DE2019934A1

DE2019934A1 - Elektro-optische Anordnung zur UEbertragung von Signalen

Info

Publication number: DE2019934A1
Application number: DE19702019934
Authority: DE
Inventors: Roger Monnot; James Teboul
Original assignee: TRANSFORMATEURS DE MESURE WALT
Current assignee: TRANSFORMATEURS DE MESURE WALT
Priority date: 1969-04-25
Filing date: 1970-04-24
Publication date: 1970-11-05
Also published as: FR2041009A1; CH523505A; GB1269289A; SE358965B

Description

Dipl.-Ing. Egon Prinz Dr. Gertrud Hauser Dipl.-Ing, Gottfried Leiser

Patentanwälte

Telegramme: Labyrinth Münchon

Telefon: 83 15 10
Postscheckkonto: MOnchen 117078

Manchen 60,

Ernsbergerstrasse 19

2019934 11. April 1070

Unser Zeichen: T 855

TRANSFORMATEURS DE MESURE WALTER

64, Avenue Lenine 9¹*-Gentilly (VaI de Marne)/Pranlcreich

Elektro-optische Anordnung zur übertragung von Meßsignalen

Die Erfindung bezieht sich auf elektro-optische Anordnungen zur übertragung von Meß- oder Steuersignalen und insbesondere zur Messung des in einer Hochspannungs leitung fließenden Stroms mittels eines polarisierten Lichtbündels, dessen Polarisationsebene durch ein von dem zu messenden Strom erzeugtes Magnetfeld verändert wird.

Bu/ku

Bei

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BAD

Bei diesen magneto-optischen, unter dem Namen Faradayeffekt bekannten Effekt ausnützenden, bekannten Anordnungen sendet die Lichtquelle gewöhnlich einen konstanten, gleichmäßigen Lichtstrom aus. Dieser Lichtstrom wird sodann durch Drehung seiner Polarisationsebene in Abhängigkeit von dem Magnetfeld moduliert, welches von dem eine technische Frequenz besitzenden, zu messenden Strom erzeugt wird, wobei eine solche Modulation jedoch auch unter der Wirkung aller Störfelder, Insbesondere mit dieser gleichen Frequenz, erfolgt, welche in der Umgebung des Meßkanals herrschen« Daraus ergibt sich der Nachteil, daß die Messung mit Fehlern behaftet ist, welche auf der durch den Einfluß dieser Störfelder niedriger Frequenz hervorgerufenen Störmodulation beruhen, und daß die Qenauigkeit der Ergebnisse gering ist.

Durch die Erfindung soll dieser Nachteil durch Einrichtungen beseitigt werden, welche eine Frequenzumsetzung bewirken, die die Meßanordnung von auf Störungen niedriger Frequenz beruhenden Fehlern befreit und eine wesentliche Verbesserung der Meßgenauigkeit ermöglicht.

Demgemäß schafft die Erfindung eine elektro-optische Anordnung zur übertragung von Signalen, insbesondere zur Messung eines in einer Hochspannungsleitung fließenden Stromes, mit mindestens einer monochromatischen Lichtquelle, welche ein polarisiertes Lichtbündel in mindestens einen optischen Kanal aussendet, in welchem dasselbe einer Drehung seiner Polarisationsebene durch den Einfluß eines von dem zu messenden Strom erzeugten Magnetfeldes unterzogen wird unl in welchem eine Drehung

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in umgekehrter Richtung mittels eines magnetischen Au3gleichsfelde8 hervorgerufen wird, welches durch eine Wicklung erzeugt wird, die von mindestens einem photoelektrischen Empfänger gespeist wird, auf den das Bündel nach Durchgang durch die beiden Magnetfelder fällt, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die Lichtquelle von einer Elektrolumineszenzdiode gebildet ist, deren Lichtstrom durch Eingabe eines Stroms mit einer wesentlich oberhalb der Frequenz des zu messenden Stroms liegenden Modulationsfrequenz moduliert wird, und daß andererseits der photoelektrische Empfänger, mit der das Ausgleichsfeld erzeugenden Wicklung durch Anordnungen zur Filtrierung und synchronen Demodulation der Modulationsfrequenz verbunden ist.

Die Anwendung einer Modulation des LichtStroms durch eine Trägerwelle mit bezüglich der Frequenz des zu messenden Stroms verhältnismäßig hojier Frequenz mit nachfolgender Filtrierung und synchroner Demodulation gestattet die Erzielung eines hohen Rauschabstandes, wo bei die Störungen niedriger Frequenz intern größeren Teil entweder durch die Wirkung der Filtrierung, deren Bandbreite genau eingestellt werden kann, oder durch die Wirkung der synchronen Demodulation beseitigt werden.

Die Erfindung kann auf verschiedene Anordnungen angewen det werden, Je nachdem, ob eine einzige Lichtquelle ein polarisiertes Lichtbündel in «inen einzigen Meßkanal oder in zwei in einer aetatlachen Anordnung parallel oder in Reihe angeordnete Meßkanäle aussendet, oder auch durch Verwendung von zwei Lichtquellen, welche in

zwei

zwei in einer astatischen Anordnung angeordnete, parallele Kanäle aussenden.

In allen Fällen, in denen das Lichtbündel des einen Meßkanals in sich selbst zurückgeworfen wird, kann das optische System vorteilhafterweise nach der in der französischen Patentanmeldung PV 69.06611 der Anmelderin vom 10. März 1969 beschriebenen Anordnung ausgebildet werden. Bei den zwei parallele Kanäle in einer astatischen Anordnung verwendenden Ausführungsformen werden die in der französischen Patentschrift 1 508 357 der Anmelderin vorgesehenen Anordnungen angewendet.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 das Schaltbild einer elektro-optischen Anordnung mit einem einzigen Meßkanal gemäß der Erfindung,

Figuren 2 bis 4 Schaltbilder von astatischen Anordnungen mit zwei parallelen Kanälen,

Figur 5 das Schaltbild einer Anordnung mit zwei hintereinander angeordneten Kanälen und

Figur 6 das Schaltbild einer Gegenkopplungsschaltung zur Beseitigung einer Unsymmetrie der Empfängerschaltungen.

In Figur 1 1st mit IO eine Elektrolumineszenzdiode bezeichnet, welche längs der Achse A ein moduliertes Licht

bündel

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bündel über einen Polarisator 11 und einen halbdurchlässigen Spiegel 12 aussendet. Diese Diode'10,.welche zweckmäßigerweise polarisiert ist, wird durch Eingabe eines Stroms mit einer Frequenz beispielsweise in der Größenordnung von 20 kHz; moduliert, der von einem Generator 20 geliefert wird. Das modulierte und polarisierte Bündel durchsetzt zwei durchsichtige Elemente .21, 22, wie schwere Flintgläser, die im Inneren von Wicklungen 21A und 22A angeordnet sind, wobei diese Wicklungen Magnetfelder parallel zur Richtung der Licht- m strahlen erzeugen. ·

Die Wicklung 22A wird von dem eine Frequenz von 50 Hz aufweisenden Strom der Hochspannungsleitung durchflossen, den man zu messen wünscht, während die Ausgleichswicklung 21A von einem am Empfänger erzeugten Strom durchflossen wird, wie es weiter unten näher erläutert wird. -

Das obere Ende des Flintglases 22 ist derart reflektierend gemacht, daß das einfallende Lichtbündel in sich selbst zurückgeworfen wird und nach abermaligem Durchsetzen der Elemente 22, 21 und 12 auf einen zweiten I halbdurchlässigen Spiegel 13 trifft, welcher unter ungefähr 45° zur Achse A angeordnet ist-· Das Bündel wird daher in zwei Teile aufgespalten, von denen der eine reflektierte von einem ersten lichtempfindlichen Empfänger 15, der beispielsweise aus einer Photodiode oder einem Phototransistor besteht, über einen Analysator empfangen wird, während der andere, durchgelassene Teil von einem zweiten photoelektrischen Empfänger 17 über

einen

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einen Analysator l6 empfangen wird. Die Empfänger 15 und 17 sind an die Eingänge eines Differenzverstärkers 18 angeschlossen, welcher beispielsweise in einer Gegenkopplungsschaltung mit einem auf die Frequenz von 20 kHz abgestimmten Filter versehen ist, dem ein Synchrondemodulator 19 folgt, welcher mit dem Generator 20 gegebenenfalls über einen Phasenschieber zur Berücksichtigung der durch die Empfangsschaltungen eingeführten Phasenverschiebung verbunden ist„ An einem Eingang des Verstärkers 18 können Einrichtungen zur Regelung des Signals nach Amplitude und Phase vorgesehen sein.

Das vom Demodulator 19 ausgehende Signal mit 50 Hz wird sodann in den Leistungsverstärker 23 gegeben, welcher den Strom auf die Ausgleichswicklung 21A gibt. Dieser Strom geht außerdem durch eine Belastung 24, welche beispielsweise aus einem Amperemeter besteht, und gegebenenfalls durch Anordnungen, welche auf eine einen vorbestimmten Schwellwert übersteigende Intensität ansprechen können.

Der von der Diode 10 ausgehende und durch den Polarisator 11 polarisierte Lichtstrom wird mit 20 kHz moduliert. Er bildet eine Trägerwelle, welche im Verlauf des doppelten Durchgangs durch das Flintglas 22 durch das zu dem au messenden Strom proportionale Signal mit 50 Hz der Reihe nach in Form einer mit der Stärke dieses Stromes veränderlichen Drehung der Polarisationsebene untermoduliert wird. Die modulierten Lichtsignale, welche über die beiden Analysatoren 14 und 16 empfangen werden, deren Polarisationsachsen vorzugsweise einen Winkel von

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mit der Polarisationsebene des einfallenden Lichts einschließen, werden durch die Photoempfänger 15 und 17 in elektrische Signale umgewandelt. Nach Verstärkung und ■Filtrierung dieser Signale im Verstärker 18 beseitigt die im Demodulator 19 durchgeführte synchrone Demodulation die Trägerwelle und man erhält auf diese Weise ein Signal mit 50 Hz, welches auf den Eingang des Verstärkers 23 gegeben wird, um die das Flintglas 21 umgebende Ausgleichswicklung 21A derart zu speisen, daß dieses letztere eine Drehung der Polarisationsebene hervorruft, welche der vom Flintglas 22 hervorgerufenen gleich und '

entgegengesetzt gerichtet ist. Die vom Amperemeter 2k gemessene Stromstärke stellt daher einen zur Stromstärke in der Hochspannungsleitung proportionalen Wert dar.

Auegehend von dieser Anordnung mit einem einzigen Meßkanal können verschiedene Ausführungsformen mit zwei Meßkanälen verwirklicht werden, welche auf dem gleichen Grundgedanken beruhen, wobei ihre Unterschiede sich insbesondere auf die zur Lichtemission gehörigen optischen Teile beziehen, wobei jedoch die elektrische Empfangsanlage im wesentlichen gleich bleibt.

Das in Figur 2 gezeigte Schaltbild zeigt die Anwendung von zwei parallelen Kanälen in einer astatischen Anordnung gemäß der französischen Patentschrift 1 508 357. Die Elektrolumineszenzdiode 10 sendet ein Lichtbündel aus, welches am Ausgang des Polarisators 11 auf einen Lichtstromteiler 30 fällt, welcher von einem Prisma oder zwe.i Spiegeln gebildet ist. Jedes der resultierenden Lichtbündel wird zu je einem halbdurchlässigen Spiegel 33 bzw. M3 geleitet und in einen Meßkanal I bzw. II ge-

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geben, welcher jeweils aufweist: ein Flintgläs 31 bzw. 42, welches von seiner Ausgleichswicklung 3IA bzw. 4lA umgeben ist, ein Flintglas 32 bzw. 42 mit der oberen reflektierenden Fläche, welches von der Meßwicklung 32A bzw. 42A umgeben ist. Auf dem Rückweg nach dem Durchgang durch die Spiegel 33 bzw. 43 ist im Meßkanal ein Analysator 34 bzw. 44 und ein Photodetektor 35 bzw. 45 angeordnet. Jeder Photodetektor ist mit einem der Eingänge eines Differenzverstärkers 38 verbunden, welchem wie bei der Anordnung gemäß Figur 1 ein synchroner Demodulator 39 und ein Leistungsverstärker 23 nachgeschaltet ist.

Die Wicklungen 32A, 42A sowie die Wicklungen 31A, 4IA sind jeweils gleich und in der in der genannten französischen Patentschrift gezeigten Anordnung in Reihe geschaltet. Die Arbeltsweise entspricht derjenigen der in Figur 1 gezeigten Anordnung mit den einer astatischen Anordnung innewohnenden Vorteilen.

Figur 3 zeigt eine Abwandlung der vorhergehenden Anordnung, bei welcher als Lichtstromteiler ein teildurchlässiger Spiegel verwendet wird. Der von der ElektrolumineszenaäLode 10 ausgesandte Lichtstrom fällt nach dem Durchgang durch den Polarisator 11 auf einen ersten Spiegel 51 mit einem Durchlässigkeitskoeffizienten gleich 0,75 und der durchgelassene Anteil des Lichtstrome fällt auf einen weiteren halbdurchlässigen Spiegel 52. Unter diesen Bedingungen sieht man, daß die zwei optischen Kanäle I, II von ungleichen Lichtströmen durchlaufen werden, welche jeweils 1/4 bzw. 3/8 der ur

sprünglichen 009845/1382 .

sprünglichen Lichtintentsität entsprechen, daß jedoch am Ende zwei gleiche Lichtströme, welche proportional zu 3/16 der ursprünglichen Lichtintensität sind, auf die Photoempfänger 35, 45 fallen. Die Arbeitsweise des Empfängers entspricht derjenigen der vorhergehenden Anordnungen.

Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher eine Elektrolumineszenzdiode zur getrennten Belichtung jedes Meßkanals vorgesehen ist, wodurch die Verwendung ä eines Lichtstromteilers vermieden wird, welcher stets schwierig einzustellen ist. Bei dieser Anordnung sendet jede dieser beiden Dioden 101, 102, welche vom gleichen Generator 20 moduliert werden, ein Lichtbündel in den entsprechenden Kanal, welcher, wie vorher, einen halbdurchlässigen Spiegel 33 bzw. 43,, ein Flintglas 31 bzw. kl mit der zugehörigen Ausgleichswicklung und ein Flintglas 32 bzw· 42 mit der zugehörigen Meßwicklung umfaßt. Der reflektierte Lichtstrom wird über die Spiegel 33 bzw. 43 auf einen Photoempfänger 35 bzw. 45 gegeben, der jeweils mit einem der Eingänge des Differenzverstärkers 38 verbunden ist.

Statt der Verwendung von zwei parallelen Meßkanälen 1st es auch möglich, die optische StraKUngsanordnung so abzuändern, daß mit Hilfe der gleichen Elektrolumineszenzdiode zwei in Reihe liegende Meßkanäle belichtet werden, wie in Figur 5 gezeigt. Diese Anordnung ist zwar nicht astatisch, hat jedoch den Vorteil, daß ihre Meßempfindlichkeit verdoppelt ist· Die Diode 10 sendet ein Lichtbündel aus, welches nacheinander den Polarisator 11,

einen

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- ίο -

einen ersten halbdurchlässigen Spiegel 6l, die Flintgläser 31 und 32 des Kanals I In entgegengesetzten Richtungen durchsetzt» Das reflektierte, vom Spiegel 61 kommende Bündel wird zu einem zweiten halbdurchlässigen Spiegel 62 abgelenkt, welcher dasselbe In den die Flintgläser 41 und 42 enthaltenden Kanal II gibt. Das reflektierte, zurückkehrende Lichtbündel durchsetzt sodann den Spiegel 62 und fällt auf einen dritten halbdurchlässigen Spiegel 63, welcher die Rolle eines Lichtstromteilers entsprechend dem Spiegel 13 in Figur 1 spielt. Die Ausbildung des Empfängers bleibt gleich.

Bei den vorangehenden Anordnungen oder Schaltungen mit einem einzigen Meßkanal oder mit zwei parallelen Meßkanälen kann eine Unsymmetrie zwischen den beiden von den Photoempfängern 15, 17 oder 35, 45 empfangenen Signalen auch bei Abwesenheit eines Stroms in der Hochspannungsleitung bestehen· Diese Unsymmetrie kann auf mehreren Ursachen beruhen: Verformungen des die verschiedenen optischen Elemente enthaltenden Tubus, welche Unterschiede der Lichtwege mit sich bringen; Alterung der Senderund Empfängerteile; Unterschiede der Eigenschaften der die beiden Kanäle bildenden Elemente; thermische Abwanderungen und dergleichen· Diese Unsymmetrie führt am Ausgang des synchronen Demodulators zur Anwesenheit einer Gleichspannungskomponente, welche sich dem demodulierten Signal von 50 Hz überlagert.

Diese Gleichspannungskomponente ändert nicht die Messung bei 50 Hz, aber sie stört trotzdem infolge der von ihr erzeugten Erwärmung, insbesondere in.den Ausgleichs-

wicklungen

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ORIGINAL 4NSP£CTED

wicklungen» Im Übrigen erfordern die Astasiebedingungen in den Anordnungen, in denen dieselben verwirklicht werden sollen, ebenfalls die Ausschaltung dieser Gleichspannungskomponente. Sie kann vorteilhafterweise durch Gegenkopplung mit einem der Eingänge des Differenzverstärkers ausgeschaltet werden, wie bei dem 3h Figur 6 gezeigten Schaltbild ausgeführt.

Die Gleichspannung, welche an den Klemmen eines Widerstands ?0 abgenommen wird, der an den Ausgang des Leistungsverstärkers 23 in Reihe mit den Wicklungen 3iA, λ Mlk (oder der Wicklung 21A bei der Schaltung mit einem einsigen Kanal) angeschlossen ist, wird auf den Eingang eines Gleichstromverstärkers 71 gegeben. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers wird sodann mittels eines RC-Tiefpaßfliters 72 filtriert und sodann in einem Thermistormodulator 73 mit der vom Generator 20 gelieferten Frequenz von 20 kHz moduliert.

Die erhaltene modulierte Spannung wird schließlich wieder in einen der Eingänge des DifferenzVerstärkers 38 (oder 18) gegeben*

Auf diese Weise wirkt eine zwischen den von den Photo- |

empfängerη 35, 45 (oder 15, 17) ausgehenden Signalen auftretende Ungleichheit wie ein Fehlersignal, welches durch die Qegenkopplungswirkung ständig diese Ungleichheit zu beseitigen sucht.

Patentansprüche 00984S/1382

ORIGINAL INSPECTED

Claims

Patentansprüche

Elektro-optische Anordnung zur übertragung von Signalen, Insbesondere zur Messung eines in einer Hochspannungsleitung fließenden Stromes, mit mindestens einer monochromatischen Lichtquelle, welche ein polarisiertes Lichtbündel in mindestens ,einen optischen Kanal aussendet, in welchem dasselbe einer Drehung seiner Polarisationsebene durch den Einfluß eines von dem zu messenden Strom erzeugten Magnetfeldes unterzogen wird und in welchem eine Drehung in umgekehrter Richtung mittels eines magnetischen Ausgleichsfeldes hervorgerufen wird, welches durch eine Wicklung erzeugt wird, die von mindestens einem photoelekülschen Empfänger gespeist wird, auf den das Bündel nach Durchgang durch die beiden Hagnetfelder fällt, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die Lichtquelle von einer Elektrolumineszenzdiode gebildet 1st, deren Lichtstrom durch Eingabe eines Stroms mit einer wesentlich oberhalb der Frequenz des zu mesenden Stroms liegenden Modulationsfrequenz moduliert wird, und daß andererseits der photoelektrische Empfänger mit der das Ausgleichsfeld erzeugenden Wicklung durch Anordnungen zur Filtrier ung und synchronen Demodulation der Modulationsfrequenz verbunden 1st.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

wenigstens 009845/1382

OFtJGlNAL INSPECTED

wenigstens eine Elektrolumineszenzdiode in zwei optische Meßkanäle zwei polarisierte Lichtbündel aussendet, welche von zwei photoelektrischen Empfängern empfangen werden, die mit der das Ausgleichsfeld erzeugenden Wicklung Über einen Differenzverstärker verbunden sind, dem Anordnungen zur Filtrierung und synchronen Demodulation der Modulationsfrequenz nachgeschaltet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich-

net, daß optische Anordnungen zur Belichtung der bei- ™ den parallelen optischen Kanäle vorgesehen sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß optische Anordnungen zur Belichtung der beiden In Reihe liegenden optischen Kanäle vorgesehen sind.
5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder optische Kanal durch eine getrennte, mit der gleichen Frequenz modulierte Elektrolumineszenzdiode belichtet wird. :
6. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich- j| net, daß die optischen Anordnungen aus total oder teilweise reflektierenden Spiegeln bestehen.
7. Anordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder optische Kanal einen Reflektor aufweist, welcher so angeordnet ist, daß das Lichtbündel in sich selbst reflektiert wird. ;,

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8. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei photoelektrische Empfänger, welche jeweils an die Eingänge eines Differenzverstärkers angeschlossen sind, welchem ein synchroner Demodulator und ein Leistungsverstärker zur Speisung der Ausgleichswicklung oder der Ausgleichswicklungen nachgeschaltet ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Leistungsverstärkers in Reihe mit der Ausgleichswicklung oder den Ausgleichswicklungen ein Widerstand angeschlossen ist und daß dieser Widerstand an den Eingang einer Gegenkopplungsschleife angeschlossen ist, welche einen Gleichstromverstärker, ein- Filter und einen Modulator mit der genannten Modulationsfrequenz enthält und deren Ausgang mit einem der Eingänge des Differenzverstärker verbunden ist.

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