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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung eines elektrischen
Stroms durch Faradayeffekt, die
- • eine Lichtquelle,
welche ein einfallendes Lichtstrahlenbündel liefert,
- • einen
Eingangspolarisator zur linearen Polarisierung des einfallenden
Lichtstrahlenbündels,
- • einen
magneto-optischen Wandler, der mit dem polarisierten einfallenden
Lichtstrahlenbündel
beaufschlagt wird,
- • einen
an den Ausgang des Wandlers geschalteten sowie ein erstes und ein
zweites Ausgangs-Lichtstrahlenbündel
liefernden Strahlenteiler,
- • einen
in den Pfad des ersten Ausgangs-Lichtstrahlenbündels geschalteten Ausgangspolarisator
- • sowie
eine Verarbeitungseinheit umfasst, welche einen an den Ausgang des
Ausgangspolarisators angeschlossenen ersten optischen Eingang, einen
das zweite Ausgangs-Lichtstrahlenbündel direkt vom Strahlenteiler
empfangenden zweiten optischen Eingang sowie optoelektronische Wandlungsmittel
umfasst, die an den ersten und den zweiten optischen Eingang angeschlossen
sind, um ein erstes und ein zweites elektrisches Signal an Rechenmittel
zur digitalen Berechnung des zu messenden Stroms zu liefern.
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Bei
einem Stromwandler mit Faradayeffekt erfährt die Polarisationsebene
eines polarisierten einfallenden Lichtsignals eine Drehung, die
vom Magnetfeld abhängt,
das durch den zu messenden elektrischen Strom erzeugt wird. Die
Bestimmung des Drehwinkels der Polarisationsebene des Lichts am
Ausgang eines optischen Stromwandlers erlaubt die Bestimmung des
zu messenden Stroms.
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Sind
keine spezifischen Messparameter vorhanden, hängt der Messwert von der optischen
Leistungsdrift des Wandlers, von den Temperaturschwankungen, den
Schwingungen des Wandlers sowie vom optischen und elektronischen
Rauschen in der gesamten Messkette ab.
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Bei
den meisten bekannten Stromwandlern mit Faradayeffekt teilt ein
Polarisationsanalysator das optische Strahlenbündel am Ausgang des magneto-optischen
Wandlers in zwei linear polarisierte Komponenten mit senkrecht aufeinander
stehenden Achsen. Diese optischen Komponenten werden in elektrische
Signale umgewandelt, durch deren Analyse sich die zur messende Strom
bestimmen lässt.
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In
der Druckschrift FR-A-2686422 wird ein Wandler dieser Art beschrieben,
bei dem die elektrischen Signale, welche die beiden optischen Komponenten
abbilden, vor ihrer Weiterleitung an die Rechenmittel in zwei getrennten
Messzweigen verarbeitet werden. In einem der beiden Messzweige werden
die elektrischen Signale einem Verstärker mit veränderlichem
Verstärkungsfaktor
zugeführt.
Der Stromwandler berechnet anschließend das Verhältnis Δ/Σ zwischen
der Differenz Δ =
I1 – GI2 und der Summe Σ = I1 +
GI2, wobei I1 und
I2 jeweils die Intensität der beiden optischen Komponenten
abbilden und G den Verstärkungsfaktor
des Verstärkers
mit veränderlichem
Verstärkungsfaktor
darstellt. Dieser Stromwandler ist daher gegen optische Drifterscheinungen
und gegen optisches Rauschen auf der Eingangsseite des Polarisationsanalysators
unempfindlich.
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In
der Druckschrift WO-A-9510046 wird ein Stromwandler beschrieben,
bei dem die elektrischen Signale S1 und S2, welche die beiden optischen
Komponenten abbilden, so eingestellt sind, dass sie ein Signal P
= (S1 – S2)/(S1
+ S2) ergeben. Die Wechselkomponente PAC und die Gleichkomponente
PDC dieses Signals werden dazu verwendet, um ein temperaturkompensiertes
Signal, vorzugsweise wie folgt zu berechnen: PAC/(1 + KPDC), wobei
K einen Korrekturfaktor darstellt.
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Darüber hinaus
wird in dem Artikel "A
common-mode optical noise-rejection scheme for an extrinsic Faraday
current sensor" von
Fisher et al. (1996, IOP Publishing Ltd), ein optischer Stromwandler
beschrieben, der das durch Schwingungen der Verbindungs-Lichtleitfasern erzeugte
optische Gleichtaktrauschen unterdrückt. Das am Ausgang des magneto-optischen
Wandlers gelieferte optische Strahlenbündel wird durch einen direkt
am Wandler angebrachten Strahlenteiler in zwei Strahlenbündel geteilt.
Die beiden Strahlenbündel, von
denen eines über
einen Polarisator läuft,
werden durch Lichtleitfasern auf zwei Fotodioden geleitet. Der zu messende
Strom wird aus der Differenz zwischen den von den Fotodioden gelieferten
elektrischen Signalen berechnet. Mit einem solchen Stromwandlertyp
lassen sich weder das differentielle optische Rauschen, noch die
Driften oder das durch die elektronische Verarbeitungsschaltung
verursachte Rauschen kompensieren. Außerdem erlauben sie keine Kompensation
der Temperaturänderungen.
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Der
in der Patentschrift
US 5.008.611 beschriebene
optische Stromwandler wird durch geeignete Wahl des Winkels zwischen
der Polarisationsrichtung des Eingangspolarisators und einer Eigenachse
des magneto-optischen Wandlers gegen Doppelbrechungsänderungen,
die insbesondere durch Temperaturänderungen auftreten, unempfindlich
gemacht. In dieser Druckschrift wird das linear polarisierte Strahlenbündel am
Ausgang des magneto-optischen Wandlers nicht in zwei Komponenten
geteilt. Der zu messende Strom wird aus dem Verhältnis zwischen der Wechselkomponente
und der Gleichkomponente eines elektrischen Signals berechnet, das
die Intensität
des polarisierten optischen Ausgangs-Strahlenbündels abbildet. Dieser Stromwandlertyp
ist aber unverändert
gegen optisches Rauschen innerhalb des Messbereichs empfindlich.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung
eines elektrischen Stroms durch Faradayeffekt zu schaffen, die nicht
mit den Nachteilen der bekannten Anordnungen behaftet ist.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die Rechenmittel Mittel zur Berechnung einer, durch das Verhältnis zwischen
dem ersten und dem zweiten elektrischen Signal gebildeten ersten
Größe, Mittel
zur Bestimmung der Wechselkomponente und der Gleichkomponente der
ersten Größe, Mittel
zur Berechnung einer zweiten Größe aus der
Wechsel- und der Gleichkomponente der ersten Größe sowie Mittel zur Berechnung des
zu messenden Stroms aus der zweiten Größe umfassen.
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Nach
einer ersten Weiterbildung der Erfindung wird die zweite Größe durch
Bildung des Verhältnisses zwischen
der Wechselkomponente und der Gleichkomponente der ersten Größe gewonnen.
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Nach
einer zweiten Weiterbildung der Erfindung wird die zweite Größe S durch
die Gleichung
bestimmt, wobei R
AC und R
DC die Wechselkomponente
bzw. die Gleichkomponente der ersten Größe und a einen Korrekturfaktor
darstellen.
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Der
Strahlenteiler ist vorzugsweise so nah wie möglich an der Verarbeitungseinheit
platziert und über eine
polarisationserhaltende Lichtleitfaser an den magneto-optischen
Wandler angeschlossen. Auf diese Weise lässt sich der Einfluss des differentiellen
optischen Rauschens auf ein Minimum reduzieren.
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Nach
einer anderen Weiterbildung der Erfindung umfassen die optoelektronischen
Wandlungsmittel zwei Fotodioden, die auf dem gleichen Halbleitersubstrat
ausgebildet und dem ersten bzw. dem zweiten optischen Eingang der
Verarbeitungseinheit zugeordnet sind, wobei zwei auf einem gleichen
Halbleitersubstrat ausgebildete Verstärker an die Ausgänge der
Fotodioden geschaltet sind. Differentielles elektronisches Rauschen
und Driftabweichungen werden auf diese Weise minimiert.
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Nach
einer anderen Weiterbildung der Erfindung umfassen die optoelektronischen
Wandlungsmittel eine erste und eine zweite Fotodiode, die an den
ersten bzw. den zweiten optischen Eingang der Verarbeitungseinheit
angeschlossen sind, welche Verarbeitungseinheit einen ersten und
einen zweiten Verstärker,
die jeweils an den Ausgang der ersten bzw. zweiten Fotodiode angeschlossen
sind, Mittel zur Bestimmung der Gleichkomponente der Ausgangssignale
eines der genannten Verstärker,
Mittel zur Bestimmung einer ersten Differenz zwischen den Ausgangssignalen
des ersten Verstärkers
und der Mittel zur Bestimmung der Gleichkomponente der Ausgangssignale
eines der genannten Verstärker
sowie Mittel zur Bestimmung einer zweiten Differenz zwischen den
Ausgangssignalen des zweiten Verstärkers und der Mittel zur Bestimmung
der Gleichkomponente der Ausgangssignale eines der genannten Verstärker umfasst,
wobei die Ausgänge
der Mittel zur Bestimmung der Gleichkomponente der Ausgangssignale
eines der genannten Verstärker
und der Mittel zur Bestimmung der ersten und der zweiten Differenz
an Eingänge
einer elektronischen Digitalverarbeitungsschaltung angeschlossen
sind, welche Schaltung Mittel zur Bestimmung des von den Rechenmitteln
zur Berechnung der ersten Größe verwendeten
ersten und zweiten elektrischen Signals in Abhängigkeit von den ihren Eingängen zugeführten Signalen
umfasst, wobei die Verarbeitungsschaltung Verstärker mit einem bestimmten Verstärkungsfaktor
umfasst, die zwischen die Mittel zur Bestimmung der ersten bzw.
der zweiten Differenz und die zugeordneten Eingänge der elektronischen Digitalverarbeitungsschaltung
geschaltet sind und das von den Rechenmitteln zur Berechnung der
ersten Größe verwendete
erste bzw. zweite elektrische Signal Ui, über die Gleichung Ui = (Ai/g) + A3 bestimmt wird, wobei i = 1, 2 und A1, A2 und A3 die den Eingängen der elektronischen Digitalverarbeitungsschaltung
zugeführten
Signale darstellen.
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Nach
einer anderen Weiterbildung der Erfindung umfassen die optoelektronischen
Wandlungsmittel eine erste und eine zweite Fotodiode, die an den
ersten bzw. den zweiten optischen Eingang der Verarbeitungseinheit
angeschlossen sind, welche Verarbeitungseinheit einen ersten und
einen zweiten Verstärker,
die an den jeweiligen Ausgang der ersten bzw. zweiten Fotodiode
angeschlossen sind, Mittel zur Bestimmung der Gleichkomponenten
der Ausgangssignale der genannten Verstärker sowie Mittel zur Bestimmung
der Wechselkomponenten der Ausgangssignale der genannten Verstärker umfasst,
wobei die Ausgänge
der Mittel zur Bestimmung der Gleich- und der Wechselkomponenten
der Ausgangssignale der genannten Verstärker an Eingänge einer
elektronischen Digitalverarbeitungsschaltung angeschlossen sind,
welche Schaltung Mittel zur Bestimmung der, von den Rechenmitteln
zur Berechnung der ersten Größe verwendeten
elektrischen Signale in Abhängigkeit
von den ihren Eingängen
zugeführten
Signalen umfasst, wobei die Verarbeitungsschaltung Verstärker mit
einem bestimmten Verstärkungsfaktor
umfasst, die zwischen die Mittel zur Bestimmung der Wechselkomponenten
und die zugeordneten Eingänge
der elektronischen Digitalverarbeitungsschaltung geschaltet sind
und die von den Rechenmitteln zur Berechnung der ersten Größe verwendeten
elektrischen Signale V1 und V2 über
die Gleichungen V1 = B1 +
B2 V2 = B3 + B4 bestimmt
werden, wobei B1, B2,
B3 und B4 die den
Eingängen
der elektronischen Digitalverarbeitungsschaltung zugeführten Signale
darstellen.
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Mehrere
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen beispielhaft
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer
Vorteile und Merkmale näher
erläutert.
Dabei zeigen
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1 eine
besondere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung;
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2 in
detaillierterer Darstellung eine besondere Ausgestaltung der Verarbeitungseinheit
der Anordnung aus 1;
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3 und 5 Varianten
der Verarbeitungseinheit der Anordnung aus 1.
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4 und 6 besondere
Ausgestaltungen eines Ablaufdiagramms, das in den Varianten nach 3 und 5 zur
Anwendung kommen kann.
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7 bis 9 verschiedene
Ausführungsvarianten
des Strahlenteilers der Anordnung aus 1.
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Die
in 1 gezeigte Anordnung zur Messung eines elektrischen
Stroms durch Faradayeffekt umfasst wie üblich eine Lichtquelle 1,
die ein einfallendes Lichtstrahlenbündel liefert. Das einfallende
Lichtstrahlenbündel
wird durch einen Eingangspolarisator 2, dem es über eine
polarisationserhaltende Monomode-Lichtleitfaser 3 zugeführt wird,
linear polarisiert. Das polarisierte einfallende Lichtstrahlenbündel wird
dann dem Eingang eines magneto-optischen Wandlers 4 zugeführt. Bei
der in 1 gezeigten Ausgestaltung besteht der Wandler 4 aus
einer Lichtleitfaser, die um einen, von dem zu messenden Strom durchflossenen
Leiter 5 geführt
ist. Das am Ausgang des Wandlers 4 erhaltene Lichtstrahlenbündel wird über eine
polarisationserhaltende Monomode-Lichtleitfaser 6 einem
Strahlenteiler 7 zugeführt,
der zwei Messzweige mit einem ersten bzw. einem zweiten Ausgangs-Lichtstrahlenbündel beaufschlagt.
Im ersten Messzweig ist ein Ausgangspolarisator 8 in den
Pfad des ersten Ausgangs-Lichtstrahlenbündels geschaltet. Das erste
polarisierte Ausgangs-Lichtstrahlenbündel mit der Intensität I1 wird
einem ersten optischen Eingang einer Verarbeitungseinheit 9 zugeführt. Im
zweiten Messzweig wird das zweite Ausgangs-Lichtstrahlenbündel der
Intensität
I2 nach Verlassen des Strahlenteilers direkt einem zweiten optischen
Eingang der Verarbeitungseinheit 9 zugeführt.
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Die
Verarbeitungseinheit 9 umfasst gemäß der herkömmlichen Ausführung optoelektronische
Umwandlungsmittel mit zwei Fotodioden 10, die dem ersten
bzw. dem zweiten optischen Eingang der Verarbeitungseinheit zugeordnet
sind. Jeder dieser Fotodioden 10 ist mit den Klemmen eines
zugeordneten Verstärkers 11 verbunden.
Auf diese Weise erhält
man am Ausgang der beiden Messzweige ein erstes bzw. ein zweites
elektrisches Signal U1 und U2, das die Intensität I1 und I2 des ersten bzw.
des zweiten Ausgangs-Lichtstrahlenbündels abbildet.
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Die
Verarbeitungseinheit umfasst Mittel zur Digitalberechnung des zu
messenden Stroms I, die mit dem ersten und dem zweiten elektrischen
Signal U1 und U2 beaufschlagt werden. Bei der in 2 gezeigten besonderen
Ausgestaltung umfassen die Rechenmittel eine Schaltung 12 zur
Berechnung einer durch das Verhältnis
U1/U2 zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Signal gebildeten
ersten Größe R. Die nächste Schaltungskomponente
ist eine, beispielsweise als Filter ausgebildete Schaltung 13 zur
Bestimmung der Wechselkomponente RAC und
der Gleichkomponente RDC der ersten Größe. Die
Komponenten RAC und RDC werden
dem Eingang einer Schaltung 14 zur Berechnung einer zweiten
Größe S zugeführt, die
ihrerseits auf den Eingang einer Schaltung 15 zur Berechnung
des zu messenden Stroms I gegeben wird.
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In 2 sind
die Schaltungen 12 bis 15 als getrennte Schaltungen
dargestellt. Da die einzelnen Berechnungen digital erfolgen, können sie
auch durch einen Mikroprozessor ausgeführt werden.
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Nach
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird die zweite Größe S durch
Bildung des Verhältnisses
zwischen der Wechselkomponente RAC und der
Gleichkomponente RDC der ersten Größe R gewonnen: S = RAC/RDC (1)
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Daraus
kann der zu messende Strom I, welcher der zweiten Größe S proportional
ist, abgleitet werden. Auf diese Weise erhält man einen Wert für den zu
messenden Strom I, der unempfindlich ist gegenüber optischen Leistungsdrifts,
gegen Drifts der Fotodioden 10 und der Verstärker 11 sowie
gegen optisches Gleichtaktrauschen (auf der Einspeiseseite des Strahlenteilers 7),
insbesondere bei den Frequenzen innerhalb des Übertragungsbandes des Stromwandlers.
Diese Verarbeitung des Signals ist darüber hinaus mit der Verwendung
einer Temperaturkompensation am Wandler 4 vereinbar.
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Die
Intensität
I1 und I2 des dem jeweiligen optischen Eingang der Verarbeitungseinheit
zugeführten ersten
bzw. zweiten Ausgangs-Lichtstrahlenbündels lässt sich nämlich wie folgt ausdrücken: I1 = α1I0(1 + βOpt)(A + B2VNI) (2) I2 = α2I0(1 + βOpt) (3).
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In
diesen Gleichungen gilt:
- – α1 und α2 sind
die Einkopplungsverlustkoeffizienten der gesamten optischen Signalkette
in den beiden Messzweigen bis zum ersten bzw. zweiten optischen
Eingang der Verarbeitungseinheit; diese Koeffizienten, die insbesondere
von der Temperatur der Lichtquelle 1 und des Wandlers 4 abhängen, bilden
die optischen Leistungsdrifts ab;
- – I0 entspricht der Intensität des von der Lichtquelle 1 gelieferten
einfallenden Lichtstrahlenbündels;
- – βOpt bildet
das optische Rauschen der Intensität ab, das insbesondere durch
optische Signalschwankungen im Übertragungsband
der Anordnung verursacht wird;
- – A
und B sind Konstanten, die sich in Abhängigkeit von den Temperaturschwankungen
der Lichtquelle und des Wandlers langsam verändern können;
- – V
ist die Verdetkonstante des magneto-optischen Wandlers 4;
- – N
ist die bekannte Anzahl der im Wandler 4 um den Leiter 5 geführten Windungen
des Lichtstrahlbündels;
- – I
ist die Höhe
des zu messenden Wechselstroms.
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Nur
das Signal I1 enthält
Informationen über
den zu messenden Strom, während
beide Signale I1 und I2 Informationen bezüglich des Rauschens und der
optischen Drifts enthalten.
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Die
Signale U1 und U2, welche die Größen I1 und
I2 abbilden, lassen sich wie folgt ausdrücken: U1 = η1G1I1 (4) U2 = η2G2I2 (5),wobei
- – η1 und η2 die Umwandlungswirkungsgrade der Fotodioden 10 in
den beiden Messzweigen und
- – G1 und G2 die Verstärkungsfaktoren
der Verstärker 11 in
den beiden Messzweigen darstellen.
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Die
erste Größe R = U1/U2
kann also wie folgt ausgedrückt
werden:
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Die
Wechselkomponente der ersten Größe erhält man durch
Filterung über
den Bandpass des Stromwandlers, der an die Frequenz der zu messenden
Wechselströme
I angepasst ist und vorzugsweise zwischen 0,1 Hz und einigen kHz
beträgt,
und kann wie folgt ausgedrückt
werden:
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Die
Gleichkomponente der ersten Größe kann
wie folgt ausgedrückt
werden:
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Ausgehend
von den Gleichungen (1), (7) und (8) ergibt sich dann die Größe S zu:
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Die
Berechnung von I erfolgt somit unabhängig von den Koeffizienten α1, α2, βOpt, η1, η2, G1 und G2.
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Nach
einer vorzugsweisen Ausgestaltung sind die Winkellagen des Eingangs-
und des Ausgangspolarisators (
2,
8) in Bezug zu
den Eigen-Doppelbrechungsachsen des Wandlers
4 genauso
eingestellt wie bei der Anordnung aus der Patentschrift
US 5.008.611 . Durch geeignete
Wahl dieser Winkel kann der Einfluss langsamer temperaturabhängiger Änderungen
der Doppelbrechung des Wandlers ausgeschaltet werden.
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Gemäß einer
Ausführungsvariante
ergibt sich die Größe S aus
folgender Gleichung:
wobei a einen elektronisch
einstellbaren Korrekturfaktor darstellt. Die Verwendung des Korrekturfaktors
a erlaubt wie bei der Anordnung gemäß der Druckschrift WO-A-9510046os eine genauere
Einstellung der Temperaturkompensation und damit eine Verbesserung
der Unempfindlichkeit der Anordnung gegenüber Temperaturschwankungen.
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Bei
den oben aufgeführten
Gleichungen wurde das elektronische und optische differenzielle
Rauschen zwischen den beiden Messzweigen vernachlässigt. In
der Praxis müssten
die Gleichungen (2) und (3) wie folgt ergänzt werden: I1 = α1I0(1 + βOpt)(1 + β1oe)(A + 2VNI) (11), I2 = α2I0(1 + βOpt)(1 + β2oe) (12), wobei
die Koeffizienten β1oe und β2oe jeweils das optische bzw. elektronische
differenzielle Rauschen in den beiden Messzweigen abbilden.
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Außerhalb
des Übertragungsbandes
des Stromwandlers sind die Koeffizienten β1oe und β2oe null.
Die Gleichkomponente der ersten Größe bleibt also unverändert. Unter
Berücksichtigung
des differenziellen Rauschens muss Gleichung (6) jedoch durch folgende
Gleichung ersetzt werden:
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Um
den Einfluss des differenziellen optischen Rauschens so weit wie
möglich
zu reduzieren, wird der Strahlenteiler 7 so nah wie möglich an
der Verarbeitungseinheit 9 platziert, um so die Länge der
beiden getrennten optischen Messzweige zu verkürzen. Der Strahlenteiler wird
dabei vorzugsweise über
eine polarisationserhaltende Monomode-Lichtleitfaser 6, die sehr
lang sein kann, an den Wandler 4 angeschlossen. Bei einer
Anwendung mit einem Stromwandler in einer Hochspannungsanordnung
kann die Faser 6 beispielsweise eine Länge von mehreren Metern aufweisen.
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Der
Einfluss des differenziellen elektronischen Rauschens kann durch
geeignete Wahl der Fotodioden 10 und der Verstärker 11 in
den beiden Messzweigen der Verarbeitungseinheit 9 verringert
werden, beispielsweise durch Verwendung von Doppelfotodioden 10,
d.h. von Dioden, die auf dem gleichen Halbleitersubstrat 16 ausgebildet
sind, und von Doppelverstärkern 11,
die ebenfalls auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 17 ausgebildet
sind. Für
die Substrate 16 und 17 kann gegebenenfalls auch
das gleiche Substrat verwendet werden. Die Koeffizienten β1oe und β2oe liegen
dann näher
beieinander, und die zweite Größe wird
unempfindlicher gegenüber
dem differenziellen Rauschen.
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Die
Ausführung
der Verarbeitungseinheit nach 3 erlaubt
es, die Einschränkungen
durch Sättigungsprobleme
der Verstärker
in den Messzweigen zu umgehen. Der Analogteil der Messzweige wird
verändert,
um Signale A1, A2 und
A3 an drei Eingänge einer elektronischen Digitalverarbeitungsschaltung
zu liefern, die bei der in 3 dargestellten
besonderen Ausgestaltung aus einem Mikroprozessor 18 besteht.
Die Signale A3 bilden den Gleichanteil der
elektrischen Ausgangssignale eines der Verstärker 11 der Verarbeitungsschaltung
ab. In 3 werden die Signale A3 mit
Hilfe eines Tiefpassfilters 19 gewonnen, dessen Eingang
mit den zweiten elektrischen Signalen U2 beaufschlagt wird.
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Die
Signale U1 werden einem ersten, positiven Eingang eines ersten Schaltglieds 20 zugeführt, das an
einem zweiten, negativen Eingang mit den Signalen A3 beaufschlagt
wird, derart dass die Differenz zwischen den Signalen U1 und A3 gebildet wird. Analog hierzu erhält ein zweites
Schaltglied 21 die Signale U2 an einem ersten, positiven
Eingang und die Signale A3 an eine zweiten,
negativen Eingang, so dass die Differenz zwischen den Signalen U2
und A3 gebildet wird. Die Ausgangssignale
des ersten und des zweiten Schaltglieds 20 und 21 werden
jeweils einem Verstärker 22 mit
einem bestimmtem Verstärkungsfaktor
g zugeführt,
der die verstärkten
Differenzsignale A1 = g(U1 – A3) und A2 = g(U2 – A3) an den Mikroprozessor 18 weiterleitet.
Die Signale A3 bilden den Gleichanteil der
Signale U1 und U2 ab, der verhältnismäßig groß im Vergleich
zu ihrer Änderung
ist. In der Gleichung (2) hat der Ausdruck A nämlich einen Wert von etwa 1,
während
der Ausdruck B2VNI etwa 10–5 beträgt. Durch
die Kompensation der Gleichkomponenten der Signale U1 und U2 kann
eine Art Zoomwirkung ihrer veränderlichen
Komponenten erzielt werden, die durch die Verstärker verstärkt werden können, ohne
dass die Gefahr einer Sättigung
besteht.
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Der
Mikroprozessor 18 erzeugt dann aus den Signalen A1, A2 und A3 die Signale U1 und U2, die er anschließend wie
oben beschrieben zur Berechnung von R, S und I verwendet. Hierzu
berechnet der Mikroprozessor 18 entsprechend dem Ablaufdiagramm
aus 4 in einem ersten Schritt F1 die Signale Ui, mit
i = 1, 2, gemäß der Gleichung Ui = (Ai/g)
+ A3 (14).
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Es
lässt sich
zeigen, dass die berechneten Signale Ui den Ausgangssignalen U1
und U2 der Verstärker 11 entsprechen.
Bei i = 1 ergibt sich nämlich (A1/g)
+ A3 = [g(U – A3)/g]
+ A3 = U1 (15).
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Der
Mikroprozessor 18 berechnet anschließend (Schritt F2) die erste
Größe R und
bestimmt dann (Schritt F3) die Wechselkomponente RAC und
die Gleichkomponente RDC der ersten Größe. Danach
berechnet er die zweite Größe S (Schritt
4) aus den Gleichungen (1) bzw. (10) und dann (Schritt F5) den zu
messenden Strom I über
Gleichung (9).
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Bei
der in 5 gezeigten Ausführungsvariante liefert der
Analogteil der Messzweige Signale B1, B2, B3 und B4 an vier Eingänge der durch den Mikroprozessor 18 gebildeten
elektronischen Digitalverarbeitungsschaltung. Die Signale B1 und B3 bilden die
Wechselkomponenten U1AC und U2AC der Ausgangssignale U1 und U2 der
Verstärker 11 ab,
während
die Signale B2 und B4 die über Tiefpassfilter 23 gewonnenen
Gleichkomponenten U1DC und U2DC der Signale U1 und U2 abbilden.
Die über
Hochpassfilter 24 gewonnenen Wechselkomponenten U1AC und
U2AC werden Verstärkern 25 mit
einem bestimmten Verstärkungsfaktor
g zugeführt,
die dann die Signale B1 und B3 an
den Mikroprozessor 18 liefern.
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Wie
im Ablaufdiagramm der 6 dargestellt, berechnet der
Mikroprozessor 18 (Schritt 6) aus den Signalen B1 bis B4 die Signale
V1 und V2 und verwendet diese berechneten Signale anschließend zur
Bestimmung des zu messenden Stroms I. In Schritt F6 berechnet der
Mikroprozessor die Signale V1 und V2 nach den Gleichungen V1 = B1 +
B2 (16) V2 = B3 +
B4 (17).
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Anschließend berechnet
der Mikroprozessor 18 (Schritt F7) die erste Größe R' = V1/V2 und bestimmt dann
(Schritt F8) die Wechselkomponente R'AC und die Gleichkomponente
R'DC der
ersten Größe.
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Es
lässt sich
zeigen, dass bei dieser Ausgestaltung die erste Größe R' in erster Annäherung wie
folgt ausgedrückt
werden kann:
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Das
Verhältnis
S' = R'
AC/R'
DC lässt sich
dann wie folgt darstellen:
woraus die zweite Größe S = S'/g abgeleitet werden
kann. Der Mikroprozessor
18 berechnet anschließend (Schritt
F9) S' sowie die
zweite Größe S und
danach (Schritt F10) den zu messenden Strom I.
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Die
Filter und die Verstärker
werden so gewählt,
dass in beiden Messzweigen die gleichen Filtergrößen und Verstärkungsfaktoren
wirken. Als Ausführungsvariante
können
die Signale gemultiplext und nur ein Tiefpassfilter, ein Hochpassfilter
und ein Verstärker
verwendet werden.
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7 zeigt
eine vorzugsweise Ausgestaltung des Strahlenteilers 7 mit
nichtpolarisierenden Würfeln. Das
Ausgangs-Lichtstrahlenbündel
des Wandlers 4 wird dem Strahlenteiler 7 über die
Lichtleitfaser 6 zugeführt,
an deren Ende ein Kollimator 26 ausgebildet sein kann.
Der Strahlenteiler 7 besteht aus zwei nichtpolarisierenden
Würfeln
mit halbreflektierenden Prismen 27 und 28, die
leicht versetzt gegeneinander angeordnet sind. Das Ausgangs-Lichtstrahlenbündel des
Wandlers 4 wird durch den ersten Würfel 27 in zwei Lichtstrahlenbündel aufgeteilt,
von denen das erste Bündel
den Würfel
passiert während
das zweite von der Diagonalen des Würfels 27 reflektiert
wird. Die Lage und die zueinander versetzte Anordnung der Würfel 27 und 28 sind dergestalt,
dass eines der Strahlenbündel,
welches das erste Ausgangsstrahlenbündel bildet, direkt aus dem Strahlenteiler
austritt und den Ausgangspolarisator 8 durchläuft, der
vorzugsweise direkt am ersten Würfel 27 angebracht
ist, während
das andere Strahlenbündel
von der Diagonalen des zweiten Würfels 28 reflektiert
wird und das zweite Ausgangsstrahlenbündel bildet, das parallel zum
ersten Ausgangsstrahlenbündel
aus dem Strahlenteiler 7 austritt. In 7 wird
das erste Ausgangsstrahlenbündel
durch das vom Würfel 27 reflektierte Strahlenbündel gebildet.
Nach einer Ausführungsvariante
kann die Lichtleitfaser 6 in der Verlängerungsachse des ersten Ausgangsstrahlenbündels angeordnet
werden, welches dann durch das den ersten Würfel 27 passierende
Strahlenbündel
gebildet wird, während
das zweite Ausgangsstrahlenbündel
in diesem Fall durch das von den Würfeln 27 und 28 reflektierte
Strahlenbündel
gebildet wird. Bei der in 7 gezeigten
vorzugsweisen Ausgestaltung sind die auf dem gleichen Halbleitersubstrat 16 ausgebildeten
Fotodioden 10 der Verarbeitungseinheit in einem direkt
am zweiten Würfel 27 angebrachten
Gehäuse
angeordnet, so dass der Abstand zwischen dem Strahlenteiler 7 und
der Verarbeitungseinheit 9 auf ein Minimum reduziert wird.
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8 zeigt
eine Ausführungsvariante
des Strahlenteilers 7 mit zwei Teilerplättchen 29 und 30.
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9 zeigt
eine andere Ausführungsvariante
des Strahlenteilers 7, der hier aus einem integriert-optischen
Bauelement besteht. Das Ausgangs-Lichtstrahlenbündel des Wandlers 4 wird
dem Eingang eines Eingangs-Lichtwellenleiters 31 zugeführt und
läuft dann
nach der Teilung in zwei Strahlenbündel durch eine Y-Weiche in
zwei, auf dem gleichen Substrat ausgebildete Ausgangs-Lichtwellenleiter 32.
Der relative Abstand der Ausgangs-Lichtwellenleiter 32 ist an
den Abstand zwischen den lichtempfindlichen Bereichen der Fotodioden 10 angepasst.
Wie bei der Anordnung aus 7 und 8 ist
auch hier einer der Fotodioden ein Polarisator 8 vorgeschaltet.
Um die als Polarisation kodierte Information zu erhalten, sind die
Lichtwellenleiter 31 und 32 vorzugsweise als Lichtleiter
mit einer linearen Doppelbrechung von null ausgebildet. Es ist auch
möglich,
Lichtleiter mit Doppelbrechung zu verwenden, sofern die beiden Neutral-Doppelbrechungsachsen
der polarisationserhaltenden Faser 6 und des Eingangs-Lichtwellenleiters 31 in
einer Flucht liegen.
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Der
Strahlenteiler 7 kann auch erzeugt werden, indem man das
Ausgangs-Strahlenbündel
des Wandlers 4 bzw. der Lichtleitfaser 7 einfach
frei streuend austreten lässt
und den Ausgangspolarisator 8 nur über einem Teil des gestreuten
Strahlenbündels
anordnet.
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Zur
Kompensation des Polarisationsrauschens in den Lichtleitfasern 3 und 6 mit
starker Doppelbrechung kann man die Fasern so ausrichten, dass auf
bekannte Art und Weise (vgl. (EP-A-577897) Pseudo-Depolarisatoren
erzeugt werden. Zu diesem Zweck werden die Neutralachsen der Faser 3 (siehe 1)
in einem Winkel von 45° zur
Polarisationsebene des von der Lichtquelle 1 gelieferten
einfallenden Lichtstrahlenbündels angeordnet.
Diese Lichtquelle besteht vorzugsweise aus einer Multimode-Laserdiode
oder einer Superlumineszenz-Lichtquelle. Die Neutralachsen der Faser 6 sind
vorzugsweise in einem Winkel von 45° zur Polarisationsachse des
Polarisators 2 angeordnet.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen besonderen Ausgestaltungen
beschränkt.
Insbesondere der Wandler 4 kann als Wandler beliebigen
Typs und als integriert-optisches Bauteil ausgebildet sein.