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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung
eines Magnetfeldes, um die Intensität von magnetischen Feldern
zu bestimmen, in welcher die Faraday-Rotation unter Verwendung
eines magneto-optischen Elements beobachtet wird, gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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In den letzten Jahren ist als optisches Verfahren zur
Bestimmung der Intensität von magnetischen Feldern die Verwendung des
Faraday-Effekts vorgeschlagen worden, z.B. durch Kyuma et al.,
IEEE, QE-18, 1619 (1982).
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Verfahren zur Messung der magnetischen Feldintensität um einen
stromdurchflossenen Leiter, um dadurch den Strom zu messen,
sind insbesondere deswegen vorteilhaft, weil wegen der
Verwendung von Licht als Medium eine hervorragende Isolation und
eine Immunität gegen elektromagnetische Induktions-Störungen
bzw. -Rauschen erhalten werden kann, so daß die besagten
Verfahren zur Disposition von Strom- bzw.Energieübertragungen
verwendet werden können.
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Fig. 1 zeigt das Prinzip des Verfahrens zum Messen eines
magnetischen Feldes, das den Faraday-Effekt verwendet, in welchem
ein magneto-optisches Element 1 in einem magnetischen Feld H
angeordnet ist. Das linear durch einen Polarisator 2
polarisierte Licht wird durch das magneto-optische Element 1
hindurchgeführt. Die Polarisationsebene des Lichtes wird aufgrund
des Faraday-Effekts um einen Winkel gedreht, der proportional
zu der magnetischen Feldstärke H ist. Das durch den Faraday-
Effekt gedrehte polarisierte Licht geht durch einen Analysator
3 hindurch, welcher eine Polarisationsrichtung hat, die um 45º
von der des Polarisators 2 abweicht, und der Drehwinkel Θ wird
entsprechend der Änderung der optischen Leistung geändert. Die
optische Ausgangsleistung ist in diesem Fall durch die folgende
Gleichung gegeben:
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Pout = K(1+sin2Θ) --- (1)
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Θ = CHl
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wobei Pout die optische Ausgangsleistung, K eine
Proportionalkonstante, Θ den Faraday'schen Drehwinkel (in Grad) und C die
Empfindlichkeitskonstante in der Einheit Grad/cm x
(1/4πx10³A/m(Oe), die die Empfindlichkeit des magneto-optischen
Elements darstellt, bezeichnen.
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Es sind Anwendungen von Meßvorrichtungen für ein Magnetfeld,
die auf diesem Prinzip basieren, vorgeschlagen worden, wie etwa
die, welche einen Null-Phasen-Strom detektiert, um das
Auftreten von zufälligen Ereignissen zu bestimmen, indem Signale
von Meßinstrumenten für magnetische Felder, die an mehreren
Punkten angeordnet sind, zu einer Einheit für arithmetische
Operationen eingespeist werden, wobei die Wellenformen addiert
oder subtrahiert werden, um Referenzsignale zu erzeugen.
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Ein typisches magneto-optisches Element, das in einer solchen
Meßvorrichtung für magnetische Felder verwendet wird, ist ein
YIG-Kristall, welcher durch die allgemeine Formel Y&sub3;Fe&sub5;O&sub1;&sub2;
dargestellt wird. Jedoch ändert sich die
Empfindlichkeitskonstante C von YIG stark mit der Temperatur, wie in Fig. 2
gezeigt wird, und zeigt über einen Temperaturbereich von -20ºC
bis 120ºC um die Arbeitstemperatur einen Anstieg in der
Größenordnung von etwa 16%, was praktisch das Problem von großen
Abweichungen der Meßgenauigkeit mit der Änderung der
Umgebungstemperatur ergibt. Um dieses Problem zu vermeiden, wird ein
Seltenerd-Eisen-Granatkristall, das durch die allgemeine Formel
TbxY3-xFe&sub5;O&sub1;&sub2;, mit x zwischen 0,3 ≤ x ≤ 0,9, dargestellt wird,
als magneto-optisches Element verwendet. Eine Vorrichtung,
welche dieses magneto-optische Element verwendet, weist eine
merklich verbesserte Meßgenauigkeit auf, deren Veränderung mit
der Temperatur über einen Temperaturbereich von -25ºC bis 120ºC
nur ±1% beträgt.
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Andererseits weist ein Seltenerd-Eisen-Granatkristall, das mit
Bi substituiert ist, einen großen Faraday-Effekt auf, und wenn
es als magneto-optisches Element verwendet wird, verbessert es
die Empfindlichkeit der Meßvorrichtung für magnetische Felder.
Gegenwärtig ist bis jetzt jedoch noch kein Bi-substituiertes
Seltenerd-Eisen-Granatkristall mit einer nicht
temperaturabhängigen Empfindlichkeitskonstante verfügbar, welche bei der
praktischen Anwendung gute Charakteristiken aufweist.
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Weil magneto-optische Elemente mit einer Länge von ungefähr
2 mm erforderlich sind, werden Seltenerd-Eisen-Granatkristalle,
wie etwa YIG, welche kein Bi enthalten, mit der Fluß- bzw.
Flux-Methode oder FZ-Methode hergestellt, was die
Herstellungszeit verlängert und bei der Massenproduktion der
Meßvorrichtungen Nachteile verursacht. Darüber hinaus muß eine
Meßvorrichtung für ein Magnetfeld, die ein magneto-optisches Element, wie
etwa Seltenerd-Eisen-Granatkristalle, verwendet, welches kein
Bi enthält, mit einer teuren Lichtquelle und einem teuren
Photodetektor versehen werden, die für das 1,3 um-Band
eingerichtet sind, was die Meßeinrichtung für Magnetfelder teuer
macht.
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Aus der EP-1-0 086 387 ist eine Vorrichtung bekannt, die die
Merkmale enthält, die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
aufgeführt sind und die zumindest einige der oben aufgeführten
Nachteile des oben erörterten Standes der Technik aufweist.
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Die Meßvorrichtung für Magnetfelder nach dieser Erfindung gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, welche die oben
erörterten und zahlreiche andere Nachteile und Unzulänglichkeiten des
Standes der Technik überwindet, weist auf:
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das magneto-optische Element ist aus einem
Bi-substituierten Seltenerd-Eisen-Granatkristall hergestellt ist,
welches durch eine allgemeine Formel BixGdyY3-(x+y)Fe&sub5;O&sub1;&sub2;
(1,0 ≤ x ≤ 1,4; 0,1 ≤ y ≤ 0,7) dargestellt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Meßrichtung für
magnetische Felder auf:
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mehrere magneto-optische Meßwertaufnehmer in der gleichen
Anzahl wie die zu messenden Magnetfelder, mehrere
lichterzeugende Einrichtungen, um den Lichtübertragungswegen Licht
zuzuführen, mehrere lichtdetektierende Einrichtungen, um die
optische Ausgangsleistung in die gleiche Zahl von elektrischen
Signalen wie die der zu messenden Magnetfelder umzusetzen, und
eine signalverarbeitende Schaltung, die die von jeder der
Detektionseinrichtungen empfangenen elektrischen Signale
addiert und subtrahiert, wobei die magneto-optischen
Meßwertaufnehmer in den zu messenden Magnetfeldern angeordnet sind, um
dadurch die Intensität von jedem der Magnetfelder zu bestimmen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform besteht das magneto-
optische Element aus einem Kristall, der auf einem Ca-Mg-Zr-
substituierten Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2; oder Nd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;-Substrat aufgewachsen
ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Spektralband der
lichterzeugenden Einrichtung einen Peak bzw. ein Maximum bei
einer Wellenlänge im Bereich von 0,7 um bis 0,9 um auf.
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Folglich ermöglicht es die hierin beschriebene Erfindung, die
folgenden Aufgaben zu lösen:
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(1) Eine Meßvorrichtung für Magnetfelder mit einer hohen
Empfindlichkeit und einer hohen Genauigkeit zur Verfügung zu
stellen, in welcher ein Bi-substituierter Seltenerd-Eisen-
Granatkristall mit einer hohen Empfindlichkeitskonstante, die
im wesentlichen nicht von der Temperatur abhängig ist, für ein
magneto-optisches Element verwendet wird; und
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(2) eine Meßvorrichtung für ein Magnetfeld zur Verfügung zu
stellen, für welche das magneto-optische Element durch Flüssig-
Phasen-Epitaxie ausgebildet wird und eine wenig kostenintensive
Lichtquelle und einen Photodetektor für das 0,8 um-Band
verwendet werden, wodurch die Massenproduktion der Meßvorrichtung
für Magnetfelder bei niedrigen Kosten ermöglicht wird.
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Unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen wird diese
Erfindung besser verständlich und ihre zahlreichen Aufgaben und
Vorteile werden dem Fachmann wie folgt offenbart:
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die das
Prinzip eines Verfahrens zum Messen der Stärke bzw. Intensität
eines Magnetfeldes unter Verwendung des Faraday-Effekts zeigt.
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Fig. 2 zeigt eine Kurvendarstellung der Veränderung
der Empfindlichkeitskonstante von YIG mit der Temperatur zeigt.
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Fig. 3 zeigt eine Kurvendarstellung der Abhängigkeit
der Gd-Konzentration von der Veränderung der
Empfindlichkeitskonstante von BixGdyY3-(x+y)Fe&sub5;O&sub1;&sub2; mit der Temperatur.
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Fig. 4 zeigt eine Kurvendarstellung des Faraday-
Effektes von seltenerd-Eisen-Granatkristallen.
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Fig. 5 zeigt eine Kurvendarstellung der Veränderung
des Faraday-Dreh- bzw. -Rotationswinkels ΘF von BixGdyY3-
(x+y)Fe&sub5;O&sub1;&sub2;.
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Fig. 6 zeigt eine Kurvendarstellung der Änderung der
Sättigungsmagnetisierung Ms von BixGdyY3-(x+y)Fe&sub5;O&sub1;&sub2; mit der
Temperatur.
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Fig. 7 zeigt eine Kurvendarstellung der Änderung der
Empfindlichkeitskonstante von BixGdyY3-(x+y)Fe&sub5;O&sub1;&sub2; mit der
Temperatur.
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Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung die einer
Meßvorrichtung für Magnetfelder nach dieser Erfindung, welche
einen magneto-optischen Meßwertaufnehmer enthält.
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Fig. 9 zeigt eine Kurvendarstellung der Abhängigkeit
der Meßgenauigkeit der Meßvorrichtung für Magnetfelder gemäß
Fig. 8 von der Temperatur.
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Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung einer
anderen Meßvorrichtung für Magnetfelder nach dieser Erfindung,
welche drei magneto-optische Meßwertaufnehmer bzw. Meßwandler
und eine elektrische Schaltung für arithmetische Operationen
enthält.
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Das magneto-optische Element, das bei dieser Erfindung
verwendet wird, wird durch ein Material gebildet, das durch die
allgemeine Formel BixGdyY3-(x+y)Fe&sub5;O&sub1;&sub2; darstellbar ist. Die
Änderung der Empfindlichkeitskonstante dieses Kristalls mit der
Temperatur wird in Fig. 3 gezeigt. Wenn der Wert von Y in dem
Bereich von 0, 1 bis 0,7 (nämlich 0,1 ≤ y ≤ 0,7) ist, ist die
Änderung über einem Temperaturbereich von -20ºC bis 80ºC
innerhalb von ±1%. Insbesondere mit Bi1,3Gd0,43Y1,27Fe&sub5;O&sub1;&sub2; zeigt
er hervorragende Charakteristiken bis zu einer geringen
Temperaturabhängigkeit von ±0,5%. Der Grund hierfür ist der
folgende:
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Seltenerd-Eisen-Granatkristalle sind ein ferrimagnetisches
Material, und deren Farady-Effekt sättigt sich bei einer
spezifischen Magnetfeldintensität bzw. -stärke, wie in Fig. 4
gezeigt wird. Für die Messung des Magnetfeldes wird ein Teil der
charakteristischen Kurve gemäß Fig. 4 verwendet, welche eine
lineare Änderung in Abhängigkeit von einem externen Magnetfeld
zeigt. In diesem Fall ist der Winkel der Faraday-Rotation Θ,
der durch das äußere Magnetfeld bewirkt wird, wie folgt
gegeben:
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Θ = ΘF (H/Ms)l --- (2)
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wobei ΘF den spezifischen Faraday-Rotationswinkel, Ms die
Sättigungsmagnetisierung und l die Länge des Kristalls bedeuten.
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Folglich sind die Empfindlichkeitskonstante C und ihre
Temperaturabhängigkeit wie folgt definiert:
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C(T) = ΘF(T)/Ms(T) --- (3)
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Wie aus der Gleichung (3) zu erkennen ist, wird die
Abhängigkeit der Empfindlichkeitskonstante von der Temperatur sowohl
durch die Änderung von ΘF als auch von Ms mit der Temperatur
bestimmt.
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Fig. 5 zeigt die Änderung von von BixGdyY3-(x+y)Fe&sub5;O&sub1;&sub2; mit der
Temperatur. Die Messungen sind auf ΘF bei Raumtemperatur
normiert. Die Änderung von ΘF mit der Temperatur ist gegenüber der
Menge y an Gd unempfindlich. Dies beruht darauf, daß sie durch
x, die Menge der Bi-Substitution (x = 1,0 - 1,3 in diesem
Falle) bestimmt wird.
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Fig. 6 zeigt die Änderung von Ms für BixGdyY3-(x+y)Fe&sub5;O&sub1;&sub2; mit der
Temperatur. Die Änderung von Ms mit der Temperatur um die
Raumtemperatur herum wird mit einer Vergrößerung der Menge y an
Gd verringert. Im Ergebnis wird die Temperaturabhängigkeit der
Empfindlichkeitskonstante von Materialien, die zu der
BixY3-yFe&sub5;O&sub1;&sub2;-Gruppe gehören, durch die Zugabe von Gd
verbessert. Das Ergebnis wird in Fig. 7 gezeigt. Wie ebenfalls in
Fig. 3 gezeigt ist, hat Bi1,3Gd0,43Y1,27Fe&sub5;O&sub1;&sub2; eine gute
Temperaturabhängigkeit, welche innerhalb von ±0,5% liegt. Diese
Kristalle sind auf einen Ca-Mg-Zr-substituierten Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;-
Substrat mittels Flüssigphasen-Epitaxie gezüchtet worden, die
eine gute Wirkung bei der Mittel- bzw. Massenherstellung hat.
Es weist eine Empfindlichkeitskonstante C auf, die
1,4º/cmx(1/4πx10³A/m(Oe)) ( = 1,3 um) oder
5,0º/cmx(1/4πx10³A/m(Oe)) ( = 0,85 um) beträgt, die beide
größer sind als die eines konventionellen YIG-Kristalls. Deren
Empfindlichkeit wird zusätzlich durch die Verwendung einer
Lichtquelle mit kürzeren Wellenlängen verbessert, wie etwa die
in dem Fall von = 0,85 um. Folglich kann eine Meßvorrichtung
für Magnetfelder, die eine hohe Empfindlichkeit, eine hohe
Temperaturstabilität und eine gute Massenproduzierbarkeit
aufweist, unter Verwendung dieses magneto-optischen Elements
hergestellt werden.
Beispiel 1
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Fig. 8 zeigt eine Magnetfeldmessung nach dieser Erfindung,
welche aufweist
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einen magneto-optischen Meßwertaufnehmer bzw. Meßwandler 100,
mit einem Polarisator 2, einem Analysator 3 und einem magneto-
optisches Element 1, das aus einem Bi-substituierten Seltenerd-
Eisen-Granatkristall hergestellt ist, welcher durch die
allgemeine Formel BixGdyY3-(x+y)Fe&sub5;O&sub1;&sub2; (1,0 ≤ x ≤ 1,4; 0,1 ≤ y ≤
0,7) dargestellt wird und zwischen dem Polarisator und dem
Analysator angeordnet ist, welche voneinander unterschiedliche
Polarisationsrichtungen aufweisen;
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Lichtübertragungswege 5, die auf beiden Seiten des
magneto-optischen Meßwertaufnehmers bzw. Meßwandlers 100 vorgesehen
sind;
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eine Lichterzeugungseinrichtung 6, die dem
Lichtübertragungsweg 5 Licht zuführt;
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eine Lichtdetektionseinrichtung 7, die die optische
Ausgangsleistung mißt, die durch das einfallende Licht erzeugt
wird, das durch den magneto-optischen Meßwertaufnehmer 100
hindurchgegangen ist, um so die optische Ausgangsleistung in
ein elektrisches Signal umzusetzen; und
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eine elektrische Schaltung 8, die das elektrische Signal,
das von der Lichtdetektionseinrichtung 7 eingespeist wird,
verarbeitet, wobei der magneto-optische Meßwertaufnehmer 100 in
dem zu messenden Magnetfeld angeordnet ist, und dadurch die
Intensität bzw. Stärke des Magnetfelds bestimmt. Das magneto-
optische Element 1 ist durch epitaktisches Aufziehen von
Bi1,3Gd0,43Y1,27Fe&sub5;O&sub1;&sub2; hergestellt, das 90 um dick auf einem Ca-
Mg-Zr-substituierten Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;-Substrat ist. Der Polarisator 2
ist an einem Ende des magneto-optischen Elements 1 vorgesehen.
Der Analysator 3 wird an dem anderen Ende des magneto-optischen
Elements 1 in einer derartigen Konfiguration vorgesehen, daß
die der Polarisation-Richtung um 45º relativ zu dem Polarisator
2 geneigt ist. Für den Polarisator 2 und den Analysator 3 wird
ein Glan-Thompson-Prisma oder ein polarisierter Strahlteiler
verwendet. Ein magneto-optischer Meßwertaufnehmer bzw.
Meßwandler 100, welcher das magneto-optische Element 1, den
Polarisator 2 und den Analysator 3 aufweist, ist in dem zu messenden
Magnetfeld (H), angeordnet. Eine Linse 4 kollimiert das auf den
magneto-optischen Meßwertaufnehmer 100 fallende Licht oder das
Licht, das den magneto-optischen Meßwertaufnehmer 100 Passiert
ist. Der Lichtübertragungsweg 5 wird durch eine optische Faser
gebildet. Die Lichterzeugungseinrichtung 6 wird durch eine
lichtemittierende Diode oder eine Laserdiode gebildet, die
Licht mit dem 0,8 um oder 1,3 um-Wellenlängenband erzeugt. Eine
lichtemittierende Diode, die ein Spektralband mit einem Maximum
bzw. einem Peak bei einer Wellenlänge von 0,85 um aufweist,
wird in diesem Beispiel verwendet. Die Detektionseinrichtung 7
mißt Licht, das durch das Element 1 hindurchgeführt worden ist
und setzt es in ein elektrisches Signal um. Obwohl Materialien,
wie etwa Ge-PD, Si-PIN-PD etc., üblicherweise verwendet werden,
um die Detektionseinrichtung 7 herzustellen, wird in diesem
Beispiel Si-PIN-PD vorgesehen, weil hierbei eine
lichtemittierende Diode mit einer Wellenlänge von 0,85 um benutzt wurde.
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Die Intensität bzw. Stärke eines Magnetfeldes von
150(1/4πx10³A/m(150 Oe)) oder weniger wurde mit einer solchen
Meßvorrichtung für Magnetfelder gemessen und über einen
Temperaturbereich von -20 bis 80º wurde eine Meßgenauigkeit
innerhalb von ±1% erzielt. Fig. 9 zeigt die Abhängigkeit des
Meßfehlers von der Umgebungstemperatur für ein Magnetfeld von
30(1/4πx10³A/m(30Oe)), das durch einen konstant alternierenden
Strom erzeugt wird. Die Variation bzw. Änderung ist bei der
Änderung der Umgebungstemperatur von -20 bis 80ºC auf einen
Bereich von ±0,5% begrenzt.
Beispiel 2
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Fig. 10 zeigt eine andere Meßvorrichtung für Magnetfelder nach
dieser Erfindung, welche aufweist, einen magneto-optischen
Meßwertaufnehmer 9, der aus drei magneto-optischen
Meßwertaufnehmerelementen 9-a, 9-b und 9-c zusammengesetzt ist, die
jeweils mit dem magneto-optischen Meßwertaufnehmer 100 (Fig. 8)
gemäß Beispiel 1 übereinstimmen, Lichtübertragungswege 50, die
aus drei Paaren von Lichtübertragungswegelementen 5-a, 5-b und
5-c zusammengesetzt sind, wobei jedes Paar mit den
Lichtübertragungswegen 5 (Fig. 8) gemäß Beispiel 1 übereinstimmt, eine
Lichterzeugungseinrichtung 60, die aus drei
Lichterzeugungseinrichtungselementen 6-a, 6-b und 6-c zusammengesetzt ist,
wobei jedes mit der Lichterzeugungseinrichtung 6 (Fig. 8) gemäß
Beispiel 1 übereinstimmt, und eine Lichtdetektionseinrichtung
70, die aus drei Lichtdetektionseinrichtungselementen 7-a, 7-b
und 7-c zusammengesetzt ist, wobei jedes mit der
Lichtdetektionseinrichtung 7 (Fig. 8) gemäß Beispiel 1 übereinstimmt.
Diese Meßvorrichtung für Magnetfelder weist ferner eine
Verarbeitungsschaltung 10 für arithmetische Operationen auf, um
die elektrischen Signale der Lichtdetektionseinrichtung 70 zu
verarbeiten, welche hier anstelle der elektrischen Schaltung 8
(Fig. 8) gemäß Beispiel 1 verwendet wird. Unter Verwendung
dieser Vorrichtung wurden die Additionen und Subtraktionen der
gemessenen Intensitäten der drei verschiedenen Magnetfeldern
Ha, Hb und Hc mit großer Genauigkeit erhalten.
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Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist die
Meßeinrichtung für Magnetfelder nach dieser Erfindung dazu in der Lage,
die Magnetfeldstärke bzw. -intensität mit hoher Empfindlichkeit
und hoher Genauigkeit unabhängig von den Änderungen der
Umgebungstemperatur zu messen, wodurch für industrielle Anwendungen
große Vorteile zur Verfügung gestellt werden.