DE69131214T2

DE69131214T2 - Stromsonde mit Faraday-Effekt

Info

Publication number: DE69131214T2
Application number: DE69131214T
Authority: DE
Inventors: Gary B. C/O Minnesota Mining & Manf. Co. Forsberg; Dale R. C/O Minnesota Mining & Manufacturing Lutz; Grieg A. C/O Minnesota Mining & Manuf. Co. Olson
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1990-03-20
Filing date: 1991-03-19
Publication date: 1999-12-09
Anticipated expiration: 2011-03-20
Also published as: US5051577A; JPH04221775A; CA2038545C; EP0448342A2; DE69131214D1; CA2038545A1; KR910017196A; EP0448342A3; EP0448342B1

Description

Allgemeiner Stand der Technik

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromsonde mit Faraday-Effekt, die eine Spule eines Lichtwellenleiters aufweist, durch die ein Leiter mit einem zu messenden Strom geführt wird.

Beschreibung des Stands der Technik

In Day et al. "Faraday Effect Sensors: The State of the Art", Proc. SPIE, Band 985, Seiten 1-13 (1998) werden folgende Ausführungen gemacht:
"Stromsonden mit Faraday-Effekt werden gegenwärtig regelmäßig zum Messen großer Stromimpulse eingesetzt, und wobei sie langsam auch für Wechselstrommessungen in der Stromindustrie erhältlich sind... Sie weisen verschiedene Vorteile auf. Sie können vollständig aus Isoliermaterial hergestellt werden, was einer Betriebsumgebung mit hoher Spannung oder in Gegenwart wesentlicher elektromagnetischer Interferenzen von großer Bedeutung ist. Sie sind schneller als andere Arten optischer Sensoren für Magnetfelder... Es wird allgemein davon ausgegangen, daß der Hauptnachteil von Sonden mit Faraday- Effekt deren fehlende Empfindlichkeit darstellt. Bezüglich der Empfindlichkeit konnten in letzter Zeit allerdings deutliche Verbesserungen realisiert werden und auch für die Zukunft sind weitere Verbesserungen absehbar." (Seite 1)
Nach der Beschreibung einer Stromsonde mit Faraday-Effekt, bei der eine Spule eines Lichtwellenleiters verwendet wird, wird in der Veröffentlichung von Day ferner ausgeführt (auf Seite 4), daß "die Hauptschwierigkeit bei lichtwellenleiterartigen Stromsonden die lineare Doppelbrechung in dem Lichtwellenleiter darstellt..., welche den Frequenzgang ernsthaft verzerren kann". Ferner wird ausgeführt (auf Seite 5): "Eine Technik zur Überwindung der induzierten linearen Doppelbrechung ist ein Verdrehen des Lichtwellenleiters", um eine runde Doppelbrechung zu bewirken. Unter anderem werden in der Veröffentlichung von Day ferner die Technik des Ausglühens der Spule des Lichtwellenleiters beschrieben oder der Einsatz eines Lichtwellenleiters mit inhärent hoher runder Doppelbrechung.
Das U. S. Patent US-A-4.255.018 (Ulrich et al.) betrifft eine Stromsonde mit Faraday-Effekt, wobei ein Leiter durch eine Spule eines Lichtwellenleiters verläuft. Licht von einem Polarisator wird an dem Eintrittsende des als Spule vorgesehenen Lichtwellenleiters in diesen fokussiert, und das aus dem Lichtwellenleiter austretende Licht wird parallel gerichtet ung zu einer optischen Polarisations- Analyseeinrichtung, einem photoelektrischen Detektorsystem und einem Meßinstrument übertragen, wobei die vorstehenden genannten Einrichtungen zusammen als eine "Polarisationsmeßvorrichtung" bezeichnet werden können. Bei der Erfindung an Ulrich wird der in Spulenform vorgesehene Lichtwellenleiter verdreht, so daß ein Ausmaß der "runden Doppelbrechung" erreicht wird, das die "linear Doppelbrechung" ausgleicht oder unterdrückt.
Die Stromsonde mit Faraday-Effekt von Ulrich entspricht der aus dem U. S. Patent US-A-3.605.013 (Yoshikawa), wobei in diesem Patent vorgeschlagen wird, daß die "Lichtachsen" (Polarisation) des Polarisators und die optische Polarisationsanalyseeinrichtung einen Winkel von 45º bilden sollten, und daß die Analyseeinrichtung "wirksam eine rotierende Polarisationskomponente ableitet, die im Verhältnis zu dem Strom erzeugt wird", und zwar in einem elektrischen Leiter (Spalte 2, Zeilen 34-37).
Die Veröffentlichung von Chatrefour et a. "Faraday Effect Current Sensor. Design of a Prototype" (ein Dokument, das währen dem Workshop "Role of Optical Sensors in Power Systems Voltage and Current Measurements", Gaithersburg, MD, 16. bis 18. September 1987, vorgelegt wurde) offenbart eine Stromsonde mit Faraday-Effekt, die der von Yoshikawa im wesentlichen entspricht, mit der Ausnahme, daß das Licht durch die Spule zurück zu einem halbtransparenten Spiegel reflektiert wird, bevor sie eine Analyseeinrichtung erreicht. "Dadurch daß das Licht eine Vorwärts-Rückwärts-Bewegung durch Reflexion an dem Lichtwellenleiterende erfährt (siehe Fig. 1), wird die Faraday-Rotation verdoppelt, während die auf optische Aktivität zurückzuführende Rotation aufgehoben wird" (Seite 3).
Die Veröffentlichung von Laming et al. "Compact Optical Fibre Current Monitor with Passive Temperature Stabilization " (ein Dokument, das während der Veranstaltung "Optical Fiber Sensors Topical Meeting of Optical Society of America, Washington, DC, 27. bis 29. Januar 1988, vorgelegt wurde) offenbart eine Stromsonde mit Faraday-Effekt, die im wesentlichen der Sonde von Chatrefou-entspricht. Bei der Sonde von Laming tritt das Licht durch Kollimatoren und einen Strahlenteiler, und zwar bevor und nachdem es durch einen 45º-Polarisator verläuft. Danach verläuft das von der Spule übertragene Licht durch einen dritten Kollimator und wird durch einen Spiegel zurück durch den dritten und den zweiten Kollimator zu dem Strahlenteiler reflektiert sowie weiter zu einem polarisierenden Strahlenteiler. Durch das Hindurchtreten durch derartig viele Übergangsflächen wird das Licht deutlich abgeschwächt.
In der britischen Patentanmeldung mit der Nummer GB 2.104.213A, die am 2. März 1983 veröffentlicht wurde, wird eine weitere Stromsonde mit Faraday-Effekt offenbart, bei der das Licht zurück durch die Spule reflektiert wird, wobei der Oberbegriff der gegenständlichen Ansprüche 2 und 3 von diesem Patent abgeleitet worden ist.
In den U. S. Patenten US-A-4.070.620 (Feldtkeller et al.), US- A-3.590.374 (Evans et al.) und US-A-3.419.802 (Pelenc et al.) werden weitere Stromsonden mit Faraday-Effekt beschrieben, bei denen Lichtwellenleiter verwendet werden.
In WO-A-89/00701 wird eine weitere Faraday-Sonde offenbart, wobei der Oberbegriff des gegenständlichen Anspruchs 1 von diesem Patent abgeleitet worden ist.

Zusätzlicher Stand der Technik

Bekannt sind Einmodus-Lichtwellenleiter, die nur einen Polarisationszustand des Haupttyps ausbreiten und somit als Polarisatoren eingesetzt werden können. Siehe zum Beispiel das U. S. Patent US-A-4.515.436 (Howard et al.), worin ein Lichtwellenleiter mit einfacher Polarisation beschrieben wird, der vorzugsweise durch Wickeln oder eine andere Art der Biegung erweitert wird, um eine breitere Bandbreite vorzusehen. Andere Lichtwellenleiter mit einfacher Polarisation werden beschrieben in: "A Single-Polarization Fiber" von Simpson et al., J. of Lightwave Tech, Band LT-1, Nr. 2, Seiten 370-373 (1983); "Properties of Rectangular Polarizing and Polarization Maintaining Fiber" von Simpson et al. Proc. SPIE, Band 719, Seiten 220-225 (1986); "Short W- Tunneling Fibre Polarizers" von Stolen et al., Elec. Lett., Band 24, Seiten 524-525 (1988); "High-Birefringence Polarizing Fiber with Flat Cladding" von Okamoto et al., J. of Lightwave Tech, Band LT-3, Nr. 4, Seiten 758-762 (1985); "Polarization Controlling Optical Fibers" von Onstott et al., SPIE, Band 719, Fiber Optic Gyros: 10th Anniversary Conference, Bellingham, WA; und "Broadband Single Polarization Optical Fiber" von Messerly et al., Optical Fiber Communication Conference, 22. bis 26. Januar 1990, San Francisco, CA. Ein Lichtwellenleiter mit einfacher Polarisation wird nachstehend mit "Polarisationsfaser" bzw. "polarisierender Lichtwellenleiter" bezeichnet.

Zusammenfassung der Erfindung

In den gegenständlichen Ansprüchen 1 bis 3 sind Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung definiert.
Im Vergleich zu dem Stand der Technik entsprechenden Stromsonden mit Faraday-Effekt, die feldempfindliche Lichtwellenleiterspulen aufweisen, weist die erfindungsgemäße Stromsonde verschiedene Verbesserungen auf: sie kann (1) kompakter sein; (2) eine höhere Durchlässigkeit für das Meßlicht aufweisen; und (3) eine geringere Empfindlichkeit bezüglich externer Felder aufweisen, so daß sie bei der Strommessung eine höhere Genauigkeit vorsehen kann.
Ebenso wie die dem Stand der Technik entsprechenden Stromsonden mit Faraday-Effekt weist die erfindungsgemäße Sonde folgendes auf: (a) eine Lichtquelle, wie etwa einen Laser, der in (b) Polarisator eingeführt wird und danach in (c) eine Spule eines feldempfindlichen Lichtwellenleiters, durch den ein zu überwachender elektrischer Leiter geführt werden kann; und wobei das Licht von der Spule in (d) eine Polarisationsmeßvorrichtung geleitet wird.
Die Abbildungen aus den Fig. 2 bis 5 zeigen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Stromsonden mit Faraday-Effekt. In einem Ausführungsbeispiel kann ein Spiegel an dem Austrittsende der Lichtwellenleiterspule Licht zurück durch die Spule zu zweiten und dritten polarisierenden Lichtwellenleitern reflektiert werden, die wiederum eine optische Verbindung mit einem Paar von Photoempfängern aufweisen, wodurch die Faraday-Rotation verdoppelt wird, während reziproke optische Effekte aufgehoben werden.
Durch die erfindungsgemäße Stromsonde mit Faraday-Effekt wird ein großer Polarisator überflüssig, wie er noch in allen vorstehend beschriebenen, dem Stand der Technik entsprechenden Sonden verwendet wird, und wobei eine große optische Polarisations-Analyseeinrichtung ebenfalls nicht mehr erforderlich ist. Somit kann die neuartige Stromsonde mit Faraday-Effekt kompakter hergestellt werden als dies bislang möglich gewesen ist, und wobei die Wahrscheinlichkeit für eine fehlerhafte Ausrichtung bei der neuartigen Stromsonde im Vergleich zu dem Stand der Technik niedriger ist.
In der Veröffentlichung von Day und in dem Patent von Ulrich werden feldempfindliche Lichtwellenleiter beschrieben, die sich für die strommessende Spule eignen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf die Zeichnungen besser verständlich. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine erste Stromsonde mit Faraday-Effekt, die nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 schematisch eine zweite Stromsonde mit Faraday-Effekt;
Fig. 3 schematisch eine dritte Stromsonde mit Faraday-Effekt;
Fig. 4 schematisch eine vierte Stromsonde mit Faraday-Effekt; und
Fig. 5 schematisch eine fünfte Stromsonde mit Faraday-Effekt.
Bei der Stromsonde mit Faraday-Effekt 10 aus der Abbildung aus Fig. 1 wird Licht von einem Laser 11 in ein Ende eines ersten polarisierenden Lichtwellenleiters 12 gespeist, dessen anderes Ende an der Stelle 13A eine Spleißverbindung mit dem Eintrittsende einer Spule eines feldempfindlichen Lichtwellenleiters 13 aufweist, durch den ein elektrischer Leiter 14 verläuft. Das Austrittsende des feldempfindlichen Lichtwellenleiters weist an der Stelle 13B eine Spleißverbindung mit einem zweiten polarisierenden Lichtwellenleiter 15 auf, von dem Licht in einen Photoempfänger 16 geleitet wird. Nach der Herstellung der Spleißverbindungen 13A und 13B werden diese Abschnitte bzw. Teilstücke des feldempfindlichen Lichtwellenleiters vorzugsweise zu einer Spule aufgewickelt.
Jede der Spleißverbindungen 13A und 13B wird vorzugsweise verschmolzen, um eine Luftgrenzfläche zu vermeiden und um unterstützend dazu beizutragen, die optische Ausrichtung und die mechanische Stabilität aufrecht zu erhalten. Vor dem Schmelzen der zweiten Spleißverbindung 13B sollte die Polarisation des Lichts von dem feldempfindlichen Lichtwellenleiter 13 überprüft werden, so daß die Polarisationsachse des austretenden Lichts wenn kein Strom in dem Leiter 14 fließt einen gewünschten Winkel im Verhältnis zu der Polarisationsachse des zweiten polarisierenden Lichtwellenleiters 15 aufweist, wobei der Winkel vorzugsweise 45º beträgt. Bei dieser Überprüfung ist es wünschenswert, jede Verschiebung der Polarisation auszugleichen, die auftreten kann, wenn der zweite Spleiß in der Folge zur Spule aufgewickelt wird.
In jeder der Abbildungen aus den Fig. 2-5 beziehen sich durch gleiche Einerstellen dargestellte Bezugsziffern auf Komponenten, die zu denen aus der Abbildung aus Fig. 1 vergleichbar sind, so daß auf eine weitere Beschreibung dieser Komponenten in diesem Fall verzichtet werden kann.
Die zweite Stromsonde 20 mit Faraday-Effekt aus der Abbildung aus Fig. 2 entspricht der Sonde aus Fig. 1, abgesehen von den folgenden Ausnahmen. Ein die Polarisation erhaltender Koppler 27 weist die entsprechenden ersten und zweiten Anschlußpaare 27A, 27B bzw. 27C, 27D auf. Ein Anschluß 27C des zweiten Paares weist an der Stelle 23B eine Spleißverbindung mit dem Austrittsende der Spule des feldempfindlichen Lichtwellenleiters 23 auf. Die Anschlüsse 27A und 27B des ersten Paares weisen entsprechende Spleißverbindungen mit den zweiten und dritten polarisierenden Lichtwellenleitern 25A bzw. 25B auf, die wiederum optisch mit einem entsprechenden Paar von Photoempfängern 26A und 26B verbunden sind. Die Polarisationsachsen des Anschlusses 27C weisen vorzugsweise einen Winkel von 45º zu der Polarisationsebene des aus der Spule des feldempfindlichen Lichtwellenleiters austretenden Lichts auf, wenn in dem elektrischen Leiter 24 kein Strom fließt. Die Polarisationsachsen der Lichtwellenleiter 25A und 25B sind so ausgerichtet, daß jede mit einer anderen Polarisationsache der Lichtwellenleiteranschlüsse 27A und 27B des die Polarisation erhaltenden Kopplers übereinstimmt, so daß wenn in dem elektrischen Leiter kein Strom fließt, die Intensität des durch eine der zweiten und dritten polarisierenden Lichtwellenleiter 25A und 25B übertragenen Lichts einen Maximalwert aufweist, während die Intensität des durch den anderen Lichtwellenleiter übertragenen Lichts einen Minimalwert aufweist.
Die dritte Stromsonde 30 mit Faraday-Effekt aus der Abbildung aus Fig. 3 entspricht der Stromsonde aus Fig. 1, abgesehen von den folgenden Ausnahmen. Ein Polarisationsteiler 38 weist entsprechende erste und zweite Anschlußpaare 38A, 38B sowie 38C, 38D auf. Ein Anschluß 38C des zweiten Paares weist an der Stelle 33B eine Spleißverbindung mit dem Austrittsende der Spule des feldempfindlichen Lichtwellenleiters 33 auf. Die Anschlüsse 38A und 38B des ersten Paares sind optisch mit einem entsprechenden Paar von Photoempfängern 36A und 36B verbunden. Die Polarisationsachsen des Anschlusses 38C sind vorzugsweise in einem Winkel von 45º im Verhältnis zu der Polarisationsebene des Lichts angeordnet, das aus der feldempfindlichen Lichtwellenleiterspule 33 austritt, wenn in dem elektrischen Leiter 34 kein Strom fließt.
Die vierte Stromsonde 40 mit Faraday-Effekt, die in der Abbildung aus Fig. 4 dargestellt ist, weist einen ersten die Polarisation erhaltenden Koppler 47 auf, der zwei Anschlußpaare 47A, 47B und 47C, 47D aufweist. Ein erster polarisierender Lichtwellenleiter 42 weist eine Spleißverbindung mit einem Anschluß 47A des ersten Paares auf, und ein Anschluß 47C des zweiten Paares weist an der Stelle 43A eine Spleißverbindung mit dem Eintrittsende einer Spule eines feldempfindlichen Lichtwellenleiters 43 auf. An dem Austrittsende des Lichtwellenleiters 43 befindet sich ein Spiegel 43B, der Licht zurück durch die Spule zu dem Anschluß 47C reflektiert sowie durch den ersten die Polarisation erhaltenden Koppler 47 und den anderen Anschluß 47B des ersten Anschlußpaares zu einem Anschluß 49C eines zweiten die Polarisation erhaltenden Kopplers 49 und von dort zu einem Paar von Anschlüssen 49A und 498, die eine entsprechende Spleißverbindung mit den zweiten und dritten polarisierenden Lichtwellenleitern 45A und 45B aufweisen, wobei jeder dieser Lichtwellenleiter eine optische Verbindung mit einem entsprechenden Photoempfänger 46A und 46B eines Paars von Photoempfängern aufweist. Eine der Polarisationsachsen des Anschlusses 47A ist vorzugsweise mit der Polarisationsachse des ersten polarisierenden Lichtwellenleiters 42 verbunden. Die Polarisationsachsen der Anschlüsse 47B und 49C sind zueinander ausgerichtet. Die Polarisationsachsen des zweiten und des dritten polarisierenden Lichtwellenleiters 45A und 45B sind zu entgegengesetzten Achsen der Anschlüsse 49A und 49B ausgerichtet, so daß (im Idealfall) wenn kein Strom durch den elektrischen Leiter 44 fließt, die Intensität des Lichts, das durch einen der zweiten und dritten polarisierenden Lichtwellenleiter übertragen wird, einen Maximalwert aufweist, während die Intensität des durch den anderen Lichtwellenleiter übertragenen Lichts einen Minimalwert aufweist.
Die Stromsonde mit Faraday-Effekt aus der Abbildung aus Fig. 4 kann dadurch modifiziert werden, daß deren Polarisationsmeßvorrichtung (der die Polarisation erhaltende Koppler 49, die polarisierenden Lichtwellenleiter 45A und 45B sowie die Photoempfänger 46A und 46B) durch die Polarisationsmeßvorrichtung aus Fig. 1 oder aus Fig. 3 ersetzt wird.
Ebenso wie die Stromsonde aus Fig. 4 weist die fünfte Stromsonde 50 mit Faraday-Effekt aus der Abbildung aus Fig. 5 an dem Austrittsende einer Spule eines feldempfindlichen. Lichtwellenleiters 53 einen Spiegel 53B auf, der Licht zurück durch die Spule reflektiert. Das reflektierte Licht verläuft durch einen Anschluß 57C des die Polarisation erhaltenden Kopplers 57, der eine Spleißverbindung mit der Spule aufweist, sowie durch die beiden Eingangsanschlüsse 57A und 57B zu einem Paar von Photoempfängern 56A und 56B. (Bei dem Empfänger 56A wird das reflektierte Licht durch einen zweiten die Polarisation erhaltenden Koppler 59 zu dem Empfänger geleitet.) Die Polarisationsachse des ersten polarisierenden Lichtwellenleiters 52 ist vorzugsweise mit einer der Polarisationsachsen jedes die Polarisation erhaltenden Kopplers 57 und 59 verbunden. Die Polarisationsachse des zweiten polarisierenden Lichtwellenleiters 55 wäre mit der anderen Polarisationsachse des Anschlusses 57B ausgerichtet. Die Polarisation des reflektierten Lichts sollte einen schrägen Winkel von 45º aufweisen, der zum Beispiel dadurch vorgesehen wird, daß ein zweiter Leiter mit einem Vorspannungsstrom durch die Mitte der Lichtwellenleiterspule läuft oder durch die Hinzufügung einer festen Faraday- Rotationseinrichtung, vorzugsweise bei 53A.
Im Vergleich zu der Stromsonde aus der Abbildung aus Fig. 4 weist die Stromsonde aus Fig. 5 nur vier (im Gegensatz zu fünf) Spleißverbindungen 52A, 52B, 53A und 55A auf sowie nur zwei (im Gegensatz zu drei) polarisierende Lichtwellenleiter 52 und 55. Andererseits ist die Stromsonde aus Fig. 5 im Vergleich zu der Stromsonde aus Fig. 4 schwieriger zu kalibrieren, um mögliche Fehler aufgrund einer Doppelbrechung in den Lichtwellenleitern des die Polarisation erhaltenden Kopplers zu vermeiden.
Wenn nur ein Photoempfänger vorgesehen ist, wie dies in der Abbildung aus Fig. 1 der Fall ist, so bietet die Intensität der Lichtkomponente an dem Photoempfänger das einzige Maß der Amplitude des durch den elektrischen Leiter fließenden Stroms. Wenn zwei Photoempfänger vorgesehen sind, können die Intensitäten der Lichtkomponenten an beiden Empfängern verglichen werden, um die Stromamplitude darzustellen. Auf diese Weise können Gegenmaßnahmen unternommen werden, so daß im wesentlichen eine Unabhängigkeit in Bezug auf Schwankungen der Intensität der Lichtquelle vorgesehen werden kann.
Wenn eine Stromsonde mit Faraday-Effekt zwei Photoempfänger aufweist, würden deren elektrische Ausgänge in dem elektrischen Leiter wahrscheinlich nicht genau einen gleichen Stromwert von Null aufweisen. Die Stromsonde sollte somit entsprechend unter Berücksichtigung dieses Umstands kalibriert werden.
Zur besseren Verpackung kann die neuartige Stromsonde mit Ausnahme der Lichtquelle und der/des Photoempfänger(s) in torischer Form in einem Harz vorgesehen werden, um einen Meßkopf zu bilden, der durch Lichtwellenleiter mit der Lichtquelle und dem/den Photoempfänger(n) verbunden werden kann, die an einer entfernten Position gehalten werden. Bei den Verbindungsfasern kann es sich um herkömmliche Lichtwellenleiter handeln, wie zum Beispiel um Fernmeldeleiter, die aus praktischen Gründen durch wiederverwendbare Verbinder oder wiederverwendbare mechanische Spleißverbindungen angebracht werden können. Der Einsatz eines herkömmlichen Lichtwellenleiters würde jedoch dazu neigen, zu einem 50prozentigen Lichtverlust nach der Einführung in den ersten polarisierenden Lichtwellenleiter zu führen. Dieser Verlust kann im wesentlichen durch den Einsatz einer polarisierten Lichtquelle verringert werden, wie etwa einer Laserdiode, sowie durch deren Verbindung mit dem Meßkopf durch einen entsprechend ausgerichteten, die Polarisation erhaltenden Lichtwellenleiter. Durch den Einsatz eines die Polarisation erhaltenden Lichtwellenleiters werden Fehler durch Schwankungen des Polarisationszustands des den ersten polarisierenden Lichtwellenleiter erreichenden Lichts auf ein Mindestmaß verringert, wie zum Beispiel Schwankungen, die auf Biegungen oder mechanische Belastungen in der Übertragungsfaser zurückzuführen sind. Für eine längere Lebensdauer und niedrigere Kosten kann es sich bei der Lichtquelle um eine unpolarisierte Quelle handeln, wie etwa eine oberflächenemittierende Lumineszenzdiode.
Auf Wunsch kann ein elektrischer Leiter in den Meßkopf eingebaut und mit elektrischen Verbindern versehen werden, um die Einführung in einen elektrischen Schaltkreis zu erleichtern. Bei der Verpackung der Reflektionsmodus- Stromsonden aus den Abbildungen aus den Fig. 4 und 5 kann es wünschenswert sein, daß der Meßkopf nur die feldempfindliche Lichtwellenleiterspule und den Spiegel aufweist, wobei sich die anderen Elemente an einer entfernten Position befinden. Auf diese Weise ist es möglich, daß ein einzelner die Polarisation erhaltender Lichtwellenleiter den Meßkopf mit den Elementen an einer entfernten Position verbindet. Um eine Verbindungseinrichtung vorzusehen kann eine kurze Länge der die Polarisation erhaltenden Lichtwellenleiter in den Meßkopf gegossen werden.

Beispiel 1

Die Stromsonde 10 mit Faraday-Effekt aus der Abbildung aus Fig. 1 wurde aus den folgenden Bestandteilen konstruiert:
Laser 11: Sharp LTO 15MD0 Laserdiode, Spitzenwellenlänge 839 nm
Polarisierende Lichtwellenleiter 12, 15: Einmodus
Ummantelungsdurchmesser 78 um
Länge 5 m
Feldempfindlicher Lichtwellenleiter 13: geringe Doppelbrechung Einmodus (EOTec lot #61061, ähnlich EOTec Produkt-Nr. FS-LB4211) Ummantelungsdurchmesser 95 um
Länge 2,7 m
Spulendurchmesser 8,6 cm
Anzahl der Wicklungen 10
Anzahl der Verdrehungen pro Meter 0
Photoempfänger 16: United Detector Technology (UDT) PIN 10DP Photodiode (mit UDT-Modell 101C Transimpedanzverstärker)
Die Spleißverbindungen 13A und 13B werden unter Verwendung eines Schmelzspleißes von 3M Modell 2100 hergestellt, der modifiziert worden ist, um eine Rotation eines Lichtwellenleiters um dessen Längsachse zu ermöglichen sowie den Einsatz eines externen Photoempfängers für dessen Lichtwellenleiter-Ausrichtungsprogramm. Bei der Herstellung der zweiten Spleißverbindung wies die Polarisationsachse des zweiten polarisierenden Lichtwellenleiters ungefähr eine Ausrichtung von 45º zu der Polarisationsachse des aus der feldempfindlichen Lichtwellenleiterspule austretenden Lichts auf. Das Austrittsende des feldempfindlichen Lichtwellenleiters wurde derart gebogen, um durch Biegungen induzierte Doppelbrechungen in dem Lichtwellenleiter in Spulenform auszugleichen, so daß eine sinuskurvenartige Modulation des optischen Ausgangssignals erzeugt wurde, wenn ein sich sinuskurvenartig verändernder elektrischer Strom durch die messende Lichtwellenleiterspule geleitet wurde.
Die Stromsonde mit Faraday-Effekt aus Beispiel 1 wurde durch die Zufuhr einer Reihe sinusförmig variierender elektrischer Ströme (60 Hz mit einem Bereich von 0 bis 600 A rms) in ein elektrisches Kabel getestet, das durch die Spule des feldempfindlichen Lichtwellenleiters geführt wurde. Das optische Signal wurde durch die Verbindung des Ausgangs des Transimpedanzverstärkers der Photodiode mit einem Oszilloskop angezeigt. Die Spitzen-Spitzen-Modulation des optischen Signals wurde am Bildschirm des Oszilloskops gemessen, und es konnte festgestellt werden, daß es sich dabei über den gesamten Bereich um ein lineares Ergebnis mit dem Strom handelt.

Beispiel 2

Die Stromsonde 40 mit Faraday-Effekt aus der Abbildung aus Fig. 4 wurde aus den folgenden Bestandteilen konstruiert:
Laser 41: Sharp LTO 24MD0 Laserdiode, Spitzenwellenlänge 789 nm
Polarisierende Lichtwellenleiter 42, 45A, 45B: Einmodus
Ummantelungsdurchmesser 80 um
Länge 5 m
Feldempfindlicher Lichtwellenleiter 43: Einmodus
Ummantelungsdurchmesser 125 um
Länge 2,5 m
Spulendurchmesser 8,6 cm
Anzahl der Wicklungen 10
Anzahl der Verdrehungen pro Meter 0
Spiegel 4%: gespaltetes Lichtwellenleiterende in Quecksilber eingetaucht
Photoempfänger 46A und B: wie in Beispiel 1
Erster die Polarisation erhaltender Koppler 47: Aster Koppler, Seriennummer PM88-0018, Hergestellt mit Lichtwellenleiter von 3M, Typ 3M-0188-1, Kopplungsverhältnis = 0,5 bei 830 nm (~0,38 bei 790 nm), Extinktionsverhältnis > 23 dB
Zweiter die Polarisation erhaltender Koppler 49: Aster Koppler, Seriennummer PM88-0025, wie obiger Koppler, Extinktionsverhältnis > 20 dB
Alle Spleißverbindungen wurden unter Verwendung des in Beispiel 1 beschriebenen Schmelzspleißes hergestellt. Die Rotationsausrichtungen während der Schmelzpleißverbindung waren wie folgt gegeben: Die Polarisationsachse des Lichtwellenleiters 42 war mit einer der Polarisationsachsen des Lichtwellenleiters 47A verbunden. Die Spleißverbindung zwischen den Lichtwellenleitern 47C und 43A wies eine zufällige Ausrichtung auf. Die Polarisationsachsen der Lichtwellenleiter 47B und 49C wurden vor der Spleißverbindung miteinander ausgerichtet. Die Lichtwellenleiter für die letzten beiden Spleißverbindungen wurden so ausgerichtet, daß bei der Einführung von linear polarisiertem Licht in den Lichtwellenleiter 49C (oder 49D), wobei die Polarisationsrichtung parallel zu einer der Polarisationsachsen des Lichtwellenleiters ist, die Polarisationsachse des zweiten oder des dritten polarisierenden Lichtwellenleiters (z. B. 45A) im Uhrzeigersinn um 45º im Verhältnis zu der Ebene der Polarisation des aus dem Lichtwellenleiter 49A austretenden Lichts gedreht wird, während die Polarisationsachse des anderen Lichtwellenleiters (45B) gegen den Uhrzeigersinn um 45º im Verhältnis zu der Ebene der Polarisation des aus dem Lichtwellenleiter 49B austretenden Lichts gedreht wird.
Die Stromsonde mit Faraday-Effekt aus Beispiel 2 wurde wie in Beispiel 1 getestet, mit der Ausnahme, daß die Ausgangskurvenformen auf einem digitalisierten Oszilloskop angezeigt wurden. Die Frequenz des Prüfstroms in dem elektrischen Leiter betrug ungefähr 100 Hz. Bei einem Anstieg des durch den Leiter eingeführten elektrischen Stroms nahm die Ausgabe eines Photoempfängers zu, während die Ausgabe des anderen Photqempfängers kleiner wurde. Dadurch wurde demonstriert, daß die Sonde eine Polarisationsrotation mit Faraday-Effekt erfaßte an Stelle einer elektrischen "Aufnahme" in der Stromversorgungseinrichtung der Laserdiode oder der Elektronik der Photoempfänger. Die Modulationsfrequenz des optischen Signals war mit der des elektrischen Prüfstroms von ungefähr 100 Hz identisch.

Claims

1. Stromsonde mit Faraday-Effekt, die folgendes umfaßt: (a) einen Polarisator (22), eine Spule (23) eines feldempfindlichen Lichtwellenleiters, (c) eine Polarisationsmeßvorrichtung, die ein Paar von Photoempfängern (26A, 26B) umfaßt, (d) eine Einrichtung zur optischen Verbindung eines Eingangs des Polarisators (22) mit einer Lichtquelle (21) und des Ausgangs mit einem Eingangsende des feldempfindlichen Lichtwellenleiters (23) und (e) eine Einrichtung zur optischen Verbindung eines Austrittsendes des feldempfindlichen Lichtwellenleiters (23) mit der Polarisationsmeßvorrichtung, wobei es sich bei dem Polarisator um einen ersten polarisierenden Lichtwellenleiter (22) handelt, der an das Eingangsende der Lichtwellenleiterspule (23) gespleißt ist, wobei die genannte Stromsonde dadurch gekennzeichnet ist, daß:

die genannte Polarisationsmeßvorrichtung ferner folgendes umfaßt:

zweite und dritte polarisierende Lichtwellenleiter (25A, 25B) und eine Einrichtung, die dazu dient, diese jeweils mit einem der Photoempfänger (26A, 26B) zu verbinden, und daß

die Einrichtung zur optischen Verbindung eines Austrittsendes des feldempfindlichen Lichtwellenleiters (23) mit der Polarisationsmeßvorrichtung einen die Polarisation erhaltenden Koppler (27) aufweist, wobei ein Lichtwellenleiteranschluß (27C) mit einem Paar von Lichtwellenleiteranschlüssen (27A, 27B) gekoppelt ist, wobei der genannte eine Anschluß an das Austrittsende der Lichtwellenleiterspule (23) gespleißt (23B) ist, und wobei jeder Anschluß des genannten Anschlußpaares (27A, 27B) an den zweiten oder den dritten polarisierenden Lichtwellenleiter (25A, 25B) gespleißt ist, wobei die Polarisationsachsen des zweiten und des dritten polarisierenden Lichtwellenleiters (25A, 25B) so ausgerichtet sind, daß jede mit einer anderen Polarisationsachse der Anschlüsse (27A, 278) des die Polarisation erhaltenden Kopplers (27) übereinstimmt.

2. Stromsonde mit Faraday-Effekt, die folgendes umfaßt: (a) einen Polarisator (42), eine Spule (43) eines feldempfindlichen Lichtwellenleiters, (c) eine Polarisationsmeßvorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Photoempfänger (46A, 46B) und (d) eine Einrichtung zur optischen Verbindung eines Eingangs des Polarisators (42) mit einer Lichtquelle (41), wobei die genannte Stromsonde ferner einen Spiegel (43B) an einem Austrittsende der Lichtwellenleiterspule umfaßt, der dazu dient, Licht durch die Spule zurück zu reflektieren, und wobei die genannte Polarisationsmeßvorrichtung ferner einen die Polarisation erhaltenden Koppler (47) umfaßt, wobei ein Lichtwellenlaiteranschluß (47C) mit einem Paar von Lichtwellenleiteranschlüssen (47A, 47B) gekoppelt ist, wobei die genannte Stromsonde dadurch gekennzeichnet ist, daß:

es sich bei dem Polarisator um einen ersten polarisierenden Lichtwellenleiter (42) handelt, wobei ein Anschluß (47C) des ersten die Polarisation haltenden Kopplers (47) an das Eintrittsende der Lichtwellenleiterspule (43) gespleißt ist, und wobei ein Anschluß (47A) des genannten Anschlußpaares an den genannten ersten polarisierenden Lichtwellenleiter (42) gespleißt ist, und wobei die Polarisationsmeßvorrichtung ferner folgendes umfaßt:

einen zweiten die Polarisation haltenden Koppler (49), wobei ein Lichtwellenleiteranschluß (49C) mit einem Paar von Lichtwellenleiteranschlüssen (49A, 49B) gekoppelt ist, wobei der eine Anschluß (49C) an den anderen Anschluß des Anschlußpaares (47B) des ersten die Polarisation haltenden Kopplers (49) gespleißt ist; und wobei

von den zweiten und dritten polarisierenden Lichtwellenleitern (45A, 45B) der zweite und der dritte polarisierende Lichtwellenleiter (45A, 45B) jeweils an einen Anschluß des Anschlußpaares des zweiten die Polarisation haltenden Kopplers (49) gespleißt ist und optisch mit einem der Photoempfänger (49A, 49B) verbunden ist, wobei die Polarisationsachsen der ersten und zweiten polarisierenden Lichtwellenleiter einen spitzen Winkel bilden, und wobei die Polarisationsachsen des zweiten und des dritten polarisierenden Lichtwellenleiters (45A, 45B) Polarisationsachsen aufweisen, die so ausgerichtet sind, daß jede mit einer anderen Polarisationsachse der Anschlüsse des zweiten die Polarisation haltenden Kopplers (49) übereinstimmt.

3. Stromsonde mit Faraday-Effekt, die folgendes umfaßt: (a) einen Polarisator (52), eine Spule (53) eines feldempfindlichen Lichtwellenleiters, (c) eine Polarisationsmeßvorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Photoempfänger (56A, 56B), wobei die genannte Stromsonde an einem Austrittsende der Lichtwellenleiterspule ferner einen Spiegel (53B) umfaßt, der dazu dient, Licht durch die Spule zurück zu reflektieren, und wobei die genannte Polarisationsmeßvorrichtung ferner einen ersten die Polarisation haltenden Koppler (57) umfaßt, wobei ein Lichtwellenleiteranschluß (57C) mit einem Paar von Lichtwellenleiteranschlüssen (57A, 57B) gekoppelt ist, wobei die genannte Stromsonde dadurch gekennzeichnet ist, daß:

es sich bei dem Polarisator um einen ersten polarisierenden Lichtwellenleiter (52) handelt, wobei der genannte eine Anschluß (57C) des ersten die Polarisation haltenden Kopplers (57) an das Eintrittsende der Lichtwellenleiterspule (53) gespleißt (53A) ist, und wobei ein Anschluß (57A) des genannten Anschlußpaares an ein Ende des genannten ersten polarisierenden Lichtwellenleiters (52) gespleißt ist, und wobei die Polarisationsmeßvorrichtung ferner folgendes umfaßt:

einen zweiten die Polarisation haltenden Koppler (59), wobei ein Lichtwellenleiteranschluß (59C) mit einem Paar von Lichtwellenleiteranschlüssen (59A, 59B) gekoppelt ist, wobei · der eine Anschluß (59C) an das andere Ende des ersten polarisierenden Lichtwellenleiters (52) gespleißt ist, wobei ein Anschluß des Anschlußpaares (59A) optisch mit einer Lichtquelle verbunden ist, und wobei der andere Anschluß des Anschlußpaares (59B) optisch mit einem der Photoempfänger (56A) verbunden ist, und mit

einem zweiten polarisierenden Lichtwellenleiter (55), der an den anderen Anschluß (57B) des Anschlußpaares des ersten die Polarisation haltenden Kopplers (57) gespleißt ist und optisch mit dem anderen Photoempfänger (56B) verbunden ist.