DE2548278A1 - Magneto:optical current measurement transducer - uses polarisation plane rotation to avoid shape birefringence from angled photoconductor coil - Google Patents
Magneto:optical current measurement transducer - uses polarisation plane rotation to avoid shape birefringence from angled photoconductor coilInfo
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Abstract
Description
Magnetooptischer Strom-MeßwandlerMagneto-optical current transducer
Zusatz zu VPA 74/7184 = P 2 445 369.8 Die Erfindung betrifft einen magnetooptischenStrom-Meßwandlers, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.Addition to VPA 74/7184 = P 2 445 369.8 The invention relates to a magneto-optical current transducer as described in the preamble of claim 1 is specified.
Derartige Meßwandler sind bekannt und beispielsweise in der deutschen Auslegeschrift 2 130 047 und der US-PS 3 605 013 beschrieben. Diese bekannten Meßwandler besitzen Lichtleiterspulen aus Gradientenfasern. Diese Spulen umschließen einen Stromleiter, durch den der zu messende Strom fließt. Durch die Lichtleiterfasern wird nun ein linear polarisierter Lichtstrahl geleitet, und aufgrund des vom zu messenden Strom erzeugten Magnetfeldes wird die Polarisationsebene des Lichtstrahles in Abhängigkeit von diesem Magnetfeld, d.h. in Abhängigkeit vom zu messenden Strom, gedreht. Die Drehung der Polarisationsebene ist annähernd proportional der Stärke des Magnetfeldes des Stromes.Such transducers are known and for example in the German Auslegeschrift 2,130,047 and U.S. Patent 3,605,013. These known transducers have fiber optic coils made of gradient fibers. These coils enclose you Conductor through which the current to be measured flows. Through the optical fibers a linearly polarized light beam is now guided, and due to the from to measuring current generated magnetic field becomes the polarization plane of the light beam depending on this magnetic field, i.e. depending on the current to be measured, turned. The rotation of the plane of polarization is approximately proportional to the strength the magnetic field of the current.
Ein Vorteil dieser bekannten Vorrichtung liegt darin, daß eine Isolation der auf Erdpotential -liegenden Teile des Meßwandlers gegenüber einem Stromleiter auf Hochspannungspotential leicht erreicht werden kann. Ein solcher Meßwandler eignet sich deshalb gut zur Messung von Strömen in Hochspannungsanlagen.An advantage of this known device is that insulation the parts of the transducer which are at ground potential compared to a current conductor can be easily achieved on high voltage potential. Such a transducer is suitable therefore good for measuring currents in high-voltage systems.
Ein weiterer Vorteil einer derartigen Anordnung liegt darin, daß die Lichtleiterspulen nur von Magnetfeldern solcher Stromleiter beeinflußt werden, die durch die Spule hindurch verlaufen. Außerhalb der Lichtleiterspulen können Stromleiter beliebig nahe vorbeigeführt sein, ohne das Meßergebnis zu beeinflussen. Damit ist ein solcher Meßwandler auch zur Strommessung in Niederspannungsanlagen geeignet.Another advantage of such an arrangement is that the Fiber optic coils are only influenced by magnetic fields of such conductors that pass through the coil. Electric conductors can be used outside the fiber optic coils be passed as close as desired without influencing the measurement result. So is Such a transducer is also suitable for current measurement in low-voltage systems.
Die Drehung der Polarisationsebene im Magnetfeld wird auch als magnetooptischer Faraday-Effekt bezeichnet.The rotation of the plane of polarization in the magnetic field is also called magneto-optical Called the Faraday effect.
Eine Schwierigkeit bei derartigen bekannten Meßwandlern liegt darin, daß Spannungsdoppelbrechung auftritt. Hinzu kommt, daß die Spannungsdoppelbrechung stark temperaturabhängig ist. Außerdem kann das Maß der Drehung der Polarisationsebene geändert werden, wenn die Lichtleitfaser eine Torsion erleidet. Es ist außerordentlich schwierig, diese Fehler zu kompensieren.One difficulty with such known transducers is that stress birefringence occurs. In addition, the stress birefringence is strongly temperature dependent. In addition, the degree of rotation of the plane of polarization can be changed when the optical fiber suffers torsion. It is extraordinary difficult to compensate for these errors.
Aus diesem Grunde wurde in unserer älteren Anmeldung P 2 445 369.8 (=VPA 74/7184) vorgeschlagen, die Lichtleiterspulen mit Lichtleiterfasern mit Flüssigkern aufzubauen.For this reason, in our earlier application P 2 445 369.8 (= VPA 74/7184) proposed the optical fiber coils with optical fibers with a liquid core build up.
In derartigen Lichtleiterfasern können herstellungsbedingte mechanische Spannungen praktisch nicht auftreten, eventuelle Unsymmetrien und Vorspannungen des Lichtleitermantels haben in guten Flüssigkern-Fasern einen derart geringen Einfluß auf die Eigenschaften der Lichtleiterfaser, daß diese Einflüsse vernachlässigt werden können. In derartigen Lichtleiterfasern tritt also praktisch keine Spannungsdoppelbrechung auf. Damit kann de Meßgenauigkeit eines magnetooptischen Meßwandlers, der gemäß dieser älteren Anmeldung aufgebaut ist, außerordentlich erhöht werden.In such optical fibers, manufacturing-related mechanical Tensions practically do not occur, possible asymmetries and pre-tension of the light guide cladding have such little influence in good liquid core fibers on the properties of the optical fiber so that these influences are neglected can. There is practically no stress birefringence in such optical fibers on. This can de measurement accuracy of a magneto-optical transducer according to this older application is built to be greatly increased.
Wie aus dem Lehrbuch M. Born, E. Wolf: "Principles of Optics" (1975) Oxford et. al., Pergamon Press, S. 705 hervorgeht, gibt es neben der Spannungsdoppelbrechung auch eine sogenannte Form-Doppelbrechung Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Form-Doppelbrechung zu kompensieren.As from the textbook M. Born, E. Wolf: "Principles of Optics" (1975) Oxford et. al., Pergamon Press, p. 705, there is not only stress birefringence also a so-called shape birefringence It is the object of the invention to this shape birefringence to compensate.
Diese Aufgabe wird durch einen magnetooptischen Meßwandler der eingangs genannten Art gelöst, welcher erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 ausgebildet ist.This task is accomplished by a magneto-optical transducer of the initially introduced mentioned type solved, which according to the invention according to the characterizing part of claim 1 is formed.
Zur Zeit lassen sich zwar nur Lichtleiterfasern mit Flüssigkern frei von herstellungsbedingten mechanischen Spannungen herstellen, Jedoch wären Glasfasern ebenso geeignet, wenn es gelänge, sie spannungsfrei herzustellen. Demgemäß enthält der Oberbegriff des Patentanspruches 1 von herstellungsbedingten mechanischen Spannungen freie Lichtleiterfasern.At the moment, only optical fibers with a liquid core can be exposed from manufacturing-related mechanical stresses, but would be glass fibers also suitable if it is possible to manufacture them free of tension. Accordingly contains the preamble of claim 1 of manufacturing-related mechanical stresses free optical fibers.
Bei der Erfindung wird die neue Erkenntnis benutzt, daß die auf der Faserkrümmung in einer bestimmten Krümmungsebene beruhende Form-Doppelbrechung dadurchverkleinert werden kann, daß sich die Orientierung der Krümmungsebene längs der Faser dauernd ändert; dies ist der Fall, wenn die Faser schraubenförmig gewickelt ist.In the invention, the new knowledge is used that on the Form birefringence based on fiber curvature in a certain plane of curvature is reduced It can be that the orientation of the plane of curvature is permanent along the fiber changes; this is the case when the fiber is helically wound.
Außerdem wird die neue Erkenntnis benutzt, daß in Lichtleiterfasern, die keine herstellungsbedingte mechanischen Spannungen aufweisen, jeweils nach einem bestimmten Anteil einer Windung der ursprüngliche Polarisationsgrad eines durch die Lichtleiterfaser geleiteten Lichtstrahles wieder hergestellt ist. Dieser Anteil beträgt (1 + K2)1/2 /2K. Dabei ist K die Steigung der Spulenwindungen, d.h. es gilt: K = tan α , wobei α der Steigungswinkel ist. Es ist ersichtlich, daß alle Windungszahlen, die ein ganzzahliges Vielfaches dieses Anteils sind, ebenfalls.möglich sind.In addition, the new knowledge is used that in optical fibers, which have no manufacturing-related mechanical stresses, each after one certain proportion of a turn the original degree of polarization of a through the optical fiber of the guided light beam is restored. This share is (1 + K2) 1/2 / 2K. Here, K is the slope of the coil turns, i.e. the following applies: K = tan α, where α is the pitch angle. It can be seen that all numbers of turns that are an integral multiple of this part are also possible are.
Demgemäß besitzen die Lichtleiterspulen gemäß der Erfindung vorzugsweise eine Windungszahl Z, für die gilt: Z = n (1 + K2) 1/2 / 2K.Accordingly, the optical fiber coils according to the invention preferably have a number of turns Z, for which the following applies: Z = n (1 + K2) 1/2 / 2K.
Dabei ist n eine ganze positive Zahl.Where n is a positive whole number.
Zu der Erfindung führten die folgenden Uberlegungen: Es wurde eine phänomenologische Beschreibung des Einflusses der Lichtleiterfasern auf die Polarisation eines- durchgeführten Lichtstrahles in der folgenden Weise versucht: E' = Dabei ist E der Lichtvektor des einfallenden Lichtstrahles, E' ist der Lichtvektor des die Lichtleiterfaser verlassenden Lichtstrahles.The following considerations led to the invention: It was a Phenomenological description of the influence of the optical fibers on the polarization of a carried out light beam tried in the following way: E '= Here E is the light vector of the incident light beam, E 'is the light vector des the light beam leaving the optical fiber.
<M> ist eine Matrix, die die Transformation von E zu E' beschreibt, d.h. diese Matrix gibt den Einfluß der Lichtleiterspule auf die Polarisation wieder. Die Matrixelemente sind Funktionen der lokalen Doppelbrechung bzw. der lokalen optischen Aktivität der Lichtleiterfaser der Lichtleiterspule. Die optische Aktivität erhält man, weil- sich die Polarisationsebene des Lichtes beim Durchlaufen einer schraubenförmig gewickelten Lichtleiterspule gegenüber der Spulenachse verdreht. Für Glasfasern wird die Matrix so kompliziert, daß eine Berechnung der Matrixelemente praktisch unmöglich ist, insbesondere sind diese Matrixelemente nicht vom Ort unabhängig.<M> is a matrix that describes the transformation from E to E ', i.e. this matrix shows the influence of the fiber optic coil on the polarization. The matrix elements are functions of local birefringence or local optical Activity of the fiber optic coil of the fiber optic coil. The optical activity is maintained one, because- the plane of polarization of the light when passing through a helical wound fiber optic coil twisted relative to the coil axis. For fiber optics the matrix becomes so complicated that calculation of the matrix elements becomes practical is impossible, in particular these matrix elements are not independent of the location.
Für Lichtleiterspulen aus Lichtleiterfasern ohne herstellungsbedingte mechanische Spannungen konnte dagegen die Matrix aus Experimenten abgeleitet werden. Damit konnte die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebene Gesetzmäßigkeit abgeleitet werden.For fiber optic coils made of fiber optic cables without manufacturing-related mechanical Stresses, on the other hand, could be derived from the matrix from experiments. So that could the law specified in the characterizing part of claim 1 derived will.
Die angegebene Formel ist eine Näherung und gilt um so genauer, je größer die Steigung K ist. Ist K größer als 1/2, d.h. ist der Steigungswinkel α größer als 300, so ist der Fehler unbedeutend.The given formula is an approximation and applies all the more precisely, the more the slope K is greater. If K is greater than 1/2, i.e. the helix angle is α greater than 300, the error is insignificant.
Bei einem kleineren Steigungswinkel ist die optimale Windungszahl etwas kleiner als es der Formel entspricht. Die Korrektur hängt von den Eigenschaften der verwendeten Lichtleiterfaser ab und muß experimentell bestimmt werden.With a smaller pitch angle is the optimal number of turns slightly smaller than the formula corresponds to. The correction depends on the properties the optical fiber used and must be determined experimentally.
Es können auch mehrere Lichtleiterspulen optisch hintereinander geschaltet sein, wobei jede einzelne Lichtleiterspule eine der obigen Formel entsprechende Windungszahl aufweist. Dadurch lassen sich vorteilhafterweise Meßwandler mit geringen räumlichen Abmessungen aufbauen.Several fiber optic coils can also be optically connected one behind the other be, where each individual fiber optic coil is one of the above formula Has number of turns. As a result, transducers with low build up spatial dimensions.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert.In the following the invention is based on exemplary embodiments of the figures explained.
Die Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung: Mit einem Laser 1 oder einer anderen Lichtquelle und einem Polarisator 2 wird ein möglichst monochromatischer, polarisierter Lichtstrahl erzeugt. Dieser Lichtstrahl durchläuft eine Lichtleiterfaser 100, die frei von herstellungsbedingten mechanischen Spannungen ist, beispielsweise eine Lichtleiterfaser mit Flüssigkern. Diese Lichtleiterfaser ist im Bereich eines Hochspannungsstromleiters 10 zu einer Spule gewickelt, die Position 5 bezeichnet einen Wickelkörper. Diese Lichtleiterspule weist eine entsprechend der obigen Formel bereichnete Windungszahl auf. Aufgrund des durch den Strom erzeugten Magnetfeldes wird die Polarisationsrichtung des Lichtstrahles in dieser Spule gedreht. Der in seiner Polarisationsrichtung veränderte Lichtstrahl wird nun auf einen Analysator 3 und einen Detektor 4 geleitet. Die Polarisationsrichtung des Analysators ist senkrecht zur Polarisationsrichtung des Lichtes für den Fall verschwindender Stromstärke. Aufgrund der Drehung der Polarisationsrichtung des Lichtstrahles fällt nun auf den Detektor eine von der Drehung abhängige Lichtintensität, diese Helligkeitsschwankungen können gemessen werden, sie sind ein Maß für den Hochspannungsstrom im Leiter 10. Vorteilhaft läßt sich auch ein Wollaston-Prisma als Analysator verwenden. Dieses erzeugt zwei zueinander senkrecht polarisierte Teilstrahlen. Das Verhältnis der Invensitäten dieser Teilstrahlen ist dann ein Maß für den zu messenden Hochspannungsstrom.Fig. 1 shows a first embodiment of the invention: With a Laser 1 or another light source and a polarizer 2 is a possible monochromatic, polarized light beam generated. This ray of light passes through an optical fiber 100 that is free from manufacturing-related mechanical stresses is, for example, a liquid core optical fiber. This optical fiber is wound into a coil in the area of a high-voltage conductor 10, which Position 5 denotes a winding body. This fiber optic coil has a corresponding number of turns based on the above formula. Because of the generated by the electricity Magnetic field, the direction of polarization of the light beam is rotated in this coil. The light beam changed in its polarization direction is now transmitted to an analyzer 3 and a detector 4 passed. The polarization direction of the analyzer is vertical to the polarization direction of the light in the case of vanishing current strength. Due to the rotation of the polarization direction of the light beam now falls on the detector a light intensity dependent on the rotation, these fluctuations in brightness can be measured, they are a measure of the high-voltage current in conductor 10. A Wollaston prism can also advantageously be used as an analyzer. This generates two partial beams polarized perpendicular to each other. The ratio of The intensity of these partial beams is then a measure of the high-voltage current to be measured.
Statt des Analysators und des Detektors kann auch eine Kompensationsanordnung vorgesehen werden, die die Drehung der Polarisationsrichtung rückgängig macht. Diese Kompensationsanordnung kann beispielsweise wiederum eine Lichtleiterspule gemäß der Erfindung sein, die in einem kompensierenden Magnetfeld, welches mittels einer Sekundärstromspannung erzeugt wird, angeordnet ist. Dabei ist die von der Sekundärstromquelle erzeugte Stromstärke, die notwendig ist, um die vom zu messenden Strom veränderte Polarisationsrichtung zurück zu drehen, ein Maß für die zu messende Stromstarke.Instead of the analyzer and the detector, a compensation arrangement can also be used can be provided that reverses the rotation of the polarization direction. These Compensation arrangement can, for example, again be an optical fiber coil according to FIG of the invention, in a compensating magnetic field, which by means of a Secondary voltage is generated, is arranged. This is from the secondary power source Generated current that is necessary to change the current to be measured To reverse the polarization direction, a measure of the current to be measured.
Die Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform für die Lichtleiterspule: In diesem Fall ist die Lichtleiterspule auf einem torusförmigen Wickelkörper aufgebaut. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß die zusätzliche, durch den torusförmigen Wickelkörper verursachte Krümmung der Lichtleiterfaser nur eine vernachlässigbare Form-Doppelbrechung verursacht.Fig. 2 shows another embodiment for the fiber optic coil: In this case, the fiber optic coil is built on a toroidal bobbin. Surprisingly, it has been found that the additional, through the toroidal The winding body only caused a negligible curvature of the optical fiber Form birefringence caused.
Die Fig. 3 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Lichtleiterspule. Der Wickelkörper besitzt 6 kreiszylinderförmige Abschnitte, die so angeordnet sind, daß ihre Achsen mit 6 Kanten eines regulären Rhomboeders zusammen fallen. Dieser Rhomboeder ist in der Fig. 4 dargestellt, die Kanten 1000 sind die Achsen der Abschnitte. Die Achsen der Abschnitte stoßen jeweils unter einem Winkel 2 aneinander, d.h. der Winkel zwischen den Achsen ist doppelt so groß wie der Steigungswinkel der auf den Abschnitten liegenden Lichtleiterspule, damit gewährleistet ist, daß an den Stoßstellen zweier Abschnitte die Lichtleiterfaser ohne Knick von einem Abschnitt auf den nächsten übertreten kann. Der Winkel # zwischen den aneinander grenzenden Rhomboederflächen, z.B.Fig. 3 shows a particularly preferred embodiment for a fiber optic coil. The winding body has 6 circular cylindrical sections, which are arranged so that their axes with 6 edges of a regular rhombohedron fall together. This rhombohedron is shown in FIG. 4, the edges 1000 are the axes of the sections. The axes of the sections each meet under one Angle 2 to each other, i.e. the angle between the axes is twice as large as the angle of inclination of the fiber optic coil lying on the sections, thus guaranteed is that at the joints of two sections the optical fiber without kink of can cross over from one section to the next. The angle # between the one another adjoining rhombohedral surfaces, e.g.
zwischen den an die Kante 1000 angrenzenden Flächen 3000 und 3001, muß der folgenden Formel genügen: Alle diese Bedingungen lassen sich annähernd erfüllen, wenn der Winkel zwischen den Rhomboederkanten und damit zwischen den Achsen der Abschnitte etwa 80° beträgt. In diesem Fall ist K ungefähr 0,85 und Z ungefähr 0,77. Diese Lösung erhält man aus den angegebenen Gleichungen, wenn man n = 1 setzt.between the surfaces 3000 and 3001 adjacent to the edge 1000, must satisfy the following formula: Let all of these conditions are approximately fulfilled when the angle between the rhombohedral edges and thus between the axes of the sections is about 80 °. In this case, K is approximate 0.85 and Z about 0.77. This solution is obtained from the given equations, if you set n = 1.
Es ist ersichtlich, daß man weitere der Erfindung entsprechende Varianten der Lichtleiterspule für n = 2, 3 u.s.w. erhält, sowie für einen Wickelkörper, der aus einer anderen Anzahl räumlich angeordneter Kreiszylinderabschnitte besteht.It can be seen that there are further variants corresponding to the invention the fiber optic coil for n = 2, 3, etc. receives, as well as for a wound body that consists of a different number of spatially arranged circular cylinder sections.
5 Patentansprüche 4 Figuren L e e r s e i t e.5 claims 4 figures L e r s e i t e.
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Legal Events
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