DE69320763T2 - Spannungsfühler - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungsfühler, wie er in einem optischen PT (Potentialtransformator) verwendet wird, der eine Spannung gegen Masse oder eine Spannung einer Antriebsleistungsquelle für Motoren und dergleichen bestimmt.
• In einem intensitätsmodulierten Spannungsfühler, wie er beispielsweise in der Darstellung der Fig. 10 entlang einer optischen Achse angeordnet ist, also von der Seite des einfallenden Lichtes her mit einem ersten Polarisator 35, dessen eingestellter Winkel 90º beträgt, einer Viertelwellenlängenplatte 38, einer Pockels-Zelle 2 und einem zweiten Polarisator 36 mit einem eingestellten Winkel von 95º versehen ist, wird eine zu messende Spannung an die Pockels-Zelle 2 angelegt. Da die Veränderung der Ausgangsintensität des zweiten Polarisators dem Polarisationszustand des aus der Pockels-Zelle 2 austretenden Lichtes entspricht, das abhängig von der zu messenden Spannung variiert, kann die zu messende Spannung durch Überwachung der Veränderung in der Ausgangsleistung des Polarisators mit Hilfe eines optischen Empfängers bestimmt werden. Die Modulationstiefe einer Ausgangsleistung wird hier als das Verhältnis der Wechselstromkomponente der Ausgangsleistung zur Gleichstromkomponente der Ausgangsleistung definiert.
• Außer der oben genannten, durch die zu messende Spannung erzeugten Modulation der Ausgangsleistung verursachen jedoch Veränderungen, die durch einen Verlust bei den Verbindungen der optischen Teile entstehen, sowie durch die äußere Umgebung verursachte Veränderungen der Intensität des einfallenden Lichtes eine allmähliche Änderung der Ausgangsleistung. Insbesondere in solchen Fällen, wo die Frequenz der zu messenden Spannung nahe an Gleichstrom kommt, wird es unmöglich, die Wechselstromkomponente der zu messenden Spannung von der Wechselstromkomponente zu unterscheiden, die aufgrund der Sekundärursachen auftritt; aus dem Grunde können exakte Meßergebnisse nicht erzielt werden.
• In IEEE Transactions on Power Delivery, Band 5, Nr. 2, Seiten 884 bis 891, wird ein Spannungsfühler beschrieben, der so aufgebaut ist, daß entlang der optischen Achse, von der Seite des einfallenden Lichtes her hintereinander ein erster Polarisator, eine erste Pockels-Zelle und ein zweiter Polarisator angeordnet sind, daß eine der zu messenden Spannung proportionale Spannung an die erste Pockels-Zelle angelegt wird und die zu messende Spannung auf der Basis einer Veränderung in der vom zweiten Polarisator emittierten Lichtintensität bestimmt wird. Außerdem beschreibt dieses Dokument, daß die zu messende Spannung auf der Basis einer Phasenveränderung in der vom zweiten Polarisator emittierten Lichtintensität festgestellt werden kann. Es ist aus diesem Papier auch bekannt, für diese Phasenerkennung eine Modulation zu verwenden, deren Frequenz höher liegt als die der an die erste Pockels-Zelle angelegten Spannung.
• In Patent Abstracts of Japan, Band 8, Nr. 204 (P-301), JP-A-59 090 061, wird außerdem ein Spannungsfühler beschrieben, der entlang der optischen Achse so aufgebaut ist, daß er von der Seite des einfallenden Lichtes her hintereinander einen ersten Polarisator, eine erste Pockels-Zelle und eine zweite Pockels-Zelle aufweist, deren eingestellte Winkel gleich sind, sowie einen zweiten Polarisator, wobei eine der zu messenden Spannung proportionale Spannung der ersten Pokkels-Zelle zugeführt wird. Die zu messende Spannung wird auf der Grundtage einer Veränderung der vom zweiten Polarisator emittierten Lichtintensität bestimmt.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Lösung des bei dem bekannten Intensitätsmodulationsspannungsfühler auftretenden Problems sowie in der Schaffung eines Spannungsfühlers, der die Messung von Gleichstrom bis zu hochfrequentem Wechselstrom bei einfachem Aufbau und ohne Beeinflussung durch die äußere Umgebung durchführt.
• Spannungsfühler zum Messen einer Spannung nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 1 und 2 definiert.
• Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
• Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden mit der nachfolgenden Beschreibung, die sich auf bevorzugte Ausführungsformen und die beigefügten Zeichnungen bezieht, erläutert. In den Zeichnungen sind gleiche Teile durchgehend mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es z8eigt:
• Fig. 1 ein Diagramm eines Ausgangsleistung-Phasenmodulationsspannungsfühlers einer ersten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 ein Blockdiagramm des Phasenmodulationsspannungsfühlers nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 3, 4 und 5 zeigen grafische Darstellungen von Wellenformen von Spannungen V und Vm bzw. dem Ausgang P;
• Fig. 6 ein Diagramm eines Ausgangsleistung- Frequenzmodulationsspannungsfühlers einer zweiten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 7 zeigt eine Wellenform des Ausgangsignals P, um damit eine Änderung der Frequenz bei Anlegen einer zu messenden Spannung darzustellen;
• Fig. 8 und 9 zeigen Beispiele von Wellenformen einer periodischen Spannung zur Modulation, wie sie in einem Spannungsfühler nach der vorliegenden Erfindung jeweils verwendet werden, und
• Fig. 10 zeigt ein Diagramm eines bekannten Intensitätsmodulationsspannungsfühlers, wie er zum Messen von Spannungen verwendet wird.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• Nachfolgend werden die bevorzugten Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
• In Fig. 1 ist ein Diagramm eines Spannungsfühlers nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt und in den Fig. 2, 3, 4 und 5 sind ein Blockdiagramm der ersten Ausführungsform sowie grafische Darstellungen von Veränderungen der an die Pockels-Zellen angelegten Spannungen V und Vm und einer Ausgangsleistung P vom zweiten Polarisator zu sehen. Der Spannungsfühler enthält einen ersten Polarisator 1 mit einem eingestellten Winkel von 90º; eine Pockels-Zelle 2 zum Bestimmen, welcher eingestellte Winkel φ der Hauptachse 14 gegenüber einer horizontalen Achse 11 dazu 45º beträgt; eine Pockels-Zelle 3 zur Modulation, deren Hauptachse parallel zur der der Pockels-Zelle 2 verläuft, sowie einen zweiten Polarisator 4 mit einem eingestellten Winkel von 90º. Diese Elemente sind in der genannten Reihenfolge von der Seite des einfallendes Lichter her entlang einer optischen Achse 13 angeordnet. An der Pockels-Zelle 2 zur Winkelbestimmung und der Pockels-Zelle 3 zur Modulation sind je ein Elektrodenpaar 17 zum Anlegen einer zu messenden Spannung bzw. ein Elektrodenpaar 18 zum Anlegen einer periodischen Spannung zur Modulation vorgesehen, so daß ein paralleles elektrisches Feld gegen Null Grad erzeugt wird. An jeder Elektrode ist ein Anschluß 21 zum Anlegen der Spannung vorgesehen. An der Pockels-Zelle 2 wird ein elektrisches Feld E erzeugt, das der zu messenden Spannung proportional ist. An der Pockels-Zelle 3 wird zur Modulation mit einer periodischen Spannung Vm ein periodisches elektrisches Feld Em erzeugt, das die Differenz der Phasenwinkel um 2nπ Radianten während jeder Periode verändert, wobei n eine positive ganze Zahl ist, und das eine viel höhere Frequenz hat als das an die Pockels-Zelle 2 angelegte elektrische Feld E. Die Pockels-Zellen 2 und 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel aus LiNbO&sub3; hergestellt.
• Als nächstes wird die Theorie beschrieben. Unpolarisiertes einfallendes Licht 6 wird vom ersten Polarisator 1 in linear polarisiertes Licht 7 gewandelt, das nach dem Passieren der Pockels-Zelle 2 zur Winkelbestimmung zu elliptisch polarisiertem Licht 8 wird, und zwar aufgrund des Phasenwinkels Θ der Pockels-Zelle 2. Mit Hilfe von Pockels-Zelle 3 zur Modulation wird das Licht zu elliptisch polarisiertem Licht 9, das der Summe Θ + Θm der Differenz der aufgrund von Pockels-Zelle 2 bestehenden Phasenwinkel O und Pockels-Zelle 3 bestehenden Phasenwinkel Θm entspricht. Die Intensität oder Lichtstärke des linear polarisierten Lichtes 10, die ein Ergebnis der Passage durch den zweiten Polarisator 4 ist, weist eine Veränderung proportional zu {cos(Θm + Θ) + 1} 2 gegenüber der Lichtstärke des einfallenden Lichtes auf. Eine Signalanalysevorrichtung 5 für optische Berechnungen vergleicht dann die Phasenveränderung Θ + Θm des oben genannten Ausgangsignals 10 mit der Phasendifferenz Θm der Pockels-Zelle 3 zur Modulation, um die aufgrund der Pockels-Zelle 2 eingetretene Phasendifferenz Θ zu berechnen und bestimmt die zu messende Spannung. Hier handelt es sich bei dem eingestellten Winkel jeder Vorrichtung um einen Winkel gegenüber einem Basiswinkel, wie er durch das Bezugszeichen 11 in Fig. 1 bezeichnet ist, und der Winkel wird in rad- Einheiten gemessen.
• Als nächstes wird die Betriebsweise der ersten Ausführungsform mit Bezug auf die Fig. 2, 3 und 4 beschrieben. In Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der ersten Ausführungsform dargestellt. In Pockels-Zelle 2 zur Winkelbestimmung wird ein elektrisches Feld E durch ein Elektrodenpaar 17 erzeugt, an das eine zu messende Spannung V angelegt wird. In Pockels-Zelle 3 zur Modulation wird ein elektrisches Feld Em zur Modulation über ein Elektrodenpaar 18 erzeugt, an das eine periodische Spannung Vm zur Modulation angelegt wird. Es sei angenommen, daß die zu messende Spannung V eine Sinusform mit der Amplitude a, einer Frequenz f und einem anfänglichen Phasenwinkel φ hat, wie dies aus Fig. 3 hervorgeht. Die Spannung Vm zur Modulation hat eine Sägezahnform mit der Modulationsfrequenz fm und variiert linear mit dem Verlauf 2π · fm/C während jeder Periode 1/fm, was in Fig. 4 dargestellt ist. Hierbei ist die Konstante C der proportionale Koeffizient zwischen einer Spannung zur Modulation und der Phasendifferenz der Pockels-Zelle 3. Beim Anlegen der zu messenden Spannung V verändert sich das Ausgangsignal P des Polarisators 4 gegenüber der Sinuswelle, die der Phasendifferenz Θm der Pockels- Zelle 3 entspricht und proportional zur Spannung Vm zur Modulation ist, was durch eine gestrichelte Linie 28 in Fig. 5 dargestellt ist, um die Phasendifferenz Θ, die aufgrund der Pockels-Zelle 2 vorhanden und proportional zur zu messenden Spannung V ist, was durch eine durchgezogene Linie 29 in Fig. 5 dargestellt ist. Mit anderen Worten, die Wellenform des Ausgangsignals P des Polarisators 4 verändert sich von der gestrichelten Linie 28 zur durchgezogenen Linie 29, wenn die zu messende Spannung V an Pockels-Zelle 2 angelegt wird. Dann demoduliert die Signalanalysevorrichtung 5 zur optischen Berechnung die zu messende Spannung V, die wegen Pockels-Zelle 2 proportional zur Phasendifferenz 0 ist, aus dem Phasenwechsel Θ + Θm des Ausgangsignals 10. Die Signalanalysevorrichtung 5 enthält einen fotoelektrischen Konverter 5A zum Umwandeln des Ausgangsignals 10 des zweiten Polarisators 4 in eine dazu proportionale Spannung; einen Demodulator 5B zum Demodulieren eines Ausgangsignals des Konverters 5A und einen Integrator 5C zum Integrieren eines Ausgangsignals des Demodulators 5B.
• In diesem Fall muß die Modulationsfrequenz fm ausreichend höher sein als die Frequenz f der zu messenden Spannung V. Handelt es sich bei der zu messenden Spannung V um Netzfrequenz, reicht eine Modulationsfrequenz fm von etwa 1 kHz aus.
• Anhand der Fig. 6 und 7 wird nachfolgend eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, gleicht die zweite Ausführungsform der ersten insofern, als auch sie einen ersten Polarisator 1, eine Pockels-Zelle 2 zur Winkelbestimmung, eine Pockels-Zelle 3 zur Modulation und einen zweiten Polarisator 4 in dieser Reihenfolge entlang der optischen Achse des Spannungsfühlers enthält. Zwischen Pockels-Zelle 2 und einem Eingangsanschluß für die zu messende Spannung V ist bei dieser Ausführungsform jedoch ein Integrator 39 eingefügt, der eine zu messende Spannung V erhält und einen Integrationsvorgang durchführt, um ein elektrisches Feld E zur Bestimmung auszugeben. In diesem Fall reicht es aus, ein elektrisches Feld zu erreichen, das sich um einen Wert verändert, der dem Integralwert der zu messenden Spannung V äquivalent ist. So kann beispielsweise das Eingangsignal zum Integrator 39 ein elektrisches Feld sein, das der zu messenden Spannung V proportional ist. Beim Anlegen der zu messenden Spannung V verändert sich das Ausgangsignal des Polarisators 4 in seiner Frequenz von einer Sinuswelle 31, die der Veränderung der Phasendifferenz Θm von Pockels-Zelle 3 für Modulation entspricht und die der periodischen Spannung Vm zur Modulation proportional ist, um einen Wert, der der Phasendifferenz Θ der Pockels-Zelle 2 proportional ist, die wiederum der zu messenden Spannung V proportional ist, wie aus Fig. 7 hervorgeht. Es ergibt sich eine frequenzmodulierte Wellenform 32. Dann demoduliert die Signalanalysevorrichtung 30 für optische Berechnungen die frequenzmodulierte Wellenform 32, um die der Phasendifferenz Θ der Pockels-Zelle 2 proportionale Spannung V zu erzielen.
• Daraus geht hervor, daß bei einer Spannungsmessung anhand einer Phasenveränderung oder einer Frequenzveränderung in intensitätmoduliertem Licht diese Messung ohne Probleme durchgeführt werden kann, die bei Verwendung eines optischen Übertragungskanals in Form einer Unterbrechung der Verbindung in einem optischen Teil oder einer durch die Umgebung verursachten Veränderung in der Lichtintensität auftreten können. Da außer der zu messenden Spannung keine Informationen mit der Phasenveränderung oder der Frequenzänderung vermischt werden, entfallen Maßnahmen wie eine Intensitätsveränderung, die beim Stand der Technik zur Unterscheidung einer zu messenden Spannung von äußeren Einflüssen dann erforderlich war, wenn die Spannung nahe an Gleichspannung lag. Dadurch kann eine solche Messung mit einem Meßverfahren für alle Spannungen von Gleichstrom- bis Wechselstrom durchgeführt werden.
• Die oben gegebene Beschreibung gilt für alle Fälle, wo die Richtungen von erstem und zweitem Polarisator arbiträr sind. Sind die Richtungen parallel oder senkrecht zueinander, dann ist außer einer Sägezahnwellenform, die die Phasendifferenz um 2nπ rad während jedes Periode verändert (s. Fig. 4), wobei n eine positive ganze Zahl ist, eine Spannung Vm zur Modulation ausreichend, die die Phasendifferenz um Θ von kπ nach (k + n)π verändert, wobei k eine ganze Zahl ist, so daß die Spannung Vm zur Modulation klein sein kann. Außerdem kann, wie aus Fig. 8 hervorgeht, die Wellenform der Spannung Vm zur Modulation entgegen der in Fig. 4 dargestellten Sägezahnwellenform einemgleichschenkligen Dreieckgleichgemacht werden, wo die Phasendifferenz Θm nahe an 2(k + n)π rad schnell verändert wird, so daß an der Ausgangwelle eine geringere Turbulenz auftritt. Fig. 8 zeigt den Fall, wo k = -1 und n = 1 ist.
• Sind die beiden oben genannten Polarisationsrichtungen parallel oder senkrecht zu einander angeordnet und ist eine Viertelwellenlängenplatte zwischen zwei benachbarten Vorrichtungen wie dem ersten Polarisator, der Pockels-Zelle zur Winkelbestimmung, der Pockels-Zelle zur Modulation und dem zweiten Polarisator zum Hinzufügen einer optischen Abweichung vorgesehen, dann kann die Phasendifferenz Θm von kπ + π/2 bis (k + n)π + π/2 variiert werden, wobei k eine ganze Zahl und n eine positive ganze Zahl ist. Insbesondere, wenn k = -1 und n = 1 ist, sind die positiven und negativen Spannungen zur Modulation symmetrisch, wie aus Fig. 9 hervorgeht, so daß die Last an der Leistungsquelle für periodische Spannungen zur Modulation verringert werden kann.
• Da sowohl die erste als auch die zweite Ausführungsform eine Spannung anhand einer Phasenänderung oder einer temporären Phasenänderung (Frequenz) in der Ausgangsleistung messen, können die eingestellten Winkel von erstem Polarisator 1 und zweitem Polarisator 4 eine beliebige Einstellung aufweisen, solange ihre Inklination gegenüber der Hauptachse der Pockels-Zellen 45º beträgt. Bei der ersten und zweiten hier beschriebenen Ausführungsform sind Pockels-Zelle 2 zur Winkelbestimmung und Pockels-Zelle 3 zur Modulation von der Seite des einfallenden Lichtes aus in dieser Reihenfolge angeordnet. Die Reihenfolge kann auch umgekehrt sein.
• Befindet sich die zu messende Spannung V in einer Entfernung oder können nicht alle Vorrichtungen, erster Polarisator 1, Pockels-Zelle 2 zur Bestimmung, Pockels- Zelle 3 zur Modulation und zweiter Polarisator 4, auf derselben optischen Achse angeordnet sein, was beispielsweise der Fall ist, wenn der erste Polarisator 1 oder Pockels-Zelle 3 zur Modulation oder der zweite Polarisator 4 in einem anderen Gerät angeordnet ist, dann kann zwischen benachbarten Vorrichtungen von erstem Polarisator 1, Pockels-Zelle 2 zur Bestimmung, Pockels-Zelle 3 zur Modulation und zweitem Polarisator 4 ein optischer Übertragungskanal wie eine die Polarisation aufrechterhaltende Faser verwendet werden, bei dem der Polarisationszustand nicht verändert wird.
• Aus der Beschreibung geht hervor, daß mit der vorliegenden Erfindung eine zu messende Spannung von Gleichspannung bis Hochfrequenz ohne Beeinflussung durch die Umgebung bestimmt werden kann.
• Obgleich die vorliegende Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben wurde, sind fachlich gebildeten Personen verschiedene Veränderungen und Modifikationen möglich.

Claims (6)

1. Spannungsfühler zum Messen einer zu messenden Spannung mit

- einem ersten Polarisator (1) zum linearen Polarisieren von Licht,

- einer ersten Pockels-Zelle (2) zum Modulieren des Lichtes entsprechend einer empfangenen Spannung, die der zu messenden Spannung proportional ist,

- einem zweiten Polarisator (4) zum linearen Polarisieren von Licht,

- einer Signalanalysevorrichtung (5) zum Aufnehmen des Lichtes und zum Bestimmen der zu messenden Spannung aus einer Phasenveränderung in der Intensität des vom zweiten Polarisator emittierten Lichtes,

die entlang einer optischen Achse (13) nacheinander von einer Einfallseite des Lichtes angeordnet sind,

- einer zweiten Pockels-Zelle (3) zum Modulieren des Lichtes entsprechend einer Modulationsspannung (Vm), welche Pockels-Zelle entlang der genannten optischen Achse zwischen dem ersten und dem zweiten Polarisator (1, 4) angeordnet ist und deren eingestellter Winkel gleich dem der ersten Pockels-Zelle (2) ist, und

- einer Quelle für eine periodische Spannung, deren Frequenz höher ist als die der empfangenen Spannung und eine dreieckige oder sägezahnförmige Wellenform hat, und die die Spannung zur Modulation (Vm) für die zweite Pockels-Zelle (3) liefert.

2. Spannungsfühler zum Messen einer zu messenden Spannung mit

- einem ersten Polarisator (1) zum linearen Polarisieren von Licht,

- einer ersten Pockels-Zelle (2) zum Modulieren des Lichtes entsprechend einer empfangenen Spannung, die proportional zu einem Wert ist, der durch Integration der genannten zu messenden Spannung erzielt wird, einem zweiten Polarisator (4) zum linearen Polarisieren von Licht,

- einer Signalanalysevorrichtung (30) zum Aufnehmen des Lichtes und zum Bestimmen der zu messenden Spannung aus einer Frequenzveränderung der Intensität des vom zweiten Polarisator emittierten Lichtes,

die entlang einer optischen Achse (13) nacheinander von der Einfallseite des Lichtes her angeordnet sind,

- einer zweiten Pockels-Zelle (3) zum Modulieren des Lichtes entsprechend einer Spannung (Vm) zur Modulation, welche Pockels-Zelle entlang der genannten optischen Achse zwischen dem ersten und dem zweiten Polarisator (1, 4) angeordnet und dessen eingestellter Winkel gleich dem der ersten Pockels-Zelle (2) ist, und

- einer Quelle für eine periodische Spannung, deren Frequenz höher ist als die der empfangenen Spannung und eine dreieckige oder sägezahnartige Wellenform hat, um die Spannung (Vm) zur Modulation an die zweite Pockels- Zelle (3) zu liefern.

3. Spannungsfühler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die periodische Spannung zur Modulation die Phasendifferenzen um 2nπ rad während jeder Periode variiert, wobei n eine positive ganze Zahl ist.

4. Spannungsfühler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Polarisationsrichtungen von erstem Polarisator (1) und zweitem Polarisator (4) so eingestellt sind, daß sie senkrecht zueinander sind, und bei dem die genannte periodische Spannung zur Modulation die Phasendifferenz in jeder Periode von etwa kn nach (k + n)π variiert, wobei k eine ganze Zahl und n eine positive ganze Zahl ist.

5. Spannungsfühler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Polarisationsrichtungen von ersten Polarisator (1) und zweitem Polarisator (4) so eingestellt sind, daß sie parallel sind, bei dem eine Viertelwellenlängenplatte zwischen zwei benachbarten Vorrichtungen angeordnet ist, als welche Vorrichtungen der erste Polarisator (1), die erste Pockels-Zelle (2), die zweite Pockels-Zelle (3) und der zweite Polarisator (4) auszuwählen sind, und bei dem die periodische Spannung zur Modulation die Phasendifferenz während jeder Periode etwa von kπ + π/2 nach (k + n)π + π/2 variiert, wobei k eine ganze Zahl und n eine positive ganze Zahl ist.

6. Spannungsfühler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein optischer Übertragungskanal zur Aufrechterhaltung des Polarisationszustandes mindestens zwischen zwei benachbarten Vorrichtungen verwendet wird, zu welchen Vorrichtungen der erste Polarisator (1), die genannte erste Pockels- Zelle (2), die genannte zweite Pockels-Zelle (3) und der zweite Polarisator (4) gehören.