DE3431769A1

DE3431769A1 - Fibre-optical current sensor

Info

Publication number: DE3431769A1
Application number: DE19843431769
Authority: DE
Inventors: Siegfried 8520 Erlangen Gassong; Joachim Dr.rer.nat. 8500 Nürnberg Niewisch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-08-29
Filing date: 1984-08-29
Publication date: 1986-03-13
Also published as: JPS6165168A

Abstract

The invention relates to a fibre-optical current sensor for protection purposes. According to the invention, two optical fibres (4, 6) are provided, the end (12) of which is connected to a light source (2) and the end (14) of which is connected to a photoreceiver (8), and at least one of the two ends (16 and, respectively, 18) arranged axially opposite to one another in a magnetic field of a current-conducting conductor (26) is provided with a permanent magnetic layer (20 and, respectively, 22). The result is that a highly sensitive wide-band fibre-optical current sensor is obtained which can be arranged in the vicinity of, for example, a power-conducting high-voltage line. In addition, the current in the conductor (26) can be measured in an isolated circuit and the distance between sensor and evaluating electronics (10) can be selected almost arbitrarily. <IMAGE>

Description

Faseroptischer StromsensorFiber optic current sensor

Die Erfindung bezieht sich auf einen faseroptischen Stromsensor für Schutzzwecke.The invention relates to a fiber optic current sensor for Protective purposes.

Es sind faseroptische Stromsensoren bekannt, die den Faraday-Effekt ausnutzen. Bei dem bekannten Faraday-Effekt wird in bestimmten lichtleitenden Materialien die Polarisationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahls unter dem Einfluß eines Magnet feldes, das sich entlang dem Lichtstrahl erstreckt, um eine Achse gedreht, die parallel zum Lichtstrahl verläuft. Das Ausmaß der Drehung der Polarisationsebene ist im wesentlichen proportional zur Größe des Magnetfeldes.There are fiber optic current sensors known that the Faraday effect exploit. In the well-known Faraday effect, certain light-guiding materials are used the plane of polarization of a linearly polarized light beam under the influence a magnetic field, which extends along the light beam, rotated about an axis, which runs parallel to the light beam. The amount of rotation of the plane of polarization is essentially proportional to the size of the magnetic field.

Es ist ein optischer Schalter für Lichtleiterkommunikationsnetze bekannt, der eine geringe Schaltenergie benötigt. Er erhält einen beweglichen und zwei feste Lichtleitfasern, eine Spule und ein Paar Permanentmagnete. Die bewegliche Lichtleitfaser ist im Bereich der Spule mit einer magnetischen Legierungsschicht versehen. Außerdem ist die Spule im Magnetfeld der Permanentmagnete angeordnet. Die bewegliche Lichtleiterfaser und eine befestigte Lichtleitfaser sind axial angeordnet. Die axiale Magnetisierung der magnetischen Legierungsschicht kann mit Hilfe der Spule umgekehrt werden. Somit kann die bewegliche Lichtleitfaser zwischen den beiden befestigten Lichtleitfasern schalten (Elektronics, Februar 9, 1984, Seite 82).An optical switch for fiber optic communication networks is known, which requires a low switching energy. He gets one movable and two fixed ones Optical fibers, a coil and a pair of permanent magnets. The moving optical fiber is provided with a magnetic alloy layer in the area of the coil. aside from that the coil is arranged in the magnetic field of the permanent magnets. The movable optical fiber and a fixed optical fiber are axially arranged. The axial magnetization the magnetic alloy layer can be reversed with the help of the coil. Consequently can move the optical fiber between the two attached optical fibers switch (Electronics, Feb. 9, 1984, p.82).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen Stromsensor für Schutzzwecke anzugeben, der bei einfachem Aufbau eine ausreichende Empfindlichkeit und Potentialtrennung hat. Außerdem soll eine nahezu beliebige Entfernung zwischen Sensor und Auswerteelektronik möglich sein und die auswertbare Bandbreite dieses faseroptischen Stromsensors soll möglichst einige kHz betragen.The invention is now based on the object of a fiber optic Specify current sensor for protection purposes, the one with a simple structure has sufficient sensitivity and potential separation. In addition, a almost any distance between the sensor and the evaluation electronics is possible and the evaluable bandwidth of this fiber-optic current sensor should be as possible a few kHz.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Dadurch, daß wenigstens ein Ende der axial einander gegenüber angeordneten Enden der beiden Lichtleitfasern mit einer Permanentmagnetschicht versehen ist und in einem Magnetfeld eines stromführenden Leiters angeordnet sind, wirkt auf dieses Ende eine Kraft. Diese Kraft bewirkt eine Versetzung der einander gegenüber angeordneten Enden gegeneinander und somit eine Schwächung der Transmission des Lichtes, das von der Lichtquelle in die erste Lichtleitfaser eingespeist wird. Diese Schwächung ist ein Maß für den durch den Leiter fliessenden Strom. Durch die Verwendung von Lichtleitfasern ist eine Potentialtrennung für annähernd beliebige Potentialdifferenzen gegeben. Somit ist eine bevorzugte Anwendung des faseroptischen Stromsensors bei Strommessungen in Hochspannungsanlagen für Schutz zwecke vorgesehen. Durch die Faserlänge der Enden der ersten und zweiten Lichtleitfaser und durch die Magnetmasse der Permanentmagnetschichten wird die Bandbreite dieses faseroptischen Stromsensors bestimmt.This object is achieved according to the invention with the characterizing Features of claim 1. Characterized in that at least one end of the axially opposite one another arranged ends of the two optical fibers provided with a permanent magnet layer is and are arranged in a magnetic field of a current-carrying conductor, acts a force on this end. This force causes a displacement of each other arranged ends against each other and thus a weakening of the transmission of the Light that is fed into the first optical fiber from the light source. These Attenuation is a measure of the current flowing through the conductor. By using of optical fibers is a potential separation for almost any potential differences given. Thus, a preferred application of the fiber optic current sensor is in Current measurements in high-voltage systems are intended for protection purposes. By the fiber length the ends of the first and second optical fibers and through the magnetic mass of the permanent magnet layers the bandwidth of this fiber optic current sensor is determined.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des faseroptischen Stromsensors sind die axial einander gegenüber angeordneten Enden der ersten und zweiten Lichtleitfaser parallel zur Symmetrieachse eines stromführenden Leiters angeordnet und jeweils mit einer Permanentmagnetschicht versehen. Als Lichtquelle ist eine lichtemittierende Diode LED vorgesehen. Bei dieser Anordnung sind jeweils die an den magnetischen Enden wirksamen Kräfte und die daraus resultierenden Drehmomente bezogen auf die Haltevorrichtung gleich groß aber entgegengesetzt gerichtet. Das wirksame Magnetfeld im Bezug auf die magnetischen Enden der Lichtleitfasern ist beispielsweise homogen.In an advantageous embodiment of the fiber optic current sensor are the axially opposite ends of the first and second optical fibers arranged parallel to the axis of symmetry of a live conductor and each provided with a permanent magnet layer. As a light source is one light emitting diode LED provided. In this arrangement, the are on forces acting on the magnetic ends and the resulting torques in relation to the holding device the same size but directed in the opposite direction. That effective magnetic field with respect to the magnetic ends of the optical fibers for example homogeneous.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des faseroptischen Stromsensors sind die axial einander gegenüber angeordneten Enden der ersten und zweiten Lichtleitfaser parallel zur Symmetrieachse einer stromführenden Stromschleife angeordnet. Durch diese Gestaltung des Stromleiters wird die Homogenität und Stärke des Magnetfeldes erhöht.In a further advantageous embodiment of the fiber optic Current sensors are the axially opposite ends of the first and second optical fiber parallel to the axis of symmetry of a current-carrying current loop arranged. This design of the conductor increases the homogeneity and strength of the magnetic field increased.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines faseroptischen Stromsensors nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.For further explanation, reference is made to the drawing, in of an embodiment of a fiber optic current sensor according to the invention is illustrated schematically.

Figur 1 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform gemäß der Erfindung und in Figur 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.Figure 1 shows an advantageous embodiment according to the invention and FIG. 2 illustrates a further embodiment of the invention.

In der Ausführungsform nach Figur 1 enthält ein faseroptischer Stromsensor eine Lichtquelle 2, zwei Lichtleitfasern 4 und 6, einen Fotoempfänger 8 und eine Auswerteelektronik 10. Das eine Ende 12 der ersten Lichtleitfaser 4 ist mit der Lichtquelle 2 und das eine Ende 14 der zweiten Lichtleitfaser 6 ist mit dem Fotoempfänger 8, der beispielsweise eine Fotodiode ist, verbunden. Die beiden anderen Enden 16 und 18 sind jeweils mit einer Permanentmagnetschicht 20 bzw. 22 versehen. Die mit den Permanentmagnetschichten 20 und 22 versehenen Enden 16 und 18 sind mit einer-Haltevorrichtung 24 jeweils beispielsweise in unmittelbarer Nähe eines stromführenden Leiters 26 angeordnet. Die Permanentmagnetschichten 20 und 22 sind jeweils an den Enden 16 und 18 axial polarisiert. Die Enden 16 und 18 werden axial einander gegenüber und parallel zur Symmetrieachse 28 des Leiters 26 derart angeordnet, daß beispielsweise bei einem stromlosen Leiter 26 eine maximale Transmission des Lichtes der Lichtquelle 2 erreicht wird. Als Lichtquelle 2 ist beispielsweise eine Glühlampe, vorzugsweise ein Laser, insbesondere eine lichtemittierende Diode LED, vorgesehen. Wenn ein Strom I durch den Leiter 26 fließt, wirkt jeweils eine Kraft auf die Enden 16 und 18 der Lichtleitfasern 4 und 6 infolge des entstandenen Magnetfeldes. Dieses Magnetfeld ist in Bezug auf die Enden 16 und 18 homogen, d.h. die Kräfte bzw. die daraus resultierenden Drehmomente sind dem Betrag gleich groß. Durch die einwirkenden Kräfte werden die Enden 16 und 18 gegenüber ihrer Ruhelage gegeneinander versetzt, d.h. die Bewegungsrichtung am Ende 16 ist aus der Zeichenebene herausgerichtet und die Bewegungsrichtung am Ende 18 ist in die Zeichenebene hineingerichtet. Dadurch wird die Transmission des Lichtes, das vom Fotoempfänger 8 empfangen wird, geschwächt. In der anschließenden Auswerteelektronik 10, die beispielsweise ein Mikrocomputer sein kann, wird jedem Transmissionswert in einem vorbestimmten Strombereich, der beispielsweise etwa das 10-fache des Nennstroms beträgt, ein Stromwert zugeordnet. Im Kurzschlußfall, wenn der Wert des durch den Leiter 26 fließenden Stromes I beispielsweise etwa gleich dem 100-fachen des Nennstromes ist, ermittelt die Auswerteelektronik 10 beispielsweise aus der Steilheit der Transmissionsänderung von 100 % auf 0 % den Stromwert des tatsächlich fließenden Stromes 1.In the embodiment of Figure 1 includes a fiber optic current sensor a light source 2, two optical fibers 4 and 6, a photo receiver 8 and one Evaluation electronics 10. One end 12 of the first optical fiber 4 is connected to the Light source 2 and one end 14 of the second optical fiber 6 is connected to the photo receiver 8, which is, for example, a photodiode. The other two ends 16 and 18 are provided with permanent magnet layers 20 and 22, respectively. With the permanent magnet layers 20 and 22 provided ends 16 and 18 are each with a holding device 24, for example, in the immediate vicinity a current-carrying conductor 26 is arranged. The permanent magnet layers 20 and 22 are axially polarized at the ends 16 and 18, respectively. The ends 16 and 18 are axially opposite one another and parallel to the axis of symmetry 28 of the conductor 26 in such a way arranged that, for example, with a currentless conductor 26, a maximum transmission of the light from the light source 2 is achieved. The light source 2 is, for example an incandescent lamp, preferably a laser, in particular a light-emitting diode LED, provided. When a current I flows through conductor 26, one acts at a time Force on the ends 16 and 18 of the optical fibers 4 and 6 as a result of the resulting Magnetic field. This magnetic field is homogeneous with respect to ends 16 and 18, i. the forces or the resulting torques are equal to the amount. The forces acting on the ends 16 and 18 are opposite to their rest position offset from one another, i.e. the direction of movement at end 16 is out of the plane of the drawing aligned and the direction of movement at the end 18 is directed into the plane of the drawing. This increases the transmission of the light received by the photoreceiver 8 weakened. In the subsequent evaluation electronics 10, for example a Can be a microcomputer, each transmission value in a predetermined current range, which is approximately 10 times the rated current, for example, is assigned a current value. In the event of a short circuit, if the value of the current I flowing through the conductor 26, for example is approximately equal to 100 times the nominal current, the evaluation electronics determine 10 for example from the steepness of the change in transmission from 100% to 0% the current value of the current actually flowing 1.

In einer weiteren Ausführungsform nach Figur 2 sind die axial einander gegenüber angeordneten mit den Permanentmagnetschichten 20 und 22 versehenen Enden 16 und 18 der Lichtleitfasern 4 und 6 senkrecht zur Symmetrieachse 28 des Stromleiters 26 angeordnet. Das durch den stromführenden Leiter 26 entstandene Magnetfeld ist beispielsweise durch gestrichelte kreisförmige Linien 30 veranschaulicht. An den Enden 16 und 18 der Lichtleitfasern 4 und 6 wirken Kräfte F1 und F2, die unterschiedlich groß und entgegengesetzt sind. Die unterschiedlichen Beträge der Kräfte F1 und F2 sind durch unterschiedliche Längen der Pfeile in der Figur veranschaulicht. Die Wirkrichtung der Kräfte F1 bzw. F2 ist jeweils das Ergebnis der Überlagerung des Magnetfeldes des stromdurchflossenen Leiters 26 mit dem der Dipole an den Enden 16 bzw. 18 der Lichtleitfasern 4 bzw. 6. Das Ende 16, daß der Symmetrieachse 28 beispielsweise näher zugeordnet ist, wird infolge der größeren Kraft stärker aus seiner Ruhelage ausgelenkt, als das Ende 18. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn man beispielsweise nur das dem Stromleiter 26 am nächsten angeordnete Ende 16 der Lichtleitfaser 4 mit einer Permanentmagnetschicht 20 versieht. Die unterschiedlichen Kräfte entstehen dadurch, daß das Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters 26 in Bezug auf die Enden 16 und 18 inhomogen ist.In a further embodiment according to FIG. 2, they are axially opposite one another opposite ends provided with the permanent magnet layers 20 and 22 16 and 18 of the optical fibers 4 and 6 perpendicular to the axis of symmetry 28 of the conductor 26 arranged. The magnetic field created by the current-carrying conductor 26 is for example illustrated by dashed circular lines 30. To the Ends 16 and 18 of the optical fibers 4 and 6 act forces F1 and F2, which are different are big and opposite. The different amounts of the forces F1 and F2 are illustrated by different lengths of the arrows in the figure. the The direction of action of the forces F1 and F2 is the result of the superposition of the Magnetic field of the current-carrying conductor 26 with that of the dipoles at the ends 16 or 18 of the optical fibers 4 or 6. The end 16 that the axis of symmetry 28 for example, is assigned more closely, becomes stronger as a result of the greater force its rest position deflected than the end 18. Therefore it is advantageous if one for example only that end 16 of the optical fiber which is arranged closest to the conductor 26 4 is provided with a permanent magnet layer 20. The different forces arise in that the magnetic field of the current-carrying conductor 26 in relation to the Ends 16 and 18 is inhomogeneous.

Durch diese Gestaltung erhält man einen sehr empfindlichen, faseroptischen Stromsensor, den man in der Nähe eines stromführenden Leiters 26, beispielsweise einer Hochspannungsleitung, anordnen kann und der vorzugsweise im Bereich hoher Ströme eingesetzt werden kann.This design results in a very sensitive, fiber optic Current sensor that can be found in the vicinity of a live conductor 26, for example a high-voltage line, and preferably in the area of higher Currents can be used.

Außerdem kann man den Strom im Leiter 26 potentialfrei messen und die Entfernung zwischen Sensor und Auswerteelektronik 10 nahezu beliebig, beispielsweise etwa einige m, bis zu einem km, wählen. Mit diesem einfach aufgebauten Stromsensor kann man Wechselstrom und auch unter Umständen Gleichstrom messen, wobei man an die Lichtquelle 2 keine hohen Anforderungen, beispielsweise Stabilität oder Intensität des Lichtes, stellen braucht, beim Messen von Wechselstrom ist im Feldnulldurchgang ein Referenzpunkt vorhanden. Durch diesen Referenzpunkt kann man auf einfache Weise etwaige Umwelteinflüsse auf dem Übertragungsweg, sowie Alterung der Lichtquelle und des Empfängers korrigieren.In addition, you can measure the current in the conductor 26 and potential-free the distance between the sensor and evaluation electronics 10 is almost arbitrary, for example approximately select a few meters, up to one kilometer. With this simply constructed current sensor you can One can measure alternating current and also under certain circumstances direct current, whereby one is connected to the light source 2 no high requirements, for example stability or intensity of the light, when measuring alternating current there is a reference point in the field zero crossing available. This reference point can be used to easily identify any environmental influences correct on the transmission path as well as aging of the light source and the receiver.

8 Patentansprüche 2 Figuren8 claims 2 figures

Claims

Claims 1. Fiber optic current sensor for protection purposes, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that two optical fibers (4, 6) are provided are that a first optical fiber (4) at one end (12) with a light source (2) and a second optical fiber (6) at one end (14) with a photoreceiver (8) is provided with downstream evaluation electronics (10) and that at least one of the other two ends (16 or 18) with a permanent magnet layer (20 or 22) are provided and these ends (16, 18) axially opposite one another in the magnetic field a current-carrying conductor (26) and with a holding device (24) are provided.

2. Fiber optic current sensor according to claim 1, d ad u r c h g e k It is noted that those provided with the permanent magnet layers (20, 22) Ends (16, 18) parallel to the axis of symmetry (28) of the current-carrying conductor (26) are arranged.

3. Fiber optic current sensor according to claim 1, d ad u r c h g e k It is noted that those provided with the permanent magnet layers (20, 22) Ends (16, 18) perpendicular to the axis of symmetry (28) of the current-carrying conductor (26) are arranged.

4. Fiber optic current sensor according to claim 1, d ad u r c h g e k It is noted that the light source (2) is a light-emitting diode LED is provided.

5. Fiber optic current sensor according to claim 1, d ad u r c h g e k I n e i n e t that as Light source (2) a laser is provided is.

6. Fiber optic current sensor according to claim 1, d ad u r c h g e k It is noted that an incandescent lamp is provided as the light source (2).

7. Fiber optic current sensor according to claim 1, d ad u r c h g e k It is noted that a microcomputer is provided as evaluation electronics (10) is.

8. Fiber optic current sensor according to claim 1, d ad u r c h g e k It is noted that a photodiode is provided as the photo receiver (8).