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WO1998005975A1 - Verfahren und anordnung zur optischen erfassung einer elektrischen grösse - Google Patents

Verfahren und anordnung zur optischen erfassung einer elektrischen grösse Download PDF

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Publication number
WO1998005975A1
WO1998005975A1 PCT/DE1997/001480 DE9701480W WO9805975A1 WO 1998005975 A1 WO1998005975 A1 WO 1998005975A1 DE 9701480 W DE9701480 W DE 9701480W WO 9805975 A1 WO9805975 A1 WO 9805975A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
measurement signals
optical
optical measurement
sensor
electrical
Prior art date
Application number
PCT/DE1997/001480
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO1998005975A8 (de
Inventor
Ottmar Beierl
Thomas Bosselmann
Michael Willsch
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to EP97934422A priority Critical patent/EP0916095A1/de
Priority to CA002261901A priority patent/CA2261901A1/en
Publication of WO1998005975A1 publication Critical patent/WO1998005975A1/de
Publication of WO1998005975A8 publication Critical patent/WO1998005975A8/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/247—Details of the circuitry or construction of devices covered by G01R15/241 - G01R15/246

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for optically detecting an electrical variable, in particular a current or a voltage.
  • optical measuring arrangements which are based, for example, on the agneto-optical Faraday effect.
  • Linearly polarized measuring light is transmitted through a Faraday element arranged in the vicinity of a current conductor.
  • the magnetic field generated by the current causes the plane of polarization of the measuring light to rotate by an angle of rotation which is proportional to the path integral over the magnetic field along the path covered by the measuring light.
  • the angle of rotation can reach a value of over 90 °, 180 °, 360 °, and even a multiple thereof, so that with a simple determination of the angle of rotation during evaluation, no clear statement about the absolute value of the angle of rotation is possible . For this reason, only changes in the angle of rotation in a clear range, e.g. up to 90 °, approved and evaluated accordingly accordingly.
  • Passing through a Faraday optical fiber surrounding a current conductor is divided by a beam splitter into two partial light signals and each of these light signals is fed to an analyzer.
  • the natural axes of the two analyzers are at an angle of 0 ° or 45 ° to the coupling polar sation of the measuring light aligned. This results in a first, sinusoidal signal at the output of one analyzer and a second, cosine-shaped signal at the output of the other analyzer.
  • German patent application 195 44 778 proposes a method which uses two partial measurements. To measure the electrical measured variable in a predetermined measuring range, a first measuring signal, which is a clear function of the measured variable above the measuring range, and a second measuring signal, which is a periodic and ambiguous function of the measured variable in the predetermined measuring range, are generated. A third measurement signal, which is unambiguous over the measurement range and which has at least the measurement resolution of the second measurement signal, is derived from the two measurement signals. In this way, an absolute value can be determined at least for the unambiguous range of the first measurement signal.
  • the invention has for its object to provide a method and an arrangement for measuring an electrical quantity with optical means, wherein an evaluation of the optical measurement signals beyond 90 ° is possible in a simple manner.
  • the object is achieved according to the invention with a method for optically detecting an electrical variable
  • At least a first and a second optical measurement signal are generated as a function of the electrical variable
  • the two measurement signals serve in the sense of a pair of values to which an absolute value for the electrical quantity is assigned.
  • the new method allows the measurement range to be expanded beyond the uniqueness range (1st quadrant).
  • the electrical quantity is determined at any time without storing the previous history or the previous measured values, since there is no incremental method. It is advantageous if the periodicities of the characteristic curves of the two measurement signals are close to one another.
  • the dependencies of the optical measurement signals should be so different that as the electrical quantity to be measured increases, the phase shift between the measurement signals changes. ben is. If necessary, the measurement signals can also have a linear or non-linear dependency, for example.
  • the two optical measurement signals are generated with measurement light of different frequencies. In this way, only one optical sensor or only one measuring system is required. The dependence of the Faraday effect on the wavelength of light is used. Two sensitivities are thus achieved.
  • the two optical measurement signals can be generated simultaneously or in succession, in particular multiplex. With a simultaneous measurement, the measurement signals can be generated simultaneously and separately. In the case of a multiplex design, fewer components are required.
  • the two optical measurement signals can advantageously be generated in succession by continuous change, in particular by wobble, of the periodicity of the one measurement signal. This results in a continuous transition between the two measurement signals, which in principle allows an infinite number of measurement signals, as a result of which the measurement accuracy and the uniqueness of the measurement become particularly high.
  • the optical measurement signals can be different
  • Light sensors are generated. This enables separate measurement signal generation.
  • the measurement signals can also by means of a common light sensor are generated, which comprises two light paths. This procedure is very simple, and the outlay on components is low.
  • a further measurement signal can be generated whose dependence on the electrical quantity is periodic and which is used to determine the electrical quantity more precisely. In this way there is a further increase in the uniqueness and the accuracy of the measurement signal.
  • a current or a voltage is advantageously suitable as an electrical variable.
  • the problem of the arrangement can be solved with an arrangement for detecting an electrical variable on a conductor with:
  • At least one first optical sensor which generates at least two optical measurement signals, the dependence of the measurement signals on the electrical quantity being periodic, and wherein one period is larger and at most twice as large as the other, and
  • the sensor can have at least two optical measurement paths with different optical properties for generating the optical measurement signals.
  • the two measurement signals can thus be generated easily, with little effort being required for the sensor. It is easy if the two measuring paths are formed by different materials. A small size is targetable. Alternatively, the two measurement paths can have different lengths. Here the material is kept low.
  • the optical sensor can be designed in several parts in accordance with its number of measurement paths. This enables a simple modular structure.
  • the optical property of the sensor can also be switchable or changeable to generate the optical measurement signals.
  • the sensor thus becomes an active element of the arrangement, and any number of optical measurement signals can be generated with only one sensor and its control
  • the sensor can advantageously generate a further measurement signal which, in addition to the pair of values, is used to generate the value for the electrical variable.
  • the measuring accuracy and uniqueness are thus further improved.
  • a light source can be assigned to the sensor, the frequency of which can be changed periodically and continuously, in particular in the sense of Wobbein, in order to generate the two light signals. In principle, a continuous spectrum of measurement signals can thus be generated.
  • FIG. 1 shows an arrangement for the optical detection of an electrical signal and FIG. 2 shows a characteristic curve diagram for two measurement signals.
  • the new method is generally explained using a schematic diagram of an arrangement according to FIG. 1.
  • aim The new method is to enable a unambiguous measurement based on ambiguous measurement signals with polarized sensors.
  • a sensor 3 is arranged on the conductor 1 and operates on an optical basis.
  • the mode of operation can be based, for example, on the Faraday effect or on the Pockels effect. It is important to detect the current I or the voltage U. In the present case, current detection is assumed as an example.
  • the sensor 3 is connected via a light guide 5 to a light source 7, which supplies the sensor 3 with a polarized light.
  • the polarization of the polarized light is changed in the sensor 3 as a function of the electrical quantity I, in particular rotated in its plane of polarization, and then fed to an evaluation device 11 via a second light guide 9. It is of course also possible to use arrangements in which the sensor, polarizer and analyzer form a structural unit.
  • the generated rotation of the polarization plane in the measurement signal is determined in the evaluation device 11.
  • the rotation is a measure of the electrical quantity to be detected.
  • the first sensor 3 delivers a periodic output signal. This means that the measurement signal is no longer unambiguous for electrical variables that cause a phase shift beyond 90 °. Proceed as follows to clearly record the electrical quantity:
  • light source 7 can emit measuring light of different frequencies. This can be done simultaneously, so that the two optical measurement signals can also be detected simultaneously.
  • a multiplex procedure (relating to the light transmitter or evaluation device) is also conceivable.
  • a change in the light frequency after a wobble process can also be favorable.
  • the senor 3 itself is designed to form the two optical measuring signals.
  • it can comprise, for example, two light paths, both of which have different optical properties, to which a common measuring light is supplied.
  • a fiber spool would be conceivable, which has a tap, so that there are two outputs. In this way, light paths of different lengths were formed.
  • two completely separate light paths are also possible, which are formed by the same materials of different dimensions or by different materials.
  • the sensitivity of the sensor can be set with the number of turns of the fiber spool.
  • FIG. 1 shows a further variant in a broken line representation of a control device 13, which enables the first sensor 3 to be controlled or switched over via an action line 15.
  • This version would offer itself for a multiplex measurement value acquisition, in which the optical properties of the sensor 3 are continuously switched over or continuously reversed, so that different measurement signals are generated alternately.
  • the evaluation device 11 must be synchronized with the control device 13 for this purpose.
  • switchability or continuous reversal of the light source 7 is also possible.
  • the measurement signal here can be understood to be the optical measurement signals or electrical measurement signals already derived therefrom, which are usually used for electronic, in particular digital measurement value processing.
  • the characteristic curves Ml and M2 represent amplitude curves corresponding to the change in the angle of rotation as a function of the electrical variable to be measured. It can be seen that both characteristic curves Ml and M2 are periodic between a minimum and a maximum value Min or Max, and have a slightly different period.
  • the characteristic curves shown represent the characteristic diagrams for the acquisition of the two optical measured values.
  • a unique value can be determined using two
  • the value of the electrical quantity can be e.g. determine according to the following relationship:
  • PI and P2 mean the values of the measured signals determined in the sense of a pair of values and K a predeterminable factor.
  • a further possibility for determining the absolute value of the electrical quantity would be possible by comparing the determined measured values with stored value pairs.
  • the measured values can be used as a table address to find the corresponding value of the electrical quantity.
  • a comparison of the polarities of the respective amplitude values and the difference in the amplitudes could be used to determine the electrical magnitude.
  • the absolute value of the electrical quantity can also be determined in a direct manner, namely by calculation from the two existing measured values using general mathematical methods with appropriate algorithms.
  • a clear measurement generation or acquisition using a controllable sensor may also be conceivable, which modulates the measurement light by suitable methods and can thus generate further measurement information, e.g. the temperature, if necessary.
  • a preferred application of the measuring method and the arrangement is given in the optical current and voltage measurement, in particular for high or medium voltage. As a result, measurement size detection for a large measurement range can be achieved with only one sensor.

Landscapes

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Abstract

Bei der optischen Erfassung einer elektrischen Größe (I) besteht eine periodische Abhängigkeit des optischen Meßsignals von der zu messenden elektrischen Größe (I). Um ein eindeutiges Meßsignal zu erhalten, ist vorgesehen, daß zwei optische, periodisch abhängige Meßsignale verwendet werden. Die dabei ermittelten Meßwerte dienen im Sinne eines Wertepaares für eine eindeutige Zuordnung eines absoluten Wertes der elektrischen Größe (I).

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zur optischen Erfassung einer elektrischen Größe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur optischen Erfassung einer elektrischen Größe, insbesondere einen Strom oder eine Spannung.
Zur Erfassung von Strom und Spannung bei elektrischen Anlagen sind optische Meßanordnungen bekannt, die beispielsweise auf dem agneto-optischen Faraday-Effekt beruhen. Dabei wird linear polarisiertes Meßlicht durch ein in der Nähe eines Stromleiters angeordnetes Faraday-Element gesendet. Das von dem Strom erzeugte Magnetfeld bewirkt eine Drehung der Polarisationsebene des Meßlichts um einen Drehwinkel, der proportional zum Wegintegral über das Magnetfeld entlang des vom Meßlicht zurückgelegten Weges ist.
Bei einer kontinuierlichen Erhöhung des zu messenden Stromes kann der Drehwinkel einen Wert über 90°, 180° ,360°, und sogar ein Vielfaches hiervon erreichen, so daß bei einer einfachen Drehwinkelbestimmung bei der Auswertung keine klare Aussage über den absoluten Wert des Drehwinkels möglich ist. Daher wurden bisher in der Praxis meist nur Drehwinkeländerungen in einem eindeutigen Bereich, z.B. bis 90°, zugelassen und diese entsprechend empfindlich ausgewertet.
Aus der EP 0 208 593 Bl ist ein magneto-optischer Stro wand- 1er bekannt, bei dem linear polarisiertes Meßlicht nach
Durchlaufen einer einen Stromleiter umgebenden Faraday-Licht- leiterfaser von einem Strahlteiler in zwei Lichtteilsignale aufgeteilt wird und jedes dieser Lichtsignale einem Analysa- tor zugeführt wird. Die Eigenachsen der beiden Analysatoren sind unter einem Winkel von 0° bzw. 45° zur Einkoppelpolari- sation des Meßlichts ausgerichtet. Dadurch erhalt man am Ausgang eines Analysators ein erstes, sinusförmiges Signal und am Ausgang des anderen Analysators ein zweites, cosinusformi- ges Signal .
Diese beiden Signale sind jeweils mehrdeutige, oszillierende Funktionen des Stromes im Stromleiter, die um einen Winkel von 90° gegeneinander phasenverschoben sind. Aus diesen beiden mehrdeutigen Signalen wird nun ein eindeutiges Meßsignal zusammengesetzt durch Vergleich der Vorzeichen und der Betrage der Meßwertes des ersten sinusförmigen Signals und des zweiten cosinusformigen Signals. Sobald die Betrage von Sinus und Cosinus gleich sind, d.h. bei einem ganzzahligen Vielfachen von 45°, wird in Abhängigkeit von den Vorzeichen von Si- nus und Cosinus von einem eindeutigen Zweig des ersten sinusförmigen Signals in einen eindeutigen Zweig des zweiten cosi- nusformigen Signals umgeschaltet oder umgekehrt . Dieses Verfahren ist ein inkrementales Verfahren, so daß der Arbeitspunkt bei Strom Null, bei einem Ausfall der Elektronik eines Stromwandlers erst wieder neu eingestellt werden muß. Siehe hierzu auch DE 43 34 469 AI oder DE 43 42 410 AI.
In der deutschen Patentanmeldung 195 44 778 ist ein Verfahren vorgeschlagen, das sich zweier Teilmessungen bedient. Zum Messen der elektrischen Meßgröße in einem vorgegebenen Meßbereich werden ein erstes Meßsignal, das über dem Meßbereich eine eindeutige Funktion der Meßgroße ist, und ein zweites Meßsignal, das im vorgegebene Meßbereich eine periodische und nicht eindeutige Funktion der Meßgroße ist, erzeugt. Aus den beiden Meßsignalen wird ein über dem Meßbereich eindeutiges drittes Meßsignal abgeleitet, das wenigstens die Meßauflosung des zweiten Meßsignals aufweist. Auf diese Weise kann zumindest für den eindeutigen Bereich des ersten Meßsignals e n absoluter Wert bestimmt werden. Allgemein wird noch auf den Stand der Technik gemäß US 4,529,875, DE 40 13 125 AI und
EP 0 290 780 verwiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung einer elektrischen Größe mit optischen Mitteln anzugeben, wobei eine Auswertung der optischen Meßsignale über 90° hinaus auf einfache Art und Weise möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelost mit einem Verfahren zur optischen Erfassung einer elektrischen Größe,
- wobei mindestens ein erstes und ein zweites optisches Meß- signal in Abhängigkeit von der elektrischen Größe erzeugt werden,
- wobei die Abhängigkeit der beiden optischen Meßsignale von der elektrischen Größe periodisch s , und die eine Periode größer und maximal doppelt so groß wie die andere ist,
- wobei die beiden Meßsignale im Sinne eines Wertepaares dienen, denen ein absoluter Wert für die elektrische Größe zugeordnet wird.
Gegenüber dem Stand der Technik erfolgt mit dem neuen Verfahren eine beliebige Erweiterung des Meßbereichs über den Eindeutigkeitsbereich (1. Quadranten) hinaus. Die Bestimmung der elektrischen Größe erfolgt dabei zu jeder Zeit ohne eine Speicherung der Vorgeschichte oder der vorherigen Meßwerte, da kein inkrementales Verfahren vorliegt. Dabei ist es günstig, wenn die Periodizitäten der Kennlinien der beiden Meßsignale nahe beieinander liegen. Dabei sollten die Abhängigkeiten der optischen Meßsignale derart unterschiedlich sein, daß bei Zunahme der zu messenden elektrischen Größe eine Än- derung der Phasenverschiebung zwischen den Meßsignalen gege- ben ist. Gegebenenfalls können die Meßsignale z.B. auch eine lineare bzw. nichtlineare Abhängigkeit aufweisen.
Es ist günstig, wenn von den optischen Meßsignalen elektri- sehe Meßsignale abgeleitet werden, die als Wertepaar dienen. Auf diese weise ist einen einfache digitale Meßwertbearbeitung möglich. Zusatzlich sind dann Storeinflusse auf das optische Signal, z.B. Vibrationen und Temperatur, verhindert. Eine Vorverarbeitung zu elektrischen Signalen mit verεchiede- nen Algorithmen kann mit Vorteil zu einer „Intensitatεnor- mierung" fuhren, wodurch eine Kompensation der Storeffekte möglich ist.
Es ist zweckmäßig, wenn die beiden optischen Meßsignale mit Meßlicht unterschiedlicher Frequenz erzeugt werden. Auf diese Weise ist nur ein optischer Sensor oder nur ein Meßsystem erforderlich. Dabei wird die Abhängigkeit des Faraday-Ef fekts von der Wellenlange des Lichts genutzt . Es werden also dadurch zwei Empfindlichkeiten erzielt .
Die beiden optischen Meßsignale können dabei gleichzeitig oder nacheinander, insbesondere multiplex, erzeugt werden. Bei einer gleichzeitigen Messung sind die Meßsignale zeitgleich und getrennt erzeugbar. Bei einer multiplexen Ausfuh- rung werden weniger Komponenten benotigt.
Mit Vorteil können die beiden optischen Meßsignale nacheinander durch kontinuierliche Veränderung, insbesondere durch Wobbein, der Periodizitat des einen Meßsignals erzeugt wer- den. Dadurch ist ein kontinuierlicher Übergang zwischen beiden Meßsignalen gegeben, der im Prinzip eine unendliche Vielzahl von Meßsignalen zulaßt, wodurch die Meßgenauigkeit und die Eindeutigkeit der Messung besonders hoch werden.
Die optischen Meßsignale können mittels unterschiedlicher
Lichtsensoren erzeugt werden. Dadurch ist eine getrennte Meßsignalerzeugung möglich. Die Meßsignale können auch mittels eines gemeinsamen Lichtsensors erzeugt werden, welcher zwei Lichtstrecken umfaßt. Diese Verfahrensweise ist sehr einfach, wobei der Bauteileaufwand gering ist.
Zusätzlich kann ein weiteres Meßsignal erzeugt werden, dessen Abhängigkeit von der elektrischen Große periodisch ist und welches zur genaueren Ermittlung der elektrischen Große dient. Auf diese Weise ist eine nochmalige Steigerung der Eindeutigkeit und der Genauigkeit des Meßsignals gegeben. Als elektrische Große eignet sich mit Vorteil ein Strom oder eine Spannung .
Die Losung der Aufgabe bezüglich der Anordnung gelingt erfin- dungsgemaß mit einer Anordnung zur Erfassung einer elektri- sehen Große an einem Leiter mit:
- zumindest einem ersten optischen Sensor, der zumindest zwei optische Meßsignale erzeugt, wobei die Abhängigkeit der Meßsignale von der elektrischen Große periodisch ist, und wobei die eine Periode großer und maximal doppelt so groß wie die andere ist, und
- einer mit dem Sensor verbundenen Auswerteeinrichtung, die für den als Wertepaar dienenden beiden optischen Meßsignalen einen zugeordneten absoluten Wert für die elektrische Große erzeugt . Diese Anordnung ist besonders einfach im Aufbau und laßt eine erhebliche Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs bei der Messung zu. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben. Die bereits obengenannten Vorteile für das Verfahren gelten für die Anordnung sinnge- maß .
Der Sensor kann zumindest zwei optische Meßpfade unterschiedlicher optischer Eigenschaft zur Erzeugung der optischen Meßsignale aufweisen. Die beiden Meßsignale sind dadurch einfach erzeugbar, wobei wenig Aufwand beim Sensor notig ist. Es ist einfach, wenn die beiden Meßpfade durch unterschiedliche Werkstoffe gebildet sind. Dabei ist eine kleine Baugroße er- zielbar. Alternativ können die beiden Meßpfade eine unterschiedliche Lange haben. Hier ist der Werkstoffauf and gering gehalten .
Der optische Sensor kann entsprechend seiner Anzahl von Meßpfaden mehrteilig ausgeführt sein. Damit ist ein einfacher modularer Aufbau möglich.
Der Sensor kann zur Erzeugung der optischen Meßsignale in seiner optischen Eigenschaft auch umschalt- oder veränderbar sein. Damit wird der Sensor zu einem aktiven Element der Anordnung, wobei mit nur einem Sensor und seiner Ansteuerung eine beliebige Anzahl von optischen Meßsignalen erzeugbar
Mit Vorteil kann der Sensor ein weiteres Meßsignal erzeugen, welches in Ergänzung des Wertepaares zur Erzeugung des Wertes für die elektrische Größe dient. Damit ist die Meßgenauigkeit und die Eindeutigkeit nochmals verbessert .
Dem Sensor kann eine Lichtquelle zugeordnet sein, welche zur Erzeugung der beiden Lichtsignale in ihrer Frequenz periodisch stetig, insbesondere im Sinne von Wobbein veränderbar, ist. Damit ist im Prinzip ein kontinuierliches Spektrum an Meßsignalen erzeugbar.
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung, weitere Details und Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung naher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine Anordnung zur optischen Erfassung eines elektrischen Signals und FIG 2 ein Kennliniendiagra für zwei Meßsignale.
Zunächst wird allgemein das neue Verfahren anhand einer Prinzipdarstellung einer Anordnung gemäß FIG 1 erläutert. Ziel des neuen Verfahrens ist es, mit polaπmetrischen Sensoren eine eindeutige Messung ausgehend von nicht eindeutigen Meßsignalen zu ermöglichen.
FIG 1 zeigt einen Leiter 1, der einen Strom I mit einer Spannung U führt. An dem Leiter 1 ist ein Sensor 3 angeordnet, der auf optischer Basis arbeitet. Die Arbeitsweise kann beispielsweise auf dem Faraday-Effekt oder auf dem Pockels-Ef- fekt basieren. Es gilt dabei, den Strom I oder die Spannung U zu erfassen. Vorliegend wird beispielhaft von einer Stromerfassung ausgegangen.
Der Sensor 3 ist über einen Lichtleitei 5 mit einer Lichtquelle 7 verbunden, die dem Sensor 3 ein polarisiertes Licht zugeführt. Das polarisierte Licht wird im Sensor 3 in Abhängigkeit von der elektrischen Große I in seiner Polarisation verändert, insbesondere in seiner Polarisationsebene gedreht, und dann über einen zweiten Lichtleiter 9 einer Auswerteein- richtung 11 zugeführt. Selbstverständlich ist auch der Ein- satz von Anordnungen möglich, bei denen Sensor, Polarisator und Analysator eine Baueinheit bilden.
In der Auswerteeinrichtung 11 wird die erzeugte Drehung der Polarisationsebene beim Meßsignal ermittelt. Die Drehung ist dabei ein Maß für die zu erfassende elektrische Größe.
Vorliegend liefert der erste Sensor 3 ein periodisches Aus- gangssignal. D.h., daß bei elektrischen Großen, die eine Phasendrehung über 90° hinaus bewirken, das Meßsignal nicht mehr eindeutig ist. Zur eindeutigen Erfassung der elektrischen Große wird folgendermaßen verfahren:
Es werden zunächst zwei optische Meßsignale erzeugt. Die Abhängigkeit der beiden optischen Meßsignale von der elektri- sehen Große, nämlich dem Strom I, ist jeweils periodisch, wo- bei jedoch die eine Periode größer, jedoch maximal doppelt so groß wie die andere ist. Damit ist eine nur geringe unterschiedliche Empfindlichkeit bei der zweifachen Meßwerterfassung der elektrischen Größe gegeben.
Nach dem aktuellen Wert der elektrischen Größe ergeben sich für die beiden optischen Meßsignale durch die unterschiedlichen Empfindlichkeiten bei der Erfassung unterschiedliche Amplitudenwerte, die jeweils für sich gesehen nicht eindeutig sind. Durch eine nachfolgende Bearbeitung oder Bewertung dieser beiden Werte kann auf Basis mathematischer Überlegungen oder mit Hilfe von Tabellenvergleichen oder -Zuordnungen der absolute Werte der elektrischen Größe ermittelt werden. Die Empfindlichkeiten oder Abhängigkeiten der beiden Meßsignale sind derart, daß bei einer Änderung der zu messenden elektrischen Größe eine Änderung der Phasenverschiebung zwischen den Meßsignalen gegeben ist.
Zur Erzeugung der beiden optischen Meßsignale stehen ver- schiedene Methoden zur Verfügung. Beispielsweise kann hierzu von der Lichtquelle 7 Meßlicht unterschiedlicher Frequenz abgegeben werden. Dies kann gleichzeitig erfolgen, so daß auch die beiden optischen Meßsignale gleichzeitig erfaßt werden können. Alternativ ist auch eine multiplexe Verfahrensweise (lichtsenderseitig oder auswerteeinrichtungsseitig bezogen) denkbar. Dabei kann auch einen Veränderung der Licht frequenz nach einem Wobbeiverfahren günstig sein.
Ausgehend von einem Meßlicht nur einer Frequenz, das dem Sen- sor 3 zugeführt wird, ist es auch denkbar, daß der Sensor 3 an sich zur Bildung der beiden optischen Meßsignale ausgebildet ist. Er kann dazu beispielsweise zwei Lichtstrecken umfassen, welche beide unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen, denen ein gemeinsames Meßlicht zugeführt wird. Im einfachsten Falle wäre beispielsweise eine Faserspule denkbar, die einen Abgriff hat, so daß zwei Ausgange gegeben sind. Auf diese Weise waren Lichtpfade unterschiedlicher Länge gebildet. Selbstverständlich sind auch zwei ganz getrennte Lichtpfade möglich, die von gleichen Werkstoffen unterschiedlicher Dimensionierung oder von unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind. Mit der Anzahl der Windungen der Faserspule ist prinzipiell die Empfindlichkeit des Sensors einstellbar .
FIG 1 zeigt als weitere Variante in einer strichlierten Darstellung eine Steuereinrichtung 13, welche über eine Wirkli- nie 15 eine Steuerbarkeit oder Umschaltbarkeit des ersten Sensors 3 ermöglicht. Diese Ausführung wurde sich für eine multiplexe Meßwerterfassung anbieten, bei der die optischen Eigenschaften des Sensors 3 fortlaufend umgeschaltet oder kontinuierlich umgesteuert werden, so daß abwechselnd unterschiedliche Meßsignale erzeugt werden. Selbstverständlich muß hierzu die Auswerteeinrichtung 11 mit der Steuereinrichtung 13 synchronisiert sein. Alternativ hierzu ist auch eine Umschaltbarkeit oder kontinuierliche Umsteuerung der Lichtquelle 7 möglich.
FIG 2 zeigt ein Diagramm mit zwei Kennlinienverlaufen Ml und M2 zweier Meßsignale. Als Meßsignal können hier die optischen Meßsignale oder bereits davon abgeleitete elektrische Meßsignale verstanden werden, die üblicherweise für eine elektronische, insbesondere digitale Meßwertverarbeitung, verwendet werden .
Die Kennlinienverlaufe Ml und M2 stellen Amplitudenverlaufe entsprechend der Drehwinkeländerung in Abhängigkeit von der zu messenden elektrischen Größe dar. Es ist dabei zu erkennen, daß beide Kennlinienverlaufe Ml und M2 zwischen einem minimalen und maximalen Wert Min bzw. Max periodisch sind, und eine gering voneinander abweichende Periodendauer haben.
Die gezeigten Kennlinienverlaufe stellen quasi die Kennli- niendiagramme für die Erfassung der beiden optischen Meßwerte dar.
Für einen vorgegebenen Wert der elektrischen Große sind die jeweiligen Amplitudenwerte f r sich jedoch nicht eindeutig.
Prinzipiell laßt sich ein eindeutiger Wert anhand von zwei
Variablen ermitteln. Dazu ist es gunstig, wenn die Perioden- dauern der beiden Kennlinien dicht zusammenliegen, so daß eine eindeutige Erfassung für viele Quadranten möglich ist .
Eine Möglichkeit zur Bestimmung des genauen Wertes liegt darin, die Phasenverschiebung der Kennlinien aus beiden Si- gnalen zu bestimmen. Die Phasenverschiebung und damit der
Wert der elektrischen Große laßt sich z.B. nach folgender Beziehung ermitteln:
Wert der elektrischen Große =
Figure imgf000012_0001
Darin bedeuten PI und P2 die Werte der ermittelten Meßsignale im Sinne eines Wertepaares und K einen vorgebbaren Faktor.
Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung des absoluten Wertes der elektrischen Große w re möglich, durch einen tabellarischen Vergleich der ermittelten Meßwerte mit hinterlegten Wertepaaren. Hierzu können die Meßwerte als Tabellenadresse zum Auffinden des entsprechenden Wertes der elektrischen Große dienen. Zusätzlich konnte auch ein Vergleich der Polaritäten der jeweiligen Amplitudenwer e und die Differenz der Amplituden zur Ermittlung der elektrischen Große herangezogen werden. Die Ermittlung des absoluten Wertes der elektrischen Große kann auch auf direkte Weise, namlich durch Berechnung aus den beiden vorhandenen Meßwerten nach allgemeinen mathematischen Methoden mit entsprechenden Algorithmen erfolgen.
Gegebenenfalls ist auch eine Berücksichtigung der Hullkurve der Schwebung der beiden Kennlinien mit Vorteil möglich, wodurch eine eindeutige Bestimmung der elektrischen Große erzielt ist. Prinzipiell ist dieser Grundgedanke bereits bei der obengenannten Beziehung zumindest berücksichtigt.
Mit zukunftigen Materialien und Verfahrensmethoden ist gegebenenfalls auch eine eindeutige Meßwert er eugung oder -erfaε- sung unter Verwendung eines steuerbaren Sensors denkbar, wel- eher nach geeigneten Methoden das Meßlicht moduliert und damit ggf. weitere Meßinformationen, z.B die Temperatur, erzeugen kann.
Selbstverständlich sind die aufgeführten Merkmale des Verfah- rens und der Anordnung unter sich oder mit Merkmalen nach dem Stand der Technik kombinierbar, ohne daß der Grundgedanke der vorliegenden Idee verlassen wird Wesentlich hierfür is , daß ausgehend von zwei nicht eindeutigen Meßsignalen ein Ruckschluß auf die ursprungliche elektrische Große gegeben ist.
Eine bevorzugte Anwendung des Meßverfahrens und der Anordnung ist bei der optischen Strom- und Spannungsmessung, insbesondere für Hoch- oder Mittelspannung gegeben. Dadurch kann mit nur einem Sensor eine Meßgroßenerfasεung für einen großen Meßbereich erzielt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur optischen Erfassung einer elektrischen Größe, - wobei mindestens ein erstes und ein zweites optisches Meßsignal in Abhängigkeit von der elektrischen Größe erzeugt werden,
- wobei die Abhängigkeiten der beiden optischen Meßsignale von der elektrischen Größe jeweils periodisch sind, und die eine Periode größer und maximal doppelt so groß wie die andere ist,
- wobei die beiden Meßsignale im Sinne eines Wertepaares dienen, denen ein absoluter Wert für die elektrische Größe zugeordnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei von den optischen Meßsignalen elektrische Meßsignale abgeleitet werden, die als Wertepaar dienen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die beiden optischen Meßsignale mit Meßlicht unterschiedlicher Frequenz erzeugt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, wobei die beiden opti- sehen Meßsignale gleichzeitig oder nacheinander, insbesondere multiplex, erzeugt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die beiden optischen Meßsignale nacheinander durch kontinuierliche Veränderung, ins- besondere durch Wobbein, der Periodizität des einen Signals erzeugt werden
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die optischen Meßsignale mittels unterschiedlicher Lichtsenεoren erzeugt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die optischen Meßsignale mittels eines gemeinsamen Lichtsensors (3) erzeugt werden, welcher zwei Lichtstrecken umfaßt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein weiteres optisches Meßsignal erzeugt wird, dessen Abhängigkeit von der elektrischen Größe periodisch ist und welches zur genaueren Ermittlung der elektrischen Größe dient.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die elektrische Größe ein Strom oder eine Spannung ist.
10. Anordnung zur Erfassung einer elektrischen Größe (I) an einem Leiter (1) mit: - zumindest einem ersten optischen Sensor (3), der zumindest zwei optische Meßsignale erzeugt, wobei die Abhängigkeit der Meßsignale von der elektrischen Größe (I) periodisch ist, und wobei die eine Periode größer und maximal doppelt so groß wie die andere ist, und - einer mit dem Sensor (3) verbundenen Auswerteeinrichtung
(11), die für die als Wertepaar dienenden beiden optischen Meßsignale einen zugeordeneten absoluten Wert für die elektrische Größe (I) erzeugt.
11. Anordnung nach Anspruch 10, wobei in der Auswerteeinrichtung (11) die beiden optischen Meßsignale in elektrische Meßsignale umgewandelt werden, die als Wertepaar dienen.
12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Sensor (3) zumindest zwei optische Meßpfade unterschiedlicher optischer
Eigenschaft zur Erzeugung der optischen Meßsignale aufweist.
13. Anordung nach Anspruch 12, wobei die beiden Meßpfade durch unterschiedliche Werkstoffe gebildet sind.
14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die beiden Meßpfade eine unterschiedliche Länge haben.
15. Anordnung nach Anspruch 12, 13 oder 14, wobei der optische Sensor (3) entsprechend seiner Anzahl von Meßpfaden mehrteilig ausgeführt ist.
16. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Sensor (3) zur Erzeugung der optischen Meßsignale in seiner optischen Eigenschaft umschalt- oder veränderbar ist.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei dem Sensor (3) eine Lichtquelle (7) zugeordnet ist, welche zur Erzeugung der beiden Lichtsignale in ihrer Frequenz periodisch stetig, insbesondere im Sinne von Wobbein, veränderbar ist .
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei der Sensor (3) ein weiteres optisches Meßsignal erzeugt, welches in Ergänzung des Wertepaares zur Erzeugung des Wertes für die elektrische Größe (I) dient.
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