DE2845625A1 - Anordnung zur elektrooptischen spannungsmessung - Google Patents
Anordnung zur elektrooptischen spannungsmessungInfo
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Description
SIEMEXS AKTiENGESELLSCHArT Unser Zeichen
Berlin und München VPA 78 P 7 ί 7 O BRD
^ Δϊ*22 '--π u ng ζ ur e^l^jk^t^r o^p_t i ö chen S ι j α nnungsnie s s u n_g_
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur elektrooptischen
Spannungsmessung an eil :n hochspannungsleiter,
i'i-^ r-'ϊ-η I1I-;■ \ lt 1 °-chc-.·. Feld einen linear polarisierten Lichtstriilij
\a einen Lichtleiter elliptisch polarisiert und bei
der i-n Empfänger die Spannung aus der Phasendifferenz der
Lichtueίlen-Komponenten mit verschiedenen Durchtrittsgeschv.
LjhI i gkeiten abgeleitet wird.
ι - Die Abhängigkeit der Doppelbrechung von einem äußeren
elektrischen Feld wird bekanntlich als elektrooptischer
Effekt bezeichnet. Hin linear oder zirkulär polarisierter Lichtstrahl wird beim Durchtritt durch ein doppelbrechendes
Medium im allgemeinen elliptisch polarisiert. Die den bei-
n(l den Hauptachsen des doppelbrechenden Mediums zugeordneten
Komponenten der Lichtwelle bewegen sich durch das Medium mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Die resultierende
Phasendifferenz i.:>t proportional der vom Lichtstrahl im
Kristall zurückgelegten Strecke und, wenn es sich um einen
or linearen elektrooptischen Effekt handelt und die Doppelbrechung
ohne Feld verschwindet, zum elektrischen Feld.
Kin 7 Sh / 25. ο.1978
030018/0271
BAD ORIGINAL
Sie kann zur Messung des Feldes und somit zur Spannungsmessung verwendet werden.
Es sind Verfahren zur Spannungsmessung bekannt, bei denen
die elektrische Feldstärke E mit dem el ekt roopt i sehen
Effekt in unsymmetrischen Kristallen oder mit Hilfe des
Feldeinflusses auf Flüssigkristalle bestimmt wird. Dabei
wird aber nur die elektrische Feldstärke in dem verhältnismäßig kleinen Kristallvolumen bestimmt. Die Aufgabe der
Erfindung besteht nun darin, eine Meßanordnung anzugeben,
bei der die Spannung I: - j E al über eine große Strecke t
auf integriert wird.
Diese Aufgabe wird -?rfindungsgenäß dadurch gelöst, daß
als Zuleitung oder als Rücklei rur·.; für den ursprünglich
linear oder zirkulär polarisierten Lichtstrahl zwischen
einem Kopfteil mit den Hochsnannungsleiter und einem Fußteil
mit einem Sender und dem Empfänger wenigstens eine Kristallfa.-.er mit longitudinalem, linearen elektrooptischem
Effekt um· piezoel el tr.i ichc-\i Material vorgesehen
ist. Am Hochspannungsleiter ist die Kristallfaser vorzugsweise
so geführt, dal; die Fonndoppelbrechung innnerhalb
der Kristall faser aufgellüben wird. Eine weitere Kristallfaser mit den gleichen Eigenschaften ist als Rückleitung
vorgesehen. Die Kristallachsen der Rück leitung sind gegenüber
den Kristal!achsen der Zuleitung so orientiert, daß
sich die Effekte der Doppelbrechung in der Zu- und Rückleitung addieren und die Phasenverschiebung über der gesamten
Strecke aufintegriert werden kann. Die Messung mit dieser im elektrischen Feld doppelbrechenden Kristallfaser
ist unabhängig von der Feldverteilung an dieser Strecke.
Als Strahlungsquelle ist im allgemeinen ein Laser mit vorgeschaltetem
Polarisator vorgesehen. Zwischen Polarisator und Zuleitung wird zweckmäßig ein A/!-Plättchen vorgesehen,
welches die lineare Polarisation in eine zirkuläre Polari-
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sation umwandelt. In einem Kopfteil am Ilochspannungsleiter
ist ein Umlenkkörper vorgesehen, an dem die Kristallfaser in verschiedenen Teilstrecken in zueinander senkrechten
Ebenen derart geführt wird, daß die durch die Paserkrümmung verursachte For-mdoppelbrechung aurgehoben wird.
Im Empfänger wird di'e Phasenverschiebung in eine entsprechende elektrische Größe umgesetzt, die als Maß für die
Spannung dient.
In einer besonderen Ausführungsform der Meßanordnung ist der Empfänger mit einem Kompensator versehen, der die
Doppelbrechung der Kristallfasern kompensiert. Er enthält ein elektrooptisches Material, das vorzugsweise schon bei
sehr geringer Spannung doppelbrechend wirkt. Sein Ausgangssignal dient als Maß für die zu messende Spannung.
Die Kompensatorspannung istvauch dann proportional zur
Hochspannung, wenn die Phasenverschiebung 2TT überschreitet.
Unter Umständen kann es ausreichend sein, wenn entweder nur die Zuleitung oder nur die Rückleitung des polarisierten
Lichtstrahls aus der im elektrischen Feld doppelbrechenden Kristallfaser besteht.
Als Zuleitung kann auch eine depolarisierende Kristallfaser vorgesehen sein. In dieser Ausführungsform wird der
Polarisator und vorzugsweise noch ein /\/4-Plättchen am
Hochspannungsleiter angeordnet. Durch diesen Aufbau der Meßanordnung wird-der Umlenkkörper vereinfacht.
In einer weiteren Ausführungsform der Anordnung zur elektrooptischen
Spannungsmessung sind anstelle des Kompensators zur Phasendemodulation ein zweites Detektorsystem und eine
Auswerteschaltung vorgesehen. Jedes der Detektorsysteme enthält jeweils ein Strahlteilerprisma und den Teilstrahlen
zugeordnete Detektoren. Die Lichtwelle wird z.B. über
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•J·
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einen halbdurchlässigen Spiegel auf die beiden Detektorsystemevertcilt.
Dem ersten Detektorsystem kann vorzugsweise ein /\/4-Plättchen vorgeschaltet werden und die
Strahlteilerprismen der beiden Detektorsysteme sind so
orientiert, daß beim Verschwinden der zu messenden Spannung U die beiden Strahlintensitäten hinter dem ersten
Strahlteilerprisma gleich groß sind, während hinter dem zweiten Strahlteilerprisma bei U=O nur ein Teilstrahl
austritt.
Statt des halbdurchlässigen Spiegels kann auch noch ein zusätzliches Lichtleitersystem vorgesehen sein, dessen
Ende mit dem Eingang des zweiten Detektorsystems optisch gekoppelt ist.
Eine Technik zum Ziehen der erforderlichen langen, dünnen Kristalle ist bekannt, beispielsweise aus dem "J. Mat.
Sei." 7 (1972) Seiten 631, 649 und 787.
Da die Kristallfaser ohne elektrische Spannung nicht doppelbrechend sein soll, sind Materialien mit kubischer
oder tetragonaler Kristallstruktur geeignet. Bei der tetragonalen Kristallstruktur muß die c-Achse parallel zur
Faserachse liegen.
Ein longituclinaler elektrooptischer Effekt tritt in diesen
Kristallsystemen auf, wenn der elektrooptische Koeffizient r,., nicht verschwindet oder r1 Ύ - rOT φ 0 ist.
63 IjZo
Dies ist bekanntlich der Fall in der Kristallklasse Td = Ϊ3 m CProc. IRE 46 (1958) S. 764 bis 778, insbes.
S. 768). Diese Eigenschaft haben beispielsweise die Zinkblende ZnS, die Kupferhalogenide CuF und CuCl u.a. und
Eulytin Bi. (SiO.),. Ferner ist geeignet die Kristallklasse
T = 23, beispielsweise das Natriumchlorat NaCß 0^,
die Kristallklasse D2J = T2 m, beispielsweise das Kaliumdihydrogenphosphat
KH-,PO. und der Harnstoff CO(NHO^ und
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die Kristallklasse S. ξ ~ξ} beispielsweise Pentaerythrit
Beträgt der Brechungsindex für Licht, dessen elektrische
Schwingung (£-Vektor) senkrecht zur c-Achse liegt, ohne
elektrisches Feld einheitlich ηη, d.h. er hat bei der
Spannung Null keine Doppelbrechung, so entsteht für Materialien aus den KristalIklassen T1, T oder D-, in
el la.
einem parallel zur c-Achse liegenden elektrischen Feld E
eine Doppelbrechung mit den Brechungsindices
n0 r63bz .
n„ + 2 bzw.
n„ + 2 bzw.
n0 r63Ez
11O 2
für zwei senkrecht aufeinanderstellende Hauptachsenrichtungen
in Π 110 J- und fZ 11 0 II-Richtung. Es entsteht
2'! somit eine Doppelbrechung von der Größe n->
rf,x^ ·
Bei der Kristallklasse S. überlagert sich diesem Effekt aufgrund der Koeffizienten r.., = - r-,, φ 0 eine Doppelbrechung
mit £T1OO j[-Orient Lerung. Die Hauptachsen der
resultierenden Doppelbrechung liegen deshalb zwischen den
C iOO 3- und C 110 3-Richtungen. Da das Vorzeichen der
Doppelbrechung vom Vorzeichen der angelegten Spannung abhängt, kann dieser lineare Effekt zur Spannungsmessung
herangezogen werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 ein Ausführungsbeispiel
einer Anordnung zur elektrooptischen Spannungsmessung
an einem Hochspannungsleiter nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Die elliptische Polarisation
durch die Doppelbrechung in einem Kristall ist an-
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hand der Figuren 2 bis 4 erläutert. Figur 5 zeigt eine
besondere Ausführungsform der Meßanordnung mit zwei Detektorsystemen im Empfänger. In Figur 6 ist eine Ausführungsform
der Meßanordnung mit zwei verschiedenen Kristallfasern zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit
dargestellt. In Figur 7 ist die Kompensation der Temperaturabhängigkeit durch verschiedene Kristallfasern
in einem Diagramm veranschaulicht.
Nach Figur 1 enthält ein Fußteil 1, das sich auf Nullpotential befindet, einen Sender 2 mit einer Lichtquelle
3, für einen polarisierten Lichtstrahl 4, einem /^/4-Plättchen
6 und einer Einkoppeloptik 8.In einem Isolator JZ ist eine lichtleitende Kristallfaser 14 angeordnet,
die aus piezoelektrischem Material mit longitudinalem, linearem elektrooptischen! Effekt besteht und den Lichtstrahl
4 zu einem Kopfteil 20 führt, das sich an einem Hochspannungsleiter 16 mit einer Spannung von beispielsweise
wenigstens 220 kV befindet. Das Kopfteil 20 enthält einen Umlenkkörper 30, der aus zwei halbkreiszylindrischen
Segmenten 31 und 32 besteht. Er dient zur Führung der Kristallfaser in mehreren Teilwindungen 21, 22 und 23.
Zwischen der Kristallfaser 14 und der lichtleitenden Kristallfaser 24 ist eine nicht näher dargestellte optisehe
Kupplungseinrichtung 34 vorgesehen.
Am Ende der Kristallfaser 24 ist im Fußteil 1 ein Empfänger 40 angeordnet, der eine Auskopplungsoptik 36 für den
Lichtstrahl 4 enthält und mit einem Kompensator 38 versehen ist, an dessen elektrischem Ausgang 42 der Meßwert
abgenommen werden kann. Dem Kompensator 38 ist ein Strahlteiler 44 nachgeordnet, der beispielsweise ein Wollastonprisma
sein kann und den empfangenen Lichtstrahl in senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen 46 und 48 aufteilt.
Eine Detektoranordnung 50 enthält für die beiden Teilstrahlen jeweils einen Detektor 52 bzw. 54 sowie einen
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Differenzverstärker, dessen Ausgangssignal über einen Verstärker 56, vorzugsweise einen Leistungsverstärker, dem
Kompensator 38 zugeführt wird.
Die Lichtquelle 3 liefert den gebündelten Lichtstrahl 4 linear polarisierten Lichts, was oberhalb der Lichtquelle
durch einen nicht näher bezeichneten Doppelpfeil angedeutet ist. Der Lichtquelle 3 kann unter Umständen noch ein in der
Figur nicht dargestellter Polarisator nachgeordnet sein.
Das λ /4-Plättchen 6 wandelt das linear polarisierte Licht
der Lichtquelle 3 um in zirkulär polarisiertes Licht. Die optischen Achsen des 7\ /4-Plättchens 6 sind deshalb gegenüber
der Polarisationsrichtung des von der Lichtquelle 3 gelieferten Lichtstrahls 4 jeweils um 45° gedreht. Der
zirkulär polarisierte Lichtstrahl 4 wird über die Einkopplungsoptik
8, die beispielsweise als Sammellinse dargestellt ist, in die Kristallfaser eingekoppelt. Die
Kristallfaser 14 durchläuft eine Strecke zwischen der Lichtquelle 3 und dem Hochspannungsleiter 16, dessen Spannung
gemessen werden soll. Über diese Strecke soll die Spannung des Hochspannungsleiters 16 mit der Meßanordnung
nach der Erfindung aufintegriert werden.
Die Kristallfaser 14 wirkt wie jeder Lichtleiter auch ohne elektrisches Feld doppelbrechend, sobald sie gekrümmt wird.
Eine Krümmung läßt sich zwischen der Zuleitung 14 und der Rückleitung 24 nicht vermeiden. Gemessen werden soll aber
nur die von der Spannung des Hochspannungsleiters 16 verursachte Doppelbrechung. Die Kristallfaser 14 wird deshalb
auf dem Umlenkkörper 30 an den Segmenten 31 und 32 so geführt, daß die auf der Faserkrümmung beruhende Formdoppelbrechung
kompensiert wird, wie es beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift Nr. 2543134 für eine Einrichtung
zur Strommessung durch Ermittlung der Faraday-Drehung im Magnetfeld des stromführenden Leiters beschrieben
ist. An den Segmenten 31 und 32 des Umlenkkörpers 30
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bildet die Kristallfaser zirei Viertelwindungen 21 und 23
in senkrechter Richtung, denen eine Halbwindung 22 in horizontaler Richtung zugeordnet ist. Durch diese Führung
der Kristallfaser wird die innerhalb der Faser durch die Krümmung verursachte Doppelbrechung aufgehoben und es entsteht
somit keine zusätzliche Doppelbrechung.
Die Kristallfasern 14 und 24 haben die Eigenschaft, daß sie im elektrischen Feld doppelbrechend wirken. Dies hat
zur Folge, daß eine Komponente der Lichtwelle des Lichtstrahls 4 mit einer bestimmten Polarisationsebene in den
Kristallfasern 14 bzw. 24 eine höhere Durchtrittsgesclrwindigkeit hat als die zweite Komponente mit dazu senkrechter
Polarisation. Durch die verschiedenen Geschwindigkeiten der Komponenten mit zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen erhält man am Ende der Faser 24 die Phasenverschiebung,
die als Maß für die zu messende Spannung im Hochspannungsleiter 16 dient.
In der Kupplungseinrichtung 34 wird die Lichtwelle des Lichtstrahls 4 in die als Rückleitung 24 dienende zweite
Kristallfaser derart eingekoppelt, daß die Kristallorientierung
der Faser 24 gegenüber der Kristallfaser 14 um gedreht ist.
Die Orientierung der Kristallstrukturelemente der Faser ist in der Figur durch ein Tetraeder 62 angedeutet. Das
Tetraeder stellt z.B. die Anordnung der vier Schwefelatome in der Umgebung eines Zinkatoms in der Zinkblende ZnS dar.
Die Änderung der Kristallorientierung durch die Führung der Kristallfaser am Umlenkkörper 30 ist durch ein weiteres
Tetraeder 64 veranschaulicht. Durch die Kupplungseinrichtung 34 wird dann die Kristallachse um 90° gedreht, so daß
die Rückleitung 24 wieder die gleiche Kristallorientierung wie die Zuleitung 14 erhält und sich dadurch die Effekte
der Doppelbrechung in der Zuleitung 14 und der Rückleitung 24 addieren. Die Kristallorientierung der Rück-
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leitung 24 ist durch ein weiteres Tetraeder 06 veranschaulicht.
Durch die Kupplungseinrichtung 34 erhält man somit zwei verschiedene Fasern, welche die Addition der
Doppelbrechung ermöglichen. Die Phasenverschiebung der beiden Polarisationsrichtungen ist proportional der Spannung
im Hochspannungsleiter 16 und damit ein Maß für die zu messende Spannung.
Die Hauptachsen 72 und 74 der Doppelbrechung verlaufen nach Figur 2 senkx'echt bzw. waagerecht. Bei der zu messenden
Spannung U=O haben die in den beiden Hauptachsen polarisierten Lichtwellen gleiche Geschwindigkeit. Infolge
dessen ist der Lichtstrahl auch am Ende der Faser 24 noch zirkulär polarisiert, und die beiden Detektoren 52 und
des Empfängers 40 nach Figur 1 erhalten Teilstrahlen 46 bzw. 48 gleicher Intensität. Das Ausgangssignal des Detektors
50 ist Null und der Verstärker 56 liefert kein Signal Mit zunehmender Spannung und damit zunehmender Phasendifferenz
entsteht am Ende der Rückleitung 24 eine ellipti sehe Polarisation des Lichtstrahls, wobei die Orientierung
der großen Achse der Ellipse vom Vorzeichen der zu messenden Spannung im Hochspannungsleiter 16 abhängt. Ist die
Spannung U-<.0, so resultiert nach Figur 3 in der ersten
Faserkristallachse 76 eine größere Amplitude als in der zweiten Faserkristallachse 78. Ist dagegen die Spannung
U > 0, so resultiert nach Figur 4 in der zweiten Faserkristallachse
eine giößere Amplitude als in der ersten.
Solange der Kompensator 38 diese Elliptizität nicht kompensiert, liefert der Verstärker 56 ein Signal, dessen
Vorzeichen durch das Vorzeichen der zu messenden Spannung im Hochspannungsleiter 16 bestimmt wird. Wenn der Verstärkungsfaktor
des Verstärkers 56 genügend groß ist, wird die Phasenverschiebung durch den Kompensator 38 kompensiert.
Die Kompensatorspannung folgt dadurch Änderungen der zu messenden Spannung, und zwar auch wenn die Phasen-
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verschiebung mehr als 360° beträgt. Die Dctcktorschal- ·
tung 50 im Empfänger 40 muß dazu so schnell sein, daß sie den auftretenden Phasenverschiebungen laufend folgen kann
und verhindert wird, daß ganze Vielfache von 360° nicht registriert werden. Die am Kompensator 38 anliegende Spannung
ist proportional der Spannung an den Kristallfasern und 24 und kann somit am Ausgang 42 als Maß für die zu
messende Spannung im Hochspannungsleiter 16 verwendet werden.
Wenn auch im Kompensator 38 ein longitudinaler elektrooptischer Effekt ausgenutzt wird, ist das Verhältnis der
Wandlerausgangsspannung zur zu messenden Spannung im Leiter 16 doppelt so groß wie das Verhältnis der Halbwellenspannungen
des Kompensator- und Fasermaterials.
Anstelle der beiden Kristallfasern mit elektrooptischem Effekt für die Zuleitung 14 und die Rückleitung 24 kann
auch nur eine der beiden Leitungen, vorzugsweise die Rückleitung 24, aus einem elektrooptisch wirksamen Faserkristall
bestehen. Die Zuleitung 14 besteht dann aus einer nicht depolarisierenden aber elektrooptisch unwirksamen
Lichtleitfaser, beispielsweise einer Monomodefaser oder auch einer Flüssigkernfaser.
Ferner kann es zweckmäßig sein, für die Zuleitung 14 eine depolarisierende Lichtleitfaser, beispielsweise eine gewöhnliche
Multimodefaser zu verwenden. Die Rückleitung besteht dann aus einer Kristallfaser mit elektrooptischem
Effekt. Ein Polarisator sowie eine Einkopplungseinrichtung und ein Λ /4-Plättchen zur Erzeugung des zirkulär polarisierten
Lichtes sind dann vorzugsweise im Kopfteil 20 am Hochspannungsleiter 16 angeordnet. In dieser Ausführungsform kann man einen wesentlich einfacheren Umlenkkörper
verwenden, weil lediglich eine Halbwindung zwischen der Zuleitung 14 und der Rückleitung 24 erforderlich ist.
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Das Zusammensetzen der Meßanordnung am Hinsatzort kann
man dadurch vereinfachen, daß im Wege der Fasern zusätzliche
in den Figuren nicht dargestellte Kupplungen vorgesehen sind. In dieser Ausführungsform müssen dann nur die
im Stützerisolator 12 verlaufenden Lichtleiterabschnitte
der Rückleitung und evtl. auch der Zuleitung aus Kristallfasern bestehen, während die Lichtleiter in den feldfreien
Räumen des Kopfteiles und des Fußteiles elektrooptisch unwirksame Glas- bzw. Flüssigkern-Lichtleiter sein können.
In der Ausführungsform der Meßanordnung nach Figur 5 mit
einer depolarisierenden Lichtleitfaser als Zuleitung 15,
einem einfachen, in der Figur nicht dargestellten Umlenkkörper, sowie einem im Kopfteil 20 angeordneten Polarisator
26 und einer Einkopplungseinrichtung 28 ist außerdem beispielsweise eine besondere Ausführungsform des
Empfängers 40 vorgesehen. Dieser Empfänger 40 enthält zwei Detektorsysteme I und II sowie eine Auswerteschaltung
99, mit deren Hilfe eine Mehrdeutigkeit beim Überschreiten der Phasenverschiebung von 90° ausgeschlossen
werden kann. Der Lichtstrahl der Rückleitung 24 wird über die Auskopplungseinrichtung 36 sowie einen halbdurchlässigen
Spiegel 80 sowohl dem Detektorsystem I als auch dem Detektorsystem II zugeführt. Dem Detektorsystem I ist
ein λ/4-Plättchen 82 vorgeschaltet, das den im Falle U =
linear polarisierten Lichtstrahl zirkulär polarisiert. Es enthält einen Strahlteiler 84, beispielsweise ein Wollaston-Prisma,
sowie eine Detektorschaltung 86 mit jeweils einem Detektor 88 bzw. 90 für einen der beiden nicht
näher bezeichneten Teilstrahlen. Der Detektorschaltung ist ein Differenzverstärker 92 zugeordnet, dessen Ausgangssignal
proportional zu der Funktion sin O ist, wobei O der Winkel der Phasenverschiebung ist, die durch die
elektrooptische Doppelbrechung entsteht. Das Detektorsystem II erhält den restlichen Teil des Lichtstrahls
nicht über ein Λ /4-Plättchen. Es besteht aus einem
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Strahlteiler 94 sowie einer Detektorschaltung 96 mit den Detektoren 95 und 97 für die beiden Teilstrahlen und einem
nachgeordneten Differenzverstärker 98, dessen Ausgangssignal proportional zu cosiS ist. Ohne Spannung am Hoch-Spannungsleiter
16, d.h. bei Spannung Null, erhält somit das Detektorsystem II linear polarisiertes und das Detektorsystem
I zirkulär polarisiertes Licht.
Die zu messende Spannung am Hochspannungsleiter 16 bewirkt die Doppelbrechung mit entsprechender Phasenverschiebung
in der Kristallfaser 24, und sowohl der Lichtstrahl im Eingang des Detektorsystems II als auch der Lichtstrahl im
Eingang des Systems I werden elliptisch polarisiert. Auf dieser Änderung beruht die Messung im Empfänger 40. Die
15. Auswerteschaltung 99 enthält jewejls einen Multiplikator
für die beiden Detektorsysteme I und II sowie eine gemeinsame Einrichtung zur Differenzbildung (oder Summenbildung).
Ihr wird außerdem in bekannter Weise von einem Hochfrequenzgenerator
100 eine Trägerfrequenz coscof sowie das davon
abgeleitete Signal sincoi zugeführt ("Measuring Current at
extra-high Voltage" in Laser Focus, Mai 70, Seiten 35 bis 38).Ein gemeinsamer 1-Generator wie in der bekannten Schaltung
ist nicht erforderlich, weil die Signale der Differenzverstärker 92 und 98 bereits proportional zu coso und sino
sind.Als Ausgangssignal erhält man am Ausgang 102 des Empfängers 40 ein Signal mit der Zeitabhängigkeit
cos ο coscu£ - sin α sinto£ = cos (cot+ (S ) oder
cos S costal + sin <^ sinu)£ = cos (cot-O ),
während am Ausgang 104 die Trägerfrequenz cos<vt abgenommen
wird.
Die von der bekannten Anordnung abweichende Ausführungs-,r
form der Phasendemodulation mit Hilfe einer Trägerfrequenz in der Auswerteschaltung 99 beruht auf der Erkenntnis, daß
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bei Jntensitätsschwankungen der Tcilstrahlen in den Detektorsystemen
I und II auch der Generator zur Subtraktion der Konstanten 1 in seiner Intensität entsprechend mit
schwanken müßte. Dies ist aber nur mit einem verhältnismäßig großen Aufwand möglich.
Mit Hilfe der Auswerteschaltung 99 wird der als Trägerfrequenz verwendeten hochfrequenten Wechselspannung cos cot
eine Phasenverschiebung aufgeprägt, die mit der optischen
Phasenverschiebungen in den Kristallfasern übereinstimmt.
Aus der phasenverschobenen Hochfrequenzspannung zwischen
den Ausgängen 102 und 104 kann in einer in der Figur nicht
dargestellten entfernten Meßwarte die Phasenverschiebung ο und damit die zu messende Spannung mit Hilfe eines
Phasenmessers zurückgewonnen werden.
Wenn die der Phasenmodulation überlagerte Amplitudenmodulation
durch Schwankungen der Lichtintensität stört, können die Amplitudenschwankungen in bekannter Weise
eliminiert werden (Rev. Sei. Instrum. 44 (1973), Seiten
742 - 743).
Abweichend von der Ausführungsform des Empfängers 40 nach
Figur 5 kann anstelle der Differenrverstärker 92 und 98
auch jeweils eine analogelektronische Schaltung verwendet werden. Diesen analogelektronischen Schaltungen werden
dann die Ausgangssignale der zugeordneten Detektoren 88 und 90 bzw. 95 und 97 zugeführt. Werden die Ausgangssignale
der beiden Detektoren 88 und 90 mit U-| bzw. Ü2 bezeichnet
und die Ausgangssignale der Detektoren 95 und mit U3 bzw. IJ4 bezeichnet, so wird von der betreffenden
analogelektronischen Schaltung ein Signal U1 - U2 C
5I-U1 + D2 = sin<> bzW·
5I-U1 + D2 = sin<> bzW·
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- j* - νΐ'Λ 78 P 7 1 7 O BRO
= cos
ο 4
geliefert.
geliefert.
Mit einer besonders vorteilhaften Ausführungsform einer
Anordnung zur Spannungsmessung an einem Hochspannungsleiter durch Ausnutzung des elektrooptischen Effekts
(Pockels-effekt) in einer lichtleitenden Kristallfaser erhält man eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit
des elektrooptischen Effekts der Kristallfasern dadurch, daß nach Figur 6 als Hin- und Rückleiter verschiedene
Fasern derart gegeneinander geschaltet werden, daß sich ihre Temperaturabhängigkeiten bei der Differenzbildung
praktisch aufheben. In dieser Aus führungs form sind ztvischen
dem Sender 2 des Fußteils I und dem Kopfteil 20 am Hochspannungsleiter 16 vier Lichtleitfasern hintereinandergeschaltet,
von denen die elektrooptisch wirksamen Kristall fasern 124 und 126 als Rückl^itungen dienen. Die Zuleitung
114 kann beispielsweise aus einer nicht elektrooptischen Lichtleitfaser bestehen und die Zuleitung 116
aus
wiederum/einer elektrooptischen Kristallfaser. Dann befinden
sich im Kopfteil 20 eine Einkoppeloptik 28 sowie ein Polarisator 26, wie es auch schon in Figiir 5 dargestellt
ist. Die erste und zweite Rückleitung 124 bzw. werden nun mit der zweiten Zuleitung 116 durch die Auswahl
zwei verschiedener optisch wirksamer Materialien so kombiniert, daß sich ihre Beiträge zur Temperaturabhängigkeit
des Meßsignals wenigstens annähernd aufheben.
Diese Ausführungsform beruht auf der Erkenntnis, daß der
elektrooptische Koeffizient r,., dem Curie-Weiß-Gesetz
unterliegt, das zur Abnahme des Meßsignals mit zunehmender Temperatur führt, wobei verschiedene Materialien verschiedene
Temperaturkoeffizienten besitzen. Die Aufgabe,
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den Spannungswandler so zu gestalten, daß die Temperaturabhängigkeit
wenigstens nahezu aufgehoben ist, wird nun dadurch gelöst, daß beispielsweise als erste Rückleitung
124 und als zweite Zuleitung 116 jeweils eine Kristallfaser mit starkem elektrooptischem Hffckt und einer gewissen
Temperaturabhängigkeit verwendet wird. Als zweite Rückleitung 126 wird dann eine Kristallfaser mit nicht
wesentlich stärkerem elektrooptischem Effekt, aber wesentlich stärkerer Temperaturabhängigkeit verwendet. Koppelt
man diese Fasern so, daß sich der elektrooptische Effekt der Faser 126 von der Summe der elektrooptischen Effekte
der Fasern 124 und 116 subtrahiert, so heben sich nicht die elektrooptischen Effekte, jedoch die Temperaturabhängigkeiten
der Kristallfasern wenigstens annähernd auf.
Zwischen der Zuleitung 114 und der Rückleitung 124 im Kopf
teil 20 wird lediglich ein einfacher in der Figur nicht dargestellter Umlenkkörper verwendet. Zwischen der Rückleitung
124 und der Zuleitung 116 ist dann eine Kupplungseinrichtung 128 erforderlich, damit sich die elektrooptischen
Effekte über die Leitungswege summieren. Die Änderung der kristallographischen Orientierung der Faserkristalle
ist durch zwei unterschiedliche Tetraeder 130 und 132 angedeutet. Am Ende der ersten Rückleitung 124
und der zweiten Zuleitung 116 ist im Fußteil 2 bzw. im Kopfteil 20 ein Umlenkkörper vorgesehen, wie er beispielsweise
in Figur 1 dargestellt ist. Diese Umlenkkörper bewirken eine Krümmung des Faserkristalls mit zwei Viertelwindungen
in der senkrechten Ebene und einer Halbwindung in der waagerechten Ebene und kompensieren dadurch die
krümmungsbedingte Doppelbrechung. Am Anfang der zweiten Rückleitung 126 ist dann wiederum eine Kopplungseinrichtung
134 vorgesehen. Die Beziehung der kristallographischen Orientierung der beiden Fasern aus verschiedenem
Material ist durch die beiden Tetraeder 136 und 138 angedeutet. Die Phasendemodulationsschaltung im Empfänger
030018/0271
-2ο-
- χ> - VPA 78 P 7 1 7 0 BRD
kann beispielsweise in gleicher Weise aufgebaut sein, wie
es in Figur 5 dargestellt ist.
Für Kaliumdihydrogenphosphat KII7PO1, das in der folgenden
Beschreibung mit KDP bezeichnet werden soll, beträgt beispielsweise der elektrooptische Koeffizient
r = 1 C1,P + ΤΤΤΤΎΖ^ Pm/V
(Landolt-Rörnstein, Neue Serie, Gruppe III, Band 1, Seite
144). Für Ammoniumdihydrogenphosphat (NH4)H7PO,, das in
der folgenden Beschreibung mit A.üP bezeichnet werden soll, beträgt der elektrooptische Koeffizient
r63 = 1 C6'14 - ΤπΨύΤ^
Daraus ergeben sich bei 18° C die Temperaturkoeffizienter
1 ^r = 5i-/4 . 10"3K"1 für KDP und
3,69 · 10 "K ' für ADP.
Verwendet man in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 6 eine nicht elektrooptische Zuleitung 114, eine KDP-Kristallfaser
als zweite Rückleitung 126 sowie zwei ADP-Kristallfasern
als 1. Rückleitung 124 und 2. Zuleitung 116 und orientiert man die Fasern an den Kopplungsstellen derart,
daß die resultierende Phasendifferenz
^ = "X" U C2nADP rADP" nKDP Τ^
beträgt, so ist der Temperaturkoeffizient dieser Phasendifferenz
bei Vernachlässigung der Temperaturkoeffizienten der Brechungsindices nur
35
35
030018/0271
- /7 - VPA 78 P 7 1 7 O BRD
d <5 2 nADp3drADP/dT " nKDP 3drKDI»/dT
jar " ~~ 3 3
-nADP rADP " nKDP rKDP
0,112 - 0,217 K-1 _
30,5 - 37,8 K
Das Diagramm nach Figur 7, in dem auf der Ordinate der Ausdruck η r,-, der verwendeten Materialien in pm/V und
auf der Abszisse die Temperatur T in 0C aufgetragen ist,
zeigt den Verlauf der Kennlinie für nKDp r^Dp mit A und
nADP rADP m^"t ^ und d*e Kombination der beiden Kennlinien
aus zwei ADP-Fasern und einer KDP-Faser mit C. Die Gegeneinanderschaltung der Faserkristalle nach Figur
6 ergibt den Verlauf der Kurve C. Die Temperaturabhängigkeit der Größe η I",-,, welche die elektrooptische
Doppelbrechung der Faserkristalle bestimmt, ist somit in der Anordnung nach Figur 6 nahezu aufgehoben.
Durch die Kombination einer Faser des. Materials der Kennlinie A mit starker Temperaturabhängigkeit und
einem gewissen elektrooptischen Effekt mit zwei Fasern des Materials der Kennlinie B mit nur wenig schwächerem
elektrooptischen! Effekt aber etwa halb so starker Temperaturabhängigkeit,
erhält man somit für die gesamte Hintereinanderschaltung der Kristallfasern die Kennlinie C,
bei sich zwar wenigstens annähernd die Temperaturabhängigkeiten, jedoch nicht die elektrooptischen Effekte aufheben.
Neben der Möglichkeit, den Temperaturkoeffizienten der
elektrooptischen Doppelbrechung mit einer Anordnung nach Figur 6 zu kompensieren, gibt es auch die Möglichkeit,
bereits mit einer Hinleitung und einer Rückleitung eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit zu erreichen,
030018/0271
- as-
- ys - VPA ft P 7 1 7 O BRD
Ordnet man z.B. bei einer Anordnung der Kristal1 fasern
nach F;igur 1 mit einem Hmpfängcr nacli Figur 5 zwei
Kristal1 fasern aus verschiedenen Materialien im Gegensatz
zu Figur 1 so an, daß sich ihre elektrooptisch erzeugten
Phasenverschiebungen subtrahieren, so ist das Mcßsignal
am Ausgang 42 des Empfängers 40 proportional der Größe
3 3
η r - n'"r', wobei η und n' die ordentlichen Brechungs-
η r - n'"r', wobei η und n' die ordentlichen Brechungs-
indices der beiden verschiedenen Materialien ohne elektrische Spannung und r bzw. r1 die elektrooptischen Koeffizienten
rA, der beiden verschiedenen Faserkristalle o3
sind. Der Temperatur-Koeffizient des Meßsignals beträgt
dann
1 dS _ n3dr/dT - n'5dr(/dT
S WT ~ "3 . 3 , η r - n1 r'
Für diese Ausführungsform eignet sich somit ein Materialpaar, für das der Zähler in der rechten Seite dieser
Gleichung möglichst klein ist, nicht dagegen der Nenner.
In einer weiteren Ausführungsform der Anordnung zur elektrooptischen
Spannungsmessung mit einem Kompensator nach Figur 1 müssen die verwendeten Kristallfasern und der
Kompensator sowieso aus verschiedenen elektrooptisch wirksamen Materialien bestehen. In diesem Fall erhält man
als Meßsignal eine Spannung
U' = U
n'3r'
wenn auch im Kompensator ein longitudinaler elektrooptischerEffekt
ausgenutzt wird. U ist darin die zu messende Spannung an der Hochspannungsleitung. Vernachlässigt man
wieder die Temperaturabhängigkeit der Brechungsindices, so beträgt der Temperaturkoeffizient des Meßsignals in
diesem Fall
35
35
030018/02 7 1
dU1 _ 1 dr 1 dr clT~ " r cPr r~ W
Wenn das Meßsignal wesentlich kleiner als die zu messende
Spannung sein soll, eignen sich für diese Ausführungsform
Materialien mit sehr unterschiedlichen Werten von n" r aber nahezu gleichem Temperaturkoeffizienten des elektrooptischen
Effektes.
Außerdem ist zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit auch eine Ausführungsform mit zwei verschiedenen Kristallfasern
Cn, r-bzw. n', r1) und einem Kompensator Cn", r")
entsprechend Figur 1 möglich. In diesem Fall beträgt das Meßsignal
U' = U 2—^-=-5 —
n3dr/dT ± n'3dr'/dT 1 dr"
und sein Temperaturkoeffizient
]_ ά\Γ__ n3dr/
U' HT - n3r + nl3r,
wobei die beiden Vorzeichen für die beiden möglichen Kristallorientierungen der Kristallfasern zueinander an
der Kopplungsstelle gelten. Diese Ausführungsform ist vorzugsweise
geeignet für Materialkombinationen, bei denen der Temperaturkoeffizient besonders klein ist.
Neben der Ausführungsform nach Figur 6 mit doppelter Zu-
und Rückleitung ergeben sich weitere Ausführungsformen dadurch, daß man den Lichtstrahl des Senders 2 auch mehr
als zweimal zur Hochspannung am Kopfteil 20 und zurück zum Fußteil 1 führen kann und auch mehr als zwei verschiedene
Fasermaterialien miteinander kombinieren kann, wenn die für die Fasermaterialien geltenden Temperaturkoeffizienten
sich auf diese Weise kompensieren.
030018/0271
- 2ff - VPA Ä P 7 1 7 O BRD
Im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist ein Umlenkkörper 30 vorgesehen, durch dessen Gcstaltungsform eine
zusätzliche Doppelbrechung durch die Krümmung der Kristallfaser 14 verhindert wird. Man kann aber auch die Hin führung
einer zusätzlichen Doppelbrechung in die Kristall faser 14 durch die Krümmung im Kopfteil 20 am flochspannungsleiter
16 zulassen und diese konstante Doppelbrechung dann im Empfänger 40 kompensieren.
13 Patentansprüche
7 Figuren
7 Figuren
030018/0271
Claims (1)
- Ä P 7 1 7 O BRDPatentansprüche\j] Anordnung zur elektrooptischen Spannungsmessung an einem Hochspannungsleiter, dessen elektrisches Feld einen linear oder zirkulär polarisierten Lichtstrahl elliptisch polarisiert und bei der in einem Empfänger die zu messende Spannung aus der Phasendifferenz zwischen den mit verschiedenen Durchtrittsgeschwindigkeiten laufenden Komponenten der Lichtwelle abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuleitung (14) oder als Rückleitung (24) für den ursprünglich linear oder zirkulär polarisierten Lichtstrahl (4) zwischen einem Kopfteil (20) mit dem Hochspannungsleiter (16) und einem Fußteil (1) mit einem Sender (Z) und dem Empfänger (40) wenigstens eine Kristallfaser mit longitudinalem, linearem elektrooptischen Effekt aus piezoelektrischem Material vorgesehen ist.2» Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuleitung (14) für den Lichtstrahl (4) vom Sender (2) zum Kopfteil (20) und als Rückleitung (24) vom Kopfteil (20) zum Empfänger (40) zweivifelektrooptische Kristallfasern vorgesehen sind und daß die Kristallorientierung der Rückleitung (24) gegenüber der Zuleitung (14) um 90° gedreht ist. (Figur 1).3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kopfteil (20) gekrümmte Kristallfaser am Hochspannungsleiter (16) derart in Teilwindungen (21, 22, 23) geführt ist, daß die Formdoppelbrechung innerhalb des Fasermaterials aufgehoben ist-(Figur 1).4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Hochspannungsleiter (16) ein Umlenkkörper (30) zur Führung030018/0271ORIGINAL INSPECTEDP 7 1 7 O BRDder Kristallfaser in Teilwindungen (21, 22, 23) hintereinander in zueinander senkrechten Ebenen vorgesehen Ist.5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a durch gekennzeichnet, daß der Zuleitung (14) ein λ/4-Plättchen vorgeschaltet ist.6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuleitung eine nicht elektrooptisch wirksame Kristallfaser vorgesehen ist und der Rückleitung (24) im Kopfteil (20) auf der Hochspannungsseite ein Polarisator (26) und ein /λ /4-Plättchen vorgeschaltet ist.7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (40) einen Kompensator (38) enthält, dessen Ausgangssignal als Maß für die zu messende Spannung vorgesehen ist.8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Phasendemodulation im Empfänger (40) zwei Detektorsysteme (I, II) vorgesehen sind, von denen einem Detektorsystem(I) ein λ/4-Plättchen (82) vorgeschaltet ist und die jeweils ein Strahlteilerprisma (84 bzw. 94) und den Teilstrahlen zugeordnete Detektoren (88, 90 bzw. 95, 97) enthalten und die ferner jeweils einen Differenzverstärker (92 bzw. 98) und einen nachgeordneten Trägerfrequenzmodulator (Multiplikator) enthalten, dem ein Hochfrequenzgenerator (100) für eine Trägerfrequenz zugeordnet ist und daß eine gemeinsame Auswerteschaltung (99) zur Differenz- oder Summenbildung aus den Produkten vorgesehen ist (Figur 5).9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch g c -030018/0271kennzeichnet, daß das Strahl teilerprisma (84) des ersten Detektorsystems (IJ so orientiert ist, daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers (92) proportional zu sincy ist, daß das Strahlteilerprisma (94) des zweiten Detektorsystems (II) so orientiert ist, daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers (98) proportional zu cosc5 ist, mit der der zu messenden Spannung proportionalen
Phasenverschiebung^ der elektrooptischen Doppelbrechung.10. Anordnung nach Anspruch 2 bis 5, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung und die Rückleitung aus derart verschiedenen elektrooptisch wirksamen Materialien bestehen, daß sich ihre
Temperaturabhängigkeiten wenigstens annähernd kompensieren.11. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallfasern der Zuleitung und/oder der Rückleitung und das Kristallmaterial des Kompensators (36) aus derart verschiedenen elektro-optisch wirksamen Materialien bestehen, daß sich ihreTemperaturabhängigkeiten wenigstens annähernd kompensieren.12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a durch gekennzeichnet, daß mehrereZuleitungen (114, 116) mit jeweils einer Rückleitung (124 bzw. 126) aus mindestens zwei verschiedenen elektrooptischen Materialien hintereinander angeordnet und kristallographisch so orientiert sind, daß sich die Temperaturkoeffizienten der elektrooptischen Effekte wenigstens annähernd kompensieren (Fig. 6).13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zuleitung (114) aus einem elektrooptisch unwirksamen Lichtleiter besteht, und daß von den drei übrigen Kristallfasern (124, 116 und030018/0271« 4 - νΐ'Λ 78 P 7 1 7 O BRD126) zwei aus Ammoniumdihydrogenphosphat und eine aus Kai iumdihydrogenphosphat bestellen und kristall ographisch so orientiert hintereinander gekoppelt sind, daß sich die Temperaturkoeffizienten der elektrooptischen fiffckte wenigstens annähernd kompensieren.030018/0271
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