DE19810781C1 - Vorrichtung zum Messen einer elektrischen Spannung oder einer elektrischen Feldstärke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer elektrischen Spannung oder einer elektrischen Feldstärke mit Mitteln zum Einkoppeln von polarisiertem Meßlicht in eine mittels einer ersten und einer zweiten Elektrode mit der elektrischen Spannung oder mit dem elektrischen Feld beauf­ schlagte Pockels-Sensoreinrichtung mit wenigstens einem elek­ trooptischen Kristall, der die Polarisation des Meßlichtes in .Abhängigkeit von der elektrischen Spannung oder der elektri­ schen Feldstärke ändert, mit einer Detektoreinrichtung zum Messen der Polarisationsänderung des Meßlichtes, und mit einer Anordnung des elektrooptischen Kristalls gegenüberlie­ gend einer Deckfläche der ersten Elektrode und einer Basis­ fläche der zweiten Elektrode. Eine solche Vorrichtung ist aus der DE 39 24 369 A1 bekannt.

Es sind optische Meßverfahren und Meßvorrichtungen zum Messen elektrischer Spannungen und Felder bekannt, bei denen die Änderung der Polarisation von polarisiertem Meßlicht in Ab­ hängigkeit von der elektrischen Spannung oder dem elektri­ schen Feld infolge des elektrooptischen Pockels-Effekts aus­ gewertet wird. Unter dem elektrooptischen Pockels-Effekt versteht man die Änderung der Polarisation von polarisiertem Meßlicht in einem den Pockels-Effekt aufweisenden Material infolge einer in dem Material induzierten linearen Doppelbre­ chung, die im wesentlichen über den elektrooptischen Koeffi­ zienten linear abhängig von einem das Material durchdringen­ den elektrischen Feld ist. Der Pockels-Effekt tritt bei be­ stimmten einachsigen Kristallen auf. Als elektrooptische Kristalle werden beispielsweise BGO-Kristalle in der Zu­ sammensetzung Bi12GeO20 verwendet. Andere übliche Kristalle sind BSO (Bi12SiO20), ADP (NH4H2PO4) KDP (KH2PO4), Quarz und dgl. (siehe auch DE 39 24 369 A1).

Zum Messen eines elektrischen Feldes wird ein Pockels-Element aus einem den Pockels-Effekt zeigenden Material in dem elek­ trischen Feld angeordnet. Zum Messen einer elektrischen Spannung wird die zu messende Spannung beispielsweise an das Pockels-Element mittels Elektroden angelegt. Durch das Pockels-Element wird polarisiertes Meßlicht gesendet. Die Änderung der Polarisation des polarisierten Meßlichtes in Ab­ hängigkeit von der zu messenden Spannung oder dem zu messen­ den Feld wird mit Hilfe eines Polarisationsanalysators ausge­ wertet.

Meßvorrichtungen, die den Pockels-Effekt zur Registrierung der Meßgröße nutzen, eignen sich insbesondere für Messungen im Hochspannungsbereich. Besonderer Vorteil ist es hierbei, daß hochfrequente Spannungs- und Feldänderungen gemessen wer­ den können, wobei ein solcher Sensor jedoch auch für DC- Felder einsetzbar ist.

Zur Messung von elektrischen Feldern in einem Hochspannungs­ bereich wird das Pockels-Element zwischen zwei Elektroden an­ geordnet. Eine der beiden Elektroden ist it der Hochspannung verbunden. Die andere der beiden Elektroden ist geerdet. Das Pockels-Element ist nicht unmittelbar mit den beiden Elektroden verbunden. Beispielsweise kann die erste Elektrode durch einen auf Hochspannung liegenden Leiter und die zweite Elektrode durch ein auf Erdpotential liegendes, den Leiter umgebendes Kapselungsgehäuse gebildet sein. Zwischen dem Pockels-Element und den Elektroden ist jeweils ein mit Gas (SF₆) gefüllter Zwischenraum. Die Feldstärke, welche das zu messende Feld charakterisiert, wird beim Übergang von dem Gas in das Pockels-Element geschwächt, so daß die wirksame Feld­ stärke im Innern des Pockels-Elementes im Vergleich zur Feld­ stärke außerhalb des Pockels-Elementes wesentlich vermindert ist. Hierdurch wird die durch das zu messende Feld im Pockels-Element induzierte Polarisationsänderung des Meßlich­ tes geschwächt. Bei der Verwendung ein BGO-Kristalls tritt ein Schwächungsfaktor von wenigstens 50 auf.

Zur Verbesserung der Wirkung des Pockels-Effektes bei der Messung von Hochspannungen wurde vorgeschlagen, als Pockels- Elemente lange Kristalle zu verwenden, die den Abstand zwischen den Elektroden komplett überbrücken, und so den Gas- Kristall-Materialübergang vermeiden. Nachteil einer derar­ tigen Anordnung ist es jedoch, daß die hierfür benötigten langen Kristalle sehr teuer sind, insbesondere wenn es sich wie im Fall des BGO-Kristalls um einen nicht natürlich vor­ kommenden Kristalltyp handelt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vor­ richtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der die Wirksamkeit der Feldstärke des zu messenden elektrischen Feldes in dem Pockels-Element verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine von der Deckfläche zu der Basisfläche verlaufende Quer­ schnittsfläche des elektrooptischen Kristalls wenigstens eine Einschnürung im mittleren Bereich aufweist.

Der wesentliche Vorteil, welcher mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber dem Stand der Technik erreicht ist, be­ steht darin, daß mittels eines verjüngten Querschnitts des elektrooptischen Kristalls im Innern des elektrooptischen Kristalls eine im Vergleich zu bekannten Kristallformgebungen erhöhte Feldstärke auftritt. Hierdurch verstärkt sich bei vergleichbaren Feldstärken des zu messenden Feldes außerhalb des Kristalls der elektrooptische Effekt innerhalb des elek­ trooptischen Kristalls. Das Signal-Rausch-Verhältnis der Messung wird verbessert. Eine weiterer Vorteil ist die Ein­ sparung der kostenintensiven langen Kristalle.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Einschnürung der Querschnittsfläche zweiseitig ausgebil­ det ist.

Hierdurch kann die Feldstärke im Innern des elektrooptischen Kristalls in einem mittleren Bereich des Kristalls optimiert werden.

Bei einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung sind eine er­ ste und/oder eine zweite Seite der Querschnittsfläche im Be­ reich der wenigstens einen Einschnürung konkav ausgebildet, wodurch Kanten auf seitlichen Oberflächen des elektroopti­ schen Kristalls vermieden sind. Kanten können sich für eine reproduzierbare Einkopplung des polarisierten Meßlichtes in den elektrooptischen Kristall nachteilig auswirken.

Vorteilhaft kann vorgesehen sein, daß die Querschnittsfläche im Bereich der wenigstens einen Einschnürung dreieckförmig ausgebildet ist, wodurch die aufwendigere Herstellung ge­ krümmter Oberflächen vermieden ist.

Bei zweckmäßigen Ausführungen der Erfindung sind eine Ober­ seite und/oder eine Unterseite der Querschnittsfläche konvex ausgebildet oder sind die Deckfläche und/oder die Basisfläche als allseitig konvex gekrümmte Oberflächen ausgebildet.

Hierdurch wird die Wirkung des elektrooptischen Kristalls als "elektrische Linse" verbessert.

Vorteilhaft kann vorgesehen sein, daß auf der Deckfläche und/oder auf der Basisfläche ein Halteteil (aus einem dielek­ trischen Material) angeordnet ist, derart, daß die Deckfläche und/oder die Basisfläche und eine untere Oberfläche des Hal­ teteils aneinanderliegen. Hierdurch ist es bei der Anordnung des elektrooptischen Kristalls an einer der beiden Elektroden möglich, Luftspalte und die sich hieraus ergebenden Luft- Kristall-Materialübergange für den Feldstärkevektor des zu messenden Feldes zu vermeiden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist der wenigstens eine elektrooptische Kristall als ein BGO-Kristall ausgebildet. Für dieses Kristallmaterial ergeben sich bei erfindungsge­ mäßer Formgebung des elektrooptischen Kristalls Feldstärken, die im Innern des elektrooptischen Kristalls bis zu einem Faktor < 500 größer sind, als bei bekannten elektrooptischen Kristallen mit bekannter Formgebung, welche nicht die gesamte Strecke zwischen zwei Elektroden überbrücken.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß zwei senkrecht zueinander verlaufende Querschnitts­ flächen je eine Einschnürung aufweisen.

Der elektrooptische Kristall kann beispielsweise zylindersym­ metrisch gestaltet sein. Durch die Verjüngungen in mehreren Ebenen wird der erfindungsgemäße Effekt verstärkt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Feldes mit einem elektrooptischen Kristall, der wenigstens eine Einschnürung aufweist,

Fig. 2 einen zwischen zwei Elektroden angeordneten elek­ trooptischen Kristall im Querschnitt,

Fig. 3 Ausführungsbeispiele elektrooptischer Kristalle im Querschnitt,

Fig. 4 Ausführungsbeispiele elektrooptischer Kristalle mit einer im wesentlichen dreieckförmigen Querschnittsfläche,

Fig. 5 Ausführungsbeispiele elektrooptischer Kristalle mit einer konvexen Ober- und/oder Unterseite der Querschnitts­ fläche, und

Fig. 6 einen elektrooptischen Kristall mit einem Halteteil im Querschnitt.

Gemäß Fig. 1 wird das von einer Lichtquelle 1 ausgesendete Meßlicht einem Polarisator 2 zugeführt. Das mittels des Polarisators 2 polarisierte Meßlicht durchdringt anschließend einen elektrooptischen Kristall 3, gelangt in einen Analysa­ tor 4 und wird einem Detektor 5 zugeführt. Die Lichtquelle 1 und der Polarisator 2 sowie der Analysator 4 und der Detektor 5 sind vorzugsweise jeweils über einen Lichtwellenleiter 6, 7 optisch miteinander verbunden.

Der elektrooptische Kristall 3 wird mit Hilfe von zwei Elek­ troden 8, 9 mit der zu messenden Spannung beaufschlagt. Zwischen den beiden Elektroden 8, 9 ist ein Feld mit einer Feldstärke E ausgebildet. Der elektrooptische Kristall 3 ist zwischen den zwei Elektroden 8, 9 angeordnet, derart, daß eine Deckfläche 10 und eine Basisfläche 11 jeweils einer der beiden Elektroden 8, 9 gegenüberliegen. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die zu messende Spannung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 12 des Meßlichtes ange­ legt. Die zu messende Spannung kann jedoch auch parallel zu einer Ausbreitungsrichtung 12 des polarisierten Meßlichtes angelegt werden.

Das polarisierte Meßlicht durchläuft den elektrooptischen Kristall 3 wenigstens einmal in der Ausbreitungsrichtung 12 und erfährt hierbei aufgrund der angelegten elektrischen Spannung eine Änderung seiner Polarisation. Diese Änderung wird mit Hilfe des Analysators 4 und des Detektors 5 regi­ striert. Die Änderung der Polarisation ist abhängig von der angelegten elektrischen Spannung.

Das Meßlicht sollte nahezu ideal senkrecht auf die Oberfläche des Kristalls auftreffen, um störende Reflexionen zu vermei­ den. Es können auch ebene Eintrittsflächen 26, 27 für das Licht vorgesehen sein.

Fig. 2 zeigt den elektrooptischen Kristall 3 und die beiden Elektroden 8, 9, mit deren Hilfe der elektrooptische Kristall 3 mit der zu messenden Spannung beaufschlagt wird, im Quer­ schnitt. Der Querschnitt verläuft von der Deckfläche 10 zur Basisfläche 11 (siehe Fig. 1). Gemäß Fig. 2 verjüngt sich eine Querschnittsfläche 13 jeweils von einer Oberseite 14 und von einer Unterseite 15 in Richtung eines mittleren Bereiches 16 der Querschnittsfläche 13, derart, daß im mittleren Bereich 16 eine Einschnürung ausgebildet ist. Eine erste Seite 17 und eine zweite Seite 18 der Querschnittsfläche 13 sind kon­ kav ausgebildet.

Mit Hilfe einer Formgebung des elektrooptischen Kristalls 3 gemäß Fig. 2 kann das im Innern des elektrooptischen Kristalls 3 auf das polarisierte Meßlicht wirksame elektrische Feld im Vergleich zu der bekannten Formgebung, bei welcher der elek­ trooptische Kristall 3 im Querschnitt rechteckförmig ausge­ bildet ist, wesentlich erhöht werden. Ist der elektroopti­ sche Kristall 3 vorzugsweise als ein BGO-Kristall ausgebil­ det, so ist eine um einen Faktor < 500 erhöhte Feldstärke im Innern des elektrooptischen Kristalls 3 erreichbar. Der elektrooptische Kristall 3 gemäß Fig. 2 wirkt als 'elektrische Linse'.

Fig. 3 zeigte weitere vorteilhafte Ausführungsformen elektro­ optischer Kristalle 3 im Querschnitt. Gemäß Fig. 3A verlaufen die erste und die zweite Seite 17, 18 der Querschnittsfläche 13 in einem oberen und einem unteren Bereich 19, 20 im we­ sentlichen parallel zueinander. An den oberen und unteren Bereich 19, 20 schließt sich ein Bereich 21 an, in welchen die beiden Seiten 17, 18 konkav ausgebildet sind.

Gemäß Fig. 3B kann vorgesehen sein, daß nur die erste Seite 17 der Querschnittsfläche 13 konkav ausgebildet ist, während die zweite Seite 18 im wesentlichen senkrecht zur Ober- und Un­ terseite 14, 15 der Querschnittsfläche 13 verläuft. Eine derartige Ausführungsform mit einer im wesentlichen senkrecht ausgebildeten zweiten Seite 18 ist auch für einen elektroop­ tischen Kristall vorsehbar, bei dem der obere und der untere Bereich 19, 20 nicht ausgebildet sind. Dies ist in Fig. 3C dargestellt.

In Fig. 4 sind Ausführungsformen elektrooptischer Kristalle dargestellt, deren Querschnittsfläche 13 im wesentlichen dreieckförmig ausgebildet ist. Gemäß Fig. 4A verjüngt sich die Querschnittsfläche 13 ausgehend von der Oberseite 14. Die Unterseite 14 ist bei dieser Ausführung von einer Drei­ ecksspitze gebildet.

Die beschriebenen Ausführungsformen elektrooptischer Kri­ stalle können in beliebiger Weise miteinander kombiniert wer­ den, um im Innern des elektrooptischen Kristalls 3 eine ver­ besserte Wirkung des elektrischen Feldes zu erreichen. So kombiniert eine Ausführungsform gemäß 4B eine im wesentlichen dreieckförmige Querschnittsfläche 13 und konkave Seiten 24, 25, die im oberen Bereich 19 im wesentlichen parallel zuein­ ander verlaufen.

Gemäß Fig. 5 kann bei einer Weiterbildung der Erfindung vorge­ sehen sein, daß die Oberseite 14 der Querschnittsfläche 13 des elektrooptischen Kristalls 3 konvex ausgebildet ist. Dies verbessert die Wirkung des elektrooptischen Kristalls 3 als 'elektrische Linse'.

In räumlicher Hinsicht ist es vorteilhaft, die Deckfläche 10 des elektrooptischen Kristalls 3 als allseitig konvexe Halb­ kugeloberfläche auszubilden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, auch die Unterseite 15 der Querschnittsfläche 13 konvex (siehe Fig. 5) oder die Basis­ fläche 11 des elektrooptischen Kristalls 3 als konvexe Halb­ kugeloberfläche auszubilden.

Fig. 6 zeigt den elektrooptischen Kristall 3 mit einem Halte­ teil 22 im Querschnitt. Das Halteteil 22 ist aus einem die­ lektrischen Material ausgebildet. Ist die Oberseite 14 der Querschnittsfläche 13 des elektrooptischen Kristalls 3 konvex ausgebildet, so ist es vorteilhaft das Halteteil 22 gemäß Fig. 6 am elektrooptischen Kristall 3 anzuordnen. Eine untere Oberfläche 23 des Halteteils 22 ist als negativer Abdruck der Deckfläche 10 des elektrooptischen Kristalls 3 ausgebildet, so daß das Halteteil 22 und der elektrooptische Kristall 3 zueinander angeordnet werden können, derart, daß die untere Oberfläche 23 des Halteteils 22 und die Deckfläche 10 des elektrooptischen Kristalls 3 aneinderliegen.

Das Halteteil 22 weist auf der von dem elektrooptischen Kristall 3 abgewandten Seite 24 eine glatte Oberfläche 25 auf. Diese glatte Oberfläche 25 ermöglicht es, bei der An­ ordnung des elektrooptischen Kristalls 3 an einer der beiden Elektroden 8, 9 die Ausbildung von Luftspalten zwischen den Elektroden 8, 9 und dem elektrooptischen Kristall 3 zu ver­ meiden. Hierdurch sind Luft-Kristall-Materialübergänge ver­ mieden, die grundsätzlich zu einer Verminderung der Feld­ stärke im elektrooptischen Kristall 3 führen.

Bei allen in den Figuren gezeigten geometrischen Quer­ schnittsgestaltungen können die Kristalle symmetrisch bezüg­ lich einer die Deckfläche 10 und die Basisfläche 11 durchset­ zenden Achse, insbesondere rotationssymmetrisch ausgebildet sein.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Messen einer elektrischen Spannung oder einer elektrischen Feldstärke mit Mitteln zum Einkoppeln von polarisiertem Meßlicht in eine mittels einer ersten und einer zweiten Elektrode (8, 9) mit der elektrischen Spannung oder mit dem elektrischen Feld beaufschlagte Pockels-Sensorein­ richtung mit wenigstens einem elektrooptischen Kristall (3), der die Polarisation des Meßlichtes in Abhängigkeit von der elektrischen Spannung oder der elektrischen Feldstärke ändert, mit einer Detektoreinrichtung zum Messen der Polari­ sationsänderung des Meßlichtes und mit einer Anordnung des elektrooptischen Kristalls (3) gegenüberliegend einer Deck­ fläche (10) der ersten Elektrode (8) und einer Basisfläche (11) der zweiten Elektrode (9), dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Deckfläche (10) zu der Basisfläche (11) verlau­ fende Querschnittsfläche (13) des elektrooptischen Kristalls (3) wenigstens eine Einschnürung im mittleren Bereich auf­ weist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürung der Querschnittsfläche (13) zweiseitig aus­ gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und/oder eine zweite Seite (17, 18) der Quer­ schnittsfläche (13) in einem Bereich (16) der wenigstens einen Einschnürung konkav ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche (13) im Bereich (16) der wenigstens einen Einschnürung dreieckförmig ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberseite (14) und/oder eine Unterseite (15) der Quer­ schnittsfläche (13) konvex ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfläche (10) und/oder die Basisfläche (11) als allsei­ tig konvex gekrümmte Oberflächen ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Deckfläche (10) und/oder der Basisfläche (11) ein Halteteil (22) angeordnet ist, derart, daß die Deckfläche (10) und/oder die Basisfläche (11) und eine untere Oberfläche (23) des Halteteils (22) aneinanderliegen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine elektrooptische Kristall (3) als ein BGO- Kristall ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei senkrecht zueinander verlaufende Querschnittsflächen je eine Einschnürung aufweisen.