WO2000037949A1 - Verfahren und anordnung zur optischen erfassung eines elektrischen stroms über lichtsignale mit unterschiedlicher wellenlänge - Google Patents

Verfahren und anordnung zur optischen erfassung eines elektrischen stroms über lichtsignale mit unterschiedlicher wellenlänge Download PDF

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WO2000037949A1
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faraday element
polarization
signal
light signal
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PCT/DE1999/003976
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Michael Willsch
Thomas Bosselmann
Stephan Mohr
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
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    • 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
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    • G01R15/247—Details of the circuitry or construction of devices covered by G01R15/241 - G01R15/246

Definitions

  • the invention relates to a method for the optical detection of an electric current, in which at least first elliptically polarized light signal with a first polarization and a first wavelength and a second elliptically polarized light signal with a second polarization and a second wavelength different from the first wavelength are generated, the first and second light signals are fed into a Faraday element, the first and second polarizations are changed as a function of the electrical current when passing through the Faraday element, and a measurement signal for the electrical current is derived from the changes in polarization of the two light signals.
  • the invention also relates to an arrangement for optically detecting an electrical current in an electrical conductor, the arrangement comprising at least transmission means for generating at least one first elliptically polarized light signal with a first polarization and a first wavelength and a second elliptically polarized
  • Such a method and such an arrangement are known for example from WO 98/3851 7 AI and from JP 5-264608 A2.
  • WO 98/38517 AI an arrangement for current measurement is described in which two light signals are generated, each with a different wavelength, and are fed into an optical waveguide via a coupler. The optical fiber serves as a common feed to a Faraday element. Before entering the Faraday element, both light signals are linearly polarized. A linear polarization is particularly favorable in this context
  • the first light signal has a wavelength between 630 and 850 nm and the second light signal has a wavelength between 1300 and 1550 nm. Due to the wavelength-dependent Verdet constant, the polarizations of the two light signals in the Faraday element are influenced to different extents. The polarization changes caused by the current are evaluated on one or two channels. In an evaluation unit, the two light signals are separated from one another by optical filter elements or by the sensitivity range of the photodiodes used, according to their wavelength, and converted into electrical signals for further processing.
  • the difference in wavelength between the two light signals causes the electrical signal derived from the first light signal to be a clear function of the current to be measured and the electrical signal derived from the other light signal to be a non-clear, periodic function of the current to be measured.
  • the second derived electrical signal has a higher measurement resolution.
  • a measured variable for the electrical current with a large measuring range and also with a high measuring resolution is derived from these two electrical signals.
  • the method used here is known from DE 195 44 778 AI.
  • DE 195 44 778 AI describes a magneto-optical current transformer with two Faraday elements for deriving two different measurement signals.
  • a third measurement signal for the electrical current is composed of both measurement signals, which is both a clear function of the measurement variable in the specified measurement range and has the same high measurement resolution as the second measurement signal.
  • the method described requires a relatively high level of complexity, since two separate Faraday elements are used and a high level of computation is also required when the third measurement signal is formed in an evaluation unit.
  • JP 05-264608 A2 is an arrangement for optical
  • Detection of an electrical current is known, which also uses two light signals with different wavelengths (660 nm and 880 nm).
  • the Faraday element used here is a magneto-optical bulk crystal, which is arranged in the vicinity of a current-carrying conductor. In this arrangement, however, the two light signals with different wavelengths are not used to expand the measuring range. Rather, electrical signals are derived from the two light signals, each with a unique assignment to the electrical current to be detected.
  • the Faraday element is operated at both wavelengths in the linear range of the characteristic and thus in the uniqueness range. This results in a relatively restricted measuring range.
  • EP 0 210 716 A1 also uses a magneto-optical one
  • DE 31 41 325 AI discloses a heterodyne method for optical current measurement in which two light signals with the same wavelength but different intensity modulation are generated.
  • the frequency difference of the intensity modulation between the two light signals is between 1 kHz and 1 MHz.
  • a further light signal is generated with a linear polarization vector which rotates at the difference frequency of the two intensity modulations around the direction of propagation of the further light signal.
  • the light signal with a rotating linear polarization vector is then both fed into a Faraday element and transmitted directly to an evaluation unit as a reference signal.
  • the electrical current is then determined by comparing the phases between the reference signal and the light signal emerging from the Faraday element.
  • this method is relatively complex because of the reference signal and the phase comparison measuring device required in the evaluation unit.
  • WO 98/05975 AI describes a method and an arrangement for optical current detection in which two optical measurement signals are generated as a function of the electrical current to be measured.
  • the dependence of the two optical measurement signals on the electrical current is periodic, the two periods differing by a factor of two at most. Value pairs are derived from the two optical measurement signals, to which a current value of the electrical current to be measured can then be assigned. With this procedure, it is also possible to change the measuring range expand in optical current detection.
  • WO 98/05975 AI there are no indications of specific embodiments which are distinguished, for example, by a particular efficiency.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method and an arrangement for optically detecting an electrical current with the greatest possible measurement resolution and a measurement range which goes beyond the range of uniqueness determined by the Faraday element and the light wavelength used.
  • the optical detection of the electrical current should also be carried out as efficiently as possible.
  • the first and the second polarization per ampere of the electrical current to be detected are each rotated by at least 0.0014 °.
  • at least one of the two polarizations is rotated by more than 45 ° under the influence of a maximum electric current to be detected.
  • the invention is based on the knowledge that there is a preferred sensitivity range for each Faraday element in which the measurement range can be expanded in a particularly simple and, above all, efficient manner with the aid of two light signals of different wavelengths.
  • the special embodiment of the Faraday element plays no role here, as long as the Faraday element is transparent for both wavelengths. All known embodiments can namely be designed with a sensitivity range which is particularly favorable with regard to a maximum measurement range expansion. If the Faraday element is selected so that the two light signals with different wavelengths are rotated by more than 0.0014 ° / A in their polarization under the influence of the electrical current to be measured, then a range of uniqueness results for a periodic electrical current to be recorded of ⁇ approx.
  • the uniqueness range should be as small as possible. This is achieved by choosing the highest possible sensitivity (well above the lower limit of 0.0014 ° / A). A very high measurement resolution of e.g. ⁇ 1 A achievable.
  • the Faraday element causes at least one of the two light signals
  • a pair of values can be derived, to which a clear value of the electrical current can be assigned in the above-mentioned extended measuring range ( ⁇ 200 kA).
  • the assignment can take place either via a previously stored look-up table, in which the value pairs with the associated electrical current strength are stored, or also via a mathematical formula.
  • a 'pair of values can be assigned to the causal electric current also has a mathematical search algorithm with stored characteristic functions or with a stored model of the magneto-optical transducer.
  • a first and second angle of rotation, by which the first or second polarization in the Faraday element are rotated differ from one another by a factor of at most.
  • the characteristics which describe the current dependency for the first and the second wavelength differ as little as possible.
  • the periodicities of the sinusoidal characteristic curves, as a first approximation when neglecting the influence of disturbance variables are as close as possible to one another.
  • the condition mentioned means that the periods of the two sinusoidal characteristic curves differ by a factor of at most 2.
  • the first and the second wavelength differ from one another by no more than 15% based on an average of the two wavelengths. Since the sensitivity of the Faraday element depends on the wavelength, the range specified for the first and second wavelength ensures that the resulting measuring range is at least one order of magnitude larger than the uniqueness range when the first or the second light signal is evaluated separately.
  • Another embodiment relates to the feeding of the two light signals into the Faraday element.
  • the two light signals with different wavelengths advantageously pass the Faraday element together, i.e. at the same time.
  • an optical separation into the two light signals is carried out according to their respective wavelength. This means that measurement information is available at all times, which is obtained on the basis of the first and the second wavelength.
  • the first and the second light signal are periodically alternately fed into the Faraday element.
  • the measurement information obtained over one of the two wavelengths is available at any time.
  • two measurement information recorded in succession can nevertheless be assigned to a single current value to be measured, in particular if a changeover frequency is at least twice as large as a frequency value of a maximum harmonic of a highest one
  • an optical Wobbei signal with a varying wavelength is sent through the Faraday element.
  • a wobble signal can be generated, for example, with a light source that can be tuned in wavelength (laser diode, LED, SLD with a tunable transmission filter, tunable fiber laser).
  • the narrow-band varying wavelength of the wobble signal assumes wavelength values between the first and the second wavelength.
  • the optical wobble signal can be thought of as being composed of an infinite number of individual signals, each with a different individual wavelength.
  • the first and second light signals with the first and second wavelengths are those individual signals in which the direction of the wavelength variation is currently reversed. Because the theoretically infinite number of individual wavelengths are fed into the Faraday element, there is greater scope for the evaluation to expand the measuring range, since in principle there is measurement information for all individual wavelengths, each with a different dependency on the electrical current to be detected.
  • An embodiment is preferred in which the wavelength of the optical wobble signal is varied in a periodic manner.
  • the intensity of the first light signal is modulated with a first frequency and the second light signal with a second frequency that differs from the first frequency.
  • This intensity modulation takes place when the two light signals are generated.
  • a supply current is applied to a light source such as a laser diode or an LED for light emission. rain, varies in amplitude with the corresponding frequency.
  • the two light signals with different wavelengths and intensity modulation are then fed into the Faraday element. This can take place both simultaneously and alternating cyclically.
  • the measurement information contained in the two light signals is separated from one another by an electrical bandpass filtering carried out after an optoelectric conversion.
  • the center frequencies of the bandpass filters correspond to the respective frequency of the intensity modulation. An optical filtering of the two light signals is not necessary.
  • the effective Verdet constant of the Faraday element has a value of at least 0.0014 ° / A for both wavelengths, and the Faraday element rotates at least one of the two polarizations with a maximum electric current to be detected that is more than 45 °.
  • the measurement range can be expanded in a particularly simple and also efficient manner, while the measurement resolution remains unchanged.
  • the transmission means for generating the two light signals with different wavelengths comprise commercially available light sources such as two LEDs, two laser diodes or two SLDs (super ⁇ u inescent diode). These light sources preferably emit in the infrared wavelength range at approximately 800 nm or at approximately 1300 nm. However, another wavelength range is equally suitable. The possible emitted wavelengths are only subject to this insofar as a condition that the effective Verdet constant of the Faraday element at these wavelengths should in each case be at least the above-mentioned value of 0.0014 ° / A.
  • the transmission means for generating the two elliptically polarized light signals also include a linear polarizer if the light emitted by the light source is unpolarized.
  • the Faraday element can be used as a fiber spool e.g. from a quartz glass fiber, as a solid glass ring e.g. made of flint glass or as a magneto-optical bulk single crystal e.g. made of a BSO (bismuth silicon oxide), a BGO (bismuth germanium oxide) or a YIG (yttrium iron garnet).
  • the magneto-optical bulk single crystal can also be located in an air gap of a magnetic flux concentrator enclosing the electrical conductor.
  • a number of turns of at least 10 is required if the two wavelengths used are in the order of magnitude of 800 nm. If wavelengths on the order of 1300 nm are provided, then a minimum number of turns of 25 is required.
  • a suitable glass ring in which the two light signals are only led around the electrical conductor once, consists of flint glass.
  • flint glass from Schott with the type designation SF6 or SF57 can be used.
  • Such a glass ring is intended for operation at wavelengths on the order of 485 nm.
  • the evaluation of the changes in the first and the second polarization caused by the current to be measured is carried out in an evaluation unit.
  • the evaluation unit determines a pair of values from the changes in polarization and then assigns the pair of values a corresponding value of the electrical current on the basis of a stored look-up table.
  • the evaluation unit can be implemented in analog and / or digital circuit technology.
  • the evaluation unit can comprise a digital calculation unit, for example in the form of a digital signal processor.
  • An existing arrangement for optical current measurement can also be easily expanded in the measuring range, since no intervention is necessary on the actual optical path. Rather, the range extension is achieved solely by replacing the existing transmission, reception and evaluation means.
  • the transmission means also include means for simultaneously feeding the two light signals into the Faraday element.
  • This can be a coupler that feeds the light signals from different light sources into a common optical waveguide leading to the Faraday element.
  • FIG. 1 shows an arrangement for optical current measurement with two light signals of different wavelengths simultaneously fed into a Faraday element
  • FIG. 2 shows an arrangement for optical current measurement with two alternately fed into a Faraday element
  • FIG. 3 shows an arrangement for current measurement with a light signal of varying wavelength fed into a Faraday element
  • FIG. 4 shows an arrangement for optical current measurement with two intensity-modulated light signals of different wavelengths fed into a Faraday element at the same time.
  • FIG. 1 shows an arrangement for the optical measurement of an electrical current I flowing in a current conductor 5.
  • a first light source 11 and a second light source 12 two light signals with a first wavelength ⁇ 1 and a second wavelength ⁇ 2 are generated. Both light signals are fed to a polarizer 21 via a coupler 31, which in the present case is designed as a 2x1 fiber coupler.
  • a coupler 31 which in the present case is designed as a 2x1 fiber coupler.
  • a first light signal L1 with a first linear polarization and the first wavelength ⁇ l and a second light signal L2 with a second linear polarization and the second wavelength ⁇ 2.
  • an elliptical polarization with a preferred direction is also possible.
  • the two linearly polarized light signals L1 and L2 are then fed to a Faraday element 10, which is assigned to the current conductor 5.
  • the supply takes place together, for example via an optical waveguide, not shown.
  • the linear polarization of the two light signals is only generated immediately before entering the Faraday element 10.
  • the linear first and second polarization of the first and second light signals L1 and L2 are rotated by a first and second angle of rotation p1 and p2, respectively.
  • the angles of rotation p1 and p2 are each dependent on the size of the electrical current I and on a constant determined by the Faraday element 10, a so-called Verdet constant V.
  • the Verdet constant V is made of a material used in the Faraday element 10 , depends on an ambient temperature and on a light wavelength ⁇ transmitted through the Faraday element 10. In particular, the dependence on the light wavelength ⁇ is of particular importance for the exemplary embodiment of a magneto-optical current transformer shown in FIG. 1 with an extended measuring range.
  • the following empirically determined relationship can be given for the wavelength dependency of the Verdet constant V:
  • n ( ⁇ ) denotes a wavelength-dependent refractive index of the material used as well as A, B and ⁇ c material constants, which can be found, for example, in a relevant table.
  • a second rotation angle p2 For the second light signal with the second light wavelength ⁇ 2, a second rotation angle p2 of:
  • An effective Verdet constant Veff can be formed from the wavelength-dependent Verdet constant V and the number of turns N, so that the first and second rotation angles pl and p2 depend exclusively on this wavelength-dependent effective Verdet constant Veff and the electrical current I to be measured . Accordingly, an effective Verdet constant Veff can also be defined for other embodiments of the Faraday element 10, for example a glass ring or a magneto-optical bulk crystal, which then also includes the respective geometry-dependent influencing variables.
  • the technical literature also contains a definition of the Verdet constant V different from equations (2) and (3) as a material-specific wavelength-dependent proportionality constant, which specifies the relationship between the angle of rotation and the product of magnetic induction and light path length. Both definitions of the Verdet constant V can, however, be converted into one another in a simple manner.
  • the two light signals L 1 and L 2 rotated in their polarization are evaluated in an evaluation unit 20.
  • an analyzer 22 which in the present case is designed as a Wollaston prism, the two light signals L1 and L2 are first divided into two partial light signals LT1 and LT2 with mutually perpendicular polarization planes. This corresponds to the evaluation referred to above as "two-channel".
  • the analyzer 22 leaves the two light signals rotated in their polarization If L1 and L2 only pass with respect to one polarization plane, then there is a single-channel evaluation.
  • the two light partial signals are broken down into waves ⁇ wavelength-selective components LT1 and LT2.
  • optoelectric converter units 41, 42, 43 and 44 these are converted into electrical signals 111, 112, 121 and 122, each of which provides information about the first or second angle of rotation pl caused by the current I to be measured at the respective wavelength ⁇ l and ⁇ 2 or p2.
  • the optical transmission filters 34, 35, 36 and 37 are designed as interference filters. However, they can also be implemented as edge filters.
  • the optoelectric converter units 41, 42, 43 and 44 each contain a photodiode tuned to the corresponding wavelength ⁇ 1 or ⁇ 2 and a downstream transimpedance amplifier.
  • a measurement signal M for the electrical current I is derived from the electrical signals 111, 112, 121 and 122.
  • an intensity standardization is first provided in the signal processing unit 101 before the actual evaluation. However, this is not absolutely necessary, it can also be omitted.
  • the subsequent actual determination of the measurement signal M is carried out using a method known from the prior art. To carry out this determination, the signal processing unit 101 also contains a digital calculation unit in the form of a digital signal processor.
  • the electrical signals 111, 112, 121 and 122 have an essentially sinusoidal dependence on the double first or second angle of rotation p1 or p2. So you get one through the Sin function, uniqueness range for the electrical current I to be measured.
  • the measuring range is initially limited to this uniqueness range. However, the arrangement shown in FIG. 1 serves to expand the measuring range beyond this uniqueness range in a particularly simple and efficient manner.
  • the Faraday element 10 is dimensioned in such a way that its effective Verdet constant Veff applies to both light wavelengths ⁇ l and ⁇ 2:
  • V 0 denotes a value of the Verdet constant V known at a given wavelength ⁇ 0 .
  • the pair of values (V 0 , ⁇ 0 ) is material-specific.
  • N generally stands for the number of closed revolutions of the two light signals L1 or L2 around the electrical conductor 5. With a fiber coil, N then corresponds to the number of turns, as already stated in connection with equations (2) and (3). In contrast, the light in a glass ring is generally only once passed around the current-carrying conductor 5, so that N here assumes the value one.
  • a Verdet constant V 0 of approximately 0.00015 ° / A and approximately 0.00075 ° / A is known. If one uses these material parameters in equation (6) and one also takes into account the requirement for the minimum sensitivity according to equation (4), one obtains a dimensioning specification for the Faraday element 10. Free parameters are the number of light circulations and the wavelength ⁇ .
  • the Faraday element 10 shown in FIG. 1 is designed as a fiber coil made of a quartz glass fiber with a number of turns N> 10.
  • the two light wavelengths ⁇ l and ⁇ 2 are 780 nm and 840 nm, respectively.
  • the first and second light sources 11 and 12 are laser diodes which emit narrow-band CW light signals at the specified wavelengths.
  • the fiber coil used as Faraday element 10 then has at least 25 turns in order to meet the above-mentioned condition for the effective Verdet constant Veff.
  • the two light signals L1 and L2 are not fed into the Faraday element 10 cyclically, but alternately.
  • the light sources 11 and 12 are connected via a transmission changeover switch 51 to a current source 61, via which the light sources 11 and 12 are supplied and excited to emit light.
  • the transmission switch 51 is controlled by a control unit 54 so that only one of the two light sources 11 or 12 is supplied with current and thus emits light.
  • the transmission switch 51 and the control unit 54 thus enable a cyclically alternating feeding of the two light signals L1 and L2 into the Faraday element 10.
  • the mode of operation of the arrangement shown in FIG. 1 is also referred to as a wavelength division multiplex
  • the mode of operation of the arrangement represents of Figure 2 represents a time-division multiplex operation.
  • the electrical signals 111, 112, 121 and 122 which carry the measurement information about the electrical current I as a function of only one of the two wavelengths ⁇ l and ⁇ 2, are obtained by the fact that between the optoelectric converter units 41 and 42 and a signal processing unit 102 switch 52 or 53 can be switched.
  • the reception changeover switches 52 and 53 are operated by the control unit
  • the electrical signals 111, 112, 121 and 122 are further processed analogously to the exemplary embodiment in FIG.
  • the parameters for the light wavelengths ⁇ l and ⁇ 2 used and for the effective Verdet constant Veff are selected analogously to the exemplary embodiment in FIG. 1.
  • the arrangement of the exemplary embodiment in FIG. 3 uses an optical wobble signal L3 with a varying light wavelength ⁇ 3 instead of two light signals L1 and L2, each with a different first and second wavelength ⁇ l and ⁇ 2.
  • the varying light wavelength ⁇ 3 periodically assumes values between the first and the second wavelength ⁇ l or ⁇ 2.
  • a light source 13 which can be tuned in the emitted wavelength and which is modulated with a corresponding wavelength modulation signal ⁇ mod serves as the transmission means for generating the optical wobble signal L3.
  • the light source 13 is designed as a tunable fiber laser (TFL), the emitted narrowband wavelength of which can be varied around a central wavelength of, for example, 810 nm.
  • the first and second wavelengths ⁇ l and ⁇ 2 are again chosen so that the wavelength difference is at most 15% of the central wavelength.
  • the first wavelength ⁇ l has a value of 800 nm and the second wavelength ⁇ 2 has a value of 820 nm.
  • Alternative transmission means for generating the optical wobble signal L3 are a broadband emitting light source such as a superluminescent light. zenzdiode (SLD) and a downstream modulatable narrow-band transmission filter.
  • the transmission filter can be arranged on both the transmitter and the receiver.
  • the polarization of the optical wobble signal L3 is rotated as a function of the electrical current I and of the varying light wavelength ⁇ 3 by a third angle of rotation p3. Because of the varying light wavelength ⁇ 3, this angle of rotation p3 is based on a varying characteristic curve instead of a constant one.
  • the optoelectric converter units 41 and 42 first convert the two partial light signals LT1 and LT2 into electrical signals II and 12, respectively, from which a standardized unit 71 is used
  • the normalized signal P is generated.
  • the normalized signal P still carries the measurement information about the electrical current I as a function of the varying wavelength ⁇ 3.
  • an average value signal S is obtained which corresponds to an average characteristic curve of the characteristic curve variation.
  • a variation component corresponding to the stroke of the characteristic curve variation is extracted from the standardized signal P.
  • This stroke of the characteristic curve variation around the middle characteristic curve is determined by the wavelength modulation signal ⁇ mod.
  • the variation component is therefore superimposed with the wavelength modulation signal ⁇ mod and then filtered in a second low-pass filter 83.
  • a quadrant signal Q is determined using this procedure known from quadrature demodulation. Like the mean signal S, this carries (ambiguous) measurement information about the electrical current I.
  • a signal processing unit 103 determines the measurement signal M from the mean value signal S and the quadrant signal Q for the electric current I. This is done via a look-up table stored in the signal processing unit 103.
  • the periodic variation of the wavelength ⁇ 3 between the first and the second wavelength determined by the wavelength modulation signal ⁇ mod is sinusoidal. However, it can also be sawtooth-shaped or with another periodic signal shape.
  • a modulation frequency Fmod of the wavelength modulation signal ⁇ mod has a frequency value that is at least twice as large as that of a maximum harmonic of a highest frequency component of the electrical current I to be detected namely harmonic components ( ⁇ Bessel components), the frequency of which is higher the higher the modulation.
  • the above frequency condition applies analogously to a switching frequency of the arrangement shown in FIG. 2.
  • the modulation frequency Fmod has a value of, for example, 200 kHz.
  • FIG. 4 shows an arrangement for optically detecting the electrical current I, in which the light sources 11 and 12 are supplied via modulable current sources 62 and 63.
  • the modulatable current sources 62 and 63 provide the light sources 11 and 12 with a current signal which is modulated in a rectangular, sinusoidal or sawtooth-shaped manner with an amplitude at a first frequency F1 or at a second frequency F2. These modulated current signals cause the first and second light sources 11 and 12 to emit optical signals which are intensity-modulated with the first and second frequencies F1 and F2, respectively.
  • the modulatable current sources 62 and 63 can thus be understood as modulation means for intensity modulation of the two light signals L1 and L2.
  • a frequency difference between the two frequencies F1 and F2 is advantageously between 1 kHz and 1 MHz. This reliably prevents crosstalk.
  • a value of 200 kHz is provided for the first frequency F1 and a value of 300 kHz for the second frequency F2.
  • the first and second frequencies F1 and F2 have a value of 50 and 60 kHz, respectively.
  • the two frequencies F1 and F2 are in turn chosen so that their respective frequency value is at least twice as large as that of the maximum harmonic of the highest frequency component of the electrical current I to be detected.
  • the first and second light signals L1 and L2 fed into the Faraday element 10 therefore differ not only in their wavelength but also in the frequency of their intensity modulation.
  • the two light signals L1 and L2 are fed in simultaneously. Again, wavelength multiplexing is involved, but here with additional intensity modulation.
  • the electrical signals 111, 112, 121 and 122 which contain the wavelength-related measurement information about the electrical current I, are generated by an electrical bandpass filtering.
  • the electrical signals II and 12 generated by the electro-optical converter units 41 and 42 from the two partial light signals LT1 and LT2 become first bandpasses 91 and 93 with a center frequency corresponding to the first frequency F1 and second bandpasses 92 and 94 with a second frequency F2 corresponding center frequency supplied.
  • This is followed by further processing of the electrical signals 111, 112, 121 and 122 in a signal processing unit 104, which essentially corresponds to that described in connection with the exemplary embodiments of FIGS. 1 and 2.
  • the first and second wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 used in the exemplary embodiment in FIG Faraday element 10 dimensioned analogously to the exemplary embodiments of the preceding figures.
  • each with one-sided light feed reflective embodiments of the arrangement or embodiments with opposite light feed into the Faraday element 10 are also possible.

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Abstract

Das Verfahren und die Anordnung dienen der optischen Erfassung eines elektrischen Stroms (I) mit erweitertem Meßbereich. Dazu passieren zwei Lichtsignale (L1, L2) mit unterschiedlicher Wellenlänge (μ1, μ2) ein Faraday-Element (10), wobei die Polarisation der beiden Lichtsignale (L1, L2) in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom (I) jeweils um mindestens 0,0014°/A gedreht wird. Durch Berücksichtigung beider wellenlängenabhängiger Polarisationsdrehungen, von denen zumindest eine jenseits eines Eindeutigkeitsbereichs liegt, wird der Meßbereich deutlich über den Eindeutigkeitsbereich jedes der beiden Lichtsignale (L1, L2) hinaus ausgedehnt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zur optischen Erfassung eines elektrischen Stroms über Lichtsignale mit unterschiedlicher Wellenlänge
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Erfassung eines elektrischen Stroms, bei dem mindestens erstes elliptisch polarisiertes Lichtsignal mit einer ersten Polarisation und einer ersten Wellenlänge sowie ein zweites elliptisch polarisiertes Lichtsignal mit einer zweiten Polarisation und einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge erzeugt werden, das erste und das zweite Lichtsignal in ein Faraday-Element eingespeist werden, die erste und die zweite Polarisation beim Durchlaufen des Faraday-Elements in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom verändert werden, und aus den Polarisationsänderungen der beiden Lichtsignale ein Meßsignal für den elektrischen Strom abgeleitet wird.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung zur optischen Erfassung eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter, wobei die Anordnung mindestens Sendemittel zur Erzeugung mindestens eines ersten elliptisch polarisierten Lichtsignals mit einer ersten Polarisation und einer ersten Wellenlänge sowie eines zweiten elliptisch polarisierten
Lichtsignals mit einer zweiten Polarisation und einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge, ein dem elektrischen Leiter zugeordnetes Faraday-Element, das von dem ersten und dem zweiten Lichtsignal durchlaufen wird, wobei das Faraday-Element in Abhängigkeit von dem zu erfassenden elektrischen Strom und von einer wellenlängenabhängigen effektiven Verdet-Konstante eine Änderung der ersten und der zweiten Polarisation bewirkt, und eine Auswerteeinheit zur Ableitung eines Meßsignals für den zu erfassenden elektri- sehen Strom aus den Änderungen der ersten und der zweiten Polarisation umfaßt. Ein solches Verfahren und eine solche Anordnung sind beispielsweise aus der WO 98/3851 7 AI und aus der JP 5-264608 A2 bekannt. In der WO 98/38517 AI wird eine Anordnung zur Strommessung beschrieben, bei der zwei Lichtsignale mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge erzeugt werden und über einen Koppler in einen Lichtwellenleiter eingespeist werden. Der Lichtwellenleiter dient als gemeinsame Zuführung zu einem Faraday-Element. Vor Eintritt in das Faraday-Element werden beide Lichtsignale linear polarisiert. Eine lineare Polari- sation ist in diesem Zusammenhang als besonders günstige
Sonderform einer elliptischen Polarisation zu betrachten. Im allgemeinen Fall ist jedoch jede andere elliptische Polarisationsform ist ebenso geeignet, solange sie eine ausgezeichnete Richtung aufweist. Das erste Lichtsignal hat eine Wel- lenlänge zwischen 630 und 850 nm und das zweite Lichtsignal hat eine Wellenlänge zwischen 1300 und 1550 nm. Aufgrund der wellenlängenabhängigen Verdet-Konstante werden die Polarisationen der beiden Lichtsignale in dem Faraday-Element unterschiedlich stark beeinflußt. Die Auswertung der durch den Strom hervorgerufenen Polarisationsänderungen erfolgt ein- kanalig oder zweikanalig. In einer Auswerteeinheit werden die beiden Lichtsignale durch optische Filterelemente oder durch den Empfindlichkeitsbereich der verwendeten Photodioden entsprechend ihrer Wellenlänge voneinander separiert und zur Weiterverarbeitung in elektrische Signale umgewandelt. Dabei bewirkt der Wellenlängenunterschied zwischen den beiden Lichtsignalen, daß das aus dem ersten Lichtsignal abgeleitete elektrische Signal eine eindeutige Funktion des zu messenden Stroms und das aus dem anderen Lichtsignal abgeleitete elek- trische Signal eine nicht eindeutige, periodische Funktion des zu messenden Stroms ist. Das zweite abgeleitete elektrische Signal besitzt dafür jedoch eine höhere Meßauflösung. Aus diesen beiden elektrischen Signalen wird eine Meßgröße für den elektrischen Strom mit großem Meßbereich und auch mit hoher Meßauflösung abgeleitet. Das hierbei verwendete Verfahren ist aus der DE 195 44 778 AI bekannt. In der DE 195 44 778 AI wird ein magnetooptischer Stromwandler mit zwei Faraday-Elementen zur Ableitung zweier verschiedener Meßsignale beschrieben. Das erste Faraday-Element liefert ein erstes Meßsignal, das in einem vorgegebenen Meß- bereich eine eindeutige Funktion des zu messenden elektrischen Stroms ist (= Betrieb im Eindeutigkeitsbereich) . Das zweite Faraday-Element ist dagegen so beschaffen, daß ein von ihm erzeugtes zweites Meßsignal eine nicht eindeutige, im wesentlichen periodische Funktion des elektrischen Stroms ist (= Betrieb im Mehrdeutigkeitsbereich) . Aus beiden Meßsignalen wird ein drittes Meßsignal für den elektrischen Strom zusammengesetzt, das in dem vorgegebenen Meßbereich sowohl eine eindeutige Funktion der Meßgröße ist als auch die gleiche hohe Meßauflösung wie das zweite Meßsignal aufweist. Das beschriebene Verfahren erfordert jedoch einen relativ hohen Aufwand, da zwei separate Faraday-Elemente zum Einsatz kommen und auch bei der Bildung des dritten Meßsignals in einer Auswerteeinheit ein hoher Rechenaufwand benötigt wird.
Aus der JP 05-264608 A2 ist eine Anordnung zur optischen
Erfassung eines elektrischen Stroms bekannt, die sich ebenfalls zweier Lichtsignale mit unterschiedlicher Wellenlänge (660 nm und 880 nm) bedient. Das hierbei verwendete Faraday- Element ist ein magnetooptischer Volumenkristall, der in der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters angeordnet ist. Die beiden Lichtsignale mit unterschiedlicher Wellenlänge werden bei dieser Anordnung jedoch nicht dazu verwendet, den Meßbereich zu erweitern. Vielmehr werden aus beiden Lichtsignalen elektrische Signale mit jeweils eindeutiger Zuordnung zu dem zu erfassenden elektrischen Strom abgeleitet. Das Faraday-Element wird bei beiden Wellenlängen im linearen Bereich der Kennlinie und somit im Eindeutigkeitsbereich betrieben. Damit ergibt sich ein relativ eingeschränkter Meßbereich.
Auch in der EP 0 210 716 AI wird ein magnetooptischer
Stromsensor, der mit zwei Lichtsignalen unterschiedlicher Wellenlängen betrieben wird, beschrieben. Auch hier dienen die zwei Wellenlängen nicht einer Meßbereichserweiterung, sondern einer Driftkompensation. Das Faraday-Element wird wieder nur im linearen, d.h. eindeutigen Bereich der Kennlinie betrieben.
Mit der DE 31 41 325 AI wird ein Heterodyn-Verfahren zur optischen Strommessung offenbart, bei dem zwei Lichtsignale mit gleicher Wellenlänge, jedoch unterschiedlicher Intensitätsmodulation erzeugt werden. Der Frequenzunterschied der Intensitätsmodulation zwischen beiden Lichtsignalen beträgt zwischen 1 kHz und 1 MHz. Aus diesen beiden Lichtsignalen wird ein weiteres Lichtsignal mit einem linearen Polarisationsvektor, der mit der Differenzfrequenz der beiden Intensitätsmodulationen um die Ausbreitungsrichtung des weiteren Lichtsignals rotiert, erzeugt. Das Lichtsignal mit rotierendem linearen Polarisationsvektor wird dann sowohl in ein Faraday-Element eingespeist als auch als Referenzsignal direkt zu einer Auswerteeinheit übertragen. Durch Phasenvergleich zwischen dem Referenzsignal und dem aus dem Fara- day-Element austretenden Lichtsignal wird dann der elektrische Strom bestimmt. Auch mit diesem Verfahren läßt sich der Meßbereich für die optische Strommessung über den Eindeutig- keitsbereich hinaus erweitern. Wegen des Referenzsignals und der in der Auswerteeinheit benötigten Phasenvergleichsmeß- gerate ist dieses Verfahren jedoch relativ aufwendig.
In der WO 98/05975 AI werden ein Verfahren und eine Anordnung zur optischen Stromerfassung beschrieben, bei denen zwei optische Meßsignale in Abhängigkeit von dem zu messenden elektrischen Strom erzeugt werden. Die Abhängigkeit der beiden optischen Meßsignale von dem elektrischen Strom ist jeweils periodisch, wobei sich die beiden Perioden höchstens um den Faktor 2 voneinander unterscheiden. Aus den beiden optischen Meßsignalen werden Wertepaare abgeleitet, denen sich dann jeweils ein aktueller Wert des zu messenden elektrischen Stroms zuordnen läßt. Mit diesem Verfahren beschriebenen Vorgehensweise ist es ebenfalls möglich, den Meßbereich bei der optischen Stromerfassung zu erweitern. In der WO 98/05975 AI finden sich jedoch keinerlei Hinweise auf konkrete Ausführungsformen, die sich beispielsweise durch eine besondere Effizienz auszeichnen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur optischen Erfassung eines elektrischen Stroms mit einer möglichst großen Meßauflösung und einem Meßbereich, der über den durch das verwendete Faraday-Element und die verwendete Lichtwellenlänge bestimmten Eindeutigkeitsbereich hinausgeht, anzugeben. Die optische Erfassung des elektrischen Stroms soll dabei außerdem möglichst effizient erfolgen.
Zur Lösung der das Verfahren betreffenden Aufgabe wird ein Verfahren zur optischen Erfassung eines elektrischen Stroms der eingangs bezeichneten Art entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die erste und die zweite Polarisation pro Ampere des zu erfassenden elektri^ sehen Stroms jeweils um mindestens 0,0014° gedreht. Außerdem wird zumindest eine der beiden Polarisationen unter dem Einfluß eines maximal zu erfassenden elektrischen Stroms um mehr als 45° gedreht.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß es für jedes Faraday-Element einen bevorzugten Empfindlichkeitsbereich gibt, in dem mit Hilfe von zwei Lichtsignalen unter- schiedlicher Wellenlänge der Meßbereich auf besonders einfache und vor allem effiziente Weise erweitert werden kann. Hierbei spielt die spezielle Ausführungsform des Faraday- Elements keine Rolle, solange das Faraday-Element für beide Wellenlängen transparent ist. Alle bekannten Ausführungs- formen können nämlich mit einem im Hinblick auf eine maximale Meßbereichserweiterung besonders günstigen Empfindlichkeitsbereich ausgelegt werden. Wählt man das Faraday-Element so, daß die beiden Lichtsignale mit unterschiedlicher Wellenlänge unter dem Einfluß des zu messenden elektrischen Stroms um mehr als 0,0014°/A in ihrer Polarisation gedreht werden, so ergibt sich für einen zu erfassenden periodischen elektrischen Strom ein Eindeutigkeitsbereich von < ca. 20 kA (=Effektivwert) . Der Eindeutigkeitsbereich wird durch den Drehwinkelbereich von [-45°; +45°] bestimmt, in dem durch das Faraday-Element hervorgerufene Polarisationsdrehungen eindeutig sind. Der eindeutig zu erfassende Maximalwert des elektrischen Stroms berechnet sich dann mit der genannten Untergrenze für die Empfindlichkeit des Faraday-Elements zu:
45° <ca.32kA (=Maximalwert)
0,0014°/A
Um nun eine Auflösung von beispielsweise kleiner als 10 A zu erreichen, wählt man den Eindeutigkeitsbereich möglichst klein. Dies wird durch die Wahl einer möglichst hohen Emp- findlichkeit (deutlich über der Untergrenze von 0,0014°/A) erreicht. Im Eindeutigkeitsbereich ist dann eine sehr hohe Meßauflösung von z.B. < 1 A erzielbar.
Dennoch läßt sich trotz der hohen Empfindlichkeit dann aber immer noch ein maximal erfaßbarer elektrischer Strom von bis zu einigen 10 kA oder sogar bis zu 100-200 kA erreichen, da die beiden Lichtsignale mit unterschiedlicher Wellenlänge für eine Meßbereichserweiterung herangezogen werden können. Bei einem hohen elektrischen Strom bewirkt das Faraday-Element nämlich zumindest bei einem der beiden Lichtsignale eine
Drehung der zugehörigen Polarisation um mehr als 45°. Dadurch überschreitet die Polarisationsänderung zumindest dieses Lichtsignals die Grenze des Eindeutigkeitsbereichs, so daß es zu Doppeldeutigkeiten kommt und damit die Möglichkeit für die gewünschte Messbereichserweiterung gegeben ist. Aus den durch den zu messenden Strom bedingten Änderungen der ersten und der zweiten Polarisation läßt sich ein Wertepaar ableiten, dem in dem vorstehend angegebenen erweiterten Meßbereich (< 200 kA) ein eindeutiger Wert des elektrischen Stroms zugewiesen werden kann. Die Zuordnung kann dabei sowohl über eine zuvor abgespeicherte Look-Up-Tabelle, in der die Wertepaare mit zugehöriger elektrischer Stromstärke hinterlegt sind, oder auch über eine mathematische Formel erfolgen. Außerdem kann ein' Wertepaar auch über einen mathe- matischen Suchalgorithmus mit hinterlegten Kennlinienfunktionen oder mit einem hinterlegten Modell des magnetooptischen Wandlers dem ursächlichen elektrischen Strom zugeordnet werden.
Der große Meßbereich und die hohe Auflösung bei kleinen
Strömen, d.h. im Eindeutigkeitsbereich, entsprechen gerade den diesbezüglichen Anforderungen im Bereich der öffentlichen elektrischen Energieversorgung, so daß sich das Verfahren für einen solchen Einsatz besonders eignet.
Besondere Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens unterscheiden sich ein erster und zweiter Drehwinkel, um die die erste bzw. zweite Polarisation im Faraday-Element gedreht werden, höchstens um einen Faktor 2 voneinander. Für einen möglichst großen Meßbereich ist es nämlich von Vorteil, wenn sich Kennlinien, die für die erste und die zweite Wellenlänge jeweils die Stromabhängigkeit beschreiben, möglichst wenig unterscheiden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Periodizitäten der bei Vernachlässigung von Störgrößeneinflüssen in erster Näherung sinusförmigen Kennlinien möglichst nahe beieinanderliegen. Durch die genannte Bedingung erreicht man, daß sich die Perioden der beiden sinusförmigen Kennlinien höchstens um einen Faktor 2 unterscheiden. Weiterhin ist es günstig, wenn sich die erste und die zweite Wellenlänge um nicht mehr als 15 % bezogen auf einen Mittelwert aus beiden Wellenlängen voneinander unterscheiden. Da die Empfindlichkeit des Faraday-Elements von der Wellenlänge abhängt, wird mit dem für die erste und zweite Wellenlänge angegebenen Bereich erreicht, daß der resultierende Meßbereich um mindestens eine Größenordnung größer ist als der Eindeutigkeitsbereich bei separater Auswertung des ersten oder des zweiten Lichtsignals.
Eine weitere Ausgestaltung betrifft die Einspeisung der beiden Lichtsignale in das Faraday-Element. Vorteilhaft passieren die beiden Lichtsignale mit unterschiedlicher Wellenlänge das Faraday-Element gemeinsam, d.h. gleichzeitig. Zur Auswertung wird beispielsweise eine optische Separation in die beiden Lichtsignale gemäß ihrer jeweiligen Wellenlänge vorgenommen. Damit liegen zu jedem Zeitpunkt Meßinformationen vor, die anhand der ersten und der zweiten Wellenlänge ge- wonnenen werden. Aufgrund der (Licht-) Signalunterscheidung ausschließlich im Wellenlängenbereich handelt es sich bei dieser Ausgestaltung um ein Wellenlängen-Multiplex-Verfahren (Wavelength Domain Multiplex = WDM) .
Es gibt jedoch auch eine Ausführungsform, in der das erste und das zweite Lichtsignal periodisch abwechselnd in das Faraday-Element eingespeist werden. In dieser Ausführungsform steht zu jedem Zeitpunkt immer nur die über eine der beiden Wellenlängen gewonnene Meßinformation zur Verfügung. Durch ein entsprechend schnelles Umschalten zwischen beiden Lichtsignalen können zwei nacheinander aufgenommene Meßinformationen aber trotzdem einem einzigen zu messenden Stromwert zugeordnet werden, insbesondere dann, wenn eine Umschaltfrequenz mindestens zweimal so groß ist wie ein Frequenzwert einer maximalen Oberwelle einer höchsten zu erfassenden
Frequenzkomponente des elektrischen Stroms I. Eine optische Trennung der beiden Lichtsignale ist in dieser Ausführungs- form nicht erforderlich. Aufgrund der Signalunterscheidung im Zeitbereich handelt es sich bei dieser Ausführungsform um ein Zeit-Multiplex-Verfahren (Time Domain Multiplex = TDM) .
Vorteilhaft ist außerdem auch eine Ausführungsform, bei der ein optisches Wobbeisignal mit einer variierenden Wellenlänge durch das Faraday-Element geschickt wird. Ein solches Wobbel- signal läßt sich beispielsweise mit einer in der Wellenlänge durchstimmbaren Lichtquelle (Laserdiode, LED, SLD mit durch- stimmbaren Trans issionsfilter, Tuneable Fiber Laser) erzeugen. Die schmalbandige variierende Wellenlänge des Wobbel- signals nimmt dabei Wellenlängenwerte zwischen der ersten und der zweiten Wellenlänge an. Man kann sich das optische Wob- belsignal als aus unendlich vielen Einzelsignalen mit jeweils voneinander verschiedenen Einzelwellenlänge zusammengesetzt vorstellen. Bei dieser Interpretation sind dann das erste und das zweite Lichtsignal mit der ersten bzw. zweiten Wellenlänge diejenigen Einzelsignale, bei denen sich die Richtung der Wellenlängenvariation gerade umkehrt. Aufgrund der Ein- speisung von theoretisch unendlich vielen Einzelwellenlängen in das Faraday-Element, ergibt sich bei der Auswertung ein größerer Spielraum zur Erweiterung des Meßbereichs, da prinzipiell für alle Einzelwellenlängen eine Meßinformation mit jeweils voneinander verschiedener Abhängigkeit von dem zu detektierenden elektrischen Strom vorliegt.
Bevorzugt ist eine Ausgestaltung bei der die Variation der Wellenlänge des optischen Wobbelsignals im periodischen Wechsel erfolgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden das erste Lichtsignal mit einer ersten Frequenz und das zweite Lichtsignal mit einer von der ersten Frequenz verschiedenen zweiten Frequenz in ihrer Intensität moduliert. Diese Inten- sitätsmodulation erfolgt bei der Erzeugung der beiden Lichtsignale. Dazu wird ein Versorgungsstrom, der eine Lichtquelle wie z.B. eine Laserdiode oder eine LED zur Lichtemission an- regt, mit der entsprechenden Frequenz in seiner Amplitude variiert. Die beiden Lichtsignale mit voneinander verschiedener Wellenlänge und Intensitätsmodulation werden dann in das Faraday-Element eingespeist. Dies kann sowohl gleich- zeitig als auch zyklisch abwechselnd erfolgen. Zur Auswertung werden die in den beiden Lichtsignalen enthaltenen Meßinformationen durch eine nach einer optoelektrischen Wandlung durchgeführte elektrische Bandpaßfilterung voneinander separiert. Die Mittenfrequenzen der Bandpaßfilter entsprechen dabei der jeweiligen Frequenz der Intensitätsmodulation. Eine optische Filterung der beiden Lichtsignale entfällt dadurch.
Die Lösung der Aufgabe bezüglich der Anordnung zur optischen Erfassung eines elektrischen Stroms entsprechend der eingangs bezeichneten Art ergibt sich aus den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 9.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur elektrischen Erfassung eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter weist die effektive Verdet-Konstante des Faraday-Elements für beide Wellenlängen einen Wert von mindestens 0,0014°/A auf, und das Faraday-Element dreht zumindest eine der beiden Polarisationen bei einem maximal zu erfassenden elektrischen Strom die um mehr als 45° .
Mit einer solchen Anordnung gelingt auf besonders einfache und auch effiziente Weise eine Erweiterung des Meßbereichs bei zugleich unverändert guter Meßauflösung.
Die Sendemittel zur Erzeugung der beiden Lichtsignale mit voneinander verschiedener Wellenlänge umfassen handelsübliche Lichtquellen wie beispielsweise zwei LEDs, zwei Laserdioden oder zwei SLDs (engl.: super^u inescent diode) . Diese Lichtquellen emittieren bevorzugt im infraroten Wellenlängen- bereich bei ca. 800 nm oder bei ca. 1300 nm. Ein anderer Wellenlängenbereich ist jedoch genauso gut geeignet. Die möglichen emittierten Wellenlängen unterliegen dabei nur insofern einer Bedingung, als die effektive Verdet-Konstante des Faraday-Elements bei diesen Wellenlängen jeweils mindestens bei dem obengenannten Wert von 0,0014°/A liegen sollte.
Die Sendemittel zur Erzeugung der beiden elliptisch polarisierten Lichtsignale umfassen außerdem auch einen linearen Polarisator, falls das von Lichtquelle emittierte Licht unpolarisiert ist.
Das Faraday-Element kann als Faserspule z.B. aus einer Quarzglasfaser, als massiver Glasring z.B. aus Flintglas oder als magnetooptischer Volumeneinkristall z.B. aus einem BSO (Wis- mutsiliciumoxid) , einem BGO (Wismutgermaniumoxid) oder einem YIG (Yttrium Iron Garnet) ausgeführt sein. Dabei kann sich der magnetooptische Volumeneinkristall auch in einem Luftspalt eines den elektrischen Leiter umschließenden, magnetischen Flußkonzentrators befinden.
Um die genannte Bedingung für die effektive Verdet-Konstante zu erfüllen, ist beispielsweise bei einer Faserspule aus einer Quarzglasfaser eine Windungszahl von mindestens 10 erforderlich, wenn die beiden verwendeten Wellenlängen in der Größenordnung von 800 nm liegen. Sind Wellenlängen in der Größenordnung von 1300 nm vorgesehen, dann ist entsprechend eine Windungszahl von mindestens 25 erforderlich. Ein geeigneter Glasring, bei dem die beiden Lichtsignale jeweils nur einmal um den elektrischen Leiter herumgeführt werden, besteht demgegenüber aus Flintglas. Hier kann beispielsweise Flintglas der Firma Schott mit der Typbezeichnung SF6 oder SF57 verwendet werden. Ein solcher Glasring ist für einen Betrieb bei Wellenlängen in der Größenordnung von 485 nm bestimmt. Wegen der im allgemeinen nicht vorhandenen Möglichkeit zur Erhöhung der Empfindlichkeit (=effektive Verdet- Konstante) über einen mehrmaligen Lichtumlauf erfüllt ein solcher Glasring trotz der gegenüber Quarzglas höheren mate- rialspezifischen Empfindlichkeit von Flintglas die Bedingung für die Empfindlichkeitsuntergrenze (=0,0014°/A) erst bei deutlich kürzeren Wellenlängen, als dies bei einer Quarzglas- Faserspule der Fall ist. Freie Entwurfsparameter sind also die Geometrie (= z.B. Anzahl der Lichtumläufe) des Faraday- Elements, die materialspezifischen Eigenschaften des Faraday- Elements und die verwendeten Wellenlängen.
Die Auswertung der durch den zu messenden Strom bedingten Änderungen der ersten und der zweiten Polarisation wird in einer Auswerteeinheit vorgenommen. Die Auswerteeinheit er- mittelt ein Wertepaar aus den Polarisationsänderungen und ordnet dem Wertepaar dann anhand einer hinterlegten Look-Up- Tabelle einen entsprechenden Wert des elektrischen Stroms zu. Die Auswerteeinheit kann dabei in analoger und/oder digitaler Schaltungstechnik realisiert sein. Insbesondere kann die Auswerteeinheit eine digitale Berechnungseinheit, beispielsweise in Form eines digitalen Signalprozessors, umfassen.
Auch eine bereits bestehende Anordnung zur optischen Strommessung kann auf einfache Weise im Meßbereich erweitert wer- den, da an dem eigentlichen optischen Pfad keinerlei Eingriff notwendig ist. Die Meßbereichserweiterung wird vielmehr alleine durch ein Austauschen der bestehenden Sende-, Empfangsund Auswertemittel erreicht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sind in den von
Anspruch 9 abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die bereits obengenannten Vorteile für das Verfahren gelten für die Anordnung sinngemäß.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfassen die Sendemittel auch Mittel zur gleichzeitigen Einspeisung der beiden Lichtsignale in das Faraday-Element. Dabei kann es sich um einen Koppler handeln, der die von unterschiedlichen Lichtquellen stammenden Lichtsignale in einen gemeinsamen zum Faraday- Element führenden Lichtwellenleiter einspeist. Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im einzelnen zeigen:
Figur 1 eine Anordnung zur optischen Strommessung mit zwei gleichzeitig in ein Faraday-Element eingespeisten Lichtsignalen unterschiedlicher Wellenlänge, Figur 2 eine Anordnung zur optischen Strommessung mit zwei abwechselnd in ein Faraday-Element eingespeisten
Lichtsignalen unterschiedlicher Wellenlänge, Figur 3 eine Anordnung zur Strommessung mit einem in ein Faraday-Element eingespeisten Lichtsignal variierender Wellenlänge und Figur 4 eine Anordnung zur optischen Strommessung mit zwei gleichzeitig in ein Faraday-Element eingespeisten, intensitätsmodulierten Lichtsignalen unterschiedlicher Wellenlänge.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist eine Anordnung zur optischen Messung eines in einem Stromleiter 5 fließenden elektrischen Stroms I dar- gestellt. In einer ersten Lichtquelle 11 und einer zweiten Lichtquelle 12 werden zwei Lichtsignale mit einer ersten Wellenlänge λl bzw. einer zweiten Wellenlänge λ2 erzeugt. Über einen Koppler 31, der vorliegend als 2xl-Faserkoppler ausgebildet ist, werden beide Lichtsignale einem Polarisator 21 zugeführt. An dessen Ausgang liegen dann ein erstes Lichtsignal Ll mit einer ersten linearen Polarisation und der ersten Wellenlänge λl sowie ein zweites Lichtsignal L2 mit einer zweiten linearen Polarisation und der zweiten Wellenlänge λ2 vor. Anstelle der linearen ist auch eine elliptische Polarisation mit einer Vorzugsrichtung möglich. Die beiden linear polarisierten Lichtsignale Ll und L2 werden dann einem Faraday-Element 10, das dem Stromleiter 5 zugeordnet ist, zugeführt. Die Zuführung erfolgt dabei gemeinsam, beispielsweise über einen nicht näher dargestellten Licht- Wellenleiter. In einem anderen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird die lineare Polarisation der beiden Lichtsignale erst unmittelbar vor Eintritt in das Faraday-Element 10 erzeugt.
In dem Faraday-Element 10 werden die lineare erste und zweite Polarisation des ersten bzw. zweiten Lichtsignals Ll bzw. L2 um einen ersten bzw. zweiten Drehwinkel pl bzw. p2 gedreht. Die Drehwinkel pl und p2 sind dabei jeweils abhängig von der Größe des elektrischen Stroms I und von einer durch das Faraday-Element 10 bestimmten Konstante, einer sogenannten Verdet-Konstante V. Die Verdet-Konstante V ist von einem im Faraday-Element 10 verwendeten Material, von einer Umgebungstemperatur und von einer durch das Faraday-Element 10 hin- durchgestrahlten Lichtwellenlänge λ abhängig. Insbesondere die Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge λ ist für das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines magnetooptischen Stromwandlers mit erweitertem Meßbereich von besonderer Bedeutung. Folgender empirisch ermittelter Zusammenhang kann für die Wellenlängenabhängigkeit der Verdet-Konstante V an- gegeben werden:
Figure imgf000016_0001
wobei n(λ) eine wellenlängenabhängige Brechzahl des verwende- ten Materials sowie A, B und λc Materialkonstante, die beispielsweise einem einschlägigen Tabellenwerk entnommen werden können, bezeichnen.
Für ein als Faserspule mit N Windungen ausgebildetes Faraday- Element 10 ergibt sich dann der erste Drehwinkel pl für das erste Lichtsignal Ll zu: pl = NN ( λl ) - I . ( 2 )
Für das zweite Lichtsignal mit der zweiten Lichtwellenlänge λ2 ergibt sich entsprechend ein zweiter Drehwinkel p2 von:
p2 = Ν-V(λ2)-I . (3)
Aus der wellenlängenabhängigen Verdet-Konstante V und der Windungszahl N kann man eine effektive Verdet-Konstante Veff bilden, so daß der erste und der zweite Drehwinkel pl bzw. p2 ausschließlich von dieser wellenlängenabhängigen effektiven Verdet-Konstante Veff und dem zu messenden elektrischen Strom I abhängen. Entsprechend läßt sich auch für andere Ausfüh- rungsformen des Faraday-Elements 10, beispielsweise einen Glasring oder einen magnetooptischen Volumenkristall, eine effektive Verdet-Konstante Veff definieren, die die jeweiligen geometrieabhängigen Einflußgrößen dann mit umfaßt.
In der Fachliteratur findet sich auch eine von den Gleichungen (2) und (3) verschiedene Definition der Verdet-Konstante V als materialspezifische wellenlängenabhängige Proportionalitätskonstante, die den Zusammenhang zwischen dem Drehwinkel und dem Produkt aus magnetischer Induktion und Lichtweglänge angibt. Beide Definitionen der Verdet-Konstante V lassen sich jedoch auf einfache Weise ineinander umrechnen.
Nach Durchlaufen des Faraday-Elements 10 werden die beiden in ihrer Polarisation gedrehten Lichtsignale Ll und L2 in einer Auswerteeinheit 20 ausgewertet. In einem Analysator 22, der im vorliegenden Fall als Wollaston-Prisma ausgebildet ist, werden die beiden Lichtsignale Ll und L2 zunächst in zwei Lichtteilsignale LT1 und LT2 mit zueinander senkrechten Polarisationsebenen aufgeteilt. Dies entspricht der vorstehend als "zweikanalig" bezeichneten Auswertung. Läßt der Analysator 22 in einem nicht dargestellten anderen Ausführungsbeispiel die beiden in ihrer Polarisation gedrehten Lichtsignale Ll und L2 nur bezüglich einer Polarisationsebene passieren, so liegt dagegen eine einkanalige Auswertung vor.
Über Koppler 32 und 33 sowie auf die erste und zweite Wellen- länge abgestimmte optische Transmissionsfilter 34, 35, 36 und 37 werden die beiden Lichtteilsignale LT1 und LT2 in wellen¬ längenselektive Anteile zerlegt. Über optoelektrische Wandlereinheiten 41, 42, 43 und 44 werden diese in elektrische Signale 111, 112, 121 und 122 umgewandelt, die jeweils eine Information über den von dem zu messenden Strom I bei der jeweiligen Wellenlänge λl und λ2 verursachten ersten bzw. zweiten Drehwinkel pl bzw. p2 beinhalten. Die optischen Transmissionsfilter 34, 35, 36 und 37 sind als Interferenzfilter ausgeführt. Sie können jedoch ebenfalls als Kanten- filter realisiert werden. Die optoelektrischen Wandlereinheiten 41, 42, 43 und 44 beinhalten jeweils eine auf die entsprechende Wellenlänge λl oder λ2 abgestimmte Photodiode und einen nachgeschalteten Transimpedanzverstärker.
In einer Signalverarbeitungseinheit 101 wird aus den elektrischen Signalen 111, 112, 121 und 122 ein Meßsignal M für den elektrischen Strom I abgeleitet. Zur Beseitigung von Störgrößeneinflüssen ist in der Signalverarbeitungseinheit 101 vor der eigentlichen Auswertung zunächst eine Intensi- tätsnormierung vorgesehen. Diese ist jedoch nicht zwingend notwendig, sie kann auch entfallen. Die sich anschließende eigentliche Ermittlung des Meßsignals M erfolgt nach einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren. Die Signalverarbeitungseinheit 101 enthält zur Durchführung dieser Ermittlung auch eine digitale Berechnungseinheit in Form eines digitalen Signalprozessors.
Bei Vernachlässigung der in diesem Zusammenhang nicht interessierenden Störgrößeneinflüsse besitzen die elektrischen Signale 111, 112, 121 und 122 eine im wesentlichen sinusförmige Abhängigkeit vom doppelten ersten oder zweiten Drehwinkel pl bzw. p2. Somit erhält man einen durch die Sinus-Funktion bestimmten Eindeutigkeitsbereich für den zu messenden elektrischen Strom I. Der Meßbereich ist zunächst auf diesen Eindeutigkeitsbereich begrenzt. Die in Figur 1 dargestellte Anordnung dient jedoch gerade dazu, den Meß- bereich in besonders einfacher und effizienter Weise über diesen Eindeutigkeitsbereich hinaus zu erweitern.
Zu diesem Zweck ist das Faraday-Element 10 gerade so dimensioniert, daß für seine effektive Verdet-Konstante Veff bei beiden Lichtwellenlängen λl und λ2 gilt:
Veff > 0, 0014°/A . (4
Der in Gleichung (1) angegebenen Abhängigkeit der Verdet- Konstante V von der Wellenlänge λ liegt prinzipiell eine Proportionalitätsbeziehung gemäß :
N(λ) oc (5
zugrunde. Dies wird offensichtlich, wenn in Gleichung (1) auch die Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl n(λ) mit in Betracht gezogen wird. Für ein als Faserspule oder Glasring ausgebildetes Faraday-Element 10 läßt sich mit Gleichung (5) für die effektive Verdet-Konstante Veff folgende Beziehung:
Veff(λ) = N0 - Ν - [ ^
ableiten, wobei V0 einen bei einer gegebenen Wellenlänge λ0 bekannten Wert der Verdet-Konstante V bezeichnet. Das Werte- paar (V0, λ0) ist dabei materialspezifisch. N steht allgemein für die Anzahl der geschlossenen Umläufe der beiden Lichtsignale Ll oder L2 um den elektrischen Leiter 5. Bei einer Faserspule entspricht N dann wie bereits im Zusammenhang mit den Gleichungen (2) und (3) angegeben der Windungszahl. In einem Glasring wird das Licht dagegen im allgemeinen nur einmal um den stromdurchflossenen Leiter 5 herumgeführt, so daß N hier den Wert eins annimmt.
Für Quarzglas und Flintglas als lichtführende Medien sind beispielsweise bei einer Wellenlänge λ0 von 820 nm eine Verdet-Konstante V0 von etwa 0,00015°/A bzw. von etwa 0,00075°/A bekannt. Setzt man diese Materialparameter in Gleichung (6) ein und berücksichtigt man außerdem die Anforderung an die Mindestempfindlichkeit gemäß Gleichung (4), so erhält man eine Dimensionierungsvorgabe für das Faraday- element 10. Freie Parameter sind dabei die Anzahl der Lichtumläufe und die Wellenlänge λ.
Für eine bei 820 nm betriebene Faserspule aus einer Quarz- glasfaser ergibt sich somit eine Windungszahl von mindestens 10. Entsprechend ergibt sich für eine bei der gleichen Wellenlänge betriebene Faserspule aus einer Flintglasfaser eine Windungszahl von mindestens 2. Für einen Flintglasring (N=l) erhält man dagegen als Vorgabe eine höchste mögliche Be- triebswellenlänge von 600 nm.
Das in Figur 1 gezeigte Faraday-Element 10 ist als Faserspule aus einer Quarzglasfaser mit einer Windungszahl N > 10 ausgeführt. Die beiden Lichtwellenlängen λl und λ2 betragen 780 nm bzw. 840 nm. Die erste und zweite Lichtquelle 11 bzw. 12 sind Laserdioden, die bei den angegebenen Wellenlängen schmalbandige CW-Lichtsignale emittieren.
Für eine Erweiterung des Meßbereichs gegenüber dem Eindeutig- keitsbereich um mindestens eine Größenordnung ist es nämlich vorteilhaft, wenn der Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Lichtwellenlänge λl bzw. λ2 möglichst klein ist. Um einen möglichst großen Meßbereich zu erhalten, werden deshalb die erste und die zweite Wellenlänge λl bzw. λ2 so gewählt, daß ihre Wellenlängendifferenz höchstens 15 % des arithmetischen Mittelwerts aus beiden Wellenlängen λl und λ2 beträgt. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel, in dem die beiden Wellenlängen λl und λ2 in der Größenordnung von 1300 nm liegen, hat die als Faraday-Element 10 eingesetzte Faserspule dann mindestens 25 Windungen, um die obengenannte Bedingung für die effektive Verdet-Konstante Veff zu erfüllen.
Bei der in Figur 2 dargestellten Anordnung zur Erfassung eines elektrischen Stroms I werden die beiden Lichtsignale Ll und L2 nicht gleichzeitig, sondern zyklisch abwechselnd in das Faraday-Element 10 eingespeist. Dazu sind die Lichtquellen 11 und 12 über einen Sendeumschalter 51 an eine Stromquelle 61, über die die Lichtquellen 11 und 12 versorgt und zur Lichtemission angeregt werden, angeschlossen. Der Sende- Umschalter 51 wird von einer Steuereinheit 54 so gesteuert, daß nur jeweils eine der beiden Lichtquellen 11 oder 12 mit Strom versorgt wird und somit Licht emittiert. Der Sendeumschalter 51 und die Steuereinheit 54 ermöglichen somit eine zyklisch abwechselnde Einspeisung der beiden Lichtsignale Ll und L2 in das Faraday-Element 10. Bezeichnet man außerdem die Betriebsweise der in Figur 1 gezeigten Anordnung als Wellen- längen-Multiplex, so stellt die Betriebsweise der Anordnung von Figur 2 entsprechend einen Zeit-Multiplex-Betrieb dar.
Da die beiden Lichtsignale Ll und L2 mit unterschiedlicher Wellenlänge λl und λ2 das Faraday-Element 10 nicht gleichzeitig passieren, werden in der Auswerteeinheit 20 auch keine optischen Mittel zur Wellenlängenseparation benötigt. Die elektrischen Signale 111, 112, 121 und 122, die die Meß- Information über den elektrischen Strom I in Abhängigkeit von jeweils nur einer der beiden Wellenlängen λl und λ2 tragen, werden dadurch gewonnen, daß zwischen die optoelektrischen Wandlereinheiten 41 und 42 und eine Signalverabeitungseinheit 102 Empfangsumschalter 52 bzw. 53 geschaltet werden. Die Empfangsumschalter 52 und 53 werden durch die Steuereinheit
54 mit dem gleichen Takt umgeschaltet wie der Sendeumschalter 51. Eine Synchronisierung des Sendeumschalters 51 und der Sendeumschalter 52 und 53 ist problemlos möglich, da sich die Auswerteeinheit 20 und auch die Sendemittel zur Erzeugung der beiden Lichtsignale Ll und L2 üblicherweise in naher lokaler Nachbarschaft, insbesondere sogar in ein und demselben Baugruppengehäuse befinden.
Die Weiterverarbeitung der elektrischen Signale 111, 112, 121 und 122 erfolgt analog zu dem Ausführungsbeispiel von Figur
1. Ebenso sind die Parameter für die verwendeten Lichtwellenlängen λl und λ2 sowie für die effektive Verdet-Konstante Veff analog zu dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 gewählt.
Die Anordnung des Ausführungsbeispiels von Figur 3 bedient sich anstelle zweier Lichtsignale Ll und L2 mit jeweils unterschiedlicher erster bzw. zweiter Wellenlänge λl und λ2 eines optischen Wobbelsignals L3 mit variierender Lichtwellenlänge λ3. Die variierender Lichtwellenlänge λ3 nimmt dabei periodisch Werte zwischen der ersten und der zweiten Wellenlänge λl bzw. λ2 an. Als Sendemittel zur Erzeugung des optischen Wobbelsignals L3 dient eine in der emittierten Wellenlänge durchstimmbare Lichtquelle 13, die mit einem entsprechenden Wellenlängenmodulationssignal λmod moduliert wird.
Die Lichtquelle 13 ist als verstimmbarer Faser-Laser (Tuneable Fiber Laser = TFL) ausgebildet, dessen emittierte schmalbandige Wellenlänge um eine zentrale Wellenlänge von z.B. 810 nm variiert werden kann. Die erste und zweite Wellenlänge λl bzw. λ2 werden dabei wiederum so gewählt, daß die Wellenlängendifferenz maximal 15 % der zentralen Wellenlänge beträgt. Im Ausführungsbeispiel von Figur 3 hat die erste Wellenlänge λl einen Wert von 800 nm und die zweite Wellen- länge λ2 einen Wert von 820 nm. Alternative Sendemittel zur Erzeugung des optischen Wobbelsignals L3 sind eine breit- bandig emittierende Lichtquelle wie z.B. eine Superlumines- zenzdiode (SLD) und ein nachgeschaltetes modulierbares schmalbandiges Transmissionsfilter. Das Transmissionsfilter kann dabei sowohl am Sender als auch am Empfänger angeordnet sein.
In dem Faraday-Element 10 wird die Polarisation des optischen Wobbelsignals L3 in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom I und von der variierenden Lichtwellenlänge λ3 um einen dritten Drehwinkel p3 gedreht. Wegen der variierenden Lichtwellen- länge λ3 liegt diesem Drehwinkel p3 anstelle einer konstanten hier auch eine variierende Kennlinie zugrunde. In der Auswerteeinheit 20 erfolgt zunächst durch die optoelektrischen Wandlereinheiten 41 und 42 eine Umwandlung der beiden Lichtteilsignale LT1 bzw. LT2 in elektrische Signale II bzw. 12, aus denen in einer Normierungseinheit 71 eine normiertes
Signal P erzeugt wird. Das normierte Signal P trägt die Meßinformation über den elektrischen Strom I immer noch in Abhängigkeit der variierenden Wellenlänge λ3. Durch eine Filterung des normierten Signals P in einem ersten Tiefpaß 81 erhält man ein Mittelwertsignal S, das einer mittleren Kennlinie der Kennlinienvariation entspricht.
Aus dem normierten Signal P wird außerdem in einem Hochpaß 82 ein dem Hub der Kennlinienvariation entsprechender Varia- tionsanteil extrahiert. Dieser Hub der Kennlinienvariation um die mittlere Kennlinie wird dabei durch das Wellenlängenmodulationssignal λmod bestimmt. In einem Multiplikator 84 wird deshalb der Variationsanteil mit dem Wellenlängenmodulationssignal λmod überlagert und anschließend in einem zweiten Tiefpaß 83 gefiltert. Mit dieser aus der Quadraturdemodula- tion bekannten Vorgehensweise wird ein Quadrantensignal Q ermittelt. Dieses trägt ebenso wie das Mittelwertsignal S eine (mehrdeutige) Meßinformation über den elektrischen Strom I.
Aus dem Mittelwertsignal S und dem Quadrantensignal Q ermittelt eine Signalverarbeitungseinheit 103 das Meßsignal M für den elektrischen Strom I. Dies erfolgt über eine in der Signalverarbeitungseinheit 103 hinterlegte Look-up-Tabelle .
Die durch das Wellenlängenmodulationssignal λmod bestimmte periodische Variation der Wellenlänge λ3 zwischen der ersten und der zweiten Wellenlänge ist sinusförmig. Sie kann jedoch auch sägezahnförmig oder mit einer anderen periodischen Signalform verlaufen. Eine Modulationsfrequenz Fmod des Wellenlängenmodulationssignals λmod hat dabei einen Frequenz- wert, der mindestens doppelt so groß ist wie der einer maximalen Oberwelle einer höchsten zu erfassenden Frequenzkomponente des elektrischen Stroms I. Sobald die sinusförmige Kennlinie des Faradayelements 10 über den linearen Bereich hinaus ausgesteuert wird, entstehen nämlich Oberwellenanteile (^Bessel-Anteile) , deren Frequenz um so höher liegen, je höher die Aussteuerung ist. Die vorstehende Frequenz-Bedingung gilt analog für eine Umschaltfrequenz der in Figur 2 gezeigten Anordnung. Im Beispiel von Figur 3 hat die Modulationsfrequenz Fmod einen Wert von beispielsweise 200 kHz.
In Figur 4 ist eine Anordnung zur optischen Erfassung des elektrischen Stroms I dargestellt, bei der die Lichtquellen 11 und 12 über modulierbare Stromquellen 62 und 63 versorgt werden. Die modulierbaren Stromquellen 62 und 63 stellen den Lichtquellen 11 bzw. 12 ein in der Amplitude mit einer ersten Frequenz Fl bzw. mit einer zweiten Frequenz F2 rechteck-, sinus- oder sägezahnförmig moduliertes Stromsignal zur Verfügung. Diese modulierten Stromsignale veranlassen die erste und die zweite Lichtquelle 11 bzw. 12 zur Emission optischer Signale, die mit der ersten bzw. zweiten Frequenz Fl bzw. F2 in der Intensität moduliert sind. Die modulierbaren Stromquellen 62 und 63 lassen sich damit als Modulationsmittel zur Intensitätsmodulation der beiden Lichtsignale Ll und L2 auffassen.
Ein Frequenzunterschied zwischen den beiden Frequenzen Fl und F2 liegt dabei vorteilhafterweise zwischen 1 kHz und 1 MHz. Dadurch wird ein Übersprechen sicher vermieden. Im vorliegenden Fall ist für die erste Frequenz Fl ein Wert von 200 kHz und für die zweite Frequenz F2 ein Wert von 300 kHz vorgesehen. In einem anderen Ausführungsbeispiel haben die erste und die zweite Frequenz Fl bzw. F2 einen Wert von 50 bzw. 60 kHz. Die beiden Frequenzen Fl und F2 sind dabei wiederum so gewählt, daß ihr jeweiliger Frequenzwert mindestens doppelt so groß ist wie der der maximalen Oberwelle der höchsten zu erfassenden Frequenzkomponente des elektrischen Stroms I.
Die in das Faraday-Element 10 eingespeisten ersten und zweiten Lichtsignale Ll und L2 unterscheiden sich also außer durch ihre Wellenlänge auch durch die Frequenz ihrer Intensi- tätsmodulation. Die Einspeisung der beiden Lichtsignale Ll und L2 erfolgt analog zu dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 gleichzeitig. Es liegt also wiederum ein Wellenlängen-Multi- plex-Betrieb vor, allerdings hier mit zusätzlicher Intensitätsmodulation.
In der Auswerteeinheit 20 werden die elektrischen Signale 111, 112, 121 und 122, die die wellenlängenbezogene Meßinformation über den elektrischen Strom I enthalten, durch eine elektrische Bandpaßfilterung erzeugt. Die von den elektrooptischen Wandlereinheiten 41 und 42 aus den beiden Lichtteilsignalen LT1 und LT2 generierten elektrischen Signale II und 12 werden dazu ersten Bandpässen 91 bzw. 93 mit einer der ersten Frequenz Fl entsprechenden Mittenfrequenz und zweiten Bandpässen 92 bzw. 94 mit einer der zweiten Frequenz F2 entsprechenden Mittenfrequenz zugeführt. Es schließt sich in einer Signalverarbeitungseinheit 104 eine Weiterverarbeitung der elektrischen Signale 111, 112, 121 und 122 an, die im wesentlichen der im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen von Figur 1 und 2 beschriebenen ent- spricht. Ebenso sind die im Ausführungsbeispiel von Figur 4 verwendete erste und zweite Wellenlänge λl bzw. λ2 sowie das Faraday-Element 10 analog zu den Ausführungsbeispielen der vorhergehenden Figuren bemessen.
Neben der in den Figuren 1 bis 4 beschriebenen transmissiven Ausführungsform mit jeweils einseitiger Lichteinspeisung sind auch reflektive Ausführungsformen der Anordnung oder Ausführungsformen mit gegenläufiger Lichteinspeisung in das Faraday-Element 10 möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur optischen Erfassung eines elektrischen Stroms (I) , bei dem - mindestens ein erstes elliptisch polarisiertes Lichtsignal (Ll) mit einer ersten Polarisation und einer ersten Wellenlänge (λl) sowie ein zweites elliptisch polarisiertes Lichtsignal (L2) mit einer zweiten Polarisation und einer von der ersten Wellenlänge (λl) verschiedenen zweiten Wellenlänge (λ2) erzeugt werden,
- das erste und das zweite Lichtsignal (Ll, L2) in ein Faraday-Element (10) eingespeist werden,
- die erste und die zweite Polarisation beim Durchlaufen des Faraday-Elements (10) in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom (I) verändert werden, und
- aus den Polarisationsänderungen der beiden Lichtsignale (Ll, L2) ein Meßsignal (M) für den elektrischen Strom (I) abgeleitet wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , - daß die erste und die zweite Polarisation pro Ampere des zu erfassenden elektrischen Stroms (I) jeweils um mindestens 0,0014° gedreht werden, und
- daß zumindest eine der beiden Polarisationen unter dem Einfluß eines maximal zu erfassenden elektrischen Stroms (I) um mehr als 45° gedreht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die erste und die zweite Polarisation in dem Faraday-Element (10) um einen ersten bzw. einen zwei- ten Drehwinkel (pl, p2) gedreht werden, wobei sich der erste und der zweite Drehwinkel (pl, p2) bei vorgegebenem elektrischen Strom (I) höchstens um den Faktor 2 unterscheiden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß eine Wellenlängendifferenz zwischen der ersten und der zweiten Wellenlänge (λl, λ2) von höchstens 15 % eines Mittelwerts der ersten und der zweiten Wellenlänge (λl, λ2 ) vorgesehen wird.
4. Verfahren 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 erste und das zweite Lichtsignal (Ll, L2) das Faraday-Element (10) gleichzeitig passieren.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das erste und das zweite Lichtsignal (Ll, L2) das Faraday-Element (10) zyklisch abwechselnd passieren.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , daß das erste und das zweite Lichtsignal
(Ll, L2) aus einem optischen Wobbelsignal (L3) mit einer variierenden Wellenlänge (λ3) erzeugt werden, wobei die variierende Wellenlänge (λ3) zwischen der ersten Wellenlänge
(λl) und der zweiten Wellenlänge (λ2) durchgestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die variierende Wellenlänge (λ3) des optischen Wobbelsignals (L3) periodisch zwischen der ersten Wellenlänge (λl) und der zweiten Wellenlänge (λ2) durch- gestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das erste und das zweite Lichtsignal (Ll, L2) bei der Erzeugung mit einer ersten bzw. einer zweiten Frequenz (Fl, F2) intensitätsmodu- liert werden.
9. Anordnung zur optischen Erfassung eines elektrischen Stroms (I) in einem elektrischen Leiter (5), umfassend min- destens :
- Sendemittel zur Erzeugung (11, 12, 13, 21, 31) mindestens eines ersten elliptisch polarisierten Lichtsignals (Ll) mit einer ersten Polarisation und einer ersten Wellenlänge (λl) sowie eines zweiten elliptisch polarisierten Lichtsignals (L2) mit einer zweiten Polarisation und einer von der ersten Wellenlänge (λl) verschiedenen zweiten Wellenlänge (λ2),
- ein dem elektrischen Leiter (5) zugeordnetes Faraday-Element (10), das von dem ersten und dem zweiten Lichtsignal
(Ll, L2) durchlaufen wird, wobei das Faraday-Element (10) in Abhängigkeit von dem zu erfassenden elektrischen Strom (I) und von einer wellenlängenabhängigen effektiven Verdet- Konstante (Veff) eine Änderung der ersten und der zweiten Polarisation bewirkt, und
- eine Auswerteeinheit (20) zur Ableitung eines Meßsignals (M) für den zu erfassenden elektrischen Strom (I) aus den Änderungen der ersten und der zweiten Polarisation, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
- daß die effektive Verdet-Konstante (Veff) des Faraday- Elements (10) für beide Wellenlängen (λl, λ2) einen Wert von mindestens 0,0014°/A aufweist, und - daß das Faraday-Element (10) bei einem maximal zu erfassenden elektrischen Strom (I) die zumindest eine der beiden Polarisationen um mehr als 45° dreht.
10. Anordnung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß sich Werte der effektiven
Verdet-Konstante (Veff) für die erste und die zweite Wellenlänge (λl, λ2) höchstens um den Faktor 2 unterscheiden.
11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Sendemittel zur
Erzeugung (11, 12, 13, 21, 31) des ersten und des zweiten Lichtsignals (Ll, L2) ausgelegt sind, das erste und das zweite Lichtsignal (Ll, L2) mit einer Wellenlängendifferenz von höchstens 15 % eines Mittelwerts der ersten und der zweiten Wellenlänge (λl, λ2) zu erzeugen.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Sendemittel ausgelegt sind zur gleichzeitigen Einspeisung (21) des ersten und des zweiten Lichtsignals (Ll, L2 ) in das Faraday- Element (10) .
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Sendemittel ausgelegt sind zur zyklisch abwechselnden Einspeisung (13, 51, 54) des ersten und des zweiten Lichtsignals (Ll, L2 ) in das Faraday-Element (10)
14. Anordnung nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die zur zyklisch abwechseln- den Einspeisung (13, 51, 54) des ersten und des zweiten
Lichtsignals (Ll, L2 ) ausgelegten Sendemittel eine durch- stimmbare Lichtquelle (13) zur Erzeugung eines optischen Wobbelsignals (L3) mit einer variierenden Wellenlänge (λ3) umfassen, wobei die variierende Wellenlänge (λ3) zwischen der ersten und der zweiten Wellenlänge (λl, λ2) variiert.
15. Anordnung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die durchstimmbare Lichtquelle (13) ausgelegt ist zur Erzeugung eines optischen Wobbelsignals (L3) mit periodisch variierender Wellenlänge (λ3) .
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Sende- mittel Modulationsmittel zur Intensitätsmodulation (62, 63) des ersten Lichtsignals (Ll) mit einer ersten Frequenz (Fl) und des zweiten Lichtsignals (L2) mit einer zweiten Frequenz (F2) umfassen.
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