DE3740468A1 - Vorrichtung zur beruehrungslosen messung statischer und/oder zeitlich veraenderlicher elektrischer felder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung statischer und/oder zeitlich veränderlicher elektri­ scher Felder bis in den GHz-Bereich unter Ausnutzung des Pockelseffektes in optisch aktiven Kristallen, wobei der Kristall als Sensor dem Einfluß der elektrischen Felder ausgesetzt wird.

In der industriellen Technik und Forschung besteht oft das Problem der Spannungsmessung unter stark eingeschränkten Meßbedingungen, wie

• 1) Potentialtrennung, d. h. es darf keine Meßerde/Masse mitgeführt werden,
• 2) störungsfreie Übertragung des Meßsignales in elektromag­ netischen Streufeldern, speziell auch in hochfrequenten Störfelden,
• 3) Messung unter erschwerten Umweltbedingungen (hohe Tempe­ raturen, explosionsgefährdete Räume (Funkenbildung!) oder aggressive Flüssigkeiten),
• 4) kleinste Dimensionen der Meßsonde, um das zu messende Feld nicht stark zu beeinflussen,
• 5) aus einem Dielektrikum bestehende Meßfühler, weil Metall die gegebene Feldverteilung stört (Meßergebnis ver­ fälscht), ein Isolator andererseits selbst keinen Strom trägt und die Gefahr eines elektrischen Überschlages auf die Meßsonde klein ist, und
• 6) besonders bei hochfrequenten Feldern, Forderung nach einer großen Bandbreite.

Allgemein bekannte Meßmethoden verwenden hierzu metallische Sensoren, wie eine Rogowski-Spule oder einen kapzitiven Spannungsteiler. Solche Meßmethoden weisen erhebliche Nach­ teile auf. Die durchführbaren Messungen besitzen lediglich eine Bandbreite im Bereich von 70 bis 80 MHz mit der Folge, daß die Signale nur auf 12 bis 14 nsec genau werden. Mit den metallischen Sensoren kann meist dort nicht gemessen werden, wo Messungen eigentlich interessant sind, nämlich in Berei­ chen mit hohen elektrischen Feldstärken, wie z. B. in der Pseudofunken-Kammer oder ähnlich komplizierten Geräten. Ins­ gesamt ergeben sich oft starke Verfälschungen des realen Signales, hochfrequente Störungen durch Resonanzen bzw. Schwingungen der Sonden und Erdungsprobleme.

Das der Erfindung zugrunde liegende Aufgabengebiet liegt darin, eine Meßmethode bzw. einen Sensor zu bieten, mit der berührungsfrei und ohne wesentliche Störung des zu messenden Phänomens (in erster Linie der elektr. Feldstärke bzw. Vor­ gänge, die durch eine metallische stromleitende Meßsonde gestört würden) Spannungen bzw. elektr. Feldstärken gemessen werden können, wobei eine hohe Bandbreite, potentialfreie Messung, kleine Dimensionen, sicherer Einsatz auch unter erschwerten Meßbedingungen, wie elektromagnetische Störfel­ der (Hochfrequenzfelder), hohen/tiefen Temperaturen, sowie chemisch aggressive Umgebungen gewährleistbar sein soll. Der Sensor soll zudem nicht nur die Messung elektrischer Felder an Stellen ermöglichen, die bisher einer Messung überhaupt nicht zugänglich waren und er soll den Anwender in die Lage versetzen, selbst schwierigere Meßprobleme auf eine unkom­ plizierte Art und Weise zu meistern.

Die Lösung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspru­ ches 1 beschrieben.

Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung an.

Die besonderen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß

• a) die optischen Sensoren aus einem Dielektrikum bestehen, also im Gegensatz zu ihren metallischen Vorgängern direkt am Ort hoher elektrischer Feldstärken einsetzbar sind,
• b) als Folge von a) sichergestellt ist, daß der optische Sensor nicht oder nur unwesentlich die Phänomene stört, die man messen will,
• c) es keine elektromagnetische Pulsbeeinflussung der Meßan­ ordnung und damit auch keine Erdungsprobleme gibt und
• d) eine hohe Bandbreite im Bereich 1 bis 100 GHz ermöglicht wird, mit den Beispielen:
  opt. Kristall 40 GHz Zeitauflösung 25 psec Lichtwellenleiter 400-800 MHz/km 4-8 GHz pro 100 m LWL.

Ein weiterer Vorteil optischer Meßmethoden wie dieser ist, daß selbst bei Verwendung vieler Meßstellen (bis zu 60 und mehr, das hängt vom Detektorsystem ab) alle Signale automa­ tisch synchronisiert sind, d. h. es treten keine Zeitkorre­ lationsfehler durch unterschiedliche Triggerschwellen auf.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels mittels der Fig. 1 bis 10 näher erläutert.

In Fig. 1 ist eine sogenannte Pseudofunkenkammer bzw. Diode dargestellt. Es handelt sich dabei um ein plasmaphysikali­ sches System, dessen genaue Funktionsweise bisher noch unbe­ kannt ist. Der Betriebszustand ist wie folgt: Zwischen Anode 2 und Kathode 3 wird eine Spannung von maximal 100 Nanose­ kunden Länge und einer Amplitude bis 800 kV angelegt. Im Inneren 4 der Diode 1 herrscht ein Gasdruck von ca. 0,3 mbar Wasserstoff. Die ganze Anordnung befindet sich in entminera­ lisiertem Wasser als Isolator 5. Ziel der Messung ist es, nun unter diesen extremen Bedingungen die Potentialvertei­ lung an den Zwischenelektroden 6 des Systems (schraffierte Teile) zu ermitteln. Gepunktet dargestellt sind die Isolato­ ren 7.

Die Fig. 2 zeigt die berechneten Äquipotentiallinien des Systems gemäß Fig. 1 mit nur 6 Zwischenelektroden 6 unter Berücksichtigung der Dielektrizitätskonstanten der vorkom­ menden Materialien wie Zwischenelektroden 6, Isolatoren 7 und Wasser 5.

Fig. 3a) bis f) zeigen in feinerer Auflösung einen Ausschnitt aus der Isolatoren 7 (schwarz)-Elektroden 6 (rechts, weiße Fläche)-Region, in Fig. 3a) zunächst ohne Kristall (Sensor 8). Fügt man nun einen quaderförmigen Kristall 8 in die betreffende Region ein, so erkennt man in Fig. 3b) bis d), daß die Äquipotentiallinien niemals senkrecht auf zwei sich gegenüberliegenden Flächen 9, 10 stehen, oft auch Potential­ linien den Kristall 8 seitwärts verlassen, unabhängig von der Position dessen. Da die elektrischen Feldlinien senkrecht auf diesen Äquipotentiallinien stehen, ist somit nicht ge­ währleistet, daß das elektrische Feld E senkrecht auf der (1,1,1)-Ebene des Kristalles 8 steht; dies ist jedoch Vor­ aussetzung für eine korrekte Messung im transversalen Fall des erfindungsgemäß angewendeten Pockelseffektes.

In Fig. 3f) ist die erfindungsgemäße Lösung gezeigt. Zwi­ schen Kristall 8 und Elektrode 6 wird ein weiterer Körper 11 gleicher Gestalt wie der Kristall 8, aber mit wesentlich kleinerer Dielektrizitätskonstanten als der Kristall 8, und das umgebende Medium gesetzt. Dieser Zusatzkörper 11 wirkt nunmehr wie eine Potentiallinienlinse und bewirkt, daß der elektrische Feldstärkevektor E senkrecht auf der Kristallober­ fläche 9 bzw. 10 steht und damit senkrecht auf der (1,1,1)- +17Ebene des entsprechend geschnittenen Kristalles 8. Der Zu­ satzkörper 11 kann als Träger des Kristalls 8 und von Licht­ zu- und abführungen ausgebildet sein.

Die Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Meßaufbau zur Messung elektrischer Felder/Spannungen mittels des erfindungsgemäßen fiberoptischen Sensors. Die Lichtquelle 12 muß nicht notwen­ digerweise ein Laser sein; je nach erwünschter Zeitauflösung und Detektorsystem 13 reichen auch weniger intensive Quellen aus. Das Licht des HeNe-Lasers 12 wird mittels des Mikros­ kopobjektivs 14 in einen Multimode Lichtwellenleiter 15 eingekoppelt und auf eine Oberfläche des Kristalls 8 fokus­ siert. Das elektrische Feld E ist durch Pfeile gekennzeichnet. Das transmittierende Licht wird von einem weiteren Lichtwel­ lenleiter 16 aufgenommen und zu dem Detektor 13 geführt. Der Kristall 8 bildet einen fiberoptischen Sensor für die elektri­ sche Feldstärke.

In Fig. 5 ist der detaillierte Aufbau des Sensors 8 (11) dargestellt. Alle Teile 8, 11, 19, 20 werden mit optisch transparentem Epoxidkleber verklebt. In der Fig. 5 ist darge­ stellt die Potentiallinienlinse 11 mit dem E-Feld (Pfeil), die von vorne gegen den Kristall 8, parallel zu den Linsen 17, 18 am Lichtwellenleiter 15 -Ende bzw. 16 -Anfang und den Lichtwellenleitern 15/16 geklebt wird und gleichzeitig als stabilisierender Träger für den Kristall 8 dient. Zwischen Linse 17 bzw. 18 und Kristall 8 stehen eine das Licht um 45° drehende Polarisatorfolie 19 bzw. eine Analysatorfolie 20, mit der eine Phasendrehung des Lichts feststellbar ist.

Fig. 6 und 7 zeigen den graphischen Zusammenhang zwischen der Lichtintensität I/Io des fiberoptischen Sensors 8, 11 und der elektrischen Feldstärke E (Meßgröße) bzw. der Zeit t. Die Empfindlichkeit des Kristallsensors 8 wird durch die Kristalllänge bestimmt, welche ebenfalls für die maximale Grenzfrequenz zusammen mit der Länge der Lichtwellenleiter 15/16 verantwortlich ist (Durch Benutzung eines zweiten Sensors, speziell bei hohen elektrischen Feldern (zeitlich schnell veränderliche-), kann die Eindeutigkeit der berech­ neten elektrischen Feldstärke aus der gemessenen Intensi­ tätskurve durch Vergleich gewahrt werden). In der Simulation (Fig. 7) ist die Antwort des Sensors 8 auf ein elektrisches Feld, das sinusförmig von der Zeit abhängt, dargestellt.

Der Aufbau (Fig. 5) mit Polarisator 19 parallel zum Analysa­ tor 20 hat den Vorteil, daß die maximale Intensität Io automatisch mitgemessen wird und nicht separat bestimmt werden muß, wie im Falle Polarisator 19 senkrecht zum Analy­ sator 20, was für die Intensität I(t) eine quadratische Sinusfunktion ergibt.

Der Sensor 8 (11) gemäß dieses Aufbaus in Transmission betrieben; eine Anordnung in Reflexion wäre ebenfalls mög­ lich (wegen des komplexeren Aufbaus mit einem zusätzlichen halbdurchlässigen Spiegel und damit verbundener Intensitäts­ reduzierung). Das Kristallmaterial ist wasserunlöslich, der ganze Sensor 8 (11) wird jedoch zum Schutz in eine dünne Siliconschicht eingegossen.

Mit dem in Fig. 4 und 5 dargestellten Testaufbau wurde der fiberoptische Sensor 8 (11) im Vergleich mit zwei in diesem Meßbereich noch möglichen rein elektrischen Meßverfahren er­ probt. Obwohl der Sensor 8 (11) für wesentlich höhere elek­ trische Feldstärken entwickelt wurde, arbeitet er auch bei diesen kleineren Werten sehr gut. Die Fig. 8, 9 und 10 zeigen die Auswertung einiger Messungen. Die jeweils durch­ gezogene Kurve zeigt stets die Messung mit dem Sensor (BGO- Kristall 8), die gestrichelten Kurven geben die elektrischen Signale wieder. Dabei bedeutet U _s die Spannung, die mittels einer Hochspannungssonde gemessen wurde, U _theo die nach dem Netzwerk berechnete Spannung und U _r die mittels eines ohm­ schen Teilers gemessene Spannung.

Die mit Hilfe des Sensors 8 (11) ermittelte und die elek­ trisch gemessene Spannung stimmen in der Amplitude bis auf etwa 4% überein. Die Abklingzeit (RC-Zeitkonstante) der elektrisch gemessenen Signale ist deutlich kleiner als die des Sensorsignales, letztere stimmt jedoch bis auf weniger als 2% mit der theoretischen Netzwerkanalyse überein.

Betrachtet man die Signale in einem kleineren Zeitbereich, so erkennt man auch die Feinstruktur der Signale aufgrund von Streukapazitäten und -induktivitäten. Sowohl das elek­ trische (Sonde) als auch das optische (Sensor) Signal zeigen die Überschwinger in der Spannung; die Schwingungsdauer stimmt auf besser 2% überein.

Was jedoch die elektrischen Messungen falsch wiedergeben, ist die Anstiegszeit der Signale sowie das oben bereits erwähn­ te Abklingen. Das Amplitudenverhältnis der Überschwinger ist ebenfalls verschieden. Diese Punkte lassen sich jedoch durch die Neigung der elektrischen Sonden zum Differenzieren er­ klären; sie täuschen demzufolge schnellere Signale vor als real vorhanden sind.

Eine Zusammenfassung der wichtigsten Daten zeigt nochmals die Tabelle 1.

Um bei den für die Entwicklung des Sensors 8 (11) verant­ wortlichen Messungen eine ausreichende Zeitauflösung sicher­ zustellen und die Signalerfassung ohne bandbreitenlimitie­ rende elektronische Verstärker und sonstige Elektronik für die direkte Signalverarbeitung auszuführen, werden die Lichtsignale mittels einer Schmierbildkamera (Streakkamera; nicht dargestellt) aufgenommen. Diese hat eine Zeitauflösung von besser 2 Picosekunden.

Das am Phosphorschirm der Streakkamera entstehende Bild wird durch eine SIT-Videokamera aufgenommen und digitalisiert. Man erhält so eine Intensitätskurve als Funktion der Zeit, aus der man dann das zeitabhängige elektrische Feld oder die Spannung berechnen kann. Ein weiterer Vorteil des Streakka­ merasystems ist, daß man bis zu 64 Signale gleichzeitig und automatisch zeitkorreliert aufnehmen kann.

Werden nicht so hohe Anforderungen an das zeitliche Auflö­ sungsvermögen sowie die Bandbreite gestellt, können auch wesentlich billigere bzw. einfachere Detektorsysteme Verwen­ dung finden.

In Tabelle 2 sind einige charakteristische Daten eines ver­ wendeten Sensorkristalls 8 aufgeführt. Als Kristallmaterial eignet sich insbesondere Bi₄Ge₃O₁₂ oder Bi₄Si₃O₁₂. Der Zusatzkörper 11 kann z. B. aus Plexiglas bestehen. Kri­ stall- bzw. Zusatzkörperform, Materialien und Geometrien hängen im wesentlichen von den Anforderungen an die Meßge­ nauigkeit und vom Einsatzort des Sensors ab (Wasser, Öl etc.).

Tabelle 1

I(t)
Lichtintensität bei angelegtem E-Feld E(t)
I₀	maximale Lichtintensität (ohne elektrisches Feld)
n₀	Brechungsindex von BGO =2,0975
r₄₁	elektrooptischer Koeffizient = 0,95 10-12 m/V
L	Länge des Kristalls = 7,5 mm
λ₀	Wellenlänge der Lichtquelle = 633 nm
E(t)	Betrag der elektrischen Feldstärke

Claims (4)

1. Vorrichtung zur berührungslosen Messung statischer und/ oder zeitlich veränderlicher elektrischer Felder bis in den GHz-Bereich unter Ausnutzung des Pockelseffektes in optisch aktiven Kristallen, wobei der Kristall als Sensor dem Einfluß der elektrischen Felder ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß der Kristallsensor (8) mit einem weiteren Körper (11) mit abweichender Dielektrizitätskonstanten kombi­ niert ist,
• b) daß der Kristallsensor (8) und der Körper (11) sich an einem gemeinsamen Oberflächenteil berühren,
• c) daß Licht mittels eines Lichtwellenleiters (15) an den Kristallsensor (8) herangeführt und nach Transmission oder Reflektion als Informationsträger mittels eines weiteren Lichtleiters (16) zu einem Detektor (13) geleitet wird und
• d) daß das Licht vor Eintritt in den Kristallsensor (8) eine Polarisation (19) erfährt und eine Phasendrehung des transmittierten Lichtes mittels eines Analysators (20) in eine vom Detektor (13) zu messende Intensi­ tätsänderung umgewandelt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Form und Dielektrizitätskonstante des Körpers (11) derart ausgewählt sind, daß die elektrischen Feldlinien (E) den Kristallsensor (8) parallel zueinander durchlaufen und senkrecht auf zwei sich gegenüberliegenden Außenflächen (9, 10) des Kristallsensors (8) stehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Licht, welches vom Lichtwellenleiter (15) herangeführt wird, parallel ausgerichtet (17) und mittels einer Polarisationsfolie (19) derart gedreht wird, daß es in einem Winkel von 45° zur elektrischen Feldstärke (E) steht, welches wiederum senkrecht zur (1,1,1)Ebene des Kristallsensors (8) steht und daß das transmittierende Licht eine Analysatorfolie (20) durchquert, bevor es in den weiteren Lichtleiter (16) eingekoppelt (18) wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kristallsensor (8) aus eienm Bi₄Ge₃O₁₂- oder Bi₄Si₃O₁₂-Kristall und der Zusatzkörper (11) aus einem Kunststoff besteht und daß beide Körper (8, 11) quader­ förmig ausbildbar sind.