DE20110939U1 - Elektrischer und elektrooptischer Messwandler und Tastköpfe für ein Messauswertegerät, insbesondere zur potentialfreien EMV-Messung - Google Patents

Description

Elektrischer und elektrooptischer Messwandler und Tastköpfe für ein Messauswertegerät, insbesondere zur potentialfreien EMV-Messung

Die Erfindung betrifft einen elektrooptischen Messwandler und Tastkopf sowie einen elektrischen Messwandler und Tastkopf zur potentialfreien Erfassung von Messspannungen.

Messvorrichtungen der obengenannten Art werden zur Messung von elektrischen Eingangsgrößen eingesetzt, wie z.B. zur Messung von Spannungen, Strömen, Leistungen etc. Bekannte Messvorrichtungen oder Messauswertegeräte sind z.B. ein Multimeter oder ein Oszilloskop. Dabei werden z.B. zur elektrischen Messung an das Messobjekt zwei Messkontaktierungsmittel, wie z.B. Messspitzen oder Klemmen angelegt. Häufig wird auch zur Spannungsmessung einer der beiden Eingänge der o.g. Messvorrichtungen mit dem Massepotential einer Schaltung z.B. mit einer Klemme verbunden.

Weiterhin gibt es je nach Messanwendung spezielle Ausführungsvarianten der o.g. Messvorrichtungen. Beispiele dafür sind u.a. Oszilloskope für den Hochfrequenzbereich oder Messgeräte für den Hochstrombereich.

Weitere bekannte Varianten sind Messvorrichtungen zur Durchführung von EMV-Beeinflussungsmessungen. Mittels dieser Messungen kann ermittelt werden, in wie weit ein zu testendes elektrisches oder elektronisches Gerät von extern angelegten elektromagnetischen Störfeldern in seiner Funktion beeinflusst wird. Weiterhin können mittels dieser Messungen die von einem zu testenden Gerät ausgesandten elektromagnetischen Störfelder vermessen werden, welche wiederum andere Geräte in ihrer Funktion stören könnten. Das metallische Gehäuse der Messvorrichtungen mit den leitfähigen Komponenten kann allerdings eine abschirmende bzw. ablenkende Wirkung auf die zu elektromagne-

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tischen Felder haben. Folglich wird sich diese auch messtechnisch auf die zu messende Spannung oder Strom an einem Messobjekt auswirken. Daher werden zwischen den o.g. EMV-Messvorrichtungen und den zu vermessenden Geräten häufig lange Messleitungen zur Erreichung eines großen Abstandes eingesetzt. Bei anspruchsvolleren EMV-Messvorrichtungen bzw. Messsystemen werden statt metallischer Messleitungen auch Lichtwellenleiter verwendet. Diese verbinden die zur Messung notwendigen elektrooptischen Messwandler am zu vermessenden Gerät mit den EMV-Messvorrichtungen. Dadurch ist eine Verzerrung oder Beeinflussung der Messergebnisse durch den Kapazitätsbelag der langen Messleitungen als auch durch die elektromagnetische Wechselwirkung der metallischen Messleitungen mit den zu vermessenden Geräten reduzierbar. Zudem ist auch eine potentialfreie Messung durch die Verwendung von Lichtwellenleitern gegeben.

Nachteilig daran ist, dass die o.g. Messwandler viele leitfähige, insbesondere metallische Komponenten, wie z.B. eine Batterie oder elektrische Bauelemente, aufweisen, welche durch Wechselwirkung direkt am Messort die Messergebnisse beeinflussen können. Oft wirken die o.g. Messwandler dabei selbst als Antennen, welche dann in Wechselwirkung mit den originären elektromagnetischen Feldern geraten.

Weiterhin nachteilig ist, dass eine Stromversorgung, wie z.B. eine Batterie, zur Umwandlung des elektrischen Messwertes in ein optisches Signal zur Übertragung über den Lichtwellenleiter notwendig ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, Messwandler und Tastköpfe zum Anschluss an ein Messauswertegerät anzugeben, welche eine potentialfreie Messung von elektrischen Eingangsgrößen bei einer geringst möglichen EMV-Beeinflussung erlaubt.

Die Erfindung wird gelöst mit dem im Hauptanspruch angegebenen elektrooptischen Messwandler. Weitere Ausgestaltungen sind in den untergeordneten Ansprüchen angegebenen.

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Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

FIG 1

einen Querschnitt durch einen Reflexionsmodulator, welcher einen einfallenden Lichtstrahl reflektiert,

FIG 2 : einen beispielhaften Aufbau eines erfindungsgemäßen

elektrooptischen Messwandlers bzw. optischen Tastkopfes mit einer Anschlussmöglichkeit an ein erstes

Messauswertegerät,

FIG 3 : einen beispielhaften Aufbau eines erfindungsgemäßen elektrischen Messwandlers bzw. Tastkopfes mit einer Anschlussmöglichkeit an ein zweites Messauswertege

rät,

FIG 4 : ein stellvertretend durch eine Figur beispielhaft

dargestelltes erstes bzw. zweites Messauswertegerät zum Anschluss der erfindungsgemäßen Messwandler bzw.

Tastköpfe, und

FIG 5a,b: einen beispielhaften Aufbau des erfindungsgemäßen optoelektrischen Tastkopfes und des elektrischen Tastkopfes.

FIG 1 zeigt einen Querschnitt durch einen beispielhaften Reflexionsmodulator MOD, welcher einen einfallenden Lichtstrahl LS reflektiert. Der Reflexionsmodulator MOD enthält dabei im Beispiel der FIG 1 einen optischen Ein-/Ausgang OF, einen Lichtmodulator NI, einen Spiegel BS sowie elektrische Eingänge Al,A2 zur spannungsabhängig steuerbaren Reflexion des einfallenden Lichtstrahls LS. Dieser durchquert nach Durchtritt des optischen Ein-/Ausgangs OF einen Lichtmodulator NI. Einen Teil des durchlaufenden Lichtes LS kann dann von diesem in Abhängigkeit von einer an die elektrischen Eingängen A1,A2 angelegten Spannung absorbiert werden. Durch den angrenzenden Spiegel

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BS wird der Lichtstrahl LS zum optischen Ein-/Ausgang OF zurückgespiegelt, so dass ein zweites Mal ein Teil des Lichtstrahls LS durch den Lichtmodulator NI absorbiert werden kann. Der so reflektierte Lichtstrahl RLS kann außerhalb des Reflexionsmodulators MOD z.B. mit einem lichtempfindlichen Empfänger detektiert werden. Die detektierte Helligkeit steht dabei in einem funktionalen Zusammenhang mit der an den Reflexionsmodulator MOD angelegten Spannung. Der Reflexionsmodulator MOD weist somit für einfallende Lichtstrahlen LS einen spannungsabhängigen Reflexionskoeffizienten RK auf.

Die Herstellung eines derartigen Reflexionsmodulators MOD kann dabei in einem speziellen Halbleiterprozess erfolgen, bei welchem verschiedene leitfähige und isolierende Halbleiterschichten auf einem Trägermaterial, wie z.B. Galliumarsenid, aufgetragen werden. In einem ersten Schritt wird dazu im Beispiel der FIG 1 ein sog. „Braggspiegel" BS durch eine periodische Abfolge von Halbleiterschichten mit einem unterschiedlichen Brechungsindex auf dem Trägermaterial aufgebracht. Auf diese Weise wird ein wellenlängenabhängiger Spiegel BS erstellt. In einem zweiten Schritt wird durch eine periodische Abfolge von n-i-p-i-Schichten ein sog. „n-i-p-i-Stapel" als Lichtmodulator NI gebildet. Die jeweiligen n- bzw. p-dotierten Halbleiterschichten sind dabei über die beiden Anschlussflächen des Eingangs A1,A2 leitend miteinander verbunden.

FIG 2 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines erfindungsgemäßen elektrooptischen Messwandlers EOW bzw. elektrooptischen Tastkopfes TKl mit einer Anschlussmöglichkeit ABl an ein erstes Messauswertegerät KOl. Dabei ist im rechten Teil der Figur der Reflexionsmodulator MOD zu sehen. Dieser weist einen Eingang A1,A2 zur Erfassung einer Messspannung UE, z.B. einer elektrischen Spannung an einem Bauteil eines zu vermessenden Geräts, auf. Ferner ist der Reflexionsmodulator MOD über eine Lichtübertragungsstrecke LST mit einem optischer optischen Anschlussmöglichkeit ABl, z.B. zum Anschluss ein das erste Messauswertegerät KOlTR verbunden. Lichtübertragungsstrecken LST

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können dabei Lichtwellenleiter LWL, optische Spiegelsysteme oder auch Strecken durch gasförmige Medien wie Luft oder Strecken in einem Vakuum sein. Die Lichtübertragungsstrecke LST dient dabei der Übertragung des einfallenden und des reflektierten Lichtstrahls LS,RLS.

Erfindungsgemäß wandelt der elektrooptische Messwandler EOW eine an die elektrischen Eingänge A1,A2 angelegte Messspannung UE in einen dieser zugeordnet ableitbaren Reflexionskoeffizienten RK für Lichtstrahlen LS ab. Dabei kann zur Leitung des eingespeisten Lichtstrahls LS und des durch den Reflexionsmodulators MOD reflektierten Lichtstrahls RLS die mit dem Reflexionsmodulator MOD verbindbare Lichtübertragungsstrecke LST verwendet werden.

Der Vorteil der Erfindung ist, dass der dabei in seiner Helligkeit modulierte reflektierte Lichtstrahl RLS z.B. von dem beispielhaften ersten Messauswertegerät KOl z.B. mittels einer lichtempfindlichen Einrichtung ausgewertet werden kann, wobei die Erfassung der Messspannung UE potentialfrei erfolgen kann.

Weiterhin kann gemäß der Erfindung ein elektrooptischer Tastkopf TKl den o.g. elektrooptischen Messwandler EOW aufweisen, welcher mittels einer optischen Kupplung ABl über eine optisehe Messleitung ZLl, wie z.B. ein Lichtwellenleiter LWL, an das o.g. Messauswertegerät KOl angeschlossen werden kann. Dies wird im Beispiel der FIG 4 und FIG 5a verdeutlicht. Der elektrooptische Tastkopf TKl kann darüber hinaus als Messkontaktierungsmittel MSP,KL ausgebildete elektrische Eingänge A1,A2 zur Erfassung einer Messspannung UE aufweisen.

Dadurch ist es weiterhin vorteilhaft möglich, dass ein in seiner Form üblicher Tastkopf TKl zur einfachen messtechnischen Handhabung verwendet werden kann, welcher zum Anschluss an ein Messobjekt eine Messspitze MSP sowie eine Klemme KL aufweist.

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Ein weiterer Vorteil ist, dass durch einfaches Ankuppeln der optischen Messleitung ZLl an einen optischen Messeingang ABl des Messauswertegeräts KOl potentialfreie, schnelle und flexible Messungen, insbesondere EMV-Messungen, möglich sind. Dazu kann das Messauswertegerät KOl zumindest einen optischen Transceiver TR und einen photoelektrischen Wandler DM gemäß FIG 3 zur Umwandlung in eine weiterverarbeitbare Ausgangsspannung UA enthalten. Dies wird später noch erläutert.

Ein weiterer Vorteil ist, dass EMV-Messungen zur Erfassung einer elektrischen Messspannung UE an einem zu vermessenden Gerät nahezu ohne negative Beeinflussung durch den elektrooptischen Tastkopf TKl durchgeführt werden können. Erreicht wird dies durch Einsatz des äußerst kleinen Reflexionsmodulators MOD als einziges elektrisch leitendes und beeinflussendes Messelement. Dieses wird zum einem mit den Anschlüssen des Eingangs A1,A2 mit dem Messobjekt des zu vermessenden Geräts verbunden. Zum anderen ermöglicht die an den Reflexionsmodulator MOD angeschlossene Lichtübertragungsstrecke LST,LWL einen großen räumliehen Abstand und eine potentialfreie Trennung zu den Messauswertegeräten KOl.

Ein weiterer Vorteil ist es, dass der elektrooptische Tastkopf TKl durch den extern eingekoppelten Lichtstrahl LS, z.B. durch den optischen Messeingang ABl des Messauswertegeräts KOl, keine Batterie bzw. Stromversorgung zur Erfassung der elektrischen Eingangsgrößen UE benötigt.

FIG 3 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines erfindungsgemäßen elektrischen Messwandlers MW bzw. Tastkopfes TK2 mit einer Anschlussmöglichkeit AB2 an ein zweites Messauswertegerät K02. Dabei weist der erfindungsgemäße elektrische Messwandler MW den elektrooptischen Messwandler gemäß FIG 2 auf. Weiterhin weist der elektrische Messwandler MW einen Transceiver TR mit einer Lichtquelle LQ zur Erzeugung eines gebündelten Lichtstrahls LS, wie z.B. einen LASER, sowie einen halbdurchlässigen Spiegel SP gemäß der Erfindung auf. Dabei bezeichnet

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„Licht" das Spektrum des sichtbaren Lichtes als auch die angrenzenden infraroten bzw. ultravioletten Spektralbereiche. Dadurch wird erreicht, dass der ausgesandte Lichtstrahl LS über den beispielhaften halbdurchlässigen Spiegel SP in die Lichtübertragungsstrecke LST eingekoppelt werden kann. Nach Durchtritt und Reflexion durch den Reflexionsmodulator MOD wird ein Teil des reflektierten Lichtstrahls RLS durch den halbdurchlässigen Spiegel SP ausgekoppelt. Der ausgekoppelte Lichtteil wird gemäß der Erfindung an einen nachgeschalteten photoelektrischen Wandler DM, wie z.B. eine Photodiode oder einen lichtabhängigen Widerstand LDR, weitergeleitet. Nach Umwandlung steht eine der elektrischen Messspannung UE eine zuordenbare elektrische Ausgangsspannung UA am elektrischen Ausgang Bl,2 des photoelektrischen Wandlers DM zur Verfügung. Optional ist an den photoelektrischen Wandler DM eine Anpassschaltung AO zur Aufbereitung des elektrischen Ausgabesignals UA, wie z.B. zur Verstärkung oder Filterung, möglich.

Weiterhin ist gemäß FIG 4 eine Integration des o.g. elektrisehen Messwandlers MW durch Verwendung moderner optoelektronischer Bauelemente, wie z.B. von LASER-Dioden, in einen Tastkopf TK2 möglich. In FIG 4 und FIG 5b ist ein derartiger Tastkopf TK2 dargestellt, der mit einem Messauswertegerät KO2, wie z.B. einem Oszilloskop K02, verbunden ist. Dazu sind die An-Schlüsse des Eingangs A1,A2 des Reflexionsmodulators MOD erfindungsgemäß als Messkontaktierungsmittel MS,KL beispielsweise als Messspitze MS und/oder als Klemme KL ausgeführt.

Die Integration des o.g. elektrischen Messwandlers MW in einen Tastkopf TK2 hat dabei den Vorteil, dass dieser an konventionelle Oszilloskope K02 potentialfrei über die elektrische Zuleitung ZL2 angeschlossen werden kann.

Nicht weiter in FIG 4 dargestellt ist es auch möglich, einen Adapter mit einem integrierten optischen Transceiver TR und einem photoelektrischen Wandler DM an die elektrische Kupplung AB2 eines Messauswertegeräts K02 anzuschließen. Dieser Adapter

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könnte eine optische Kupplung ABl zum Anschluss eines elektrooptischen Tastkopfes TKl aufweisen. Dadurch wäre vorteilhaft ein „Hochrüsten" eines konventionellen Messauswertegeräts K02 möglich.
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Weiterhin ist es auch möglich, ein nicht weiter dargestelltes berührungsloses und potentialfreies Messsystem auf Basis des elektrischen Messwandlers MW gemäß FIG 3 zu realisieren, in dem als Lichtübertragungsstrecke LST eine variable Luftstrecke LST gewählt wird. Ein solches Messsystem weist den zumindest einen spannungsabhängigen Reflexionsmodulator MOD und eine über eine Luftstrecke LST verbundene mobile Messvorrichtung auf. Die mobile Messvorrichtung, wie z.B. eine für die manuelle Bedienung ergonomisch ausgeführte Messpistole, enthält dabei zumindest den optischen Transceiver TR sowie den nachgeschalteten photoelektrischen Wandler DM. Weiterhin können mehrere Reflexionsmodulatoren MOD zur Erfassung verschiedener elektrischer Eingangsgrößen UE z.B. eines zu vermessenden elektronischen Geräts verbunden sein.

Dadurch ist der Vorteil verbunden, dass mittels der o.g. mobilen Messpistole die erfasste elektrische Eingangsgröße UE des entsprechenden beispielhaften Reflexionsmodulators MOD über eine variabel einstellbare Luftstrecke LST hinweg gemäß der Erfindung berührungslos „ausgelesen" werden kann. Dazu ist der von der Messpistole ausgesandte Lichtstrahl LS, vorteilhafter ein LASER-Strahl, senkrecht auf den optischen Ein-/Ausgang OF des entsprechenden Reflexionsmodulators MOD auszurichten. Dadurch kann der reflektierte Lichtstrahl RLS von der Messpisto-Ie empfangen und ausgewertet werden kann.

Darüber hinaus ist es auch möglich, die Messpistole so auszubilden, dass diese vorteilhaft z.B. von einer computergesteuerten Einrichtung auf die jeweiligen Reflexionsmodulatoren MOD zur automatisierten Messung ausgerichtet werden kann.

Claims (6)

1. Elektrooptischer Messwandler (EOW) zur Umwandlung einer Messspannung (UE) in einen zugeordneten Reflexionskoeffizienten (RK) für Lichtstrahlen (LS), mit

a) einem Reflexionsmodulator (MOD) mit elektrischen Eingängen (A1, A2) für die Messspannung (UE) und

b) einer Lichtübertragungsstrecke (LST) zur Leitung eines eingespeisten Lichtstrahls (LS) und eines durch den Reflexionsmodulators (MOD) reflektierten Lichtstrahls (RLS), welche mit dem Reflexionsmodulator (MOD) verbindbar ist.

2. Elektrooptischer Tastkopf (TK1) mit einem elektrooptischen Messwandler (EOW) nach Anspruch 1, wobei

a) der Reflexionsmodulator (MOD) als Messkontaktierungsmittel (MSP, KL) ausgebildete elektrische Eingänge (A1, A2) aufweist und

b) die Lichtübertragungsstrecke (LST) als eine optische Messleitung (ZL1) ausgebildet ist.

3. Elektrooptischer Tastkopf (TK1) nach Anspruch 2, wobei die optische Zuleitung (ZL1) ein Lichtwellenleiter (LWL) ist.

4. Elektrischer Messwandler (MW) mit einem elektrooptischen Wandler (EOW) nach Anspruch 1, welcher zumindest aufweist

a) einen mit dem elektrooptischen Wandler (EOW) verbundenen optischen Transceiver (TR) mit

1. Mitteln zur Einspeisung eines Lichtstrahls (LS) in die Lichtübertragungsstrecke (LST, LWL) und

2. Mitteln zur Auskopplung des vom Reflexionsmodulators (MOD) reflektierten Lichtstrahls (RLS), und

b) einen photoelektrischen Wandler (DM) zur Umwandlung des reflektierten Lichtstrahls (RLS) in eine zugeordneten Ausgangsspannung (UA).

5. Elektrischer Tastkopf (TK2) mit einem elektrischen Messwandler (MW) nach Anspruch 4, wobei der photoelektrischen Wandler (DM) zumindest elektrische Ausgänge (B1, B2) zum Anschluss an eine elektrische Messleitung (ZL2) aufweist.

6. Elektrischer Messwandler (MV) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Mittel zur Einspeisung des Lichtstrahls (LS) des optischen Transceivers (TR) ein Laser ist.