DE2548278A1

DE2548278A1 - Magnetooptischer strom-messwandler

Info

Publication number: DE2548278A1
Application number: DE19752548278
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr Feldtkeller; Hauke Harms; Alfred Dipl Ing Dr Papp
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1975-10-28
Filing date: 1975-10-28
Publication date: 1977-05-05

Description

Magnetooptischer Strom-Meßwandler
Zusatz zu VPA 74/7184 = P 2 445 369.8 Die Erfindung betrifft einen magnetooptischenStrom-Meßwandlers, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.
Derartige Meßwandler sind bekannt und beispielsweise in der deutschen Auslegeschrift 2 130 047 und der US-PS 3 605 013 beschrieben. Diese bekannten Meßwandler besitzen Lichtleiterspulen aus Gradientenfasern. Diese Spulen umschließen einen Stromleiter, durch den der zu messende Strom fließt. Durch die Lichtleiterfasern wird nun ein linear polarisierter Lichtstrahl geleitet, und aufgrund des vom zu messenden Strom erzeugten Magnetfeldes wird die Polarisationsebene des Lichtstrahles in Abhängigkeit von diesem Magnetfeld, d.h. in Abhängigkeit vom zu messenden Strom, gedreht. Die Drehung der Polarisationsebene ist annähernd proportional der Stärke des Magnetfeldes des Stromes.
Ein Vorteil dieser bekannten Vorrichtung liegt darin, daß eine Isolation der auf Erdpotential -liegenden Teile des Meßwandlers gegenüber einem Stromleiter auf Hochspannungspotential leicht erreicht werden kann. Ein solcher Meßwandler eignet sich deshalb gut zur Messung von Strömen in Hochspannungsanlagen.
Ein weiterer Vorteil einer derartigen Anordnung liegt darin, daß die Lichtleiterspulen nur von Magnetfeldern solcher Stromleiter beeinflußt werden, die durch die Spule hindurch verlaufen. Außerhalb der Lichtleiterspulen können Stromleiter beliebig nahe vorbeigeführt sein, ohne das Meßergebnis zu beeinflussen. Damit ist ein solcher Meßwandler auch zur Strommessung in Niederspannungsanlagen geeignet.
Die Drehung der Polarisationsebene im Magnetfeld wird auch als magnetooptischer Faraday-Effekt bezeichnet.
Eine Schwierigkeit bei derartigen bekannten Meßwandlern liegt darin, daß Spannungsdoppelbrechung auftritt. Hinzu kommt, daß die Spannungsdoppelbrechung stark temperaturabhängig ist. Außerdem kann das Maß der Drehung der Polarisationsebene geändert werden, wenn die Lichtleitfaser eine Torsion erleidet. Es ist außerordentlich schwierig, diese Fehler zu kompensieren.
Aus diesem Grunde wurde in unserer älteren Anmeldung P 2 445 369.8 (=VPA 74/7184) vorgeschlagen, die Lichtleiterspulen mit Lichtleiterfasern mit Flüssigkern aufzubauen.
In derartigen Lichtleiterfasern können herstellungsbedingte mechanische Spannungen praktisch nicht auftreten, eventuelle Unsymmetrien und Vorspannungen des Lichtleitermantels haben in guten Flüssigkern-Fasern einen derart geringen Einfluß auf die Eigenschaften der Lichtleiterfaser, daß diese Einflüsse vernachlässigt werden können. In derartigen Lichtleiterfasern tritt also praktisch keine Spannungsdoppelbrechung auf. Damit kann de Meßgenauigkeit eines magnetooptischen Meßwandlers, der gemäß dieser älteren Anmeldung aufgebaut ist, außerordentlich erhöht werden.
Wie aus dem Lehrbuch M. Born, E. Wolf: "Principles of Optics" (1975) Oxford et. al., Pergamon Press, S. 705 hervorgeht, gibt es neben der Spannungsdoppelbrechung auch eine sogenannte Form-Doppelbrechung Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Form-Doppelbrechung zu kompensieren.
Diese Aufgabe wird durch einen magnetooptischen Meßwandler der eingangs genannten Art gelöst, welcher erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 ausgebildet ist.
Zur Zeit lassen sich zwar nur Lichtleiterfasern mit Flüssigkern frei von herstellungsbedingten mechanischen Spannungen herstellen, Jedoch wären Glasfasern ebenso geeignet, wenn es gelänge, sie spannungsfrei herzustellen. Demgemäß enthält der Oberbegriff des Patentanspruches 1 von herstellungsbedingten mechanischen Spannungen freie Lichtleiterfasern.
Bei der Erfindung wird die neue Erkenntnis benutzt, daß die auf der Faserkrümmung in einer bestimmten Krümmungsebene beruhende Form-Doppelbrechung dadurchverkleinert werden kann, daß sich die Orientierung der Krümmungsebene längs der Faser dauernd ändert; dies ist der Fall, wenn die Faser schraubenförmig gewickelt ist.
Außerdem wird die neue Erkenntnis benutzt, daß in Lichtleiterfasern, die keine herstellungsbedingte mechanischen Spannungen aufweisen, jeweils nach einem bestimmten Anteil einer Windung der ursprüngliche Polarisationsgrad eines durch die Lichtleiterfaser geleiteten Lichtstrahles wieder hergestellt ist. Dieser Anteil beträgt (1 + K2)1/2 /2K. Dabei ist K die Steigung der Spulenwindungen, d.h. es gilt: K = tan α , wobei α der Steigungswinkel ist. Es ist ersichtlich, daß alle Windungszahlen, die ein ganzzahliges Vielfaches dieses Anteils sind, ebenfalls.möglich sind.
Demgemäß besitzen die Lichtleiterspulen gemäß der Erfindung vorzugsweise eine Windungszahl Z, für die gilt: Z = n (1 + K2) 1/2 / 2K.
Dabei ist n eine ganze positive Zahl.
Zu der Erfindung führten die folgenden Uberlegungen: Es wurde eine phänomenologische Beschreibung des Einflusses der Lichtleiterfasern auf die Polarisation eines- durchgeführten Lichtstrahles in der folgenden Weise versucht: E' = Dabei ist E der Lichtvektor des einfallenden Lichtstrahles, E' ist der Lichtvektor des die Lichtleiterfaser verlassenden Lichtstrahles.
<M> ist eine Matrix, die die Transformation von E zu E' beschreibt, d.h. diese Matrix gibt den Einfluß der Lichtleiterspule auf die Polarisation wieder. Die Matrixelemente sind Funktionen der lokalen Doppelbrechung bzw. der lokalen optischen Aktivität der Lichtleiterfaser der Lichtleiterspule. Die optische Aktivität erhält man, weil- sich die Polarisationsebene des Lichtes beim Durchlaufen einer schraubenförmig gewickelten Lichtleiterspule gegenüber der Spulenachse verdreht. Für Glasfasern wird die Matrix so kompliziert, daß eine Berechnung der Matrixelemente praktisch unmöglich ist, insbesondere sind diese Matrixelemente nicht vom Ort unabhängig.
Für Lichtleiterspulen aus Lichtleiterfasern ohne herstellungsbedingte mechanische Spannungen konnte dagegen die Matrix aus Experimenten abgeleitet werden. Damit konnte die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebene Gesetzmäßigkeit abgeleitet werden.
Die angegebene Formel ist eine Näherung und gilt um so genauer, je größer die Steigung K ist. Ist K größer als 1/2, d.h. ist der Steigungswinkel α größer als 300, so ist der Fehler unbedeutend.
Bei einem kleineren Steigungswinkel ist die optimale Windungszahl etwas kleiner als es der Formel entspricht. Die Korrektur hängt von den Eigenschaften der verwendeten Lichtleiterfaser ab und muß experimentell bestimmt werden.
Es können auch mehrere Lichtleiterspulen optisch hintereinander geschaltet sein, wobei jede einzelne Lichtleiterspule eine der obigen Formel entsprechende Windungszahl aufweist. Dadurch lassen sich vorteilhafterweise Meßwandler mit geringen räumlichen Abmessungen aufbauen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert.
Die Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung: Mit einem Laser 1 oder einer anderen Lichtquelle und einem Polarisator 2 wird ein möglichst monochromatischer, polarisierter Lichtstrahl erzeugt. Dieser Lichtstrahl durchläuft eine Lichtleiterfaser 100, die frei von herstellungsbedingten mechanischen Spannungen ist, beispielsweise eine Lichtleiterfaser mit Flüssigkern. Diese Lichtleiterfaser ist im Bereich eines Hochspannungsstromleiters 10 zu einer Spule gewickelt, die Position 5 bezeichnet einen Wickelkörper. Diese Lichtleiterspule weist eine entsprechend der obigen Formel bereichnete Windungszahl auf. Aufgrund des durch den Strom erzeugten Magnetfeldes wird die Polarisationsrichtung des Lichtstrahles in dieser Spule gedreht. Der in seiner Polarisationsrichtung veränderte Lichtstrahl wird nun auf einen Analysator 3 und einen Detektor 4 geleitet. Die Polarisationsrichtung des Analysators ist senkrecht zur Polarisationsrichtung des Lichtes für den Fall verschwindender Stromstärke. Aufgrund der Drehung der Polarisationsrichtung des Lichtstrahles fällt nun auf den Detektor eine von der Drehung abhängige Lichtintensität, diese Helligkeitsschwankungen können gemessen werden, sie sind ein Maß für den Hochspannungsstrom im Leiter 10. Vorteilhaft läßt sich auch ein Wollaston-Prisma als Analysator verwenden. Dieses erzeugt zwei zueinander senkrecht polarisierte Teilstrahlen. Das Verhältnis der Invensitäten dieser Teilstrahlen ist dann ein Maß für den zu messenden Hochspannungsstrom.
Statt des Analysators und des Detektors kann auch eine Kompensationsanordnung vorgesehen werden, die die Drehung der Polarisationsrichtung rückgängig macht. Diese Kompensationsanordnung kann beispielsweise wiederum eine Lichtleiterspule gemäß der Erfindung sein, die in einem kompensierenden Magnetfeld, welches mittels einer Sekundärstromspannung erzeugt wird, angeordnet ist. Dabei ist die von der Sekundärstromquelle erzeugte Stromstärke, die notwendig ist, um die vom zu messenden Strom veränderte Polarisationsrichtung zurück zu drehen, ein Maß für die zu messende Stromstarke.
Die Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform für die Lichtleiterspule: In diesem Fall ist die Lichtleiterspule auf einem torusförmigen Wickelkörper aufgebaut. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß die zusätzliche, durch den torusförmigen Wickelkörper verursachte Krümmung der Lichtleiterfaser nur eine vernachlässigbare Form-Doppelbrechung verursacht.
Die Fig. 3 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Lichtleiterspule. Der Wickelkörper besitzt 6 kreiszylinderförmige Abschnitte, die so angeordnet sind, daß ihre Achsen mit 6 Kanten eines regulären Rhomboeders zusammen fallen. Dieser Rhomboeder ist in der Fig. 4 dargestellt, die Kanten 1000 sind die Achsen der Abschnitte. Die Achsen der Abschnitte stoßen jeweils unter einem Winkel 2 aneinander, d.h. der Winkel zwischen den Achsen ist doppelt so groß wie der Steigungswinkel der auf den Abschnitten liegenden Lichtleiterspule, damit gewährleistet ist, daß an den Stoßstellen zweier Abschnitte die Lichtleiterfaser ohne Knick von einem Abschnitt auf den nächsten übertreten kann. Der Winkel # zwischen den aneinander grenzenden Rhomboederflächen, z.B.
zwischen den an die Kante 1000 angrenzenden Flächen 3000 und 3001, muß der folgenden Formel genügen: Alle diese Bedingungen lassen sich annähernd erfüllen, wenn der Winkel zwischen den Rhomboederkanten und damit zwischen den Achsen der Abschnitte etwa 80° beträgt. In diesem Fall ist K ungefähr 0,85 und Z ungefähr 0,77. Diese Lösung erhält man aus den angegebenen Gleichungen, wenn man n = 1 setzt.
Es ist ersichtlich, daß man weitere der Erfindung entsprechende Varianten der Lichtleiterspule für n = 2, 3 u.s.w. erhält, sowie für einen Wickelkörper, der aus einer anderen Anzahl räumlich angeordneter Kreiszylinderabschnitte besteht.
5 Patentansprüche 4 Figuren L e e r s e i t e.

Claims

Patentansprüche 1. Magnetooptischer Meßwandler zur Messung von Strömen, wobei dieser Meßwandler einen Meßfühler besitzt, der als Lichtleiterspule ausgebildet ist, die einen Stromleiter umschließt, und wobei der Lichtleiter weitestgehend frei von herstellungsbedingten mechanischen Spannungen ist1 nach Patent P 2 445 369.8 = VPA 74/7184, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Lichtleiterspule (50) einen großen Steigungswinkel aufweist.
2. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß der Steigungswinkel größer als 300 ist.
3. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Lichtleiterspule eine Windungszahl aufweist, für die Z = n (1 + K2)1/2 /2K gilt, wobei Z die Windungszahl, n eine beliebige positive ganze Zahl und K die Steigung der Windungen der Lichtleiterspule ist.
4. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Lichtleiter Lichtleiterfasern mit Flüssigkern sind.
5. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Meßfühler aus mehreren Lichtleiterspulen besteht, wobei aufeinanderfolgende Lichtleiterspulen jeweils unter einem Winkel aneinander stoßen, der dem doppelten Steigungswinkel der Lichtleiter der Lichtleiterspule entspricht.