WO1998012567A1 - Nach dem prinzip des pockels-effekt arbeitende optische messvorrichtung für elektrische feldstärke-/spannungsmessung mit minimaler temperaturabhängigkeit - Google Patents

Nach dem prinzip des pockels-effekt arbeitende optische messvorrichtung für elektrische feldstärke-/spannungsmessung mit minimaler temperaturabhängigkeit Download PDF

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Bernd SCHÖNMÜLLER
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to an optical device with electrical birefringence for measuring electrical voltages or field strengths.
  • Voltage measuring devices of this type are known from e.g. B. DE-C 3 404 608, EP-B 0 083 196 and EP-A 0 458 255. These documents give the technological background and references to constructive designs of such a voltmeter working on the principle of the Pockels effect with electro-optical birefringence. Such voltmeters are preferably used for the range of medium and high voltages, the possibility of optical signal transmission being used for the purpose of electrical isolation from the ground / neutral potential.
  • an electro-optically active element a selected crystal body
  • the electrical field to be measured or the electrical voltage is exposed to the electrical field to be measured or the electrical voltage.
  • Electrical field effects on the material of the crystal body lead to electrically induced birefringence, which is dependent on the degree of the electrical field strength effective in the crystal material in question.
  • Such a Pockels element is inserted in the usual relevant optical measuring devices in a series connection with a circular polarizer and a polarizing radiation splitter as an analyzer.
  • a measuring light beam with linear polarization or which has been linearly polarized for circular polarization, is allowed to pass through a 90 ° phase shifter, through the Pockels element and the analyzer.
  • the Trooptic birefringence effect occurs when an electric field in the Pockels element acts on the field strength-dependent birefringence of the measuring light beam passing through it, whereby generally elliptically polarized light emerges from the Pockels element.
  • the analyzer divides the components of the polarization into two partial light beams, the light intensity of which is generally different from one another and is a measure of the electrical field strength prevailing in the Pockels element or the electrical voltage applied to this element.
  • Optoelectronic implementation with corresponding detectors and electronic further processing of the intensity signals in a respective manner are known.
  • the object of the present invention is to provide a measure with which a substantially higher temperature independence can be achieved for a measuring device as described above.
  • this object is achieved in that the conventional ⁇ / 4 plate as a 90 ° phase shifter is replaced by another phase shifter.
  • this phase shifter used according to the invention is a (centuries-old) known Fresnel rhombus. The phase shift through a Fresnel's rhombus is almost independent of the wavelength over a large range (see eg Eugene Hecht, optics).
  • Figure 1 shows a structure of a device with Fresnel's rhombus.
  • Figure 2 shows the rhombus.
  • Figure 3 shows the result of the invention.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a measuring device 1 according to the invention with the Fresnel rhombus 14, the Pockels element 15, the analyzer 17 and a linear polarizer 11. The latter is provided if the measuring light radiation 12 is not already linearly polarized Radiation into the Fresnel 'see diamond 14 entering. With 17 ⁇ _ and 172 are the partial beams emerging from the analyzer 17.
  • FIG. 2 shows a side view of the otherwise known Fresnel rhombus 14 with its basic beam path with double internal total reflection at points 111 and 211 on the respective inner surface of the rhombus.
  • a Fresnel rhombus is a body made of glass with appropriately aligned entry and exit surfaces for the measurement / light radiation 12.
  • the parallel-axial displacement of the beam path that occurs in contrast to a ⁇ / 4 circulator in the Fresnel rhombus is with the constructive one Structure of the measuring device to be considered ( Figure 1).
  • FIG. 3 shows the progress of the invention on the basis of a
  • the temperature dependency in curve 22a is therefore predominantly given by the temperature dependence of the optical activity and by the Pokel effect of the crystal and can be determined by a improvement of the temperature dependency of the phase shifter can practically not be undercut.
  • the constant temperature achieved according to the invention is generally completely sufficient for practice.

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Abstract

In einer optischen Meßvorrichting für elektrische Felder/Spannungen mit elektrisch optischer Doppelbrechung (Pockels-Effekt) ist als Zirkularpolarisator μ/2-Phasenschieber ein Fresnel'scher Rhombus (14) verwendet.

Description

Beschreibung
Nach dem Prinzip des Pockels-Effekt arbeitende optische Meßvorrichtung für elektrische Feldstärke-/Spannungsmessung mit minimaler Temperaturabhängigkeit
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mit elektrischer Doppelbrechung arbeitende optische Vorrichtung zur Messung elektrischer Spannungen bzw. Feldstärken.
Spannungs-Meßvorrichtungen dieser Art sind bekannt aus z. B. DE-C 3 404 608, EP-B 0 083 196 und EP-A 0 458 255. Diese Druckschriften geben den technologischen Hintergrund und Hinweise auf konstruktive Ausführungen eines solchen nach dem Prinzip des Pockels-Effekts mit elektrooptischer Doppelbrechung arbeitenden Spannungsmessers. Solche Spannungsmesser werden vorzugsweise für den Bereich von Mittelspannungen und Hochspannungen verwendet, wobei die Möglichkeit optischer Signalübertragung zum Zwecke der elektrischen Isolation gegen- über dem Masse-/Nulleiterpotential genutzt wird.
Bei Meßvorrichtungen der einschlägigen Art ist ein elektroop- tisch aktives Element, ein ausgewählter Kristallkörper, dem zu messenden elektrischen Feld bzw. der elektrischen Spannung ausgesetzt. Elektrische Feldeinwirkung auf das Material des Kristallkörpers führt zu elektrisch induzierter Doppelbrechung, die abhängig ist vom Maß der im betreffenden Kristallmaterial wirksamen elektrischen Feldstärke.
Ein solches Pockels-Element ist in den üblichen einschlägigen optischen Meßvorrichtungen in eine Reihenschaltung mit einem Zirkularpolarisator und einem polarisierenden Strahlungsteiler als Analysator eingefügt. Man läßt in einer solchen Vorrichtung einen Meß-Lichtstrahl mit linearer Polarisation, bzw. der linear polarisiert worden ist zur zirkulären Polarisation durch einen 90°-Phasenschieber, durch das Pockels- Element und den -Analysator hindurchtreten. Infolge des elek- trooptischen Doppelbrechungseffekts erfolgt bei Einwirkung eines elektrischen Feldes im Pockels-Element eine feldstärkeabhängige Doppelbrechung des hindurchtretenden Meß- LichtStrahls, wodurch im allgemeinen elliptisch polarisiertes Licht aus dem Pockels-Element austritt. Im Analysator erfolgt eine von den Komponenten der Polarisation abhängige Aufteilung in zwei Teillichtstrahlen, deren voneinander im allgemeinen verschieden hohe Lichtintensität ein Maß für die im Pockels-Element herrschende elektrische Feldstärke bzw. die an diesem Element anliegende elektrische Spannung ist. Optoelektronische Umsetzung mit entsprechenden Detektoren und elektronische Weiterverarbeitung der Intensitätssignale in jeweiliger Art und Weise sind bekannt.
Für die bei einer solchen bekannten Vorrichtung notwendige
Erzeugung der Zirkularpolarisation des in das Pockels-Element eintretenden Lichεtrahls werden prinzipiell λ/4-Plättchen verwendet, die für die in das Plättchen eintretende Lichtstrahlung π/2 -Phasenverschiebung haben. Das in das λ/4- Plättchen eingetretene linearpolarisierte Licht verläßt dieses Plättchen zirkularpolarisiert. Ein solches λ/4-Plättchen ist frequenzselektiv wirksam und seine temperaturabhängige Änderung der optischen Eigenschaften führt zu erheblicher Temperaturabhängigkeit einer solchen Meßvorrichtung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme anzugeben, mit der eine wesentlich höhere Temperaturunabhängigkeit für eine wie oben beschriebene Meßeinrichtung zu erzielen ist.
Es sind zahlreiche Vorschläge bekannt geworden, wie durch Maßnahmen spezieller elektronischer Auswertung der Intensitätssignale der erwähnten zwei Teillichtstrahlen des Analysa- tors diese Aufgabe wenigstens teilweise befriedigend gelöst werden könnte. Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das übliche λ/4-Plättchen als 90°-Phasenschieber durch einen anderen Phasenschieber ersetzt wird. Anspruchsgemäß ist dieser gemäß der Erfindung eingesetzte Phasenschieber ein (jahr- hundertalter) bekannter Fresnel ' scher Rhombus. Die Phasenverschiebung durch einen Fresnel ' sehen Rhombus ist über einen großen Bereich nahezu unabhängig von der Wellenlänge (siehe z.B. Eugene Hecht, Optik).
Erfindungsgemäß ist festgestellt worden, daß der ansich technisch aufwendigere Fresnel ' sehe- Rombus mit so großem Vorteil, daß der technische Mehraufwand gerechtfertigt ist, zu verwenden ist, nämlich um die Temperaturabhängigkeit einer wie eingangs angegebenen elektrooptischen Spannungsmeßvorrichtung um Größenordnungen geringer zu machen, als dies bei bekannten Anordnungen der Fall ist.
Es war überraschend festzustellen, daß mit dem Fresnel ' sehen Rhombus eine solche Temperaturunabhängigkeit einer entspre- chend erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zu erreichen ist, daß die verbleibende Temperaturabhängigkeit bereits in der Größenordnung liegt, die durch die sonstigen optischen Elemente, insbesondere das Pockels-Element, als untere Grenze gegeben ist .
Figur 1 zeigt einen Aufbau einer Vorrichtung mit Fresnel 'schem Rhombus. Figur 2 zeigt den Rhombus . Figur 3 zeigt das Ergebnis der Erfindung.
Die Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 1 mit dem Fresnel ' sehen Rhombus 14, dem Pockels-Element 15, dem Analysator 17 und einem Linear- Polarisator 11. Letzterer ist dann vorgesehen, wenn die Meß- Lichtstrahlung 12 nicht bereits als linearpolarisierte Strahlung in den Fresnel ' sehen Rhombus 14 eintritt. Mit 17ι_ und 172 sind die aus dem Analysator 17 austretenden Teilstrahlen bezeichnet .
Wie bereits oben erwähnt, ersetzt der Fresnel 'sehe Rhombus 14 in der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung das ansonsten übliche λ/4-Plättchen.
Die Figur 2 zeigt eine Seitenansicht des ansonsten an sich bekannten Fresnel ' sehen Rhombus 14 mit seinem prinzipiellen Strahlengang mit doppelter interner Totalreflektion an den Stellen 111 und 211 an der jeweiligen Innenfläche des Rhombus. Ein solcher Fresnel 'scher Rhombus ist ein aus Glas hergestellter Körper mit entsprechend ausgerichteten Eintrittsund Austrittsflachen für die Meß- /Lichtstrahlung 12. Der im Gegensatz zu einem λ/4-Zirkulator beim Fresnel 'sehen Rhombus auftretende parallel-achεiale Versatz des Strahlenweges ist beim konstruktiven Aufbau der Meßvorrichtung zu berücksichtigen (Figur 1) .
Die Figur 3 zeigt den Fortschritt der Erfindung anhand eines
Diagramms . Auf der Abzisse ist die gemessene elektrische Feldstärke (positive und negative Richtung) aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Temperaturfehler in Prozenten angegeben, und zwar für eine Temperaturänderung von 60°. Die Kurve 21 gilt für eine Anordnung mit einem λ/4-Plättchen nullter Ordnung aus Quarz. Die Temperaturabhängigkeit der Phasendrehung beträgt in diesem Fall etwa 0,036 Grad/K. Den erfindungsgemäßen Fortschritt zeigen die Kurven 22a und 22b. Die Kurve 22b zeigt die Temperaturabhängigkeit des Pockels-Kristalls al- leingenommen. Die Kurve 22a zeigt die Temperaturabhängigkeit des Kristalls und des Rhombus zusammengenommen, d.h. die der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit 0,0003 Grad/K. Diese Temperaturabhängigkeit ergibt sich für nahezu alle gängigen Glassorten (siehe auch Schott-Katalog). Die Temperaturabhängig- keit in Kurve 22a ist also überwiegend durch die Temperaturabhängigkeit der optischen Aktivität und durch die des Pok- kels-Effekts des Kristalls gegeben und kann durch eine Ver- besserung der Temperaturabhängigkeit des Phasenschiebers praktisch nicht mehr unterschritten werden. Die erfindungsgemäß erreichte Temperaturkonstanz ist im übrigen für die Praxis generell völlig ausreichend.

Claims

Patentanspruch
Optische Meßvorrichtung für elektrische Felder/Spannungen mit Nutzung des elektrooptischen Pockels-Effektε, wobei diese Meßvorrichtung im Strahlengang (12) der optischen Meßstrahlung zusätzlich zu einem elektrooptisch doppelbrechenden Kristall (15) und einem optischen Analysator (17) eine Einrichtung (14) zur Erzeugung zirkularer Polarisation der Strahlung (12) umfaßt, gekennzeichnet dadurch daß diese Einrichtung (14) ein im Strahlengang (12) der Meßvorrichtung angeordneter, vorliegende lineare Polarisation der Meßstrahlung (12) in zirkuläre Polarisation umwandelnder Fresnel ' scher Rhombus (14) ist.
PCT/DE1997/001992 1996-09-20 1997-09-08 Nach dem prinzip des pockels-effekt arbeitende optische messvorrichtung für elektrische feldstärke-/spannungsmessung mit minimaler temperaturabhängigkeit WO1998012567A1 (de)

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