DE2232979A1

DE2232979A1 - Den faraday-effekt ausnutzender messstromwandler

Info

Publication number: DE2232979A1
Application number: DE2232979A
Authority: DE
Inventors: Pierre Aumont
Original assignee: Alstom Savoisienne SA
Current assignee: Alstom Savoisienne SA
Priority date: 1971-07-05
Filing date: 1972-07-05
Publication date: 1973-01-18
Also published as: IT962442B; CA970434A; US3753101A; BE785418A; FR2144987A5

Description

DR. MÜLLER-BORE DlPL-PHYS. DR. MANITZ DIPL-CHEM. DR. DEUFEL DIPL.-ING. FINSTERWALD DIPL-ING. GRÄMKOW

PATENTANWÄLTE Z Z 6 Z Ό I J3

G 2574

„. . -5. JUU M

München,

ALSTHOM SAVOISIENNE

25 rue des Bateliers, 95-ßATJSrc-OTJM Erankreieh

Den Faraday-Effekt ausnutzender Meßstromwandler

Die Erfindung betrifft den Faraday-Effekt ausnutzende Meßstromwandler, insbesondere Meßstromwandler, bei denen das von einer Lichtquelle ausgehende Licht auf zwei Lichtwegen mindestens einen Polarisator und eine unter der Wirkung des Faraday-Effekts die Polarisationsebene drehende, Einrichtung,die einem von dem zu messenden Strom erzeugten Magnetfeld ausgesetzt ist und dann zwei Analysatoren, je einen in jedem Lichtweg, durchläuft, bevor es auf lichtempfindliche Organe fällt, an deren Ausgang elektrische Hilfseinrichtungen, die auf dem einen oder dem anderen Weg aufgefangenen Signale zu vergleichen erlauben, um auf diese Weise ein Bild des zu messenden Stroms zu erhalten, wobei ausserdem eine Überlagerung dieser Signale unter Umständen

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ein Steuersignal für eine Einrichtung zum Kompensieren der Änderungen der Kenndaten der Lichtwege geben kann.

Die beiden Lichtwege können beispielsweise mit Analysatoren ausgestattet sein, deren Analysatorebene um 45 in beiden Richtungen gegen eine einzige Polarisationsebene geneigt ist, wobei zwei mit dem Faraday-Effekt arbeitende Dreheinrichtungen Drehungen der beiden Lichtstrahlen in entgegengesetzter Richtung herbeiführen können oder eine einzelne Drehvorrichtung für beide Lichtwege eine gleichartige Drehung beider Lichtstrahlen erzeugt.

Derartige auf dem Faraday-Effekt beruhende Meßstromwandler weisen bei den bisher bekannt gewordenen Ausführungsformen den Nachteil auf, daß mit zwei photoelektrischen Zellen gearbeitet wird, die man so gut wie möglich aufeinander abzustimmen sucht, die aber dennoch Unterschiede in ihren Kenndaten haben, die so groß sind, daß die Strommeßstärke den heutigen Genauigkeitsansprüchen nicht zu genügen vermag.

Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, daß man mit einer einzigen photoelektrischen Zelle für beide Lichtwege auskommen kann, indem man in die LichtwegeSchichten von Flüssigkristallen einschaltet, die abwechselnd mit sehr hoher Frequenz, und gegeneinander phasenverschoben durchsichtig und undurchsichtig gemacht werden, und die Signale des einen und des anderen Lichtwegs wahlweise mittels eines synchron arbeitenden und mit der gleichen Frequenz wie die Flüssigkristallschichten gesteuerten Detektors abgreift.

Als Flüssigkristalle werden organische Verbindungen bezeichnet, bei denen der Schmelzvorgang in mehreren Stufen abläuft, so daß Zwischenzustände zwischen dem festen und dem flüs-

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sigen Zustand auftreten. Wird eine solche, noch im festen Zustand befindliche Substanz erwärmt, so erfolgt erstmaliges Schmelzen bei einer Temperatur, bei der die Substanz pastös und lichtzerstreuend wird. Setzt man die Erwärmung fort, so findet man eine zweite Schmelztemperatur, bei der die Substanz völlig flüssig und durchsichtig wird. Zwischen diesen beiden Temperaturen besitzt die Substanz Eigenschaften, die gleichzeitig denen der festen und der flüssigen Phase ähneln und denen sie den Namen Flüssigkristalle verdanken .

Die Flüssigkristalle können in drei Gruppen unterteilt werden:

- nematische Kristalle, deren Achse parallel zu einer vorgegebenen Richtung verlaufen;

- smektische Kristalle, deren langgestreckte Moleküle in parallelen ,Schichten angeordnet sind, die aufeinander verschieblich sind;

- cholesterinische Kristalle, die mit den beiden vorhergenannten Kristallen Verwandtschaft zeigen und deren Moleküle in Parallelschichten angeordnet sind, in denen sie parallel zu einer vorgegebenen Richtung verlaufen, während von einer Schicht zur anderen die Molekülrichtung sich um einen gleichbleibenden Winkel ändert, was dem Kristall eine Helixstruktur verleiht.

Bringt man einen nematischen Kristall in ein elektrisches Feld, so kann man zwei unterschiedliche Erscheinungen beobachen, einerseits kann der Kristall undurchsichtig werden, sobald das elektrische Feld angelegt wird, und wieder durchsichtig, wenn das Feld abgeschaltet wird, und andererseits

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braucht der Kristall nicht auf natürliche Weise undurchsichtig zu werden, sondern kann eine lebhafte Blaufärbung annehmen, wenn er mit bestimmten Farbstoffen vermischt wird, wobei die Färbung wiederum an das Vorhandensein eines elektrischen Feldes gebunden ist.

Bei den beiden anderen Arten von Flüssigkristallen wird durch Anlegen eines elektrischenFeldes die Wellenlänge des von dem Kristall durchgelassenen Lichts verändert. Verwendet man monochromatisches Licht von einer den Eigenschaften des Kristalls angepaßten Wellenlänge, so wird durch Einschalten eines elektrischenFeldes der Durchtritt des Lichts durch den Kristall unterbunden und mit dem Abschalten des elektrischen Feldes wird die Lichtdurchlässigkeit wiederhergestellt.

Die Erfindung stellt somit einen Meßstromwandler dar, mit einer Lichtquelle, einem Strahlenteiler für die Aufteilung des von der Lichtquelle ausgehenden Lichts in zwei Lichtbündel, mit zwei parallel zueinander verlaufenden Lichtwegen für die beiden Lichtbündel und darin zumindest für die beiden Wege gemeinsam einen Polarisator und eine unter der Wirkung des Faraday-Effekts die Polarisationsebene drehende Einrichtung, die einem .von dem zu messenden Strom erzeugten Magnetfeld ausgesetzt ist, sowie für jeden Lichtweg einen Analysator, ferner mit lichtempfindlichen Organen, die die aus den beiden Lichtwegen austretenden Lichtbündel auffangen und mit elektrischen Einrichtungen für den Vergleich der von den lichtempfindlichen Organen unter der Wirkung jedes der beiden Lichtbündel erzeugten Signale zum Gewinnen eines Bildes des zu messenden Stromes; die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in jeden Lichtweg eine Schicht eines Flüssigkristalls eingeschaltet ist, daß die beiden dort angeordneten Schichten von elektrischen Feldern beeinflußt werden, die durch Impulse erzeugt werden, die von einer Modu-

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lationseinrichtung mit für beide Schichten gleicher Frequenz aber gegeneinander phasenverschoben geliefert werden, so daß jede Schicht abwechselnd lichtundurchlässig und
lichtdurchlässig wird und daß, wenn die eine Schicht durchlässig ist, die andere notwendigerweise undurchlässig ist,
daß ferner die lichtempfindlichen Organe durch ein und
dieselbe photoelektrische Zelle gebildet werden, die die
beiden Lichtbündel auffängt, und daß zwischen die photoelektrische Zelle und die genannten elektrischen Vergleichseinrichtungen ein synchron arbeitender elektrischer Detektor geschaltet ist, der mit der Modulationseinrichtung synchronisiert ist, um die von dem einen oder dem anderen der beiden Lichtwege herkommenden Signale zu trennen und dem Demodulatoren nachgeschaltet sind.

Als Flüssigkristalle werden vorzugsweise nematische Kristalle verwendet.

Die schematische Zeichnung soll ein die Erfindung nicht
begrenzendes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen
Meß stromwandler s wiedergeben.

Eine unten angebrachte monochromatische oder nicht-monochromatische Lichtquelle, die aus einer einzigen oder aus
mehreren Einzellichtquellen besteht, sendet ein Lichtbündel aus, das in eine Misch- und Trenneinrichtung 2 gelangt, wo
das Bündel mit Hilfe von Faseroptiken oder auf andere Weise in zwei Bündel F^ und F₂ aufgeteilt wird.

Jedes Lichtbündel tritt durch eine Schicht 3 eines nematischen Flüssigkristalls, die ein elektrisches Feld erzeugenden Impulsen ausgesetzt ist, die von einer Modulationseinrichtung H geliefert werden, das als einfache Kippschaltung ausgeführt sein kann. Die Frequenz der Impulse ist so hoch,

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daß sie der angestrebten Meßgenauigkeit angepaßt ist; sie liegt bei£·!_:■'. sweise zwischen 30 und 50 kHz. Die den beiden Schichteii 3 zugeführten elektrischen Feldimpulse haben übereinstimmende Frequenz, sind aber derart phasenverschoben, daß die eine Schicht undurchlässig ist, wenn die andere Schicht·durchlässig ist und die Impulsdauer ist so gewählt, daß niemals beide Schichten gleichzeitig durchlässig sind.

Jedes Lichtbündel F₁ oder F₂ folgt einem vorgeschriebenen und von dem anderen getrennten Lichtweg, so daß keine Wechselwirkung zwischen den Lichtbündeln auftreten kann; jedes Bündel erreicht dann einen auf elektrischer Spannung befindlichen Bereich, wo es einen Polarisator 5 durchsetzt, der auf die Eintrittsfläche einer den Faraday-Effekt ausnutzenden Drehvorrichtung 6 gekittet ist, die von einer Wicklung 7 umgeben ist, durch die der Strom einer elektrischen Hochspannungsleitung fließt. Die Lichtbündel F^ und F₂ verlaufen durch die Drehvorrichtung 6, die mit reflektierenden Mitteln versehen sein kann, die mehrere Durchgänge ermöglichen, und treten dann aus (unter Umständen wieder durch die Eintrittsfläche), wobei sie jeweils einen Analysator 8 durchlaufen. Die Achsen der beiden Analysatoren 8 liegen symmetrisch zu der Achse des Polarisators 5, wobei der Winkel zwischen der Achse eines Analysators und der Polarisatorachse vorzugsweise 45° beträgt.

Die Bündel F₁ und F₂ werden durch eine Lichtführung nach unten zurückgeleitet und gelangen in eine Mischeinrichtung 9, wo sie zusammengeführt werden, bevor sie auf eine einzige Detektorzelle 10 fallen.

Das Ausgangssignal der Zelle 10 stellt ein impulsartiges Signal dar, dessen Folgefrequenz gleich der doppelten Modulatbnsfrequenz des elektrischen Feldes in der Modulationsein-

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richtung 4 ist und dessen Augenblickswert des Stroms sich während der Impulse ändert. Der Strom des Signals des einen Lichtwegs hat die Form

1₁ = A cos² ( ~- -■ Θ)

und der Strom des Signals des anderen Lichtwegs hat die Form

1₂ = A cos² ( 3*L + θ),

wobei A = Durchlässigkeit der Meßkette θ = Winkelbetrag der Faraday-Drehung.

Das Ausgangssignal der Zelle 10 wird auf einen an sich bekannten Synchrondetektor 11 gegeben, der synchron mit der Modulationseinrichtung 4 arbeitet, um das von dem einen Lichtweg herrührende Signal von dem Signal aus dem anderen Lichtweg trennen zu können; diese Signale gelangen dann in Demodulatorenl2, bevor sie in bereits anderweitig beschriebener Weise verarbeitet werden, um nach der Verstärkung in Verstärkern 13 entweder die Signaldifferenz

I₁ - I₂ = A sin 2Θ

in einem Verstärker IH zu liefern, der bei 15 ein Bild des zu messenden Strom abgibt, oder die Signalsumme

I₁ + I₂ = 2A

in einem Verstärker 16, dessen Ausgangsgrösse die Stromzuführung 17 der Lichtquelle 1 beeinflußt, um den Lichtstrom gemäß den Änderungen der Kennwerte des Lichtweges und der Zelle 10 zu regelnjdiese Änderungen können zeit- oder temperaturabhängig sein. Eine genaue Temperaturregelung der ZeI-

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le 10 läßt sich auf diese Weise vermeiden. Die Drift der Gesamtanordnung hängt deshalb allein von der Drift der Verstärker ab, die man niedrig halten kann.

Die Modulation in H bietet den Vorteil, daß keine Energie verbraucht wird und daß keine Frequenzbeschränkung durch Komponenten mit hohen Temperaturkonstanten besteht.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche ;

1.jMeßstromwandler, mit einer Lichtquelle (1), einem Strahlenteiler (2) für die Aufteilung des von der Lichtquelle (1) ausgehenden Lichts in zwei Lichtbündel, mit zwei parallel zueinander verlaufenden Lichtwegen für die beiden Lichtbündel und darin zumindest für die beiden Wege gemeinsam einen Polarisator (5) und eine unter der Wirkung des Faraday-Effekts die Polarisationsebene drehende Einrichtung (6), die einem von dem zu messenden Strom erzeugten Magnetfeld ausgesetzt ist, sowie für jeden Lichtweg einen Analysator (8), ferner mit lichtempfindlichen Organen, die die aus den beiden Lichtwegen austretenden Lichtbündel auffangen, und mit elektrischen Einrichtungen für den Vergleich der von den lichtempfindlichen Organen unter der Wirkung jedes der beiden Lichtbündel erzeugten Signale zum Gewinnen eines Bildes des zu messenden Stroms, dadurch gekennzeichnet,

daß in jeden Lichtweg (F., F₂) ehe Schicht (3) eines Flüssigkristalls eingeschaltet ist, daß die beiden dort angeordneten Schichten von elektrischen Feldern beeinflußt werden, die durch Impulse erzeugt werden, die von einer Modulationseinrichtung (4) mit für beide Schichten (3) gleicher Frequenz aber gegeneinander phasenverschoben geliefert werden, so daß jede Schicht (3) abwechselnd lichtundurchlässig und lichtdurchlässig wird und daß, wenn die eine Schicht durchlässig ist, die andere notwendigerweise undurchlässig ist, daß ferner die lichtempfindlichen Organe durch ein und dieselbe photoelektrische Zelle (LO) ge-

bildet werden, die. die beiden Lichtbündel (F₁, F₂) auffängt, und daß zwischen die photoelektrische Zelle (10) und die genannten elektrischen Vergleichseinrichtungen ein synchron arbeitender elektrischer Detektor (11) geschaltet ist, der.mit der Modulationseinrichtung (4) synchronisiert ist, um die von dem einen oder dem anderen der beiden Lichtwege (F.,, F2) herkommenden Signale zu trennen, und dem Demodulator (12) nachgeschaltet sind.

2. Meßstromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschichten <3) aus nematischen Kristallen bestehen.

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