MEASURING TRANSDUCER BASED ON THE MAGNETO-OPTICAL EFFECT

Abstract: 1. Measuring transducer based on the electro-optical or magneto-optical effect, comprising a detector constituted by an optical fibre coil having a large electro-optical or magneto-optical constant as a modulator (2) and a succeeding analyser (3) for detecting a rotation of the plane of polarisation, characterized in that - the analyser (3) is designed to respond only to one or several certain predetermined angular positions of the plane of polarisation of the light and moreover detects the direction of passage of the plane of polarisation, - the optical fibre coil is formed of an optical fibre (5) of sufficient length for the influencing electrical or magnetic field to cause such a large rotation of the plane of polarisation that the analyser (3) responds several times to the value which is to be measured, and - counting means is provided which is comprised of a logic circuit (41, 42) for detecting the analyser pulses and for discriminating a forward or reverse rotation of the plane of polarisation, and of a digital up-down counter (43) to the parallel outputs of which the measured value is applied in digital form.

Description: Messwandler auf der Basis des elektro- bzw. magnetooptischen Effektes Die Erfindung betrifft einen Messwandler auf der Basis des elektro- bzw. magnetoopischen Effektes mit einem Messfühler bestehend aus einer Lichtwellenleiterspule als Modulator. ?ür die Messung von Strömen oder Spannungen in elektrischen Anlagen sind als nichtkonventionelle Verfahren u.a. Lösungen bekannt, die als Informationsträger zur tberbrückiing hoher Potentialdifferenzen Licht verwenden und bei denen mit der zu messenden Grösse eine Drehung der Polarisationsebene des Lichtes erzielt wird, mit Hilfe eines Modulators, der einen elektrooptischen oder magnetooptischen Effekt aufweist. Dabei kann als Mass für die zu messende Grösse sowohl der Drehwinkel der Polarisationsebene direkt ausgewertet, als auch mit einer Kompensationsschaltung (zweiter Modulator) die Drehung rückgängig gemacht und die Röhe des Wompensationsstromes bestimmt werden. Als Modulatoten wurden Ursprünglich Glasstäbe, z.B. aus Flintglas, vexvzendet. Infolge ihrer geringen Länge wurden nur geringe Drehwinkel der Polarisationsebene erreicht Damit ergaben sich Probleme bei der Auswertung der Signale. Mit der Entwicklung von Lichtwellenleitern, die pola- risiertes Licht ohne Zerstörung der Polarisation fort leiten können, ergab sich die Mäglichkeit. Modulatoren in BorB von Spulen aus derartigen Lichtwellenleitern aufzubauen (DE-OS) 2624692). Damit können wesentlich grössere Polarisations-Drehwinkel erreicht werden. Für die dabei auftretenden Probleme, Vermeidung der Auswirkungen von Spannungs doppelbrechung und Form- doppelbrechung in den Inchtwellenleitern, gibt es geeignete Lösungen, z.B. die Anwendung von Lichtwellen- leitern mit Flüssigkern (DE-AS 2445369) bzw. spezielle konstruktive Anordnungen. So ist in der DE-OS 2845625 eine Anordnung zur elektrooptischen Spannungsinessung beschrieben, bei der als Zuleitung oder Räckleitung für den polarisierten Mcht- strahl zwischen einem Kopfteil mit dem Hochspannungs- leiter und dem Fussteil wenigstens eine Kristallfaser mit longitudinalem, linearem elektrooptischem Effekt aus piezoelektrischem Material vorgesehen ist. Am Hoch- spannungs leiter ist die Fristallfaser um einen Uinlenk- körper geführt, durch dessen Gestaltungsform eine zusätzliche Formdoppelbrechung durch die Krümmung der Kristallfaser verhindert wird. Bei einem anderen bekannten magnetooptischen Messwand- 1er zur Messung von Strömen, der einen als Lichtleiter- spule ausgebildeten Messfühler besitzt, die einen Stromleiter umschliesst und bei dem der Lichtleiter weitestgehend frei von herstellungsbedingten mechanischen Spannungen ist, wird die Formdoppelbrachung dadurch kompensiert, dass die Lichtleiterspule einen grossen Steigungswinkel aufweist (DE-OS 2548278). Auf diese Weise lassen sich bereits Spulen aus Licht- wellenleitern von über 1 km Länge herstellen, durch die polarisiertes Licht ohne wesentliche Depolarn- sationserscheinungen geleitet werden kann. Es wird jedoch bei allen bekannten Lösungen davon ausgegangen, eine analoge Abbildung der zu messenden Grösse über die Drehung der Polarisationsebene zu erreichen. Dabei sind bei grösseren Drehwinkeln besondere Massnahrnen erforderlich, um Linearität in der Messwert- abbildung insgesamt zu erreichen. So ist z.B. in der DE-OS 2812188 ein Verfahren zur magnetooptischen Strommessung beschrieben, bei dem bei einem sinusförmigen Modulationssignal auch für grössere Winkel der Faraday- Drehung dadurch eine Linearität der Messwertabbildung erreicht wird, dass aus dem Messsignal die Grundfrequenz und die erste Oberschwingung des Modulationssignals getrennt herausgefiltert werden, dass anschliessend das Messsignal demoduliert und dann der Quotient aus den Intensitäten der beiden Signalanteile gebildet wird. Will man die Ausgangssignale des Wandlers jedoch mittels eines Digitalrechners verarbeiten oder an einen zentralen Datenbus ankoppeln, benötigt man im allgemeinen digitalisierte oder binär codierte Signale, so dass den bekannten Einrichtungen somit der Nachteil anhaftet, dass eine Digitalisierung des Messwertes stets über den Umweg eines analogen elektrischen Signals erfolgt. Das aber bedeutet, dass aufwendige elektronische Zusatzschaltungen, z*Bo Analog-Digital-Umsetzer erforderlich sind, die jedoch zusätzliche Messfehler mit sich bringen. wider will die Erfindung abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen Messwandler auf der Basis des elektrobzw. magnetooptischen Effektes zu schaffen, bei dem eine direkte Umwandlung der Polarisationsebenen-Drehung in digitale Ausgangssignale erfolgt, dadurch, dass der Messwandler als Modulator eine Lichtwellenleiterspule mit einem Lichtwellenleiter einer in Abhängigkeit vom sich ausbreitenden Wellenmodus des Lichtes definierten, grossen Länge init grosser elektro- bzw. magnetooptischer Konstante enthält, an den sich ein neben dem Durchlauf der Polarisationsebene des Lichtes durch eine bestimmte Lage auch die Durchlaufrichtung erkennender Analysator anschliesst, wobei das beeinflussende elektrische oder magnetische Feld im Modulator eine so gross Drhung der Polarisationsebene hervorruft, dass der Analysator für den zu messenden Wert mehrmals zum Ansprechen gelangt, und dass eine Zähleinrichtung vorgesehen ist, die aus einer zum Erfassen der Analysatorimpulse und zum Unterscheiden hinsichtlich des Vor- oder Rückdrehens der Polarisationsebene bestehenden logischen Schaltung und aus einem digitalen Vor- und Rückwärts zähler aufgebaut ist, an dessen parallelen Ausgängen der Messwert in digitaler Form abnehmbar Ist. Durch Aufteilung des modulierten Lichtes auf mehrere Analysatoren mit unterschiedlichen Ansprech-Polarisatierswinkeln, deren Ausgangskreise miteinander verknüpft sind, kann eine bestimmte Drehung der Pola risa tionsebene eine Vervielfachung der abgegebenen Impulszahl erreicht werden. Der gleiche Effekt kann erreicht werden, wenn als Ana lysator eine Einrichtung eingesetzt wird, die mehrere definierte wagen der Polarisationsebene des auftreSSen- den lichtes erkennt und jeweils in elektrische Impulse umformt. Mit dieser Lösung ist erreicht, dass beim Durchlaufen einer bestimmten berge der Polarisationsebene jeweils ein elektrischer Ausgangsimpuls abgegeben wird, der in einem Zählkreis oder Speicher aufsummiert werden kann und somit eine rechnerverarbeitbare Information über die momentane Grösse des Messwertes darstellt. Da jedoch im allgemeinen aus dem Analysatorsignal nicht auf die Richtung der Lageänderung der Polarisationsebene geschlossen werden kann, diese Richtung aber darüber entscheidet, ob der zugehörige Impuls mit positivem oder negativem Vorzeichen zur Summenbildung beitragen muss, ist der Analysator, der neben dem Durchlauf der Polarisationsebene des Lichtes durch eine bestimmte Lage auch eine Information über die Durchlaufrichtung liefert, erforderlich Ein solcher Analysator bewertet die Durchlaufrichtung der Polarisationsebene anhand der impulsmässig erfassten vorhergehenden Lage der Polarisationsebene. Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind somit im wesentlichen darin zu sehen, dass eine Digitalisierung des Messwertes nicht mehr über den Umweg eines analogen elektrischen Signals erfolgt. Damit entfallen aber auch zusätzliche Messfehler mitsichbringende auS- wendige elektronische Zusatzschaltungen, wie z.'B. Analog-Digital-Umsetzer. Im folgenden wird die Erfindung anhand von ein Ausfüh- rungsbeispiel darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein Schema des Aufbaues eines als Stromwandler vorgesehenen Messwandlers, Figur 2 eine Analyse der Lage und Änderungsn.chtung der Polarisationsebene, Figur 3 das Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Lichtintensität, Figur 4 eine Darstellung von zeitlichen Impuisfolgen und Figur 5 eine Schaltung zur Impulswertung. Der als Stromwandler aufgebaute Messwandler nach Fig. B besteht aus einer Lichtquelle 1, die monochromatisches und linear polarisiertes sicht an einen Lichtwellen- leiter 5 abgibt. Dieser Lichtwellenleiter 5 überbrückt die Potentialdifferenz zwischen Erdpotential und Hoch spannungspotential des Messstrompfades 6-6' und wird zur Erfassung des Messstromes als Modulator 2 ausgebildet, beispielsweise so, dass der Lichtwellenleiter 5 in einer grossen Länge zu einer Spule aufgewickelt ist, die ihrerseits den Messstrom führenden Leiter umfasst und somit von dessen Magnetfeld beeinflusst wird. Das im Modulator 2 in seiner Polarisationsebene beeinflusste Licht wird über den Lichtwellen7eiter 7 in den sich auf Erdpotential befindlichen Analysator 3 geleitet, der beim Feststellen bestimmter vorgegebener Lagen der Polarisationsebene des Lichtes elektrische Impulse an die bettung 8 abgibt, die in geeigneter Weise in einer Summiereinrichtung 4 aufsummiert, gespeichert und über die bettung 9 in einer zur Weiterverarbeitung passenden Signalform ausgegeben wenden. Den grundsätzlich gleichen Aufbau weist ein als Spannungswandler dienender Messwandler auf, wobei nur der Modulator 2 konstruktiv so gestaltet ist, dass er vom elektrischen Feld der Rochspannungsleitung beeinflusst wird. Eine Möglichkeit für die Analyse der Lage und Ände- rungsrichtung der Polarisationsebene zeigt Fig. 2. Das über den lichtwellenleiter 7 ankommende Licht wird über eine Teilereinrichtung 10 in die drei Teillicht- bündel 11, 11', 11'' getrennt, wobei alle Teillicht- bündel 11, 11', 11 " weiterhin polarisiert bleiben. Die drei Teilanalysatoren 12, 12', 12'' sind so auS- gebaut, dass sie beim Erreichen oder Durchlaufen einer definierten Lage der Polarisationsebene des auStreS- fenden Lichtes einen elektrischen Impuls abgeben, wie in Fig. 3 dargestellt. Es wird der Intensitätsverlauf 16 des Lichtes in einem der Teilanalysatoren 12, 12', 12" dargestellt, wie er vomWinkelzwischen der Polarisationsebene des einlaufenden Lichtes und der in den Teilanalysatoren 12, 12t, 12t' fest eingestellten Richtung des Polarisationsfilters abhängt und in dieser Stärke auf eine foroelektrische Emmandlnngs- richtung fällt, die bei gegen Null gehende Lichtin- tensität 16 eine Änderung ihres Ausgangssignals 17 vornimmt Die fest eingestellten Richtungen der drei Eeilana satoren 12, 12', 12' sind im Bereich von 180 so gegeneinander versetzt, dass keine Impulsüberlappung eintritt, vorzugsweise um jeweils 60 . Damit entstehen beim Drehen der Polarisationsebene des Lichtes im Modu- lator 2 in unterschiedlichen Richtungen die in Fig. 4 angegebenen zeitlichen Impulsfolgen 13, 13', 13'', die in der sich anschliessenden Summiereinrichtung 14 bewertet, gespeichert und zu einem Ausgangsimpuls 15 verarbeitet werden. Fig. 5 stellt eine Schaltungsmöglichkeit zur Impulsbe- wertung dar. Dabei gelangen die Impulse A, Bs C aus den drei Teilanalysatoren 122 12', 12" in kombinierter Form auf eine logische Schaltung 41, 42, die einen eintreffenden Impuls auf der Grundlage des vorhergehenden Impulses bewertet und damit einen Vorwärts/Rückwärts- zähler 43 speist. Der Zählerstand kann zwischengespeichert und über den Ausgang D abgefragt werden.

Claims: Patentansprüche: 1. Messwandler auf der Basis des elektro- bzw. magneto optischen Effektes mit einem Messfühler bestehend aus einer Lichtwellenleiterspule als Modulator (2), da durch gekennzeichnet, dass der Messwandler als Modula tor (2) eine Lichtwellenleiterspule mit einem Licht- wellenleiter (5) einer in Abhängigkeit vom sich aus breitenden Wellenmodus des Lichtes definierten, grossen Länge mit grosser elektro- oder magnetoopti scher Konstante enthält, an den sich ein neben dem Durchlauf der Polarisationsebene des Lichtes durch eine bestimmte Lage auch die Durchlaufrichtung er kennender Analysator (3) anschliesst, wobei das be einflussende elektrische oder magnetische Feld im Modulator (2) eine so grosse Drehung der Polarisa tionsebene hervorruft, dass der Analysator (3) für den zu messenden Wert mehrmals zum Ansprechen ge langt, und dass eine Zähleinrichtung vorgesehen ist, die aus einer zum Erfassen der Analysatorimpulse und zum Unterscheiden hinsichtlich des Vor- oder Rückdrehens der Polarisationsebene bestehenden logikschaltung (41, 42) und aus einem digitalen Vor- und Rückwärts zähler (43) aufgebaut ist, an dessen parallelen Ausgängen der Messwert in digita ler Form abnehmbar ist. 2. Elektro- bzw. magnetooptischer Messwandler nach Patentanspruch 1, bei dem mehrere Teilanalysatoren (12, 12t, 11'') mit unterschiedlichen Ansprechpo larisationswinkeln vorgesehen sind, wobei ihre Aus gänge miteinander verknüpft sind. 3. Elektro- bzw. magnetooptischer Messwandler nach Patentanspruch 1, bei dem durch den Analysator (3) mehrere definierte Lagen der Polarisationsebene des auftreffenden Lichtes erkennbar und in elek trische Impulse umsetzbar sini.

Inventors: BOGEDALE, GERD, DIPL.-ING., HOIER, BERNHARD, DR. ING., KNOSCHKE, WOLFGANG, DIPL.-PHYS., Knöschke, Wolfgang, Dipl.-Phys.
Applicants: VEB ELEKTROPROJEKT UND ANLAGENBAU BERLIN
Application year: 1983
Main classification: G01R15
IPC codes: G01R15