DE3740468C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen
Messung statischer und/oder zeitlich veränderlicher elektrischer
Felder nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs1.
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 elektromagnetischen Streufeldern, speziell auch in hochfrequenten Störfeldern,
- 3) Messung unter erschwerten Umweltbedingungen (hohe Temperaturen, 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 verfälscht), 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 eine kapzitiven
Spannungsteiler. Solche Meßmethoden weisen erhebliche Nachteile
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 Bereichen
mit hohen elektrischen Feldstärken, wie z. B. an der
Pseudofunken-Kammer oder ähnlich komplizierten Geräten. Insgesamt
ergeben sich oft starke Verfälschungen des realen
Signales, hochfrequente Störungen durch Resonanzen bzw.
Schwingungen der Sonden und Erdungsprobleme.
Aus der DE-PS 34 04 608 C2 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen
Messung statischer und/oder zeitlich veränderlicher elektrischer
Felder unter Ausnutzung des Pockelseffekts in einem optisch aktiven
Kristall aus Bi₄Ge₃O₁₂ oder Bi₄Si₃O₁₂ bekannt. Wegen der hohen
Dielektrizitätskonstanten dieser Materialien wird jedoch das zu
messende Feld durch das Einbringen der Sonde verzerrt und damit
die Messung verfälscht.
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 Spannungen bzw. elektr. Feldstärken gemessen
werden können, wobei eine hohe Bandbreite, potentialfreie
Messung, kleine Dimensionen, sicherer Einsatz auch unter
erschwerten Meßbedingungen, wie bei elektromagnetischen Störfeldern
(Hochfrequenzfeldern), hohen/tiefen Temperaturen, sowie
chemisch aggressiven Umgebungen gewährleistbar sein soll. Der
Sensor soll zudem 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 schwierige Meßprobleme auf eine unkomplizierte
Art und Weise zu meistern.
Die Lösung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches
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 zwei verschiedenen Dielektrika bestehen, welche aufgrund ihrer Konstruktion das zu messende Feld kaum verändern.
- b) es keine elektromagnetische Pulsbeeinflussung der Meßanordnung und damit auch keine Erdungsprobleme gibt und
- c) 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 automatisch
synchronisiert sind, d. h. es treten keine Zeitkorrelationsfehler
durch unterschiedliche Triggerschwellen auf.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
mittels der Fig. 1 bis 10 näher erläutert.
In Fig. 1 ist eine sogenannte Pseudofunkenkammer bzw. Diode
dargestellt. Es handelt sich dabei um ein plasmaphysikalisches
System, dessen genaue Funktionsweise bisher noch unbekannt
ist. Der Betriebszustand ist wie folgt: Zwischen Anode
2 und Kathode 3 wird eine Spannung von maximal 100 Nanosekunden
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 entmineralisiertem
Wasser als Isolator 5. Ziel der Messung ist es,
nun unter diesen extremen Bedingungen die Potentialverteilung
an den Zwischenelektroden 6 des Systems (schraffierte
Teile) zu ermitteln. Gepunktet dargestellt sind die Isolatoren
7.
Die Fig. 2 zeigt die berechneten Äquipotentiallinien des
Systems gemäß Fig. 1 mit nur 6 Zwischenelektroden 6 unter
Berücksichtigung der Dielektrizitätskonstanten der vorkommenden
Materialien wie Zwischenelektroden 6, Isolatoren 7
und Wasser 5.
Fig. 3 a) bis f) zeigen in feinerer Auflösung einen Ausschnitt
aus der Isolatoren 7 (schwarz)-Elektroden 6 (rechts, weiße
Fläche)-Region, in Fig. 3 a) zunächst ohne Kristall (Sensor
8). Fügt man nun einen quaderförmigen Kristall 8 in die
betreffende Region ein, so erkennt man in Fig. 3 b) bis d),
daß die Äquipotentiallinien niemals senkrecht auf zwei sich
gegenüberliegenden Flächen 9, 10 stehen, oft auch Potentiallinien
den Kristall 8 seitwärts verlassen, unabhängig von
dessen Position. Da die elektrischen Feldlinien senkrecht
auf diesen Äquipotentiallinien stehen, ist somit nicht gewährleistet,
daß( das elektrische Feld E senkrecht auf der
(1,1,1)-Ebene des Kristalls 8 steht; dies ist jedoch Voraussetzung
für eine korrekte Messung im transversalen Fall
des erfindungsgemäß angewendeten Pockelseffektes.
In Fig. 3 f) ist die erfindungsgemäße Lösung gezeigt. Zwischen
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 (1,1,1)-
Ebene des entsprechend geschnittenen Kristalles 8. Der Zusatzkörper
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 bzw. Spannungen mittels des erfindungsgemäßen
fiberoptischen Sensors. Die Lichtquelle 12 muß nicht notwendigerweise
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 Mikroskopobjektivs
14 in einen Multimode Lichtwellenleiter 15
eingekoppelt und auf eine Oberfläche des Kristalls 8 fokussiert.
Das elektrische Feld E ist durch Pfeile gekennzeichnet.
Das transmittierende Licht wird von einem weiteren Lichtwellenleiter
16 aufgenommen und zu dem Detektor 13 geführt. Der
Kristall 8 bildet eine fiberoptischen Sensor für die elektrische
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 dargestellt
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
Lichtquellenleitern 15/16 geklebt wird und gleichzeitig als
stabilisierernder 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/I₀ des fiberoptischen Sensors 8, 11
und der elektrischen Feldstärke E (Meßgröße) bzw. der Zeit
t. Die Empfindlichkeit des Kristallsensors 8 wird durch die
Kristallänge 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 berechneten
elektrischen Feldstärke aus der gemessenen Intensitätskurve
durch Vergleich gewahrt werden.). In der Simulation
(Fig. 7) ist die Antwort des Sensors 8 auf ein elektrisches
Feld, des sinusförmig von der Zeit abhängt, dargestellt.
Der Aufbau (Fig. 5) mit Polarisator 19 parallel zum Analysator
20 hat den Vorteil, daß die maximale Intensität I₀
automatisch mitgemessen wird und nicht separat bestimmt
werden muß, wie im Falle Polarisator 19 senkrecht zum Analysator
20, was für die Intensität I(t) eine quadratische
Sinusfunktion ergibt.
Der Sensor 8 (11) wird gemäß dieses Aufbaus in Transmission
betrieben; eine Anordnung in Reflexion wäre ebenfalls möglich
(wegen des komplexeren Aufbaus mit einem zusätzlichen
halbdurchlässigen Spiegel und damit verbundener Intensitätsreduzierung).
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 erprobt.
Obwohl der Sensor 8 (11) für wesentlich höhere elektrische
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 durchgezogene
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 ohmschen
Teilers gemessene Spannung.
Die mit Hilfe des Sensors 8 (11) ermittelte und die elektrisch
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 Streusalzkapazitäten und -induktivitäten. Sowohl das elektrische
(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 erwähnte
Abklingen. Das Amplitudenverhältnis der Überschwinger ist
ebenfalls verschieden. Diese Punkte lassen sich jedoch durch
die Neigung der elektrischen Sonden zum Differenzieren erklären;
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) verantwortlichen
Messungen eine ausreichende Zeitauflösung sicherzustellen
und die Signalerfassung ohne bandbreitenlimitierende
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 einen 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 Streakkamerasystems
ist, daß man bis zu 64 Signale gleichzeitig und
automatisch zeitkorreliert aufnehmen kann.
Werden nicht so hohe Anforderungen an das zeitliche Auflösungsvermögen
sowie die Bandbreite gestellt, können auch
wesentlich billigere bzw. einfachere Detektorsysteme Verwendung
finden.
In Tabelle 2 sind einige charakteristische Daten eines verwendeten
Sensorkristalls 8 aufgeführt. Als Kristallmaterial
eignet sich insbesondere Bi₄Ge₃O₁₂. Der
Zusatzkörper 11 kann z. B. aus Plexiglas bestehen. Kristall-
bzw. Zusatzkörperform, Materialien und Geometrien
hängen im wesentlichen von den Anforderungen an die Meßgenauigkeit
und vom Einsatzort des Sensors ab (Wasser, Öl
etc.).
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 10-12m/V |
L | Länge des Kristalls = 7,5 mm |
λ₀ | Wellenlänge der Lichtquelle = 633 mm |
E(t) | Betrag der elektrischen Feldstärke |
Claims (4)
1. Vorrichtung zur berührungslosen Messung statischer und/-
oder zeitlich veränderlicher elektrischer Felder unter
Ausnutzung des Pockeleffekts in einem optisch aktiven Kristall,
mit einem ersten Lichtwellenleiter, der polarisiertes Licht
zu dem Kristall führt, und mit einem zweiten Lichtwellenleiter,
der durch den Kristall transmittiertes oder von dem Kristall
reflektiertes Licht über einen Analysator zu einem Detektor
führt, dadurch gekennzeichnet,
- a) daß der Kristallsensor (8) mit einem weiteren Körper (11) mit wesentlich kleinerer Dielektrizitätskonstante als der Kristallsensor (8) kombiniert ist, und
- b) daß der Kristallsensor (8) und der Körper (11) sich an einem gemeinsamen Oberflächenteil berühren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
Form und dielektrizitätskonstante des Körpers (11) derart
ausgewählt sind, daß die elektrischen Feldlinien (E) den
Kristallsensor auf zwei sich gegenüberliegenden Außenflächen
(9,10) des Kristallsensors (8) stehen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
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 gekennzeichnet,
daß der Kristallsensor (8) aus einem Bi₄Ge₃O₁₂- oder
Bi₄Si₃O₁₂-Kristall und der Zusatzkörper (11) aus einem
Kunststoff besteht und daß beide Körper 8, 11) quaderförmig
ausgebildet sind.
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