EP1055127A1 - Method and device for measuring a magnetic field with the aid of the faraday effect - Google Patents

Method and device for measuring a magnetic field with the aid of the faraday effect

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Publication number
EP1055127A1
EP1055127A1 EP99914415A EP99914415A EP1055127A1 EP 1055127 A1 EP1055127 A1 EP 1055127A1 EP 99914415 A EP99914415 A EP 99914415A EP 99914415 A EP99914415 A EP 99914415A EP 1055127 A1 EP1055127 A1 EP 1055127A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
wavelength
component
faraday element
signal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99914415A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ottmar Beierl
Thomas Bosselmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19851551A external-priority patent/DE19851551A1/en
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1055127A1 publication Critical patent/EP1055127A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/245Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G01R15/246Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect based on the Faraday, i.e. linear magneto-optic, effect
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/247Details of the circuitry or construction of devices covered by G01R15/241 - G01R15/246

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for measuring a magnetic field, in particular for measuring an electrical current flowing in a current conductor, using the Faraday effect.
  • Optical measuring devices for measuring an electrical current flowing in a current conductor using the Faraday effect are known, which are also referred to as magneto-optical current transformers.
  • the Faraday effect is the rotation of the plane of polarization of linearly polarized light that propagates in a medium in the presence of a magnetic field.
  • the angle of this rotation is proportional to the path integral over the magnetic field along the path covered by the light with the Verdet constant as the proportionality constant.
  • the Verdet constant in turn depends on the material in which the light propagates, on the wavelength of the light and on other disturbing variables which influence the properties of the material, for example the temperature and the mechanical stress state.
  • a Faraday element is arranged in the vicinity of the current conductor and contains an optically transparent material that shows the Faraday effect.
  • Linearly polarized light is coupled into this Faraday element.
  • the magnetic field generated by the electric current causes the plane of polarization of the light propagating in the Faraday element to rotate by an angle of polarization that can be evaluated by an evaluation unit as a measure of the strength of the magnetic field and thus of the strength of the electric current.
  • the Faraday element surrounds the current conductor, so that the polarized light circulates around the current conductor in a practically closed path. This is the amount of the polarization tion rotation angle in good approximation directly proportional to the current.
  • the Faraday element is designed as a solid glass ring around the current conductor.
  • the light circulates around the current conductor once.
  • the Faraday element is designed as part of an optical monomode fiber which surrounds the current conductor in the form of a measuring winding.
  • the light therefore circulates the current conductor N times during a pass if N is the number of turns of the measuring winding.
  • Two types of such magneto-optical current transformers with a measuring winding consisting of an optical fiber are known, namely the transmission type and the reflection type. With the transmission type, the light is coupled into one end of the optical fiber and coupled out again at the other end, so that the light only passes through the measuring winding once.
  • the other end of the optical fiber is mirrored, so that the light coupled in at the first end is then reflected at this other mirrored end, the measuring winding passes through a second time in the opposite direction and is coupled out again at the first end. Due to the non-reciprocity of the Faraday effect, the plane of polarization of the light is rotated again in the same direction in the same direction during the reverse pass. The angle of rotation is thus twice as large for the same measuring winding as for the transmission type.
  • a beam splitter is provided to separate the injected and the extracted light.
  • a problem with all magneto-optical current transformers is interference, which is caused, for example, by changing the damping constants in the optical transmission links.
  • the light coupled out of the Faraday element is divided in an analyzer with a Wollaston prism as a beam splitter into two linearly polarized light signals A and B with mutually perpendicular polarization planes. These two light signals A and B are transmitted to corresponding light detectors via corresponding optical transmission fibers and converted into electrical signals PA and PB.
  • a Faraday rotation angle is calculated as a measurement signal in a computing unit, which corresponds to the quotient (PA - PB / PA + PB) from the difference and the sum of the two signals.
  • a measurement signal is determined by this quotient formation, which is independent of the attenuation of the light signals A and B in the transmission path.
  • Reference signal S R proportional to the magnetic field and independent of the intensity of the first light source.
  • a DC current or DC component can also be measured with this method.
  • the known measuring device is complex in terms of the electronic processing of the measurement signals and the control of the light sources and is susceptible to malfunction due to the large number of electronic components required to control the light sources.
  • the invention is based on the object of specifying a method for measuring a magnetic field with the aid of the Faraday effect, which enables simple compensation of the attenuation present in the transmission path.
  • the invention is also based on the object of specifying a device for carrying out the method.
  • light is coupled into a Faraday element arranged in the magnetic field, said light having a linearly polarized first light component with a first wavelength and an unpolarized second light component with a different second one Has wavelength.
  • a light signal coupled out from the Faraday element is optically divided into a first light signal component with the first wavelength and a second light signal component with the second wavelength, a first measurement signal being derived from the first light signal component and a second measurement signal being derived from the second light signal component and for formation a corrected measurement signal can be used.
  • damping influences in the transmission links can be largely compensated even when measuring a magnetic field that is constant over time or a magnetic field with a component that is constant over time.
  • the method according to the invention thus enables the precise and of the
  • Damping properties of the transmission path largely independent measurement of a direct current or a current with a direct component.
  • the corrected measurement signal is formed by simply dividing the first by the second measurement signal.
  • the linear polarization of the first light component is generated in a polarizing optical fiber which is connected upstream to the Faraday element in a transmission path.
  • light is coupled into the transmission path to the Faraday element, which has a first component with the first wavelength and a second component with the second wavelength, which are transmitted together in the polarizing optical fiber to the Faraday element.
  • the second object is achieved according to the invention with a device with the features of claim 5.
  • the device for measuring a magnetic field using the Faraday effect comprises a Faraday element and a device for generating light upstream of the Faraday element, which has a linearly polarized first light component with a first wavelength and an unpolarized second light component with a different second wavelength.
  • the Faraday 7 one of the Faraday 7
  • Element-downstream device for receiving and analyzing the light signal coupled out of the Faraday element, which has a wavelength-selective beam splitter for splitting this light signal into a first light signal component with the first wavelength and a second light signal component with the second wavelength, and a receiving unit for forming one contains the first light signal portion of the first measurement signal and a second measurement signal derived from the second light signal portion, and contains an evaluation unit for forming a corrected measurement signal from the first and second measurement signals.
  • the evaluation device comprises a dividing device for dividing the first by the second measurement signal.
  • a polarizing optical fiber connected upstream of this in a transmission path to the Faraday element is provided for linear polarization of the first light component.
  • a light source is used to generate light, which has a first component with the first wavelength and a second component with the second wavelength.
  • the polarizing optical fiber is provided as part of the transmission path for the joint transmission of the first and the second portion to the Faraday element.
  • FIG. 2 shows a diagram in which the transmission properties of a polarizing optical fiber preferably provided for use in a device according to the invention for different modes are plotted against the wavelength
  • a current conductor 2 is surrounded by a Faraday element 4, which is shown in the exemplary embodiment as a measuring winding constructed from a single-mode fiber.
  • the input of the Faraday element 4 is coupled via a plug-in connection 6 to an optical transmission path formed by an optical fiber 8, which is connected via a Y-coupler 9 to two mutually independent light sources 12a and 12b of a light source arrangement 12.
  • the first light source 12a generates light with a first component La and with a first wavelength ⁇ a and the second light source 12b generates a second component Lb with a second wavelength ⁇ b.
  • the wavelengths ⁇ a, ⁇ b of the components La and Lb are different from one another.
  • the components La and Lb are unpolarized and are simultaneously transmitted to the Faraday element 4 via the common optical fiber 8.
  • a polarizing optical fiber 10 is arranged in the transmission path.
  • This polarizing optical fiber 10 thus forms at least part of the total transmission path from the light source arrangement 12 to the Faraday element 4.
  • a linearly polarized first light component Pa is generated from the first component La, while the component Lb with respect to its polarization state im remains essentially unaffected and is coupled into the Faraday element 4 as an unpolarized second light component Pb.
  • Linearly polarized first light component Pa and unpolarized second light component Pb pass through the Faraday element 4 and are coupled at the output thereof via a plug-in or splice connection 14 into a transmission path 16 which does not influence the polarization state and is formed, for example, by an optical fiber with low birefringence laid without curvature.
  • a converter unit 20 is connected.
  • a so-called strongly birefringent polarization-maintaining fiber can also be used, with which linearly polarized light, which is polarized parallel to one of the two mutually orthogonal polarization axes of the optical fiber, is transmitted while maintaining its polarization state.
  • the linearly polarized first light component Pa experiences a rotation of its polarization plane in the Faraday element as a function of the magnetic field generated by the electric current I A and is coupled out of the Faraday element 4 as the first light signal component LSa.
  • the polarization state of the second unpolarized light component Pb coupled into the Faraday element 4 is not influenced by the Faraday element 4 and is coupled out of the latter as an unpolarized second light signal component LSb.
  • the first and the second light signal components LSa and LSb are optically separated from one another in the converter unit 20 in a wavelength-selective beam splitter 22.
  • a component LS ⁇ polarized in a predetermined polarization plane is generated from the first light signal component LSa in an analyzer 23.
  • the analyzer 23 is preferably at 45 ° to the plane of polarization of the linearly polarized first coupled into the Faraday element 4 10
  • Light portion Pa arranged. If a polarization-maintaining optical fiber is used in the transmission link 16, one of its two polarization axes must coincide with the orientation of the analyzer axis of the analyzer 23.
  • the component LS ⁇ and the second light signal component LSb are each converted in an optoelectric converter 24a or 24b into a first or a second electrical measurement signal Sa or Sb.
  • This corrected measurement signal S is largely independent of the damping properties of the optical components contained in the transmission path, it being assumed that the change in damping resulting from environmental influences is approximately the same at the wavelengths ⁇ a and ⁇ b.
  • the polarization rotation angle ⁇ can be determined directly from the corrected measurement signal S even when only one analyzer 23 is used, since there is a fixed relationship between the intensity of the linearly polarized first light component Pa and the intensity of the unpolarized second light component Pb, which is due to the light sources used 12a and 12b is predetermined.
  • the corrected measurement signal S (p / k) «cos 2 ( ⁇ - ⁇ ) thus enables the polarization rotation angle ⁇ to be determined directly.
  • detectors can also be assigned to the light sources 12a and 12b, which detect possible relative intensity fluctuations and are used to determine the correct proportionality factor k.
  • the properties of the polarizing fiber 10 are explained in more detail with reference to FIG. 2, in which the attenuation loss D of an approximately 1.7 m long polarizing fiber, as can be obtained, for example, from 3M under the designation FS-PZ-4616 the wavelength ⁇ is plotted.
  • a polarizing fiber is a highly degenerate, highly birefringent optical fiber, in which at a certain wavelength one of the two modes is attenuated much more than the other. With a sufficiently long fiber length, the damping ratio is so large that the fiber acts as a polarizer.
  • the diagram shows that at a wavelength ⁇ a of approximately 770 n the damping for the fast mode f is more than a thousand times as great as the damping for the slow mode s.
  • the fast mode f is thus filtered out of a light coupled into the polarizing optical fiber 10 with the wavelength ⁇ a, so that only the linearly polarized slow mode s is coupled out at the output of the polarizing optical fiber 10.
  • the wavelength ⁇ a there is now at least one wavelength ⁇ b which, with the same length of the polarizing optical fibers 10, also has a practically negligible attenuation for both modes f and s.
  • the attenuation for the slow mode s is also more than 1000 dB less for the fast mode f at the wavelength ⁇ b, the latter contributes 12 of the present length of the optical fiber 10 does not matter, since the damping of the fast mode f is practically negligible with less than 0.2 dB.
  • An unpolarized light with the wavelength ⁇ b coupled into the polarized optical fiber 10 is thus coupled out at the output of the optical fiber as unpolarized light.
  • the analyzer 23 is arranged in front of the wavelength-selective beam splitter 22. As shown in the exemplary embodiment of the figure, this can be arranged directly in front of the wavelength-selective beam splitter 22. In this case, a polarization-neutral or polarization-maintaining transmission link 16 is required between the Faraday element 4 and the beam splitter 22. Alternatively, however, the analyzer 23 can be arranged directly behind the Faraday element 4. In this case, the transmission path 16 to the converter unit 20 can be set up with a normal standard optical fiber. In addition, the wavelength-selective filter 22 can also be arranged directly behind the Faraday element 4, so that the converter unit only consists of the optoelectric converters and the electrical components assigned to them.
  • a polarizing optical fiber 102 is provided in the transmission path from the Faraday element 4 to the wavelength-selective beam splitter 22, which is identical in construction to the optical fiber 10 and differs from it only in the orientation of its polarization axes.
  • This optical fiber 102 then acts as an analyzer and replaces the analyzer 23 according to FIGS. 1 and 3.

Abstract

The invention relates to a method for measuring a magnetic field with the aid of the Faraday effect, wherein light is injected into a Faraday element (4) arranged in a magnetic field, said light having a first linearly polarized light segment (Pa) with a first wavelength and a second non-polarized light segment (Pb) with a second wavelength differing from the first. A light signal is then decoupled from the Faraday element (4). Said light signal is optically split into a first light signal segment (LSa) with the first wavelength and a second light signal segment (LSb) with the second wavelength. A first measuring signal (Sa) is derived from the first light signal segment (LSa) and a second measuring signal (Sb) is derived from the second light signal segment (LSb), which are used to form a corrected measuring signal (S). The influences of attenuations in the transmission paths can be compensated for to a large extent even when a time constant magnetic field or a magnetic field with a time constant segment are measured.

Description

1 Beschreibung 1 description
Verfahren und Einrichtung zum Messen eines Magnetfeldes mit Hilfe des Faraday-EffektesMethod and device for measuring a magnetic field using the Faraday effect
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Messen eines Magnetfeldes, insbesondere zum Messen eines in einem Stromleiter fließenden elektrischen Stromes, mit Hilfe des Faraday-Effektes .The invention relates to a method and a device for measuring a magnetic field, in particular for measuring an electrical current flowing in a current conductor, using the Faraday effect.
Es sind optische Meßeinrichtungen zum Messen eines in einem Stromleiter fließenden elektrischen Stromes unter Ausnutzung des Faraday-Effektes bekannt, die auch als magnetooptische Stromwandler bezeichnet werden. Unter dem Faraday-Effekt ver- steht man die Drehung der Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht, das sich in einem Medium in Anwesenheit eines Magnetfeldes ausbreitet. Der Winkel dieser Drehung ist dabei proportional zum Wegintegral über dem magnetischen Feld entlang des vom Licht zurückgelegten Weges mit der Verdet- Konstanten als Proportionalitätskonstanten. Die Verdet-Kon- stante ihrerseits ist abhängig von dem Material, in dem sich das Licht ausbreitet, von der Wellenlänge des Lichts und von weiteren, die Eigenschaften des Materials beeinflussenden Störgrößen, beispielsweise der Temperatur und dem mechani- sehen Spannungszustand. Zum Messen des Stromes ist ein Faraday-Element in der Nähe des Stromleiters angeordnet, das ein optisch transparentes, den Faraday-Effekt zeigendes Material enthält. In dieses Faraday-Element wird linear polarisiertes Licht eingekoppelt. Das von dem elektrischen Strom erzeugte Magnetfeld bewirkt eine Drehung der Polarisationsebene des sich in dem Faraday-Element ausbreitenden Lichtes um einen Polarisationsdrehwinkel, der von einer Auswerteeinheit als Maß für die Stärke des Magnetfeldes und damit für die Stärke des elektrischen Stromes ausgewertet werden kann. Im allge- meinen umgibt das Faraday-Element den Stromleiter, so daß das polarisierte Licht den Stromleiter in einem praktisch geschlossenen Weg umläuft. Dadurch ist der Betrag des Polarisa- tionsdrehwinkels in guter Näherung direkt proportional zur Stromstärke.Optical measuring devices for measuring an electrical current flowing in a current conductor using the Faraday effect are known, which are also referred to as magneto-optical current transformers. The Faraday effect is the rotation of the plane of polarization of linearly polarized light that propagates in a medium in the presence of a magnetic field. The angle of this rotation is proportional to the path integral over the magnetic field along the path covered by the light with the Verdet constant as the proportionality constant. The Verdet constant in turn depends on the material in which the light propagates, on the wavelength of the light and on other disturbing variables which influence the properties of the material, for example the temperature and the mechanical stress state. To measure the current, a Faraday element is arranged in the vicinity of the current conductor and contains an optically transparent material that shows the Faraday effect. Linearly polarized light is coupled into this Faraday element. The magnetic field generated by the electric current causes the plane of polarization of the light propagating in the Faraday element to rotate by an angle of polarization that can be evaluated by an evaluation unit as a measure of the strength of the magnetic field and thus of the strength of the electric current. In general, the Faraday element surrounds the current conductor, so that the polarized light circulates around the current conductor in a practically closed path. This is the amount of the polarization tion rotation angle in good approximation directly proportional to the current.
In einer beispielsweise aus der europäischen Patentschrift 088 419 bekannten Ausführungsform ist das Faraday-Element als massiver Glasring um den Stromleiter ausgebildet. Das Licht umläuft den Stromleiter in dieser Ausführungsform einmal.In an embodiment known for example from European patent 088 419, the Faraday element is designed as a solid glass ring around the current conductor. In this embodiment, the light circulates around the current conductor once.
In einer anderen, beispielsweise aus der PCT-Anmeldung WO 91/01501 bekannten Ausführungsform ist das Faraday-Element als Teil einer optischen Monomode-Faser ausgebildet, die den Stromleiter in Form einer Meßwicklung umgibt. Das Licht umläuft den Stromleiter daher bei einem Durchlauf N-mal, wenn N die Anzahl der Windungen der Meßwicklung ist. Es sind zwei Typen von solchen magnetooptischen Stromwandlern mit einer aus einer Lichtleitfaser bestehenden Meßwicklung bekannt, nämlich der Transmissionstyp und der Reflexionstyp. Beim Transmissionstyp wird das Licht in ein Ende der Lichtleitfaser eingekoppelt und am anderen Ende wieder ausgekoppelt, so daß das Licht die Meßwicklung nur einmal durchläuft. Beim Reflexionstyp ist dagegen das andere Ende der Lichtleitfaser verspiegelt, so daß dann das an dem ersten Ende eingekoppelte Licht an diesem anderen, verspiegelten Ende reflektiert wird, die Meßwicklung ein zweites Mal in umgekehrter Richtung durchläuft und am ersten Ende wieder ausgekoppelt wird. Wegen der Nicht-Reziprozität des Faraday-Effektes wird die Polarisationsebene des Lichts beim umgekehrten Durchlauf noch einmal um den gleichen Betrag in die gleiche Richtung gedreht. Der Drehwinkel ist somit bei gleicher Meßwicklung doppelt so groß wie beim Transmissionstyp. Zur Trennung des eingekoppelten und des ausgekoppelten Lichtes ist ein Strahlteiler vorgesehen.In another embodiment known, for example, from PCT application WO 91/01501, the Faraday element is designed as part of an optical monomode fiber which surrounds the current conductor in the form of a measuring winding. The light therefore circulates the current conductor N times during a pass if N is the number of turns of the measuring winding. Two types of such magneto-optical current transformers with a measuring winding consisting of an optical fiber are known, namely the transmission type and the reflection type. With the transmission type, the light is coupled into one end of the optical fiber and coupled out again at the other end, so that the light only passes through the measuring winding once. In the case of the reflection type, on the other hand, the other end of the optical fiber is mirrored, so that the light coupled in at the first end is then reflected at this other mirrored end, the measuring winding passes through a second time in the opposite direction and is coupled out again at the first end. Due to the non-reciprocity of the Faraday effect, the plane of polarization of the light is rotated again in the same direction in the same direction during the reverse pass. The angle of rotation is thus twice as large for the same measuring winding as for the transmission type. A beam splitter is provided to separate the injected and the extracted light.
Ein Problem bei allen magnetooptischen Stromwandlern sind Störeinflüsse, die beispielsweise durch Änderung der Dämpfungskonstanten in den optischen Übertragungsstrecken hervorgerufen sind. Bei dem bereits genannten, aus der europäischen Patentschrift 088 419 bekannten magnetooptischen Stromwandler wird das aus dem Faraday-Element ausgekoppelte Licht in einem Analysator mit einem Wollaston-Prisma als Strahlteiler in zwei linear polarisierte Lichtsignale A und B mit senkrecht zueinander orientierten Polarisationsebenen aufgeteilt. Diese beiden Lichtsignale A und B werden über entsprechende optische Übertragungsfasern zu entsprechenden Lichtdetektoren übertragen und in elektrische Signale PA und PB umgewandelt. Aus diesen beiden Signalen PA und PB wird in einer Recheneinheit ein Fa- raday-Drehwinkel als Meßsignal berechnet, der dem Quotienten (PA - PB/PA + PB) aus der Differenz und der Summe der beiden Signale entspricht. Durch diese Quotientenbildung wird ein Meßsignal ermittelt, das unabhängig von der Dämpfung der Lichtsignale A und B in der Übertragungsstrecke ist.A problem with all magneto-optical current transformers is interference, which is caused, for example, by changing the damping constants in the optical transmission links. In the aforementioned magneto-optical current transformer known from European patent 088 419, the light coupled out of the Faraday element is divided in an analyzer with a Wollaston prism as a beam splitter into two linearly polarized light signals A and B with mutually perpendicular polarization planes. These two light signals A and B are transmitted to corresponding light detectors via corresponding optical transmission fibers and converted into electrical signals PA and PB. From these two signals PA and PB a Faraday rotation angle is calculated as a measurement signal in a computing unit, which corresponds to the quotient (PA - PB / PA + PB) from the difference and the sum of the two signals. A measurement signal is determined by this quotient formation, which is independent of the attenuation of the light signals A and B in the transmission path.
Aus der PCT-Anmeldung WO 94/24573 ist es bekannt, die von den hinter dem Wollaston-Prisma angeordneten Empfängern empfange- nen elektrischen Signale Sl und S2 jeweils in einen Gleichsignalanteil Dl bzw. D2 und einen Wechselsignalanteil AI bzw. A2 zu zerlegen. Für jedes Signal Sl und S2 wird dann ein in- tensitätsnormiertes Signal Pl bzw. P2 als Quotient Pl = Al/Pl bzw. P2 = A2/D2 aus seinem Wechselsignalanteil AI bzw. A2 und Gleichsignalanteil Dl bzw. D2 gebildet. Durch die Intensi- tätsnormierung der Signale Sl und S2 können Intensitätsschwankungen in den für die entsprechenden Lichtsignale LSI und LS2 vorgesehenen Übertragungsstrecken und Empfindlichkeitsunterschiede in diesen beiden Übertragungsstrecken aus- geglichen werden.It is known from PCT application WO 94/24573 that the electrical signals S1 and S2 received by the receivers arranged behind the Wollaston prism are each broken down into a DC signal component D1 or D2 and an AC signal component AI or A2. For each signal S1 and S2, an intensity-standardized signal Pl or P2 is then formed as the quotient Pl = Al / Pl or P2 = A2 / D2 from its alternating signal component AI or A2 and DC signal component Dl or D2. The intensity normalization of the signals S1 and S2 can compensate for fluctuations in intensity in the transmission links provided for the corresponding light signals LSI and LS2 and differences in sensitivity in these two transmission links.
Bei diesem bekannten Verfahren wird angenommen, daß die in der Übertragungsstrecke aufgrund von Umgebungseinflüssen stattfindenden Dämpfungsänderungen bezogen auf die Frequenz des zu messenden Wechselstroms praktisch statisch sind. Mit diesem bekannten Verfahren kann jedoch eine zeitliche Änderung der Dämpfungseigenschaften der Übertragungsstrecke mit co M cn o cn o cπ o Cπ a υ-5 d XS P a a < s: ι-i d tr1 φ d P- P p- cnIn this known method it is assumed that the attenuation changes taking place in the transmission link due to environmental influences are practically static with respect to the frequency of the alternating current to be measured. With this known method, however, a temporal change in the damping properties of the transmission link can be avoided co M cn o cn o cπ o Cπ a υ-5 d XS P aa <s: ι-id tr 1 φ d P- P p- cn
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Referenzsignal SR proportional zum magnetischen Feld und unabhängig von der Intensität der ersten Lichtquelle.Reference signal S R proportional to the magnetic field and independent of the intensity of the first light source.
Auf diese Weise können auch zeitliche Änderungen der Dämp- fungseigenschaften der Übertragungsstrecke kompensiert werden. Außerdem kann mit diesem Verfahren ein Gleichstrom oder Gleichstromanteil gemessen werden. Die bekannte Meßeinrichtung ist jedoch hinsichtlich der elektronischen Verarbeitung der Meßsignale und der Steuerung der Lichtquellen aufwendig und aufgrund der Vielzahl der zur Steuerung der Lichtquellen benötigten elektronischen Komponenten störungsanfällig.In this way, changes over time in the damping properties of the transmission link can also be compensated for. A DC current or DC component can also be measured with this method. However, the known measuring device is complex in terms of the electronic processing of the measurement signals and the control of the light sources and is susceptible to malfunction due to the large number of electronic components required to control the light sources.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen eines Magnetfeldes mit Hilfe des Faraday-Effektes anzugeben, das eine einfache Kompensation der in der Übertragungsstrecke vorliegenden Dämpfung ermöglicht. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.The invention is based on the object of specifying a method for measuring a magnetic field with the aid of the Faraday effect, which enables simple compensation of the attenuation present in the transmission path. The invention is also based on the object of specifying a device for carrying out the method.
Die erstgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.The first-mentioned object is achieved according to the invention with the features of patent claim 1.
Bei dem Verfahren zum Messen eines Magnetfeldes mit Hilfe des Faraday-Effektes wird gemäß der Erfindung in ein im Magnet- feld angeordnetes Faraday-Element Licht eingekoppelt, das einen linear polarisierten ersten Lichtanteil mit einer ersten Wellenlänge und einen unpolarisierten zweiten Lichtanteil mit einer davon verschiedenen zweiten Wellenlänge aufweist. Ein aus dem Faraday-Element ausgekoppeltes Lichtsignal wird op- tisch in einen ersten Lichtsignalanteil mit der ersten Wellenlänge und einen zweiten Lichtsignalanteil mit der zweiten Wellenlänge aufgeteilt, wobei aus dem ersten Lichtsignalanteil ein erstes Meßsignal und aus dem zweiten Lichtsignalanteil ein zweites Meßsignal abgeleitet und zur Bildung eines korrigierten Meßsignals verwendet werden. 6In the method for measuring a magnetic field with the aid of the Faraday effect, according to the invention, light is coupled into a Faraday element arranged in the magnetic field, said light having a linearly polarized first light component with a first wavelength and an unpolarized second light component with a different second one Has wavelength. A light signal coupled out from the Faraday element is optically divided into a first light signal component with the first wavelength and a second light signal component with the second wavelength, a first measurement signal being derived from the first light signal component and a second measurement signal being derived from the second light signal component and for formation a corrected measurement signal can be used. 6
Auf diese Weise können Dämfungseinflüsse in den Übertragungsstrecken auch bei der Messung eines zeitlich konstanten Magnetfeldes oder eines Magnetfeldes mit einem zeitlich konstanten Anteil weitgehend kompensiert werden. Das erfindungs- gemäße Verfahren ermöglicht somit die genaue und von denIn this way, damping influences in the transmission links can be largely compensated even when measuring a magnetic field that is constant over time or a magnetic field with a component that is constant over time. The method according to the invention thus enables the precise and of the
Dämpfungseigenschaften der Übertragungsstrecke weitgehend unabhängige Messung eines Gleichstromes oder eines Stromes mit Gleichanteil .Damping properties of the transmission path largely independent measurement of a direct current or a current with a direct component.
Insbesondere wird das korrigierte Meßsignal durch einfache Division des ersten durch das zweite Meßsignal gebildet.In particular, the corrected measurement signal is formed by simply dividing the first by the second measurement signal.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Linearpolarisation des ersten Lichtanteils in einer polari- sierenden Lichtleitfaser erzeugt, die in einer Übertragungsstrecke zum Faraday-Element diesem vorgeschaltet ist. Dadurch ist eine besonders einfache und verlustfreie Anordnung möglich, da die polarisierende Lichtleitfaser zugleich zur Übertragung des Lichts auf einer Teillänge der gesamten Übertra- gungsstrecke beiträgt.In a preferred embodiment of the method, the linear polarization of the first light component is generated in a polarizing optical fiber which is connected upstream to the Faraday element in a transmission path. This enables a particularly simple and lossless arrangement, since the polarizing optical fiber also contributes to the transmission of the light over a partial length of the entire transmission path.
Insbesondere wird in die Übertragungsstrecke zum Faraday-Element Licht eingekoppelt, das einen ersten Anteil mit der ersten Wellenlänge und einen zweiten Anteil mit der zweiten Wellenlänge aufweist, die gemeinsam in der polarisierenden Lichtleitfaser zum Faraday-Element übertragen werden.In particular, light is coupled into the transmission path to the Faraday element, which has a first component with the first wavelength and a second component with the second wavelength, which are transmitted together in the polarizing optical fiber to the Faraday element.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 5.The second object is achieved according to the invention with a device with the features of claim 5.
Die Einrichtung zum Messen eines Magnetfeldes mit Hilfe des Faraday-Effektes umfaßt gemäß der Erfindung ein Faraday-Element und eine dem Faraday-Element vorgeschaltete Einrichtung zum Erzeugen von Licht, das einen linear polarisierten ersten Lichtanteil mit einer ersten Wellenlänge und einen unpolari- sierten zweiten Lichtanteil mit einer davon verschiedenen zweiten Wellenlänge aufweist. Außerdem ist eine dem Faraday- 7According to the invention, the device for measuring a magnetic field using the Faraday effect comprises a Faraday element and a device for generating light upstream of the Faraday element, which has a linearly polarized first light component with a first wavelength and an unpolarized second light component with a different second wavelength. In addition, one of the Faraday 7
Element nachgeschaltete Einrichtung zum Empfangen und Analysieren des aus dem Faraday-Element ausgekoppelten Lichtsi- gnals vorgesehen, die einen wellenlängenselektiven Strahlteiler zum Aufteilen dieses Lichtsignals in einen ersten Lichtsignalanteil mit der ersten Wellenlänge und einen zweiten Lichtsignalanteil mit der zweiten Wellenlänge, eine Empfangseinheit zum Bilden eines aus dem ersten Lichtsignalanteil abgeleiteten ersten Meßsignals und eines aus dem zweiten Lichtsignalanteil abgeleiteten zweiten Meßsignals so- wie eine Auswerteeinheit zum Bilden eines korrigierten Meßsignals aus dem ersten und zweiten Meßsignal enthält.Element-downstream device for receiving and analyzing the light signal coupled out of the Faraday element is provided, which has a wavelength-selective beam splitter for splitting this light signal into a first light signal component with the first wavelength and a second light signal component with the second wavelength, and a receiving unit for forming one contains the first light signal portion of the first measurement signal and a second measurement signal derived from the second light signal portion, and contains an evaluation unit for forming a corrected measurement signal from the first and second measurement signals.
Insbesondere umfaßt die Auswerteeinrichtung eine Dividiereinrichtung zur Division des ersten durch das zweite Meß- signal.In particular, the evaluation device comprises a dividing device for dividing the first by the second measurement signal.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist zur Linearpolarisation des ersten Lichtanteils eine in einer Übertragungsstrecke zum Faraday-Element diesem vorgeschaltete polarisierende Licht- leitfaser vorgesehen.In a preferred embodiment, a polarizing optical fiber connected upstream of this in a transmission path to the Faraday element is provided for linear polarization of the first light component.
Insbesondere wird eine Lichtquelle zum Erzeugen von Licht verwendet, das einen ersten Anteil mit der ersten Wellenlänge und einen zweiten Anteil mit der zweiten Wellenlänge aufweist.In particular, a light source is used to generate light, which has a first component with the first wavelength and a second component with the second wavelength.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die polarisierende Lichtleitfaser als Teil der Übertragungsstrecke zum gemeinsamen Übertragen des ersten und des zweiten Anteils zum Faraday-Element vorgesehen.In a further preferred embodiment, the polarizing optical fiber is provided as part of the transmission path for the joint transmission of the first and the second portion to the Faraday element.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:To further explain the invention, reference is made to the exemplary embodiments of the drawing. Show it:
FIG 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung, 81 shows an exemplary embodiment of the invention in a schematic illustration, 8th
FIG 2 ein Diagramm, in dem die Übertragungseigenschaften einer zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Einrichtung bevorzugt vorgesehenen polarisierenden Lichtleitfaser für unterschiedliche Moden gegen die Wellenlänge aufgetragen sind,2 shows a diagram in which the transmission properties of a polarizing optical fiber preferably provided for use in a device according to the invention for different modes are plotted against the wavelength,
FIG 3 u.4 jeweils ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbei- spiel der Erfindung ebenfalls in einer schematischen Darstellung.3 and 4 each show a further advantageous exemplary embodiment of the invention, likewise in a schematic illustration.
Gemäß FIG 1 ist ein Stromleiter 2 von einem Faraday-Element 4 umgeben, das im Ausführungsbeispiel als eine aus einer Monomode-Faser aufgebaute Meßwicklung dargestellt ist. Der Eingang des Faraday-Elementes 4 ist über eine Steckverbindung 6 an eine durch eine Lichtleitfaser 8 gebildete optische Übertragungsstrecke angekoppelt, die über einen Y-Koppler 9 an zwei voneinander unabhängige Lichtquellen 12a und 12b einer Lichtquellenanordnung 12 angeschlossen ist. Die erste Lichtquelle 12a erzeugt Licht mit einem ersten Anteil La und mit einer ersten Wellenlänge λa und die zweite Licht- quelle 12b erzeugt einen zweiten Anteil Lb mit einer zweiten Wellenlänge λb . Die Wellenlängen λa, λb der Anteile La bzw. Lb sind voneinander verschieden. Die Anteile La und Lb sind unpolarisiert und werden gleichzeitig über die gemeinsame Lichtleitfaser 8 zum Faraday-Element 4 übertragen. Alternativ ist es auch möglich, die Lichtquellen 12a, 12b so zu steuern, daß die Anteile La, Lb zeitlich abwechselnd in die Übertragungsstrecke eingekoppelt werden.According to FIG. 1, a current conductor 2 is surrounded by a Faraday element 4, which is shown in the exemplary embodiment as a measuring winding constructed from a single-mode fiber. The input of the Faraday element 4 is coupled via a plug-in connection 6 to an optical transmission path formed by an optical fiber 8, which is connected via a Y-coupler 9 to two mutually independent light sources 12a and 12b of a light source arrangement 12. The first light source 12a generates light with a first component La and with a first wavelength λa and the second light source 12b generates a second component Lb with a second wavelength λb. The wavelengths λa, λb of the components La and Lb are different from one another. The components La and Lb are unpolarized and are simultaneously transmitted to the Faraday element 4 via the common optical fiber 8. Alternatively, it is also possible to control the light sources 12a, 12b in such a way that the portions La, Lb are coupled into the transmission path alternately in time.
Am Ende der Übertragungsstrecke, d. h. vor dem Eingang des Faraday-Elementes 4 ist in der Übertragungsstrecke eine polarisierende Lichtleitfaser 10 angeordnet. Diese polarisierende Lichtleitfaser 10 bildet somit zumindest eine Teilstrecke der gesamten Übertragungsstrecke von der Lichtquellenanordnung 12 bis zum Faraday-Element 4. In dieser polarisierenden Lichtleitfaser 10 wird aus dem ersten Anteil La ein linear polarisierter erster Lichtanteil Pa erzeugt, während der Anteil Lb hinsichtlich seines Polarisationszustandes im wesentlichen unbeeinflußt bleibt und als unpolarisierter zweiter Lichtanteil Pb in das Faraday-Element 4 eingekoppelt wird.At the end of the transmission path, ie in front of the input of the Faraday element 4, a polarizing optical fiber 10 is arranged in the transmission path. This polarizing optical fiber 10 thus forms at least part of the total transmission path from the light source arrangement 12 to the Faraday element 4. In this polarizing optical fiber 10, a linearly polarized first light component Pa is generated from the first component La, while the component Lb with respect to its polarization state im remains essentially unaffected and is coupled into the Faraday element 4 as an unpolarized second light component Pb.
Linearpolarisierter erster Lichtanteil Pa und unpolarisierter zweiter Lichtanteil Pb durchqueren das Faraday-Element 4 und werden an dessen Ausgang über eine Steck- oder Spleißverbindung 14 in eine den Polarisationszustand nicht beeinflussenden Übertragungsstrecke 16 eingekoppelt, die beispielsweise durch eine krümmungsfrei verlegte Lichtleitfaser mit niedriger Doppelbrechung gebildet ist. Am Ende dieser Übertragungsstrecke 16 ist eine Wandlereinheit 20 angeschlossen. Anstelle einer polarisationsneutralen Lichtleitfaser kann auch eine sogenannte stark doppelbrechende polarisationserhaltende Fa- ser verwendet werden, mit der linear polarisiertes Licht, das parallel zu einer der beiden zueinander orthogonalen Polarisationsachsen der Lichtleitfaser polarisiert ist, unter Erhaltung seines Polarisationszustandes übertragen wird.Linearly polarized first light component Pa and unpolarized second light component Pb pass through the Faraday element 4 and are coupled at the output thereof via a plug-in or splice connection 14 into a transmission path 16 which does not influence the polarization state and is formed, for example, by an optical fiber with low birefringence laid without curvature. At the end of this transmission link 16, a converter unit 20 is connected. Instead of a polarization-neutral optical fiber, a so-called strongly birefringent polarization-maintaining fiber can also be used, with which linearly polarized light, which is polarized parallel to one of the two mutually orthogonal polarization axes of the optical fiber, is transmitted while maintaining its polarization state.
Der linear polarisierte erste Lichtanteil Pa erfährt im Faraday-Element in Abhängigkeit vom durch den elektrischen Strom IA erzeugten Magnetfeld eine Drehung seiner Polarisationsebene und wird als erster Lichtsignalanteil LSa aus dem Faraday-Element 4 ausgekoppelt. Der zweite in das Faraday-Ele- ment 4 eingekoppelte unpolarisierte Lichtanteil Pb wird in seinem Polarisationszustand durch das Faraday-Element 4 nicht beeinflußt und wird aus diesem als unpolarisierter zweiter Lichtsignalanteil LSb ausgekoppelt. Der erste und der zweite Lichtsignalanteil LSa und LSb werden in der Wandlereinheit 20 in einem wellenlängenselektiven Strahlteiler 22 optisch voneinander getrennt.The linearly polarized first light component Pa experiences a rotation of its polarization plane in the Faraday element as a function of the magnetic field generated by the electric current I A and is coupled out of the Faraday element 4 as the first light signal component LSa. The polarization state of the second unpolarized light component Pb coupled into the Faraday element 4 is not influenced by the Faraday element 4 and is coupled out of the latter as an unpolarized second light signal component LSb. The first and the second light signal components LSa and LSb are optically separated from one another in the converter unit 20 in a wavelength-selective beam splitter 22.
Aus dem ersten Lichtsignalanteil LSa wird in einem Analysa- tor 23 eine in einer vorgegebenen Polarisationsebene polari- sierte Komponente LSα erzeugt. Der Analysator 23 ist vorzugsweise unter 45° zur Polarisationsebene des in das Faraday-Element 4 eingekoppelten linear polarisierten ersten 10A component LSα polarized in a predetermined polarization plane is generated from the first light signal component LSa in an analyzer 23. The analyzer 23 is preferably at 45 ° to the plane of polarization of the linearly polarized first coupled into the Faraday element 4 10
Lichtanteil Pa angeordnet. Wird in der Übertragungsstrecke 16 eine polarisationserhaltende Lichtleitfaser verwendet, so muß eine ihrer beiden Polarisationsachsen mit der Orientierung der Analysatorachse des Analysators 23 zusammenfallen.Light portion Pa arranged. If a polarization-maintaining optical fiber is used in the transmission link 16, one of its two polarization axes must coincide with the orientation of the analyzer axis of the analyzer 23.
Die Komponente LSα und der zweite Lichtsignalanteil LSb werden jeweils in einem optoelektrischen Wandler 24a bzw. 24b in ein erstes bzw. ein zweites elektrisches Meßsignal Sa bzw. Sb umgewandelt. Das am Ausgang des optoelektrischen Wandlers 24a bzw. 24b anstehende gegebenenfalls entsprechend der Empfindlichkeit des Wandler 24a bzw. 24b für die unterschiedlichen Wellenlängen λa, λb korrigierte erste und zweite elektrische Meßsignal Sa bzw. Sb werden einer Auswerteeinrichtung, im Ausführungsbeispiel eine Dividiereinheit 26, zugeführt, die ein korrigiertes Meßsignal S durch Division des ersten Meßsignals Sa durch das zweite Meßsignal entsprechend der Gleichung S = Sa/Sb bildet. Dieses korrigierte Meßsignal S ist weitgehend unabhängig von den Dämpfungseigenschaften der in der Übertragungsstrecke enthaltenen optischen Komponenten, wobei vorausgesetzt ist, daß sich die durch Umgebungseinflüsse ergebende Änderung der Dämpfung bei den Wellenlängen λa und λb annähernd gleich ist.The component LSα and the second light signal component LSb are each converted in an optoelectric converter 24a or 24b into a first or a second electrical measurement signal Sa or Sb. The first and second electrical measurement signals Sa and Sb, which may be corrected at the output of the optoelectric converter 24a and 24b, are corrected according to the sensitivity of the converter 24a and 24b for the different wavelengths λa, λb. which forms a corrected measurement signal S by dividing the first measurement signal Sa by the second measurement signal according to the equation S = Sa / Sb. This corrected measurement signal S is largely independent of the damping properties of the optical components contained in the transmission path, it being assumed that the change in damping resulting from environmental influences is approximately the same at the wavelengths λa and λb.
Aus dem korrigierten Meßsignal S läßt sich auch bei Verwen- düng nur eines Analysators 23 unmittelbar der Polarisationsdrehwinkel α ermitteln, da zwischen der Intensität des linear polarisierten ersten Lichtanteils Pa und der Intensität des unpolarisierten zweiten Lichtanteils Pb eine feste Beziehung besteht, die durch die verwendeten Lichtquellen 12a und 12b vorgegeben ist. Das zweite Meßsignal Sb ist somit proportional der Intensität Ia des ersten Lichtsignalanteils Lsa, Sb = k»Ia, wobei k ein Proportionalitätsfaktor ist, der von den Intensitäten der Lichtanteile Pa und Pb abhängt. Das hinter dem Analysator 23 gemessene erste Meßsignal Sa ist dann proportional dem Quadrat des Kosinus der Winkeldifferenz zwischen dem Polarisationsdrehwinkel α und der Orientierung αΛ des Analysators 23 und der Intensität des ersten Licht- 11 signalanteils, Sa = p«cos2 (α-oc ) «Ia, wobei p ein weiterer Proportionalitätsfaktor ist. Somit läßt sich aus dem korrigierten Meßsignal S = (p/k) «cos2 (α-α ) unmittelbar der Polarisationsdrehwinkel α ermitteln.The polarization rotation angle α can be determined directly from the corrected measurement signal S even when only one analyzer 23 is used, since there is a fixed relationship between the intensity of the linearly polarized first light component Pa and the intensity of the unpolarized second light component Pb, which is due to the light sources used 12a and 12b is predetermined. The second measurement signal Sb is thus proportional to the intensity Ia of the first light signal component Lsa, Sb = k »Ia, where k is a proportionality factor that depends on the intensities of the light components Pa and Pb. The first measurement signal Sa measured behind the analyzer 23 is then proportional to the square of the cosine of the angle difference between the polarization rotation angle α and the orientation α Λ of the analyzer 23 and the intensity of the first light 11 signal component, Sa = p «cos 2 (α-oc)« Ia, where p is another proportionality factor. The corrected measurement signal S = (p / k) «cos 2 (α-α) thus enables the polarization rotation angle α to be determined directly.
In einer weiteren Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels können den Lichtquellen 12a und 12b auch Detektoren zugeordnet sein, die eventuelle relative Intensitätsschwankungen erfassen und zur der Ermittlung des korrekten Proportionalitäts- faktors k herangezogen werden.In a further embodiment of the exemplary embodiment, detectors can also be assigned to the light sources 12a and 12b, which detect possible relative intensity fluctuations and are used to determine the correct proportionality factor k.
Die Eigenschaften der polarisierenden Faser 10 sind anhand von FIG 2 näher erläutert, in der der Dämpfungsverlust D einer etwa 1,7 m langen polarisierenden Faser, wie sie bei- spielsweise unter der Bezeichnung FS-PZ-4616 der Firma 3M bezogen werden kann, gegen die Wellenlänge λ aufgetragen ist. Eine solche polarisierende Faser ist technisch gesehen eine stark degenerierte hochdoppelbrechende optische Faser, bei der bei einer bestimmten Wellenlänge einer der beiden Moden wesentlich stärker gedämpft ist als der andere. Bei einer hinreichend langen Faserlänge ist das Dämpfungsverhältnis so groß, daß die Faser als Polarisator wirkt. Dem Diagramm ist zu entnehmen, daß bei einer Wellenlänge λa von etwa 770 n die Dämpfung für den schnellen Mode f mehr als tausendmal so groß ist wie die Dämpfung für den langsamen Mode s. Aus einem in die polarisierende Lichtleitfaser 10 mit der Wellenlänge λa eingekoppelten Licht wird somit der schnelle Mode f herausgefiltert, so daß am Ausgang der polarisierenden Lichtleitfaser 10 nur noch der linear polarisierte langsame Mode s ausgekoppelt wird.The properties of the polarizing fiber 10 are explained in more detail with reference to FIG. 2, in which the attenuation loss D of an approximately 1.7 m long polarizing fiber, as can be obtained, for example, from 3M under the designation FS-PZ-4616 the wavelength λ is plotted. From a technical point of view, such a polarizing fiber is a highly degenerate, highly birefringent optical fiber, in which at a certain wavelength one of the two modes is attenuated much more than the other. With a sufficiently long fiber length, the damping ratio is so large that the fiber acts as a polarizer. The diagram shows that at a wavelength λa of approximately 770 n the damping for the fast mode f is more than a thousand times as great as the damping for the slow mode s. The fast mode f is thus filtered out of a light coupled into the polarizing optical fiber 10 with the wavelength λa, so that only the linearly polarized slow mode s is coupled out at the output of the polarizing optical fiber 10.
Zu der Wellenlänge λa gibt es nun zumindest eine Wellenlänge λb, die bei gleicher Länge der polarisierenden Lichtleitfasern 10 auch für beide Moden f und s eine praktisch vernach- lässigbare Dämpfung aufweist. Obwohl auch bei der Wellenlänge λb die Dämpfung für den langsamen Mode s um mehr als 1000 dB kleiner ist als für den schnellen Mode f, spielt dieser bei 12 der vorliegenden Länge der Lichtleitfaser 10 keine Rolle, da auch die Dämpfung des schnellen Modes f mit weniger als 0,2 dB praktisch vernachlässigbar ist. Ein in die polarisierte Lichtleitfaser 10 eingekoppeltes unpolarisiertes Licht mit der Wellenlänge λb wird somit am Ausgang der Lichtleitfaser als unpolarisiertes Licht ausgekoppelt.For the wavelength λa there is now at least one wavelength λb which, with the same length of the polarizing optical fibers 10, also has a practically negligible attenuation for both modes f and s. Although the attenuation for the slow mode s is also more than 1000 dB less for the fast mode f at the wavelength λb, the latter contributes 12 of the present length of the optical fiber 10 does not matter, since the damping of the fast mode f is practically negligible with less than 0.2 dB. An unpolarized light with the wavelength λb coupled into the polarized optical fiber 10 is thus coupled out at the output of the optical fiber as unpolarized light.
In der Ausführungsform gemäß FIG 3 ist der Analysator 23 vor dem wellenlängenselektiven Strahlteiler 22 angeordnet. Dieser kann, wie im Ausführungsbeispiel der Figur gezeigt, unmittelbar vor dem wellenlängenselektiven Strahlteiler 22 angeordnet sein. In diesem Fall ist zwischen dem Faraday-Element 4 und dem Strahlteiler 22 eine polarisationsneutrale oder polarisa- tionserhaltende Übertragungsstrecke 16 erforderlich. Alterna- tiv kann jedoch der Analysator 23 unmittelbar hinter dem Faraday-Element 4 angeordnet sein. In diesem Fall kann die Übertragungsstrecke 16 zur Wandlereinheit 20 mit einer normalen Standard-Lichtleitfaser aufgebaut werden. Außerdem kann auch der wellenlängenselektive Filter 22 unmittelbar hinter dem Faraday-Element 4 angeordnet sein, so daß die Wandlereinheit nur noch aus den optoelektrischen Wandlern und den diesen zugeordneten elektrischen Komponenten besteht.In the embodiment according to FIG. 3, the analyzer 23 is arranged in front of the wavelength-selective beam splitter 22. As shown in the exemplary embodiment of the figure, this can be arranged directly in front of the wavelength-selective beam splitter 22. In this case, a polarization-neutral or polarization-maintaining transmission link 16 is required between the Faraday element 4 and the beam splitter 22. Alternatively, however, the analyzer 23 can be arranged directly behind the Faraday element 4. In this case, the transmission path 16 to the converter unit 20 can be set up with a normal standard optical fiber. In addition, the wavelength-selective filter 22 can also be arranged directly behind the Faraday element 4, so that the converter unit only consists of the optoelectric converters and the electrical components assigned to them.
Gemäß FIG 4 ist in der Übertragungsstrecke vom Faraday-Ele- ment 4 zum wellenlängenselektiven Strahlteiler 22 eine polarisierende Lichtleitfaser 102 vorgesehen, die baugleich der Lichtleitfaser 10 ist und sich von dieser lediglich hinsichtlich der Orientierung ihrer Polarisationsachsen unterscheidet. Diese Lichtleitfaser 102 wirkt dann als Analysator und ersetzt den Analysator 23 gemäß Figuren 1 und 3. According to FIG. 4, a polarizing optical fiber 102 is provided in the transmission path from the Faraday element 4 to the wavelength-selective beam splitter 22, which is identical in construction to the optical fiber 10 and differs from it only in the orientation of its polarization axes. This optical fiber 102 then acts as an analyzer and replaces the analyzer 23 according to FIGS. 1 and 3.

Claims

13 Patentansprüche 13 claims
1. Verfahren zum Messen eines Magnetfeldes mit Hilfe des Faraday-Effektes, bei dem in ein im Magnetfeld angeordnetes Fa- raday-Element (4) Licht eingekoppelt wird, das einen linear polarisierten ersten Lichtanteil (Pa) mit einer ersten Wellenlänge und einen unpolarisierten zweiten Lichtanteil (Pb) mit einer davon verschiedenen zweiten Wellenlänge aufweist, wobei ein aus dem Faraday-Element (4) ausgekoppeltes Lichtsi- gnal optisch in einen ersten Lichtsignalanteil (LSa) mit der ersten Wellenlänge und einen zweiten Lichtsignalanteil (LSb) mit der zweiten Wellenlänge aufgeteilt wird, und wobei aus dem ersten Lichtsignalanteil (LSa) ein erstes Meßsignal (Sa) und aus dem zweiten Lichtsignalanteil (LSb) ein zweites Meß- signal (Sb) abgeleitet und zur Bildung eines korrigierten Meßsignals S verwendet werden.1. Method for measuring a magnetic field using the Faraday effect, in which light is coupled into a Faraday element (4) arranged in the magnetic field, which has a linearly polarized first light component (Pa) with a first wavelength and an unpolarized second one Has a light component (Pb) with a different second wavelength, a light signal decoupled from the Faraday element (4) optically divided into a first light signal component (LSa) with the first wavelength and a second light signal component (LSb) with the second wavelength and a first measurement signal (Sa) is derived from the first light signal component (LSa) and a second measurement signal (Sb) is derived from the second light signal component (LSb) and is used to form a corrected measurement signal S.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das korrigierte Meßsignal S durch Division des ersten Meßsignals (Sa) durch das zweite Meßsignal (Sb) gebildet wird.2. The method according to claim 1, wherein the corrected measurement signal S is formed by dividing the first measurement signal (Sa) by the second measurement signal (Sb).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Linearpolarisation des ersten Lichtanteils (Pa) in einer polarisierenden Lichtleitfaser (10) erzeugt wird, die in einer Übertra- gungsstrecke zum Faraday-Element (4) diesem vorgeschaltet ist.3. The method according to claim 1 or 2, wherein the linear polarization of the first light component (Pa) is generated in a polarizing optical fiber (10) which is connected upstream in a transmission path to the Faraday element (4).
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem in die Übertragungsstrecke zum Faraday-Element (4) Licht eingekoppelt wird, das einen ersten Anteil (La) mit der ersten Wellenlänge und einen zweiten Anteil mit der zweiten Wellenlänge (Lb) aufweist, die gemeinsam in der polarisierenden Lichtleitfaser (10) zum Faraday-Element (4) übertragen werden.4. The method according to claim 3, in which light is coupled into the transmission path to the Faraday element (4), which has a first component (La) with the first wavelength and a second component with the second wavelength (Lb), which together in the polarizing optical fiber (10) to the Faraday element (4) are transmitted.
5. Einrichtung zum Messen eines Magnetfeldes mit Hilfe des5. Device for measuring a magnetic field using the
Faraday-Effektes, mit einem Faraday-Element (4) und einer dem Faraday-Element (4) vorgeschalteten Einrichtung (10) zum Er- 14 zeugen von Licht, das einen linear polarisierten ersten Lichtanteil (Pa) mit einer ersten Wellenlänge und einen unpo- larisierten zweiten Lichtanteil (Pb) mit einer davon verschiedenen zweiten Wellenlänge aufweist, und mit einer dem Faraday-Element (4) nachgeschalteten Einrichtung (20) zum Empfangen und Analysieren des aus dem Faraday-Element ausgekoppelten Lichtsignals, die einen wellenlängenselektiven Strahlteiler (22) zum Aufteilen dieses Lichtsignals in einen ersten Lichtsignalanteil (LSa) mit der ersten Wellenlänge und einen zweiten Lichtsignalanteil (LSb) mit der zweiten Wellenlänge, eine Empfangseinheit (24a, 24b) zum Bilden eines aus dem ersten Lichtsignalanteil (LSa) abgeleiteten ersten Meßsignals (Sa) und eines aus dem zweiten Lichtsignalanteil (LSb) abgeleiteten zweiten Meßsignals (Sb) und eine Auswerte- einheit (26) zum Bilden eines korrigiertes Meßsignals (S) aus dem ersten und zweiten Meßsignal (Sa und Sb) enthält.Faraday effect, with a Faraday element (4) and a device (10) upstream of the Faraday element (4) for detecting 14 produce light which has a linearly polarized first light component (Pa) with a first wavelength and an unpolarized second light component (Pb) with a different second wavelength, and with a device (20) connected downstream of the Faraday element (4) ) for receiving and analyzing the light signal coupled out from the Faraday element, which has a wavelength-selective beam splitter (22) for splitting this light signal into a first light signal component (LSa) with the first wavelength and a second light signal component (LSb) with the second wavelength (24a, 24b) for forming a first measurement signal (Sa) derived from the first light signal component (LSa) and a second measurement signal (Sb) derived from the second light signal component (LSb) and an evaluation unit (26) for forming a corrected measurement signal ( S) from the first and second measurement signals (Sa and Sb).
6. Einrichtung nach Anspruch 5, bei dem die Auswerteeiπrich- tung (26) zur Division des ersten durch das zweite Meßsignal vorgesehen ist.6. Device according to claim 5, in which the evaluation device (26) is provided for dividing the first by the second measurement signal.
7. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei dem zur Linearpolarisation des ersten Lichtanteils (La) eine in einer Über- tragungsstrecke zum Faraday-Element (4) diesem vorgeschaltete polarisierende Lichtleitfaser (10) vorgesehen ist.7. Device according to claim 6 or 7, in which a polarizing optical fiber (10) connected upstream of this is provided in a transmission path to the Faraday element (4) for linear polarization of the first light component (La).
8. Einrichtung nach Anspruch 7, mit einer Lichtquelle (12) zum Erzeugen von Licht, das einen ersten Anteil (La) mit der ersten Wellenlänge und einen zweiten Anteil (Lb) mit der zweiten Wellenlänge aufweist.8. Device according to claim 7, with a light source (12) for generating light, which has a first portion (La) with the first wavelength and a second portion (Lb) with the second wavelength.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, bei der die polarisierende Lichtleitfaser (10) als Teil der Übertragungsstrecke zum gemeinsamen Übertragen des ersten und des zweiten Anteils (La, Lb) zum Faraday-Element (4) vorgesehen ist. 9. Device according to claim 8, in which the polarizing optical fiber (10) is provided as part of the transmission path for the joint transmission of the first and the second portion (La, Lb) to the Faraday element (4).
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