DE19638645A1 - Nach dem Prinzip des Pockels-Effekt arbeitende optische Meßvorrichtung für elektrische Feldstärke-/Spannungsmessung mit minimaler Temperaturabhängigkeit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mit elektri­ scher Doppelbrechung arbeitende optische Vorrichtung zur Mes­ sung elektrischer Spannungen bzw. Feldstärken.

Spannungs-Meßvorrichtungen dieser Art sind bekannt aus z. B. DE-C 34 04 608, EP-B 0 083 196 und EP-A 0 458 255. Diese Druckschriften geben den technologischen Hintergrund und Hin­ weise auf konstruktive Ausführungen eines solchen nach dem Prinzip des Pockels-Effekts mit elektrooptischer Doppelbre­ chung arbeitenden Spannungsmessers. Solche Spannungsmesser werden vorzugsweise für den Bereich von Mittelspannungen und Hochspannungen verwendet, wobei die Möglichkeit optischer Si­ gnalübertragung zum Zwecke der elektrischen Isolation gegen­ über dem Masse-/Nulleiterpotential genutzt wird.

Bei Meßvorrichtungen der einschlägigen Art ist ein elektroop­ tisch aktives Element, ein ausgewählter Kristallkörper, dem zu messenden elektrischen Feld bzw. der elektrischen Spannung ausgesetzt. Elektrische Feldeinwirkung auf das Material des Kristallkörpers führt zu elektrisch induzierter Doppelbre­ chung, die abhängig ist vom Maß der im betreffenden Kri­ stallmaterial wirksamen elektrischen Feldstärke.

Ein solches Pockels-Element ist in den üblichen einschlägigen optischen Meßvorrichtungen in eine Reihenschaltung mit einem Zirkularpolarisator und einem polarisierenden Strahlungstei­ ler als Analysator eingefügt. Man läßt in einer solchen Vor­ richtung einen Meß-Lichtstrahl mit linearer Polarisation, bzw. der linear polarisiert worden ist zur zirkularen Polari­ sation durch einen 90°-Phasenschieber, durch das Pockels-Element und den Analysator hindurchtreten. Infolge des elek­ trooptischen Doppelbrechungseffekts erfolgt bei Einwirkung eines elektrischen Feldes im Pockels-Element eine feldstärke­ abhängige Doppelbrechung des hindurchtretenden Meß-Lichtstrahls, wodurch im allgemeinen elliptisch polarisiertes dicht aus dem Pockels-Element austritt. Im Analysator erfolgt eine von den Komponenten der Polarisation abhängige Auftei­ lung in zwei Teillichtstrahlen, deren voneinander im allge­ meinen verschieden hohe Lichtintensität ein Maß für die im Pockels-Element herrschende elektrische Feldstärke bzw. die an diesem Element anliegende elektrische Spannung ist. Opto­ elektronische Umsetzung mit entsprechenden Detektoren und elektronische Weiterverarbeitung der Intensitätssignale in jeweiliger Art und Weise sind bekannt.

Für die bei einer solchen bekannten Vorrichtung notwendige Erzeugung der Zirkularpolarisation des in das Pockels-Element eintretenden Lichtstrahls werden prinzipiell λ/4-Plättchen verwendet, die für die in das Plättchen eintretende Licht­ strahlung π/2-Phasenverschiebung haben. Das in das λ/4-Plättchen eingetretene linearpolarisierte Licht verläßt die­ ses Plättchen zirkularpolarisiert. Ein solches λ/4-Plättchen ist frequenzselektiv wirksam und seine temperaturabhängige Änderung der optischen Eigenschaften führt zu erheblicher Temperaturabhängigkeit einer solchen Meßvorrichtung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme an­ zugeben, mit der eine wesentlich höhere Temperaturunabhängig­ keit für eine wie oben beschriebene Meßeinrichtung zu erzie­ len ist.

Es sind zahlreiche Vorschläge bekannt geworden, wie durch Maßnahmen spezieller elektronischer Auswertung der Intensi­ tätssignale der erwähnten zwei Teillichtstrahlen des Analysa­ tors diese Aufgabe wenigstens teilweise befriedigend gelöst werden könnte.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das üb­ liche λ/4-Plättchen als 90°-Phasenschieber durch einen ande­ ren Phasenschieber ersetzt wird. Anspruchsgemäß ist dieser gemäß der Erfindung eingesetzte Phasenschieber ein (jahr­ hundertalter) bekannter Fresnel′scher Rhombus. Die Phasenver­ schiebung durch einen Fresnel′schen Rhombus ist über einen großen Bereich nahezu unabhängig von der Wellenlänge (siehe z. B. Eugene Hecht, Optik).

Erfindungsgemäß ist festgestellt worden, daß der ansich tech­ nisch aufwendigere Fresnel′sche Rombus mit so großem Vorteil, daß der technische Mehraufwand gerechtfertigt ist, zu verwen­ den ist, nämlich um die Temperaturabhängigkeit einer wie ein­ gangs angegebenen elektrooptischen Spannungsmeßvorrichtung um Größenordnungen geringer zu machen, als dies bei bekannten Anordnungen der Fall ist.

Es war überraschend festzustellen, daß mit dem Fresnel′schen Rhombus eine solche Temperaturunabhängigkeit einer entspre­ chend erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zu erreichen ist, daß die verbleibende Temperaturabhängigkeit bereits in der Grö­ ßenordnung liegt, die durch die sonstigen optischen Elemente, insbesondere das Pockels-Element, als untere Grenze gegeben ist.

Fig. 1 zeigt einen Aufbau einer Vorrichtung mit Fres­ nel′schem Rhombus.

Fig. 2 zeigt den Rhombus.

Fig. 3 zeigt das Ergebnis der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungs­ gemäßen Meßvorrichtung 1 mit dem Fresnel′schen Rhombus 14, dem Pockels-Element 15, dem Analysator 17 und einem Linear-Polarisator 11. letzterer ist dann vorgesehen, wenn die Meß-Lichtstrahlung 12 nicht bereits als linearpolarisierte Strah­ lung in den Fresnel′schen Rhombus 14 eintritt. Mit 17₁ und 17₂ sind die aus dem Analysator 17 austretenden Teilstrahlen bezeichnet.

Wie bereits oben erwähnt, ersetzt der Fresnel′sche Rhombus 14 in der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung das ansonsten übliche λ/4-Plättchen.

Die Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des ansonsten an sich bekannten Fresnel′schen Rhombus 14 mit seinem prinzipiellen Strahlengang mit doppelter interner Totalreflektion an den Stellen 111 und 211 an der jeweiligen Innenfläche des Rhom­ bus. Ein solcher Fresnel′scher Rhombus ist ein aus Glas her­ gestellter Körper mit entsprechend ausgerichteten Eintritts- und Austrittsflächen für die Meß-/Lichtstrahlung 12. Der im Gegensatz zu einem λ/4-Zirkulator beim Fresnel′schen Rhombus auftretende parallel-achsiale Versatz des Strahlenweges ist beim konstruktiven Aufbau der Meßvorrichtung zu berücksichti­ gen (Fig. 1).

Die Fig. 3 zeigt den Fortschritt der Erfindung anhand eines Diagramms. Auf der Abzisse ist die gemessene elektrische Feldstärke (positive und negative Richtung) aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Temperaturfehler in Prozenten angegeben, und zwar für eine Temperaturänderung von 60°. Die Kurve 21 gilt für eine Anordnung mit einem λ/4-Plättchen nullter Ord­ nung aus Quarz. Die Temperaturabhängigkeit der Phasendrehung beträgt in diesem Fall etwa 0,036 Grad/K. Den erfindungsgemä­ ßen Fortschritt zeigen die Kurven 22a und 22b. Die Kurve 22b zeigt die Temperaturabhängigkeit des Pockels-Kristalls al­ leingenommen. Die Kurve 22a zeigt die Temperaturabhängigkeit des Kristalls und des Rhombus zusammengenommen, d. h. die der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit 0,0003 Grad/K. Diese Tempe­ raturabhängigkeit ergibt sich für nahezu alle gängigen Glas­ sorten (siehe auch Schott-Katalog). Die Temperaturabhängig­ keit in Kurve 22a ist also überwiegend durch die Temperatur­ abhängigkeit der optischen Aktivität und durch die des Pockels-Effekts des Kristalls gegeben und kann durch eine Ver­ besserung der Temperaturabhängigkeit des Phasenschiebers praktisch nicht mehr unterschritten werden. Die erfindungsge­ mäß erreichte Temperaturkonstanz ist im übrigen für die Pra­ xis generell völlig ausreichend.

Claims (1)

1. Optische Meßvorrichtung für elektrische Felder/Spannungen mit Nutzung des elektrooptischen Pockels-Effekts, wobei diese Meßvorrichtung im Strahlengang (12) der optischen Meßstrahlung zusätzlich zu einem elektrooptisch doppelbre­ chenden Kristall (15) und einem optischen Analysator (17) ei­ ne Einrichtung (14) zur Erzeugung zirkularer Polarisation der Strahlung (12) umfaßt, gekennzeichnet dadurch daß diese Einrichtung (14) ein im Strahlengang (12) der Meß­ vorrichtung angeordneter, vorliegende lineare Polarisation der Meßstrahlung (12) in zirkulare Polarisation umwandelnder Fresnel′scher Rhombus (14) ist.