WO1998038517A1 - Circuit to measure electrical measurement variables by means of light signals of differing wavelengths - Google Patents

Circuit to measure electrical measurement variables by means of light signals of differing wavelengths Download PDF

Info

Publication number
WO1998038517A1
WO1998038517A1 PCT/DE1998/000465 DE9800465W WO9838517A1 WO 1998038517 A1 WO1998038517 A1 WO 1998038517A1 DE 9800465 W DE9800465 W DE 9800465W WO 9838517 A1 WO9838517 A1 WO 9838517A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
measurement
light
signal
measuring
signals
Prior art date
Application number
PCT/DE1998/000465
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ottmar Beierl
Thomas Bosselmann
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to EP98912255A priority Critical patent/EP0963557A1/en
Publication of WO1998038517A1 publication Critical patent/WO1998038517A1/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/247—Details of the circuitry or construction of devices covered by G01R15/241 - G01R15/246
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/245—Adaptations 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
    • G01R15/246—Adaptations 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

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for measuring an electrical measured variable in the form of an electrical current and / or an electrical voltage in a predetermined measuring range.
  • Optical measuring arrangements for measuring an electrical current in a current conductor are known which are based on the magneto-optical Faraday effect and are therefore also referred to as magneto-optical current transformers.
  • a magneto-optical current transformer linearly polarized measuring light is transmitted through a Faraday element which is arranged in the vicinity of the current conductor and which consists of an optically transparent material which shows the Faraday effect.
  • the magnetic field generated by the current causes the plane of polarization of the measuring light to rotate by an angle of rotation p which is proportional to the travel integral over the magnetic field along the path covered by the measuring light.
  • the proportionality constant is called the Verdet constant V.
  • the Verdet constant V generally depends on the material and the temperature of the Faraday element and on the wavelength of the measuring light used. In general, the Faraday element surrounds the current conductor, so that the measuring light practically closes the current conductor
  • the Faraday rotation angle p is determined polarimetrically by a polarization analysis of the measurement light that has passed through the Faraday element in order to obtain a measurement signal for the electrical current. A single-channel polarization evaluation and a two-channel polarization evaluation are known for polarization analysis.
  • a magneto-optical current transformer includes Means for linear polarization of measuring light (polarizer), a Faraday element and means for polarization analysis, which are optically connected in series with one another and are summarized below under the term “optical converter element”.
  • the measuring light is passed to a polarizer as an analyzer after passing through the Faraday element and the measuring light transmitted by the polarizer is converted into an electrical signal as a measuring signal S by a photoelectric converter.
  • This measurement signal S corresponds to the light intensity of the light component of the measurement light projected onto the polarization axis (transmission axis) of the polarizer and has neglecting influences such as temperature changes and vibrations the general form
  • S 0 is the constant maximum amplitude of the measurement signal S, which corresponds to the case when the polarization plane of the measurement light is parallel to the polarization axis of the polarizer
  • the measuring light is broken down by an analyzer after passing through the Faraday element into two linearly polarized light components L1 and L2 with polarization planes oriented perpendicular to one another.
  • Polarizing beam splitters such as, for example, a Wollaston prism or a simple beam splitter with two downstream polarizers, are used as analyzers
  • Polarization axes are rotated relative to one another by ⁇ / 2 or 90 °, respectively.
  • Both light components L1 and L2 are each converted by an assigned photoelectric converter into an electrical intensity signal T1 or T2, which is proportional to the light intensity of the respective light components L1 and L2.
  • T1 or T2 is proportional to the light intensity of the respective light components L1 and L2.
  • T (Tl - T2) / (T1 + T2) (3) formed, which corresponds to the quotient of a difference and the sum of the two intensity signals T1 and T2 (WO 95/10046).
  • This measurement signal T is the same when neglecting interference
  • the measurement signal S according to equation (1) or T according to equation (4) is therefore a periodic, sinusoidal function of the double angle of rotation 2p with the period ⁇ . So it applies
  • the measuring signals S and T of a polarimetric magneto-optical current transformer are only greater than a maximum ⁇ / 2 (or 90 ° ) large angular range for the measuring angle p are unique functions of the measuring angle p.
  • the known polarimetric magneto-optical current transformers are therefore only those electrical currents which can be clearly measured in a current measuring range corresponding to the maximum ⁇ / 2 (or 90 °) for the measuring angle p (current measuring interval, measuring ranks)) MR of the interval length
  • the current measuring range MR is maximum according to equation (1)
  • the measuring sensitivity MS corresponds to the slope of the characteristic of the magneto-optical current transformer at an operating point and is the same in the case of single-channel evaluation according to equation (2)
  • a magneto-optical current transformer is known from EP-B-0 088 419, in which two Faraday glass rings are arranged parallel to one another around a common current conductor, which consist of Faragay materials with different Verdet constants and thus each have different current measuring ranges exhibit.
  • Each Faraday glass ring is assigned a transmitter unit for transmitting linearly polarized measurement light into the glass ring and a two-channel evaluation unit for calculating a respective measurement signal for the respective Faraday rotation angle.
  • the two measurement signals of the two evaluation units are fed to an OR gate, which determines a maximum signal from the two measurement signals. This maximum signal is used to switch between the measuring ranges of the two glass rings.
  • Different measuring ranges of the two glass rings can also be achieved with the same glass material for both glass rings by using measuring light of different wavelengths. The wavelength dependence of the Faraday rotation is used.
  • an azero optical measuring arrangement with a first magneto-optical current transformer for measuring nominal currents and with a second magneto-optical current transformer for measuring overcurrents is known.
  • the first current transformer for measuring nominal currents contains an optical monomode fiber which surrounds the current conductor in the form of a measuring winding with N turns. Linearly polarized light passes through the measuring winding, is reflected back into the fiber by a mirror and the measuring winding runs in the opposite direction a second time (reflection type).
  • the Faraday angle of rotation is doubled, while the undesirable temperature-dependent effects of the circular birefringence of the fiber material just stand out.
  • the second magneto-optical current transformer provided for protection purposes also comprises a single-mode fiber which surrounds the current conductor in the form of a measuring winding with a measuring winding.
  • the second current transformer is of the transmission type, ie the linearly polarized measuring light is subjected to a polarization analysis after passing through the measuring winding only once.
  • a magneto-optical current converter is known in 208 593, in which linearly polarized measuring light is passed through a beam splitter into two partial light signals after passing through a Faraday optical fiber surrounding a current conductor, and each of these partial light signals is fed to an analyzer.
  • the natural axes of the two analyzers are directed at an angle of 0 ° or 45 ° to the coupling polarization of the measuring light. This gives a first, sinusoidal signal at the output of one analyzer and a second, cosine-shaped signal at the output of the other analyzer. These two signals are ambiguous, oscillating functions of the current in the current conductor, which are phase-shifted by an angle of 90 °.
  • a unique measurement signal is now put together by comparing the sign and the amounts of the measured values of the first, sinusoidal signal and the second, cosine-shaped signal. Once the sine and cosine amounts are equal, i.e. with an integer
  • a Faraday element for deriving two different measurement signals le derived for the measurand.
  • a Faraday element is constructed in such a way that the measured signal determined is a function of the measured variable that is unambiguous in a predetermined measuring range.
  • a second Faraday element is designed in such a way that the resulting measurement signal is an essentially periodic function of the measurement variable. From the two derived measurement signals, a third measurement signal can then be put together for the measurement variable, that in the specified measurement range it is a clear function of the measurement variable and has at least the same measurement resolution as the second measurement signal. Since this is a non-incremental method, the current transformer described also behaves uncritically against a failure of the electronics. However, the method requires a very complex arrangement, since the optical converter unit of the current converter is constructed with two Faraday elements.
  • the invention is based on the object of specifying a simplified arrangement for measuring an electrical measured variable in a predetermined measuring range and in particular for measuring an electrical current and / or an electrical voltage in a current conductor in a predetermined current and / or voltage measuring range which a high measurement resolution is achieved, and which is insensitive to temporary failures of the electronics.
  • Light signals in an optical transducer element with wavelength-dependent measurement sensitivity c) means for wavelength-selective optoelectric conversion of at least one output measurement light signal of the optical transducer element into first and further electrical signals that can be assigned to the different wavelengths, d) a first evaluation unit that consists of the first electrical signals generates the first measuring signal, the first measuring signal in the predetermined measuring range being a clear function of the measured variable, e) at least one further evaluation unit which generates at least one further measuring signal from the further electrical signals, the at least one further measuring signal in the predetermined measuring range is a non-unique function of the measured variable.
  • the invention is based on the finding that the material constant, which describes the influence of the measured variable on the / light signal, is wavelength-dependent.
  • the Verdet constant decreases approximately with the square of the wavelength. This dependence of the Faraday effect on the wavelength is now being exploited by using light signals with very different
  • Wavelengths preferably simultaneously in a common Feeds the Faraday element.
  • the short-wave signal component experiences four times as strong a Faraday rotation when passing through the Faraday element as the long-wave signal component.
  • a measurement signal for the measurement variable is derived separately for each wavelength.
  • the first derived measurement signal covers a measurement range that is approximately four times as large as the second measurement signal, while the second measurement signal provides a measurement sensitivity or measurement resolution that is approximately four times that of the first measurement signal.
  • the arrangement has the advantage that an optical transducer element with only one Faraday element is sufficient to obtain two measurement signals with two different measurement sensitivities for the measured variable.
  • the use of more than two wavelengths is also possible.
  • the wavelengths of the light sources used are preferably precisely matched so that, in a predetermined measuring range, the first measurement signal derived in a first evaluation unit from a first wavelength component of the output measurement light signal is a clear function of the measured variable, and that the further measurement units formed in further evaluation units from further wavelength components of the output measurement light signal Measurement signals are ambiguous, in particular periodic functions of the measured variable.
  • a calculation unit determines a total measurement signal from the measurement signals of the evaluation units. This sum measurement signal combines the advantageous properties of the measurement signals from the evaluation units in a single signal. That's how it is
  • Sum measurement signal on the one hand a clear function of the measured variable in the given measurement range and on the other hand has at least the same measurement resolution as the measurement signal fed into the calculation unit with the highest measurement resolution.
  • the sum measurement signal can also have a measurement resolution that is up to 10% worse than the measurement signal with the highest measurement resolution.
  • the evaluation units for generating the measurement signals and the accounting unit for generating the sum measurement signal are combined into a single processing unit. This saves space and costs.
  • this processing unit e.g. Means for digitizing the electrical signals as well
  • Digital signal processing means e.g. at least one digital signal processor.
  • the optical transducer element also contains a solid magneto-optical glass ring Faraday effect and multi-mode optical waveguide for beam guidance.
  • the natural band edge spacing of semiconductor materials is used to split up the different wavelength components of the measuring light.
  • the band edge spacing essentially determines the wavelength dependence of the sensitivity of semiconductor detectors, e.g. of photodiodes.
  • the separating or filtering means coincide with the optoelectronic (“OE”) converters of the evaluation units. If different semiconductor materials are selected appropriately, only one of the wavelengths used falls within the sensitivity range of a semiconductor detector.
  • the detectors can over In this embodiment, there is no need to use additional optical elements for wavelength-selective separation, such as interference or edge filters.
  • a two-channel polarization evaluation is provided. Two partial light signals are then available for processing and evaluation for each wavelength component of the output measurement light signal.
  • all known methods for error correction of the derived measured variables such as intensity normalization, vibration compensation and temperature compensation, can be used.
  • a single-channel polarization evaluation can also be provided.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an arrangement according to the invention with a glass ring operated in transmission mode as a Faraday element and single-channel polarization evaluation
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment with two-channel polarization evaluation, separate evaluation units for the different wavelength components and a calculation unit,
  • FIG. 1 shows a light source LQ1 and a second light source LQ2, which emit light signals LSI and LS2 of different wavelengths.
  • the light signals LSI and LS2 are combined to form a common input measurement light signal L, which is fed on the input side into an optical converter element denoted by 9.
  • the converter element 9 usually contains a polarizer 11 for linear polarization of the input measurement light signal L, a Faraday element 10 with a wavelength-dependent one
  • the optical converter element 9 contains an analyzer 13 for polarization evaluation of the input measurement light signal L, which after passing through the Faraday element 10 has a Faraday rotation of the polarization state.
  • the Faraday element 10 can be operated in transmission or also in reflection; a single-channel or also a two-channel polarization evaluation can be provided. In the exemplary embodiment in FIG.
  • a glass ring is provided as a Faraday element 10, which is operated in transmission with a single-channel evaluation.
  • the optical paths for the supply of the input measurement light signal L to the optical converter element 9 and the forwarding of an output measurement light signal La emerging from the optical converter element 9 to a reception and evaluation unit can be designed as a single-mode optical waveguide or as a multimodelic waveguide. In the exemplary embodiment in FIG. 1, multimode optical waveguides are used. Compared to single-mode optical fibers, this has the advantage of lower transmission losses.
  • Means which split the output measurement light signal La coming from the optical converter element 9 into partial light signals, the wavelengths of which correspond to those of the light signals LSI and LS2 on the input side, and these
  • these means can optical filter elements, such as interference or edge filter, each with downstream detectors with the wavelengths of the input signals LSI and LS2 adapted sensitivity ranges.
  • the output measurement light signal La coming from the optical converter element 9 is split into partial light signals by the optical filter elements.
  • the partial light signals are fed to separate detectors and converted into the first and second electrical signals Sl ⁇ and S2 ⁇ .
  • the electrical signals Sl ⁇ and S2 ⁇ obtained can then be processed and evaluated in a known manner in an evaluation unit.
  • filter and optoelectric detection functions are integrated in one component.
  • the band edge spacing of these materials can be used as a natural filter element.
  • Silicon (Si) detectors have a significant sensitivity to light in the range from 500 to 1000 nanometers
  • indium gallium phosphide (InGaP) detectors in the range from 850 to 1600 nanometers.
  • Semiconductor light sources such as gallium aluminum arsenide (GaAlAs) diodes commercially emit at 630 nanometers, 670 nanometers, 780 nanometers and between 800 and 850 nanometers.
  • Commercial InGaP diodes emit at wavelengths of 1300 nanometers and 1550 nanometers.
  • the output measuring light signal La of the optical converter element 9 is fed to two semiconductor detectors 21 and 31 via a fiber coupler 4.
  • the coming from the optical converter element 9 gangsmeßlichtsignal La is divided by the fiber coupler 4 in partial light signals at least approximately the same intensity.
  • at least approximately the same intensity of the partial light signals is to be understood as a maximum deviation of 20% from exactly the same partial intensities.
  • This upper limit corresponds to two resulting partial light signals with intensities of 30% and 70% of the sum of both partial intensities.
  • the intensities of the partial light signals deviate from an exact uniform distribution only by a maximum of 15%.
  • Each of the semiconductor detectors 21 and 31, to which the partial light signals are fed, is only sensitive in a wavelength range within which one or the other light source LQ1 or LQ2 emits.
  • the resulting electrical signals Sl ⁇ and S2 ⁇ at the outputs of the semiconductor detectors 21 and 31 are then a measure of the partial light signals of the output measuring light signal La corresponding to the light signals LSI and LS2 on the input side. Due to the wavelength dependency of the Verdet constant, the electrical signals Sl ⁇ and S2 ⁇ carry different measurement information about the current I to be measured.
  • the electrical signals Sl ⁇ and S2 ⁇ can then be processed and further processed using known methods such as, for example, according to WO 97/20222 be evaluated.
  • FIG. 2 shows a further embodiment variant of the arrangement from FIG. 1.
  • the optical converter element 9 of the arrangement is provided with a two-channel polarization evaluation.
  • the analyzer 13 is designed as a Wollaston prism, which the input measuring light signal L after passing through the Fara day element 10 into two linearly polarized output measuring light signals La and Lß with mutually perpendicular polarization planes.
  • means are provided for the wavelength-selective division of the two output measurement light signals La and Lß. These means can in turn each include optical filter elements, such as interference or edge filters, in both channels.
  • optical filter elements such as interference or edge filters
  • the desired separation into partial light signals is achieved solely by a suitable choice of the semiconductor materials for the light sources LQ1 and LQ2 and for detectors 21, 22, 31 and 32.
  • filter and optoelectric detection functions are combined in one component in each channel of the two-channel polarization evaluation.
  • a fiber coupler 4 or 5 and the two semiconductor detectors 21 and 31, or 22 and 32 are provided for each channel of the polarization evaluation.
  • the first fiber coupler 4 is now arranged such that it connects the first channel of the polarization evaluation of the optical converter element 9 via the first semiconductor detector 21 to a first evaluation unit 41 and via the first semiconductor detector 31 to a second evaluation unit 42.
  • the second fiber coupler 5 is arranged in such a way that it connects the second channel of the polarization evaluation of the optical transducer element 9 to the first evaluation unit 41 via the second semiconductor detector 22 and to the second evaluation unit 42 via the second semiconductor detector 32.
  • the output measurement light signals La and Lß of the channels of the polarization evaluation by the fiber couplers 4 and 5 are at least in partial light beams divided approximately the same light intensity.
  • a beam stop 6, 7 and 8 made of gel is provided to absorb undesired reflected light components on the respectively unused fourth coupler branch.
  • the detectors 21 and 22 are constructed from appropriately selected semiconductor materials, so that the detectors 21 and 22 are at least partially light-sensitive in the wavelength range of the light signal LSI on the input side, but they have no appreciable light sensitivity in the wavelength range of the light signal LS2 on the input side.
  • the detectors 31 and 32 are of such a nature that they are at least partially light-sensitive in a wavelength range of the input-side light signal LS2, but do not have any significant sensitivity to light in the wavelength range of the input-side light signal LSI.
  • the light sources LQ1 and LQ2 are designed as semiconductor light sources. However, other forms of light sources and detectors that are not based on semiconductor materials are also possible.
  • the light source LQ1 is designed as a gallium aluminum arsenide (GaAlAs) semiconductor emitter, the light source LQ2 as an indium gallium phosphide (InGaP) semiconductor emitter, the detectors 21 and 22 are formed with silicon, the detectors 31 and 32 with Indium gallium phosphite.
  • GaAlAs gallium aluminum arsenide
  • InGaP indium gallium phosphide
  • first and second electrical signals Sl ⁇ , Slß, S2 ⁇ and S2ß are, according to their assignment to one of the input-side light signals LSI or LS2, each processed separately in the two evaluation units 41 and 42 according to methods known per se, so that on the output side, a derived first and second measurement signal Ml and M2 as functions of the current conductor through the evaluation units 41 and 42 12 flowing current I receives.
  • the wavelengths of the light signals LSI and LS2 on the input side and the Verdet constant of the Faraday element 10 are selected so that the derived first measurement signal Ml has a clear function of the current I to be measured and the derived second measurement signal M2 a non-- unambiguous, in particular periodic function of the current I to be measured.
  • the second derived measurement signal M2 has a higher measurement resolution for this.
  • a further calculation unit 51 which derives a sum measurement signal M from the first and the second measurement signals M1 and M2, which is a clear function of the measurement variable I in a predetermined measurement range and has at least the measurement resolution of the second measurement signal M2.
  • the procedure for this is carried out in analogy to that disclosed in WO 97/20222.

Abstract

At least two light sources (LQ1, LQ2) are provided to transmit light signals (LS1, LS2) of differing wavelengths. The light signals (LS1, LS2) are jointly fed into a measurement-variable sensitive optical converter (9) via an optical fiber coupler (3), said converter delivering at least one output measuring light signal (LT). Means (4, 21, 31) are provided to ensure wavelength-selective optoelectrical conversion of at least one output measuring light signal (Lα) into at least two electrical signals (S1α, S2α).

Description

Beschreibungdescription
Anordnung zur Messung einer elektrischen Meßgröße mittels Lichtsignale unterschiedlicher WellenlängeArrangement for measuring an electrical measured variable by means of light signals of different wavelengths
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung einer elektrischen Meßgröße in Form eines elektrischen Stromes und/oder einer elektrischen Spannung in einem vorgegebenen Meßbereich.The invention relates to an arrangement for measuring an electrical measured variable in the form of an electrical current and / or an electrical voltage in a predetermined measuring range.
Es sind optische Meßanordnungen zum Messen eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter bekannt, die auf dem magnetooptischen Faraday-Effekt beruhen und deshalb auch als magnetooptische Stromwandler bezeichnet werden. Bei einem magnetooptischen Stromwandler wird linear polarisiertes Meßlicht durch ein in der Nähe des Stromleiters angeordnetes Faraday- Element gesendet, das aus einem den Faraday-Effekt zeigenden, optisch transparenten Material besteht. Das von dem Strom erzeugte Magnetfeld bewirkt eine Drehung der Polarisationsebene des Meßlichts um einen Drehwinkel p, der proportional zum We- gintegral über das Magnetfeld entlang des vom Meßlicht zurückgelegten Weges ist. Die Proportionalitätskonstante nennt man Verdet -Konstante V. Die Verdet-Konstante V hängt im allgemeinen vom Material und der Temperatur des Faraday-Elements und von der Wellenlänge des verwendeten Meßlichts ab. Im all- gemeinen umgibt das Faraday-Element den Stromleiter, so daß das Meßlicht den Stromleiter in einem praktisch geschlossenenOptical measuring arrangements for measuring an electrical current in a current conductor are known which are based on the magneto-optical Faraday effect and are therefore also referred to as magneto-optical current transformers. In the case of a magneto-optical current transformer, linearly polarized measuring light is transmitted through a Faraday element which is arranged in the vicinity of the current conductor and which consists of an optically transparent material which shows the Faraday effect. The magnetic field generated by the current causes the plane of polarization of the measuring light to rotate by an angle of rotation p which is proportional to the travel integral over the magnetic field along the path covered by the measuring light. The proportionality constant is called the Verdet constant V. The Verdet constant V generally depends on the material and the temperature of the Faraday element and on the wavelength of the measuring light used. In general, the Faraday element surrounds the current conductor, so that the measuring light practically closes the current conductor
Weg wenigstens einmal umläuft. Der Drehwinkel p ist in diesem Fall im wesentlichen direkt proportional zur Amplitude I des zu messenden Stromes gemäß der Beziehung p = N • V • I (1) , wobei N die Zahl der Umläufe des Meßlichts um den Stromleiter ist. Es sind auch Anordnungen möglich, in denen wenigstens ein Teil des Meßlichts das Faraday-Element zusätzlich in gegenläufiger Richtung umläuft. In diesem Fall verdoppelt sich auch der beobachtete Faraday-Winkel . Der Faraday-Drehwinkel p wird polarimetrisch durch eine Polarisationsanalyse des durch das Faraday-Element gelaufenen Meßlichts bestimmt, um ein Meßsignal für den elektrischen Strom zu erhalten. Zur Polarisationsanalyse sind eine einkanalige Polarisationsauswertung und eine zweikanalige Polarisationsauswertung bekannt.Runs around at least once. The angle of rotation p is in this case essentially directly proportional to the amplitude I of the current to be measured according to the relationship p = N • V • I (1), where N is the number of revolutions of the measuring light around the conductor. Arrangements are also possible in which at least part of the measuring light additionally rotates the Faraday element in the opposite direction. In this case the observed Faraday angle also doubles. The Faraday rotation angle p is determined polarimetrically by a polarization analysis of the measurement light that has passed through the Faraday element in order to obtain a measurement signal for the electrical current. A single-channel polarization evaluation and a two-channel polarization evaluation are known for polarization analysis.
Es sind beliebige Kombinationen von bekannten Merkmalen der beschriebenen optischen Meßanordnungen möglich. Im allgemeinen enthält ein magnetooptischer Stromwandler u.a. Mittel zur linearen Polarisierung von Meßlicht (Polarisator) , ein Faraday-Element sowie Mittel zur Polarisationsanalyse, die optisch zueinander in Reihe geschaltet sind und nachfolgend unter dem Begriff „optisches Wandlerelement" zusammengefaßt werden.Any combinations of known features of the described optical measuring arrangements are possible. In general, a magneto-optical current transformer includes Means for linear polarization of measuring light (polarizer), a Faraday element and means for polarization analysis, which are optically connected in series with one another and are summarized below under the term “optical converter element”.
Bei einer einkanaligen Polarisationsauswertung wird das Meßlicht nach Durchlaufen des Faraday-Elements einem Polarisator als Analysator zugeführt und das vom Polarisator durchgelassene Meßlicht von einem photoelektrischen Wandler in ein elektrisches Signal als Meßsignal S umgewandelt. Dieses Meßsignal S entspricht der Lichtintensität der auf die Polarisationsachse (Transmissionsachse) des Polarisators projizierten Lichtkomponente des Meßlichts und hat bei Vernachlässigung von Störeinflüssen wie Temperaturänderungen und Vibrationen die allgemeine FormIn the case of a single-channel polarization evaluation, the measuring light is passed to a polarizer as an analyzer after passing through the Faraday element and the measuring light transmitted by the polarizer is converted into an electrical signal as a measuring signal S by a photoelectric converter. This measurement signal S corresponds to the light intensity of the light component of the measurement light projected onto the polarization axis (transmission axis) of the polarizer and has neglecting influences such as temperature changes and vibrations the general form
S = S0/2 • (1 + sin(2p + ψ) ) =S = S 0/2 • (1 + sin (2p + ψ)) =
= S0/2 '• (1 + sin(2-N-V-I + ψ) ) (2).= S 0/2 ' • (1 + sin (2-NVI + ψ)) (2).
Dabei ist S0 die konstante Maximalamplitude des Meßsignals S, die dem Fall entspricht, wenn die Polarisationsebene des Meßlichts parallel zur Polarisationsachse des Polarisators istS 0 is the constant maximum amplitude of the measurement signal S, which corresponds to the case when the polarization plane of the measurement light is parallel to the polarization axis of the polarizer
(maximale transmittierte Lichtintensität) . ψ ist ein konstanter Off-set-Winkel für einen Strom Null (I = 0 A) und hängt von dem Polarisatorwinkel zwischen der Polarisations- ebene des Meßlichts beim Einkoppeln in das Faraday-Element und der Polarisationsachse des Analysators ab. Wenn dieser(maximum transmitted light intensity). ψ is a constant offset angle for a current zero (I = 0 A) and depends on the polarizer angle between the polarization plane of the measuring light when it is coupled into the Faraday element and the polarization axis of the analyzer. If this
Polarisatorwinkel gleich 45° ist, so ist ψ=0 { IEEE Trans- actions on Power Delivery, Vol . 7, No . 2, April 1992 , Sei ten 848 bis 852)If the polarizer angle is 45 °, then ψ = 0 {IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 7, no. 2, April 1992, pages 848 to 852)
Bei einer zweikanaligen Polarisationsauswertung wird das Meßlicht nach Durchlaufen des Faraday-Elements von einem Analy- sator in zwei linear polarisierte Lichtkomponenten Ll und L2 mit senkrecht zueinander gerichteten Polarisationsebenen zer- legt. Als Analysator sind polarisierende Strahlteiler wie beispielsweise ein Wollaston-Prisma oder auch ein einfacher Strahlteiler mit zwei nachgeschalteten Polarisatoren, derenIn a two-channel polarization evaluation, the measuring light is broken down by an analyzer after passing through the Faraday element into two linearly polarized light components L1 and L2 with polarization planes oriented perpendicular to one another. Polarizing beam splitters such as, for example, a Wollaston prism or a simple beam splitter with two downstream polarizers, are used as analyzers
Polarisationsachsen um π/2 bzw. 90° gegeneinander verdreht sind, bekannt. Beide Lichtkomponenten Ll und L2 werden von jeweils einem zugeordneten photoelektrischen Wandler in jeweils ein elektrisches Intensitätssignal Tl oder T2 umgewandelt, das proportional zur Lichtintensität der jeweiligen Lichtkomponente Ll bzw. L2 ist. Aus diesen beiden elektrischen Signalen wird ein Meßsignal T = (Tl - T2)/(T1 + T2) (3) gebildet, das dem Quotienten aus einer Differenz und der Summe der beiden Intensitätssignale Tl und T2 entspricht ( WO 95/10046) . Dieses Meßsignal T ist bei Vernachlässigung von Störeinflüssen gleichPolarization axes are rotated relative to one another by π / 2 or 90 °, respectively. Both light components L1 and L2 are each converted by an assigned photoelectric converter into an electrical intensity signal T1 or T2, which is proportional to the light intensity of the respective light components L1 and L2. From these two electrical signals, a measurement signal T = (Tl - T2) / (T1 + T2) (3) formed, which corresponds to the quotient of a difference and the sum of the two intensity signals T1 and T2 (WO 95/10046). This measurement signal T is the same when neglecting interference
T = sin(2p + ζ) = sin(2-N-V-I + ζ) (4), wobei ζ ein von dem Winkel zwischen der Polarisationsebene des Meßlichts beim Einkoppeln in das Faraday-Element und einer ausgezeichneten optischen Eigenachse des Analysators abhängiger Off-set-Winkel für I = 0 A ist.T = sin (2p + ζ) = sin (2-NVI + ζ) (4), where ζ is an offset dependent on the angle between the plane of polarization of the measurement light when coupled into the Faraday element and an excellent optical axis of the analyzer Angle for I = 0 A.
Sowohl bei einer einkanaligen als auch bei einer zweikanali- gen Polarisationsanalyse ist das Meßsignal S gemäß Gleichung (1) bzw. T gemäß Gleichung (4) somit eine periodische, sinusförmige Funktion des doppelten Drehwinkels 2p mit der Periode π. Es gilt alsoIn both a single-channel and a two-channel polarization analysis, the measurement signal S according to equation (1) or T according to equation (4) is therefore a periodic, sinusoidal function of the double angle of rotation 2p with the period π. So it applies
S(p + n π) = S(p) und T(p + n π) = T(p) mit der ganzen Zahl n. Die Periodizität der Meßsignale S und T ist eine Folge davon, daß um ein ganzzahliges Vielfaches von π bzw. 180° gegeneinander gedrehte Polarisationsebenen des Meßlichts polarimetrisch nicht voneinander unterschieden werden können .S (p + n π) = S (p) and T (p + n π) = T (p) with the integer n. The periodicity of the measurement signals S and T is a consequence of the fact that an integer multiple of π or polarization planes of the measuring light rotated 180 ° relative to one another cannot be distinguished polarimetrically from one another.
So kommt es, daß zwar der Faraday-Meßwinkel p selbst gemäß Gleichung (1) eine lineare und damit eindeutige Funktion des Stromes I ist, die Meßsignale S und T eines polarimetrischen magnetooptischen Stromwandlers dagegen nur über einem maximal π/2 (bzw. 90°) großen Winkelbereich für den Meßwinkel p eindeutige Funktionen des Meßwinkels p sind. Mit den bekannten polarimetrischen magnetooptischen Stromwandlern sind deshalb nur solche elektrische Ströme eindeutig meßbar, die in einem dem genannten maximal π/2 (bzw. 90°) großen Winkelbereich für den Meßwinkel p entsprechenden Strommeßbereich (Strommeßintervall, measuring ränge)) MR der Intervallänge |MR| liegen. Der Strommeßbereich MR ist gemäß Gleichung (1) maximalIt so happens that although the Faraday measuring angle p itself is a linear and therefore unambiguous function of the current I according to equation (1), the measuring signals S and T of a polarimetric magneto-optical current transformer, on the other hand, are only greater than a maximum π / 2 (or 90 ° ) large angular range for the measuring angle p are unique functions of the measuring angle p. With the known polarimetric magneto-optical current transformers are therefore only those electrical currents which can be clearly measured in a current measuring range corresponding to the maximum π / 2 (or 90 °) for the measuring angle p (current measuring interval, measuring ranks)) MR of the interval length | MR | lie. The current measuring range MR is maximum according to equation (1)
|MR| = π/(2-N-V) (5) groß. Aus Gleichung (5) ist ersichtlich, daß man die Größe| MR | = π / (2-N-V) (5) large. From equation (5) it can be seen that the size
|MR| des Strommeßbereichs MR eines magnetooptischen Stromwandlers durch die Wahl von Materialien mit unterschiedlichen Verdet-Konstanten V für das Faraday-Element und/oder durch die Zahl N der Umläufe des Meßlichts um den Stromleiter einstellen kann. Einen größeren Strommeßbereich erhält man, wenn man das Produkt N-V im Nenner kleiner einstellt. Jedoch zieht eine solche Wahl eines größeren Strommeßbereichs MR unweiger- lieh eine verringerte Meßauflösung (measuring resolution) MA des Stromwandlers bei vorgegebener Anzeigeauflösung nach sich. Die Meßauflösung MA ist dabei und im folgenden als Betrag |MS| der Meßempfindlichkeit MS des Stromwandlers definiert. Die Meßempfindlichkeit MS entspricht der Steigung der Kennlinie des magnetooptischen Stromwandlers in einem Arbeitspunkt und ist im Falle der einkanaligen Auswertung gemäß Gleichung (2) gleich| MR | of the current measuring range MR of a magneto-optical current transformer by the choice of materials with different Verdet constants V for the Faraday element and / or by the number N of the cycles of the measuring light around the current conductor. A larger current measuring range is obtained if the product N-V is set smaller in the denominator. However, such a choice of a larger current measuring range MR inevitably results in a reduced measuring resolution MA of the current transformer for a given display resolution. The measurement resolution MA is and in the following as the amount | MS | the measuring sensitivity MS of the current transformer is defined. The measuring sensitivity MS corresponds to the slope of the characteristic of the magneto-optical current transformer at an operating point and is the same in the case of single-channel evaluation according to equation (2)
MS = dS/dl = S0 • N • V • cos(2-N-V-I + ψ) (6) und bei einer zweikanaligen Auswertung gemäß Gleichung (4) gleichMS = dS / dl = S 0 • N • V • cos (2-NVI + ψ) (6) and the same for a two-channel evaluation according to equation (4)
MS = dT/dl = 2 • N • V • cos(2-N-V-I + ζ) (7) . Aus den Gleichungen (6) und (7) erkennt man sofort, daß eineMS = dT / dl = 2 • N • V • cos (2-N-V-I + ζ) (7). From equations (6) and (7) it can be seen immediately that a
Verkleinerung des Produkts N-V bei beiden Auswerteverfahren zu einer Verringerung der Meßauflösung MA = |MS| führt . Aus EP-B- 0 088 419 ist ein magnetooptischer Stromwandler bekannt, bei dem -zwei Faraday-Glasringe parallel zueinander um einen gemeinsamen Stromleiter angeordnet sind, die aus Fara- day-Materialien mit unterschiedlichen Verdet-Konstanten bestehen und somit jeder für sich unterschiedliche Strommeßbereiche aufweisen. Jedem Faraday-Glasring sind jeweils eine Sendeeinheit zum Senden linear polarisierten Meßlichts in den Glasring und eine zweikanalige Auswerteeinheit zum Be- rechnen eines jeweiligen Meßsignals für den jeweiligen Fara- day-Drehwinkel zugeordnet. Die beiden Meßsignale der beiden Auswerteeinheiten werden einem OR-Gatter zugeführt, das ein Maximumssignal aus den beiden Meßsignalen ermittelt. Mit diesem Maximumssignal wird zwischen den Meßbereichen der beiden Glasringe umgeschaltet. Unterschiedliche Meßbereiche der beiden Glasringe können auch bei gleichem Glasmaterial für beide Glasringe erreicht werden, indem Meßlicht unterschiedlicher Wellenlänge verwendet wird. Dabei wird die Wellenlängenabhängigkeit der Faraday-Drehung ausgenutzt.Reduction of the product NV in both evaluation methods to reduce the measurement resolution MA = | MS | leads . A magneto-optical current transformer is known from EP-B-0 088 419, in which two Faraday glass rings are arranged parallel to one another around a common current conductor, which consist of Faragay materials with different Verdet constants and thus each have different current measuring ranges exhibit. Each Faraday glass ring is assigned a transmitter unit for transmitting linearly polarized measurement light into the glass ring and a two-channel evaluation unit for calculating a respective measurement signal for the respective Faraday rotation angle. The two measurement signals of the two evaluation units are fed to an OR gate, which determines a maximum signal from the two measurement signals. This maximum signal is used to switch between the measuring ranges of the two glass rings. Different measuring ranges of the two glass rings can also be achieved with the same glass material for both glass rings by using measuring light of different wavelengths. The wavelength dependence of the Faraday rotation is used.
Aus "International Conference of Large High Vol tage Electric Systems " , CIGRE, Paris , 28. 8 . -3 . 9.1988 , Conference Procee- dings , T, Pref . Subj . 1 , Vol . 34 , Band 15, Sei ten 1 bis 10 ist eine aseroptische Meßanordnung mit einem ersten magneto- optischen Stromwandler zum Messen von Nennströmen und mit einem zweiten magnetooptischen Stromwandler zum Messen von Überströmen bekannt. Der erste Stromwandler zum Messen von Nennströmen enthält eine optische Monomode-Faser, die den Stromleiter in Form einer Meßwicklung mit N Windungen umgibt . Linear polarisiertes Licht durchläuft die Meßwicklung, wird von einem Spiegel in die Faser zurückreflektiert und durch- läuft die Meßwicklung in umgekehrter Richtung ein zweites Mal (Reflexionstyp) . Der Faraday-Drehwinkel wird dabei verdoppelt, während sich die unerwünschten temperaturabhängigen Effekte der zirkulären Doppelbrechung des Fasermaterials gerade herausheben. Nach zweimaligem Durchlaufen der Meßwicklung wird das Licht einer zweikanaligen Polarisationsauswertung unterzogen. Der zweite, für Schutzzwecke vorgesehene magnetooptische Stromwandler umfaßt ebenfalls eine Monomode-Faser, die den Stromleiter in Form einer Meßwicklung mit einer Meß- windung umgibt. Im Gegensatz zum ersten, für Meßzwecke vorgesehenen Stromwandler ist der zweite Stromwandler vom Trans- missionstyp, d.h. das linear polarisierte Meßlicht wird nach nur einmaligem Durchlaufen der Meßwindung einer Polarisationsanalyse unterzogen.From "International Conference of Large High Voltage Electric Systems", CIGRE, Paris, August 28. -3. 9.1988, Conference Processings, T, Pref. Subject 1, vol. 34, Volume 15, Be th 1 to 10, an azero optical measuring arrangement with a first magneto-optical current transformer for measuring nominal currents and with a second magneto-optical current transformer for measuring overcurrents is known. The first current transformer for measuring nominal currents contains an optical monomode fiber which surrounds the current conductor in the form of a measuring winding with N turns. Linearly polarized light passes through the measuring winding, is reflected back into the fiber by a mirror and the measuring winding runs in the opposite direction a second time (reflection type). The Faraday angle of rotation is doubled, while the undesirable temperature-dependent effects of the circular birefringence of the fiber material just stand out. After passing through the measuring winding twice, the light is subjected to a two-channel polarization evaluation. The second magneto-optical current transformer provided for protection purposes also comprises a single-mode fiber which surrounds the current conductor in the form of a measuring winding with a measuring winding. In contrast to the first current transformer intended for measuring purposes, the second current transformer is of the transmission type, ie the linearly polarized measuring light is subjected to a polarization analysis after passing through the measuring winding only once.
Aus "SENSOR 93 Kongreßband IV Bll . l , Sei ten 137 bis 144 " ist ein magnetooptischer Stromwandler für Schutzzwecke zum Messen von Wechselströmen bekannt, bei dem linear polarisiertes Licht nach Durchlaufen einer Faraday-Lichtleitfaser in zwei Lichtteilsignale aufgespalten wird und jedes dieser Lichtteilsignale einem Analysator zugeführt wird. Die Eigenachsen (Polarisationsachsen) der beiden Analysatoren sind unter einem Winkel von 45° oder 58° zueinander gerichtet. Die von den Analysatoren durchgelassenen Lichtintensitäten werden erst durch Division durch ihre Gleichanteile normiert, die durch Spitzenwertgleichrichtung erhalten werden. Anschließend wird ein Produkt der normierten Signale gebildet und dieses Produkt dann differenziert. Durch Integration wird direkt der Faraday-Drehwinkel erhalten. Dadurch erhält man ein Signal, das proportional zum Strom ist und daher keinen Meßbereichs- beschränkungen unterliegt. Jedoch ist dieses Verfahren ver- gleichsweise aufwendig.From "SENSOR 93 Konreßband IV Bll. L, Be ten 137 to 144" a magneto-optical current transformer for protective purposes for measuring alternating currents is known in which linearly polarized light is split into two partial light signals after passing through a Faraday optical fiber and each of these partial light signals an analyzer is fed. The natural axes (polarization axes) of the two analyzers are oriented at an angle of 45 ° or 58 ° to each other. The light intensities let through by the analyzers are normalized only by division by their direct components, which are obtained by peak value rectification. A product of the standardized signals is then formed and this product is then differentiated. The Faraday rotation angle is obtained directly through integration. This gives a signal that is proportional to the current and is therefore not subject to any measuring range restrictions. However, this procedure is equally expensive.
Aus der EP-B- 0 . 208 593 ist ein magnetooptischer Stromwandler bekannt, bei dem linear polarisiertes Meßlicht nach Durch- laufen einer einen Stromleiter umgebenden Faraday-Lichtleit- faser von einem Strahlteiler in zwei Lichtteilsignale aufgeteilt wird und jedes dieser Lichtteilsignale einem Analysator zugeführt wird. Die Eigenachsen der beiden Analysatoren sind unter einem Winkel von 0° bzw. 45° zur Einkoppelpolarisation des Meßlichts, gerichtet. Dadurch erhält man am Ausgang eines Analysators ein erstes, sinusförmiges Signal und am Ausgang des anderen Analysators ein zweites, cosinusförmiges Signal Diese beiden Signale sind jeweils mehrdeutige, oszillierende Funktionen des Stromes im Stromleiter, die um einen Winkel von 90° gegeneinander phasenverschoben sind. Aus diesen beiden mehrdeutigen Signalen wird nun ein eindeutiges Meßsignal zusammengesetzt durch Vergleich der Vorzeichen und der Beträge der Meßwerte des ersten, sinusförmigen Signals und des zweiten, cosinusförmigen Signals. Sobald die Beträge von Si- nus und Cosinus gleich sind, d.h. bei einem ganzzahligenFrom EP-B-0. A magneto-optical current converter is known in 208 593, in which linearly polarized measuring light is passed through a beam splitter into two partial light signals after passing through a Faraday optical fiber surrounding a current conductor, and each of these partial light signals is fed to an analyzer. The natural axes of the two analyzers are directed at an angle of 0 ° or 45 ° to the coupling polarization of the measuring light. This gives a first, sinusoidal signal at the output of one analyzer and a second, cosine-shaped signal at the output of the other analyzer.These two signals are ambiguous, oscillating functions of the current in the current conductor, which are phase-shifted by an angle of 90 °. From these two ambiguous signals, a unique measurement signal is now put together by comparing the sign and the amounts of the measured values of the first, sinusoidal signal and the second, cosine-shaped signal. Once the sine and cosine amounts are equal, i.e. with an integer
Vielfachen von 45°, wird in Abhängigkeit von den Vorzeichen von Sinus und Cosinus von einem eindeutigen Zweig des ersten, sinusförmigen Signals in einen eindeutigen Zweig des zweiten, cosinusförmigen Signals umgeschaltet oder umgekehrt. Dieses Verfahren ist ein inkrementales Verfahren, so daß der Arbeitspunkt bei Strom Null bei einem Ausfall der Elektronik des Stromwandlers erst wieder neu eingestellt werden muß.Multiples of 45 °, depending on the signs of sine and cosine, are switched from a unique branch of the first, sinusoidal signal to a unique branch of the second, cosine-shaped signal or vice versa. This method is an incremental method, so that the operating point at zero current only has to be reset when the electronics of the current transformer fail.
Bei einer weiteren in WO 97/20222 vorgeschlagenen Ausfüh- rungsform eines magnetooptischen Stromwandlers werden zweiIn a further embodiment of a magneto-optical current transformer proposed in WO 97/20222, two
Faraday-Elemente zur Ableitung zweier verschiedener Meßsigna- le für die Meßgröße abgeleitet . Ein Faraday-Element ist dabei so aufgebaut, daß das ermittelte Meßsignal eine in einen vorgegebenen Meßbereich eindeutige Funktion der Meßgröße ist. Ein zweites Faraday-Element ist so beschaffen, daß das resul- tierende Meßsignal eine im wesentlichen periodische Funktion der Meßgröße ist. Aus den beiden abgeleiteten Meßsignalen kann dann ein drittes Meßsignal für die Meßgröße zusammengesetzt werden, daß im vorgegebenen Meßbereich eine eindeutige Funktion der Meßgröße ist und wenigstens die gleiche Meßauf- lösung wie das zweite Meßsignal aufweist. Da es sich hierbei um ein nicht inkrementales Verfahren handelt, verhält sich der beschriebene Stromwandler auch unkritisch gegenüber einem Ausfall der Elektronik. Das Verfahren erfordert jedoch eine sehr aufwendige Anordnung, da die optische Wandlereinheit des Stromwandlers mit zwei Faraday-Elementen aufgebaut ist.Faraday elements for deriving two different measurement signals le derived for the measurand. A Faraday element is constructed in such a way that the measured signal determined is a function of the measured variable that is unambiguous in a predetermined measuring range. A second Faraday element is designed in such a way that the resulting measurement signal is an essentially periodic function of the measurement variable. From the two derived measurement signals, a third measurement signal can then be put together for the measurement variable, that in the specified measurement range it is a clear function of the measurement variable and has at least the same measurement resolution as the second measurement signal. Since this is a non-incremental method, the current transformer described also behaves uncritically against a failure of the electronics. However, the method requires a very complex arrangement, since the optical converter unit of the current converter is constructed with two Faraday elements.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte Anordnung zur Messung einer elektrischen Meßgröße in einem vorgegebenen Meßbereich und insbesondere zum Messen ei- nes elektrischen Stromes und/oder einer elektrischen Spannung in einem Stromleiter in einem vorgegebenen Strom- und/oder Spannungsmeßbereich anzugeben, bei dem eine hohe Meßauflösung erreicht wird, und das unempfindlich gegen vorübergehende Ausfälle der Elektronik ist.The invention is based on the object of specifying a simplified arrangement for measuring an electrical measured variable in a predetermined measuring range and in particular for measuring an electrical current and / or an electrical voltage in a current conductor in a predetermined current and / or voltage measuring range which a high measurement resolution is achieved, and which is insensitive to temporary failures of the electronics.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This object is achieved according to the invention with the features of claim 1.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung zum Messen einer elek- trischen Meßgröße in Form eines elektrischen Stromes und/oder einer elektrischen Spannung in einem vorgegebenen Meßbereich, sind vorgesehen: a) mindestens zwei Lichtquellen der Erzeugung von mindestens zwei Lichtsignalen unterschiedlicher Wellenlänge, b) Mittel zum gemeinsamen Einspeisen der mindestens zweiIn the arrangement according to the invention for measuring an electrical measured variable in the form of an electrical current and / or an electrical voltage in a predetermined measuring range, there are provided: a) at least two light sources for generating at least two light signals of different wavelengths, b) means for feeding the at least two together
Lichtsignale in ein optisches Wandlerelement mit wellenlängenabhängiger Meßempfindlichkeit, c) Mittel zum wellenlängenselektiven optoelektrischen Wandeln von mindestens einem Ausgangsmeßlichtsignal des optischen Wandlerelementes in erste und weitere elektrische Signalen, die den unterschiedlichen Wellenlängen zuordenbar sind, d) eine erste Auswerteeinheit, die aus den ersten elektrischen Signalen ein erstes Meßsignal erzeugt, wobei das er- ste Meßsignal in dem vorgegebenen Meßbereich eine eindeutige Funktion der Meßgröße ist, e) wenigstens eine weitere Auswerteeinheit, die aus den weiteren elektrischen Signalen wenigstens ein weiteres Meßsignal erzeugt, wobei das wenigstens eine weitere Meßsignal in dem vorgegebenen Meßbereich eine nicht -eindeutige Funktion der Meßgröße ist.Light signals in an optical transducer element with wavelength-dependent measurement sensitivity, c) means for wavelength-selective optoelectric conversion of at least one output measurement light signal of the optical transducer element into first and further electrical signals that can be assigned to the different wavelengths, d) a first evaluation unit that consists of the first electrical signals generates the first measuring signal, the first measuring signal in the predetermined measuring range being a clear function of the measured variable, e) at least one further evaluation unit which generates at least one further measuring signal from the further electrical signals, the at least one further measuring signal in the predetermined measuring range is a non-unique function of the measured variable.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß die Materialkonstante, die den Einfluß der Meßgröße auf das / Lichtsignal beschreibt, wellenlängenabhängig ist. Für ein stromempfindliches Faraday-Element beispielsweise nimmt bei geeigneter Materialwahl die Verdet-Konstante näherungsweise mit dem Quadrat der Wellenlänge ab. Diese Abhängigkeit des Faraday-Effekts von der Wellenlänge macht man sich nun zu Nutze, indem man LichtSignale mit stark unterschiedlichenThe invention is based on the finding that the material constant, which describes the influence of the measured variable on the / light signal, is wavelength-dependent. For a current sensitive Faraday element, for example, with a suitable choice of material, the Verdet constant decreases approximately with the square of the wavelength. This dependence of the Faraday effect on the wavelength is now being exploited by using light signals with very different
Wellenlängen vorzugsweise gleichzeitig in ein gemeinsames Faraday-Element einspeist. Bei einem 100 %igen Wellenlängenunterschied zwischen zwei Lichtsignalanteilen eines Eingangs- meßlichtsignals beispielsweise erfährt so der kurzwelligere Signalanteil bei Durchgang durch das Faraday-Element eine viermal so starke Faraday-Rotation wie der langwelligere Signalanteil . Nach einer wellenlängenselektiven Aufteilung des Ausgangsmeßlichtsignals werden für jede Wellenlänge getrennt jeweils ein Meßsignal für die Meßgröße abgeleitet. Im obigen Beispiel deckt das erste abgeleitete Meßsignal dann einen im Vergleich zu dem zweiten Meßsignal etwa viermal so großen Meßbereich ab, während das zweite Meßsignal eine im Vergleich zum ersten Meßsignal etwa viermal so große Meßempfindlichkeit bzw. Meßauflösung liefert. Die Anordnung weist den Vorteil auf, daß ein optisches Wandlerelement mit nur ei- nem Faraday-Element ausreicht, um zwei Meßsignale mit zwei unterschiedlichen Meßempfindlichkeiten für die Meßgröße zu erhalten. Der Einsatz von mehr als zwei Wellenlängen ist ebenfalls möglich. Die Wellenlängen der eingesetzten Lichtquellen sind vorzugsweise gerade so abgestimmt, daß in einem vorgegebenen Meßbereich das in einer ersten Auswerteeinheit aus einem ersten Wellenlängenanteil des Ausgangsmeßlichtsignals abgeleitete erste Meßsignal eine eindeutige Funktion der Meßgröße ist, und daß die in weiteren Auswerteeinheiten aus weiteren Wellenlängenanteilen des Ausgangsmeßlichtsignals gebildeten weiteren Meßsignale, nicht-eindeutige, inbesondere periodische Funktionen der Meßgröße sind. Mit der Erfindung lassen sich bekannte Verfahren wie z.B. gemäß der genannten WO-Schrift 97/20222 zur zuverlässigen und hochgenauen Messung beispielsweise des elektrischen Stromes über einen weiten Meßbereich in vereinfachter Anordnung und somit kostengünstiger und wartungsärmer umsetzen. Besondere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Anordnung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den jeweils abhängigen Ansprüchen.Wavelengths preferably simultaneously in a common Feeds the Faraday element. With a 100% wavelength difference between two light signal components of an input measurement light signal, for example, the short-wave signal component experiences four times as strong a Faraday rotation when passing through the Faraday element as the long-wave signal component. After a wavelength-selective division of the output measurement light signal, a measurement signal for the measurement variable is derived separately for each wavelength. In the example above, the first derived measurement signal then covers a measurement range that is approximately four times as large as the second measurement signal, while the second measurement signal provides a measurement sensitivity or measurement resolution that is approximately four times that of the first measurement signal. The arrangement has the advantage that an optical transducer element with only one Faraday element is sufficient to obtain two measurement signals with two different measurement sensitivities for the measured variable. The use of more than two wavelengths is also possible. The wavelengths of the light sources used are preferably precisely matched so that, in a predetermined measuring range, the first measurement signal derived in a first evaluation unit from a first wavelength component of the output measurement light signal is a clear function of the measured variable, and that the further measurement units formed in further evaluation units from further wavelength components of the output measurement light signal Measurement signals are ambiguous, in particular periodic functions of the measured variable. Known methods such as, for example, according to WO 97/20222 for reliable and highly precise measurement of, for example, electrical current over a wide measuring range can be implemented with the invention in a simplified arrangement and thus more cost-effectively and with less maintenance. Special refinements and developments of the arrangement according to the invention result from the respective dependent claims.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Verrechnungseinheit vorgesehen, die aus den Meßsignalen der Auswerteeinheiten ein Summenmeßsignal bestimmt. Dieses Summenmeßsignal vereint die vorteilhaften Eigenschaften der Meßsignale aus den Auswerteeinheiten in einem einzigen Signal . So ist dasIn an advantageous embodiment, a calculation unit is provided which determines a total measurement signal from the measurement signals of the evaluation units. This sum measurement signal combines the advantageous properties of the measurement signals from the evaluation units in a single signal. That's how it is
Summenmeßsignal zum einen in dem vorgegebenen Meßbereich eine eindeutige Funktion der Meßgröße und weist zum anderen mindestens die gleiche Meßauflösung auf wie das in die Verrechnungseinheit eingespeiste Meßsignal mit der höchsten Meßauf- lösung. In einer alternativen Ausführungsvariante kann das Summenmeßsignal auch eine um bis zu 10 % schlechtere Meßauflösung als das Meßsignal mit der höchsten Meßauflösung besitzen.Sum measurement signal on the one hand a clear function of the measured variable in the given measurement range and on the other hand has at least the same measurement resolution as the measurement signal fed into the calculation unit with the highest measurement resolution. In an alternative embodiment variant, the sum measurement signal can also have a measurement resolution that is up to 10% worse than the measurement signal with the highest measurement resolution.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Aus- werteeinheiten zur Erzeugung der Meßsignale und die Verrechnungseinheit zur Erzeugung des Summenmeßsignals zu einer einzigen Verarbeitungseinheit zusammengefaßt. Dies spart Platz und Kosten. In dieser Verarbeitungseinheit können sich z.B. Mittel zur Digitalisierung der elektrischen Signale sowieIn a further advantageous embodiment, the evaluation units for generating the measurement signals and the accounting unit for generating the sum measurement signal are combined into a single processing unit. This saves space and costs. In this processing unit, e.g. Means for digitizing the electrical signals as well
Mittel zur digitalen Signalverarbeitung, wie z.B. mindestens ein digitaler Signalprozessor, befinden.Digital signal processing means, e.g. at least one digital signal processor.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das optische Wandlerelement einen massiven magnetooptischen Glasring mit Faraday-Effekt und Multimodelichtwellenleiter zur Strahlführung.In a preferred embodiment, the optical transducer element also contains a solid magneto-optical glass ring Faraday effect and multi-mode optical waveguide for beam guidance.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der na- türliche Bandkantenabstand von Halbleitermaterialien zur Aufspaltung der verschiedenen Wellenlängenanteile des Meßlichts ausgenutzt. Der Bandkantenabstand bestimmt im wesentlichen die Wellenlängenabhängigkeit der Empfindlichkeit von Halbleiterdetektoren, wie z.B. von Photodioden. In dieser Ausfüh- rungsform fallen die Trenn- oder Filtermittel mit den optoelektronischen („OE") -Wandlern der Auswerteeinheiten zusammen. Wählt man verschiedene Halbleitermaterialien geeignet aus, so fällt jeweils nur eine der eingesetzten Wellenlängen in den Empfindlichkeitsbereich eines Halbleiterdetektors. Die Detektoren können über Lichtwellenleiter und Faserkoppler mit dem optischen Wandlerelement verbunden werden. In dieser Aus- führungsform entfällt die Notwendigkeit, zusätzliche optische Elemente zur wellenlängenselektiven Separation, wie z.B. Interferenz- oder Kantenfilter, einzusetzen.In a particularly preferred embodiment, the natural band edge spacing of semiconductor materials is used to split up the different wavelength components of the measuring light. The band edge spacing essentially determines the wavelength dependence of the sensitivity of semiconductor detectors, e.g. of photodiodes. In this embodiment, the separating or filtering means coincide with the optoelectronic (“OE”) converters of the evaluation units. If different semiconductor materials are selected appropriately, only one of the wavelengths used falls within the sensitivity range of a semiconductor detector. The detectors can over In this embodiment, there is no need to use additional optical elements for wavelength-selective separation, such as interference or edge filters.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist eine zweikanalige Polarisationsauswertung vorgesehen. Für jeden Wellenlängenanteil des Ausgangsmeßlichtsignals stehen dann zwei Teillichtsignale zur Verarbeitung und Auswertung zur Verfügung. In dieser Ausführung können insbesondere alle bekannten Verfahren zur Fehlerkorrektur der abgeleiteten Meßgrößen, wie zum Beispiel Intensitätsnormierung, Vibrationskompensation und Temperaturkompensation, angewendet werden. Es kann jedoch ebenfalls eine einkanalige Polarisationsaus- wertung vorgesehen sein. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in derenIn a further advantageous embodiment of the invention, a two-channel polarization evaluation is provided. Two partial light signals are then available for processing and evaluation for each wavelength component of the output measurement light signal. In this embodiment, in particular, all known methods for error correction of the derived measured variables, such as intensity normalization, vibration compensation and temperature compensation, can be used. However, a single-channel polarization evaluation can also be provided. To further explain the invention, reference is made to the drawing in which
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungs- gemäßen Anordnung mit einem im Transmissionsmodus betriebenen Glasring als Faraday-Element und ein- kanaliger Polarisationsauswertung,1 shows a first exemplary embodiment of an arrangement according to the invention with a glass ring operated in transmission mode as a Faraday element and single-channel polarization evaluation,
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zweikanali- ger Polarisationsauswertung, separaten Auswerteeinheiten für die verschiedenen Wellenlängenanteile und einer Verrechnungseinheit,FIG. 2 shows a further exemplary embodiment with two-channel polarization evaluation, separate evaluation units for the different wavelength components and a calculation unit,
jeweils schematisch veranschaulicht sind. Einander entspre- chende Teile sind mit den selben Bezugszeichen versehen.are each illustrated schematically. Corresponding parts are provided with the same reference symbols.
Figur 1 zeigt eine Lichtquelle LQ1 und eine zweite Lichtquelle LQ2 , die Lichtsignale LSI und LS2 unterschiedlicher Wellenlänge aussenden. Über einen ersten Faserkoppler 3 werden die LichtSignale LSI und LS2 zu einem gemeinsamen Eingangs- meßlichtsignal L zusammengefaßt, das eingangsseitig in ein mit 9 bezeichnetes optisches Wandlerelement eingespeist wird. Das Wandlerelement 9 enthält überlicherweise einen Polarisator 11 zur linearen Polarisierung des Eingangsmeßlichtsignals L, ein Faraday-Element 10 mit einer wellenlängenabhängigenFIG. 1 shows a light source LQ1 and a second light source LQ2, which emit light signals LSI and LS2 of different wavelengths. Via a first fiber coupler 3, the light signals LSI and LS2 are combined to form a common input measurement light signal L, which is fed on the input side into an optical converter element denoted by 9. The converter element 9 usually contains a polarizer 11 for linear polarization of the input measurement light signal L, a Faraday element 10 with a wavelength-dependent one
Verdet-Konstante, das in räumlicher Nähe zu einem Stromleiter 12 angeordnet ist und das zum Erfassen eines elektrischen Stromes I in diesem Stromleiter 12 unter Ausnutzung des magnetooptischen Faraday-Effekts dient. Außerdem enthält das optische Wandlerelement 9 einen Analysator 13 zur Polarisationsauswertung des Eingangsmeßlichtsignals L, das nach Durch- laufen des Faraday-Elements 10 eine Faraday-Drehung des Polarisationszustandes aufweist. Es sind verschiedene Varianten des optischen Wandlerelements 9 bekannt. Im Prinzip kann jede bekannte Ausführungsform mit den erfindungswesentlichen Merk- malen des Hauptanspruchs 1 kombiniert werden. Insbesondere kann das Faraday-Element 10 in Transmission oder auch in Reflexion betrieben werden, es kann eine einkanalige oder auch eine zweikanalige Polarisationsauswertung vorgesehen sein. Im Ausführungsbeispiel von Figur 1 ist ein Glasring als Faraday- Element 10 vorgesehen, das in Transmission mit einkanaliger Auswertung betrieben wird. Die optischen Wegstrecken für die Zuleitung des Eingangsmeßlichtsignals L zum optischen Wandlerelement 9 und die Weiterleitung von einem aus dem optischen Wandlerelement 9 austretenden Ausgangsmeßlichtsignal La zu einer Empfangs- und Auswerteeinheit können als Monomode- lichtwellenleiter oder auch als Multimodelic twellenleiter ausgeführt sein. Im Ausführungsbeispiel von Figur 1 werden Multimodelichtwellenleiter verwendet. Dies bringt gegenüber Monomodelichtwellenleitern den Vorteil niedrigerer Übertra- gungsverluste .Verdet constant, which is arranged in close proximity to a current conductor 12 and which is used to detect an electrical current I in this current conductor 12 using the magneto-optical Faraday effect. In addition, the optical converter element 9 contains an analyzer 13 for polarization evaluation of the input measurement light signal L, which after passing through the Faraday element 10 has a Faraday rotation of the polarization state. Different variants of the optical converter element 9 are known. In principle, any known embodiment can be combined with the features of main claim 1 which are essential to the invention. In particular, the Faraday element 10 can be operated in transmission or also in reflection; a single-channel or also a two-channel polarization evaluation can be provided. In the exemplary embodiment in FIG. 1, a glass ring is provided as a Faraday element 10, which is operated in transmission with a single-channel evaluation. The optical paths for the supply of the input measurement light signal L to the optical converter element 9 and the forwarding of an output measurement light signal La emerging from the optical converter element 9 to a reception and evaluation unit can be designed as a single-mode optical waveguide or as a multimodelic waveguide. In the exemplary embodiment in FIG. 1, multimode optical waveguides are used. Compared to single-mode optical fibers, this has the advantage of lower transmission losses.
Es sind nun Mittel vorgesehen, die das vom optischen Wandlerelement 9 kommende Ausgangsmeßlichtsignal La in Teillichtsignale aufspalten, deren Wellenlängen denen der eingangsseiti- gen Lichtsignale LSI und LS2 entsprechen, und die dieseMeans are now provided which split the output measurement light signal La coming from the optical converter element 9 into partial light signals, the wavelengths of which correspond to those of the light signals LSI and LS2 on the input side, and these
Lichtteilsignale in erste und zweite elektrische Signale Slα und S2α umwandeln.Convert partial light signals into first and second electrical signals Slα and S2α.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform können diese Mittel optische Filterelemente, wie Interferenz- oder Kanten- filter, mit jeweils nachgeschalteten Detektoren mit den Wellenlängen der Eingangssignale LSI und LS2 angepaßten Empfindlichkeitsbereichen sein. Durch die optischen Filterelemente wird das vom optischen Wandlerelement 9 kommende Ausgangsmeß- lichtsignal La in Teillichtsignale aufgespalten. Die Teillichtsignale werden getrennten Detektoren zugeführt und in die ersten und zweiten elektrischen Signale Slα und S2α umgewandelt. Die erhaltenen elektrischen Signale Slα und S2α können dann jeweils in einer Auswerteeinheit nach bekannter Wei- se weiterverarbeitet und ausgewertet werden.In an embodiment not shown, these means can optical filter elements, such as interference or edge filter, each with downstream detectors with the wavelengths of the input signals LSI and LS2 adapted sensitivity ranges. The output measurement light signal La coming from the optical converter element 9 is split into partial light signals by the optical filter elements. The partial light signals are fed to separate detectors and converted into the first and second electrical signals Slα and S2α. The electrical signals Slα and S2α obtained can then be processed and evaluated in a known manner in an evaluation unit.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind Filter- und optoelektrische Detektionsfunktion in einem Bauteil integriert . Bei der Verwendung von Halbleiterdetektoren kann man den Bandkantenabstand dieser Materialien als natürliches Filterelement ausnutzen. Silizium (Si) Detektoren weisen eine nennenswerte Lichtempfindlichkeit im Bereich von 500 bis 1000 Nanometern auf, Indium-Gallium-Phosphid (InGaP) Detektoren im Bereich von 850 bis 1600 Nanometern. Halbleiterlichtquellen wie Gallium-Aluminium-Arsenid (GaAlAs) Dioden emittieren handelsüblich bei 630 Nanometern, 670 Nanometern, 780 Nanometern und zwischen 800 und 850 Nanometern. Handelsübliche InGaP- Dioden emittieren bei Wellenlängen von 1300 Nanometern und 1550 Nanometern. Auf diese Weise ist es leicht möglich, ent- sprechende Quellen und Detektoren auszuwählen, um so eine Signaltrennung ohne zusätzliche optische Filter zu erreichen. In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform wird das Ausgangsmeßlichtsignal La des optischen Wandlerelements 9 über einen Faserkoppler 4 zwei Halbleiterdetektoren 21 und 31 zu- geführt. Das vom optischen Wandlerelement 9 kommende Aus- gangsmeßlichtsignal La wird durch den Faserkoppler 4 in Teil- lichtsignale wenigstens annähernd gleicher Intensität aufgeteilt. Unter wenigstens annähernd gleicher Intensität der Teillichtsignale ist in diesem Zusammenhang eine maximale Ab- weichung von 20 % von exakt gleichen Teilintensitäten zu verstehen. Diese obere Grenze entspricht dann zwei resultierenden Teillichtsignalen mit Intensitäten von jeweils 30 % und 70 % der Summe beider Teilintensitäten. In einer bevorzugten Ausführungsform weichen die Intensitäten der Teillichtsignale nur um maximal 15 % von einer exakten Gleichverteilung ab. Jeder der Halbleiterdetektoren 21 und 31, denen die Teillichtsignale zugeführt werden, ist jeweils nur in einem Wellenlängenbereich empfindlich, innerhalb dessen jeweils die eine oder die andere Lichtquelle LQ1 oder LQ2 emittiert . Die resultierenden elektrischen Signale Slα und S2α an den Ausgängen der Halbleiterdetektoren 21 und 31 sind dann ein Maß für die den eingangsseitigen Lichtsignalen LSI und LS2 entsprechenden Teillichtsignale des Ausgangsmeßlichtsignals La. Die elektrischen Signale Slα und S2α tragen aufgrund der Wel- lenlangenabhangigkeit der Verdet-Konstante unterschiedliche Meßinformationen über den zu messenden Strom I. Die elektrischen Signale Slα bzw. S2α können dann nach bekannten Verfahren wie z.B. gemäß der genannten WO-Schrift 97/20222 weiterverarbeitet und ausgewertet werden.In a particularly advantageous embodiment, filter and optoelectric detection functions are integrated in one component. When using semiconductor detectors, the band edge spacing of these materials can be used as a natural filter element. Silicon (Si) detectors have a significant sensitivity to light in the range from 500 to 1000 nanometers, indium gallium phosphide (InGaP) detectors in the range from 850 to 1600 nanometers. Semiconductor light sources such as gallium aluminum arsenide (GaAlAs) diodes commercially emit at 630 nanometers, 670 nanometers, 780 nanometers and between 800 and 850 nanometers. Commercial InGaP diodes emit at wavelengths of 1300 nanometers and 1550 nanometers. In this way it is easily possible to select appropriate sources and detectors in order to achieve signal separation without additional optical filters. In the embodiment shown in FIG. 1, the output measuring light signal La of the optical converter element 9 is fed to two semiconductor detectors 21 and 31 via a fiber coupler 4. The coming from the optical converter element 9 gangsmeßlichtsignal La is divided by the fiber coupler 4 in partial light signals at least approximately the same intensity. In this context, at least approximately the same intensity of the partial light signals is to be understood as a maximum deviation of 20% from exactly the same partial intensities. This upper limit then corresponds to two resulting partial light signals with intensities of 30% and 70% of the sum of both partial intensities. In a preferred embodiment, the intensities of the partial light signals deviate from an exact uniform distribution only by a maximum of 15%. Each of the semiconductor detectors 21 and 31, to which the partial light signals are fed, is only sensitive in a wavelength range within which one or the other light source LQ1 or LQ2 emits. The resulting electrical signals Slα and S2α at the outputs of the semiconductor detectors 21 and 31 are then a measure of the partial light signals of the output measuring light signal La corresponding to the light signals LSI and LS2 on the input side. Due to the wavelength dependency of the Verdet constant, the electrical signals Slα and S2α carry different measurement information about the current I to be measured. The electrical signals Slα and S2α can then be processed and further processed using known methods such as, for example, according to WO 97/20222 be evaluated.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Anordnung aus Figur 1. Das optische Wandlerelement 9 der Anordnung ist mit einer zweikanaligen Polarisationsauswertung versehen. Dazu ist der Analysator 13 als Wollaston-Prisma ausgebildet, das das Eingangsmeßlichtsignal L nach Durchlaufen des Fara- day-Elementes 10 in zwei linear polarisierte Ausgangsmeßlichtsignale La und Lß mit zueinander senkrecht gerichteten Polarisationsebenen zerlegt. In Analogie zum Ausführungsbei- spiel von Figur 1 sind Mittel zur wellenlängenselektiven Auf- teilung der beiden Ausgangsmeßlichtsignale La und Lß vorgesehen. Diese Mittel können in beiden Kanälen wiederum jeweils optische Filterelemente, wie Interferenz- oder Kantenfilter, umfassen. In dem Ausführungsbeispiel von Figur 2 wird jedoch alleine durch eine geeignete Wahl der Halbleitermaterialien für die Lichtquellen LQ1 und LQ2 und für Detektoren 21, 22, 31 und 32 die gewünschte Trennung in Teillichtsignale erreicht. Dadurch sind in jedem Kanal der zweikanaligen Polarisationsauswertung jeweils wiederum Filter- und optoelektri- sche Detektionsfunktion in einem Bauteil zusammengefaßt. Hierzu sind für jeden Kanal der Polarisationsauswertung je ein Faserkoppler 4 bzw. 5 sowie jeweils die zwei Halbleiterdetektoren 21 und 31, bzw. 22 und 32 vorgesehen. Der erste Faserkoppler 4 ist nun so angeordnet, daß er den ersten Kanal der Polarisationsauswertung des optischen Wandlerelements 9 über den ersten Halbleiterdetektor 21 mit einer ersten Auswerteeinheit 41 und über den ersten Halbleiterdetektor 31 mit einer zweiten Auswerteeinheit 42 verbindet. In analoger Weise ist der zweite Faserkoppler 5 so angeordnet, daß er den zweiten Kanal der Polarisationsauswertung des optischen Wandler- elements 9 über den zweiten Halbleiterdetektor 22 mit der ersten Auswerteeinheit 41 und über den zweiten Halbleiterdetektor 32 mit der zweiten Auswerteeinheit 42 verbindet. In der beschriebenen Anordnung werden die Ausgangsmeßlichtsignale La und Lß der Kanäle der Polarisationsauswertung durch die Fa- serkoppler 4 und 5 jeweils in Teillichtstrahlen wenigstens annähernd gleicher Lichtintensität aufgeteilt. Sowohl bei dem Faserkoppler 3 auf der Eingangsseite als auch bei den Faser- kopplern 4 und 5 auf der Ausgangsseite des optischen Wandler elementes 9 ist zur Absorption unerwünschter reflektierter Lichtanteile an dem jeweils unbenutzten vierten Kopplerzweig ein Strahlstopp 6, 7 und 8 aus Gel vorgesehen. Die Detektoren 21 und 22 sind aus entsprechend ausgewählten Halbleitermaterialien aufgebaut, so daß die Detektoren 21 und 22 im Wellenlängenbereich des eingangsseitigen Lichtsignals LSI wenig- stens teilweise lichtempfindlich sind, sie im Wellenlängenbereich des eingangsseitigen Lichtsignals LS2 hingegen aber keine nennenswerte Lichtempfindlichkeit aufweisen. Die Detektoren 31 und 32 sind dagegen gerade so beschaffen, daß sie in einem Wellenlängenbereich des eingangsseitigen Lichtsignals LS2 wenigstens teilweise lichtempfindlich sind, dafür aber im Wellenlängenbereich des eingangsseitigen Lichtsignals LSI keine nennenswerte Lichtempfindlichkeit aufweisen. Die Lichtquellen LQ1 und LQ2 sind als Halbleiterlichtquellen ausgebildet. Es sind aber auch andere Formen von Lichtquellen und De- tektoren möglich, die nicht auf Halbleitermaterialien basieren.FIG. 2 shows a further embodiment variant of the arrangement from FIG. 1. The optical converter element 9 of the arrangement is provided with a two-channel polarization evaluation. For this purpose, the analyzer 13 is designed as a Wollaston prism, which the input measuring light signal L after passing through the Fara day element 10 into two linearly polarized output measuring light signals La and Lß with mutually perpendicular polarization planes. Analogously to the exemplary embodiment in FIG. 1, means are provided for the wavelength-selective division of the two output measurement light signals La and Lß. These means can in turn each include optical filter elements, such as interference or edge filters, in both channels. In the embodiment of FIG. 2, however, the desired separation into partial light signals is achieved solely by a suitable choice of the semiconductor materials for the light sources LQ1 and LQ2 and for detectors 21, 22, 31 and 32. As a result, filter and optoelectric detection functions are combined in one component in each channel of the two-channel polarization evaluation. For this purpose, a fiber coupler 4 or 5 and the two semiconductor detectors 21 and 31, or 22 and 32 are provided for each channel of the polarization evaluation. The first fiber coupler 4 is now arranged such that it connects the first channel of the polarization evaluation of the optical converter element 9 via the first semiconductor detector 21 to a first evaluation unit 41 and via the first semiconductor detector 31 to a second evaluation unit 42. In an analogous manner, the second fiber coupler 5 is arranged in such a way that it connects the second channel of the polarization evaluation of the optical transducer element 9 to the first evaluation unit 41 via the second semiconductor detector 22 and to the second evaluation unit 42 via the second semiconductor detector 32. In the arrangement described, the output measurement light signals La and Lß of the channels of the polarization evaluation by the fiber couplers 4 and 5 are at least in partial light beams divided approximately the same light intensity. Both in the fiber coupler 3 on the input side and in the fiber couplers 4 and 5 on the output side of the optical converter element 9, a beam stop 6, 7 and 8 made of gel is provided to absorb undesired reflected light components on the respectively unused fourth coupler branch. The detectors 21 and 22 are constructed from appropriately selected semiconductor materials, so that the detectors 21 and 22 are at least partially light-sensitive in the wavelength range of the light signal LSI on the input side, but they have no appreciable light sensitivity in the wavelength range of the light signal LS2 on the input side. The detectors 31 and 32, on the other hand, are of such a nature that they are at least partially light-sensitive in a wavelength range of the input-side light signal LS2, but do not have any significant sensitivity to light in the wavelength range of the input-side light signal LSI. The light sources LQ1 and LQ2 are designed as semiconductor light sources. However, other forms of light sources and detectors that are not based on semiconductor materials are also possible.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle LQ1 als Gallium-Aluminium-Arsenid (GaAlAs) Halbleiteremitter, die Lichtquelle LQ2 als Indium-Gallium-Phosphid (InGaP) Halbleiteremitter ausgebildet, die Detektoren 21 und 22 sind mit Silizium ausgebildet, die Detektoren 31 und 32 mit Indium- Gallium-Phosphit . Am Ausgang der Detektoren 21, 22, 31 und 32 anstehende erste und zweite elektrische Signale Slα, Slß, S2α und S2ß werden, entsprechend ihrer Zuordnung zu einem der eingangsseitigen Lichtsignale LSI oder LS2 , jeweils separat in den beiden Auswerteeinheiten 41 und 42 nach an sich bekannten Verfahren verarbeitet, so daß man ausgangsseitig an den Auswerteeinheiten 41 und 42 jeweils ein abgeleitetes er- stes und zweites Meßsignal Ml und M2 als Funktionen des durch den Stromleiter 12 fließenden Stromes I erhält.In the exemplary embodiment shown, the light source LQ1 is designed as a gallium aluminum arsenide (GaAlAs) semiconductor emitter, the light source LQ2 as an indium gallium phosphide (InGaP) semiconductor emitter, the detectors 21 and 22 are formed with silicon, the detectors 31 and 32 with Indium gallium phosphite. At the output of the detectors 21, 22, 31 and 32 pending first and second electrical signals Slα, Slß, S2α and S2ß are, according to their assignment to one of the input-side light signals LSI or LS2, each processed separately in the two evaluation units 41 and 42 according to methods known per se, so that on the output side, a derived first and second measurement signal Ml and M2 as functions of the current conductor through the evaluation units 41 and 42 12 flowing current I receives.
Die Wellenlängen der eingangsseitigen Lichtsignale LSI und LS2 und die Verdet-Konstante des Faraday-Elementes 10 sind gerade so gewählt, daß in einem vorgegebenen Meßbereich das abgeleitete erste Meßsignal Ml eine eindeutige Funktion des zu messenden Stromes I und das abgeleitete zweite Meßsignal M2 eine nicht -eindeutige, insbesondere periodische Funktion des zu messenden Stromes I ist. Das zweite abgeleitete Meßsi- gnal M2 besitzt dafür jedoch eine höhere Meßauflösung.The wavelengths of the light signals LSI and LS2 on the input side and the Verdet constant of the Faraday element 10 are selected so that the derived first measurement signal Ml has a clear function of the current I to be measured and the derived second measurement signal M2 a non-- unambiguous, in particular periodic function of the current I to be measured. The second derived measurement signal M2, however, has a higher measurement resolution for this.
Es ist eine weitere Verrechnungseinheit 51 vorgesehen, die aus dem ersten und dem zweiten Meßsignal Ml und M2 ein Summenmeßsignal M ableitet, welches in einem vorgegebenen Meßbe- reich eine eindeutige Funktion der Meßgröße I ist und wenigstens die Meßauflösung des zweiten Meßsignals M2 hat. Das Vorgehen hierzu erfolgt in Analogie zu dem in der Schrift WO 97/20222 offenbarten. A further calculation unit 51 is provided, which derives a sum measurement signal M from the first and the second measurement signals M1 and M2, which is a clear function of the measurement variable I in a predetermined measurement range and has at least the measurement resolution of the second measurement signal M2. The procedure for this is carried out in analogy to that disclosed in WO 97/20222.

Claims

Patentansprüche claims
1. Anordnung zur Messung einer elektrischen Meßgröße, in Form eines elektrischen Stromes und/oder einer elektrischen Spannung in einem vorgegebenen Meßbereich, bei der vorgesehen sind : a) mindestens zwei Lichtquellen (LQ1, LQ2 ) der Erzeugung von mindestens zwei Lichtsignalen (LSI, LS2) unterschiedlicher Wellenlänge, b) Mittel zum gemeinsamen Einspeisen (3) der mindestens zwei Lichtsignale (LSI, LS2) in ein optisches Wandlerelement (9) mit wellenlängenabhängiger Meßempfindlichkeit, c) Mittel zum wellenlängenselektiven optoelektrischen Wandeln (4, 5, 21, 22, 31, 32) von mindestens einem1. Arrangement for measuring an electrical measured variable, in the form of an electrical current and / or an electrical voltage in a predetermined measuring range, in which the following are provided: a) at least two light sources (LQ1, LQ2) generating at least two light signals (LSI, LS2 ) of different wavelengths, b) means for jointly feeding (3) the at least two light signals (LSI, LS2) into an optical converter element (9) with wavelength-dependent measurement sensitivity, c) means for wavelength-selective optoelectric conversion (4, 5, 21, 22, 31 , 32) of at least one
Ausgangsmeßlichtsignal (La, Lß) des optischen Wandlerelementes (9) in erste und weitere elektrische SignalenOutput measuring light signal (La, Lß) of the optical transducer element (9) into first and further electrical signals
(Slα, Slß, S2α, S2ß) , die den unterschiedlichen Wellenlängen zuordenbar sind, d) eine erste Auswerteeinheit (41) , die aus den ersten elektrischen Signalen (Slα, Slß) ein erstes Meßsignal (Ml) erzeugt, wobei das erste Meßsignal (Ml) in dem vorgegebenen Meßbereich eine eindeutige Funktion der Meßgröße ist, e) wenigstens eine weitere Auswerteeinheit (42) , die aus den weiteren elektrischen Signalen (S2α, S2ß) wenigstens ein weiteres Meßsignal (M2) erzeugt, wobei das wenigstens eine weitere Meßsignal (M2) in dem vorgegebenen Meßbereich eine nicht -eindeutige Funktion der Meßgröße ist. (Slα, Slß, S2α, S2ß), which can be assigned to the different wavelengths, d) a first evaluation unit (41), which generates a first measurement signal (Ml) from the first electrical signals (Slα, Slß), the first measurement signal ( Ml) is a clear function of the measured variable in the predetermined measuring range, e) at least one further evaluation unit (42) which generates at least one further measurement signal (M2) from the further electrical signals (S2α, S2ß), the at least one further measurement signal ( M2) is a non-unambiguous function of the measured variable in the given measuring range.
2. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e , daß eine mit der ersten Auswerteeinheit (41) und mit der wenigstens einen weiteren Auswerteeinheit (42) verbundene Verrechnungseinheit (51) vorgesehen ist, die aus dem ersten Meßsignal (Ml) und dem wenigstens einen weiteren Meßsignal (M2) ein Summenmeßsignal (M) ableitet, das im vorgegebenen Meßbereich eine eindeutige Funktion der Meßgröße ist und das wenigstens die gleiche Meßauflösung wie das wenigstens eine weitere Meßsignal (M2) aufweist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that a calculation unit (51) connected to the first evaluation unit (41) and to the at least one further evaluation unit (42) is provided, which consists of the first measurement signal (MI) and the at least one further measurement signal (M2) derives a sum measurement signal (M) which is a clear function of the measurement variable in the predetermined measurement range and which has at least the same measurement resolution as the at least one further measurement signal (M2).
3. Anordnung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die erste Auswerteeinheit (41) , die weiteren Auswerteeinheiten (42) und die Verrechnungseinheit (51) als eine einzige Verarbeitungseinheit vorgesehen sind.3. Arrangement according to claim 2, so that the first evaluation unit (41), the further evaluation units (42) and the billing unit (51) are provided as a single processing unit.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Mittel der wellenlängenselektiven optoelektrischen Wandlung des mindestens einen Ausgangsmeßlichtsignals (La, Lß) mindestens ein Faserkoppler (4, 5) und erste und weitere nachgeschaltete Halbleiterdetektoren (21, 22, 31, 32) aus Halbleitermaterialien unterschiedlichen natürlichen Bandkantenabstandes vorgesehen sind.4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least one fiber coupler (4, 5) and first and further downstream semiconductor detectors (21, 22, 31, 32) as the means of the wavelength-selective optoelectric conversion of the at least one output measurement light signal (La, Lß) semiconductor materials of different natural band edge spacing are provided.
5. Anordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der wenigstens eine Faserkoppler (4, 5) derart vorgesehen ist, daß er das mindestens eine Ausgangsmeßlichtsignal (La, Lß) des optischen Wandlerelementes (9) in Teillichtsignale wenigstens annähernd gleicher Inten- sität aufteilt und die Teillichtsignale je einem der ersten und weiteren Halbleiterdetektoren (21, 22, 31, 32) zuführt.5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the at least one fiber coupler (4, 5) is provided such that it the at least one output measuring light signal (La, Lß) of the optical transducer element (9) in partial light signals of at least approximately the same intensity divides and supplies the partial light signals to one of the first and further semiconductor detectors (21, 22, 31, 32).
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die erste Lichtquelle (LQ1) aus Gallium-Aluminium-Arsenid- (GaAlAs) Halbleitermaterial und zumindest eine der weiteren Lichtquellen (LQ2) aus Indium-Gallium-Phosphid (InGaP) Halbleitermaterial vorgesehen sind.6. Arrangement according to claim 4 or claim 5, characterized in that the first light source (LQ1) made of gallium aluminum arsenide (GaAlAs) semiconductor material and at least one of the further light sources (LQ2) made of indium gallium phosphide (InGaP) semiconductor material is provided are.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die ersten Halbleiterdetektoren (21, 31) aus Silizium- (Si) Halbleitermaterial und die weiteren Halbleiterdetektoren (22, 32) zumindest teilweise aus Indium-Gallium-Phsophid- (InGaP) Halbleitermaterial vorgesehen sind.7. Arrangement according to one of claims 4 to 6, characterized in that the first semiconductor detectors (21, 31) made of silicon (Si) semiconductor material and the further semiconductor detectors (22, 32) at least partially made of indium gallium phosphate (InGaP) Semiconductor material are provided.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Mittel der gemeinsamen Einspeisung (3) der mindestens zwei Lichtsignale (LSI, LS2) ein Faserkoppler (3) vorgesehen ist, der die mindestens zwei Lichtsignale (LSI, LS2) zu einem Ein- gangsmeßlichtsignal (L) zusammenfaßt.8. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that as a means of the common feed (3) of the at least two light signals (LSI, LS2), a fiber coupler (3) is provided, which the at least two light signals (LSI, LS2) to one - gangsmeßlichtsignal (L) summarizes.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das optische Wandlerelement (9) ein Faraday-Element (10) , vorzugsweise in Form eines massiven Glasringes, beinhaltet. 9. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the optical transducer element (9) comprises a Faraday element (10), preferably in the form of a solid glass ring.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das optische Wandlerelement (9) einen Analysator (13) beinhaltet, der eine Aufteilung in zwei Ausgangsmeßlichtsignale (La, Lß) mit zueinander senkrecht gerichteter linearer Polarisation vornimmt .10. Arrangement according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the optical transducer element (9) includes an analyzer (13) which divides into two output measurement light signals (La, Lß) with mutually perpendicular linear polarization.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Multi- modelichtwellenleiter vorgesehen sind, die das Eingangsmeß- lichtsignal (L) und das mindestens eine Ausgangsmeßlichtsignal (La, Lß) übertragen. 11. Arrangement according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that multi-model optical waveguides are provided which transmit the input measurement light signal (L) and the at least one output measurement light signal (La, Lß).
PCT/DE1998/000465 1997-02-28 1998-02-17 Circuit to measure electrical measurement variables by means of light signals of differing wavelengths WO1998038517A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP98912255A EP0963557A1 (en) 1997-02-28 1998-02-17 Circuit to measure electrical measurement variables by means of light signals of differing wavelengths

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19708275.0 1997-02-28
DE19708275 1997-02-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1998038517A1 true WO1998038517A1 (en) 1998-09-03

Family

ID=7821900

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE1998/000465 WO1998038517A1 (en) 1997-02-28 1998-02-17 Circuit to measure electrical measurement variables by means of light signals of differing wavelengths

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP0963557A1 (en)
WO (1) WO1998038517A1 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000037949A1 (en) * 1998-12-22 2000-06-29 Siemens Aktiengesellschaft Method and arrangement for optically detecting an electric current using light signals that have different wavelengths
WO2015124677A1 (en) 2014-02-21 2015-08-27 Abb Technology Ag Interferometric sensor
CN106291039A (en) * 2016-07-26 2017-01-04 胡朝年 Magneto-opitcal current transducer
CN107144718A (en) * 2017-06-15 2017-09-08 华北电力大学 Double magnetic circuit complex optics current transformer and its signal processing method
WO2022023445A1 (en) * 2020-07-31 2022-02-03 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Magneto-optic current transformer, and method for measuring a current intensity

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3141325A1 (en) * 1981-10-17 1983-04-28 BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., 5401 Baden, Aargau Method for measuring the current on an electric conductor by means of the Faraday effect
JPH05264608A (en) * 1992-03-23 1993-10-12 Tokyo Electric Power Co Inc:The Photoelectric current transformer for direct current
WO1996006359A1 (en) * 1994-08-23 1996-02-29 Siemens Aktiengesellschaft Method and device for the measurement of electric currents in at least two measurement ranges
DE19544778A1 (en) * 1995-11-30 1997-06-05 Siemens Ag Method and arrangement for measuring a measured variable, in particular an electrical current, with high measurement resolution

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3141325A1 (en) * 1981-10-17 1983-04-28 BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., 5401 Baden, Aargau Method for measuring the current on an electric conductor by means of the Faraday effect
JPH05264608A (en) * 1992-03-23 1993-10-12 Tokyo Electric Power Co Inc:The Photoelectric current transformer for direct current
WO1996006359A1 (en) * 1994-08-23 1996-02-29 Siemens Aktiengesellschaft Method and device for the measurement of electric currents in at least two measurement ranges
DE19544778A1 (en) * 1995-11-30 1997-06-05 Siemens Ag Method and arrangement for measuring a measured variable, in particular an electrical current, with high measurement resolution

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 018, no. 031 (P - 1677) 18 January 1994 (1994-01-18) *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000037949A1 (en) * 1998-12-22 2000-06-29 Siemens Aktiengesellschaft Method and arrangement for optically detecting an electric current using light signals that have different wavelengths
US6515467B1 (en) 1998-12-22 2003-02-04 Siemens Aktiengesellschaft Method and system for optically detecting an electric current by means of light signals having different wavelengths
WO2015124677A1 (en) 2014-02-21 2015-08-27 Abb Technology Ag Interferometric sensor
CN106291039A (en) * 2016-07-26 2017-01-04 胡朝年 Magneto-opitcal current transducer
CN107144718A (en) * 2017-06-15 2017-09-08 华北电力大学 Double magnetic circuit complex optics current transformer and its signal processing method
CN107144718B (en) * 2017-06-15 2023-09-15 华北电力大学 Double-magnetic-circuit composite optical current transformer and signal processing method thereof
WO2022023445A1 (en) * 2020-07-31 2022-02-03 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Magneto-optic current transformer, and method for measuring a current intensity

Also Published As

Publication number Publication date
EP0963557A1 (en) 1999-12-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0706662B1 (en) Optical method of measuring an alternating electrical current, including temperature compensation, and a device for carrying out the method
EP0721589B1 (en) Method and device for measuring an alternating electrical quantity to include temperature compensation
EP0706661B1 (en) Optical method of measuring an alternating electrical current, including temperature compensation, and a device for carrying out the method
EP0799426B1 (en) Process and arrangement for measuring a magnetic field using the faraday effect with compensation of variations in intensity and temperature effects
EP0657740A2 (en) Method and device for magneto-optical current measuring
DE3326555A1 (en) MEASURING DEVICE WITH DOUBLE BREAKING
DE19601727C1 (en) Magneto-optical current converter including Faraday sensor
EP0721590B1 (en) Method and device for measuring an electric current using two oppositely directed light signals and making use of the faraday effect
EP0786091B1 (en) Process and device for measuring an alternating electric quantity with temperature compensation
WO1996007922A1 (en) Process and device for measuring an alternating electric current with temperature compensation
WO1996006359A1 (en) Method and device for the measurement of electric currents in at least two measurement ranges
EP0866974B1 (en) Optical measuring process and optical measuring arrangement for measuring an alternating quantity with intensity scaling
EP0811170B1 (en) Process and device for measuring a magnetic field by faraday effect while compensating for intensity variations
DE60118662T2 (en) Arrangement for measuring the electric current through the Faraday effect
EP0864098B1 (en) Process and device for measuring a quantity, in particular an electric current, with a high measurement resolution
WO1998038517A1 (en) Circuit to measure electrical measurement variables by means of light signals of differing wavelengths
EP0358258A2 (en) Optical sensing arrangement
EP0786092B1 (en) Optical measuring process and device for measuring an electric a.c. voltage or an electric alternating field with temperature compensation
EP0904550B1 (en) Temperature calibration process for an optical magnetic field measurement device and measurement device calibrated by this process
DE19548920C2 (en) Optical sensor and use of such a sensor in a process measuring device
DE19653255A1 (en) Eliminating double refraction interference in magneto-optical current measurement
DE10220623A1 (en) Optical detection of measurement parameter, e.g. electric current, involves depolarizing light signal after passing second polarizer in which change in polarization is converted to intensity variation

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1998912255

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 09386006

Country of ref document: US

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 1998912255

Country of ref document: EP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Ref document number: 1998912255

Country of ref document: EP