponenten insbesondere auch geradzahliger Harmonischer der Grundfrequenz vorteilhaft sein, da diese Frequenzkomponenten dann einen auswertbaren Informationsgehalt in bezug auf die elektrische Meßgröße ent halten können.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Verfahrens, bei dem für die selektierten Frequenzanteile charakteristi sche Kenngrößen, wie Amplituden- oder Phasenwerte der Fre quenzkomponenten, ermittelt werden. Bevorzugt werden als Kenngrößen hierbei die Effektivwerte bestimmt.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeich net sich dadurch aus, daß die Kenngrößen bei verschiedenen Werten der elektrischen Meßgröße und für verschiedene Fre quenzanteile in einem vorgeschalteten Kalibrierungsvorgang bestimmt und beispielsweise in Form eines Look-up-tables ab gespeichert werden. Im Meßbetrieb werden die für einzelne Frequenzanteile ermittelten Kenngrößen mit diesen vorab be stimmten und gespeicherten Werten verglichen. Bei Überein stimmung kann auf den aktuellen Wert der zu messenden elek trischen Größe schlußgefolgert werden. Anstelle über ein ge speichertes Look-up-table kann die Auswertung der Frequenz kenngrößen auch über eine analytische Funktion erfolgen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Variation des Lichtsignals durch die elektrische Meßgröße polarimetrisch. Hierbei wird ein vorgegebener Polarisations zustand unter dem Einfluß der elektrischen Meßgröße in einen vom vorgegebenen verschiedenen Polarisationszustand über führt. Die Änderung des Polarisationszustandes läßt sich dann als Maß für die elektrische Meßgröße auswerten. Eine bevor zugte Weiterbildung dieser polarimetrischen Variation stellt ein Verfahren dar, das sich des magnetooptischen Faraday- Effektes bedient, der eine magnetfeld- bzw. stromabhängige Polarisationsvariation darstellt. Dementsprechend kann das polarimetrische Variationsverfahren auch in der Gestalt wei tergebildet werden, daß der elektrooptische Pockels-Effekt die Polarisationsvariation hervorruft. Der Pockels-Effekt beschreibt eine Abhängigkeit des Polarisationszustandes von einem elektrischen Feld bzw. einer elektrischen Spannung.

Analog zum Verfahren kann auch die Anordnung in der Gestalt weitergebildet werden, daß ein Faraday-Element bzw. ein Pockels-Element als Variationsmittel vorgesehen werden. Dabei kann das Faraday-Element in Form eines einen stromdurchflos senen elektrischen Leiter umschließenden Glasblocks oder in Form einer um den stromführenden Leiter gewundenen Faserspule mit ein bis mehreren Windungen oder auch als Kristall, der dem stromdurchflossenen Leiter zugeordnet ist, ausgeführt sein. Das Pockels-Element kann ebenfalls bevorzugt aus einem Kristall aufgebaut sein, der entweder in ein zu messendes elektrisches Feld eingebracht oder direkt an eine zu messende Spannung angeschlossen wird.

Weitere vorteilhafte Anordnungsausführungsformen, die sich aus den entsprechenden Unteransprüchen ergeben, weisen im wesentlichen die gleichen Vorteile auf wie die obengenannten jeweils korrespondierenden Verfahrensweiterbildungen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung erläutert. Zur Verdeutlichung gewisser Merkmale ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt und teilweise schematisiert dargestellt. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine Anordnung zur optischen Erfassung einer elektri schen Meßgröße mittels frequenzselektiver Auswertung,

Fig. 2 eine Anordnung zur optischen Erfassung eines elektri schen Stromes mittels frequenzselektiver Auswertung,

Fig. 3 Diagramme zur Abbildung des elektrischen Stromes auf ein Meßsignal über eine mehrdeutige Kennlinie,

Fig. 4 ein Diagramm mit einer Oberwellenanalyse des Meß signals,

Fig. 5 eine Anordnung zur optischen Erfassung einer elektri schen Spannung mittels frequenzselektiver Auswertung.

Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 bis 5 mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zur optischen Erfassung einer Meßgröße MG, die in einem Variationsmittel 10 ein Lichtsignal L0 beeinflußt bzw. vari iert. Das Lichtsignal L0 wird in einem sich anschließenden optoelektrischen Auswertemittel 20 in ein Meßsignal MS um gewandelt. Solange sich das Meßsignal MS innerhalb des Ein deutigkeitsbereiches und insbesondere innerhalb des linearen Bereiches einer vorgegebenen mehrdeutigen Kennlinienbeziehung zwischen elektrischer Meßgröße MG und Meßsignal MS bewegt, wird es unmittelbar als Ausgangssignal abgegriffen. Für den Fall, daß das Meßsignal MS den linearen und insbesondere den Eindeutigkeitsbereich verläßt, wird es einem frequenzselekti ven Auswertemittel 30 zugeführt. Am Eingang dieses frequenz selektiven Auswertemittels 30 befinden sich in der darge stellten Ausführungsform Bandpaßfilter 31 _i, (i beliebig aus i = 1, 2, . . .) die ungeradzahlige Harmonische einer Grundfrequenz der elektrischen Meßgröße MG aus dem Frequenzspektrum des Meßsignals MS herausfiltern. Bei dem vorgesehenen Einsatz der dargestellten Ausführungsform in der elektrischen Energie technik liegt die Grundfrequenz bei 50 bzw. 60 Hz. Dies ent spricht den gängigen Werten für die Netzfrequenz. Andere Fre quenzen sind jedoch ebenfalls möglich. Aus den frequenzselek tiven Ausgangssignalen der Bandpaßfilter 31 _i werden charakte ristische Kenngrößen K_i ermittelt. Im dargestellten Ausfüh rungsbeispiel sind dies Effektivwerte, die in Effektivwert bildnern 32 _i generiert werden. In einer anderen nicht darge stellten Ausführungsform kann die Frequenzselektion und die Kenngrößenbildung auch über einen Spektrumsanalysator erfol gen. Die Kenngrößen K_i dienen als Eingangssignale eines Ver gleichsmittels 33. In dem Vergleichsmittel 33 sind in einem Look-up-table Wertetupel der Kenngrößen K_i gespeichert, die in einem vorab durchgeführten Kalibrierungsvorgang mit be kannten elektrischen Meßgrößenamplituden im Mehrdeutigkeits bereich ermittelt wurden. Vergleicht man die aktuellen Kenn größenwerte K_i mit den im Vergleichsmittel 33 gespeicherten Wertetupeln, so ergibt sich bei Übereinstimmung unmittelbar ein Effektivwert MS als Maß für die Meßgröße MG. Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel kann hierbei sowohl für ideal sinusförmige als auch für andere periodische, aber auch für mehrdeutige Kennlinienbeziehungen zwischen der elek trischen Meßgröße MG und dem Meßsignal MS eingesetzt werden.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel zur optischen Erfas sung eines in einem elektrischen Leiter 2 fließenden elektri schen Stromes I gezeigt. Es handelt sich hierbei um eine kon krete Ausführungsvariante der in Fig. 1 mit den Bezugszei chen MG, 10 und 20 bezeichneten Teilkomponenten. Das für das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 bereits beschriebene fre quenzselektive Auswertemittel 30 ist in gleicher Bau- und Funktionsweise auch Bestandteil der Ausführungsvariante von Fig. 2. Die bei der Figurenbeschreibung zu Fig. 1 diesbe züglich gemachten Aussagen gelten somit in analoger Weise auch für Fig. 2. Dem Stromleiter 2 ist ein Faraday-Element 11 zugeordnet, das unter dem Einfluß des von dem elektrischen Strom I erzeugten Magnetfeldes die Polarisation von einem in das Faraday-Element 11 eingestrahlten linear polarisierten Lichtsignal L0 in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom I variiert. Das Faraday-Element 11 besteht dazu aus einer ge temperten Lichtwellenleiterspule mit mehreren Windungen. Mechanische Spannungen in der Lichtwellenleiterspule, die die Ursache für unerwünschte lineare Doppelbrechungserscheinungen sind, werden durch den Tempervorgang weitestgehend elimi niert, wodurch die Temperaturempfindlichkeit der Lichtwellen leiterspule stark reduziert wird. Zum Erzeugen des linear polarisierten Lichtsignales L0 dient ein Sendemittel 4, hier eine Laserdiode, und ein dem Faraday-Element 11 vorgelagerter Eingangspolarisator 5. Das Sendemittel 4 und der Eingangs polarisator 5 sind über eine konkret nicht dargestellte Mono mode-Lichtfaser optisch miteinander verbunden. Das linear polarisierte Lichtsignal L0 durchläuft das Faraday-Element 11 und erfährt dabei eine von dem elektrischen Strom I im Leiter 2 abhängige Änderung seiner Polarisation. Ein ausgekoppeltes Lichtsignal L weist aufgrund des Faraday-Effektes eine um einen Rotationswinkel gedrehte Polarisationsebene auf. Dieser Rotationswinkel ist abhängig von dem Strom I in dem elektri schen Leiter 2. Nach dem Durchlaufen des Faraday-Elementes 11 wird das Lichtsignal L über eine konkret nicht dargestellte polarisationserhaltende Lichtfaser einem Polarisationsanaly sator 25 zugeführt und dort in ein erstes und ein zweites linear polarisiertes Lichtteilsignal L1 und L2 zerlegt. Die Polarisationsebenen der beiden Lichtteilsignale L1 und L2 sind senkrecht zueinander gerichtet (sogenannte orthogonale Zerlegung). Als Polarisationsanalysator 25 dient ein Wolla ston-Prisma. Die beiden Lichtteilsignale L1 und L2 werden dann jeweils einem optoelektrischen Empfangsmittel 21 bzw. 22 über einen Lichtleiter zur Umwandlung in ein erstes und ein zweites elektrisches Signal I1 und I2 zugeführt. Die elektri schen Signale I1 und I2, die ein Maß für die Intensität des jeweils zugehörigen Lichtteilsignals L1 bzw. L2 sind, werden einem Normierungsmittel 23 zugeführt, das durch die Bestim mung des Quotienten aus der Summe und der Differenz der bei den elektrischen Signale I1 und I2 das Meßsignal MS ermit telt. Schwankungen in den Lichtintensitäten infolge von mechanischen Einwirkungen auf die Lichtleiter oder durch Emissionsschwankungen des Sendemittels 4 sind durch diese Normierung praktisch eliminiert. Die weitere Bearbeitung des Meßsignals MS erfolgt wie unter Fig. 1 bereits beschrieben.

Der Zusammenhang zwischen dem gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 optisch erfaßten elektrischen Strom I und dem Meßsignal MS wird durch eine mehrdeutige Funktion beschrie ben. Die Diagramme von Fig. 3 veranschaulichen diesen Zusam menhang. Der elektrische Strom I wird über eine mehrdeutige Kennlinie KL, die im gezeigten Fall einen sinusförmigen Ver lauf aufweist, auf das Meßsignal MS abgebildet. Die Form der mehrdeutigen Kennlinie KL ist dabei im wesentlichen durch die oben beschriebene Polarisationsvariation des Lichtsignals L0 und die nachfolgende Auswertung des variierten Lichtsignals L bestimmt. Solange sich der elektrische Strom in einem Eindeu tigkeitsbereich EB bewegt, ist auch die Zuordnung zum Meß signal MS eindeutig. Dieser Eindeutigkeitsbereich EB ist durch eine maximale Stromamplitude I_EB begrenzt. Übersteigen die Stromwerte die maximale Stromamplitude I_EB so kommt es im Meßsignal zu Mehrdeutigkeiten und zu nichtlinearen Verzer rungen.

Die nichtlinearen Verzerrungen führen zu einem mit den Strom werten ansteigenden Oberwellengehalt im Frequenzspektrum des Meßsignals MS. In Fig. 4 ist eine Oberwellenanalyse des Meß signals MS bis zur 7. Harmonischen in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom I dargestellt. Hierbei liegt die sinusför mige mehrdeutige Kennlinie KL von Fig. 3 zugrunde. Die Ska lierung der Strom-Achse erfolgt in Vielfachen der maximalen Stromamplitude im Eindeutigkeitsbereich I_EB. Die in Fig. 4 dargestellte Oberwellenanalyse dient als Basis für die oben beschriebene frequenzselektive Auswertung des Meßsignals MS zur Erfassung von Stromamplituden jenseits des Eindeutig keitsbereiches.

Anhand von Fig. 2 wurde beispielhaft die optische Erfassung des elektrischen Stromes I über das Faraday-Element 11 erläu tert. Die in Fig. 5 dargestellte optische Erfassungsanord nung für eine elektrische Spannung U über ein Pockels-Element 12 entspricht in den wesentlichen Teilen dem Ausführungsbei spiel von Fig. 2, wenn das Faraday-Element 11 durch das Pockels-Element 12 ersetzt wird. Das Pockels-Element 12 be steht aus einem den Pockels-Effekt aufweisenden Kristall, beispielsweise aus BSO (Wismut-Silicium-Oxid). Die zu detek tierende elektrische Spannung U wird dem Pockels-Element 12 über elektrische Kontakte 13 zugeführt. Im Ausführungsbei spiel von Fig. 5 liefert der Eingangspolarisator 5 an seinem Ausgang zirkular polarisiertes Licht. Dazu kann er bei spielsweise aus einem konkret nicht dargestellten linearen Polarisator und einer ebenfalls konkret nicht dargestellten nachgeschalteten λ/4-Verzögerungseinheit aufgebaut sein.

Claims

1. Verfahren zur optischen Erfassung einer schmalbandigen, vorzugsweise monofrequenten, elektrischen Meßgröße (MG), insbesondere eines elektrischen Stromes (I) oder einer elektrischen Spannung (U), bei welchem Verfahren

a) mindestens ein Lichtsignal (L0) vorgesehen wird,
b) das mindestens eine Lichtsignal (L0) nur durch die elektrische Meßgröße (MG) variiert wird,
c) mindestens ein variiertes Lichtsignal (L) in mindestens ein elektrisches Signal (I1, I2) umgewandelt wird,
d) mit dem mindestens einen elektrischen Signal (I1, I2) ein Meßsignal (MS) erzeugt wird, wobei das Meßsignal (MS) eine mehrdeutige Funktion der elektrischen Meßgröße (MG) ist,
e) eine frequenzselektive Auswertung des Frequenzspektrums des Meßsignals (MS) oberhalb einer Grundfrequenz der elektrischen Meßgröße (MG) vorgesehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß aus dem mindestens einen elektrischen Signal (I1, I2) mindestens ein normiertes Signal erzeugt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß mit dem min destens einen elektrischen Signal (I1, I2) das Meßsignal (MS) derart erzeugt wird, daß das Meßsignal (MS) eine periodische, insbesondere eine sinusförmige Funktion der elektrischen Meß größe (MG) ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zur frequenz selektiven Auswertung mindestens ungeradzahlige Harmonische der Grundfrequenz der elektrischen Meßgröße (MG) herangezogen werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zur frequenz selektiven Auswertung Kenngrößen (K_i), vorzugsweise Effektiv werte einzelner Frequenzanteile ermittelt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kenngrößen (K_i) einzelner Fre quenzanteile mit vorab ermittelten und gespeicherten Werten verglichen werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß durch die elektrische Meßgröße (MG) eine vorgegebene Polarisation des mindestens einen Lichtsignals (L0) variiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Variation des Lichtsignals (L0) aufgrund des Faraday-Effekts zur Erfassung des elektrischen Stroms (I) als Meßgröße (MG).

9. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Variation des Lichtsignals (L0) aufgrund des Pockels-Effekts zur Erfassung der elektrischen Spannung (U) als Meßgröße (MG).

10. Anordnung zur optischen Erfassung einer schmalbandigen, vorzugsweise monofrequenten, elektrischen Meßgröße (MG), insbesondere eines elektrischen Stromes (I) oder einer elektrischen Spannung (U), bei welcher Anordnung vorgesehen sind

a) mindestens ein Sendemittel (4) für mindestens ein Lichtsignal (L0),
b) nur mindestens ein Variationsmittel (10), in dem die elektrische Meßgröße (MG) das mindestens eine Lichtsignal (L0) derart variiert, daß ein mehrdeutiges Meßsignal (MS) resultiert,
c) mindestens ein optoelektrisches Empfangsmittel (21, 22), vorzugsweise eine Photodiode, zur Umwandlung mindestens eines variierten Lichtsignals (L) in mindestens ein elektrisches Signal (I1, I2),
d) ein frequenzselektives Auswertemittel (30), das das Frequenzspektrum des Meßsignals (MS) oberhalb einer Grundfrequenz der elektrischen Meßgröße (MG) auswertet.

11. Anordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Normierungsmittel (23) für das mindestens eine elektri sche Signal (I1, I2).

12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Variationsmittel (10) derart ausgestaltet ist, daß eine periodische, vorzugsweise eine sinusförmige Kennlinie (KL) für die Beziehung zwischen der elektrischen Meßgröße (MG) und einem Meßsignal (MS) resultiert.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß zur frequenz selektiven Auswertung Bandpaßfilter (31 _i) vorgesehen sind, die eine selektive Filterung zumindest ungeradzahliger Harmonischer einer Grundfrequenz der elektrischen Meßgröße (MG) bewerkstelligen.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß zur frequenz selektiven Auswertung ein Spektrumsanalysator vorgesehen ist.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, ge kennzeichnet durch Mittel (32 _i), die Kenngrößen (K_i), insbesondere von Effektivwerten, einzelner Frequenz anteile bilden.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, ge kennzeichnet durch Vergleichsmittel (33), die die Kenngrößen (K_i) einzelner Frequenzanteile vorab ermit telten und gespeicherten Werten zuordnen.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, ge kennzeichnet durch ein auf den elektrischen Strom (I) sensitives Faraday-Element (11) als Variations mittel (10).

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, ge kennzeichnet durch ein auf die elektrische Span nung (U) sensitives Pockels-Element (12) Variationsmittel (10).