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Verfahren zur Meßbereichserweiterung optischer Stromsensoren mittels Wellenlängenmodulation

IP.com Disclosure Number: IPCOM000016943D
Original Publication Date: 1999-Apr-01
Included in the Prior Art Database: 2003-Jul-21
Document File: 4 page(s) / 50K

Publishing Venue

Siemens

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Stephan Mohr: AUTHOR [+3]

Abstract

Zum Messen von Strömen über einen sehr großen Dynamikbereich werden neben den konventionellen induktiven Wandlern neuerdings auch optische Stromsensoren auf Basis des Faraday-Effekts verwendet. Der Meßbereich eines optischen Stromsensors wird aber derzeit durch die fehlende Eindeutigkeit der Kennlinie begrenzt, so daß ein Stromsensor derzeit nur im eindeutigen Bereich der Übertragungskennlinie für Meßzwecke genutzt wird. Die damit verbundene Begrenzung der Meßdynamik erschwert infolge des Signal-Rausch- Abstands der Gesamtanordnung den Einsatz als kombinierten Meß-/Schutzwandler erheblich. Infolge dieser Schwierigkeiten wird derzeit der Dynamikbereich des Stroms durch jeweils einen optischen Meß- und einen optischen Schutzwandler separat erfaßt. Um die Mehrdeutigkeit der Sensorkennlinie über mehrere Quadranten zu beseitigen, wird vorgeschlagen ein zusätzliches Quadrantensignal zu generieren. Als Grundlage hierfür dient die zusätzliche quadratische Abhängigkeit des Faraday-Effekts von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts. Dieser physikalische Effekt bewirkt eine nichtlineare stromabhängige Modulation der Sensorkennlinie bei sinusförmig modulierter Wellenlänge des Lichts im Faraday-Medium. Aus der Grundwelle und den Oberwellen des so gewonnenen Modulationssignals q(I,t) wird die benötigte Zusatzinformation für eine eindeutige Strommessung im mehrdeutigen Bereich der Sensorkennlinie gewonnen. Die Ermittlung des zu messenden Stroms erfolgt mit Hilfe einer Look-Up-Tabelle über das unter Umständen mehrdeutige Stromsignal S(I) in Verbindung mit der zugehörigen Grundwelle und gegebenenfalls dem Frequenzspektrum der Oberwellen des überlagerten Modulationssignals q(I,t).

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Bauelemente

Verfahren zur Meßbereichserweiterung optischer Stromsensoren mittelsWellenlängenmodulation

Idee: Stephan Mohr, Jena; Michael Willsch, Fürth; Thomas Bosselmann, Erlangen

Zum Messen von Strömen über einen sehr großen Dynamikbereich werden neben denkonventionellen induktiven Wandlern neuerdings auch optische Stromsensoren auf Basisdes Faraday-Effekts verwendet. Der Meßbereich eines optischen Stromsensors wird aberderzeit durch die fehlende Eindeutigkeit der Kennlinie begrenzt, so daß ein Stromsensorderzeit nur im eindeutigen Bereich der Übertragungskennlinie für Meßzwecke genutzt wird.Die damit verbundene Begrenzung der Meßdynamik erschwert infolge des Signal-Rausch-Abstands der Gesamtanordnung den Einsatz als kombinierten Meß-/Schutzwandlererheblich. Infolge dieser Schwierigkeiten wird derzeit der Dynamikbereich des Stroms durchjeweils einen optischen Meß- und einen optischen Schutzwandler separat erfaßt.

Um die Mehrdeutigkeit der Sensorkennlinie über mehrere Quadranten zu beseitigen, wirdvorgeschlagen ein zusätzliches Quadrantensignal zu generieren. Als Grundlage hierfür dientdie zusätzliche quadratische Abhängigkeit des Faraday-Effekts von der Wellenlänge deseingestrahlten Lichts. Dieser physikalische Effekt bewirkt eine nichtlineare stromabhängigeModulation der Sensorkennlinie bei sinusförmig modulierter Wellenlänge des Lichts imFaraday-Medium. Aus der Grundwelle und den Oberwellen des so gewonnenenModulationssignals q(I,t) wird die benötigte Zusatzinformation für eine eindeutigeStrommessung im mehrdeutigen Bereich der Sensorkennlinie gewonnen. Die Ermittlung deszu messenden Stroms erfolgt mit Hilfe einer Look-Up-Tabelle über das unter Umständenmehrdeutige Stromsignal S(I) in Verbindung mit der zugehörigen Grundwelle undgegebenenfalls dem Frequenzspektrum der Oberwellen des überlagerten Modulationssignalsq(I,t).

Ein möglicher Meßaufbau des beschriebenen Verfahrens kann der Figur 1 entnommenwerden. Die grundsätzliche Meßanordnung und Signalauswertung eines Faraday-Stromsensors (Lichtquelle (1), Polarisator (2), Sensorelement (3), Stromleiter (4),Analysator (5) und Fotoempfänger (6) und (7)) bleibt erhalten. Neuartig ist hierbei derEinsatz einer wellenlängenmodulierbaren Lichtquelle (1), bei der sich die ausgestrahltenLichtwellen mit Hilfe eines externen Modulationssignals m(t) steuern lassen. Jedermöglichen Wellenlänge� � l� � i� ist infolge des Faraday-Effekts eine mehrdeutige SensorkennlinieS(� l� � i ,I) zugeordnet (vgl. Fig. 2).

Durch Modulation der Wellenlänge� � l� � der Lichtquelle (1) mit der Frequenz f m� wird dembisher ausgewertetem Signal S(I) noch ein zusätzliches stromabhängiges Signal q(I,t) mitder Grundwelle und den Oberwellen der Moduationsfrequenz f m� additiv überlagert. Diesesinfolge des Faraday-Effekts nichtlinear modulierte Quadrantensignal q(I,t) zeichnet sich

Siemens Technik Report

Jahrgang 2� Nr. 3� April 1999

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dadurch aus, daß sowohl die Gr...