DE4443948A1 - Verfahren und Anordnung zum Messen eines Magnetfeldes mit zwei gegenläufigen Lichtsignalen unter Ausnutzung des Faraday-Effekts mit Kompensation von Intensitätsänderungen - Google Patents
Verfahren und Anordnung zum Messen eines Magnetfeldes mit zwei gegenläufigen Lichtsignalen unter Ausnutzung des Faraday-Effekts mit Kompensation von IntensitätsänderungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum
Messen eines Magnetfeldes.
Es sind optische Meßanordnungen und Meßverfahren zum Messen
eines Magnetfeldes unter Ausnutzung des magnetooptischen
Faraday-Effekts bekannt. Unter dem Faraday-Effekt versteht
man die Drehung der Polarisationsebene von linear polarisier
tem Licht in Abhängigkeit von einem Magnetfeld. Der Drehwin
kel ist aber proportional zum Wegintegral über das Magnetfeld
entlang des von dem Licht zurückgelegten Weges mit der soge
nannten Verdet-Konstanten als Proportionalitätskonstante. Die
Verdet-Konstante ist im allgemeinen material-, temperatur-
und wellenlängenabhängig. Zum Messen des Magnetfeldes wird
eine Faraday-Sensoreinrichtung aus einem optisch transparen
ten Material wie beispielsweise Glas in dem Magnetfeld ange
ordnet. Das Magnetfeld bewirkt eine Drehung der Polarisati
onsebene von durch die Faraday-Sensoreinrichtung gesendetem
linear polarisiertem Licht um einen Drehwinkel, die für ein
Meßsignal ausgewertet werden kann. Eine bekannte Anwendung
finden solche magnetooptischen Meßverfahren und Meßanordnun
gen beim Messen elektrischer Ströme. Die Faraday-Sensorein
richtung wird dazu in der Nähe eines Stromleiters angeordnet
und erfaßt das von einem Strom in dem Stromleiter erzeugte
Magnetfeld. Im allgemeinen umgibt die Faraday-Sensoreinrich
tung den Stromleiter, so daß das Meßlicht den Stromleiter in
einem geschlossenen Weg umläuft. Der Betrag des Drehwinkels
ist in diesem Fall in guter Näherung direkt proportional zur
Amplitude des zu messenden Stromes. Die Faraday-Sensorein
richtung kann als massiver Glasring um den Stromleiter ausge
bildet sein oder auch den Stromleiter in Form einer Meßwick
lung aus einer lichtleitenden Faser (Faserspule) mit wenig
stens einer Windung umgeben.
Vorteile dieser magnetooptischen Meßanordnungen und Meßver
fahren gegenüber herkömmlichen induktiven Stromwandlern sind
die Potentialtrennung und die Unempfindlichkeit gegenüber
elektromagnetischen Störungen. Probleme bereiten bei dem
Einsatz von magnetooptischen Stromwandlern jedoch Einflüsse
von mechanischen Vibrationen auf die Sensoreinrichtung und
die optischen Zuleitungen, die zu die Messung verfälschenden
Intensitätsänderungen führen können.
Um Vibrationseinflüsse auf die Messung zu reduzieren, ist
bekannt, zwei gegenläufige, d. h. in entgegengesetzten Rich
tungen sich ausbreitende, Lichtsignale durch eine Faraday-
Sensoreinrichtung zu senden. Dieser bekannten Maßnahme liegt
der Gedanke zugrunde, daß die von den beiden Lichtsignalen
auf ihrem gemeinsamen Lichtweg erfahrene lineare Doppelbre
chung infolge von Vibrationen als reziproker Effekt von dem
nicht-reziproken Faraday-Effekt durch geeignete Signalverar
beitung unterschieden werden kann.
In einer ersten bekannten Ausführungsform werden zwei gegen
läufige, linear polarisierte Lichtsignale durch eine optische
Faserspule als Faraday-Sensoreinrichtung gesendet, die einen
Stromleiter umgibt. Nach Durchlaufen der Sensoreinrichtung
wird jedes der beiden Lichtsignale von einem polarisierenden
Strahlteiler in zwei senkrecht zueinander polarisierte An
teile zerlegt. Mit den insgesamt vier Lichtanteilen wird von
einer Signalverarbeitung ein Meßsignal für einen elektrischen
Strom in dem Stromleiter abgeleitet. Die optische Faser weist
neben dem Faraday-Effekt auch eine im Vergleich zum Faraday-
Effekt hohe zirkulare Doppelbrechung auf, die als Eichgröße
für ein Temperaturkompensationsverfahren verwendet wird. Als
optische Faser ist eine mechanisch tordierte Faser (Twisted
fibre) oder eine während des Ziehprozesses tordierte Faser
mit einer hohen linearen Doppelbrechung (Spun-HiBi-fibre)
vorgesehen. Die beiden gegenläufigen Lichtsignale durchlaufen
in dieser bekannten Ausführungsform nur die Faraday-Sen
soreinrichtung auf einem gemeinsamen Lichtweg und werden beim
Austritt aus der Faraday-Sensoreinrichtung wieder durch
optische Koppler voneinander getrennt (WO 92/13280).
In zwei weiteren bekannten Ausführungsformen durchlaufen zwei
Lichtsignale eine optische Reihenschaltung aus einer ersten
Lichtleitfaser, einem ersten Polarisator, einer Faraday-Sen
soreinrichtung, einem zweiten Polarisator und einer zweiten
Lichtleitfaser in zueinander entgegengesetztem Umlaufsinn.
Beide Lichtsignale werden nach Durchlaufen der optischen Rei
henschaltung von entsprechenden photoelektrischen Wandlern in
jeweils ein elektrisches Intensitätssignal umgewandelt.
Bei der ersten, aus der US 4,916,387 bekannten Ausführungs
form ist als Faraday-Sensoreinrichtung ein massiver Glasring
vorgesehen, der den Stromleiter umgibt. Die Polarisations
achsen der beiden Polarisatoren sind um einen Winkel von 450
zueinander gedreht. Zur Kompensation von unerwünschten Inten
sitätsänderungen in den optischen Zuleitfasern wird bei die
sem aus US 4,916,387 bekannten Meßsystem davon ausgegangen,
daß sich die unerwünschten Intensitätsänderungen (noise) und
die Intensitätsänderungen aufgrund des Faraday-Effekts addi
tiv überlagern mit unterschiedlichen Vorzeichen in den beiden
elektrischen Intensitätssignalen und damit voneinander ge
trennt werden können. Eine genauere physikalische Betrachtung
führt jedoch zu dem Ergebnis, daß mechanischen Bewegungen der
beiden Lichtleitfasern zum Übertragen der beiden Lichtsignale
sich im wesentlichen als zeitlich veränderliche
Dämpfungsfaktoren in den Lichtintensitäten der beiden Licht
signale auswirken. Wie solche unterschiedlichen Dämpfungsfak
toren in den beiden Lichtleitfasern ausgeglichen werden kön
nen, geht aus der US 4,916,387 nicht hervor.
Bei der zweiten, aus Journal of Lightwave Technology, Vol. 12.
No. 10, October 1994, Seiten 1882 bis 1890 bekannten Ausfüh
rungsform ist eine Faserspule aus einer Single-Mode-Faser mit
einer niedrigen Doppelbrechung als Faraday-Sensoreinrichtung
vorgesehen. Die Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren
schließen einen von 0° verschiedenen Polarisatorwinkel mit
einander ein, der vorzugsweise 45° beträgt. Licht einer ein
zigen Lichtquelle wird in die zwei Lichtsignale aufgeteilt,
und diese Lichtsignale werden jeweils über einen optischen
Koppler in die zugeordnete Lichtleitfaser eingekoppelt. Aus
den beiden elektrischen Intensitätssignalen, die den Licht
intensitäten der zugeordneten Lichtsignale nach Durchlaufen
der Reihenschaltung entsprechen, wird ein Meßsignal abgelei
tet, das dem Quotienten aus der Differenz und der Summe der
beiden Intensitätssignale entspricht. Damit können die Dämp
fungsfaktoren der beiden Lichtleitfasern im wesentlichen kom
pensiert werden. Die Lichtintensitäten der beiden Licht
signale beim Einkoppeln in die Reihenschaltung müssen aller
dings genau gleich eingestellt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren
und eine Meßanordnung zum Messen eines Magnetfeldes und ins
besondere zum Messen eines elektrischen Stromes durch Messen
dessen Magnetfeldes anzugeben, bei denen Intensitätsänderun
gen in den optischen Übertragungsstrecken für zwei gegenläu
fige Lichtsignale praktisch vollständig eliminiert sind.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkma
len des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 4. Zwei Lichtsignale
durchlaufen eine optische Reihenschaltung aus einer ersten
optischen Übertragungsstrecke, einem ersten Polarisator,
einer Faraday-Sensoreinrichtung, einem zweiten Polarisator
und einer zweiten optischen Übertragungsstrecke in zueinander
entgegengesetzten Durchlaufrichtungen. Als Meßsignal für das
Magnetfeld wird ein zu einem Quotienten aus den beiden Licht
intensitäten der beiden Lichtsignale jeweils nach deren
Durchlaufen der optischen Reihenschaltung proportionales
Signal gebildet. Dieses Meßsignal ist im wesentlichen unab
hängig von Intensitätsänderungen in den beiden Übertragungs
strecken. Zum Herleiten des Meßsignals sind entsprechende
Auswertemittel vorgesehen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfah
rens und der Anordnung gemäß der Erfindung ergeben sich aus
den jeweils abhängigen Ansprüchen.
Die Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren werden
bezogen auf die Durchlaufrichtung eines der beiden Licht
signale unter einem vorgegebenen Polarisatorwinkel zueinander
eingestellt, der ungleich einem ganzzahligen Vielfachen von
180° oder π ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird
der Polarisatorwinkel zwischen den Polarisationsachsen der
beiden Polarisatoren auf ein ganzzahliges Vielfaches von etwa
45° oder π/4 eingestellt. Damit wird der Arbeitspunkt des
Meßverfahrens und der Meßanordnung so eingestellt, daß die
Meßempfindlichkeit maximal ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung
Bezug genommen, in deren
Fig. 1 eine Meßanordnung zum Messen eines Magnetfeldes mit
einer Faraday-Sensoreinrichtung und Auswertemitteln
Fig. 2 die Abhängigkeit des Meßsignals vom Faraday-
Meßwinkel in einem Diagramm
jeweils schematisch dargestellt sind.
In der Fig. 1 sind eine Faraday-Sensoreinrichtung mit 3, zwei
optische Übertragungsstrecken mit 4 und 7 zwei Polarisatoren
mit 5 und 6, eine Lichtquelle mit 10, zwei optische Strahl
teiler mit 14 bzw. 17 und Auswertemittel mit 20 bezeichnet.
Die Faraday-Sensoreinrichtung 3 besteht aus wenigstens einem
den magnetooptischen Faraday-Effekt zeigenden Material. Unter
dem Einfluß eines die Sensoreinrichtung 3 wenigstens teil
weise durchdringenden Magnetfeldes H wird die Polarisation
von durch die Sensoreinrichtung 3 laufendem polarisierten
Licht aufgrund des Faraday-Effekts geändert. Die Sensorein
richtung 3 kann in an sich bekannter Weise mit einem oder
mehreren massiven Körpern, vorzugsweise aus Glas, oder auch
mit mindestens einer optischen Faser ausgebildet sein. Die
Sensoreinrichtung 3 weist zwei optische Anschlüsse 3A und 3B
derart auf, daß an einem Anschluß 3A oder 3B eingekoppeltes
Licht die Sensoreinrichtung 3 durchläuft und am jeweils ande
ren Anschluß 3B bzw. 3A wieder ausgekoppelt wird. Der erste
Anschluß 3A der Sensoreinrichtung 3 ist über den ersten Pola
risator 5 mit einem Ende der ersten optischen Übertragungs
strecke 4 optisch gekoppelt. Der zweite Anschluß 3B der Sen
soreinrichtung 3 ist über den zweiten Polarisator 6 mit einem
Ende der zweiten optischen Übertragungsstrecke 7 optisch ge
koppelt.
Die Polarisationsachsen (polarization axis, transmission
axis) der beiden Polarisatoren 5 und 6 sind unter einem vor
gegebenen Polarisatorwinkel α zueinander eingestellt, der
ungleich einem ganzahligen Vielfachen von π ist. Als Polari
satoren 5 und 6 können alle bekannten Ausführungsformen ver
wendet werden, beispielsweise Polfilter oder polarisierende
Strahlteiler wie Wollaston-Prismen.
Das von der Sensoreinrichtung 3 abgewandte andere Ende der
ersten Übertragungsstrecke 4 ist über den Strahlteiler 14 so
wohl mit der Lichtquelle 10 als auch mit den Auswertemitteln
20 optisch verbunden. Das von der Sensoreinrichtung 3 abge
wandte andere Ende der zweiten Übertragungsstrecke 7 ist über
den Strahlteiler 17 ebenfalls sowohl mit der Lichtquelle 10
als auch mit den Auswertemitteln 20 optisch verbunden. Die
beiden Strahlteiler 14 und 17 sind ebenfalls optisch mitein
ander gekoppelt. Der Strahlteiler 14 teilt das Licht L der
Lichtquelle 10 in zwei Lichtanteile. Der erste Lichtanteil
bildet ein erstes Lichtsignal L1′, das in die Übertragungs
strecke 4 eingekoppelt wird. Aus dem zweiten Lichtanteil des
Lichts L koppelt der zweite Strahlteiler 17 einen Teil aus
als zweites Lichtsignal L2′, das in die zweite Übertragungs
strecke 7 eingekoppelt wird. Beide Lichtsignale L1′ und L2′
durchlaufen die optische Reihenschaltung aus erster Über
tragungsstrecke 4, erstem Polarisator 5, Sensoreinrichtung 3,
zweitem Polarisator 6 und zweiter Übertragungsstrecke 7 in
zueinander entgegengesetzten Durchlaufrichtungen und werden
als nun mit L1 bzw. L2 bezeichnete Lichtsignale wieder aus
der Reihenschaltung ausgekoppelt. Die Lichtquelle 10 und die
zwei Strahlteiler 14 und 17 bilden somit Mittel zum Senden
von zwei gegensinnig die Reihenschaltung durchlaufenden
Lichtsignalen durch die Reihenschaltung.
Die beiden Strahlteiler 14 und 17 können wenigstens teilweise
auch durch optische Koppler ersetzt werden. Ferner kann auch
ein weiterer Strahlteiler oder Koppler vorgesehen sein, der
das Licht L der Lichtquelle 10 in zwei Lichtsignale teilt,
die dann getrennt dem Strahlteiler 14 bzw. dem Strahlteiler
17 zugeführt werden. Die beiden Lichtsignale können dann ins
besondere mit gleichen Ausgangslichtintensitäten in die Rei
henschaltung eingekoppelt werden. Außerdem können auch an
stelle des Kopplers 11 und der einen Lichtquelle 10 auch zwei
Lichtquellen vorgesehen sein, die jeweils ein Lichtsignal L1′
bzw. L2′ senden. Schließlich können die Mittel zum Senden von
zwei gegensinnig die Reihenschaltung durchlaufenden Licht
signalen L1 und L2 durch die Reihenschaltung auch mit zwei
abwechselnd als Sender und Empfänger betriebenen pho
toelektrischen Wandlern gebildet sein.
Das erste Lichtsignal L1′ wird nach Durchlaufen der ersten
Übertragungsstrecke 4 von dem ersten Polarisator 5 linear po
larisiert und als nunmehr linear polarisiertes Lichtsignal
L1′ am Anschluß 3A in die Sensoreinrichtung 3 eingespeist.
Beim Durchlaufen der Sensoreinrichtung 3 wird die Polarisati
onsebene des linear polarisierten ersten Lichtsignals L1′ um
einen vom Magnetfeld H abhängigen Faraday-Meßwinkel ρ ge
dreht. Ein positiver Winkelwert entspricht dabei und im fol
genden dem mathematisch positiven Drehsinn, also dem Gegen
uhrzeigersinn, ein negativer Winkelwert dagegen dem mathema
tisch negativen Drehsinn, d. h. dem Uhrzeigersinn, bezogen auf
die Ausbreitungsrichtung des betrachteten Lichtsignals. Das
in seiner Polarisationsebene um den Faraday-Meßwinkel p ge
drehte erste Lichtsignal L1′ wird nun dem zweiten Polarisator
6 zugeführt. Der zweite Polarisator 6 läßt nur den auf seine
Polarisationsachse projizierten Anteil des ankommenden ersten
Lichtsignals L1′ durch und hat somit für das erste Lichtsi
gnal L1′ die Funktion eines Polarisationsanalysators. Der vom
zweiten Polarisator 6 transmittierte Anteil des ersten Licht
signals L1′ ist nun mit L1 bezeichnet und wird über die zwei
te Übertragungsstrecke 7 und den Koppler 13 zu den Auswerte
mitteln 20 übertragen.
Das zweite Lichtsignal L2′ passiert zunächst die zweite Über
tragungsstrecke 7 und wird sodann von dem ersten Polarisator
5 linear polarisiert. Das linear polarisierte zweite Licht
signal L2′ wird nun am Anschluß 3A in die Sensoreinrichtung 3
eingekoppelt. Beim Durchlaufen der Sensoreinrichtung 3 wird
die Polarisationsebene des linear polarisierten zweiten
Lichtsignals L2′ um einen vom Magnetfeld H abhängigen
Faraday-Meßwinkel -ρ gedreht, der wegen der nicht-reziproken
Eigenschaft des Faraday-Effekts das entgegengesetzte Vorzei
chen und den gleichen Betrag wie beim ersten Lichtsignal L1′
hat. Das in seiner Polarisationsebene um den Meßwinkel ρ ge
drehte zweite Lichtsignal L2′ wird nun dem zweiten Polarisa
tor 6 zugeführt. Der zweite Polarisator 6 läßt nur den auf
seine Polarisationsachse projizierten Anteil des ankommenden
zweiten Lichtsignals L2′ durch und wirkt somit für das zweite
Lichtsignal L2′ als Polarisationsanalysator. Der vom zweiten
Polarisator 6 transmittierte Anteil des zweiten Lichtsignals
L2′ ist nun mit L2 bezeichnet und wird über die erste Über
tragungsstrecke 4 und den Koppler 12 zu den Auswertemitteln
20 übertragen.
Die Meßanordnung gemäß Fig. 1 ist vorzugsweise zum Messen
eines elektrischen Stromes I in wenigstens einem Stromleiter
2 vorgesehen. Die Faraday-Sensoreinrichtung 3 erfaßt das von
diesem Strom I induktiv erzeugte Magnetfeld H und dreht die
Polarisationsebenen der beiden Lichtsignale L1′ und L2′ um
einen vom Magnetfeld H und damit vom Strom I abhängigen Meß
winkel ρ bzw. -ρ. In der dargestellten, besonders vorteilhaf
ten Ausführungsform umgibt die Sensoreinrichtung 3 den Strom
leiter 2, so daß beide Lichtsignale L1′ und L2′ den Strom I
in einem praktisch geschlossenen Lichtpfad umlaufen. Der Meß
winkel ρ ist in diesem Fall im wesentlichen direkt propor
tional zum elektrischen Strom I. Die Sensoreinrichtung 3 kann
als massiver Glasring mit die Lichtsignale L1′ und L2′ umlen
kenden inneren Reflexionsflächen oder auf eine andere bekann
te Art und Weise, beispielsweise als Faserspule, ausgebildet
sein.
Die Lichtintensitäten I1′ und I2′ der beiden Lichtsignale L1′
und L2′ vor dem Einkoppeln in die Reihenschaltung werden vor
zugsweise in einem fest vorgegebenen Verhältnis zueinander
eingestellt, also I1′ = K·I2′ = K·I0 mit einer vorgegebenen
konstanten Ausgangsintensität I0. Der das Verhältnis der bei
den Lichtintensitäten I1′ und I2′ definierende Kopplungsfak
tor K ergibt sich in der dargestellten Ausführungsform aus
den beiden Kopplungsverhältnissen der beiden Strahlteiler 14
und 17. Wenn die Kopplungsverhältnisse der beiden Strahltei
ler 14 und 17 beispielsweise jeweils 1 : 1 betragen, ergibt
sich ein Kopplungsfaktor K = 2.
Die beiden Lichtsignale L1′ bzw. L1 und L2′ bzw. L2 erfahren
in den beiden Übertragungsstrecken 4 und 7 jeweils die glei
chen Intensitätsänderungen beispielsweise infolge von Dämp
fungsverlusten. Diese Intensitätsänderungen gehen im wesent
lichen in Form von Dämpfungsfaktoren ein. Der reelle, im all
gemeinen zeitabhängige Dämpfungsfaktor einer optischen Über
tragungsstrecke ist definiert als das Verhältnis der Licht
intensität von an einem Ende der Übertragungsstrecke ankom
mendem Licht zu der Ausgangslichtintensität des Lichts beim
Einkoppeln in das andere Ende der Übertragungsstrecke. Seien
A der reelle Dämpfungsfaktor der ersten Übertragungsstrecke 4
und B der Dämpfungsfaktor der zweiten Übertragungsstrecke 7.
Dann gelten für die Lichtintensitäten I1 und I2 der beiden
Lichtsignale L1 und L2 nach Durchlaufen der optischen Reihen
schaltung die allgemeinen Beziehungen:
I1 = I0·A·B·cos²(ρ+α) (1)
I2 = K·I0·B·A·cos²(ρ-α) (2).
Die Ausdrücke cos²(ρ+α) in der Gleichung (1) für I1 und
cos²(ρ-α) in der Gleichung (2) für I2 beschreiben die Inten
sitätsänderungen der beiden Lichtintensitäten I1 und I2 in
Abhängigkeit vom Faraday-Meßwinkel ρ und dem Polarisatorwin
kel α. Aus den beiden Gleichungen (1) und (2) kann man er
kennen, daß sich die Faktoren vor den cos²-Termen für-beide
Lichtintensitäten I1 und I2 nur in dem konstanten Kopplungs
faktor K unterscheiden.
Die Auswertemittel 20 leiten aus den Lichtintensitäten I1 und
I2 der beiden Lichtsignale L1 und L2 nach Durchlaufen der
Reihenschaltung ein Meßsignal M für das Magnetfeld H ab, das
proportional zu einem Quotienten I1/I2 oder I2/I1 der beiden
Lichtintensitäten I1 und I2 der gegenläufigen Lichtsignale L1
und L2 nach Durchlaufen der Reihenschaltung ist. Dieses Meß
signal M ist dann unter Berücksichtigung der Beziehungen (1)
und (2) für die Lichtintensitäten I1 und I2
M ∼ I1/I2 = cos²(ρ+α)/(K·cos²(ρ-α)) (3)
oder
M ∼ I2/I1 = (K·cos²(ρ-α))/cos²(ρ+α) (4)
Die Dämpfungsfaktoren A und B erscheinen nicht mehr in den
Beziehungen (3) und (4). Das so gebildete Meßsignal M für das
Magnetfeld H ist somit von beispielsweise durch Vibrationen
verursachten Intensitätsänderungen in den Übertragungs
strecken 4 bzw. 7 praktisch unabhängig.
Deshalb können in allen Ausführungsformen auch einfache, ver
gleichsweise preiswerte Telekommunikationslicht fasern
(Multimode-Fasern) als Übertragungsstrecken 4 und 7 verwendet
werden, da deren relativ hohe Dämpfungen und Vibrationsemp
findlichkeiten im Meßsignal M kompensiert sind. Als Übertra
gungsstrecken 4 und 7 können aber auch andere Lichtwellenlei
ter oder Freistrahlanordnungen verwendet werden.
Die Auswertemittel 20 enthalten in der dargestellten Ausfüh
rungsform zum Ableiten des Meßsignals M aus den beiden
Lichtintensitäten I1 und I2 der beiden gegenläufigen Lichtsi
gnale L1 und L2 zwei photoelektrische Wandler 21 und 22 und
eine Recheneinheit 27. Jedes der beiden Lichtsignale L1 und
L2 wird von dem jeweils zugeordneten Wandler 21 bzw. 22 in
jeweils ein elektrisches Intensitätssignal P1 bzw. P2 umge
wandelt, das ein direktes Maß für die Lichtintensität I1 bzw.
I2 des jeweiligen Lichtsignals L1 bzw. L2 ist. Diese beiden
elektrischen Intensitätssignale P1 und P2 werden zwei Eingän
gen der Recheneinheit 27 zugeführt. Die Recheneinheit 27 bil
det den Quotienten P1/P2 oder P2/P1 aus den beiden elektri
schen Intensitätssignalen P1 und P2, der als Meßsignal M an
einem Ausgang der Recheneinheit 27 ansteht.
Die Recheneinheit 27 enthält in einer Ausführungsform zum
Bilden des Meßsignals M einen Analog/Digital-Wandler zum
Digitalisieren der beiden elektrischen Intensitätssignale P1
und P2 und einen Mikroprozessor oder einen digitalen Signal
prozessor zum Bilden des Quotienten aus den beiden digita
lierten Intensitätssignalen P1 und P2.
Die Recheneinheit 27 kann aber auch einen analogen Dividierer
enthalten, dessen beide Eingänge jeweils mit dem Ausgang
eines der photoelektrischen Wandler 21 und 22 elektrisch
verbunden sind und an dessen Ausgang das Quotientensignal
P1/P2 oder P2/P1 ansteht.
Ein besonderer Vorteil der Meßsignalauswertung gemäß den
Beziehungen (3) und (4) bzw. gemäß M = P1/P2 oder M = P2/P1
besteht darin, daß die Ausgangslichtintensitäten I1′ und I2′
für die beiden Lichtsignale L1′ und L2′ beim Einkoppeln in
die optische Reihenschaltung nicht identisch sein müssen im
Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Signal
auswertung mit einem Meßsignal, das dem Quotienten
(I1-I2)/(I1+I2) aus Differenz und Summe der beiden Lichtin
tensitäten I1 und I2 der beiden Lichtsignale L1 und L2 nach
Durchlaufen der Reihenschaltung entspricht. Wenn die Aus
gangslichtintensitäten I1′ und I2′ voneinander abweichen, der
Kopplungsfaktor K also nicht gleich 1 ist, kann dies beim
Verfahren und der Anordnung gemäß der Erfindung einfach durch
Anpassen der Verstärkung des Meßsignals M, also durch einfa
ches Multiplizieren des Meßsignals M mit einem Anpassungsfak
tor, an eine geeichte Signalhöhe kompensiert werden.
Das Meßsignal M gemäß den Beziehungen (3) und (4) hängt in
vergleichsweise komplizierter, jedoch eindeutiger Weise von
dem Meßwinkel ρ und damit vom Magnetfeld H ab und kann des
halb auch elektronisch auf eine lineare Meßskala transfor
miert werden, falls dies gewünscht ist. Die Fig. 2 veran
schaulicht in einem Diagramm die Abhängigkeit des Meßsignals
M = I1/I2 vom Faraday-Meßwinkel ρ nochmals graphisch für
einen Polarisatorwinkel α = π/4.
Ein Polarisatorwinkel α zwischen den beiden Polarisations
achsen der beiden Polarisatoren 5 und 6 von wenigstens an
nähernd ±45° bzw. ±π/4 ist besonders vorteilhaft, da der
Arbeitspunkt dann bei einer maximalen Meßempfindlichkeit
liegt.
Claims (7)
1. Verfahren zum Messen eines Magnetfeldes (H) mit einer den
Faraday-Effekt zeigenden Sensoreinrichtung (3), bei dem
- a) ein erstes Lichtsignal (L1) eine optische Reihenschaltung aus einer ersten optischen Übertragungsstrecke (4), einem ersten Polarisator (5), der Sensoreinrichtung (3), einem zweiten Polarisator (6) und einer zweiten optischen Übertragungsstrecke (7) durchläuft,
- b) ein zweites Lichtsignal (L2) diese optische Reihenschal tung in zur Durchlaufrichtung des ersten Lichtsignals (L1) entgegengesetzter Richtung durchläuft,
- c) ein Meßsignal (M) für das Magnetfeld (H) gebildet wird, das proportional zu einem Quotienten (I1/I2) der Licht intensitäten (I1, I2) der beiden Lichtsignale (L1, L2) jeweils nach deren Durchlaufen der optischen Reihen schaltung ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Polarisationsachsen
(P1, P2) der beiden Polarisatoren (5, 6) in einem Polarisator
winkel (α) zueinander eingestellt werden, der wenigstens
annähernd einem ungeradzahligen Vielfachen von 45° oder π/4
entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das
Magnetfeld (H) eines elektrischen Stromes (I) gemessen wird
und das Meßsignal (M) als Maß für den elektrischen Strom (I)
herangezogen wird.
4. Anordnung zum Messen eines Magnetfeldes (H) mit
- a) einer optischen Reihenschaltung aus einer ersten opti schen Übertragungsstrecke (4), einem ersten Polarisator (5), einer den Faraday-Effekt zeigenden Sensoreinrichtung (3), einem zweiten Polarisator (6) und einer zweiten optischen Übertragungsstrecke (7),
- b) Mitteln (10, 11, 12, 13) zum Senden von zwei Lichtsignalen (L1, L2) durch die Reihenschaltung, die die Reihenschal tung gegensinnig durchlaufen,
- c) Auswertemitteln (20) zum Ableiten eines Meßsignals (M) für das Magnetfeld (H), das proportional zu einem Quotienten (I1/I2) der Lichtintensitäten (I1, I2) der beiden Lichtsignale (L1, L2) nach deren Durchlaufen der Reihenschaltung ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4, bei der die Polarisationsachsen
(P1, P2) der beiden Polarisatoren (5, 6) einen Polarisator
winkel (α) zueinander einschließen, der wenigstens annähernd
einem ungeradzahligen Vielfachen von 45° oder π/4 entspricht.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei der die
beiden optischen Übertragungsstrecken (4, 7) mit Multimode-
Lichtleitern gebildet sind.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der die
Sensoreinrichtung (3) im Magnetfeld (H) eines elektrischen
Stromes (I) angeordnet ist und die Auswertemittel (20) das
Meßsignal (M) als Maß für den elektrischen Strom (1) ab
leiten.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944443948 DE4443948A1 (de) | 1994-12-09 | 1994-12-09 | Verfahren und Anordnung zum Messen eines Magnetfeldes mit zwei gegenläufigen Lichtsignalen unter Ausnutzung des Faraday-Effekts mit Kompensation von Intensitätsänderungen |
PCT/DE1995/001668 WO1996018113A1 (de) | 1994-12-09 | 1995-11-27 | Verfahren und anordnung zum messen eines magnetfeldes mit zwei gegenläufigen lichtsignalen unter ausnutzung des faraday-effekts mit kompensation von intensitätsänderungen |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19944443948 DE4443948A1 (de) | 1994-12-09 | 1994-12-09 | Verfahren und Anordnung zum Messen eines Magnetfeldes mit zwei gegenläufigen Lichtsignalen unter Ausnutzung des Faraday-Effekts mit Kompensation von Intensitätsänderungen |
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Publication Number | Publication Date |
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DE4443948A1 true DE4443948A1 (de) | 1996-06-13 |
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ID=6535427
Family Applications (1)
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