DE19920428A1 - Vorrichtung zur Messung von elektrischen Feldstärken - Google Patents
Vorrichtung zur Messung von elektrischen FeldstärkenInfo
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- G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
- G01R15/241—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption
- G01R15/243—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption based on the Kerr effect, i.e. quadratic electro-optic effect
Abstract
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von elektrischen Feldstärken (E) umfaßt folgende Merkmale: DOLLAR A - Wenigstens eine Lichtquelle (1), die linear polarisiertes Licht emittiert, DOLLAR A - wenigstens eine Kerrzelle (2), die elektro-optisch aktives Material enthält und die wenigstens eine Lichtauskopplung (20-23) aufweist, wobei DOLLAR A - das von der Lichtquelle (1) emittierte linear polarisierte Licht in die Kerrzelle (2) eintritt und darin eine vorgebbare Anzahl von optischen Weglängen (l¶k¶) zurücklegt und danach über die entsprechende Lichtauskopplung (20-23) austritt, DOLLAR A - wenigstens einen Analysator (30-33) für das aus der Kerrzelle (2) austretende linear polarisierte Licht, wobei DOLLAR A - die Polarisationsebene des Analysators (30-33) um einen vorgebbaren Drehwinkel (alpha) gegenüber der Polarisationsebene des aus der Lichtquelle (1) austretenden linear polarisierten Lichtes einstellbar ist, DOLLAR A - wenigstens einen Lichtsensor (40-43), der das aus dem Analysator (30-33) austretende Licht erfaßt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von elek
trischen Feldstärken.
Bei den bekannten Vorrichtungen zur Messung von elektrischen
Feldstärken wird die analoge Messung der elektrischen Feld
stärke auf eine Spannungsmessung zurückgeführt. Die Vorrich
tungen sind hierbei während der Messungen über ihre Innenwi
derstände galvanisch mit den Meßobjekten gekoppelt. Dies
führt bei der Messungen der elektrischen Feldstärke zu einer
Belastung der Meßobjekte.
Sollen bei den bekannten Vorrichtungen zur Messung von elek
trischen Feldstärken die Meßergebnisse in digitaler Form zur
Verfügung stehen, dann müssen die analogen Meßwerte über Ana
log-Digital-Wandler digitalisiert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
zur Messung von elektrischen Feldstärken zu schaffen, die
über ihren gesamten Meßbereich eine nicht auf das Meßobjekt
rückwirkende Messung ermöglicht und die die erfaßten Meßwerte
in digitaler Form zur Verfügung stellt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach
Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung sind jeweils Gegenstand von weiteren
Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von elektrischen
Feldstärken umfaßt folgende Merkmale:
- - Wenigstens eine Lichtquelle, die linear polarisiertes Licht emittiert,
- - wenigstens eine Kerrzelle, die elektro-optisch aktives Material enthält und die wenigstens eine Lichtauskopplung aufweist, wobei
- - das von der Lichtquelle emittierte linear polarisierte Licht in die Kerrzelle eintritt und darin eine vorgebbare Anzahl von optischen Weglängen zurücklegt und danach über die entsprechende Lichtauskopplung austritt,
- - wenigstens einen Analysator für das aus der Kerrzelle austretende linear polarisierte Licht, wobei
- - die Polarisationsebene des Analysators um einen vorgebba ren Drehwinkel gegenüber der Polarisationsebene des aus der Lichtquelle austretenden linear polarisierten Lichtes einstellbar ist,
- - wenigstens einen Lichtsensor, der das aus dem Analysator austretende Licht erfaßt.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhält man bereits bei
einer Kerrzelle mit nur einer optischen Auskopplung eine bi
näre Information. In diesem Fall beträgt die Wortlänge ein
Bit und es wird eine einfache Ja/Nein-Information zur Verfü
gung gestellt.
Eine Ja-Information erhält man, wenn der Lichtsensor Licht
empfängt, also wenn ein elektrisches Feld entsprechender
Stärke vorhanden ist, durch das die Polarisationsebene des
durch die Kerrzelle hindurchtretenden Lichtes entsprechend
verdreht wird, so daß die Polarisationsebene (Drehwinkel ϕk)
des aus der Kerrzelle austretenden linear polarisierten Lich
tes mit der Polarisationsebene (Drehwinkel αk) des der Kerr
zelle nachgeordneten Analysators übereinstimmt. Der Lichtsen
sor empfängt in diesem Fall das durch den Analysator hin
durchtretende Licht.
Die Drehung der Polarisationsebene des durch die Kerrzelle
hindurchtretenden Lichtes ist hierbei definiert als
ϕk [rad] = K.lk.E,
wobei mit K die elektro-optische Materialkonstante für eine bestimmte Wellenlänge des Lichtes (in nm), mit lk die opti sche Weglänge und mit E die auf die Kerrzelle einwirkende elektrische Feldstärke bezeichnet ist.
wobei mit K die elektro-optische Materialkonstante für eine bestimmte Wellenlänge des Lichtes (in nm), mit lk die opti sche Weglänge und mit E die auf die Kerrzelle einwirkende elektrische Feldstärke bezeichnet ist.
Eine Nein-Information bedeutet, daß das elektrische Feld un
terhalb des vorgegebenen Schwellwertes liegt und deshalb bei
dem durch die Kerrzelle hindurchtretenden Licht keine ausrei
chende Drehung der Polarisationsebene auftritt und der Licht
sensor deshalb kein Licht empfängt.
Damit erhält man jk= αk eine Ja-Information und bei ϕk + αk
eine Nein-Information.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht damit eine direk
te digitale Messung der elektrischen Feldstärke, so daß eine
zeitaufwendige Meßwert-Umwandlung durch Analog-Digital-Wand
ler entfällt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1 ermöglicht weiterhin eine
rückwirkungsfreie Messung der elektrischen Feldstärke, da das
Licht, das durch die Kerrzelle hindurchtritt nicht die zu
messende elektrische Feldstärke beeinflußt. Mit der Vorrich
tung nach Anspruch 1 können dadurch auch die Feldstärken von
hochfrequenten elektrischen Feldern gemessen werden.
Für eine digitale Messung der elektrischen Feldstärke mit ei
ner größeren Auflösung eignet sich eine Ausgestaltung gemäß
Anspruch 2 besonders gut. Bei der Vorrichtung nach Anspruch 2
sind die optischen Weglängen lk gemäß der folgenden Beziehung
geometrisch gestuft
lk = 2-k.l0,
wobei k = 0 . . . N - 1 ist und mit l0 der längste elektro
optisch wirksame Lichtweg in der Kerrzelle bezeichnet ist,
innerhalb dessen der Kerreffekt auftritt und zu einer Drehung
der Polarisationsebene des durch die Kerrzelle hindurchtre
tenden Lichtes führt. Mit N ist die Anzahl der Lichtauskopp
lungen bezeichnet.
Die größte optische Weglänge lk = l0 (k = 0) liefert das nie
derwertigste Bit, wohingegen die kürzeste optische Weglänge
lk = 1N-1 (k = N - 1) das höchstwertigste Bit liefert.
Die geometrische Stufung der optischen Weglängen lk kann bei
spielsweise dadurch erreicht werden, daß für jede optische
Weglänge jeweils eine Kerrzelle mit jeweils einer Lichtaus
kopplung vorgesehen ist (Anspruch 4) oder, daß bei einer ein
zigen Kerrzelle eine entsprechende Anzahl von Lichtauskopp
lungen vorgesehen ist (Anspruch 5). Auch eine Kombination
beider Maßnahmen - nämlich mehrere Kerrzellen mit jeweils
mehreren Lichtauskopplungen - ist als vorteilhafte Ausgestal
tung im Rahmen der Erfindung möglich.
Die elektrische Feldstärke, der die Vorrichtung gemäß An
spruch 2 ausgesetzt ist, kann damit direkt als Binärzahl an
der Helligkeit der Analysatoren abgelesen werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf einfache Weise
durch die Länge und/oder den Durchmesser der Kerrzelle(n) an
den benötigten bzw. gewünschten Meßbereich angepaßt werden.
Um doppelt so starke elektrische Potentialdifferenzen zu er
fassen, muß die Kerrzelle halbe Länge oder halbe Höhe bzw.
halbe Breite aufweisen. Durch die Anzahl der Lichtauskopplun
gen und/oder die Anzahl der Kerrzellen kann auf einfache Wei
se die gewünschte oder benötigte digitale Auflösung gewählt
werden.
Das elektro-optische Material kann entweder gasförmig, flüs
sig oder fest sein. Bevorzugte isotrope Stoffe sind in den
Ansprüchen 10 und 11 genannt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei schematisch
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zei
gen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
In Fig. 1 und 2 ist mit 1 eine Lichtquelle bezeichnet, die li
near polarisiertes Licht emittiert. Die Lichtquelle ist im
dargestellten Ausführungsbeispiel als Laserquelle ausgebil
det. Es ist jedoch auch möglich, anstelle einer Laserquelle
eine Lichtquelle zu benutzen, die unpolarisiertes Licht emit
tiert. Das Licht muß dann durch einen der Lichtquelle nachge
schalteten Polarisator, dessen Polarisationsebene vorzugswei
se einstellbar ist, linear polarisiert werden.
Der Lichtquelle 1 (Laserquelle) ist eine Kerrzelle 2 nachge
ordnet. Die Kerrzelle 2 ist mit einem elektro-optisch aktiven
Material, im dargestellten Ausführungsbeispiel mit Nitroben
zol, gefüllt.
In die Kerrzelle 2 tritt das von der Lichtquelle 1 emittierte
linear polarisierte Licht ein und legt in der Kerrzelle 2 ei
ne vorgebbare Anzahl von optischen Weglängen lk zurück. Die
Lichtintensität ändert sich hierbei periodisch nach
[sin(K.lk.E)]2 mit der angelegten elektrischen Feldstärke E.
Die absolute Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrich
tung ist bestimmt durch den längsten elektro-optisch wirksa
men Lichtweg l0 (Maximalwert der optischen Weglänge lk)und
durch die elektro-optische Materialkonstante K.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von elektrischen Feld
stärken weist die Kerrzelle 2 für eine vorgebbare Anzahl von
optischen Weglängen lk jeweils eine Lichtauskopplung 20 bis
23 auf. Über die Lichtauskopplungen 20 bis 23 tritt das line
ar polarisierte Licht aus der Kerrzelle 2 aus.
Die optischen Weglängen lk sind hierbei gemäß der folgenden
Beziehung geometrisch gestuft
lk = 2-k.l0,
wobei k = 0 . . . N - 1 ist und mit l0 der längste elektro
optisch wirksame Lichtweg in der Kerrzelle 2 bezeichnet ist,
innerhalb dessen der Kerreffekt auftritt und zu einer Drehung
der Polarisationsebene des durch die Kerrzelle 2 hindurchtre
tenden linear polarisierten Lichtes führt. Mit N ist die An
zahl der Lichtauskopplungen bezeichnet. Bei der in Fig. 1 dar
gestellten Ausführungsform ist N = 4 und damit k = 3.
Die größte optische Weglänge lk = l0 (k = 0) liefert das nie
derwertigste Bit(im Beispiel 00012 = 110), wohingegen die kür
zeste optische Weglänge lk = l3 (k = 3 wegen N = 4) das
höchstwertigste Bit (im Beispiel 10002 = 810) liefert. Auf
grund der geometrischen Abstufungen gilt damit für die in Fig.
1 dargestellte Ausführungsform:
l1 = 0,5.l0
l2 = 0,25.l0
l3 = 0,125.l0
l2 = 0,25.l0
l3 = 0,125.l0
Das über die Lichtauskopplung 20 aus der Kerrzelle 2 austre
tende linear polarisierte Licht gelangt in einen als Polari
sator ausgebildeten Analysator 30, dessen Polarisationsebene
in einem vorgebbaren Drehwinkel von z. B. α0 = 90° gegenüber
der Polarisationsebene des aus der Lichtquelle 1 austretenden
linear polarisierten Lichtes verdreht ist. Dem Analysator 30
ist ein Lichtsensor 40 (Photosensor) nachgeschaltet, der das
aus dem Analysator 30 austretende Licht erfaßt.
Analog ist der Lichtauskopplung 21 eine Analysator 31 (Pola
risationsfilter) zugeordnet, dessen Polarisationsebene im be
schriebenen Ausführungsbeispiel in einem Drehwinkel α1 = 180°
gegenüber der Polarisationsebene des aus der Lichtquelle 1
austretenden linear polarisierten Lichtes verdreht ist. Dem
Analysator 31 ist ein Lichtsensor 41 nachgeschaltet.
Der Lichtauskopplung 22 ist ein ebenfalls als Polarisations
filter wirkender Analysator 32 mit einem Drehwinkel α2 = 360°
sowie ein Lichtsensor 42 zugeordnet.
Ein Analysator 33 (Polarisationsfilter) mit einem Drehwinkel
α3 = 720° und ein Lichtsensor 43 ist der Lichtauskopplung 23
zugeordnet.
Das Produkt lk.αk aus der optischen Weglänge lk und Drehwinkel
αk ist damit konstant.
Die elektrische Feldstärke E, der die Vorrichtung ausgesetzt
ist, kann damit direkt als Binärzahl an der Helligkeit der
Analysatoren 30 bis 33 abgelesen werden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform kann die Prä
zisionsanforderung an die optischen Weglängen lk und die
Schwellwerterkennung der Lichtintensitäten an den Analysato
ren 30 bis 33 dadurch reduziert werden, daß jeweils statt ei
ner optischen Weglänge lk für jede geometrische Stufung je
weils zwei optische Weglängen gemäß der Beziehung
(1 ± 0,5).lk
vorgesehen sind, deren Lichtintensitäten miteinander vergli
chen werden.
Das linear polarisierte Licht, das in der Kerrzelle 2 die op
tischen Weglängen 0,5.l0 und 1,5.l0 zurücklegt, wird über
Lichtauskopplungen 20a und 20b jeweils einem Analysator 30a
bzw. 30b zugeführt. Analog ist den optischen Weglängen 0,5.l1
und 1,5.l1 jeweils eine Lichtauskopplung 21a bzw. 21b sowie
jeweils ein Analysator 31a und 31b zugeordnet. Den optischen
Weglängen 0,5.l2 und 1,5.l2 ist jeweils eine Lichtauskopplung
22a bzw. 22b sowie jeweils ein Analysator 32a bzw. 32b zuge
ordnet. Weiterhin ist den optischen Weglängen 0,5.l3 und
1,5.l3 jeweils eine Lichtauskopplung 23a bzw. 23b sowie je
weils ein Analysator 33a bzw. 33b zugeordnet.
Für die optischen Weglängen (1 ± 0,5).lk gilt hierbei wiederum
die Beziehung:
l2 = 0,5.l0
l2 = 0,25.l0
l3 = 0,125.l0
l2 = 0,25.l0
l3 = 0,125.l0
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann die elektrische
Feldstärke E, der die Vorrichtung ausgesetzt ist, direkt als
Binärzahl an der Helligkeit der Analysatoren 30a bzw. 30b bis
33a bzw. 33b abgelesen werden. Die Helligkeiten der Analysa
toren 30a bzw. 30b bis 33a bzw. 33b werden hierzu paarweise
von Lichtsensoren 40 bis 43 erfaßt.
Claims (14)
1. Vorrichtung zur Messung von elektrischen Feldstärken (E),
die folgende Merkmale umfaßt:
- - Wenigstens eine Lichtquelle (1), die linear polarisiertes Licht emittiert,
- - wenigstens eine Kerrzelle (2), die elektro-optisch akti ves Material enthält und die wenigstens eine Lichtaus kopplung (20-23) aufweist, wobei
- - das von der Lichtquelle (1) emittierte linear polarisier te Licht in die Kerrzelle (2) eintritt und darin eine vorgebbare Anzahl von optischen Weglängen (lk) zurücklegt und danach über die entsprechende Lichtauskopplung (20-23) austritt,
- - wenigstens einen Analysator (30-33) für das aus der Kerrzelle (2) austretende linear polarisierte Licht, wo bei
- - die Polarisationsebene des Analysators (30-33) um einen vorgebbaren Drehwinkel (α) gegenüber der Polarisationse bene des aus der Lichtquelle (1) austretenden linear po larisierten Lichtes einstellbar ist,
- - wenigstens einen Lichtsensor (40-43), der das aus dem Analysator (30-33) austretende Licht erfaßt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die folgendes Merkmal um
faßt:
- - Die optischen Weglängen (lk) gemäß der folgenden Bezie
hung geometrisch gestuft sind
lk = 2-k.l0,
wobei k = 0 . . . N-1, l0 der längste elektro-optisch wirk same Lichtweg, innerhalb dessen der Kerreffekt auftritt, und N die Anzahl der Lichtauskopplungen (20-23) ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, die folgendes Merkmal um
faßt:
- Das Produkt aus optischer Weglänge (lk) und Drehwinkel
(αk) ist konstant, wobei das Produkt vorzugsweise l0.90°
beträgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, die folgendes Merkmal um
faßt:
- - Für eine vorgebbare Anzahl der vorgebbaren optischen Weglängen (lk) ist jeweils eine eigene Kerrzelle (2) vor gesehen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, die folgendes Merkmal um
faßt:
- - Die Kerrzelle (2) weist für eine vorgebbare Anzahl der vorgebbaren optischen Weglängen (lk) jeweils eine Licht auskopplung (20-23) auf.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, die folgendes Merkmal um
faßt:
- - Jeder Kerrzelle (2) ist eine eigene Lichtquelle (1) zuge ordnet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, die folgendes Merkmal um
faßt:
- - Allen Kerrzellen (2) ist eine gemeinsame Lichtquelle (1) zugeordnet, wobei das linear polarisierte Licht über eine Spiegelanordnung den einzelnen Kerrzellen (2) zugeführt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, die folgendes Merkmal um
faßt:
- - Die Lichtquelle (1) ist als Laserquelle ausgebildet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, die folgendes Merkmal um
faßt:
- - Die Lichtquelle (1) weist wenigstens eine Polarisator auf, dessen Polarisationsebene einstellbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, die folgendes Merkmal um
faßt:
- - Als elektro-optisches Material ist Nitrobenzol vorgese hen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, die folgendes Merkmal um
faßt:
- - Als elektro-optisches Material ist Nitrotoluol vorgese hen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, die folgendes Merkmal um
faßt:
- - Anstelle einer optischen Weglänge (lk) für jede geometri sche Stufung sind jeweils zwei optische Weglängen gemäß der Beziehung (1 ± 0,5).lk vorgesehen, deren Lichtinten sitäten miteinander verglichen werden.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, die folgendes Merkmal um
faßt:
- - Die Kerrzelle (2) ist zwischen den Platten eines Konden sators angeordnet, der ein elektrisches Feld auf die Kerrzelle (2) wirken läßt, das proportional zu einer mes senden Spannung ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999120428 DE19920428A1 (de) | 1999-05-04 | 1999-05-04 | Vorrichtung zur Messung von elektrischen Feldstärken |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999120428 DE19920428A1 (de) | 1999-05-04 | 1999-05-04 | Vorrichtung zur Messung von elektrischen Feldstärken |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19920428A1 true DE19920428A1 (de) | 2000-11-30 |
Family
ID=7906892
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1999120428 Withdrawn DE19920428A1 (de) | 1999-05-04 | 1999-05-04 | Vorrichtung zur Messung von elektrischen Feldstärken |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19920428A1 (de) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0682261A2 (de) * | 1994-05-09 | 1995-11-15 | Abb Research Ltd. | Verfahren und Vorrichtung zur optischen Ermittlung einer physikalischen Grösse |
DE19716477A1 (de) * | 1997-03-05 | 1998-09-24 | Harald Prof Dr Ing Schwarz | Verfahren und Einrichtung zur Messung einer elektrischen Spannung |
-
1999
- 1999-05-04 DE DE1999120428 patent/DE19920428A1/de not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
SCHWAB, A.J.: Hochspannungsmeßtechnik, zweite Aufl., Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1981, ISBN 3-540-10545-X, S.177-184 * |
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