Beschreibung der Erfindung

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1 Beschreibung der Erfindung iese Beschreibung charakterisiert die Eigenschaften der Erfindung bezüglich des gelösten technischen Prblems und den Frtschritt gegenüber dem Stand der Technik.. urch die Erfindung gelöstes technische Prblem ie Messung elektrischer Ströme auf beliebigem Ptenzial hne Einfügen des Messsystems in den elektrischen Strmkreis stellt ein grundsätzliches Prblem der Messtechnik dar. ieses Prblem wurde durch die vrgelegte Erfindung bei Kmpensatin aller nachteiligen Effekte wie z. B. der ppelbrechung in Lichtwellenleitern der Temperaturschwankungen gelöst.. Bisherige Lösungen und Stand der Technik as Prblem wurde bisher nur durch eine aufwendige Signalverarbeitung im Messsystem und dann nur näherungsweise gelöst. Springer Fachmedien Wiesbaden 05 R. Thiele, Reflektierender Faraday-Effekt-Strmsensr, essentials, OI 0.007/ _ 3

2 4 Beschreibung der Erfindung.3 Nachteile der bekannten Lösungen urch die Nachteile, dass die schwankende ppelbrechung selbst in der Näherung im Messwert enthalten ist der der Zusammenhang zwischen Messwert und Messgröße nichtlinear ist, lassen sich die bekannten fremden Lösungen charakterisieren..4 Aufgabe der Erfindung er Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, alle nachteiligen Effekte bei der ptenzialgetrennten Messung elektrischer Ströme hne Eingriff in den elektrischen Strmkreis der Messgröße zu eliminieren..5 Lösung der Aufgabe durch die Erfindung iese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein völlig neuer Ansatz mit den Eigenschaften parallele Anregung des Messsystems durch eine handelsübliche Laserdide mit ptinal knstanter Strahlungsleistung, Schutz der Laserdide vr reflektiertem Licht durch Einschaltung eines handelsüblichen ptischen Islatrs, Verwendung vn zwei handelsüblichen linearen Plarisatren zur Herstellung und Auswertung linearer Plarisatinen als Vraussetzung für die Anwendung des Faraday-Effektes zur Plarisatinsebenen-rehung des Lichtes in einer ersten und einer zweiten Spule, eweils aus handelsüblichen Lichtwellenleitern (LWL) gefertigt, Verwendung vn drei elektrmagnetischen Spulen aus elektrischen Leitern, entsprechend Abb..,. und.3, die ineinander mit eweils einer LWL-Spule gewickelt sind, zur Erzeugung der Übersetzungsverhältnisse ü und -ü zwischen den Messwerten i und i swie eweils der Messgröße i als elektrischen Strm und damit Realisierung eines mehrfachen ptischen Transfrmatrprinzips, autmatische Kmpensatin der ppelbrechungen n und n durch Beschaltung der Enden der zwei LWL-Spulen mit eweils handelsüblichen 90 -Faraday-Rtatr-Mirrrs unter Ausnutzung der Eigenschaften der zugehörigen neuen Sensr-ifferenzialgleichung (GL),

3 .5 Lösung der Aufgabe durch die Erfindung 5 Abb.. Reflektierender Faraday-Effekt-Strmsensr Abb.. Knstruktiver Aufbau eines Spulenkörpers Verwendung einfacher stabiler Regelkreise mit integrierenden Strmverstärkern zur Eliminatin der bleibenden Regelabweichung, einfacher linearer Zusammenhang zwischen Messgröße und Messwerten, vermittelt durch die Prprtinalitätsfaktren Windungszahlverhältnisse der elektrmagnetischen Spulen zuzüglich knstanter Anteile zur Arbeitspunkteinstellung.

4 6 Beschreibung der Erfindung Abb..3 Spule mit sichtbarer äußerer Kupferwicklung und nicht sichtbarer interner LWL- Wicklung. (Ft Winkler).6 Neues und Kern der Erfindung as wesentlich Neue und der Kern der Erfindung sind in der gleichzeitigen Applikatin der flgenden Ideen zu sehen:. Autmatische Kmpensatin der ppelbrechung unter Ausnutzung der Eigenschaften der abgeleiteten Sensr-ifferenzialgleichung und der 90 -Faraday- Rtatr-Mirrrs am Ende der ersten und zweiten LWL-Spule,. Verwendung vn Regelkreisen mit ptischer Rückkpplung zur Herstellung des linearen Zusammenhanges zwischen den Messwerten i bzw. i und eweils der Messgröße i hne störende ppelbrechung im LWL, 3. Ermittlung der exakten Messwerte i und i als Lösungen einer neuen, den Sensr beschreibenden nichtlinearen ifferenzialgleichung (GL), 4. Verwendung des Integratrprinzips in den Schleifen der Regelkreise zur Eliminatin der bleibenden Regelabweichungen.

5 .8 Erläuterung der Erfindung 7.7 Wesentliche und zusätzliche Vrteile der Erfindung Als wesentliche bzw. zusätzliche Vrteile der vrgelegten Erfindung sind zu nennen: as Messsystem zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus. er faserptische Strmsensr ist auch zur ptenzialgetrennten Messung elektrischer Ströme einsetzbar. ie Erfindung eignet sich swhl für die Messung kleiner Ströme im ma-bereich als auch zur Bestimmung grßer Ströme im ka-bereich, eweils in Abhängigkeit vn der imensinierung des Sensrs. er Sensr ist in einem grßen Frequenzbereich einsetzbar, abhängig vn seiner imensinierung. ie Herstellung des erfindungsgemäßen Strmsensrs lässt sich mit verfügbaren Bauelementen und Technlgien leicht realisieren..8 Erläuterung der Erfindung.8. Analyse des Faraday-Effekt-Strmsensrs Ausgehend vn Abb.. wird der ptische Teil des Strmsensrs durch die elektrische Verschiebungsflussdichte (die Indizes vn entsprechend den zugehörigen Orten im Messsystem) für Licht als elektrmagnetische Welle dargestellt. Vrzugsweise, aber nicht zwingend, liegt als Ausgangssignal der Laserdide der linear plarisierte Jnes-Vektr in = (.) 0 in nrmierter Frm vr. Nach der Laserdide ist ein ptischer Islatr mit der Jnes-Matrix I geschaltet, der die Laserdide vr reflektiertem Licht schützt. Es gilt: = = I in = (.) Am Eingang des linearen hrizntalen Plarisatrs mit der Jnes-Matrix P erhalten wir nach (.) ein 45 -linear plarisiertes Eingangslicht.

6 8 Beschreibung der Erfindung Am Ausgang des Plarisatrs ergibt sich 0 = P = 0 0 = 0, (.3) als hrizntal plarisiertes Licht. as Signal wird in einen ptischen 3 db-richtkppler mit den Transmissinen bzw. ( = ) eingespeist. amit erhalten wir am beren Ausgang/Eingang 3 des Kpplers: = = 3in 0 (.4) Für die LWL-Spule mit der Windungszahl N und der Länge L gilt mit dem ppelbrechungsparameter δ und dem Faraday-Winkel α die Beschreibung: = J ( δα, ) 3ut (.5) J( δα, ) ist die Jnes-Matrix der ersten LWL-Spule für die Vrwärts- und Rückwärtsrichtung, einschließlich der 90 -Faraday-rehung des am Ende der ersten LWL-Spule vrhandenen 90 -Faraday-Rtatr-Mirrrs mit der Jnes-Matrix bzw. Streumatrix R entsprechend Abb..4. Es gilt: 3in 0 ut = R in mit R = 0 (.6) Für J( δα, ) gilt entsprechend der weiterführenden Literatur: δ sin( d/) sin( d/) cs( d/)+ α d/ d/ J ( δα, )= sin ( d / ) α cs d/ d / ( ) ( ) δ sin d/ d/ (.7) Abb..4 Faraday-Rtatr-Mirrr

7 .8 Erläuterung der Erfindung 9 abei ist d die Abkürzung für d = δ + 4 α (.8) mit L δ = n λ dl 0 δ = 4 nl λ (.9) (.0) und α = V NR 0 α = V H d l 0 Mi + Mi Mi + Mi dl R dl R NR α = VN ( Mi + M = α i) (.) (.) (.3) abei bedeuten: λ Wellenlänge des Lichtes n ppelbrechung der. LWL-Spule V Verdet-Knstante der. LWL-Spule R Radius der. LWL-Spule L Länge der. LWL-Spule N Windungszahl der. LWL-Spule M Windungszahl der. elektrmagnetischen Spule M Windungszahl der. elektrmagnetischen Spule i elektrischer Strm (Messgröße) i elektrischer Strm (. Messwert) H magnetische Feldstärke, herrührend vn i und i, vr der Kmpensatin Smit erhalten wir für die erste LWL-Spule eine vn δ und α abhängige Jnes- Matrix J (, ) δα gemäß (.7) und damit = J ( δα, ) 3ut 3in (.4)

8 0 Beschreibung der Erfindung 3ut δ sin( d/) sin( d/) cs( d/)+ α d/ d/ = sin( d/) α cs( d/) d/ 3ut = cs( d/)+ sin d/ ( ) α d/ δ sin d/ d/ ( ) d/ δ sin d/ ( ) 0 (.5) (.6) In ähnlicher Weise ergibt sich am Eingang/Ausgang 4 des 3dB-Richtkpplers: = 4in (.7) 4in = 0 = J ( δ, α ) 4ut 4in δ sin( d /) sin( d /) cs( d /)+ α d / d / J ( δ, α)= sin d / d / α ( ) δ sin d d / ( /) ( ) cs d / α = V NR α d = δ + 4 α L δ = n λ α δ = 4 n L λ dl = V H d l Mi Mi Mi Mi dl R dl R NR = V N ( M i Mi) = α (.8) (.9) (.0) (.) (.) (.3) (.4) (.5) (.6)

9 .8 Erläuterung der Erfindung abei bedeuten: λ Wellenlänge des Lichtes n ppelbrechung der. LWL-Spule V Verdet-Knstante der. LWL-Spule R Radius der. LWL-Spule L Länge der. LWL-Spule N Windungszahl der. LWL-Spule M Windungszahl der. elektrmagnetischen Spule M Windungszahl der 3. elektrmagnetischen Spule i elektrischer Strm (Messgröße) i elektrischer Strm (. Messwert) magnetische Feldstärke, herrührend vn i und i,vr der Kmpensatin H 4ut 4ut = J ( δ, α ) Am Ausgang 5 des 3dB-Richtkpplers flgt: 4 in δ sin( d/ ) sin( d/ ) cs( d / )+ α d0 / d / = sin( d / ) δ sin( d / ) α cs ( d ) d / / d / 4ut cs( d )+ = sin( d / ) α d / ( ) δ sin d / / d / = ut ut 0 (.7) (.8) (.9) (.30) 5 = cs( d/ )+ cs( d )+ / 8 sin ( d/ ) sin ( d / ) α + α d/ d / δ sin ( d/ ) δ sin ( d / ) d/ d / + (.3) Nach dem zweiten Plarisatr mit der Jnes-Matrix P erhalten wir schließlich P ut = 5 (.3)

10 Beschreibung der Erfindung ut = (.33) ut = sin ( d/ ) cs( d/ )+ cs( d / )+ + d 0 0 / 8 0 sin( d/ ) sin d / + ( ) α α d/ d / d d ut = sin( / ) sin + ( / ) 8 α α d/ d / δ δ sin / ( d ) d / (.34) (.35) Für die ptischen Leistungen gelten die Prprtinalitäten * * P ~ ; P ~ = ut ut ut in in in (.36) Smit wird: P ut Pin = 8 sin( d/ ) sin d + ( / ) α α d/ d / (.37) Mit der Phtempfindlichkeit S E der ergibt sich für den Phtstrm i ph SE P = 8 in sin( d/ ) sin d + ( / ) α α d/ d / (.38).8. Sensr-ifferenzialgleichung Nach Abb.. ergibt sich für den elektrischen Teil des Strmsensrs zunächst: i i i = i + i ph ph ph t vi = iph d +I T τ A t i ph τ IA v = T i d + (.39) (.40) (.4)

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