DE2433432C2 - Magneto-optic high voltage current converter - Google Patents

Magneto-optic high voltage current converter

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DE2433432C2 DE19742433432 DE2433432A DE2433432C2 DE 2433432 C2 DE2433432 C2 DE 2433432C2 DE 19742433432 DE19742433432 DE 19742433432 DE 2433432 A DE2433432 A DE 2433432A DE 2433432 C2 DE2433432 C2 DE 2433432C2
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Description

Die Erfindung betrifft einen magnetooptischen Meßwandler, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist.The invention relates to a magneto-optical transducer as described in the preamble of claim 1 is described.

Derartige Meßwandler sind bekannt. Beispielsweise ist in der deutschen Auslegeschrift 12 83 363 ein derartiges Gerät beschrieben. Bei diesem bekannten Meßwandler durchstrahlt polarisiertes Licht einen Faraday-Dreher, der in einem vom zu messenden Strom abhängigen Magnetfeld angeordnet ist. Beim Durchgang durch diesen Faraday-Dreher wird die Polarisationsrichtung eines polarisierten Lichtstrahles in Abhängigkeit von diesem Magnetfeld gedreht. Das polarisierte Licht, das aus dem Faraday-Dreher austritt und bezüglich seiner Polarisationsrichtung geändert ist, durchstrahlt nun einen weiteren Faraday-Dreher, den sogenannten Kompensationsdreher, der sich auf Erdpotential befindet. An diesem weiteren Faraday-Dreher wird ein regelbares Magnetfeld so angelegt, daß das bezug-Such transducers are known. For example, in German Auslegeschrift 12 83 363 such a thing Device described. In this known transducer, polarized light shines through a Faraday rotator, which is arranged in a magnetic field dependent on the current to be measured. When passing through This Faraday rotator makes the direction of polarization of a polarized light beam dependent rotated by this magnetic field. The polarized light that emerges from the Faraday rotator and related its polarization direction is changed, now shines through another Faraday rotator, the so-called Compensation rotator that is at ground potential. This is another Faraday turner a controllable magnetic field is applied in such a way that the reference

Hauptachsenrichtung aus Symmetriegründen mit der Richtung der Spulenachse übereinstimmt. Unter Hauptachsenrichtungen werden die Polarisationsrichtungen verstanden, mit denen ein linear polarisierter Lichtstrahl einen Kristall durchsetzen kann, so daß die lineare Polarisation erhalten bleibt. Durchsetzt ein linear polarisierter Lichtstrahl den Kristall mit einer Polarisationsrichtung, die von der Hauptachsenrichtung abweicht, so entsteht elliptisch polarisiertes Licht.Main axis direction coincides with the direction of the coil axis for reasons of symmetry. Under Principal axis directions are understood as the polarization directions with which a linearly polarized Light beam can penetrate a crystal, so that the linear polarization is maintained. Enforces a linear polarized light beam the crystal with a polarization direction that deviates from the main axis direction, this creates elliptically polarized light.

Um die eingangs genannten Fehler einer Lichtleiterspule zu kompensieren, besitzt der erfindungsgemäße Meßwandler zwei Lichtleiterspulen. Die eine Lichtleiterspule dient als Meßfühler und ist auf Hochspannungspotential angeordnet, so daß das vom Hochspannungsstrom erzeugte Magnetfeld auf diese Lichtleiterspule einwirkt. Die zweite Lichtleiterspule dient als Kompensator. Sie ist auf Erdpotential angeordnet. Auf diese zweite Lichtleiterspule kann ein vom Strom einer Bürde erzeugtes kompensierendes Magnetfeld angelegt werden, welches auf die gleiche Stärke eingestellt werden kann, wie sie das auf den Meßfühler aufwirkende Magnetfeld besitzt. Die Spulen müssen möglichst gleichartig ausgebildet sein, d. h. beide LichtleiterspulenIn order to compensate for the above-mentioned errors in an optical fiber coil, the inventive Transducer two fiber optic coils. One fiber optic coil serves as a measuring sensor and is at high voltage potential arranged so that the magnetic field generated by the high voltage current on this fiber optic coil acts. The second fiber optic coil serves as a compensator. It is arranged on earth potential. on A compensating magnetic field generated by the current of a load can be applied to this second fiber optic coil which can be set to the same strength as the one acting on the probe Possesses magnetic field. The coils must be designed as similar as possible, i. H. both fiber optic coils

besitzen gleiche Windungszahl und gleichen Spulendurchmesser. Die beiden Lichtleiterspülen sind so zueinander angeordnet, daß ihre Spulenachsen rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind. Das auf dem !Compensator einwirkende kompensierende Magnetfeld besitzt bezüglich der Fortpflanzungsrichtung des durch die J. ichtfaser geleiteten Lichtstrahles die gegenüber dem Magnetfeld, welches auf dem Meßfühler wirkt, entgegengesetzte Richtung.have the same number of turns and the same coil diameter. The two fiber optic sinks are like this arranged to each other that their coil axes are aligned at right angles to each other. That on the ! Compensator has a compensating magnetic field acting in relation to the direction of propagation of the through the light fiber guided light beam the opposite the direction opposite to the magnetic field that acts on the sensor.

Im Falle, daß die Hauptachsenrichtungen der Lichtleiterspulen wegen zusätzlicher mechanischer Spannungen, die nicht auf der Lichtleiterkrümmung beruhen, etwas von der Spulenachse bzw. -ebene abweichen, können diese Abweichungen bei der justierung der Spulenanordnung mit berücksichtigt werden. In diesem Falle stehen also die Spulenachsen nicht genau senkrecht zueinander.In the case that the major axis directions of the optical fiber coils because of additional mechanical stresses that are not based on the curvature of the light guide, deviate slightly from the coil axis or plane, these deviations can occur when adjusting the Coil arrangement must be taken into account. In this case, the coil axes are not exactly perpendicular to each other.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der F i g. 1 erläutert. In dem Hochspannungsleiter 1 fließt der zu messende Hochspannungsstrom. Dieser Hochspannungsleiter ist von dem Meßiuiiiei 2, Ut r als Lieh'J.ei'erspule ausgebildet ist, umgeben. Ein Ende dieser Lichtleiterspule ist mit dem Kompensator 3. der aus einer ebensolchen Lichtleiterspule wie der Meßfühler besteht, optisch verbunden. Das andere Ende der Lichtleiterspule des Meßfühlers ist mit einer Lichtquelle 4, die mittels eines Polarisators 5 linear polarisiertes Licht erzeugt, optisch verbunden. Das andere Ende des Kompensators ist mit einem optischen Analysator 6 verbunden. Der Kompensator ist in einer ringlörmigen Magnetspule 30 angeordnet, wobei er den Spulenkern dieser Magnetspule darstellt. Diese Magnetspule ist elektrisch an die Bürde 31 anschließbar, mittels der ein Kompensatorstrom erzeugt werden kann, der in seiner Stromstärke durch einen Regler 32 steuerbar ist.The invention is illustrated below with reference to FIGS. 1 explained. The high-voltage current to be measured flows in the high-voltage conductor 1. This high voltage conductor is from the Messiuiiiei 2, Ut r als Lieh'J.ei'erspule is formed, surrounded. One end of this fiber optic coil is with the compensator 3 the same fiber optic coil as the sensor is optically connected. The other end of the fiber optic coil of the sensor is with a light source 4, which by means of a polarizer 5 linearly polarized light generated, optically connected. The other end of the compensator is connected to an optical analyzer 6. The compensator is arranged in a ring-shaped magnetic coil 30, with the coil core of this Represents solenoid. This magnetic coil can be electrically connected to the burden 31, by means of which a Compensator current can be generated, the current intensity of which can be controlled by a regulator 32.

Die Erfindung funktioniert in der folgenden Weise: Von der Lichtquelle 4, die beispielsweise ein Laser sein kann, gelangt über den Polarisator 5 ein linear polarisierter Lichtstrahl in den Lichtleiter 20, der diesen Lichtstrahl zum Meßfühler 2 weiterführt. Im Meßfühler 2 wird der Lichtstrahl bezüglich seiner Polarisationsebene gedreht, wobei die Drehung von der Stärke des Hochspannirngsstromes im Hochspannungsleiier 1 abhängt. Das bezüglich seiner Polarisatlonsrichtung gedrehte polarisierte Licht wird über den Lichtleiter l\ zum Kompensator 3 geführt. Im Kompensator 3 wirkt ein kompensierendes Magnetfeld, das mittels der regelbaren Stromquelle 32 und der Magnetspule 30, die an die Stromquelle angeschlossen ist, erzeugt wird. Dadurch wird die Drehung der Polarisationsrirhtung des polarisierten Lichtes rückgängig gemacht, so daß das Licht beim Verlassen des Kompensator die gleiche Polarisationsrichtung wie beim Eintritt in den Meßfühler aufweist. Mittels des Anaiysators 60 wird die Polarisationsrichlung des Lichtes beim Verlassen des Kompensators festgestellt, und mittels der regelbaren Stromquelle 32 wird der Kompensatorstrom so lange verändert, bis am Analysator die gleiche Polarisationsrichtung, wie sie durch den Polarisator 5 erzeugt wird, festgestellt wird. Damit ist der Spannungsabfall an der Bürde 31 ein Maß für die Stromstätke im Hochspannungsleiter 1.The invention works in the following way: From the light source 4, which can be a laser, for example, a linearly polarized light beam arrives via the polarizer 5 in the light guide 20, which continues this light beam to the sensor 2. In the measuring sensor 2, the light beam is rotated with respect to its plane of polarization, the rotation depending on the strength of the high-voltage current in the high-voltage cable 1. The polarized light rotated with respect to its polarization direction is guided to the compensator 3 via the light guide l \. A compensating magnetic field, which is generated by means of the controllable current source 32 and the magnetic coil 30, which is connected to the current source, acts in the compensator 3. As a result, the rotation of the polarization direction of the polarized light is reversed, so that the light when leaving the compensator has the same polarization direction as when entering the sensor. The direction of polarization of the light when leaving the compensator is determined by means of the analyzer 60, and the compensator current is changed by means of the controllable current source 32 until the same polarization direction as generated by the polarizer 5 is determined on the analyzer. The voltage drop across the burden 31 is thus a measure of the current in the high-voltage conductor 1.

Um einen linearen Zusammenhang zwischen Hochspannungsstrom und Bürdestrom zu erreichen, muß die Stromrichtung des Bürdestromes so gewählt werden, daß das innerhalb der Magnetspule erzeugte Magnetfeld bezüglich der Fortpflanzungsrichtung des Lichtes im Kompensator die entgegengesetzte Richtung hat wie das Magnetfeld, welches vom Hochspannungsleiter 1 erzeugt wird und im Meßfühler wirkt.In order to achieve a linear relationship between high-voltage current and burden current, the The direction of the load current can be selected so that the magnetic field generated within the magnet coil has the opposite direction with respect to the direction of propagation of the light in the compensator like the magnetic field which is generated by the high voltage conductor 1 and acts in the sensor.

Da die Lichtleiterspulen des Meßfühlers und des Kompensator bezüglich der Lichtleiterkrümmung und der Windungszahl übereinstimmen und mit ihren Spulenachsen senkrecht zueinander angeordnet sind, werden die optischen Fehler der Lichtieuerspulcn koiiipcr. siert. Dies läßt sich vereinfacht dadurch erklären, daß die Komponente des Lichtes, die im Meßfühler stärker verzögert wird als die senkrecht da/u polarisierte Komponente, im Kompensator weniger stark verzögert wird, und umgekehrt, so daß die Gesamtverzögerung für alle Polarisationsrichtungen dieselbe ist.Since the fiber optic coils of the sensor and the compensator with respect to the fiber optic curvature and match the number of turns and are arranged with their coil axes perpendicular to each other the optical errors of the Lichtieuerspulcn koiiipcr. sated. This can be explained in a simplified way that the component of the light that is delayed more in the sensor than that which is polarized perpendicularly Component, in the compensator is delayed less, and vice versa, so that the total delay is the same for all polarization directions.

Der Analysator 6 kann beispielsweise aus einem Wollaston-Prisma bestehen, welches den Lichtstrahl in zwei zueinander senkrecht polarisierte Lichtstrahlen zerlegt, deren Polarisationsrichtungen mit der Polarisationsrichtung des Polarisators 5 einen Winkel von 45° bilden. Damit wird das den Kompensator verlassende linear polarisierte Licht in zwei Lichtstrahlen zerlegt, deren Intensitäten mittels Detektoren 61,62 gemessen werden können. Diese Meßwerte werden in einen Differenzverstärker 7 gegeben, der in die Steuerung 32 eingekoppelt ist. Dadurch kann der Bürdestrom automatisch so geregelt werden, daß an den beiden Detektoren die gleiche Lichtintensität gemessen wird. In diesem Fall hat das den Kompensator verlassende Licht die gleiche Polarisationsrichtung wie der Polarisator.The analyzer 6 can consist, for example, of a Wollaston prism, which the light beam in two mutually perpendicularly polarized light beams split, their polarization directions with the polarization direction of the polarizer 5 form an angle of 45 °. This is what leaves the compensator linearly polarized light is split into two light beams, the intensities of which are measured by means of detectors 61,62 can be. These measured values are fed into a differential amplifier 7, which is fed into the controller 32 is coupled. As a result, the burden current can be automatically regulated so that at the two detectors the same light intensity is measured. In this case it has light leaving the compensator the same polarization direction as the polarizer.

Als Lichtleiter sind sogenannte Gradientenfasern vorgesehen, bei denen der Brechungsindex in der Mitte des Lichtleiters einen maximalen Wert besitzt und mit zunehmendem Radius parabolisch auf einen Randwert absinkt. Dies ist in der F i g. 2 dargestellt: Der Durchmesser des Lichtleiterkerns ist mit d bezeichnet, der Brechungsindex mit n, der Randwert des Brechungsindex mit rir und der Maximalwert des Brechungsindex mit nm. Die Kurve 200 zeigt die parabolische Brechungsindexverteilung. So-called gradient fibers are provided as light guides, in which the refractive index has a maximum value in the middle of the light guide and decreases parabolically to an edge value with increasing radius. This is shown in FIG. 2: The diameter of the light guide core is denoted by d, the refractive index with n, the edge value of the refractive index with rir and the maximum value of the refractive index with nm. Curve 200 shows the parabolic refractive index distribution.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (3)

■-. Patentansprüche:■ -. Patent claims: 1. Magnetooptischer Meßwandler zur Messung von Hochspannungsströmen, mit einem Meßfühler auf Hochspahnungspotential und einem Kompensator auf Erdpotential, wobei im Meßfühler linear polarisiertes Licht einer Lichtquelle bezüglich seiner Polarisationsebene in Abhängigkeit von der Starke eines Magnetfeldes, welches vom zu messenden Strom erzeugt wird, gedreht wird, wobei dieses bezüglich der Polarisationsebene gedrehte Licht zum Kompensator weitergeführt wird, wo das Licht unter Einwirkung eines dort erzeugten kompensierenden Magnetfeldes auf seine ursprüngliche _Poiansationsrichtung zurückgedreht wird, wobei die Starke des kompensierenden Magnetfeldes ein Maß für den Hochspannungsstrom ist. und wobei das Licht von der Lichtquelle zum Meßfühler und vom Meßfühler zum Kompensator durch Gradientenfasern geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (2) und der Kompensator (3) als bezüglich Krümmung und Windungszahl zueinander gleichartige Lichtleiterspulen aus Gradientenfasern ausgebildet sind, und daß der Meßfühler und der Kompensator mit den Spulenachsen ihrer Lichtleiterspulen senkrecht bzw. nahezu senkrecht zueinander ausgerichtet sind.1. Magneto-optical transducer for measuring high-voltage currents, with a sensor on high voltage potential and a compensator on earth potential, with linearly polarized in the sensor Light from a light source with regard to its plane of polarization as a function of its strength a magnetic field, which is generated by the current to be measured, is rotated, this with respect to The light rotated in the plane of polarization is passed on to the compensator, where the light is underneath Influence of a compensating magnetic field generated there on its original _Poiansationsrichtung is turned back, the strength of the compensating magnetic field being a measure of is the high voltage current. and wherein the light is from the light source to the probe and from the probe is led to the compensator by gradient fibers, characterized in that that the sensor (2) and the compensator (3) are relative to each other in terms of curvature and number of turns similar optical fiber coils are formed from gradient fibers, and that the sensor and the compensator with the coil axes of their fiber optic coils perpendicular or almost perpendicular to each other are aligned. 2. Magnetooptischer Meßwandler nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zur Erzeugung des kompensierenden Magnetfeldes eine ringförmige Magnetspule (30) vorgesehen ist, die den Kompensator umschließt, wobei der Kompensator den Spulenkern darstellt, daß eine regelbare Stromquelle (32) vorgesehen ist, mit der die Magnetspule mit einem regelbaren Strom versorgt werden kann, und daß eine Bürde (31) vorgesehen ist, an der eine dem Hochspannungsstrom proportionale Spannung abgegriffen werden kann.2. Magneto-optical transducer according to claim 1, characterized in that as a device for To generate the compensating magnetic field, an annular magnetic coil (30) is provided which enclosing the compensator, the compensator representing the coil core that a controllable one Power source (32) is provided with which the magnet coil is supplied with a controllable current can be, and that a burden (31) is provided on which a high-voltage current proportional Voltage can be tapped. lieh seiner Polarisationsrichtung veränderte polarisierte Licht auf die ursprüngliche Polarisationsrichtung zurückgedreht wird. Die Stärke des regelbaren Magnetfeldes ist dann also ein Maß für die Stromstärke des zu - messenden Stromes.lent its polarization direction changed polarized Light is rotated back to the original polarization direction. The strength of the adjustable magnetic field is then a measure of the strength of the current to be measured. J Aus der deutschen Offenlegungsschrift 20 34 850 ist ein Meßwandler bekannt, bei dem das Licht von der Lichtquelle zum Meßfühler und vom Meßfühler zum Kompensator durch Lichtleitfasern, und zwar durch Gradientenfasern, geführt wird. Dabei ist vorteilhaft, daß die Funktionssicherheit dieses bekannten Meßwandlers durch mechanische Instabilitäten kaum beein- · trächtigt wird. J A transducer is known from the German Offenlegungsschrift 20 34 850 in which the light is guided from the light source to the measuring sensor and from the measuring sensor to the compensator by optical fibers, namely by gradient fibers. It is advantageous that the functional reliability of this known transducer is hardly affected by mechanical instabilities. Aus der deutschen Offenlegungsschnft 21 30 047 ist IS bereits bekannt, einen Faraday-Dreher als Lichtleiterspule auszubilden. Dadurch wird eine besonders einfache Konstruktion des Faraday-Drehers erreicht. Solch eine Lichtleiterspule besteht aus einer Glasfaser, durch die der polarisierte Lichtstrahl gelenkt wird, wobei dieser Lichtstrahl auf seinem Wege durch die Glasfaser in Abhängigigkeit vom einwirkenden Magnetfeld bezüglich seiner Polarisationsrichtung gedreht wird.From the German Offenlegungsschnft 21 30 047 IS is already known to design a Faraday lathe as a fiber optic coil. A particularly simple construction of the Faraday rotator is achieved in this way. Such a fiber optic coil consists of a glass fiber through which the polarized light beam is directed, this light beam being rotated on its way through the glass fiber as a function of the acting magnetic field with respect to its polarization direction. Solche als Lichtleiterspulen ausgebildeten Faraday-Dreher weisen jedoch bislang bezüglich der Meßgenauigkeit Grenzen auf.However, such Faraday rotators designed as optical fiber coils have so far shown in terms of measurement accuracy Limits on. Die Drehung der Polarisationsebene des durchstrahlenden Lichtes ist auch von der Verbiegung der Glasfaser abhängig, d. h. durch mechanische Spannungen wird eine zusätzliche Drehung bewirkt. Zusätzlich wird durch die Glasfaserverbiegung auch der Polarisationsgrad des durchstrahlenden Lichtes mitbestimmt, d. h. es entsteht elliptisch polarisiertes Licht, auch wenn der Lichtstrahl beim Eintritt in die Glasfaser linear polarisiert ist.The rotation of the plane of polarization of the light shining through is also due to the bending of the glass fiber dependent, d. H. an additional rotation is caused by mechanical stresses. Additionally will The degree of polarization of the light shining through is also determined by the bending of the glass fiber, d. H. it elliptically polarized light is produced, even if the light beam is linearly polarized when entering the glass fiber is. Deshalb besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen solchen magnetooptischen Meßwandler mit Lichtleiterspulen anzugeben, der eine weit verbesserte Meßgenauigkeit aufweist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der magnetooptische Meßwandler erfin-It is therefore an object of the invention to provide such a magneto-optical transducer Specify light guide coils, which has a much improved measurement accuracy. This is what makes this job solved that the magneto-optical transducer invented 3. Magnetooptischer Meßwandler nach Anspruch 40 dungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen des An-1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Justiervorrich- Spruches 1 ausgebildet ist.3. Magneto-optical transducer according to claim 40 according to the identifier of An-1, characterized in that an adjusting device 1 is formed. tung vorhanden ist, mit der die Spulenachsen der Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daßdevice is present with which the coil axes of the The invention is based on the knowledge that Lichtleiterspulen so weit aus der zueinander senkrechten Ausrichtung ausgelenkt werden können, DerFiber optic coils can be deflected from the perpendicular alignment to the extent that Of the sich Lichtleiterspulen mit Gradientenfasern in ihrem Einfluß auf polarisiertes Licht modellmäßig als ein dop-Kll bhib l bIn terms of their influence on polarized light, fiber optic coils with gradient fibers are modeled as a dop-KII bhib l b g pg p daß optische Unterschiede zwischen Meßfühler und 45 pelbrechender Kristall beschreiben lassen, wobei eine K i d h Sid i dthat optical differences between probe and 45 pel-refracting crystal can be described, with one K i d h Sid i d Kompensator kompensiert werden.Compensator to be compensated.
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