DE3719275C2 - Anordnung zur störungsfreien und rückwirkungsarmen Messung einer elektrischen Größe - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur störungsfreien und rückwirkungsarmen Messung einer elektrischen Größe gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Herzstück einer solchen Anordnung ist üblicherweise ein Hochleistungs-Breitband- Operationsverstärker wie z. B. der auf dem Markt er­ hältliche Typ 1460 der Firma Teledyne Philbrick.

Wichtige Voraussetzung für die störungsfreie und rück­ wirkungsarme Messung einer elektrischen Größe ist ins­ besondere bei EMV-Untersuchungen die elektrische Ent­ kopplung des Operationsverstärkers von der ausgangsseitig nachgeschalteten Einrichtung zur Verarbeitung der Aus­ gangssignale des Operationsverstärkers. Üblicherweise werden hierzu die elektrischen Ausgangssignale des Operationsverstärkers mit Hilfe eines ersten elektro- optischen Wandlers in optische Signale umgewandelt, welche dann z. B. über einen Lichtwellenleiter zu einem zweiten elektro-optischen Wandler geleitet und dort wieder in elektrische Signale umgewandelt werden, welche anschließend in die Einrichtung zur Signalverarbeitung eingespeist werden (siehe hierzu z. B. Meinke/Gundlach: "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", Studienausgabe, Band 3 "Systeme" (4. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, 1986), S. R59, Bild 1).

Da bei diesen an sich bekannten Anordnungen die für den Betrieb des Operationsverstärkers erforderlichen Gleich­ spannungen in der Regel von Spannungseinrichtungen ge­ liefert werden, die direkt an das Netz angeschlossen sind, lassen sich störungsfreie und rückwirkungsarme Messungen von elektrischen Größen in vielen Fällen nur unter großen Schwierigkeiten oder überhaupt nicht durch­ führen. Der Einsatz von Batterien ist in vielen Fällen nicht sinnvoll, da ihr gespeicherter Energievorrat nach zu kurzer Zeit verbraucht ist und laufende Messungen möglicherweise dann ab- bzw. unterbrochen werden müssen.

Weiterhin ist aus der DE 35 37 904 A1 ein Ultraschallendoskop be­ kannt, das als wesentlichen Bestandteil eine rotierende Hohlwelle besitzt, an deren einem Ende ein Ultraschallsensor befestigt ist. Das andere Ende der Hohlwelle ist in einer feststehenden Halterung drehbar gelagert. Es ist nun erforderlich, elektrische Signale zwi­ schen der feststehenden Halterung und dem ebenfalls rotierenden Sen­ sor zu übertragen. Dieses erfolgt mit Hilfe eines Drehtransformators oder auch mit Hilfe einer optischen Übertragungsstrecke unter Ver­ wendung von Lichtwellenleitern. Die übertragenen Signale werden an­ schließend in einem Verstärker verstärkt, der seine Versorgungsspan­ nung aus einer Solarbatterie erhält, und zwar unter Verwendung von Licht, welches aus einem Lichtleiter herrührt.

Ferner ist in der DE-OS 22 19 780 eine Schaltungsanordnung zum Mes­ sen auch sehr schwacher magnetischer Wechselfelder beschrieben. Die Messung erfolgt dadurch, daß ein magnetischer Gegenstand an einem gegenüber Magnetfeldern empfindlichen Sensor vorbeibewegt wird. Die­ ser Sensor ist unmittelbar an einem zugehörigen Vorverstärker (Ope­ rationsverstärker) angeschlossen.

Des weiteren ist in der DE-OS 22 26 666 eine Anordnung zur Span­ nungserfassung an einem auf Hochspannungspotential liegendem Gerät beschrieben.

Dabei erfolgt die Übertragung der Meßwerte von dem Gerät zu einer Auswerteeinrichtung mit Hilfe eines Lichtwellenleiters. Dadurch ist eine Entkopplung der vorhandenen elektrischen Potentiale möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die für den Betrieb des Hochleistungs-Breitband-Operationsverstärkers erforderlichen Gleichspannungen von einer Einrichtung ge­ liefert werden, die von den üblicherweise zur Verfügung stehenden elektrischen Versorgungseinrichtungen elektrisch entkoppelt ist und darüber hinaus kontinuierlich mit Energie belieferbar ist.

Die Lösung der Aufgabe ist im Patentan­ spruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Von Vorteil ist es hierbei, als externe Lichtquelle einen Laser (vorzugsweise einen Gaslaser wie z. B. ein HeNe- Laser) einzusetzen, da ein Laser einen nur wenig divergenten Lichtstrahl mit hoher und zeitlich ausreichend konstanter Lichtintensität aussendet, der auf einfache Art und Weise (z. B. mit Hilfe eines Linsensystems) in einen Lichtwellenleiter eingespeist und über diesen an das aus den Solarzellen des Solargenerators gebildeten Array herangeführt werden kann. Mit Hilfe eines weiteren Linsen­ systems am Ausgang des Lichtwellenleiters kann der Strahl aufgeweitet werden, so daß eine gleichmäßigere Bestrahlung des gesamten Arrays möglich ist.

Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß der Hochleistungs-Breitband-Operationsverstärker sowohl von der ausgangsseitig nachgeschalteten Signalverarbeitungs­ einrichtung als auch von den üblichen elektrischen Ver­ sorgungseinrichtungen elektrisch entkoppelt ist, aber dennoch kontinuierlich mit der für den Betrieb er­ forderlichen Energie versorgt werden kann, so daß Mes­ sungen insbesondere sehr kleiner Werte der zu untersu­ chenden elektrischen Größen jederzeit und beliebig lange ohne Unterbrechung störungsfrei und rückwirkungsarm durch­ geführt werden können (insbesondere stören die einge­ setzten Lichtwellenleiter nicht die Homogenität elek­ trischer Felder).

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Lösung.

Fig. 2 das Prinzipschaltbild einer vorteilhaften Aus­ führungsform des Energieversorgungsteils der erfindungsgemäßen Lösung.

Fig. 3 das Prinzipschaltbild einer vorteilhaften Aus­ führungsform des dem Operationsverstärkers ausgangsseitig nachgeschalteten Signalüber­ tragungs/-Verarbeitungsteils der erfindungs­ gemäßen Lösung.

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung für die Messung hochfrequenter Ströme (Ausschnitt).

Fig. 5 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungs­ gemäßen Lösung für die Messung der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen Feldes (Ausschnitt).

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung in Fig. 1 wird das Licht 50 einer externen künstlichen in ihrer Licht­ stärke/Stromstärke geregelten Lichtquelle 5 auf die Solarzellen eines Solargenerators 6 gestrahlt. Der Solar­ generator 6 ist ausgangsseitig über Leitungen 60a und 60b mit den Gleichspannungseingängen eines Hochleistungs- Breitband-Operationsverstärkers 3 verbunden. Der Ope­ rationsverstärker 3 ist eingangsseitig über eine Leitung 20 an einen auf die zu messende elektrische Größe 1 an­ sprechenden Sensor 2 angeschlossen. Ausgangsseitig ist der Operationsverstärker über eine Signalleitung 40 mit einer Einrichtung 4 zur Signalverarbeitung verbunden.

Die Funktionsweise der Anordnung erklärt sich wie folgt: Der Sensor 2 erfaßt die Parameter der elektrischen Größe 1 und bildet ein entsprechendes elektrisches Signal, welches über die Leitung 20 in den Operationsverstärker 3 einge­ speist wird. Die entsprechenden Ausgangssignale des Operationsverstärkers 3 werden über die Signalleitung 40 in die Einrichtung 4 zur weiteren Verarbeitung einge­ speist. Die für den Betrieb des Operationsverstärkers 3 erforderlichen Gleichspannungen werden im Solargenerator 6 erzeugt und über die Leitungen 60a und 60b in den Ope­ rationsverstärker 3 eingespeist. Die zur Gleichspannungs­ erzeugung erforderliche Energie wird durch das Licht 50 der Lichtquelle 5 dem Solargenerator 6 zugeführt, der mittels seiner Solarzellen das Licht 50 in elektrische Energie umformt.

Die in Fig. 2 gezeigte vorteilhafte Ausführungsform des Energieversorgungsteils der erfindungsgemäßen Lösung besteht aus der externen künstlichen Lichtquelle 5, dessen Licht 50 (beispielsweise über ein Linsensystem 51) in einen Lichtwellenleiter 52 eingespeist wird und in dem Lichtwellenleiter 52 zu den Solarzellen des Solar­ generators 6 geführt wird. Zur gleichmäßigen Bestrahlung sämtlicher vorzugsweise ein geschlossenes Array bildenden Solarzellen wird der Lichtstrahl 50 zwischen dem Licht­ wellenleiter 52 und dem Solarzellenarray mit Hilfe eines weiteren Linsensystems 53 aufgeweitet.

Die in Fig. 3 gezeigte vorteilhafte und an sich bekannte Ausführungsform des dem Operationsverstärkers 3 ausgangs­ seitig nachgeschalteten Signalübertragungs/-Verarbeitungs­ teils der erfindungsgemäßen Anordnung besteht aus einem elektro-optischen Wandler 41, der das ihm über die Leitung 40a zugeleitete elektrische Ausgangssignal des Operations­ verstärkers 3 in ein entsprechendes optisches Signal 40b umwandelt, welches über einen Lichtwellenleiter 42 einem weiteren elektro-optischen Wandler 43 zugeleitet und dort in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Das elek­ trische Signal wird anschließend über die Leitung 40c in die Einrichtung 4 zur weiteren Verarbeitung eingespeist.

Das in Fig. 4 im Ausschnitt gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung dient der Messung hoch­ frequenter elektrischer Ströme, die in einen Draht 1 fließen, mittels einer Stromzange 2, die über die Leitung 20 mit dem Signaleingang des Operationsverstärkers 3 verbunden ist, dessen Ausgang über eine Zuleitung 40a mit dem Eingang eines elektro-optischen Wandlers 41 verbunden, der seinerseits ausgangsseitig an einen Lichtwellenleiter 42 angeschlossen ist.

Über einen weiteren Lichtwellenleiter 52 wird das von der (nicht gezeigten) externen Lichtquelle 5 kommende Licht 50 über ein Linsensystem 53 auf das Solarzellenarray 61 eines Solargenerators 6 gerichtet. Dem Array 61 ist eine an sich bekannte Spannungsformungseinrichtung 62 nachgeschaltet, die die Betriebs-Gleichspannungen für den Operationsver­ stärker 3 erzeugt und diese dem Operationsverstärker 3 über die Leitungen 60a und 60b zuleitet.

Das Ausführungsbeispiel in Fig. 5 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel in Fig. 4 nur dadurch, daß als Sensor eine Stabantenne 2 eingesetzt ist, die die elek­ trische Komponente 1 eines elektromagnetischen Feldes erfaßt. Die eigentliche Meßanordnung mit dem Solar­ generator 6, dem Operationsverstärker 3 und dem Signal­ übertragungs/-Verarbeitungsteil 40, 41, 42, 43, 4 (wobei der elektro-optische Wandler 43 und die Einrichtung 4 zur Signalverarbeitung nicht gezeigt ist) befindet sich dabei innerhalb einer geschirmten Kammer 7.

Es versteht sich, daß die Erfindung mit fachmännischen Wissen und handelsüblichen Komponenten aus- und weiter­ gebildet werden kann bzw. für die unterschiedlichen An­ wendungen abgewandelt und angepaßt werden kann, ohne daß dies hier an dieser Stelle näher erläutert werden müßte.

So kann beispielsweise der Solargenerator direkt in die handelsüblichen Gehäuse der Operationsverstärker integriert werden, so daß zusätzlich neben den elektrischen Anschlüs­ sen nur noch der Lichtwellenleiter für die Lichtein­ speisung aus dem Gehäuse geführt wird. Alternativ hierzu kann ein Stecker für den Lichtwellenleiter an dem Gehäuse des Operationsverstärkers angebracht werden.

Weiterhin kann auch der dem Operationsverstärker ausgangs­ seitig nachgeschaltete elektro-optische Wandler in das Gehäuse des Operationsverstärkers integriert werden, so daß neben dem ersten Lichtwellenleiteranschluß für die Gleichspannungsversorgung ein weiterer Lichtwellenleiter­ anschluß (vorzugsweise in Form eines Steckers für Licht­ wellenleiter) aus dem Gehäuse des Operationsverstärkers herausgeführt wird.

Ferner kann auch der Sensor über elektro-optische Komponenten und/oder Lichtwellenleiter an den Eingang des Operationsverstärker angeschlossen werden, wobei in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung der dem Operations­ verstärker eingangsseitig vorgeschaltete opto-elektrische Wandler ebenfalls in das Gehäuse des Operationsverstärkers integriert werden könnte, so daß ein dritter Lichtwellen­ leiteranschluß aus dem Gehäuse des Operationsverstärkers herausgeführt wird (vorzugsweise ebenfalls in Form eines Steckers für Lichtwellenleiter).

Schließlich ist neben den eingangs erwähnten EMV-Unter­ suchungen insbesondere noch die Anwendung der erfindungs­ gemäßen Lösung in fernmeldetechnischen Anlagen zu nennen:
Bei herkömmlichen Anlagen mit Lichtwellenleitern zur Signalübertragung müssen in den mehradrigen Lichtwellen­ leiterkabeln zusätzlich Kupferdrähte zur Spannungsver­ sorgung z. B. von Meß- und Teststationen mitgeführt werden. Dies würde bei Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung entfallen.

Claims (6)

1. Anordnung zur störungsfreien und rückwirkungsarmen Messung einer elektrischen Größe bei einer EMV-Messung, zumindest bestehend aus

• - einem Hochleistungs-Breitband-Operationsverstärker mit einem Si­ gnaleingang, einem Signalausgang sowie einem Anschluß für eine Be­ triebsspannung,
• - einer Versorgungseinrichtung, in welcher die Betriebsspannung er­ zeugt wird,
• - einem auf die zu messende elektrische Größe ansprechenden Sensor, welcher an den Signaleingang angeschlossen ist,
• - einem an den Signalausgang angeschlossenen elektro-optischen Wand­ ler, welcher das breitbandige elektrische Ausgangssignal des Ope­ rationsverstärkers in ein entsprechendes optisches Signal wandelt,
• - ein an den elektro-optischen Wandler angekoppelter Signal-Licht­ wellenleiter, durch welchen das optische Signal in einen die EMV- Messung nicht störenden räumlichen Bereich geleitet wird,
• - ein an den Signal-Lichtwellenleiter angekoppelter opto-elektri­ scher Wandler, welcher das optische Signal wandelt, sowie
• - einer an den opto-elektrischen Wandler angeschlossenen Einrichtung zur Signalverarbeitung in dem die EMV-Messung nicht störenden räumlichen Bereich,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß eine als Laser ausgebildete Lichtquelle (5) vorhanden ist,
• - daß die Lichtquelle (5) an ein Ende eines Versorgungs-Licht­ wellenleiters (52) angekoppelt ist,
• - daß an das andere Ende des Versorgungs-Lichtwellenleiters (52) ein Solarzellen enthaltender Solargenerator (6), in welchem die Betriebsgleichspannung erzeugt wird, angekoppelt ist und
• - daß der Solargenerator (6) an den Anschluß für die Betriebs­ gleichspannung des Operationsverstärkers angeschlossen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Solarzellen als Solarzellenarray (61) angeordnet sind und
• - daß der Solargenerator (6) eine dem Solarzellenarray (61) nachgeschaltete Spannungsformungsschaltung (62) enthält, welche ausgangsseitig die erforderliche Betriebsgleichspan­ nungen für den Hochleistungs-Breitband-Operationsverstärker liefert.

3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Sensor (2) für den elektrischen Strom eine Stromzange vorgesehen ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Sensor (2) für die elektrische Spannung ein Spannungstastkopf vorgesehen ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Sensor (2) für die elektrische Komponente ei­ nes elektromagnetischen Feldes eine Stabantenne vorgesehen ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Sensor (2) für die magnetische Komponente ei­ nes elektromagnetischen Feldes eine schleifenförmige Antenne vorge­ sehen ist.