DE4436454A1 - Optisches Meßverfahren und optische Meßvorrichtung zum Messen einer elektrischen Wechselspannung oder eines elektrischen Wechselfeldes mit Temperaturkompensation durch AC/DC-Trennung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer elektrischen Wechselspannung oder eines elektri­ schen Wechselfeldes. Unter einer Wechselspannung oder einem Wechselfeld wird dabei eine zeitlich veränderliche elektri­ sche Spannung bzw. ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld verstanden, deren jeweilige Frequenzspektra oberhalb einer vorbestimmten Grenzfrequenz liegen.

Es sind optische Meßverfahren und Meßvorrichtungen zum Messen elektrischer Spannungen und Felder bekannt, bei denen die Änderung der Polarisation von polarisiertem Meßlicht in Ab­ hängigkeit von der elektrischen Spannung oder dem elektri­ schen Feld infolge des elektrooptischen Pockels-Effekts aus­ gewertet wird. Unter dem elektrooptischen Pockels-Effekt ver­ steht man die Änderung der Polarisation von polarisiertem Meßlicht in einem den Pockels-Effekt aufweisenden Material infolge einer in dem Material induzierten linearen Doppelbre­ chung, die im wesentlichen über den elektrooptischen Koeffi­ zienten linear abhängig von einem das Material durchdringen­ den elektrischen Feld ist. Zum Messen eines elektrischen Fel­ des wird ein Pockels-Element aus einem den Pockels-Effekt zeigenden Material in dem elektrischen Feld angeordnet. Zum Messen einer elektrischen Spannung wird die zu messende Span­ nung an zwei dem Pockels-Element zugeordnete Elektroden ange­ legt und das entsprechende, anliegende elektrische Feld ge­ messen. Durch das Pockels-Element wird polarisiertes Meßlicht gesendet, und die Änderung der Polarisation des polarisierten Meßlichts in Abhängigkeit von der zu messenden Spannung oder dem zu messenden Feld wird mit Hilfe eines Polarisationsana­ lysators ausgewertet.

Aus der DE-C-34 04 608 ist eine Ausführungsform einer solchen Meßvorrichtung zum Messen der elektrischen Feldstärke be­ kannt. Eine im zu messenden elektrischen Feld angeordnete Sensoreinrichtung ist über einen ersten Lichtleiter mit einer Lichtquelle und über zwei weitere Lichtleiter mit einer Meß­ einrichtung optisch verbunden. Die Sensoreinrichtung besteht aus einer optischen Reihenschaltung einer ersten Linse, eines Polarisators, eines Viertelwellenlängenplättchens (λ/4- Plättchen), eines Pockels-Elements, eines polarisierenden Strahlteilers als Analysator und außerdem aus zwei dem Ana­ lysator zugeordneten weiteren Linsen. Das Licht der Licht­ quelle wird über den ersten Lichtleiter und die erste Linse dem Polarisator zugeführt und vom Polarisator linear polari­ siert. Das linear polarisierte Licht erfährt sodann in dem λ/4-Plättchen in einer Komponente eine Phasenverschiebung um π/2 und wird dadurch zirkular polarisiert. Dieses zirkular polarisierte Licht wird in das Pockels-Element eingekoppelt und durch das elektrische Feld im allgemeinen elliptisch po­ larisiert. Dieses elliptisch polarisierte Licht wird in dem Analysator in zwei linear polarisierte Lichtteilstrahlen A und B mit im allgemeinen senkrecht zueinander gerichteten Polarisationsebenen aufgespalten. Jedes dieser beiden Licht­ teilsignale A und B wird über eine der beiden weiteren Linsen in einen der beiden weiteren Lichtleiter eingekoppelt, zu einem zugehörigen photoelektrischen Wandler in der Meßein­ richtung übertragen und dort jeweils in ein elektrisches Si­ gnal PA und PB umgewandelt. Aus den beiden elektrischen Si­ gnalen PA und PB wird anschließend von einem Rechner der Meß­ einrichtung ein intensitätsnormiertes Meßsignal M = (PA-PB)/(PA+PB) abgeleitet. Dieses intensitätsnormierte Meßsignal M ist zum einen proportional zum Modulationsgrad als Maß für die elektrische Feldstärke und zum anderen weit­ gehend unabhängig von Intensitätsverlusten auf den Übertra­ gungswegen oder Intensitätsschwankungen der Lichtquelle. Der Modulationsgrad ist dabei als Verhältnis von Signal-Ausgangs­ wert zu Ruhe-Ausgangswert des Pockels-Elements definiert. Als Pockels-Element wird ein Kristall aus Bi₄Ge₃O₁₂ oder auch Bi₄Si₃O₁₂ mit Eulytin-Struktur verwendet, der keine optische Aktivität (intrinsische zirkulare Doppelbrechung) zeigt und eine nur relativ schwache Temperaturempfindlichkeit aufweist.

Ein Problem stellen Temperaturänderungen dar, die sich durch zusätzliche lineare Doppelbrechung in den optischen Materia­ lien des Pockels-Elements und der optischen Übertragungs­ strecken einschließlich des λ/4-Plättchens und Änderungen der Meßempfindlichkeit bemerkbar machen können. Ferner sind auch Intensitätsschwankungen des Meßlichts problematisch, weil sie die Meßergebnisse verfälschen. Intensitätsschwankungen können durch Änderungen in der Lichtstärke der Lichtquelle, durch Dämpfung in den optischen Übertragungsstrecken und durch li­ neare Doppelbrechung infolge mechanischer Spannungen, die beispielsweise durch Verbiegen oder Vibrationen hervorgerufen werden, verursacht werden. Die genannten Störeinflüsse führen zu einer unerwünschten Änderung des Arbeitspunktes und der Meßempfindlichkeit der Meßvorrichtung.

Aus der EP-A-0 486 226 ist eine Ausführungsform einer opti­ schen Meßvorrichtung zum Messen einer elektrischen Wechsel­ spannung bekannt, bei der Temperatureinflüsse kompensiert werden. Es ist eine optische Reihenschaltung aus einem Pola­ risator, einem λ/4-Plättchen, einem Pockels-Element und einem polarisierten Strahlteiler als Analysator optisch zwischen eine Lichtquelle und eine Auswerteeinheit geschaltet. Die Reihenfolge von λ/4-Plättchen und Pockels-Element in der op­ tischen Reihenschaltung kann allerdings auch vertauscht sein. Das Meßlicht der Lichtquelle wird in dem Polarisator linear polarisiert und nach Durchlaufen des Pockels-Elements in dem Analysator in zwei Lichtteilsignale A und B mit unterschied­ lichen Polarisationsebenen aufgespalten. Jedes dieser Licht­ teilsignale A und B wird in ein entsprechendes elektrisches Intensitätssignal PA bzw. PB umgewandelt. Sodann wird zur Intensitätsnormierung für jedes dieser beiden elektrischen Intensitätssignale PA und PB der Quotient QA = PA(AC)/PA(DC) bzw. QB = PB(AC)/PB(DC) aus seinem zugehörigen Wechselsi­ gnalanteil PA(AC) bzw. PB(AC) und seinem zugehörigen Gleich­ signalanteil PA(DC) bzw. PB(DC) gebildet. Aus den beiden in­ tensitätsnormierten Quotienten QA und QB wird nun in einer Recheneinheit ein Meßsignal M = 1/((α/QA)-((β/QB)) gebildet mit den reellen Konstanten α und β. Durch Anpassung dieser Konstanten α und β wird das Meßsignal M weitgehend unabhängig von durch Temperaturänderungen verursachter linearer Doppel­ brechung im λ/4-Plättchen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer elektrischen Wechsel­ spannung oder eines elektrischen Wechselfeldes anzugeben, bei denen Einflüsse von Temperaturänderungen auf das Meßsignal weitgehend kompensiert werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merk­ malen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 11. In eine unter dem Einfluß der elektrischen Wechselspannung oder des elek­ trischen Wechselfeldes stehende Pockels-Sensoreinrichtung mit einem Pockels-Element wird polarisiertes Meßlicht einge­ koppelt. Beim Durchlaufen des Pockels-Elements wird die Pola­ risation des Meßlichts in Abhängigkeit von der elektrischen Wechselspannung oder dem elektrischen Wechselfeld geändert. Nach wenigstens einmaligem Durchlaufen der Pockels-Sensorein­ richtung wird das Meßlicht von einem Analysator in zwei line­ ar polarisierte Lichtteilsignale mit unterschiedlichen Pola­ risationsebenen aufgeteilt. Anschließend werden diese beiden Lichtteilsignale jeweils in entsprechende elektrische Inten­ sitätssignale umgewandelt. Jedes dieser beiden elektrischen Intensitätssignale wird mit Hilfe von Filtern in einen Wech­ selsignalanteil und einen Gleichsignalanteil zerlegt. Aus wenigstens einem dieser beiden Wechselsignalanteile wird von ersten Auswertemitteln ein Auswertesignal gebildet, das alle Informationen über die gemessene Wechselspannung oder das gemessene Wechselfeld enthält, jedoch noch temperaturabhängig ist. Aus wenigstens einem der Gleichsignalanteile der beiden Intensitätssignale wird von zweiten Auswertemitteln ein Tem­ peratursignal hergeleitet, das ein eindeutiges Maß für die Temperatur im optischen System ist. Mit dem Temperatursignal wird von dritten Auswertemitteln die Temperaturabhängigkeit des Auswertesignals weitgehend beseitigt und ein weitgehend temperaturkompensiertes Meßsignal für die Wechselspannung oder das Wechselfeld hergeleitet.

Vorteilhafte Ausführungsformen des Meßverfahrens und der Meß­ vorrichtung ergeben sich aus den jeweils abhängigen Ansprü­ chen.

In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform wird ein Aus­ wertesignal ermittelt, das der Differenz der beiden Wechsel­ signalanteile entspricht. In einer anderen Ausführungsform wird das Auswertesignal als Quotient der beiden Wechselsi­ gnalanteile bestimmt. Außerdem kann in einer dritten Ausfüh­ rungsform einer der beiden Wechselsignalanteile als Auswerte­ signal herangezogen werden.

Das Temperatursignal kann entweder als Quotient aus der Dif­ ferenz und der Summe der beiden Gleichsignalanteile oder als Quotient aus einem der beiden Gleichsignalanteile und der Summe der beiden Gleichsignalanteile oder als eine Differenz oder ein Quotient der beiden Gleichsignalanteile bestimmt werden. Außerdem kann das Temperatursignal auch aus nur einem der Gleichsignalanteile abgeleitet werden.

Ein besonderer Vorteil gemäß der Erfindung besteht darin, daß ein aus dem Temperatursignal ableitbarer Temperaturmeßwert als Information über die Systemtemperatur an einem dafür vor­ gesehenen Ausgang der dritten Auswertemittel bereitgestellt werden kann.

Eine weitere Lösung der genannten Aufgabe ist mit den Merkma­ len des Anspruchs 9 bzw. 17 möglich. Dabei wird ein auf eine vorgegebene Polarisationsebene projizierter Lichtanteil des durch die Pockels-Sensoreinrichtung wenigstens einmal gelau­ fenen Meßlichts zur Polarisationsanalyse herangezogen (einkanalige Auswertung). Dazu wird das Meßlicht vorzugsweise einem Polarisationsfilter als Analysator mit einer entspre­ chend eingestellten Polarisationsebene zugeführt. Der ent­ sprechende Lichtanteil wird in ein elektrisches Intensitäts­ signal umgewandelt, das ein Maß für die Lichtintensität des Lichtanteils ist. Das Intensitätssignal wird in einen Wech­ selsignalanteil, der die Informationen über die Wechselspan­ nung oder das Wechselfeld enthält, und einen Gleichsignalan­ teil, der Informationen über die Temperatur enthält, aufge­ teilt. Aus dem Gleichsignalanteil wird ein Temperatursignal für die Systemtemperatur hergeleitet. Mit diesem Temperatur­ signal und dem Wechselsignalanteil wird, vorzugsweise mit Hilfe einer vorab ermittelten Wertetabelle oder Eichfunktion, ein weitgehend temperaturunabhängiges Meßsignal für die Wech­ selspannung oder das Wechselfeld ermittelt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren einziger Figur eine Vorrichtung zum Messen einer elektrischen Wechselspannung schematisch veran­ schaulicht ist.

Es ist ein Pockels-Element 3 vorgesehen, das unter dem Ein­ fluß der elektrischen Wechselspannung U die Polarisation von in das Pockels-Element 3 eingestrahltem polarisierten Meß­ licht in Abhängigkeit von der elektrischen Wechselspannung U ändert. Die zu messende Wechselspannung U ist über zwei Elek­ troden 35 und 36 an das Pockels-Element 3 anlegbar. In der dargestellten Ausführungsform wird die Wechselspannung U senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung des Meßlichts L an­ gelegt (transversale Ausführungsform). Die Wechselspannung U kann aber auch parallel zur Lichtausbreitungsrichtung ange­ legt werden (longitudinale Ausführungsform). In das Pockels- Element 3 wird polarisiertes Meßlicht L eingekoppelt. Die Vorrichtung kann in einer nicht dargestellten Ausführungsform auch zum Messen eines elektrischen Wechselfeldes verwendet werden, indem man das Pockels-Element 3 in dem Wechselfeld anordnet. Als Mittel zum Einkoppeln des Meßlichtes L in das Pockels-Element 3 sind eine Lichtquelle 4, beispielsweise eine Leuchtdiode, und ein Polarisator 5 zum linearen Polari­ sieren des Lichts der Lichtquelle 4 vorgesehen. Die Licht­ quelle 4 und der Polarisator 5 sind vorzugsweise über einen Lichtleiter 43, beispielsweise eine Multimode-Lichtfaser, optisch miteinander verbunden, können aber auch durch eine Freistrahlkopplung optisch miteinander gekoppelt sein. Zum Koppeln des Lichts aus dem Lichtleiter 43 in den Polarisator 5 ist vorzugsweise eine Kollimatorlinse (Grin-lens) 25 vorge­ sehen. Aus dem Polarisator 5 wird das nun linear polarisierte Meßlicht L in das Pockels-Element 3 eingekoppelt.

Das polarisierte Meßlicht L durchläuft das Pockels-Element 3 wenigstens einmal und erfährt dabei aufgrund des elektroopti­ schen Pockels-Effekts eine von der elektrischen Wechselspan­ nung U abhängige Änderung seiner Polarisation. Mach Durchlau­ fen des Pockels-Elements 3 wird das Meßlicht L über ein λ/4- Plättchen 6 dem Analysator 7 zugeführt. Das λ/4-Plättchen 6 verschiebt zwei in ihren elektrischen Feldvektoren im allge­ meinen senkrecht zueinander gerichtete Lichtanteile in ihrer Phase um ein Viertel der Wellenlänge λ gegeneinander. Das Pockels-Element 3 und das λ/4-Plättchen 6 bilden zusammen eine Pockels-Sensoreinrichtung. In dem Analysator 7 wird das Meßlicht L in zwei linear polarisierte Lichtteilsignale LS1 und LS2 zerlegt, deren Polarisationsebenen verschieden von­ einander sind. Vorzugsweise sind die Polarisationsebenen der beiden Lichtteilsignale LS1 und LS2 senkrecht zueinander gerichtet (orthogonale Zerlegung). Als Analysator 7 können ein polarisierender Strahlteiler, beispielsweise ein Wolla­ ston-Prisma, oder auch zwei um einen vorgegebenen Winkel, vorzugsweise 90°, gekreuzte Polarisationsfilter und ein vor­ geschalteter einfacher Strahlteiler vorgesehen sein. Der Analysator 7 und das λ/4-Plättchen 6 können wie dargestellt räumlich unmittelbar nebeneinander angeordnet sein oder auch über eine Freistrahlanordnung in räumlicher Entfernung zuein­ ander oder einen polarisationserhaltenden Lichtleiter optisch verbunden sein.

Der Arbeitspunkt der Meßvorrichtung wird vorzugsweise so ein­ gestellt, daß am Analysator 7 zirkular polarisiertes Meßlicht anliegt, wenn am Pockels-Element 3 keine elektrische Spannung oder kein elektrisches Feld anliegt. Die beiden Eigenachsen der linearen Doppelbrechung im Pockels-Element 3 sind in die­ sem Fall vom Meßlicht L "gleichmäßig ausgeleuchtet". Das be­ deutet, daß die auf die beiden Eigenachsen projizierten Kom­ ponenten des Meßlichts L jeweils die gleiche Intensität auf­ weisen. Im allgemeinen sind dann die beiden Lichtteilsignale LS1 und LS2 ebenfalls gleich stark in ihrer Intensität, und das intensitätsnormierte Signal P ist gleich Null für U = 0 V. Bei Anlegen einer Wechselspannung U ≠ 0 V an das Pockels-Element 3 werden die Komponenten des Meßlichts L entlang der elektrooptisch aktiven Eigenachsen der linearen Doppelbrechung des Pockels-Elements 3 in ihrer Intensität in Abhängigkeit von der Wechselspannung U geändert.

Die beiden Lichtteilsignale LS1 und LS2 des Analysator 7 wer­ den vorzugsweise über jeweils eine Kollimatorlinse 71 bzw. 72 in jeweils einen Lichtleiter 75 bzw. 76 eingekoppelt und über diesen Lichtleiter 75 bzw. 76 jeweils einem photoelektrischen Wandler 12 bzw. 22 zugeführt. Als Wandler 12 und 22 können beispielsweise in Verstärkerkreise geschaltete Photodioden vorgesehen sein. In den Wandlern 12 und 22 werden die beiden Lichtteilsignale LS1 und LS2 jeweils in ein elektrisches In­ tensitätssignal S1 bzw. S2 umgewandelt, das ein Maß für die Intensität des zugehörigen Lichtteilsignals LS1 bzw. LS2 ist.

Die Übertragung der beiden Lichtteilsignale LS1 und LS2 vom Analysator 7 zu dem jeweils zugehörigen Wandler 12 bzw. 22 kann auch über eine Freistrahlanordnung erfolgen.

Anstelle der in der Figur dargestellten optischen Reihen­ schaltung des Polarisators 5, des Pockels-Elements 3, des λ/4-Plättchens 6 und des Analysators 7 kann auch eine opti­ sche Reihenschaltung aus dem Polarisator 5, dem λ/4-Plättchen 6, dem Pockels-Element 3 und dem Analysator 7 vorgesehen sein, also die Reihenfolge des λ/4-Plättchens 6 und des Pockels-Elements 3 gerade vertauscht sein. In diesem Fall wird das Meßlicht L vor dem Einkoppeln in das Pockels-Element 3 zirkular polarisiert. Das Pockels-Element 3 und der Analy­ sator 7 können in diesem Fall über eine Freistrahlanordnung, insbesondere in unmittelbarem räumlichem Kontakt, oder auch über einen polarisationserhaltenden Lichtleiter, vorzugsweise eine Monomode-Lichtfaser wie beispielsweise eine HiBi(High Birefringence)-Faser oder eine polarisationsneutrale LoBi(Low Birefringence)-Faser, optisch miteinander verbunden sein.

Außerdem können anstelle der Lichtquelle 4 und des Polarisa­ tors 5 auch eine Lichtquelle zum Senden linear polarisierten Lichts wie beispielsweise eine Laserdiode und gegebenenfalls zusätzliche, nicht dargestellte polarisierende Mittel vorge­ sehen sein zum Einkoppeln von polarisiertem Meßlicht L in das Pockels-Element 3 bzw. das λ/4-Plättchen 6. Der Lichtleiter 43 ist dann vorzugsweise ein polarisationserhaltender Licht­ leiter.

In jedem Fall ist die das Pockels-Element 3 und das λ/4- Plättchen 6 umfassende Pockels-Sensoreinrichtung optisch zwi­ schen die Mittel zum Einkoppeln von polarisiertem Meßlicht L und den Analysator 7 geschaltet.

Ein Problem bereiten nun Änderungen der Temperatur und die damit verbundene Verschiebung des Arbeitspunktes und Änderung der Meßempfindlichkeit der Meßvorrichtung. Insbesondere die temperaturinduzierte lineare Doppelbrechung in den optischen Materialien der optischen Meßvorrichtung, insbesondere des Pockels-Elements 3 oder auch des λ/4-Plättchens 6 führt zu Meßfehlern. Die temperaturinduzierten Meßfehler werden nun durch im folgenden beschriebene Maßnahmen zur Temperaturkom­ pensation weitgehend kompensiert.

Zur Temperaturkompensation werden die beiden Intensitätssi­ gnale S1 und S2 zunächst jeweils in einen Wechselsignalanteil A1 bzw. A2 und einen Gleichsignalanteil D1 bzw. D2 zerlegt. Die Wechselsignalanteile A1 und A2 enthalten die Informatio­ nen über die Wechselspannung U. Zum Zerlegen der Intensitäts­ signale S1 und S2 in ihre jeweiligen Wechselsignalanteile A1 bzw. A2 und Gleichsignalanteile D1 bzw. D2 sind in der darge­ stellten Ausführungsform zwei Tiefpaßfilter 10 und 20 und zwei Hochpaßfilter 11 und 21 vorgesehen. Die Eingänge des ersten Tiefpaßfilters 10 und des ersten Hochpaßfilters 11 sind jeweils mit dem Ausgang des Wandlers 12 elektrisch ver­ bunden, und die Eingänge des zweiten Tiefpaßfilters 20 und des zweiten Hochpaßfilters 21 sind jeweils mit dem Ausgang des Wandlers 22 elektrisch verbunden. Die Tiefpaßfilter 10 und 20 lassen nur die Gleichsignalanteile (DC-Signale) D1 bzw. D2 und die Hochpaßfilter 11 und 21 nur die Wechselsi­ gnalanteile (AC-Signale) A1 bzw. A2 der Intensitätssignale S1 bzw. S2 durch, die dann jeweils an einem Ausgang der Filter abgegriffen werden können. In einer nicht dargestellten Aus­ führungsform können die Wechselsignalanteile A1 und A2 auch, beispielsweise mit Hilfe eines analogen Subtrahierers, durch Subtraktion der Gleichsignalanteile D1 und D2 von den Inten­ sitätssignalen S1 und S2 erhalten werden, da S1=A1+D1 und S2=A2+D2 gilt. Umgekehrt können auch erst die Wechselsi­ gnalanteile A1 und A2 mit Hilfe von Filtern erhalten werden und dann die Gleichsignalanteile D1 und D2 durch Subtraktion der Wechselsignalanteile A1 und A2 von den Intensitätssigna­ len S1 und S2 bestimmt werden. Die Trennfrequenzen der Filter 10, 11, 20 und 21 sind so eingestellt, daß die Wechselsignalan­ teile A1 und A2 alle Informationen, also insbesondere das gesamte Frequenzspektrum, über die zu messenden Wechselspan­ nungen U oder Wechselfelder enthalten.

Wenigstens ein und vorzugsweise beide Wechselsignalanteile A1 und A2 werden ersten Auswertemitteln 31 und wenigstens ein und vorzugsweise beide Gleichsignalanteile D1 und D2 zweiten Auswertemitteln 30 zugeführt. Die ersten Auswertemittel 31 sind dazu in der dargestellten Ausführungsform mit den beiden Hochpaßfiltern 11 und 21 und die zweiten Auswertemittel 30 mit den beiden Tiefpaßfiltern 10 und 20 jeweils elektrisch verbunden. Die ersten Auswertemittel 31 bilden aus wenigstens einem Wechselsignalanteil A1 oder A2 und vorzugsweise aus beiden Wechselsignalanteilen A1 und A2 ein Auswertesignal S, das von der am Pockels-Element 3 anliegenden Wechselspannung U oder einem Wechselfeld abhängt, jedoch im allgemeinen auch temperaturabhängig ist. Die zweiten Auswertemittel 30 leiten aus mindestens einem der beiden Gleichsignalanteile D1 oder D2 und vorzugsweise aus beiden Gleichsignalanteilen D1 und D2 ein Temperatursignal T ab, das ein Maß für die Temperatur des optischen Systems ist.

Das Auswertesignal S kann als eine Differenz A1-A2 oder A2-A1 der beiden Wechselsignalanteile A1 und A2 oder auch als ein Quotient A1/A2 oder A2/A1 der beiden Wechselsignalanteile A1 und A2 bestimmt werden. In einer einfachen Ausführungsform kann als Auswertesignal S auch unmittelbar einer der beiden Wechselsignalanteile A1 oder A2 herangezogen werden.

Das Temperatursignal T kann als Quotient (D1-D2)/(D1+D2) aus einer Differenz und der Summe der beiden Gleichsignalanteile D1 und D2 oder als Quotient D1/(D1+D2) oder D2/(D1+D2) aus einem der beiden Gleichsignalanteile D1 oder D2 und der Summe der beiden Gleichsignalanteile D1 und D2 ermittelt werden. Alternativ dazu kann auch ein Temperatursignal T abgeleitet werden, das einer Differenz D1-D2 oder D2-D1 oder einem Quo­ tienten D1/D2 oder D2/D1 der beiden Gleichsignalanteile D1 und D2 entspricht. In einer einfachen Ausführungsform kann auch einer der beiden Gleichsignalanteile D1 oder D2 allein als Temperatursignal T herangezogen werden. Alle diese Tempe­ ratursignale T sind eindeutig von der Temperatur in einem vorgegebenen Temperaturbereich abhängig.

Zur Berechnung des Auswertesignals S und des Temperatursi­ gnals T können die ersten und zweiten Auswertemittel 31 und 32 analoge arithmetische Bausteine oder Analog/Digital-Wand­ ler zum Digitalisieren der Wechselsignalanteile A1 und A2 bzw. der Gleichsignalanteile D1 und D2 und digitale Rechen­ einheiten wie digitale Signalprozessoren (DSP) oder Mikropro­ zessoren enthalten.

Ferner sind dritte Auswertemittel 32 vorgesehen, die mit den ersten Auswertemitteln 31 und den zweiten Auswertemitteln 30 jeweils elektrisch verbunden sind. Die dritten Auswertemittel 32 leiten aus dem noch temperaturabhängigen Auswertesignal S mit Hilfe des Temperatursignals T ein weitgehend temperatu­ runabhängiges Meßsignal M für die Wechselspannung U her, das an einem Ausgang 32A der dritten Auswertemittel 32 ansteht. Dazu enthalten die dritten Auswertemittel 32 vorzugsweise eine in wenigstens einem Speicher gespeicherte Wertetabelle oder Eichfunktion, die jeweils experimentell ermittelt oder theoretisch durch Funktionsfitting angenähert wurde und einem Wertepaar eines aktuellen Auswertesignals S und eines aktuellen Temperatursignals T ein Meßsignal M als Funktionswert zuordnet, sowie vorzugsweise digitale Mittel zum Vergleichen der aktuellen mit den gespeicherten Werten.

In einer vorteilhaften Ausführungsform leiten die dritten Auswertemittel 32, beispielsweise mit Hilfe einer weiteren Wertetabelle oder Eichkurve, aus dem Temperatursignal T einen Temperaturmeßwert TX her, der der aktuellen Temperatur im optischen System, insbesondere der Pockels-Sensoreinrichtung, entspricht. Dieser Temperaturmeßwert TX wird an einem weite­ ren Ausgang 32B der dritten Auswertemittel bereitgestellt.

Eine Temperaturkompensation gemäß der Erfindung ist in einer nicht dargestellten Ausführungsform auch möglich, wenn der Polarisationszustand des Meßlichts nach wenigstens einmaligem Durchlaufen der Pockels-Sensoreinrichtung nicht mit Hilfe einer Zerlegung in zwei unterschiedlich linear polarisierte Lichtteilsignale, sondern durch Herausfiltern nur eines, auf eine vorgegebene Polarisationsebene projizierten, linearen Lichtanteils analysiert wird. Als Analysator kann ein Polari­ sationsfilter mit einer entsprechend eingestellten Polarisa­ tionsebene vorgesehen sein. Der vom Analysator herausgefilter­ te projizierte Lichtanteil wird von einem photoelektrischen Wandler in ein elektrisches Intensitätssignal als Maß für die Lichtintensität des Lichtanteils umgewandelt. Dieses Intensi­ tätssignal wird beispielsweise mit Hilfe eines Filters in einen Wechselsignalanteil und einen Gleichsignalanteil zer­ legt. Der Wechselsignalanteil enthält dabei das gesamte Fre­ quenzspektrum der zu messenden Wechselspannung bzw. des Wech­ selfeldes und ist noch temperaturabhängig. Der Gleichsi­ gnalanteil ist dagegen unabhängig von der Wechselspannung bzw. dem Wechselfeld und zugleich ein eindeutiges Maß für die Temperatur in einem vorbestimmten Temperaturbereich. Aus dem Gleichsignalanteil wird deshalb ein Temperatursignal herge­ leitet, mit dem die Temperaturabhängigkeit des Wechselsi­ gnalanteils weitgehend beseitigt wird. Das Temperatursignal kann insbesondere gleich dem Gleichsignalanteil selbst sein. Aus dem Temperatursignal und dem Wechselsignalanteil wird vorzugsweise mit Hilfe einer Wertetabelle oder einer Eich­ funktion ein weitgehend temperaturkompensiertes Meßsignal für die Wechselspannung bzw. das Wechselfeld abgeleitet. Die Wertetabelle oder Eichfunktion ordnet dem Wertepaar aus Tem­ peratursignal und Wechselsignalanteil einen zugehörigen Meß­ signalwert zu und kann experimentell durch Eichmessungen oder auch durch theoretische Annäherung durch eine Fit-Funktion ermittelt sein.

Die vorbeschriebenen Ausführungsformen des Temperaturkompen­ sationsverfahrens gemäß der Erfindung sind auch für an sich bekannte magnetooptische Meßverfahren und Meßvorrichtungen zum Messen eines elektrischen Wechselstromes unter Ausnutzung des Faraday-Effekts geeignet. Bei solchen Verfahren und Vor­ richtungen wird linear polarisiertes Meßlicht durch eine einem Stromleiter zugeordnete Faraday-Sensoreinrichtung ge­ schickt, und beim Durchlaufen der Faraday-Sensoreinrichtung wird die Polarisationsebene des Meßlichts in Abhängigkeit von einem Strom in dem Stromleiter durch das von diesem Strom erzeugte Magnetfeld gedreht. Diese Drehung der Polarisations­ ebene wird mit einem Polarisationsanalysator analysiert. Dazu wird das Meßlicht nach wenigstens einmaligem Durchlaufen der Faraday-Sensoreinrichtung aus der Faraday-Sensoreinrichtung ausgekoppelt und mittels eines Analysators bezüglich seines Polarisationszustandes analysiert. Als Analysator können wieder Mittel zum Zerlegen des Meßlichts in zwei linear pola­ risierte Lichtteilsignale (zweikanalige Auswertung), bei­ spielsweise ein Wollaston-Prisma, oder ein Polarisationsfil­ ter (einkanalige Auswertung) vorgesehen sein. Mit den erhal­ tenen Lichtteilsignalen bzw. dem projizierten Lichtanteil wird nun in gleicher Weise verfahren wie mit den beiden Lichtteilsignalen LS1 und LS2 bzw. dem projizierten Lichtan­ teil bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen zur Span­ nungsmessung. Zunächst werden die beiden Lichtteilsignale bzw. der projizierte Lichtanteil also jeweils photoelektrisch in ein elektrisches Intensitätssignal umgewandelt, und dann werden die zugehörigen beiden Intensitätssignale bzw. das eine zugehörige Intensitätssignal jeweils in ihren Wechselsi­ gnalanteil und ihren Gleichsignalanteil zerlegt. Aus wenig­ stens einem der beiden Wechselsignalanteile bzw. dem Wechsel­ signalanteil wird ein noch temperaturabhängiges Auswertesi­ gnal für den Wechselstrom hergeleitet. Zugleich wird ein Temperatursignal für die Temperatur T aus wenigstens einem der beiden Gleichsignalanteile bzw. dem Gleichsignalanteil hergeleitet. Mit diesem Temperatursignal wird die Temperatur­ abhängigkeit des Auswertesignals bzw. des Wechselsignalan­ teils als Auswertesignal für den Wechselstrom beseitigt und ein weitgehend temperaturunabhängiges Meßsignal für den Wech­ selstrom ermittelt. Zum Ableiten des Temperatursignals aus den entsprechenden Gleichsignalanteilen, dem Auswertesignal als vorläufigem Meßsignal aus den entsprechenden Wechselsi­ gnalanteilen und dem temperaturkompensierten Meßsignal aus dem Auswertesignal und dem Temperatursignal können alle vorne für die Messung einer Wechselspannung oder eines Wechselfel­ des beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden.

Claims (18)

1. Verfahren zum Messen einer elektrischen Wechselspannung (U) oder eines elektrischen Wechselfeldes unter Ausnutzung des Pockels-Effekts mit folgenden Merkmalen:

• a) Es wird polarisiertes Meßlicht (L) in eine unter dem Einfluß der elektrischen Wechselspannung (U) oder des elektrischen Wechselfeldes stehende Pockels-Sensorein­ richtung mit wenigstens einem Pockels-Element (3) einge­ koppelt;
• b) das Meßlicht (L) wird nach wenigstens einmaligem Durch­ laufen der Pockels-Sensoreinrichtung von einem Analysator (7) in zwei linear polarisierte Lichtteilsignale (LS1, LS2) mit unterschiedlichen Polarisationsebenen aufgeteilt;
• c) die beiden Lichtteilsignale (LS1, LS2) werden jeweils in ein elektrisches Intensitätssignal (S1, S2) umgewandelt, das ein Maß für die Lichtintensität des zugehörigen Lichtteilsignals (LS1, LS2) ist;
• d) jedes der beiden elektrischen Intensitätssignale (S1, S2) wird in einen Wechselsignalanteil (A1, A2) und einen Gleichsignalanteil (D1, D2) zerlegt;
• e) aus wenigstens einem der beiden Wechselsignalanteile (A1, A2) der beiden Intensitätssignale (S1, S2) wird ein Auswertesignal (S) abgeleitet, das von der Wechselspannung oder dem Wechselfeld abhängt;
• f) aus wenigstens einem der Gleichsignalanteile (D1, D2) der beiden Intensitätsignale (S1, S2) wird ein Temperatursignal (T) abgeleitet, das ein eindeutiges Maß für die Temperatur ist;
• g) aus dem Auswertesignal (S) und dem Temperatursignal (T) wird ein weitgehend temperaturunabhängiges Meßsignal (M) für die elektrische Wechselspannung (U) oder das elektrische Wechselfeld ermittelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Temperatursignal (T) dem Quotienten (D1/(D1+D2), D2/(D1+D2), (D1-D2)/(D1+D2)) aus einem der beiden Gleichsignalanteile (D1, D2) oder einer Differenz der beiden beiden Gleichsignalanteile (D1, D2) einerseits und der Summe der beiden Gleichsignalanteile (D1, D2) andererseits entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Temperatursignal (T) eine Differenz (D1-D2) der beiden Gleichsignalanteile (D1 und D2) herangezogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Temperatursignal (T) ein Quotient (D1/D2) der beiden Gleichsignalanteile (D1 und D2) herangezogen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Temperatursignal (T) einer der beiden Gleichsignalanteile (D1 oder D2) herangezogen wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Auswertesignal (S) einem der beiden Wechselsignalanteile (A1 oder A2) entspricht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Auswertesignal (S) einer Differenz (A1-A2) der beiden Wechselsignalanteile (A1, A2) entspricht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Auswertesignal (S) einem Quotienten (A1/A2) der beiden Wechselsignalanteile (A1, A2) entspricht.

9. Verfahren zum Messen einer elektrischen Wechselspannung (U) oder eines elektrischen Wechselfeldes unter Ausnutzung des Pockels-Effekts mit folgenden Merkmalen:

• a) Es wird polarisiertes Meßlicht in eine unter dem Einfluß der elektrischen Wechselspannung oder des elektrischen Wechselfeldes stehende Pockels- Sensoreinrichtung mit wenigstens einem Pockels-Element eingekoppelt;
• b) das Meßlicht wird nach wenigstens einmaligem Durchlaufen der Pockels-Sensoreinrichtung einem Analysator zugeführt, der einen auf eine vorgegebene Polarisationsebene des Analysators projizierten Lichtanteil des Meßlichts ermittelt;
• c) dieser Lichtanteil des Meßlichts wird in ein elektrisches Intensitätssignal umgewandelt, das ein Maß für die Lichtintensität des Lichtanteils ist;
• d) dieses elektrische Intensitätssignal wird in einen Wechselsignalanteil und einen Gleichsignalanteil zerlegt;
• e) aus dem Gleichsignalanteil wird ein Temperatursignal abgeleitet, das ein eindeutiges Maß für die Temperatur ist;
• f) aus dem Wechselsignalanteil als Auswertesignal und dem Temperatursignal wird ein weitgehend temperaturunab­ hängiges Meßsignal für die elektrische Wechselspannung oder das elektrische Wechselfeld ermittelt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Meßsignal (M) aus dem Auswertesignal (S) und dem Temperatursignal (T) mit Hilfe einer vorab ermittelten Wertetabelle oder Eichkurve ermittelt wird.

11. Vorrichtung zum Messen einer elektrischen Wechselspannung (U) oder eines elektrischen Wechselfeldes mit

• a) Mitteln (4, 34) zum Einkoppeln von polarisiertem Meßlicht (L) in eine unter dem Einfluß der Wechselspannung (U) oder des Wechselfeldes stehende Pockels-Sensoreinrichtung mit wenigstens einem Pockels-Element (3), das die Polarisation des Meßlichts (L) in Abhängigkeit von der Wechselspannung (U) oder dem Wechselfeld ändert,
• b) einem Analysator (7) zum Aufteilen des Meßlichts (L) nach wenigstens einmaligem Durchlaufen der Pockels-Sensorein­ richtung in zwei linear polarisierte Lichtteilsignale (LS1, LS2) mit unterschiedlichen Polarisationsebenen,
• c) photoelektrischen Wandlern (12, 22) zum Umwandeln der beiden Lichtteilsignale (LS1, LS2) in jeweils ein elektrisches Intensitätssignal (S1, S2), das ein Maß für die Intensität des zugehörigen Lichtteilsignals (LS1, LS2) ist,
• d) Mitteln (10, 11, 20, 21) zum Zerlegen der beiden Intensitätssignale (S1, S2) in jeweils einen Wechselsignalanteil (A1, A2) und einen Gleichsignalanteil (D1, D2)
• e) ersten Auswertemitteln (31) zum Ableiten eines Auswertesignals (S), das von der Wechselspannung oder dem Wechselfeld abhängt, aus wenigstens einem der beiden Wechselsignalanteile (A1, A2);
• e) zweiten Auswertemitteln (30) zum Ableiten eines Temperatursignals (T), das ein eindeutiges Maß für die Temperatur ist, aus wenigstens einem der beiden Gleichsignalanteile (D1, D2);
• f) dritten Auswertemitteln (32) zum Ermitteln eines weitgehend temperaturunabhängigen Meßsignals (M) für die elektrische Wechselspannung (U) oder das elektrische Wechselfeld aus dem Auswertesignal (S) und dem Temperatursignal (T).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die dritten Auswertemittel (32) aus dem Temperatursignal (T) einen Temperaturmeßwert (TX) ermitteln, der an einem Ausgang (3 OB) der dritten Auswertemittel (32) abgreifbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, bei der die zweiten Auswertemittel (30) das Temperatursignal (T) als Quotient ((D1-D2)/(D1+D2), D1/(D1+D2), D2/(D1+D2)) aus einem der beiden Gleichsignalanteile (D1, D2) oder einer Differenz der beiden Gleichsignalanteile (D1, D2) und der Summe der beiden beiden Gleichsignalanteile (D1, D2) ableiten.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, bei der die zweiten Auswertemittel (30) als Temperatursignal (T) eine Differenz (D1-D2) oder einen Quotienten (D1/D2) der beiden Gleichsignalanteile (D1 und D2) ableiten.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei der die ersten Auswertemittel (31) als Auswertesignal (S) einen der beiden Wechselsignalanteile (A1 oder A2) heranziehen.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem die ersten Auswertemittel (31) als Auswertesignal (S) eine Differenz (A1-A2) oder einen Quotienten (A1/A2) der beiden Wechselsignalanteile (A1, A2) ableiten.

17. Vorrichtung zum Messen einer elektrischen Wechselspannung oder eines elektrischen Wechselfeldes mit

• a) Mitteln zum Einkoppeln von polarisiertem Meßlicht in eine unter dem Einfluß der Wechselspannung oder des Wechselfeldes stehende Pockels-Sensoreinrichtung mit wenigstens einem Pockels-Element, das die Polarisation des Meßlichts in Abhängigkeit von der Wechselspannung oder dem Wechselfeld ändert,
• b) einem Analysator, der aus dem wenigstens einmal durch die Pockels-Sensoreinrichtung gelaufenen Meßlicht einen auf eine vorgegebene Polarisationsebene des Analysators projizierten, linear polarisierten Lichtanteil auskoppelt;
• c) einem photoelektrischen Wandler zum Umwandeln des ausgekoppelten Lichtanteils des Meßlichts in ein elektrisches Intensitätssignal, das ein Maß für die Lichtintensität des Lichtanteils ist;
• d) Mitteln zum Zerlegen des elektrischen Intensitätssignals in einen Wechselsignalanteil und einen Gleichsignalanteil;
• e) Mitteln zum Ableiten eines Temperatursignals für die Temperatur aus dem Gleichsignalanteil;
• f) Mitteln zum Ermitteln eines weitgehend temperaturunab­ hängigen Meßsignals für die elektrische Wechselspannung oder das elektrische Wechselfeld aus dem Wechselsignalanteil als Auswertesignal und dem Temperatursignal.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei der die dritten Auswertemittel (32) bzw. Mittel zum Ermitteln des Meßsignals (M) eine gespeicherte Wertetabelle oder Eichkurve enthalten.