DE3115433A1

DE3115433A1 - "messvorrichtung zur magneto-optischen strommessung"

Info

Publication number: DE3115433A1
Application number: DE19813115433
Authority: DE
Inventors: Ernst. Dr. 5600 Wuppertal Brinkmeyer
Original assignee: Philips Kommunikations Industrie AG
Current assignee: Philips Kommunikations Industrie AG
Priority date: 1981-04-16
Filing date: 1981-04-16
Publication date: 1982-11-11

Description

Meßvorrichtung zur magneto-optischen Strommessung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur magneto-optischen Strommessung mit einer um die Faserlängsachse verdrillten oder tordierten Monomodefaser, die um den zu messenden Leiter in parallelen Windungen geführt ist, wobei linear polarisiertes Licht in die Faser eingestrahlt wird.
Die bekannten Vorrichtungen zur magneto-optischen Strommessung mit Monomodefasern sind Einwegsysteme, d. h. das am Faseranfang eingestrahlte Licht wird am Faserende detektiert, wobei die Polarisationsrichtung am Faserende ein Maß für die Höhe des durch den Leiter geflossenen Stromes ist. Diese bekannten Systeme sind jedoch durch die interne lineare Doppelbrechung und/oder die krümmungs induzierte Doppelbrechung in der verwendbaren Faserlänge und damit in der Meßempfindlichkeit begrenzt. Diese Begrenzung wird durch twistinduzierte zirkulare Doppelbrechung vermieden, d. h. es werden für den Aufbau der Meßspule um ihre Faserlängsachse verdrillte oder tordierte Monomodefasern verwendet. Derartige Systeme sind aber äußerst temperaturempfindlich.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ausgehend von Meßvorrichtungen der eingangs beschriebenen Art, diese derart zu verbessern, daß die Meßempfindlichkeit erhöht wird und die Abhängigkeit von Umwelteinflüssen, insbesondere Temperaturschwankungen, wesentlich reduziert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das in die Faser eingestrahlte Licht am Faserende in die Faser zurückreflektiert und am Faseranfang detektiert wird und die Verdrillung bzw. Torsionen der Faser um ihre Längsachse derart ist, daß das am Faserende austretende Licht bei stromlosen Leiter annähernd linear polarisiert ist. Dabei basiert die Erfindung auf der überraschenden Erkenntnis, daß durch die Detektion des Meßsignals am Faseranfang, d.h. nach zweimaligem Durchlaufen des Lichtes durch die Faser einmal auf dem Hinweg und das zweite Mal auf dem Rückweg sich die Abweichungen vom Polarisationszustand beim Einstrahlen des Lichtes, sofern sie durch Umwelteinflüsse, durch die Faserbiegung und interne Doppelbrechung bedingt sind, gegenseitig aufheben, wenn das am Faserende austretende Licht linear polarisiert ist.
Weiterhin ist es in Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig, wenn zwischen dem Faserende und dem Reflektor ein optisches Endelement in den Strahlengang eingefügt ist, das die Elliptizität am Faserende des am Faseranfang eingestrahlten linear polarisierten Lichts auf etwa Null reduziert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen enthalten.
Anhand des in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 eine Ansicht einer sogenannten Poincare-Kugel zur Darstellung der Entwicklung eines bestimmten Ausgangspolarisationszustandes in einer Paser mit linearer und zirkularer Doppelbrechung.
Wie sich aus Fig. 1 ergibt, besteht eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung aus einer Faserspule 1, die aus einer Vielzahl von parallelen Windungen 2 einer Monomodelichtleitfaser 3 hergestellt ist. Die Faserspule 2 ist konzentrisch um einen Strom führenden Leiter 4 gewickelt. Die Lichtleitfaser 3 ist um ihre Faserlängsachse stark verdrillt bzw.
tordiert. Diese Verdrillung bzw. Torsion um die Faserlängsachse bewirkt, daß durch die twistinduzierte zirkulare Doppelbrechung die krümmungsinduzierte und die interne lineare Doppelbrechung in der Faser unterdrückt wird.
Am Faseranfang der Lichtleitfaser 3 ist eine Lichtleiterverzweigung 5 angekoppelt. Diese Lichtleiterverzweigung besteht aus drei aus einzelnen Lichtleitfaserstücken bestehenden Verzweigungsarmen 6, 7, 8, wobei in den Arm 6 das Licht eingestrahlt wird und von diesem weiter in den Verzweigungsarm 8 verläuft, um von diesem aus in die Lichtleitfaser eingekoppelt zu werden. Am Ausgang des Verzweigungsarms 7 ist ein nicht dargestellter Detektor angeschlossen, um das vom Faserende aus rückgestrahlte Licht zu empfahgen und zu messen. Die Lichtleiterverzweigung 5 ist zweckmäßigerweise wie in der deutschen Patentanmeldung P 27 38 050 beschrieben ausgeführt. Die beschriebene Verzweigungseinrichtung kann jedoch auch in konventioneller Weise durch strahlteilende Elemente verwirklicht werden. Am Ende der Lichtleitfaser 3 ist zwischen Faserende und einem Reflektor 9 ein optisches Element 10 eingefügt, das die Elliptizität des Polarisationszustandes am Faserende verringert bzw. derart ausgleicht, daß linear polarisiertes Licht auf den Reflektor fällt.
Dieses optische Element kann vorzugsweise aus einem kurzen Stück der Meßfaser selbst bestehen, indem durch Biegung oder auf andere Weise Doppelbrechung hervorgerufen wird, um die Elliptizität des in das optische Element eintretenden Lichtes aufzuheben. Besteht die Meßvorrichtung, wie im vorliegenden Fall als bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben, aus einer Faserspule, die zylinderförmig den stromführenden Leiter 4 umschließt, so kann insbesondere das optische Element aus einem kurzen Endstück der Meßfaser bestehen, das in einer Ebene gekrümmt ist, die etwa um 450 gegen die Krümmungsebene der Windungen 2 geneigt ist. In diesem Anwendungsfall sollte die Polarisationsebene des am Faseranfang eingestrahlten Lichtes um ca. 450 gegen die Krümmungsebene gedreht sein.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann wie folgt erklärt werden. Durch die Verdrillung wird die Faser 3 zirkular doppelbrechend. Ist sie ansonsten ideal, d. h. liegt nur diese zirkulare Doppelbrechung vor und fließt zunächst kein Strom, so bleibt ein eingestrahlter linearer Polarisationszustand vom Faseranfang bis zum Faserende linear, dreht jedoch seine Polarisationsrichtung. Wird das Licht am Paserende polarisationsunabhängig reflektiert, so wird diese Drehung der Polarisationsrichtung auf dem Rückweg rückgängig gemacht. Es fließt nun ein gewisser zu messender Strom. Durch den Faradayeffekt ruft dieser Strom in der Faser ebenfalls zirkulare Doppelbrechung hervor, die zu derjenigen durch die Verdrillung addiert bzw. von ihr subtrahiert wird. Da der Faradayeffekt jedoch ein nichtreziproker Effekt ist, wird der Anteil des Stromes zur Drehung der Polarisationsebene auf dem Rückweg nicht rückgängig gemacht; vielmehr addieren sich die Faradaydrehungen von Hin- und Rückweg. Damit erhält man in dem Meßarm 7 am Anfang der Faser 3 eine Drehung der Polarisationsrichtung gegenüber der eingestrahlten Polarisationsrichtung, die nur durch den Strom bestimmt ist. Diese Beschreibung gilt auch, wenn sich die twistinduzierte zirkulare Doppelbrechung ändert, zumindest dann, wenn diese Änderungen während der Umlaufzeit des Lichtes klein sind.
Liegt durch die Krümmung der Faser zusätzliche lineare Doppelbrechung vor, so wird der obige Effekt leicht modifiziert und kann am besten mit der Darstellung der Entwicklung des Polarisationszustandes auf der Poincaré-Kugel (siehe Fig. 2) erklärt werden. In dieser Darstellung liegen die linearen Polarisationszustände auf dem Äquator 11. Die zirkulare Doppelbrechung bewirkt eine Drehung um die Polarachse 12, die lineare Doppelbrechung eine Drehung um eine Achse in der Äquatorialebene, die durch die Krümmungsebene der Faser bestimmt ist. In dem genannten Fall ergibt sich ohne Magnetfeld die Entwicklung des Polarisationszustandes auf dem Hinweg durch die vektorielle Addition dieser Drehvektoren. Liegt der lineare Eingangs-Polarisationszustand mit 450 zur Krümmungsebene, so beschreibt der Polarisationszustand entlang der Faser die in Fig. 1 gezeigte gestrichelte Bahn 13. Diese Bahn 13 schneidet die Äquatorialebene in zwei Punkten. Liegt das Faserende an einem solchen Schnittpunkt, d. h. ist das Licht am Ende linear polarisiert, so erhält man nach Reflexion im Meßarm 7 am Anfang wiederum den Eingangs-Polarisationszustand. Dies folgt aus der Reziprozität der Übertragungsstrecke und der Annahme polarisationsunabhängiger Faserdämpfung. Verändert wird der Polarisationszustand im Meßarm erst durch den zu messenden Strom.
Im allgemeinen kann bei Temperaturänderungen nicht garantiert werden, daß der Polarisationszustand am Faserende linear bleibt, insbesondere wegen des temperaturabhängigen Zusammenhangs zwischen Twist und induzierter zirkularer Doppelbrechung. In diesem Fall verändert sich der zu messende Polarisationszustand im Meßarm am Faseranfang bereits ohne den zu messenden Strom.
Wird zweckmäßigerweise die induzierte zirkulare Doppelbrechung durch starke Torsion bzw. Drillung groß gegen die durch die Paserkrümmung verursachte lineare Doppelbrechung gemacht, so bleibt die Bahnkurve 13 des Polarisationszustandes auf der Poincaré-Kugel in Äquatornähe (siehe Fig. 2), d. h. das Licht bleibt auch speziell am Faserende stets annähernd linear polarisiert. Damit ist die obige Bedingung linearer Polarisation am Faserende annähernd erfüllt und die stromunabhängige Veränderung des Polarisationszustandes im Meßarm am Faseranfang gering.
Eine weitere Verbesserung der Unempfindlichkeit gegen Temperatureinflüsse kann nach der Erfindung dadurch erreicht werden, daß am Faserende das linear doppelbrechende Element 10 eingefügt wird, dessen Hauptachsen um 450 gegen die Hauptachsen der Krümmungsdoppelbrechung verdreht sind. Dies bedeutet in Fig. 2 eine Drehung um die #-Achse 14. Damit kann erreicht werden, daß jeder Punkt auf der gegen den Äquator geneigten Bahnkurve 13 des Polarisationszustandes in einen Punkt des Äquators überführt wird. Zu diesem Zweck muß gelten: #e = arctan ((##b/2)/α'#) ), wobei 6e die lineare Doppelbrechung des Endelements bezeichnet, #ßb den durch die Faserkrümmung hervorgerufenen Unterschied der Phasenkonstanten der Meßfaser in den Hauptachsen und α'# die längenbezogene Drehung der Polarisationsebene durch die twistinduzierte zirkulare Doppelbrechung. Hiermit ist die obige Bedingung eines linearen Polarisationszustandes hinter der Meßfaser 3 und dem Endelement 10 vor dem Reflektor 9 erfüllt und die sich daraus ergebende Unempfindlichkeit des Polarisationszustandes des im Meßarm 7 detektierten Lichtes von Temperaturschwankungen. Eine allerdings äußerst geringe Temperaturabhängigkeit bleibt in zweiter Näherung dadurch erhalten, daß i. a. die Korrekturgröße #e nicht nachgeregelt werden kann bzw. soll, wenn sich #ßb oder α'# mit der Temperatur verändern.
Gegenüber den bekannten faseroptischen Einwegsystemen ohne induzierte zirkulare Doppelbrechung besteht der mit der Erfindung erzielte Vorteil darin, daß die Faserlänge und die mögliche Empfindlichkeit der Meßapparatur nicht mehr durch die interne Doppelbrechung oder durch die Krümmungsdoppelbrechung begrenzt werden. Ferner ist die erzielbare Unempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere Temperaturschwankungen, größer.
Gegenüber faseroptischen Einwegsystemen mit induzierter zirkularer Doppelbrechung kann die Temperaturabhängigkeit um mehrere Größenordnungen reduziert werden.
Beispielsweise ist es durch die Erfindung möglich, die bisher bei Einwegsystemen erreichten Meßempfindlichkeiten um den Faktor 10 oder mehr zu steigern. Dabei kann der temperaturbedingte Meßfehlern i/i beim Nennstrom auf unter 0,1 % und bei 10 % des Nennstromes unter 0,5 % gehalten werden, selbst bei Temperaturschwankungen um + 500 C. Demgegenüber ist in bekannten Einwegsystemen mit Twist bereits die temperaturbedingte Nullpunktverschiebung etwa 6 % des Nennstromes bei einer Temperaturänderung von nur + 10 C.

Claims

Ansprüche: 1. Meßvorrichtung zur magneto-optischen Strommessung mit einer um die Faserlängsachse verdrillten oder tordierten Monomodefaser, die um den zu messenden Leiter in parallelen Windungen geführt ist, wobei linear polarisiertes Licht in die Faser eingestrahlt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das in die Faser (3) eingestrahlte Licht am Faserende in die Faser (3) zurückreflektiert und am Faseranfang detektiert wird und die Verdrillung bzw. Torsion der Faser (3) derart ist, daß das am Faserende austretende Licht bei stromlosem Leiter annähernd linear polarisiert ist.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß zwischen dem Faserende und dem Reflektor (9) ein optisches Endelement (10) in den Strahlengang eingefügt ist, das die Elliptizität am Faserende des am Faseranfang eingestrahlten Lichts auf etwa Null reduziert.
3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß das Endelement (10) linear doppelbrechend ist und eine Phasendifferenz von # e =arctan ((##b/2)/#'# ) zwischen seinen Hauptachsen aufweist, wobei 6 e die lineare Doppelbrechung des Endelements (10), Ai3b der durch die Faserkrümmung hervorgerufene Unterschied der Phasenkonstanten der Meßfaser (3) in den Hauptachsen und α'# die längenbezogene Drehung der Polarisationsebene durch die twistinduzierte zirkulare Doppelbrechung sind.
4. Meßvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Endelement (10) aus einem gebogenen Faserabschnitt besteht.
5. Meßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Winkel der Polarisationsebene des eingestrahlten Lichtes ebenso wie die Winkel der Hauptachsen des Endelementes (10) etwa 450 gegen die Krümmungsebene der Windungen (2) der Faserspule (1) betragen.
6. Meßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Faseranfang eine Lichtleiterverzweigung aus drei Verzweigungsarmen (6,7,8) angeordnet ist, bei der in einen Arm (6) das Licht eingestrahlt und in einem anderen Arm (7) das vom Faserende reflektierte Licht eingeleitet und endseitig detektiert wird und an dem dritten Arm (8) die Faserspule (1) angekoppelt ist.