DE69619688T2

DE69619688T2 - In reihe geschaltete magnetro-optische feldfühler

Info

Publication number: DE69619688T2
Application number: DE69619688T
Authority: DE
Inventors: W. Dawson; W. Macdougall
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1995-11-22
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2016-09-13
Also published as: CN1248008C; ES2169815T3; WO1997019361A1; US5736737A; EP0862744B1; CN1202249A; JP2000500582A; CA2236823C; EP0862744A1; CA2236823A1; DE69619688D1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen faseroptische Faraday-Effekt- Stromsensoren und insbesondere einen verbesserten Sensor, der mehrere in Reihe geschaltete Feldsensoren (separate Erkennungsfasern) verwendet.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Für Magnetfelder empfindliche optische Fasern sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden in zunehmendem Maße als optische Stromwandler (OTC) beispielsweise für elektrische Geräte verwendet. Ein typischer OTC verwendet eine monomodale Faser, die als eine den elektrischen Leiter umgebende Spule ausgebildet ist. Die Polarisierung jeglichen Lichts, das die Faserspule durchläuft, wird in Reaktion auf eine Veränderung des in dem Leiter fließenden Stroms infolge des magnetooptischen Faraday-Effekts verschoben, die auch als Faraday- Drehung oder der Kundt-Effekt bezeichnet wird. Der Faraday-Effekt bezeichnet die Art und Weise, in der die Polarisierung eines Strahls linear polarisierten Lichts dreht, wenn er Materie in Richtung eines anliegenden Magnetfeldes passiert, und ist das Ergebnis der Faraday-Doppelbrechung. Die Faraday- Doppelbrechung bezeichnet die Differenz der Brechungsindizes von links und rechts gerichtet zirkular polarisiertem Licht, das Materie parallel zu einem anliegenden Magnetfeld passiert. Eine weitere Erörterung von feldempfindlichen optischen Fasern findet sich im US-Patent 5 051 577, das an Minnesota Mining and Manufacturing Co. (3M - Inhaber der vorliegenden Erfindung) übertragen wurde.
Zahlreiche Schriften aus dem Stand der Technik erkennen, daß die Reaktion von OTC aufgrund von Temperaturschwankungen erheblich variieren kann, und zwar in einem inakzeptablen Maß für hochgenaue OTC, die in Umgebungen mit stark schwankenden Temperaturen, beispielsweise -40º bis +80ºC, eingesetzt werden. Der Stand der Technik erkennt, daß Temperatureffekte auf eine Erkennungsspule mit drei unterschiedlichen Phänomenen in Zusammenhang stehen: (i) Veränderungen in der Doppelbrechung der Erkennungsfaser, (ii) Veränderungen der Doppelbrechung durch Belastungen, welche durch das die Erkennungsfaser einkapselnde Material induziert werden, und (iii) Veränderungen der Verdet'schen Konstante des Faserkernmaterials. Zahlreiche Verfahren wurden entwickelt, um den Einfluß dertemperaturveränderungen zu minimieren. Das einfachste Verfahren ist das Kompensieren des Ausgangs basierend auf empirischen Daten, d. h. Verwenden eines Thermometers zum Bestimmen der Temperatur während der eigentlichen Messungen und entsprechendes Einstellen des Ausgangs durch Nachverarbeitungselektronik. Eine kompliziertere Variante dieses Verfahrens ist im US-Patent 5 416 860 offenbart. Das System erfordert nicht nur zusätzliche elektronische Verarbeitung, sondern auch zusätzliche optoelektronische Elemente, die im allgemeinen die Kosten der Einheit erhöhen. Ein anderes kompliziertes Verfahren, das die Verwendung eines Strahlteilers und das Verarbeiten der beiden Polarisationskomponenten beinhaltet, ist im US-Patent 5 382 901 offenbart. Siehe auch die Europäische Patentanmeldung 657 740. Ein anderer Ansatz besteht darin, die Temperaturabhängigkeit durch Minimieren der Doppelbrechung der Erkennungsfaser während der Herstellung zu minimieren, beispielsweise durch Spinnen der Faser und anschließendes Härten in Spulenform, wie das US-Patent 5 463 312 lehrt. Spezielle Materialien für die Erkennungsfaser können ebenfalls zum Minimieren von Fluktuationen aufgrund einer sich ändernden Verdet'schen Konstanten verwendet werden, wie in "Temperature Dependence of the Verdet Constant in Several Diamagnetic Glasses", Journal of Applied Optics, Vol. 30, No. 10, S. 1176-1178 (1. April, 1991) offenbart.
Die Temperaturempfindlichkeit kann ebenfalls durch biege-induzierte Doppelbrechung bewirkt werden. Dies kann beispielsweise auftreten, wenn eine einzelne Erkennungsfaser in zwei oder mehr geraden Abschnitten angeordnet ist, die um den stromführenden Leiter anzuordnen sind, wobei am Ende der geraden Abschnitte Faserschleifen gebildet sind. Der in "Geometrical Separation Between the Birefringence Components in Faraday-Rotation Fiber-Optic Current Sensors", Optics Letters, Vol. 16., Nr. 9, S. 687-687 (1. Mai 1991) beschriebene Sensorkopf minimiert diesen Effekt durch die Auswahl der geeigneten geometrischen Parameter der Schleifen (Radius und Windungszahl), so daß die biegeinduzierte Doppelbrechung ein Vielfaches von 2π ist. Bei dem dargestellten Sensorkopf ist die einzelne Erkennungsfaser zu vier geraden Abschnitten ausgebildet, die im wesentlichen ein Quadrat um den Leiter bilden. Zwar verringert dieser Aufbau die biege-induzierte Doppelbrechung, jedoch weist er weiterhin einen OCT gemeinsamen Nachteil auf, nämlich das Installieren des Sensors an einem "endlosen" Kabel, d. h., einem bestehenden Kabel, das nicht durch den Sensor gefädelt werden kann. Sensorspulen sowie quadratische Sensoren können derart konstruiert werden, daß eine Anbringung an einem endlosen Kabel möglich ist, indem ein ausreichender Abstand zwischen des Spulenschleifen oder den Seiten der quadratischen Erkennungsfaser vorgesehen wird, jedoch vergrößert dies den Sensor und kann dessen Genauigkeit beeinträchtigen.
EP-A-0 452 218 offenbart eine Vorrichtung zum Erkennen von durch einen Leiter fließendem elektrischen Strom mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
EP 0 650 066 beschreibt eine Vorrichtung zum Erkennen von durch einen Leiter fließendem elektrischem Strom. Der Leiter ist von Faraday-Effekt- Erkennungselementen umgeben. Der durch die Erkennungselemente laufende Lichtstrahl wird an den Ecken des von den Erkennungselemnten gebildeten Rechtecks abgelenkt.
Es ist daher erwünscht, einen faseroptischen Stromsensor mit verbesserter Temperaturabhängigkeit zu schaffen, der jedoch einfacher an einem existierenden Kabel installierbar ist. Es wäre ferner vorteilhaft, den Sensor ohne spezielles Material, spezielle optische Komponenten oder speziell bearbeitete Fasern herstellen zu können.

Überblick über die Erfindung

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zum Erkennen von durch einen Leiter fließendem Strom nach Anspruch 1 gelöst.
Die Vorrichtung kann mehr als zwei Erkennungselemente aufweisen, wobei zusätzliche Polarisierungsfasern die Elemente in Reihe verbinden.
Wenn die Erkennungselemente im wesentlichen gerade Faserabschnitte sind, können sie zur Bildung eines regelmäßigen Polygons angeordnet sein, beispielsweise als gleichseitiges Dreieck bei einem Sensor mit drei Elementen. Die Erkennungsfaserabschnitte können an einem starren Substrat angebracht sein und gespannt gehalten sein. Die Verwendung gerader Erkennungsfasern vermeidet das Glühen der Fasern während der Herstellung, welches ansonsten zur Verringerung der Doppelbrechungseffekte erforderlich sein kann. Die Stellen der Spleißungen zwischen den Erkennungsfasern und den Polarisierungsfasern können ferner vorteilhafterweise derart angeordnet sein, daß die Erkennungsfasern einen im wesentlichen geschlossenen Pfad bilden, der um den stromführenden Leiter gelegt werden kann.
Die Linearität der Sensorreaktion kann durch Auswählen eines geeigneten Werts des Vorspannungswinkels jedes Erkennungselements verbessert werden. Dieser durch den relativen Winkel zwischen langsamen Achsen zweier mit einer gegebenen Erkennungsfaser verbundener Polarisierungsfasern definierte Wert ist im Idealfall gleich arctan[1 )], wobei n die Anzahl der Erkennungselemente angibt. Die vorliegende Erfindung kann ferner zur Verwendung als Differentialstromsensor ausgebildet werden, bei dem jedes Erkennungselement in einer separaten Packung untergebracht ist, wodurch die Elemente um verschiedene Leiter an einer Y-Verzweigung oder an verschiedenen Stellen auf dem selben Leiter angeordnet werden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung erschließt sich am besten unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche zeigen:
Fig. 1 - eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Stromsensor unter Verwendung in Reihe geschalteter Feldsensoren;
Fig. 2 - eine Kurve zur Darstellung der Reaktion des erfindungsgemäßen Stromsensors im Vergleich zu herkömmlichen Stromsensoren;
Fig. 3 - eine schematische Darstellung eines Differentialstromsensors, und
Fig. 4 - eine Kurve zur Darstellung der Reaktion des Differentialstromsensors von Fig. 3.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Die Figuren, und insbesondere die Fig. 1, zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen faseroptischen Stromsensors 10. Der Stromsensor 10 besteht im allgemeinen aus drei in Reihe geschalteten Feldsensoren 12, 14 und 16, die einem stromführenden Sensor 18 benachbart angeordnet sind, sowie aus mehreren sich anschließenden Fasern 20, 22, 24 und 26. Jeder Feldsensor ist im wesentlichen ein separates Teil einer Faraday-Erkennungsfaser, so daß der erste Feldsensor 12 eine erste Erkennungsfaser 28, der zweite Feldsensor 14 eine Erkennungsfaser 30 und der dritte Feldsensor 16 eine dritte Erkennungsfaser 32 aufweist. Die Faser 20 ist die Eingangsfaser, welche das konditionierte Lichtsignal der Lichtquelle 34 (beispielsweise eine LED, eine Laserdiode oder eine Superlumineszenzdiode) zur ersten Erkennungsfaser 28 leitet. Die Faser 22 verbindet die erste Erkennungsfaser 28 mit der zweiten Erkennungsfaser 30, während die Faser 24 die zweite Erkennungsfaser 30 mit der dritten Erkennungsfaser 32 verbindet. Die Faser 26 ist die Ausgangsfaser, welche das feldmodifizierte Lichtsignal zum Detektor 36 leitet (beispielsweise eine Photodiode).
Der Ausdruck "in Reihe geschaltet" bezeichnet die Art, in der die Feldsensoren in Reihe geschaltet sind. In dieser Hinsicht sieht der erfindungsgemäße Stromsensor eine Reihenschaltung einer beliebigen Anzahl von Feldsensoren vor. Das heißt, es müssen wenigstens 2 Feldsensoren vorgesehen sein und es muß ferner wenigstens ein optisches Übertragungsmedium vorgesehen sein, das die Feldsensoren verbindet, wobei das Verbindungsmedium nicht für den Faraday-Effekt empfänglich ist, oder die beiden Feldsensoren können direkt miteinander verbunden werden. Es sind vorzugsweise wenigstens drei Feldsensoren vorhanden, die in der dargestellten Form eines (gleichseitigen) Dreiecks angeordnet sind. Werden mehr als drei Sensoren verwendet, sind sie ebenfalls vorzugsweise in Form eines regelmäßigen Polygons angeordnet. Sämtliche Fasern werden vorzugsweise durch Schmelzspleißen verbunden, obwohl andere Einrichtungen genügen können (beispielsweise mechanisches Spleißen). Die Spleißstellen sind ferner vorzugsweise derart angeordnet, daß sie einen geschlossenen Pfad oder eine geschlossene Schleife um den Leiter 18 bilden, um so daß umgebende Magnetfeld genauer zu messen. Anders ausgedrückt ist die Stelle 38 der Spleißung zwischen der Eingangsfaser 26 und der ersten Erkennungsfaser 28 nahe der Spleißung zwischen der Ausgangsfaser 26 und der dritten Erkennungsfaser 32, oder überlappt diese. Die Stelle 40 der Spleißung zwischen der ersten Erkennungsfaser 28 und der Verbindungsfaser 32 überlappt die Spleißung zwischen der Verbindungsfaser 22 und der zweiten Erkennungsfaser 30, und die Stelle 42 der Spleißung zwischen der zweiten Erkennungsfaser 30 und der Verbindungsfaser 24 überlappt die Spleißung zwischen der Verbindungsfaser 24 und der dritten Erkennungsfaser 32. Die Spleißstellen überlappen vorzugsweise auch bei Varianten mit mehr als drei Feldsensoren. Auf diese Weise kommen die in Reihe geschalteten Feldsensoren einem perfekten Stromsensor nahe, wobei ein Meßfehler so gering ist, daß er bei den meisten Anwendungen vernachlässigt werden kann.
Die fasern können durch beliebige geeignete Mittel gestützt werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Eingangs- und die Ausgangsfasern 20 und 26 sowie die Verbindungsfasern 22 und 24 sind durch Anhaften derselben an Montageblöcken 44 unter Verwendung von Kleber angebracht. Die Blöcke 44 sitzen ihrerseits auf Quarzstangen 46 und können ebenfalls durch Kleben daran befestigt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist jede der Erkennungsfasern (Feldsensoren) ein im wesentlichen gerader Faserabschnitt, d. h. es können geringe Abweichungen von einer perfekten Linie auftreten, jedoch sollen die Fasern nicht gebogen sein. Dies vermeidet die nachteiligen Auswirkungen biege-induzierter Doppelbrechung und vermeidet die Notwendigkeit des Glühens der Erkennungsfasern. Gerade Abschnitte können ferner leichter steif gehalten werden (indem sie gespannt werden), wodurch sie ferner weniger empfindlich für Temperaturveränderungen sind. Dennoch können die Erkennungsfasern alternativ gebogen sein, um einem Kreis um den Leiter näher zu kommen, jedoch sind sie in diesem Fall vorzugsweise geglüht, um die Doppelbrechungseffekte zu verringern.
Durch Vorsehen separater Abschnitte von Erkennungsfasern, die miteinander verbunden sind, ist die Installation vereinfacht. Dieser Aufbau verleiht dem Stromsensor 10 Flexibilität, da seine Komponenten sich beispielsweise während der Installation relativ zueinander bewegen können, wodurch der Sensor um ein existierendes (Endlos-) Kabel gelegt werden kann, ohne das Kabel zu zerschneiden. Das Vorsehen mehrerer Feldsensoren kann ferner die Temperaturabhängigkeit verringern, da der scheinbare Drehwinkel (der Hauptgrund für die Temperaturempfindlichkeit bei dieser Art von Sensoren) dem rms-Durchschnitt sämtlicher Erkennungselemente folgen sollte, wodurch der Sensor mit steigender Anzahl an Feldsensoren inhärent stabiler gegenüber Temperaturen wird.
Indem der Sensor derart ausgebildet wird, daß die magnetooptische Drehung in sämtlichen Erkennungselementen gleich ist und der Vorspannungswinkel gleich arctan[1/ ] ist, wobei n die Anzahl der Erkennungselemente angibt, ist die Reaktion des Sensors auf den Strom linearer als bei herkömmlichen magnetooptischen Stromsensoren ("Vorspannungswinkel" bezeichnet den Polarisationswinkel zwischen den Fasern an den Enden einer Erkennungsfaser, d. h. den relativen Winkel zwischen den langsamen Achsen der Polarisierungsfasern; "magnetooptische Drehung" bezeichnet die durch den Zielstrom induzierte Veränderung des Polarisationswinkels). Dieser Wert des Winkels wird durch Maximieren der Linearität der Modulationstransferfunktion abgeleitet. Im falle von n = 3 (Fig. 1) beträgt der ptimale Winkel zwischen Polarisierern arctan(1/ 5) = 24,1º. Die Empfindlichkeit des Sensors liegt in diesem Fall bei 1/ und der Sensorverlust nähert sich 1/ e an, während n größer wird; die Empfindlichkeit bezieht sich hier auf einen standardgemäßen einschleifigen faseroptischen Stromsensor. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die Reaktion des Sensors über einen erweiterten Strombereich linearer als bei einem einschleifigen faseroptischen Stromsensor; die Linie A gibt den tatsächlichen Strom wieder, die Linie B zeigt die Reaktion eines herkömmlichen Sensors und die Linie C gibt die Reaktion des Stromsensors 0 wieder, wobei n = 3. Versuche haben ferner gezeigt, daß die Temperaturreaktion des Sensors nach Fig. 1 im wesentlichen nur durch die Temperaturabhängigkeit der Verdet'schen Konstanten des Fasermaterials begrenzt ist, d. h. eine nahezu perfekte theoretische Leistung vorliegt; dies ist das erste Auftreten einer derartigen Leistung in einem nicht geglühten Einzeldetektor-Stromsensor. Die Verdet-Temperaturabhängigkeit kann ferner durch Anbringen der Fasern unter vorbestimmten bevorzugten Vorspannungswinkeln erfolgen, wie in der US-Patentanmeldung 08/539 059 beschrieben.
Die Sensorreaktion kann variieren, wenn der Leiter nicht in der Mitte der Sensoren angeordnet ist (d. h. bei Fig. 1, in der Mitte des durch die Erkennungsfasern gebildeten gleichseitigen Dreiecks), jedoch ist jede Abweichung in der Linearität der Reaktion vernachlässigbar, vorausgesetzt, daß die Abweichung der Leiterstelle von der Mitte nicht mehr als 10% des vom Polygon umschriebenen Kreises beträgt, so daß das Zentrieren des Leiters keine kritische Aufgabe sein sollte. Die Effekte der externen Magnetfelder auf den Sensor sollten in gleicher Weise vernachlässigbar sein, vorausgesetzt, daß die Quelle der Felder in bezug auf die Sensorgröße weit von dem Sensor entfernt liegt.
Die bevorzugten Arten von Fasern, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind von 3M Specialty Optical Fibers, West Haven, Connecticut, erhältlich. PM-Fasern sind unter der Teilenummer FS-PM-4611/2000SA (Betriebswellenlänge 820 nm) und PZ-Fasern sind unter der Teilenummer PS-PZ-4611/200SA (Betriebswellenlänge 850 nm) erhältlich. Die zur Spule 30 geglühte Faser ist FS-SM-4611 (Betriebswellenlänge 850 nm). Diese kann ebenfalls für die monomodale Faser von der Lichtquelle verwendet werden. Die Blöcke 38 und 40 sind vorzugsweise Quarzplatten, die aus Mikroskopträgern bestehen und zu Teilen von 1,8" · ¹/&sub2;" · 1 mm geschnitten sind. Das Aluminiumsilikatsubstrat wurde von AC Technologies, Yonkers, New York unter der TeilenummerACMA-1100 hergestellt. Ein geeigneter Kleber42 für das haftende Anbringen der Fasern ist das UV-gehärtete Epoxid NOA #72 der Norland Products, New Brunswick, New Jersey. Ein geeigneter Kleber zum haftenden Anbringen der Blöcke 38 und 40 an der Platte 36 ist von Electronic Materials, Danbury CT, unter der Teilenummer XP1060-930-45-1A erhältlich. Eine optische Laserdiodenpackung für die Lichtquelle 22 ist von Point Source, Ltd., Winchester, Großbritannien, unter der Teilenummer LDS-Pz-3-K-780-0 5-TE erhältlich. Die alternative Superlumineszenzdiode in der Packung von Point Source Ltd. wurde von EG&G Optoelectronics, Vaudreuil, Kanada, hergestellt. Der bevorzugte Detektor 34 ist der Si-Photodetektor mit der Modellnummer 260 der Graseby Optronics, Orlando, Florida.
Das Konzept der in Reihe geschalteten Feldsensoren kann ferner auf einen Differentialstromsensor angewandt werden, wie in Fig. 3 dargestellt. Der Differentialstromsensor besteht im allgemeinen aus einer Lichtquelle 52, einem ersten Feldsensor 54, einer Eingangsfaser 56, die das konditionierte Lichtsignal von der Lichtquelle 52 zum ersten Feldsensor 54 leitet, einem zweiten Feldsensor 58, einer Verbindungsfaser 60, die den ersten Feldsensor 54 mit dem zweiten Feldsensor 58 verbindet, einem Detektor 62 und einer Ausgangsfaser 64, die das feldmodifizierte Lichtsignal zum Detektor 62 leitet. Der Detektor 62 ist üblicherweise mit Signalverarbeitungselektronik verbunden oder darin integriert. Der Differentialstromsensor 50 mißt Strom indem er die beiden Feldsensoren entlang verschiedener Stellen einer Y-Leiterverzweigung mit einer Eingangsleitung 66 und zwei Ausgangsleitungen 68 und 70 plaziert. An den in Fig. 3 dargestellten Positionen ist der erste Feldsensor 54 um einen Bereich der ersten Ausgangsleitung 68 angeordnet, und der zweite Feldsensor 58 ist um einen Bereich der Eingangsleitung 66 angeordnet. Die serielle Verbindung zwischen den Feldsensoren 54 und 58 resultiert in einem Ausgang der proportional zur Differenz zwischen den beiden Strömen ist, die zwischen den beiden Sensoren fließen.
Der Differentialstromsensor kann ferner an einem einzelnen Leiter an verschiedenen Stellen angebracht werden, um die Kontinuität des Stroms zu messen. Bei langen Strecken zwischen Sensoren wäre es ferner vorteilhaft, zur Verbindung der beiden eine standardmäßige Monomodalfaser zu verwenden. In diesem Fall erfordert der Sensor einen Depolarisator an beliebiger Stelle zwischen den beiden Erkennungsfasern. Die Sensoren müssen kalibriert sein und ihre Empfindlichkeiten müssen gut beschrieben sein, um eine korrekte Differentialmessung zu ermöglichen. Die meisten Anwendungen für diese Architektur suchen vermutlich nach relativ großen Unterschieden zwischen den Strömen (beispielsweise einen Kurzschluß an einer Stelle zwischen den beiden Sensoren auf der selben Leitung).
Die Feldsensoren 54 und 58 können herkömmliche Erkennungsspulen oder Sensoren wie der Sensor 190 sein, die mehrere Erkennungsfasern enthalten, die in einer einzelnen Packung enthalten sind. Die verbleibenden Komponenten sind den zuvor beschriebenen ähnlich. Anders als bekannte Differentialsensoren verwendet der Differentialstromsensor 50 nur eine einzelne Lichtquelle und einen einzelnen Detektor. Diese Konfiguration vereinfacht die Verwendung, erhöht die Zuverlässigkeit und verringert die Kosten im Vergleich mit bekannten Differentialsensoren, und vermeidet Störungen der verbindungsfasern, die möglicherweise den Polarisierungszustand der sich ausbreitenden Lichtwelle stören könnten. Fig. 4 zeigt, wie der Differentialstromsensor 50 arbeitet. Das Zusammenwirken des ersten Bereichs des Leiters mit dem ersten Erkennungselement bewirkt eine Modifizierung der aus dem ersten Erkennungselement austretenden Lichtwelle. Das zweite Erkennungselement, das am zweiten Bereich des Leiters angeordnet ist, modifiziert diese Lichtwelle ein zweites Mal. Wenn die Interaktionen im Betrag identisch sind, jedoch gegensätzliche Vorzeichen haben (identischer Strom fließt durch beide Sensoren), ist das Endergebnis eine Null-Modifizierung der Lichtwelle. Wenn die Ströme in den beiden Bereichen des Leiters verschieden sind, ist die Netto-Modifizierung der Lichtwelle von Null verschieden. Dies zeigt sich als ein von Null verschiedenes Ausgangssignal.
Zwar wurde die Erfindung in Zusammenhang mit spezifischen Ausführungsbeispielen beschrieben, jedoch ist diese Beschreibung nicht einschränkend zu verstehen. Zahlreiche Modifizierungen des offenbarten Ausführungsbeispiels sowie alternative Ausführungsbeispiele der Erfindung sind dem Fachmann bei Bezugnahme auf die Beschreibung der Erfindung ersichtlich. Es wird daher darauf hingewiesen, daß derartige Modifizierungen ohne Abweichung vom durch die beigefügten Ansprüche definierten Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können.

Claims

1. Vorrichtung zum Erfassen von durch einen Leiter (18) fließendem elektrischem Strom, wobei die Vorrichtung aufweist:

- eine Lichtquelle (34),

- ein erstes Faraday-Effekt-Erfassungselement (12) mit einem Eingang und einem Ausgang,

- eine erste Einrichtung (20) zum Verbinden der Lichtquelle (34) mit dem Eingang des ersten Erfassungselements (12),

- ein zweites Faraday-Effekt-Erfassungselement (16) mit einem Eingang und einem Ausgang,

- eine zweite Einrichtung (24) zum Verbinden des ersten Erfassungselements (12) mit dem Eingang des zweiten Erfassungselements (16),

- einen optischen Detektor (36), und

- eine dritte Einrichtung (26) zum Verbinden des zweiten Erfassungselements (16) mit dem optischen Detektor (36),

dadurch gekennzeichnet, daß

- das erste Erfassungselement (12) eine erste Erfassungsfaser (28) mit einem ersten und einem zweiten Ende aufweist, wobei das erste Ende mit der Lichtquelle (34) verbunden ist,

- die zweite Erfassungseinrichtung (24) eine Polarisationsfaser mit einem ersten und einem zweiten Ende aufweist, wobei das erste Ende durch Spleißen mit dem zweiten Ende der ersten Erfassungsfaser (28) verbunden ist; und

- das zweite Erfassungselement (16) eine zweite Erfassungsfaser (32) mit einem ersten und einem zweiten Ende aufweist, wobei das erste Ende der zweiten Erfassungsfaser (32) durch Spleißen mit dem zweiten Ende der Polarisationsfaser verbunden ist, und das zweite Ende der zweiten Erfassungsfaser (32) mit dem Detektor (36) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit:

- einem oder mehreren zusätzlichen Faraday-Effekt-Erfassungselementen (14), und

- einer Einrichtung (22) zum Verbinden der zusätzlichen Erfassungselemente (14) in Reihe zwischen dem ersten und dem zweiten Erfassungselement (12, 16), wobei jedes der ersten, zweiten und zusätzlichen Erfassungselemente im wesentlichen gerade Faserabschnitte (28, 30, 32) aufweist, die zu einem regelmäßigen Polygon angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das erste Erfassungselement (12) an einer ersten Packung angebracht ist, die einen ersten Bereich eines Leiters (18) umgibt, und das zweite Erfassungselement (16) an einer zweiten Packung angebracht ist, die einen zweiten Bereich des Leiters (18) umgibt, derart daß die Vorrichtung als Differenzspannungssensor verwendet werden kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit wenigstens einem zusätzlichen Faraday-Effekt-Erfassungselement (14), für eine Gesamtzahl von n Erfassungselementen (12, 14, 16), und einer zusätzlichen Einrichtung (22) zum Verbinden der zusätzlichen Erfassungselemente (14) in Reihe zwischen dem ersten und dem zweiten Erfassungselement (12, 16), wobei:

- jedes erste, zweite und zusätzliche Erfassungselement (12, 14, 16) eine Erfassungsfaser (28, 30, 32) aufweist,

- jede erste, zweite, dritte und zusätzliche Verbindungseinrichtung (20, 22, 24, 26) eine Polarisationsfaser aufweist; und

- eine bestimmte der Erfassungsfasern (28, 30, 32) einen Vorspannungswinkel hat, der durch den relativen Winkel zwischen langsamen Achsen benachbarter Polarisationsfasern definiert ist, wobei der Vorspannungswinkel ungefähr gleich arctan[1/ ] ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einem oder mehreren zusätzlichen Faraday-Effekt-Erfassungselementen (14) und zusätzlichen Einrichtungen (22) zum Verbinden der zusätzlichen Erfassungselemente (14) in Reihe zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungselement (12, 16), wobei:

- jede erste, zweite, dritte und zusätzliche Verbindungseinrichtung (20, 22, 24, 26) eine Polarisationsfaser aufweist;

- jedes erste, zweite und zusätzliche Erfassungselement (12, 14, 16) eine Erfassungsfaser (28, 30, 32) aufweist, die an wenigstens eine der Polarisationsfasern an verschiedenen Spleißstellen angebracht ist, und

- die Spleißstellen derart angeordnet sind, daß die Erfassungsfasern einen im wesentlichen geschlossenen Pfad bilden, der um den Leiter (18) angeordnet werden kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste und die zweite Erfassungsfaser (28, 32) beide im wesentlichen gerade Faserabschnitte sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste und die zweite Erfassungsfaser (28, 32) beide nicht geglüht sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Erfassungsfasern (28, 32) mit der Polarisationsfaser durch Schmelzspleißen verbunden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der:

- jeder Faserabschnitt an wenigstens eine der Polarisationsfasern an verschiedenen Spleißstellen (38, 40, 42) angebracht ist, und

- die Spleißstellen (38, 40, 42) derart angeordnet sind, daß die Faserabschnitte einen im wesentlichen geschlossenen Pfad bilden, der um den Leiter (18) angeordnet werden kann.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der drei und nur drei Faserabschnitte vorgesehen sind, und

- die drei Faserabschnitte zur Bildung eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der:

- eine Anzahl n von Faraday-Effekt-Erfassungselementen (12, 14, 16) vorgesehen ist, von denen jedes einen Faserabschnitt aufweist, und

- ein gegebener Faserabschnitt einen Vorspannungswinkel aufweist, der durch den relativen Winkel zwischen langsamen Achsen benachbarter Polarisationsfasern definiert ist, wobei der Vorspannungswinkel ungefähr gleich arctan[1/ ] ist.