DE2033305A1

DE2033305A1 - Vorrichtung zur elektrooptischen Mes sung einer elektrischen Große

Info

Publication number: DE2033305A1
Application number: DE19702033305
Authority: DE
Inventors: Georges Saint Egreve Bernard (Frank reich)
Original assignee: Merlm Germ, Grenoble (Frankreich)
Priority date: 1969-07-07
Filing date: 1970-07-04
Publication date: 1971-01-21
Also published as: SE354123B; FR2053502A5; US3629703A; AU1719570A; GB1282366A; CH515507A

Description

Patentanwälte ._h1TrTiTirin,_ntltnim,_rMla,_t,_n ' Ets. Merlin Gerin, F-38 Grenoble/Prantreich

Vorrichtung zur elektrooptischen Messung einer elektrischen Größe

Sie Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Hessen einer elektrischen Größe «it Hilfe eines elektrooptischen Modulationsgeräts, das von dieser elektrischen Größe erregt wird, um eine Drehung der Polarisationsebene eines polarisierten Keßlichtbändels, das sie durchquert, hervorzurufen, wobei eine unterhalb der elektrooptischen Vorrichtung angeordnete optische Vorrichtung das Meßlichtbündel in zwei Teillichtbündel aufteilt, die durch photoelektrische Mittel, die in eine elektrische Meßbrücke eingefügt sind, so bearbeitet werden, daß die Messung der elektrischen Größe möglich ist.

Eine solche Vorrichtung für die optische Übertragung ist in der deutschen Patentanmeldung P 12 83 363.5-35 beschrieben.

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BAD

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Dieses System gestattet die Hessung «ines elektrischen Stromes, der in einer freileitung ait erhöhten Potential fließt. Sine elektromagnetisch® Well®, besondere ein Bündel sichtbaren, ultraviolettes^, infraroten lichtes oder laserstrahlen, wird am Boden angeordneten lichtquelle ausgestrahlt₀ Zdchtbündel wird zu der Freileitung hingeführt₉ es gegen die Erde zurückgeschickt wird. Eine elektrooptische ?orrichtung₉ im allgemeinen sine magnetooptische Torrichtung mit Faradayzellem, wird von dem vorher polarisierten ijTchtbündel durchquert. Die Polarisationsebene des lichtbündels erfährt dann eine Drehung, deren Winkel eine Funktion des in der Freileitung fließenden Stroees ist. Der Strom erregt die Zelle, um hier ein Magnetfeld zu schaffen, das die Drehung in einem lichtdurchlässigen, istropen Korper, wie z.B. einem schweren Flint glas, bewirken kann· Man wird feststellen, daß die Erfindung in bezug auf eine besondere Anwendungsform beschrieben wird, die am vorteilhaftesten erscheint, sich jedoch keinesfalls auf diese Anwendungsform beschränkt. Insbesondere kann die elektrische Große etwas anderes als ein Strom, z.B. eine Spannung, und die elektrooptisch· Torrichtung etwas anderes als eine Faradayselle sein und beispielsweise auf dem Cotton-Mouton-, KtT*- oder Poekelaeffekt be- "■ ruhen« Andererseits braucht die zu messende Grdße nicht

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BAD ORIÖfNAL

; - ; . 203330S :

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iron einer Hochspannungsleitung zu stammen, da die optische Übertragung aus Gründen, die nicht di· Isolierung der eigentlichen MeBvorrlchturag betreff®n,

... _t ,;· jpW- Äff««" "-*■■;■■ -- ■- . "

erwünscht sein kann»

Bas polarisiert· Liehttrfini«!« das zur SrAe iurUolcg·· führt wird und dl« elektrooptisch© Vorrichtung vts?*·. läßt, nachdem es eine Sheating seiner Fclarisatioiieebene erfahren bat, durehft&ert dann vor£ugeiiei8#_e «Iser nicht unbedingt eine »weit· slskti-ooptiacl« fcirrlehtung (β·Β· eine «wfit« faradaysfrlle), deren Aufgab® ee ist_s die Polarisationsebene des Mchtbündels in wesentlichen in ihre ursprüngliche leg« »usfiekeufühi*«!, d.h· in die Lage vor dea Durchsetsen d«r «rsten «laktzttoptleet&efi Vorrichtung.. Biese Eonpeiuiatl^ii erleichtert Ulm Heseung des Ib Leiter Bit erhöhtes Potential flleBeaften Et£«wes_t 'da sie- gestattet ι eine ffttll»ethode ansutrradeE« dl« gewisse fehlerguellen auaechlitSt, wie z.B. fias-'Altern der photpelektrisGhen fellen. Zu dleesii Zw«@k «vegt ein zweiter Stroj« die «weit· «lektrcoptisch® Towichtung, dt«, eine 'EoBpensatioatsTorrichtung ist,- iaafl der Strom

■iwird dank einer photoelektrischen Zeil© (oies^ eines Photomultiplikators) erzeugt, die von den Llchtibündel t>eleucbtet wird, 'das .die elektrooptisch« Konpensations-

■■■ViOrriehtung-verläßt, nachdem* es einen unterhalb der Vorrichtung'angeordneten Analys-ator. durchsetzt hat,

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In der obengenannten Patentanmeldung ist bereits vorgeschlagen worden, das austretende Lichtbündel z.B. mit Hilfe einer halbreflektierenden Platte in zwei Teillichtbündel aufzuteilen, wobei beide Teillichtbündel dann je eine photoelektrische Zelle be- . leuchten. Die beiden photoelektrischen Zellen sind in zwei Zweige einer elektrischen Heßbrücke eingefügt, W um die Messung des Hochspannungostromes zu gestatten.

Diese diffei'entielle Messung eliminiert die Störungen, die auf schädliche Induktionen und mechanische Schwingungen zurückzuführen sind, und ist völlig zufriedenstellend bei der Messung eines Wechselströme?; mit technischer Frequenz, wo die schädliche Veränderung

keine des Gleichgewichte ior Keßbrücke/größeren !lachteiIe

aufweist.

ψ Dagegen kann bei der Messung von Gleichstrom oder von

Strom mit geringer frequenz die in die Brücke eingeführte Abweichung den Wert des zu messenden Stromes erreichen und sogar überschreiten.

Im Laboratorium beseitigt man diesen Fehler, indem man regelmäßig und systematisch Hulleinstellungen der Brücke durchführt,undzwar insbesondere mit einem Spannungsteiler. Diese Nachprüfung kann aber nur bei Abwesenheit von Strom in den Wicklungen der Faraday^{zelleneriol6eli}· 00 98 84/1604

BAD ORNälNM.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung zu schaffen, die eine automatische NuIleinstellung der Brücke gestattet, und zwar jedesmal, wenn das Altern von Zellen oder Widerständen, Temperaturdohwankungen usw. die Brücke in shörender Weise aus lern Gleichgewicht gebrachb haben.

i>ie erfindungsgemäße Vorrichtung lab dadirch gekennzeichnet, daß sie MitteL aufweist, aiii in den v/eg des ueßiichtbündels oberhalb der Meßbrücke ein zweites Lichtbündel einzuführen, sozusagen ein Gleichgewichtalichbbündel, und Mittel , die photoelektrisohe Mittel· umfassen, die von den elektrischen Komponenten, die in -tie Meßbrücke eingeführt wurden unter dex· Wirkung des vT.Leichgewichtslichtbündels ein Fehlersignal ableiben, das dia Gleichgewichtsstörung der Brücke anzeigt, sowie obeuermittel, die das Fehlersignal verarbeiten, um die Brücke wieder ins Gleichgewicub au bringen.

Vorzugsweise wird das Gleichgewichtsbündel nicht polarisiert und oberhalb der optischen Vorrichtung eingeführt, wobei seine Intensität in der Bahn mit einer Frequenz moduliert wird, die sich von jener der elektrischen Größe unterscheidet, z.B. durch mechanische Trübung (drehendes Malteserkreuz) durch elektrische Pulsation, (wiederholte Entladungen), durch elektro-

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oder magnetooptische Abweichungen usw. Man führt vorzugsweise ein Lichtbündel ein, das auf eine .Frequenz pulsiert wird, die deutlich höher als die der Veränderungen der zu messenden Größe ist, wobei der zu messende otrom übrigens ein Gleichstrom sein kann* Man kann auch ein G-leichpeviichbülichtbündel oberhalb der olektrooptischen Vorrichtung(en) zur Drehung der Polarisationsebene des ilaupblichtbündels einführen* In diesem B'all jedoch tfird das eingeführte Lichtbündel gebotenei-tnaßeri nicht polarisJa'b. Han muß iia allgemeinen vermeiden, daß die Parameter des eingeführten Lichtbändels, das dem Haupblichbbündel überlagert iob, von der Heßbrücke alο Information betreffend den Wert der au messenden Große "ausgelegt" werden könnten»

AusführungsbeLspiele der Erfindung sind in den figuren ^ dargestellt, Es zeigen:

Pig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Meßvorrichtiing,

Fig. 2 schematisch eine Meßbrücke und ihre Mittel zur Steuerung der Nulleinstellung und

Fig. 3 schematisch eine Möglichkeit zum Einführen des Kompensationslintbündels.

Gemäß Fig. 1 wird ein Lichtbündel 10 von einer am Boden gelegenen Lichtquelle 12 im Bereich B mit niederem Potential ausgestrahlt und in Sichtung auf eine Frei-

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leitung 22 mit erhöhtem Potential geführt. In dem Bereich A mit erhöhtem Potential wird das Lichtbündel 10 durch opiegel 14, 16 in Richtung auf den Boden zurückgeführt und von einem Polarisator 18 polarisiert. Eine magnetooptioche Faradayzelle 20 wird in diesem 'iereich von der. jjolarisierten Lichtbündel durchquert. Die Polarisationsebene de^' Lichtbündels 10 erfährt in dieser .'.eile eine Drehung, die eine Funktion des in der i^rrpfft !'wicklung 23 der welle fließenden Stromes ist, v;obei ior otror^ die im gewählten Beispiel zu messende Größ-e ijt. Die Wicklung 23 ist mit der Leitung 2.2 in tfeihe ep^chaltet. Das von der Vorrichtung 20 in seiner Polnrisationeebene modulierte polarisierte Lichtbündel durchquert eine zweite elektrooptiache Vorrichtung, die im ccrtählt⁽ⁱn Beispiel von einer zweiten magnetooptischen Farada-zelle 24 gebildet wird. Diese Kompensationszelle wird von einen zweiten Strom, der ihre Wicklung 2:6 durchfließt, erregt und hat die Aufgabe, die Polarisationsebene det? sie verlassenden Lichtbündels im v/es ent Ii ehe π in ihre ursprüngliche Lage zurückzuführen, d.h. in die des vom Polarisator 18 kommenden Lichtbündels. Eine optische Vorrichtung 28, z.B. eine halbreflektierende - Platte, teilt das polarisierte Lichtbündel in zwei Teillichtbündel 30 und 32, die Analysatoren 34 und 36 durchqueren und schließlich auf photoelektrische Zellen

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und 40 auftreffen. Die elektrischen Anschlußklemmen der Zellen 38 und 4-0 sind in zwei Zweige einer Meßbrücke 42 eingefügt, deren andere beide Zweige von zwei festen Widerständen 44,46 gebildet werden, die durch den Widerstand eines Spannungsteilers 48 verbunden sind. Eine in einer Diagonalen der Brücke angeordnete Gleichstromquelle 50 verbindet beide Zellen ™ 38, 4O mit dem Schieber des Spannungsteilers 4-8. Die Spannung der anderen Diagonale der Brücke wird auf einen Differentialverstärker 52 gegeben, dessen Ausgang einerseits einen Tiefpaßfilter 54- und andererseits einen IIochpaßfi2 ter $6 speist. Der Tiefpaßfilter 54 speist die Wicklung 26 über einen Verstärker 58, und der Hochpaßfilter 56 speist über einen Verstärker 59 einen Servomotor 60, der die Stellung des Schiebers des Spannungsteiler.^ 46 steuert.

Ein nichtpolarisiertes Lichtbündel 62 wird zwischen der Zelle 24 und der Vorrichtung 28 in die Bahn des Hauptlichtbündels eingeführt, z.B. mit Hilfe einer halbreflektierenden Platte 64, und überlagert sich dem Hauptlichtbündel, nachdem es zuvor einen Modulator 66, z.B. ein rotierendes Malteserkreuz, durchquert hat, der periodisch das Lichtbündel 62 mit einer Frequenz unterbricht, die merklich über der des zu messenden Stromes liegt, der in der Wicklung 23 fließt.

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Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: (die Behandlung des Haupt- oder Meßlichtbündels 10 ist bereits in der obengenannten Patentanmeldung beschrieben und wird deshalb hier nicht mehr erläutert.)

Das Lichtbündel 62, das sogenannte Gleichgewichtslichtbündel, wird von der Vorrichtung 28ebenso wie das Hauptlichtbündel 10 geteilt. Diese Teillichtbündel des Lichtbündels 62 treffen auf die Photozellen 38 und 40 auf und erzeugen ein Fehlersignal am Ausgang des Differentialverstärkers 52, falls sich die Brücke nicht im Gleichgewicht befindet. Das Fehlersignal wird vom Hochpaßfilter und vom Verstärker 59 (der gegengekoppelt ist) eingeleitet, um den Servomotor 60 anzutreiben, der dann sofort anfängt, die Brücke durch Verstellung des Schiebers des Spannungsteilers 48 auf Null einzustellen.

Der Tiefpaßfilter 54· läßt das vom eingeführten Lichtbündel erzeugte Fehlersignal nicht durchgehen, sondern leitet das vom Verstärker 52 ausgesandte Signal ungehindert weiter, das der Hauptmessung entspricht. Der in der Wicklung 26 der Kompensationszelle 24 erzeugte Strom verursacht eine Drehung der Polarisationsebene des Hauptlichtbündels 10, die umgekehrt zu der in der Zelle 20 erzeugten Drehung verläuft und im wesentlichen

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den gleichen Absolutwert hat, wie er in dei? obengenannten Anmeldung angegeben ist.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Meßbrücke und ihres Steuersystems in einer nicht mechanischen Art, Die photoelektrischen Zellen 38 und 40 sind in Reihe mit zwei Gleichstromquellen 70,72 geschaltet, die geerdet sind. Die Spannung der Quelle ^2. ist veränderlich und wird bei 74- durch die vom Verstärker 59 abgegebene Spannung gesteuert, um dieses Potential auf Null zurückzuführen. Die beiden Widerstände 76 des Differentialeinganges sind ^etzt fest, und das Fehler- ebenso wie auch das Meßsignal werden am Spannungsteiler abgegeben. Das Fehlersignal wird nur vom Hochpaßfilter 56 und vom Verstärker 59 weitergeleitet_$ um über eine Diode die Spannung der Quelle 72 zu regeln und die Brücke wieder abzugleichen.

Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Lösung für die Einführung des Lichtbündels 62. Das Hauptlichtbündel 10 und das Gleichgewichtsiichtbüridel 62 werden räumlich entgegengesetzt gerichtet zu einer optischen Vorrichtung gebracht, die zwei Fokussierungslinsen 82_t84 aufweist, die unter Zwischenschaltung einer halbreflektierenden Fläche 86 miteinander verbunden sind_f die aus einer dünnen Metallschicht "bestehen kann,» Eine -solche Vorrichtung ist in der deutschen Patentanmeldung p 17 yj 430,4 beschrieben. Die Inalysato5?en 34„56 und

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die photoelektrischen Zellen 38, 40 sind beiderseits der optischen Vorrichtung angeordnet, deren wirksame Fläche weitaus Größer ist als die der Analysatoren und Zellen, so daß die Schattenwirkung maximal reduziert wird. Die koaxiale Anordnung der Heß- und Gleichgewichtslichtbündel gestattet es, eine größere Lichtleistung zu erreichen, da - im Gegensatz zu einer halbreflektierenden Platte, die. im Winkel von 4 5° angeordnet ist praktisch das ganze Licht zur Erzeugung der nützlichen elektrischen Signale beiträgt. Jedesmal wird die Hälfte des einfallenden Lichtbündels übertragen und die andere Hälfte reflektiert, um auf die Zellen 38 und stoßen.

Selbstverständlich können zahlreich** Veränderungen der beschriebenen Beispiele durchgeführt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. Es ist insbesondere möglich, die Meßbrücke in anderer Weise aus zubilden, wobei diese z.B. rein elektronische Stromkreise aufweist(mit Transistoren) Bit veränderlichem Scheinwiderstand. Die Größe dieses Scheinwiderstandes kann auf Grund des eingeführten Lichtbündels gesteuert werden.

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Claims

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Patentansprüche :

ί1.) Vorrichtung zum Messen einer elektrischen Größe mit Hilfe eines elektrooptischen Modulationsgeräts, das von der elektrischen Größe erregt wird, um eine Drehung der Polarisationsebene eines polarisierten Meßlichtbündels, das sie durchquert, hervorrufen, wobei eine unterhalb der elektrooptischen Vorrichtung angeordnete optische Vorrichtung das MeßlMitbündel in swei Teillichtbundel aufteilt, die durch photoelektrische Mittel bearbeitet werden, die in eine elektrische Meßbrücke so eingefügt, sind, daß sie die Messung der elektrischen Größe gestatten, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel aufweist, um in den Weg des Meßlichtbündels oberhalb der Meßbrücke ein zweites Lichtbündel einzuführen, ein sogenanntes Gleichgewichtslichtbündel, * und Mittel, die die photoelektrischen Mittel umfassen,

die von den elektrischen Komponenten, die in die Meßbrücke eingeführt wurden, unter der Wirkung des Gleich«. gewichtslichtbündels ein Fehlersignal ableiten, das die Gleichgewichtsstörung der Brücke anzeigt, sowie Steuermittel, die das Fehlersignal verarbeiten, um die Brücke wieder ins Gleichgewicht zu bringen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 „ dadurch gekennzeichnet,, daß die Intensität in der Bahn des Gleichgewichtslicht-

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bündeis auf eine Frequenz moduliert wird, die von der·
elektrischen Größe verschieden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1_S dadurch gekennzeichnet₉ daß das Gleichgewichtslichtbündel oberhalb der
optischen Vorrichtung in die Lichtbahn eingeführt wird_o
4·» Vorrichtung nach Anspruch 1«, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichgewichtslichtbündel nicht polarisiert ist_o
5„ Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet₉ daß das Gleichgewichüslichtbündel mit einer Frequenz
moduliert ist, die höher ist als die de-? elektrischen
Große.
6. Vorrichtung nach Anspruch 55 ckctapch gekennzeichnet₉. daß sie elektrische Filter aufweist, die die elektrisches. Komponenten des MeB- und Gleicligewiclatslichfbiiadels
trennen.
■ 7-·.. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gpkeBHZ ei ebnet ₉ daß die Steuermittel- einen Servomotor aufweisen₃ der
einen in ..die Meßbrück© eingefügten Spannungsteiler an*=
treibt.
8„ Vorrichtung aacli Anaprusä 1- iadiareM gakenaseicbnet₉. ciaß die Steuermittel., di© Bpaamung @in©r ©lektrisc"hsn
Stromquelle ₃ die in di© MefiteÄslse . ©iagefllgt 1st^

3 Ιί_;ι ;L·, t»

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9» Vorrichtung nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet₉ daß die Steuermittel den Wert eines Scheinwiderstandes auf rein elektronischem Wege verändern«,
10« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeietoat, QaB das Gleiongewicntslichtbünd®! in di© Lichtbahn des Meßlichtbündels mit; Hilf© einer )aalte@£l©&t±®raEid©a Platte, die vom Meßlichtbüadel durchquert wird,, ein<geführt wireL
11. Vorrichtung nach Anspruch 1O₉ bei der die optische Torrieatung ein© halbreflektierende fläche aufweist,. die in die Fokussierungsssittel 'eingefügt ist,

bündel dl© optische ToErichtung räuialicte entgegsng©= setst 'beistehten_ö woTbei photo©lektrische Mittel" in der Äehse xand "beiderseits äex¹ optischen TorriclatiiBg angeordnet sind und äi© optisch wirksam® Fläche der photoelektrlschen Mittol schwach in bezug auf die nalbreflektierenäe fließ® ist₀

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