DE10220623A1 - Verfahren und Anordnung zur optischen Erfassung einer Messgröße mit Depolarisation des Lichtsignals - Google Patents

Abstract

Das Verfahren und die Anordnung sind zur optischen Erfassung einer Messgröße (I, H) bestimmt. Ein erstes Lichtsignal (L1) passiert eine optische Reihenschaltung mit einer ersten optischen Übertragungsstrecke (4), einem ersten Polarisator (5), einem Sensor-Element (3), einem zweiten Polarisator (6) und einer zweiten optischen Übertragungsstrecke (7), wobei es im Sensor-Element (3) unter dem Einfluss der Messgröße (I, H) in einem Polarisationszustand verändert wird. Diese Veränderung des Polarisationszustands wird beim Passieren des zweiten Analysators (6) in eine Intensitätsvariation des ersten Lichtsignals (L1) umgesetzt, aus der nach einer photoelektrischen Wandlung des Lichtsignals (L1) ein Messsignal (M) für die Messgröße (I, H) abgeleitet wird. Zur Unterdrückung von Störungen wird das erste Lichtsignal (L1) nach dem Passieren des zweiten Polarisators (6) depolarisiert.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Erfassung einer Messgröße bei dem mindestens ein erstes Lichtsignal in eine optische Reihenschaltung mit einer ersten optischen Übertragungsstrecke, einem ersten Polarisator, einem Sensor- Element, einem zweiten Polarisator und einer zweiten optischen Übertragungsstrecke eingespeist wird, das erstes Lichtsignal beim Passieren des Sensor-Elements unter dem Einfluss der Messgröße in einem Polarisationszustand verändert wird, die Veränderung des Polarisationszustands beim Passieren des zweiten Analysators in eine Intensitätsvariation des ersten Lichtsignals umgesetzt wird und aus der Intensitätsvariation des Lichtsignals nach einer photoelektrischen Wandlung ein Messsignal für die Messgröße abgeleitet wird.
• Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung zur optischen Erfassung einer Messgröße, die mindestens eine optische Reihenschaltung mit einer ersten optischen Übertragungsstrecke, einem ersten Polarisator, einem Sensor-Element, einem zweiten Polarisator und einer zweiten optischen Übertragungsstrecke, Sendemittel zum Senden eines ersten Lichtsignals durch die Reihenschaltung, wobei das erste Lichtsignal beim Passieren des Sensor-Elements unter dem Einfluss der Messgröße eine Veränderung in einem Polarisationszustand erfährt, die beim anschließenden Passieren des zweiten Polarisators zu einer Intensitätsvariation im ersten Lichtsignal führt, Wandlungsmittel zur photoelektrischen Umwandlung des ersten Lichtsignals in ein erstes elektrisches Signal nach dem Passieren der optischen Reihenschaltung und Auswertemittel zum Ableiten eines Messsignals für die Messgröße aus dem ersten elektrischen Signal umfasst.
• Ein solches Verfahren und eine solche Anordnung sind beispielweise aus der EP 0 799 426 B1 bekannt.
• Es ist ein optischer Wandler zum Erfassen einer elektrischen Messgröße bekannt. Dies gilt insbesondere für die optische Messung eines elektrischen Stroms unter Ausnutzung des Faraday-Effekts und auch für die optische Messung einer elektrischen Spannung unter Ausnutzung des Pockels-Effekts.
• In ein unter dem Einfluss der zu messenden elektrischen Messgröße stehendes Sensorelement (zum Beispiel Faraday-Element oder Pockels-Element) wird ein polarisiertes Lichtsignal eingekoppelt, dessen Polarisation sich unter dem Einfluss der elektrischen Messgröße verändert. Die Polarisationsänderung ist damit ein Maß für die Messgröße. Da die Polarisation ausgewertet wird, nennt man diese Art von Sensor auch polarimetrischen Sensor. Weiterhin ist eine Ausführungsform bekannt, bei der zwei polarisierte Lichtsignale mit gegenläufiger Laufrichtung in das Sensorelement eingekoppelt werden. Zur Analyse der Polarisationsänderung wird jedes Lichtsignal nach wenigstens einmaligem Durchlaufen des Sensorelements einem (Polarisations-)Analysator zugeführt. Dieser kann das zugehörige Lichtsignal entweder in zwei linear polarisierte Lichtteilsignale mit unterschiedlichen, im allgemein senkrecht zueinander gerichteten Polarisationsebenen aufteilen (zweikanalige Auswertung) oder nur einen auf eine vorgegebene Polarisationsrichtung projizierten Lichtanteil durchlassen (einkanalige Auswertung). Mittels photoelektrischer Wandler, beispielsweise in Form von Photodioden, werden die Lichtintensitäten der beiden Lichtteilsignale in korrespondierende elektrische Intensitätssignale umgesetzt, aus denen ein Messsignal abgeleitet wird. Dieses Messsignal ist ein Maß für die Änderung der Polarisation des Lichtsignals in dem Sensorelement unter dem Einfluss der zu messenden elektrischen Größe.
• Beispielsweise mit der DE 196 01 727 C1 wird ein magnetooptischer Stromwandler mit zweikanaliger Auswertung offenbart. Es wird auch beschrieben, wie das Messsignal aus den beiden Lichtteilsignalen LT1 und LT2 bzw. aus den daraus ermittelten elektrischen (Intensitäts-)Signalen S1 und S2 zu berechnen ist. Das Messsignal M wird als Quotient aus einer Differenz und der Summe der beiden elektrischen Signale S1 und S2 entsprechend:
  
  
  gebildet. Bei Vernachlässigung von Störeinflüssen ist dieses Messsignal M gleich:
  
  M = sin(2ρ) = sin(2.N.V.I), (2)
  
  wobei p den sog. Faraday-Drehwinkel bezeichnet. Der Faraday- Drehwinkel p entspricht hierbei dem Winkel, um den die Polarisation des Lichtsignals aufgrund des zu detektierenden elektrischen Stroms I in dem Faraday-Element gedreht wird. Er ist gemäß der Beziehung:
  
  ρ = 2.N.V.I (3)
  
  im wesentlichen direkt proportional zur Amplitude des zu messenden Stroms I. Außerdem steht in Gleichung (3) N für die Zahl der Umläufe des Lichtsignals um einen vom zu messenden Strom I durchflossenen Stromleiter und V für die sogenannte Verdet-Konstante V. Bei der Verdet-Konstante V handelt es sich um eine im allgemeinen vom Material und der Temperatur abhängige Kenngröße des Faraday-Elements.
• Das Faraday-Element kann bei den bekannten Ausführungsformen eines magnetooptischen Wandlers als massiver den Stromleiter umschließender Glasring ausgebildet sein. Alternativ ist aber auch eine um den Stromleiter gewickelte Spule aus einer lichtleitenden Faser (Faserspule) mit wenigstens einer Windung möglich.
• Mit der EP 0 799 426 B1 wird ein weiterer magnetooptischer Stromwandler offenbart, der im Gegensatz zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform eine gegenläufige Lichteinspeisung aufweist. Diese Art der Lichteinspeisung ist besonders dann von Vorteil, wenn für die Messgenauigkeit ungünstige Vibrationseinflüsse beispielsweise auf die zuführenden Lichtwellenleitern oder auch auf das Faraday-Element selbst, reduziert werden sollen. Zwei Lichtsignale werden dabei gegenläufig, d. h. in entgegengesetzten Richtungen durch ein Faraday- Element geschickt. Dieser Maßnahme liegt der Gedanke zugrunde, dass die von den beiden Lichtsignalen auf ihrem gemeinsamen Lichtweg erfahrene lineare Doppelbrechung infolge von Vibrationen als reziproker Effekt von dem nicht-reziproken Faraday-Effekt durch geeignete Signalverarbeitung unterschieden werden kann.
• Die beiden Lichtsignale durchlaufen also eine optische Reihenschaltung aus einer ersten Lichtleitfaser, einem ersten Polarisator, einem Faraday-Element, einem zweiten Polarisator und einer zweiten Lichtleitfaser in zueinander entgegengesetztem Umlaufsinn. Beide Lichtsignale werden nach Passieren der optischen Reihenschaltung mittels photoelektrischer Wandler in jeweils ein elektrisches Signal umgewandelt. Aus den so erzeugten elektrischen Signalen wird mittels einer Formelbeziehung, die vergleichbar der in Gleichung (1) angegebenen ist, wiederum ein Messsignal für den zu erfassenden elektrischen Strom abgeleitet. Bei dem in der EP 0 799 426 B1 beschriebenen magnetooptischen Stromwandler sind spezielle Winkelstellungen zwischen den Eigenachsen des Faraday-Elements und der Polarisatoren vorgesehen, um den unerwünschten vibrations- oder temperaturbedingten Einfluss auf die Lichtintensitäten in den zuführenden Lichtleitfasern möglichst weitgehend zu unterdrücken.
• Obwohl bereits sehr viele Maßnahmen zur Erhöhung der Messgenauigkeit einer polarimetrischen Sensoreinrichtung beschrieben worden sind, ist eine unerwünschte Störbeeinflussung des Lichtsignals insbesondere auf dem zwischen dem Ausgangspolarisator und dem photoelektrischen Wandler verlaufenden Teil des Lichtpfads nicht vollkommen ausgeschlossen. Nach Passieren des Ausgangspolarisators trägt das Lichtsignal die Messinformation in Form einer Intensitätsmodulation, so dass eine hier eingreifende störgrößenbedingte zusätzliche Intensitätsbeeinflussung unmittelbar die Messgenauigkeit verschlechtern kann. Eine denkbare Quelle für eine solche unerwünschte zusätzliche Intensitätsbeeinflussung ist ein innerhalb dieses Teil des Lichtpfads auftretendes polarisierendes Verhalten, das beispielsweise durch die verwendeten Komponenten oder die Art ihrer Verbindung bedingt sein kann. Auch die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eines magnetooptischen Wandlers mit zweikanaliger Auswertung oder mit gegenläufiger Lichteinspeisung vermögen diese Störung nicht oder nur unvollkommen zu kompensieren.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die die durch einen unbeabsichtigten Polarisationseffekt hervorgerufenen Messfehler vermeiden oder zumindest weitestgehend unterdrücken.
• Zur Lösung der Aufgabe werden ein Verfahren und eine Anordnung zur optischen Erfassung einer Messgröße entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 6 angegeben.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist gekennzeichnet dadurch, dass das erste Lichtsignal nach dem Passieren des zweiten Polarisators depolarisiert wird.
• Die erfindungsgemäße Anordnung ist gekennzeichnet durch erste Depolarisationsmittel, die bezogen auf die Laufrichtung des ersten Lichtsignals nach dem zweiten Polarisator in die optische Reihenschaltung eingefügt sind.
• Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass ein weiterer eigentlich unerwünschter Polarisationseffekt, der in dem zwischen dem zweiten Polarisator (= Analysator) und dem photoelektrischen Wandler liegenden Teil des Lichtpfads auftritt, dann keinen Einfluss auf die Lichtintensität und damit auf die Messgenauigkeit hat, wenn das Lichtsignal diesen Teil des Lichtpfads unpolarisiert durchläuft.
• Beim Austreten aus dem zweiten Polarisator ist das erste Lichtsignal sowohl in seiner Intensität mit der Messinformation codiert als auch in der Vorzugsebene des zweiten Polarisators polarisiert. Für die Funktion des Faraday-Elements insgesamt ist nur die zuerst genannte Intensitätscodierung von Bedeutung, da sie die Messinformation trägt. Die Polarisation des ersten Lichtsignals ist dagegen in dem dem Analysator nachgeschalteten Teil des Lichtpfads nicht unbedingt erforderlich. Sie ergibt sich zwangsläufig aufgrund der Verwendung von Polarisatoren zur polarimetrischen Auswertung des Sensor-Elements. Allerdings kann diese Polarisation in Verbindung mit einem in diesem Teil des Lichtpfads auftretenden weiteren eigentlich unbeabsichtigten Polarisationseffekt zu einer zusätzlichen Intensitätsbeeinflussung und damit zu einer Beeinträchtigung der Messgenauigkeit führen.
• Für einen derartigen weiteren eigentlich unbeabsichtigten Polarisationseffekt kommen insbesondere folgenden Ursachen in Betracht. Eine erste mögliche Ursache ist eine polarisationsabhängige Lichtauskopplung an einer Stelle mit einer starken Biegung einer für die zweite optische Übertragungsstrecke beispielsweise eingesetzten Lichtleitfaser. Weiterhin kann ein zur Lichtdirektion verwendeter optischer Koppler ein polarisationsabhängiges Teilerverhältnis haben. Schließlich ist auch eine polarisationsabhängige Reflexion oder Brechung an einem Übergang zwischen fasergebundener Lichtführung und einer Freistrahl-Lichtführung vorstellbar. Ein solcher Übergang kann beispielsweise bei der Einkopplung des ersten Lichtstrahls in den photoelektrischen Wandler auftreten.
• Um das nach Austritt aus dem zweiten Polarisator polarisierte erste Lichtsignal in einen unpolarisierten Zustand zu überführen und damit den störenden Einfluss eines gegebenenfalls vorhandenen weiteren eigentlich unbeabsichtigten Polarisationseffekts auszuschließen, ist ein Depolarisator vorgesehen. Dieser kann dabei unmittelbar im Anschluss an den zweiten Polarisator angeordnet sein. Grundsätzlich kann er sich aber auch an einer anderen Stelle in dem dem zweiten Polarisator nachgeschalteten Teil des Lichtpfads des ersten Lichtsignals befinden. Entscheidend ist hierbei lediglich, dass das erste Lichtsignal depolarisiert wird, ehe es den Bereich mit dem weiteren eigentlich unbeabsichtigten Polarisationseffekt passiert.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
• Vorzugsweise wird auch ein zweites Lichtsignal in die optische Reihenschaltung eingespeist. Die Durchlaufrichtung des zweiten Lichtsignals ist dabei der des ersten Lichtsignals entgegengesetzt. Mit einer gegenläufigen Lichteinspeisung zweier Lichtsignale lassen sich unerwünschte beispielsweise temperatur- oder vibrationsbedingte Dämpfungseinflüsse besonders gut kompensieren.
• Günstig ist es weiterhin, wenn auch das in zum ersten Lichtsignal entgegengesetzter Richtung umlaufende zweite Lichtsignal nach dem Passieren des Analysators, der im Fall des zweiten Lichtsignals durch den ersten Polarisator gebildet wird, depolarisiert wird. Damit ergeben sich auch für das zweite Lichtsignal die gleichen Vorteile hinsichtlich eines gegebenenfalls vorhandenen weiteren eigentlich unbeabsichtigten Polarisationseffekts, die bereits im Zusammenhang mit dem ersten Lichtsignal beschrieben worden sind.
• Insbesondere, wenn das erste und das zweite Lichtsignal durch Strahlaufteilung mittels eines optischen Kopplers aus dem von einer einzigen Lichtquelle emittierten Lichtsignal erzeugt werden, lässt sich durch die Verwendung eines weiteren Depolarisators eine besonders exakte Aufteilung in das erste und das zweite Lichtsignal mit jeweils gleicher Lichtintensität erreichen. Der Depolarisator ist dabei insbesondere zwischen die Lichtquelle und den optischen Koppler geschaltet. Die Depolarisation erfolgt also, noch bevor das erste und das zweite Lichtsignal die optische Reihenschaltung durchlaufen. Es wird unabhängig von dem von der Lichtquelle emittierten Polarisationszustand stets ein unpolarisiertes Lichtsignal in den optischen Koppler eingespeist. Selbst, wenn der optische Koppler ein polarisationsabhängiges Teilerverhältnis aufweisen sollte, erhält man dann dennoch eine exakte Aufteilung in zwei Lichtsignale mit gleicher Lichtintensität.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den von Anspruch 6 abhängigen Ansprüchen. Die Vorteile der Ausgestaltungen der Anordnung entsprechen dabei im Wesentlichen denjenigen, die bereits im Zusammenhang mit den korrespondierenden Ausgestaltungen des Verfahrens beschrieben worden sind.
• Die mit dem Verfahren und der Anordnung optisch erfasste Messgröße kann in weiten Schranken variieren. Beispielsweise kann es sich um einen elektrischen Strom, ein Magnetfeld, eine elektrische Spannung oder ein elektrisches Feld handeln. Andere Messgrößen sind ebenfalls möglich. Dementsprechend kann auch das Sensor-Element unterschiedliche Gestalt annehmen. Bei der Erfassung eines elektrischen Stroms oder eines Magnetfelds kann ein Faraday-Element, bei der Erfassung einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Felds ein Pockels-Element, bei der Erfassung einer anderen Messgröße ein auf diese Messgröße abgestimmtes Sensor-Element zum Einsatz kommen.
• Aufgrund der mittels der Depolarisation erreichten hohen Messgenauigkeit eignen sich das Verfahren und die Anordnung neben der Erfassung einer Wechsel-Messgröße insbesondere auch sehr gut für die Erfassung einer Gleich-Messgröße.
• Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele des Verfahrens und der Anordnung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt und gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im einzelnen zeigen die:
• Fig. 1 eine erste Anordnung zur optischen Erfassung eines elektrischen Stroms und
• Fig. 2 eine zweite Anordnung zur optischen Erfassung eines elektrischen Stroms.
• Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen versehen.
• In den Fig. 1 und 2 ist jeweils eine Anordnung 100 bzw. 200 zur optischen Erfassung einer als elektrischer Strom I oder als vom Strom I induktiv erzeugtem Magnetfeld H ausgebildeten Messgröße dargestellt. Die Anordnungen 100 und 200 umfassen jeweils ein als Faraday-Element 3 ausgebildetes Sensor-Element, zwei optische Übertragungsstrecken 4 und 7, zwei Polarisatoren 5 und 6, zwei Depolarisatoren 50 und 60 eine Lichtquelle 10, drei optische Koppler 11, 12 und 13 sowie Auswertemittel 20.
• Das Faraday-Element 3 besteht aus wenigstens einem den magnetooptischen Faraday-Effekt zeigenden Material. Unter dem Einfluss eines das Faraday-Element 3 wenigstens teilweise durchdringenden Magnetfelds H wird die Polarisation von durch das Faraday-Element 3 laufendem polarisierten Licht aufgrund des Faraday-Effekts geändert.
• Das Faraday-Element 3 kann in an sich bekannter Weise mit einem oder mehreren massiven Körpern, vorzugsweise aus Glas, oder auch mit mindestens einer optischen Faser ausgebildet sein. Das Faraday-Element 3 von Fig. 1 ist ein massiver Glasring, der einen von einem Strom I durchflossenen Stromleiter 2 umgibt. Der Strom I verursacht dabei das von dem Faraday-Element 3 detektierte Magnetfeld H. Das Faraday-Element 3 weist zwei optische Anschlüsse 3A und 3B derart auf, dass an einem Anschluss 3A oder 3B eingekoppeltes Licht das Faraday-Element 3 durchläuft und am jeweils anderen Anschluss 3B bzw. 3A wieder ausgekoppelt wird. Der erste Anschluss 3A des Faraday-Elements 3 ist über den ersten Polarisator 5 und den ersten Depolarisator 50 mit einem Ende der ersten optischen Übertragungsstrecke 4 optisch gekoppelt. Der zweite Anschluss 3B des Faraday-Elements 3 ist über den zweiten Polarisator 6 und den zweiten Depolarisator 60 mit einem Ende der zweiten optischen Übertragungsstrecke 7 optisch gekoppelt. Das von dem Faraday-Element 3 abgewandte andere Ende der ersten Übertragungsstrecke 4 ist über den optischen Koppler 12 sowohl mit dem weiteren optischen Koppler 11 als auch mit den Auswertemitteln 20 optisch verbunden. Das von dem Faraday-Element 3 abgewandte andere Ende der zweiten Übertragungsstrecke 7 ist über den optischen Koppler 13 ebenfalls sowohl mit dem optischen Koppler 11 als auch mit den Auswertemitteln 20 optisch verbunden. Der optische Koppler 11 ist mit der Lichtquelle 10 optisch verbunden und teilt das von der Lichtquelle 10 emittierte Licht L in zwei Lichtsignale L1 und L2 auf, die den Kopplern 12 bzw. 13 zugeführt werden und dann in die erste bzw. zweite Übertragungsstrecke 4 bzw. 7 eingekoppelt werden. Beide Lichtsignale L1 und L2 durchlaufen die optische Reihenschaltung aus erster Übertragungsstrecke 4, erstem Depolarisator 50, erstem Polarisator 5, Sensoreinrichtung 3, zweitem Polarisator 6, zweitem Depolarisator 60 und zweiter Übertragungsstrecke 7 in zueinander entgegengesetzten Durchlaufrichtungen. Die Lichtquelle 10 und die drei optischen Koppler 11, 12 und 13 bilden somit Mittel zum Senden von zwei gegensinnig die Reihenschaltung durchlaufenden Lichtsignalen L1 und L2 durch die Reihenschaltung.
• Die Koppler 11, 12 und 13 können wenigstens teilweise auch durch optische Strahlteiler ersetzt werden. Außerdem können auch anstelle des Kopplers 11 und der einen Lichtquelle 10 auch zwei Lichtquellen vorgesehen sein, die jeweils ein Lichtsignal L1 bzw. L2 senden. Andere Realisierungen sind ebenfalls möglich.
• Das erste Lichtsignal L1 wird nach Durchlaufen der ersten Übertragungsstrecke 4 und des ersten Depolarisators 50 von dem ersten Polarisator 5 linear polarisiert und am Anschluss 3A in das Faraday-Element 3 eingespeist. Beim Durchlaufen des Faraday-Elements 3 wird die Polarisationsebene des linear polarisierten ersten Lichtsignals L1 um einen vom Magnetfeld H abhängigen Faraday-Messwinkel p gedreht. Das in seiner Polarisationsebene gedrehte erste Lichtsignal L1 wird dem zweiten Polarisator 6 zugeführt. Der zweite Polarisator 6 lässt nur den auf seine Polarisationsachse projizierten Anteil des ankommenden ersten Lichtsignals L1 durch und hat somit für das erste Lichtsignal L1 die Funktion eines Polarisationsanalysators. Der vom zweiten Polarisator 6 transmittierte Anteil des ersten Lichtsignals L1 wird im zweiten Depolarisator 60 depolarisiert sowie über die zweite Übertragungsstrecke 7 und den Koppler 13 zu den Auswertemitteln 20 übertragen.
• Das zweite Lichtsignal L2 passiert zunächst die zweite Übertragungsstrecke 7 und den zweiten Depolarisator 60 und wird sodann von dem zweiten Polarisator 6 linear polarisiert. Das linear polarisierte zweite Lichtsignal L2 wird am Anschluss 3B in das Faraday-Element 3 eingekoppelt. Beim Durchlaufen des Faraday-Elements 3 wird die Polarisationsebene des linear polarisierten zweiten Lichtsignals L2 um einen vom Magnetfeld H abhängigen Faraday-Messwinkel -ρ gedreht, der wegen der nicht-reziproken Eigenschaft des Faraday-Effekts das entgegengesetzte Vorzeichen und den gleichen Betrag wie beim ersten Lichtsignal L1 hat. Das in seiner Polarisationsebene gedrehte zweite Lichtsignal L2 wird dem ersten Polarisator 5 zugeführt. Der erste Polarisator 5 lässt nur den auf seine Polarisationsachse projizierten Anteil des ankommenden zweiten Lichtsignals L2 durch und wirkt somit für das zweite Lichtsignal L2 als Polarisationsanalysator. Der vom ersten Polarisator 5 transmittierte Anteil des zweiten Lichtsignals L2 wird im ersten Depolarisator 50 depolarisiert sowie über die erste Übertragungsstrecke 4 und den Koppler 12 zu den Auswertemitteln 20 übertragen.
• Die Polarisationsachsen (Transmissionsachsen) der beiden Polarisatoren 5 und 6 schließen einen Winkel α zueinander ein, der ungleich einem ganzzahligen Vielfachen von 180° oder π ist. Die Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren 5 und 6 sind somit nicht parallel zueinander.
• In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist dieser Winkel α zwischen den Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren 5 und 6 zumindest annähernd gleich +45° oder -45° bzw. +π/4 bzw. -π/4. Der Arbeitspunkt bei verschwindender Messgröße (H = 0 oder I = 0) ist dann in einem Bereich mit optimaler Linearität und Messempfindlichkeit eingestellt.
• Die Lichtintensitäten I1 und I2 der beiden Lichtsignale L1 bzw. L2 werden vor dem Einkoppeln in die Reihenschaltung im allgemeinen in einem fest vorgegebenen Verhältnis zueinander eingestellt. Vorzugsweise sind beide Lichtintensitäten gleich, also I1 = I2. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform teilt der Koppler 11 das Licht L der Lichtquelle 10 dann in zwei gleiche Teile mit einem Kopplungsverhältnis 50%. 50%.
• Beim Durchlaufen der beiden Übertragungsstrecken 4 und 7 erfahren beide Lichtsignale L1 und L2 jeweils im Wesentlichen die gleichen Intensitätsänderungen, die insbesondere durch Dämpfungsverluste infolge von mechanischen Vibrationen verursacht werden können. Diese Intensitätsänderungen gehen im wesentlichen in Form von Dämpfungsfaktoren in die Lichtintensitäten I1 und I2 ein. Der reelle, im allgemeinen zeitabhängige Dämpfungsfaktor einer optischen Übertragungsstrecke ist definiert als das Verhältnis der Lichtintensität von an einem Ende der Übertragungsstrecke ankommendem Licht zu der Eingangslichtintensität des Lichts beim Einkoppeln in das andere Ende der Übertragungsstrecke. Bei A der reelle Dämpfungsfaktor der ersten Übertragungsstrecke 4 und B der Dämpfungsfaktor der zweiten Übertragungsstrecke 7. Dann gelten für die Lichtintensitäten I1 und I2 der beiden Lichtsignale L1 und L2 nach Durchlaufen der optischen Reihenschaltung die allgemeinen Beziehungen:
  
  I1 = I0.A.B.cos²(ρ + α) (4)
  
  I2 = K.I0.B.A.cos²(ρ - α). (5)
  
  I0 ist eine fest vorgegebene Ausgangsintensität. K ist ein Kopplungsfaktor, der sich in der dargestellten Ausführungsform aus den Kopplungsverhältnissen der Koppler 11, 12 und 13 ergibt. Wenn die Kopplungsverhältnisse aller Koppler 11, 12 und 13 jeweils 50% : 50% sind, ist K = 1. Die cos²-Terme in den Gleichungen (4) und (5) beschreiben die Abhängigkeit der Lichtintensität I1 bzw. I2 von dem Faraday-Messwinkel ρ für einen vorgegebenen Winkel α zwischen den beiden Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren 5 und 6. Die Faktoren vor den cos²-Termen in den Ausdrücken für die beiden Lichtintensitäten 11 und 12 gemäß den Gleichungen (4) und (5) unterscheiden sich nur in dem Kopplungsfaktor K.
• Die Dämpfungsfaktoren A und B der Übertragungsstrecken 4 und 7 werden nun eliminiert, indem die Auswertemittel 20 als Messsignal M für das Magnetfeld H ein Quotientensignal der Gestalt
  
  M = (a.I1 + b.I2 + c)/(d.I1 + e.I2 + f) (6)
  
  aus zwei linearen Funktionen a.I1 + b.I2 + c und d.I1 + e.I2 + f der beiden Lichtintensitäten I1 und I2 mit den reellen Koeffizienten a, b, c, d, e und f ableiten. Dabei sind wenigstens entweder die Koeffizienten a und e oder die Koeffizienten b und d von Null verschieden.
• Das Messsignal M gemäß Gleichung (6) ist von insbesondere vibrationsbedingten Intensitätsänderungen in den Übertragungsstrecken 4 bzw. 7 praktisch unabhängig. Somit können auch einfache, vergleichsweise preiswerte Telekommunikationslichtfasern (Multimode-Fasern) für die Übertragungsstrecken 4 und 7 verwendet werden, da deren relativ hohe Dämpfungen und Vibrationsempfindlichkeiten im Messsignal M kompensiert sind. Für die Übertragungsstrecken 4 und 7 können aber auch andere Lichtwellenleiter oder Freistrahlanordnungen verwendet werden.
• Die Koeffizienten a, b, c, d, e und f der linearen Funktionen im Zähler und Nenner von Gleichung (6) können insbesondere auch unterschiedlichen Eingangsintensitäten der beiden Lichtsignale beim Einkoppeln in die Reihenschaltung angepasst werden. Vorzugsweise werden die Koeffizienten a, b, c, d, e und f für die gemäß den Gleichungen (4) und (5) bestimmten Lichtintensitäten 11 und 12 so angepasst, dass sich ohne Berücksichtigung von linearen Doppelbrechungseffekten in dem Faraday-Element 3 ein Messsignal
  
  M ~ sin(2ρ) (7)
  
  ergibt, das im wesentlichen proportional zum Sinus des doppelten Faraday-Messwinkels ρ ist (vergleiche die für eine nur einseitige Einspeisung allerdings mit Zweikanal-Auswertung angegebene Gleichung (2)). Die Koeffizienten d, e und f der linearen Funktion d.I1 + e.I2 + f im Nenner des Quotienten gemäß Gleichung (6) werden vorzugsweise so eingestellt, dass die lineare Funktion d.II + e.I2 + f praktisch konstant und damit unabhängig vom Magnetfeld H ist.
• Sonderfälle für die Bestimmung des Messsignals M sind möglich, beispielsweise mit Koeffizienten a = e = 1 und b = c = d = f = 0 oder a = c = e = f = 0 und b = d = 1 oder a = d = e = 1, b = -1 und c = f = 0.
• Das von den Dämpfungsfaktoren A und B der Übertragungsstrecken 4 und 7 befreite Messsignal M kann von den Auswertemitteln 20 auf verschiedene Arten aus den beiden Lichtintensitäten I1 und I2 der beiden gegenläufigen Lichtsignale L1 und L2 abgeleitet werden. Im allgemeinen wird das erste und das zweite Lichtsignal L1 bzw. L2 zunächst mittels photoelektrischer Wandler 21 bzw. 22, beispielsweise in Form von Photodioden, in jeweils ein elektrisches Intensitätssignal S1 bzw. S2 umgewandelt. Das elektrische Intensitätssignal S1 oder S2 ist dann ein direktes Maß für die Lichtintensität I1 bzw. I2 des zugehörigen Lichtsignals L1 bzw. L2. Aus beiden elektrischen Intensitätssignalen S1 und S2 wird das Messsignal M mit Hilfe einer Wertetabelle oder auch rechnerisch bestimmt. Die Auswertemittel 20 enthalten dazu entsprechende in einer Verarbeitungseinheit 23 vorgesehene analoge oder digitale Bausteine. In der Verarbeitungseinheit 23 können die beiden elektrischen Intensitätssignale S1 und S2 auch mittels eines Analog/Digital-Wandlers digitalisiert und dann in digitalisierter Form von einem Mikroprozessor oder einem digitalen Signalprozessor gemäß der Gleichung (6) weiterverarbeitet werden.
• Durch Anpassen der Koeffizienten a, b, c, d, e und f beim gemäß Gleichung (6) gebildeten Messsignal M können insbesondere auch unterschiedliche Empfindlichkeiten der beiden photoelektrischen Wandler 21 und 22 ausgeglichen werden.
• Die Auswertemittel 20 leiten aus den Lichtintensitäten I1 und I2 der beiden Lichtsignale L1 bzw. L2 nach Durchlaufen der optischen Reihenschaltung ein Messsignal M für die Messgröße (elektrischer Strom I oder Magnetfeld H) ab, das von Intensitätsänderungen in den beiden Übertragungsstrecken 4 und 7 weitgehend unabhängig ist.
• Mittels der gegenläufigen Einspeisung der beiden Lichtsignale L1 und L2 können wie vorstehend beschrieben zwar viele der auf die optische Reihenschaltung und insbesondere auf die beiden Übertragungsstrecken einwirkenden Störeinflüsse eliminiert werden, es gibt aber weiterhin Störungen, die nicht ohne weiteres kompensiert werden können. Das Prinzip der gegenläufigen Lichteinspeisung geht nämlich davon aus, dass die beiden Lichtsignale L1 und L2 jeweils genau die gleichen Störbeeinflussungen erfahren und somit nachträglich eine Kompensation möglich ist.
• In der mit der EP 0 799 426 B1 offenbarten ursprünglichen Anordnung, die keine Depolarisatoren 50 und 60 beinhaltet, ist diese Annahme so jedoch nicht zu 100% erfüllt. So durchläuft das erste Lichtsignal L1 die erste Übertragungsstrecke 4 unpolarisiert und die zweite Übertragungsstrecke 7 polarisiert. Beim zweiten Lichtsignal L2 liegen genau umgekehrte Verhältnisse vor. Deshalb kann sich eine Störung durchaus unterschiedlich auf die beiden Lichtsignale L1 und L2 auswirken. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn es sich um eine Störung handelt, die abhängig vom Polarisationszustand des die Störstelle passierenden Lichtsignals L1 oder L2 eine unterschiedliche Wirkung entfaltet. Eine derartige Störung ist zum Beispiel ein eigentlich unbeabsichtigter Polarisationseffekt, der im Verlauf der optischen Reihenschaltung außerhalb des Faraday-Elements 3 und insbesondere in den Teilbereichen, die zwischen den beiden Polarisatoren 5 und 6 und den photoelektrischen Wandlern 21 und 22 verlaufen, auftritt. Mögliche Ursachen für einen solchen weiteren eigentlich unbeabsichtigten Polarisationseffekt sind vorstehend bereits genannt worden.
• Um diesen ungünstigen Einfluss, der zu einer nicht durch die Messgröße bedingten und damit die Messgenauigkeit verschlechternden Intensitätsveränderung der beiden Lichtsignale L1 und L2 führt, zu verhindern, sind die beiden Depolarisatoren 50 und 60 zusätzlich mit in der optischen Reihenschaltung vorgesehen. Sie bewirken, dass die beiden nach Durchlaufen des Faraday-Elements 3 und des nachfolgenden Analysators in Form des zweiten bzw. des ersten Polarisators 6 bzw. 5 polarisierten Lichtsignale L1 und L2 wieder depolarisiert werden. Beide Lichtsignale L1 und L2 passieren dann den verbleibenden Lichtpfad bis zu dem jeweiligen photoelektrischen Wandler 21 bzw. 22 als unpolarisiertes Lichtsignal. Ein gegebenenfalls vorhandener weiterer eigentlich unbeabsichtigter Polarisationseffekt hat dann keine negative Auswirkung auf die durch die Messgröße bedingte Intensitätscodierung der beiden Lichtsignale L1 und L2 mehr. Dadurch wird die Messgenauigkeit erhöht.
• Die beiden zur gezielten Depolarisation der Lichtsignale L1 und L2 vorgesehenen Depolarisatoren 50 und 60 können insbesondere als faseroptische Lyot-Depolarisatoren ausgebildet sein, die insbesondere im Falle faseroptisch ausgeführter Übertragungsstrecken 4 und 7 auf einfache Weise in die optischen Zuführungsleitungen eingespleisst werden können.
• Grundsätzlich kann auch durch eine sehr sorgfältige Auswahl der für die Anordnung 100 eingesetzten optischen Komponenten und durch einen genau kontrollierten Zusammenbau der Komponenten erreicht werden, dass sich kein weiterer eigentlich unbeabsichtigter Polarisationseffekt nebst seiner negativen Auswirkungen einstellt. Die einzelnen Komponenten wie die beispielsweise für die Übertragungsstrecken 4 und 7 eingesetzten Lichtleitfasern, die Koppler 11, 12 und 13, die photoelektrischen Wandler 21 und 22, die Lichtquelle 10 und gegebenenfalls außerdem eingesetzte lösbare optische Steckverbindungen sind dabei insbesondere so auszuwählen, dass sie keinerlei polarisierendes Verhalten aufweisen. Bei dem Einsatz einer Lichtleitfaser ist weiterhin darauf zu achten, dass es bei der Verlegung zu keinen Biegungen mit sehr geringem Krümmungsradius kommt. Typischerweise sollte der Krümmungsradius größer als 5 mm sein. Der bei verschwindender Messgröße durch die gesamte Anordnung 100 verursachte Polarisationsgrad darf dann höchstens den Wert der maximal zulässigen Arbeitspunktdrift des Faraday-Elements 3 bezogen auf den maximalen Messbereich des auf ±1 normierten Messsignals M annehmen. Ein unerwünschter Polarisationsgrad von 1% würde zu einem Messfehler von ebenfalls 1% führen. Da eine so genaue Komponentenauswahl und Überwachung bei der Montage aber mit erheblichem Aufwand verbunden sind, ist die in der Anordnung 100 von Fig. 1 vorgesehene Verwendung der Depolarisatoren 50 und 60 günstiger.
• In Fig. 2 ist eine andere Anordnung 200 zur optischen Erfassung eines in einem Stromleiter 2 fließenden elektrischen Stroms I gezeigt. Die Anordnung 200 unterscheidet sich nur in einigen Details von der Anordnung 100.
• Ein erster Unterschied liegt in der Verwendung eines dritten Depolarisators 70, der im Lichtpfad zwischen der Lichtquelle 10 und dem Koppler 11 angeordnet ist und der ebenfalls beispielsweise als faseroptischer Lyot-Depolarisator ausgebildet ist. Wie aus der Gleichung (5) zu entnehmen ist, gehen mit der Größe K auch die Kopplungsverhältnisse der Koppler 11, 12 und 13 in die Ermittlung des Messsignals M ein und können demzufolge auch die Ursache für einen Messfehler sein. Insbesondere kann der Koppler 11 zu einer ungleichmäßigen und gegebenenfalls auch variierenden Aufteilung des von der Lichtquelle 10 emittierten Lichts L auf die beiden Lichtsignale L1 und L2 führen, wenn das von der Lichtquelle 10 erzeugte Licht L einen zumindest sehr geringen Polarisationsgrad aufweist - was bei einer Ausführungsform als Halbleiter-Lichtquelle eher die Regel, als die Ausnahme ist - und das Teilerverhältnis des Kopplers 11 polarisationsabhängig ist.
• Der dritte Depolarisator 70 stellt sicher, dass dem Koppler 11 unabhängig vom gegebenenfalls polarisierenden Verhalten der Lichtquelle 10 stets unpolarisiertes Licht L zugeführt wird und es somit zu keiner unerwünschten Veränderung des Teilerverhältnisses im Koppler 11 kommt.
• Anders als die Anordnung 100 ist das Faraday-Element 3 der Anordnung 200 nicht als Glasring, sondern als Faserspule ausgebildet. Dies ändert aber nichts an dem vorstehend beschriebenen grundsätzlichen Verhalten.
• Weiterhin sind bei der Anordnung 200 ein Teil der verwendeten Komponenten zu einer Sende/Empfangseinheit 30 und ein anderer Teil der verwendeten Komponenten zu einem Sensorkopf 40 zusammengefasst. Die Sende/Empfangseinheit 30 und der Sensorkopf 40 können dann an verschiedenen Orten angeordnet sein, die insbesondere auch auf unterschiedlichem elektrischen Potential liegen können. Die Potentialdifferenz wird dann auf einfache Weise mittels der die Sende/Empfangseinheit 30 und den Sensorkopf 40 verbindenden optischen Übertragungsstrecken 4 und 7 überbrückt.
• Die Ausführungsbeispiele der Fig. 1 und 2 sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen. Es sind auch andere Ausgestaltungen möglich, die beispielsweise anstelle des elektrischen Stroms I oder anstelle des Magnetfelds H eine andere Messgröße erfassen. Ebenso ist die Erfindung nicht auf die in den Anordnungen 100 und 200 gezeigte gegenläufige Einspeisung der beiden Lichtsignale L1 und L2 beschränkt. Auch hier sind andere Alternativen möglich, insbesondere auch eine Einspeisung nur eines Lichtsignals, wobei eine ein- oder zweikanalige Auswertung vorgesehen sein kann. Das besonders günstige Verhalten eines Depolarisators, der zusätzlich in dem Teil des Lichtpfads vorgesehen ist, der dem als Polarisationsanalysator wirkenden Polarisator nachgeschaltet ist, kommt auch bei den alternativen Ausführungsformen zum Tragen.

Claims (9)

1. Verfahren zur optischen Erfassung einer Messgröße (I, H), bei dem mindestens

a) ein erstes Lichtsignal (L1) in eine optische Reihenschaltung mit einer ersten optischen Übertragungsstrecke (4), einem ersten Polarisator (5), einem Sensor-Element (3), einem zweiten Polarisator (6) und einer zweiten optischen Übertragungsstrecke (7) eingespeist wird,

b) das erstes Lichtsignal (L1) beim Passieren des Sensor- Elements (3) unter dem Einfluss der Messgröße (I, H) in einem Polarisationszustand verändert wird,

c) die Veränderung des Polarisationszustands beim Passieren des zweiten Analysators (6) in eine Intensitätsvariation des ersten Lichtsignals (L1) umgesetzt wird und

d) aus der Intensitätsvariation des Lichtsignals (L1) nach einer photoelektrischen Wandlung ein Messsignal (M) für die Messgröße (I, H) abgeleitet wird,

dadurch gekennzeichnet, dass

a) das erste Lichtsignal (L1) nach dem Passieren des zweiten Polarisators (6) depolarisiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein zweites Lichtsignal (L2) in die optische Reihenschaltung in zur Durchlaufrichtung des ersten Lichtsignals (L1) entgegengesetzten Richtung eingespeist wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das zweite Lichtsignal (L2) nach dem Passieren des ersten Polarisators (5) depolarisiert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Lichtsignal (L1) vor Durchlaufen der optischen Reihenschaltung depolarisiert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein zweites Lichtsignal (L2) vor Durchlaufen der optischen Reihenschaltung depolarisiert wird.

6. Anordnung zur optischen Erfassung einer Messgröße (I, H) umfassend mindestens

a) eine optische Reihenschaltung mit einer ersten optischen Übertragungsstrecke (4), einem ersten Polarisator (5), einem Sensor-Element (3), einem zweiten Polarisator (6) und einer zweiten optischen Übertragungsstrecke (7),

b) Sendemittel (10, 11, 12, 13) zum Senden eines ersten Lichtsignals (L1) durch die Reihenschaltung, wobei das erste Lichtsignal (L1) beim Passieren des Sensor-Elements (3) unter dem Einfluss der Messgröße (I, H) eine Veränderung in einem Polarisationszustand erfährt, die beim anschließenden Passieren des zweiten Polarisators (6) zu einer Intensitätsvariation im ersten Lichtsignal (L1) führt,

c) Wandlungsmittel (21) zur photoelektrischen Umwandlung des ersten Lichtsignals (L1) in ein erstes elektrisches Signal (S1) nach dem Passieren der optischen Reihenschaltung und

d) Auswertemittel (20) zum Ableiten eines Messsignals (M) für die Messgröße (I, H) aus dem ersten elektrischen Signal (S1),

gekennzeichnet durch

a) Depolarisationsmittel (60), die bezogen auf die Laufrichtung des ersten Lichtsignals (L1) nach dem zweiten Polarisator (6) in die optische Reihenschaltung eingefügt sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, bei dem die Sendemittel (10, 11, 12, 13) zum Senden eines zweiten Lichtsignals (L2) durch die Reihenschaltung in zur Durchlaufrichtung des ersten Lichtsignals (L1) entgegengesetzten Richtung ausgebildet sind.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, bei dem weitere Depolarisationsmittel (50), die bezogen auf die Laufrichtung des ersten Lichtsignals (L1) vor dem ersten Polarisator (5) in die optische Reihenschaltung eingefügt sind.

9. Anordnung nach einem Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Sendemittel (10, 11, 12, 13) dritte Depolarisationsmittel (70) umfassen.