DE2442494C3 - Magnetooptischer MeBwandler - Google Patents

Description

Für die Intensität des Teilstrahles 122 hinter dem Modulator 120 gilt dementsprechend:

Dabei ist ω die Frequenz der Modulation dieser TeilstrahleD, / die Zeit, Z₀ die mittlevc Intensität der aus den Modulatoren austretenden Lichtstrahlen.

Beim Austritt aus den Lichtmodulatoren weisen die beiden Teilstrahlen also eine Phasenverschiebung von π/2 auf. Die Teilstrahlen durchstrahlen jetzt jeweils einen Polarisator 111, 121, wobei diese Polarisatoren bezüglich ihrer Polarisationsrichtungen einen Winkel von π/4 zueinander bilden. Die jetzt modulierten und polarisierten Teilstrahlen 1120, 1220 durchstrahlen nun einen Faraday-Dreher 130, der in einem vom Hochspannungsstrom erzeugten Magnetfeld angeordnet ist, und der das durchstrahlende Licht bezüglich seiner Polarisationsrichtung in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfeldes um einen Winkel α dreht. Das Magnetfeld wird beispielsweise durch eine Spule 131 erzeugt, durch die ein Teilstrom des zu messenden Hochspannungsstromes fließt. Vor dem Eintritt in den Faraday-Dreher können die beiden Teilstrahlen zu einem einzigen Strahl zusammengefaßt werden. Hinter dem Faraday-Dreher durchstrahlen dieser zusammengefaßte Lichtstrahl bzw. die Teilstrahlen ein Analysator-Prisma 132, z. B. ein

ao Wollaston-Prisma. Damit werden der zusammengefaßte Lichtstrahl bzw. die Teilstrahlen in jeweils zwei Austrittsstrahlen 1100, 1200 zerlegt. Diese Austrittsstrahlen sind zueinander senkrecht linear polarisiert. Dabei muß eine der beiden Polarisationsrichtungen parallel zu der Polarisationsrichtung eines der Polarisatoren 111, 121 sein. Das Wollaston-Prisma ist also entsprechend anzuordnen. Für die Gesamtintensität des Austrittsstrahles 1100 gilt:

Z₁₁₀₀ = VsZ₀[I + cos wt + sin wt + cos 2ex — sin 2«+ cos(a>t + 2«)]. Für die Gesamtintensität des Austrittsstrahles 1200 gilt:

Z₁₂₀₀ = ¹IiI₀ [1 + cos ωί + sin cot — cos 2α + sin 2a — cos (ω/ + 2λ)] .

Diese Austrittsstrahlen fallen nun jeweils auf einen der Detektoren 1101, 1201, die beispielsweise Photoelemente oder Photowiderstände sein können. Mit diesen Detektoren wird eine Spannung erzeugt, die in gleicher Weise wie die auf die Detektoren einstrahlende Lichtintensität zeitlich schwankt. Der zeitliche Verlauf der Spannungen weist dann die gleiche Form auf wie die Lichtintensitäten Z₁₁₀₀ und Z₁₂₀₀. Mittels eines Differenzverstärkers 1110 wird nun der zeitliche Verlauf der Differenz zwischen diesen Spannungen, die durch die Detektoren erzeugt werden, gemessen. Man erhält eine Differenzspannung U_d, für die gilt:

U_d — U₀ [cos 2« — sin 2* + cos (cot + 2<v)]. ₄„

Dabei ist U₀ die Amplitude der Variationen dieser Differenzspannung. Mittels eines Phasenmessers 1111 wird nun die Phasenlage der Maxima der Differenzspannung U_d mit der Phasenlage der Intensitätsmaxima der aus den Modulatoren 110, 120 austretenden Lieh strahlen verglichen. Man erkennt, daß die Maxima von U_d gegenüber den Maxima von Z₁₁₂ um 2 « verschoben sind. Damit ist diese Phasenverschiebung ein Maß für den zu messenden Hochspannungsstrom.

Diese Betrachtung gilt auch, wenn der zu messende Hochspannungsstrom ein Wechselstrom ist. In diesem Fall ändert sich « mit der Zeit, d. h. α ist ein Funktion der Zeit. Wird die Modulationsfrequenz ω der Lichtmodulatoren genügend hoch gewählt, d. h. ist ω sehr viel größer als die Frequenz des zu messenden Wechselstromes, so stört die zeitliche Änderung der Werte von cos 2 α und sin 2 α nicht. Da für den Meßwert des Hochspannungsstromes nur die Phasenlage von Z₁₁₂ bzw. Z₁₂₂ und U_d verglichen werden muß, ist die absolute Größe der Intensität /,, und der Spannungsamplitude U₀ unwichtig. Zeitliche Schwankungen dieser Werte beeinflussen den Meßwert also nicht, solange die Frequenz dieser Schwankungen gegenüber der Frequenz ω klein ist.

Die Licntmodulatoren können beispielsweise elektrooptische Modulatoren sein. Diese sind beispielsweise in der Druckschrift von F. S. C h e η , Proceedings of the IEEE58 (october 1970), S. 1440-1456 beschrieben. Ihre Arbeitsweise beruht in bekannter Weise auf der Änderung der optischen Doppelbrechung piezoelektrischer Kristalle im elektrischen Feld. An einen solchen Kristall wird ein elektrisches Wechselfeld mit der gewünschten Frequenz angelegt. Ein polarisierter Lichtstrahl, der durch den Kristall hindurchtritt, wird durch die zeitabhängige Doppelbrechung in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen mit zeitabhängiger Phasendifferenz zerlegt. Durch einen Analysator hinter dem Kristall wird diese Phasenmodulation in eine Amplitudenmodulation umgewandelt.

Aus der Figur erkennt man, daß die Polarisatoren 111, 121 und das Analysator-Prisma 132 in der Nähe des Faraday-Drehers 130 angeordnet sein können. Diese Elemente des magnetooptischen Meßwandlers befinden sich also in der Nähe des Hochspannungsleiters, so daß Einflüsse von mechanischen Schwingungen zwischen diesen Elementen klein gehalten werden. Alle übrigen Elemente sind auf Erdpotential angeordnet.

Die Isolation zwischen diesen Elementen ist vorteilhafterweise außerordentlich einfach, da die auf Hochspannungspotential angeordneten Elemente keinerlei Stromversorgung benötigen.

Vorteilhafterweise wird auch an die optische Justierung der Lichstrahlen 112, 122, 1100, 1200 keine hohe Anforderung gestellt, da bei der Erfindung das Meßergebnis durch eine Phasenmessung bestimmt wird. Solange durch eine Dejustierung die Intensitäten Z_110n und Z₁₂₀₀ im gleichen Verhältnis geschwächt werden, wirkt sich diese Schwächung auf das Meßergebnis nicht aus.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1% 2 _ .. . \J risierten Lichtes in Abhängigkeit von diesem Magnet- ratentansprucne. ^ gedreht Die Drehung der Polarisationsrichtung

1. Magnetooptischsr Meßwandler zur Hoch- ist dann ein Maß für die zu messende Stromstärke. spannungs-Strom-Messung, bei dem eine mittels In der Druckschrift A. A. Jaecklin, Laser eines Faraday-Drehers, der in einem vom zu 5 Focus, May 1970, S. 35 — 38 ist ein Wandler bemessenden Hochspannungsstrom erzeugten Ma- schrieben, bei dem die Drehung der Polarisationsgnetfeld angeordnet ist, erzeugte Drehung von richtung in eine Phasenverschiebung einer einge-Polarisationsrichtungen polarisierter Lichtstrahlen gebenen Wechselspannung umgewandelt wird. Diese in eine Phasenverschiebung von Maxima einer bekannte Vorrichtung besitzt einen Laser als Licht-Signalspannung umgewandelt wird, die mittels io quelle tür polarisiertes Licht. Dieses polarisierte Licht Lichtdetektoren erzeugt wird, auf die die polari- durchstrahlt einen Faraday-Dreher, der aus einem sierten, bezüglich ihrer Polarisationsrichtung ge- Block aus Flintglas besteht, der im Bereich eines vom drehten Lichtstrahlen einwirken, dadurch ge- zu messenden Hochspannungsstrom erzeugten Makennzeichnet, daß eine Lichtquelle (1), gnetfeldes angeordnet ist. Beim Durchgang durch die-Lichtmodulatoren (110, 120) und Polarisatoren 15 sen Flintglasblock wird das polarisierte Licht bezüg-(111, 121) vorgesehen sind, mit denen zwei pola- lieh seiner Polarisationsrichtung in Abhängigkeit von risierte Lichtstrahlen (1120, 12/0) erzeugt wer- diesem Magnetfeld gedreht. Der austretende, bezügden, deren Polarisationsrichtungen einen Winkel lieh seiner Polarisationsrichtung gedrehte, polarisierte von 45° zueinander aufweisen, und deren Inten- Lichtstrahl wird, z. B. mittels eines semipermeablen sitäten sinusförmig moduliert sind, wobei die In- ao Spiegels, in zwei TeilstrahJen aufgespalten. Der eine tensitätsmaxima des einen Strahles (1120) gegen- Teilstrahl durchstrahlt nun einen Analysator, desssen über den Intensitätsmaxima des anderen Strahles Polarisationsrichtung mit der Polarisationsrichtung (1220) eine Phasenverschiebung von π/2 auf- des von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahles weisen, und wobei diese beiden Lichtstrahlen mit übereinstimmt, der andere Teilstrahl durchstrahlt gleicher Frequenz moduliert sind, daß ein Analy- as einen Analysator, dessen Polarisationsrichtung gesator (132) vorgesehen ist, der diese Lichtstrahlen genüber dem anderen Analysator um einen Winkel nach Durchstrahlung des Faraday-Drehers in von 45° gedreht ist. Nach dem Durchtritt durch die senkrecht zueinander polarisierte Austrittsstrahlen Analysatoren trifft jeder Teilstrahl auf einen τ icht-(1100, 1200) zerlegt, wobei dieser Analysator so detektor. Damit wird die Intensität eines jeden ieilangeordnet ist, daß die Polarisationsrichtung eines 3° Strahles gemessen und in Signalströme umgesetzt. Von dieser Austrittsstrahlen (1100, 1200) parallel zu den beiden Werten der Signalströme wird ein konder Polarisationsrichtung eines dsr in den Fara- stanter Wert abgezogen. Das Verhältnis der um den day-Dreher eintretenden polarisierten Lichtstrah- konstanten Wert verkleinerten Werte ist ein Maß für len (1120, 1220) ist, daß zwei Lichtdetektoren die Drehung der Polarisationsebene des polarisierten (1101, 1201) vorgesehen sind, mit denen Span- 35 Lichtes im Flintglasblock und damit für den zu mesnungen erzeugbar sind, deren Werte von der In- senden Hochspannungsstrom. Die beiden verkleinertensität der Austrittsstrahlen abhängig sind, wobei ten Werte werden in einen Modulator eingegeben, der der eine Lichtdetektor nur Intensitäten von Aus- die Phase eines Wechselstromes in Abhängigkeit von trittsstrahlen der einen Polarisationsrichlung mißt, dem Verhältnis der verkleinerten Werte moduliert, der andere Lichtdetektor nur Intensitäten von 4° Bei dieser bekannten Vorrichtung ist das Verhältnis Austrittsstrahlen der dazu senkrechten Polarisa- der verkleinerten Werte und damit die Größe der tionsrichtung, daß ein Differenzverstärker (1110) Phasenverschiebung, die durch den Modulator bevorgesehen ist, der eine Differenzspannung er- wirkt wird, wegei der Verkleinerung um den kon-Eeugt, deren Wert von der Differenz der von den stanten Wert abhängig von der Intensität des vom beiden Lichtdetektoren erzeugten Spannungen 45 Laser ausgestrahlten Lichtstrahles und von der abhängt, und daß ein Phasenmesser (1111) vor- Dämpfung des Lichtstrahles auf dem Weg zwischen gesehen ist, der Phasenverschiebungen mißt, die Laser und Detektoren. Damit können Meßfehler entewischen der Differenzspannung und den Licht- stehen, wenn die Intensität des Lasers schwankt, oder modulatoren auftreten. wenn sich die Dämpfung des Lichtstrahles ändert.

2. Magnetooptischer Meßwandler nach An- 50 Aufgabe der Erfindung ist es, einen magnetooptispruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht- sehen Meßwandler aufzuzeigen, bei dem der Meßdetektoren Photowiderstände sind. wert von der Lichtintensität unabhängig ist. Diese

3. Magnetooptischer Meßwandler nach einem Aufgabe wird bei einem wie im Oberbegriff des der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, Patentanspruches 1 angegebenen Meßwandler dadaß die Lichtmodulatoren elektiooptische Modu- 55 durch gelöst, daß er erfindungsgemäß entsprechend latoren sind. dem Kennzeichen dieses Anspruches ausgebildet ist.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Er-

findung anhand der Figur erläutert.

Der von einer Lichtquelle 1 erzeugte Lichtstrahl 10 60 wird, beispielsweise mittels eines halbdurchlässigen

Die Erfindung betrifft einen magnetooptischen Spiegels 2, in zwei Teilstrahlen 11 und 12 zerlegt. Meßwandler, wie er im Oberbegriff des Patent- Diese Teilstrahlen durchlaufen jeweils einen Lichtanspruches 1 angegeben ist. modulator 110, 120. Diese Lichtmodulatoren modu-Bei magnetooptischen Meßwandlern durchstrahlt lieren die Intensität der Teilstrahlen. Es entstehen die polarisiertes Licht einen Faraday-Dn;her, der in einem 65 modulierten Teilstrahlen 112, 122. Dabei gilt für die vom zu messenden Strom abhängigen Magnetfeld Intensität des Teilstrahles 112 hinter dem Modulator angeordnet ist. Beim Durchgang durch diesen Fara- 110:
day-Dreher wird die Polarisationsrichtung des pola- I₁₁₂ = I₀(I + coswr).