DE2541072A1

DE2541072A1 - Magnetooptischer hochspannungsstrom- messwandler

Info

Publication number: DE2541072A1
Application number: DE19752541072
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr Rer Nat Feldtkeller; Hauke Harms; Alfred Dipl Ing Dr Papp
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1975-09-15
Filing date: 1975-09-15
Publication date: 1977-03-17
Also published as: FR2324009A1; SE7610039L; SE406370B; US4070620A; BE846228A; FR2324009B1; JPS6350670B2; DE2541072B2; GB1567950A; DE2541072C3; JPS5236070A; CH607040A5

Description

Magnotooptisuhor Kochspanviungsstroin-MeBwandler

us&tz zu VPA 74/7104 = P 2 433'432.5

Die Erfindung betrifft einen niagnotooptischen Hochspannungsstrom-

er, vnc

schrieb: ·η ist.

im Oberbegriff des Patentanspruches 1 be

Magnetooptische Koßv/and'l er sind bekannt. Beispielsweise ist in der deutschen Auslegeschrift 1 2835 363 ein derartiger Meßv/andler beschriebe;}. Bei diesem bekannten Meßwanäler durchstrahlt polarisiertes Licht einen ersten Faraday-Dreher, der als Meßfühler in einfni vom zu messenden Hochspannungsstrorn abhängigen MagneIfe].d angeordnet ist. Beim Durchgang durch diesen Faraday-Dreher v/ird die Polarisationsrichtung eines polarisierten Lichtstrahl oh in Abhängigkeit von diesem Magnetfeld gedreht. Das polarisierte Lichb, das aus dem Faraday-Dreher austritt und bezüglich seiner Polarisationsrichtung geändert ist, durchstrahlt nun einen v/eiteren- Faraday-Dreher, den sogenannten Kompensator, der sich auf Erdpotential befindet. An den Kompensator wird ein regelbares Magnetfeld εο angelegt, daß das bezüglich seiner Polar:sationsr;ich.bung 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.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 130 047 ist bereits bekannt, einen Faraday-Dreher als Lichtleitcrspule auszubilden. Solch eine Lichtleiterspule besieht aus einer Glasfaser, dur.ch die der polarisierte Lichtstrahl geführt wird, dabei v/ird dieser Lichtstrahl auf seinem Wege durch die Glasfaser in Abhängigkeit

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vom einwirkenden Magnetfeld bezüglich seiner Polarisations- . richtung gedreht.

Derartige als Lichtleiterspulen ausgebildete Paraday-Dreher v/eisen jedoch "bezüglich der Meßgenauigkeit Grenzen auf: Aufgrund der Krüiiiiöung der Lichtleiterfaser!! in der Spule entstehen mechanische Spannungen, die zu Doppelbrechungen führen.

In der älteren Anmeldung (P 2 433 432.5 = VPA 74/7104) wurde erstmals beschrieben, wie diese krüremungsabhängige Doppelbrechung kompensiert v/erden kann.

Dieser älteren Anmeldung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich Spulen aus Lichtleiterfasern in ihrem Einfluß auf polarisierte;: Licht liiodellmäßig als ein doppelbrechender Kristall beschreiben lassen. Aus Symmetriegründen stimmt dabei eine HauptachKerndichtung mit der Spulenachse überoin. Unter Hauptachsenrichtungen versteht man bsi einem doppelbrechenden Kristall diejenigen Polarisationsrichtungen, mit denen ein linear polarisierter Lichtstrahl den Kristall durchsetzen kann, ohne daß die Polarisation des Lichtstrahles verändert wird.

Jeder doppelbrechende Kristall besitzt zwei senkrecht zueinander stehende Hauptachsenrichtungen. Wird er von einem linear polarisierten Lichtstrahl mit einer Polarisationsrichtung durchsetzt, die von der Hauptachsenrichtung abweicht, so entsteht elliptisch polarisiertes Licht. Werden zwei gleichartige Kristalle optisch so hintereinander geschaltet, daß die Richtung der Hauptachse mit der schnelleren Lichtausbreitung im einen Kristall mit der Richtung der Hauptachse mit der langsameren Lichtausbreitung im anderen Kristall übereinstimmt, d.h. wenn die gleichartigen Hauptachsenrichtungen zueinander gekreuzt sind, so v/erden die Laufzeitunterschiede für verschiedene Polarisationsrichtungen kompensiert, so daß ein linear polarisierter Lichtstrahl, der in diese Kristallkombination eintritt, wieder linear polarisiert austritt, und zwar unabhängig von seiner Polarisationsrichtung.

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Aufgrund dieser Erkenntnis wird in der älteren Anmeldung vorgeschlagen, zwei gleiche Lichtleiterspulen optisch hintereinander zu schalten, wobei die Spulenachsen senkrecht zueinander ausgerichtet sein sollen. Die eine Lichtleiterspule dient als Meßfühler und ist auf Hochspannungspotential angeordnet, die andere Lichtleiterspule dient als Kompensator und ist auf Erdpotential angeordnet. Bei dieser Anordnung kann die krümniungs&bhängige kompensiert werden.

Die Sbärke der krümiaungsabhärigigen Doppelbrechung ist jedoch auch teiiperatursbhängig, und da Meßfühler und Kompensator im allgemeinen räumlich verhältnismäßig weit voneinander getrennt sind, um eine Isolation gegen den zu messenden Hochspannungsstrora zu erreichen, ist es schwierig, eine gleiche Temperatur am Heßfühler und am Kompensator zu gewährleisten.

Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen für die Unterdrückung von Temperatureinflüssen anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch einen Hochspannungsstrom-Meßwandler der eingangs genannten Art gelöst, der erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 ausgebildet ist.

Bei dem erfinduiißcgemäßen Meßwandler besitzt also der Meßfühler· zv/ei gleichartige Lichtleiterspulen, deren Spulenachsen zueinander annähernd senkrecht stehen. Da die Licntieiterspulen des Meßfühlers zueinander eng benachbart angeordnet sind, unterliegen diese Spulen den gleichen Temperatureinflüssen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßwandlers besitzt Lichtleiterfasern mit Flüssigkern.

Lichtleiterfasern mit Flüssigkern weisen gegenüber Glasfasern den Vorteil auf, daß bleibende, herstellungsbedingte, mechanische Spannungen nicht auftreten. Bei der Herstellung von Glasfasern entstehen nämlich unregelmäßige mechanische Spannungen innerhalb

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der Glasfaser, die Stärke dieser Spannungen läßt sich nicht vorher bestimmen. Damit v/ei son derartige' Fasern eine herstellungs bedingte Doppelbrechung auf, die außerdem temperaturabhängig ist.

Lichtleiterfasern rait Flüssigkern dagegen weisen eine Doppelbrechung auf, die, abgesehen von vernachlässigbaren Einflüssen mechanischer MantelSpannungen und Unsymmetrien des Lichtleitermantels, eindeutig mit der Krümmung der Lichtleiterfaser gekoppelt ist.

Die genannten Nebeneffekte des Lichtleitermantels können ebenfalls kompensiert v/erden; Dazu ist eine Justierung vorgesehen. mit der die Spulenachsen etwas aus ihrer zueinander rechtwinkligen Richtung gebracht werden können. Die genaue Einstellung ist durch Versuche zu finden.

Vorteilhaft ist, wenn auch ein Kompensator aus zwei gleichartigen Lichtleiterspulen vorgesehen ist, wobei die Spulenachsen nahezu senkrecht zueinander stehen.

Bevorzugte, vorteilhafte Ausführung sf ο mien der Erfindung werden im folgenden anhand der Figur beschrieben.

Mittels einer auf Erdpotential angeordneten Lichtquelle 1, die z.B. ein Laser sein kann, wird ein linear polarisierter Lichtstrahl erzeugt, der durch eine Lichtleiterfaser 2 geleitet wird. Diese Lichtleiterfaser führt zu einem Meßfühler 3> der zwei Lichtleiterspulen 31, 32 besitzt. Diese beiden Lichtleiterspulen sind möglichst gleichartig aufgebaut und besitzen zueinander annähernd senkrechte Spulenachsen. Der Meßfühler ist im Bereich eines vom zu messenden Hochspannungsstrom erzeugten Magnetfeldes angeordnet, dieses Magnetfeld wird im dargestellten Beispiel durch einen Hochspannungsleiter h erzeugt, durch den ein Teil des zu messenden Hochspannungsstromes fließt. Die Lichtleiterspule 32 ist optisch über eine Lichtleiterfaser 21 mit einem Kompensator 5 verbunden, der wiederum zwei Lichtleiterspulen 51» 52 besitzt, deren Spulenachsen zueinander annähernd senkrecht stehen. Dieser

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Kompensator ist im Bereich einer, kompensierenden Magnetfeldes angeordnet, wcbhos mittels einer Sekundärstromquelle 7, die mit einer Spule 6 verbunden ist, erzeugt wird. Die Stromstärke der Sekundär stromquelle wird so goregelt, daß am Detektor 8 der ankommende Lichtstrahl die gleiche Polarisationsrichtungvie on der Lichtquelle 1 aufweist. Damit kann an einem Bürdcv.'ider stand 9 eine wechselnde Spannung abgegriffen werden, die ein Maß für die zu messende Hochspannungsstroiustärko im Hochspannungsleiter h ist.

Der Detektor 8 kann beispielsweise in der folgenden an sich bekannt.on Weise aufgebaut sein: Mittels eines Wollaston-Pi'ismas wird dor ankommer.de Lichtstrahl in zwei zueinander senkrecht polarisierte Tt-ilstrehlen zerlegt, deren Polarisationsrichtungen mit der Polar!y~cionsrichtung des von der Lichtquelle 1 erzeugten Lichtstrahles einen Winkel von 45° bilden. Die beiden zueinander senkrecht polarisierten Teilstrahlen werden auf jeweils einem Lichtin-soer gelenkt, so daß die Intensitäten der Teilstrahlen gemessen werden. Das Verhältnis der beiden Intensitäten ist dann ein Μ··->β für die Polarisotionsrichtung des am Detektor 8 ankommenden Lichtstrahles. Ist das Verhältnis der Intensitäten gleich 1, so weist der ankommende Lichtstrahl die gleiche Polarir.ationc.richtung v/ie an der Lichtquelle 1 auf.

Aus Gründen der zeichnerischen Einfachheit ist in der Figur nur symbolisch durch Pfeile 100, 101 dargestellt, daß an den Lichtleiterspulen des Meßfühlers und des !Compensators vorteilhafterweise Justieriiiöglichkeiten vorzusehen sind, mit denen die Spulenachsen dieser Lichtleiterspulen etwas aus ihren zueinander senkrechten Richtungen ausgelenkt werden können, um den restlichen Doppelbrechungsfehler, wie oben beschrieben, zu kompensieren.

Eine vollständige Kompensation der Doppelbrechung durch hintereinander geschaltete doppelbrechende Elemente, bei denen die gleichartigenKauptachsen senkrecht zueinander stehen, ist allerdings exakt nur möglich, solange die doppelbrechenden Elemente

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nicht gleichzeitig Faraday-Dreher in einem Magnetfeld sind. In der Druckschrift Applied Optics 11 (1972) Söite 617 - 621 haben Jaecklin und Lietz darauf hingewiesen, daß die Kompensation dor Doppelbrechung durch zwei als Faraday-Dreher ausgebildete Flintglasblöcke unvollständig ist.

Vortej.lhnfterweißC kann bei dem erfindungsgeraäßen Meßv/andler &iu.--h bei Einwii-kung der Magnetfelder eine besonders hohe Kompensation der Doppelbrechung erreicht werden, wenn die Lichtleiterfaser der Spulen 31, 32 des Meßfühlers immer abwechselnd je eine Windung auf jedem der beiden Spulenkörper ausführt, d.h. auf jede Spulenwindurig folgt eine Spul emv,' xndung, deren Achse zur Achse der vorangegangenen Cpulenvinclur-g senkrecht steht. Entsprechendes gilt für die Spulen 51, !32 des Kompensator?.

Lichtleiterfasern mit Flüssigkern sind an sich bekannt, wie aus der Druckschrift W.A. Gamblin, D.N. Payne, H. Matsumura, Electron. Lett. TO (1974) S. 148 - 149 hervorgeht.

Derartige Lichtleiterfasern besitzen einen Flüssigkern, z.B. aus Hex.achlorobuta-1,3-dien. Der Flüssigkern besitzt eine Brechzahl n^ - 1,551, der Glasmantel z.B. eine Brechztihl n_o -- 1,482. Bislang war jedoch nicht bekannt, derartige Fasern in Mcßv/andlern anzuoi'dnen.

5 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

Patentansprüche

1. Magnetooptischer Mcßwandler zur Messung von IIochspannuDgsströnu-n nach Patent (P 2 433 432.5), mit einem auf Hoch spannung spotential angeordneten als Lichtleiterspule ausgebildeten Meßfühler, mit dem linear polarisiertes Licht bezüglich seiner Polarisationsrichtung in Abhängigkeit von der Stärke eines Magnetfe3.des, welches vom zu messenden Strom erzeugt wird, gedreht wird, so . dfiß diese Drehung ein Maß für den zu messenden Hochsparoaungsstrom ist, wobei der Meßwandler eine zweite gleichartige Lichtleiterspule besitzt, deren Spulenachse annähernd senkrecht zur Achse der anderen Lichtleiterspule steht, dadurch g ο k e η η zeichnet , daß der Meßwandler mindestens ein Paar gleichartiger und räumlich eng benachbarter Lichtleiterspulen (31, 32, 51, 52) besitzt, deren Spulenachsen zueinander nahezu senkrecht stehen, wobei ein Paar der Lichtleiterspulon (31, 32) Teil des Meßfühlers (3) ist.

2. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn ζ eich net , daß die Lichtleiterspulen (31, 32, 51, 52) aus Lichtleiterfasern mit Flüssigkorn b&stehen.

3. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet , daß ein Paar der Lichtleiterspulen (51, 52) Bestandteil eines !Compensators (5) ist, der mit dein Meßfühler optisch über eine Lichtleiterfaser (21) verbunden ist.

4. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet , daß an den Lichtleiterspulen jedes Paares Justiermöglichkeiten (100, 101) vorgesehen sind, mit denen die Spulenachsen der Lichtleiterspulen des Paares kontrollierbar etwas abweichend von zueinander senkrechten Richtungen ausrichtbar sind, so daß ein restlicher Doppelbrechung sfehler der Lichtleiterspulen kompensiert ist.

5. Heßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet , daß bei jedem Paar der Lichtleiter-

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spulen auf eine Wicklung der einen Lichtleiterspule des Paares eine Wicklung der anderen Lichtleiterspule des Paares folgt.

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