DE19638645A1 - Optical measuring device for electrical field strength / voltage measurement with minimal temperature dependence, working on the principle of the Pockels effect - Google Patents

Abstract

In a optical measuring device for measuring electrical fields/voltages with electrically optical double refraction (Pockels effect) a Fresnel rhombus (14) is used as the circular polarizer lambda /2-phase shifter.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mit elektri­ scher Doppelbrechung arbeitende optische Vorrichtung zur Mes­ sung elektrischer Spannungen bzw. Feldstärken.The present invention relates to an electri optical birefringence measuring device for measuring solution of electrical voltages or field strengths.

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.Voltage measuring devices of this type are known from e.g. B. DE-C 34 04 608, EP-B 0 083 196 and EP-A 0 458 255. These Publications give the technological background and hin point to constructive designs of such after Principle of the Pockels effect with electro-optical double width voltage tester. Such tension meters are preferred for the range of medium voltages and High voltages are used, with the possibility of optical Si Signal transmission for the purpose of electrical insulation against above the ground / neutral potential is used.

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.In the case of measuring devices of the relevant type, there is an electroop table active element, a selected crystal body, the electrical field or voltage to be measured exposed. Electrical field influence on the material of the Crystal body leads to electrically induced double brine chung, which depends on the measure of the Kri in question effective electrical field strength.

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.Such a Pockels element is relevant in the usual optical measuring devices in a series circuit with a Circular polarizer and a polarizing radiation part Inserted as analyzer. One leaves in such a way direction of a measuring light beam with linear polarization, or which has been linearly polarized to the circular polar by a 90 ° phase shifter, through which Pass the Pockels element and the analyzer through. As a result of the elec  Trooptic birefringence effect takes place upon exposure field strength of an electric field in the Pockels element dependent birefringence of the passing Measuring light beam, which is generally elliptically polarized emerges tightly from the Pockels element. In the analyzer a fraction dependent on the components of polarization in two partial light beams, the one another in general my different high light intensity is a measure of the im Pockels element prevailing electrical field strength or electrical voltage applied to this element. Opto electronic implementation with appropriate detectors and electronic processing of the intensity signals in respective ways are known.

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.For the necessary in such a known device Generation of the circular polarization of the Pockels element entering light beam are basically λ / 4 plates used for the light entering the plate radiation have π / 2-phase shift. That in that Linearly polarized light entered λ / 4 plate leaves the This plate is circularly polarized. Such a λ / 4 plate is frequency-selective and its temperature-dependent Changing the optical properties leads to significant Temperature dependence of such a measuring device.

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.The object of the present invention is to provide a measure admit with a much higher temperature independent speed for a measuring device as described above len is.

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. Numerous proposals have become known, such as Measures of special electronic evaluation of the Intensi activity signals of the aforementioned two partial light beams of the analyzer tors solved this task at least partially satisfactorily could be.  

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).According to the invention this object is achieved in that the ex λ / 4 plates as a 90 ° phase shifter by another Ren phase shifter is replaced. This is according to claims phase shifters used according to the invention (year hundred years old) known Fresnel rhombus. The phase ver shift through a Fresnel rhombus is over one large range almost independent of the wavelength (see e.g. B. Eugene Hecht, optics).

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.According to the invention it has been found that the tech nically more complex Fresnel rombus with such a great advantage, that the additional technical effort is justified that is, namely about the temperature dependence of one initially specified electro-optical voltage measuring device To make orders of magnitude smaller than with known ones Orders is the case.

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.It was surprising to find that with Fresnel's Rhombus corresponds to such a temperature independence Chend inventive measuring device can be achieved that the remaining temperature dependence already in size order, which is caused by the other optical elements, in particular the Pockels element, given as the lower limit is.

Fig. 1 zeigt einen Aufbau einer Vorrichtung mit Fres­ nel′schem Rhombus. Fig. 1 shows a structure of a device with Fres nel'schem rhombus.

Fig. 2 zeigt den Rhombus. Fig. 2 shows the rhombus.

Fig. 3 zeigt das Ergebnis der Erfindung. Fig. 3 shows the result of the invention.

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. Fig. 1 shows the basic structure of a measuring device 1 according to the Invention with the Fresnel rhomb 14, the Pockels element 15, analyzer 17 and a linear polarizer 11. the latter is provided if the measuring light radiation 12 does not already occur as a linearly polarized radiation in the Fresnel rhombus 14 . With 17 ₁ and 17₂ the partial beams emerging from the analyzer 17 are designated.

Wie bereits oben erwähnt, ersetzt der Fresnel′sche Rhombus 14 in der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung das ansonsten übliche λ/4-Plättchen.As already mentioned above, the Fresnel rhombus 14 in the measuring device according to the invention replaces the otherwise usual λ / 4 plate.

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). Fig. 2 shows a side view of the otherwise known Fresnel rhombus 14 with its basic beam path with double internal total reflection at points 111 and 211 on the respective inner surface of the Rhom bus. Such a Fresnel rhombus is a body made of glass with appropriately aligned entry and exit surfaces for the measurement / light radiation 12 . In contrast to a λ / 4 circulator in the Fresnel rhombus, the parallel-axial offset of the beam path must be taken into account in the construction of the measuring device ( 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. FIG. 3 shows the progress of the invention using a diagram. The measured electric field strength (positive and negative direction) is plotted on the abscissa. The temperature error is given in percent on the ordinate for a temperature change of 60 °. The curve 21 applies to an arrangement with a λ / 4 plate of zero order made of quartz. In this case, the temperature dependence of the phase rotation is approximately 0.036 degrees / K. Curves 22 a and 22 b show the progress according to the invention. Curve 22 b shows the temperature dependence of the Pockels crystal al alone. Curve 22 a shows the temperature dependence of the crystal and the rhombus taken together, that is to say that of the device according to the invention at 0.0003 degrees / K. This temperature dependency results for almost all common types of glass (see also Schott catalog). The temperature dependency speed in curve 22 a is therefore predominantly given by the temperature dependency of the optical activity and by the Pockels effect of the crystal and can practically not be undercut by an improvement in the temperature dependence of the phase shifter. The temperature constancy achieved according to the invention is generally completely sufficient for the rest of the practice.

Claims (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.Optical measuring device for electrical fields / voltages using the electro-optical Pockels effect, this measuring device in the beam path ( 12 ) of the optical measuring radiation in addition to an electro-optically birefringent crystal ( 15 ) and an optical analyzer ( 17 ) egg ne device ( 14 ) generating circular polarization of the radiation (12), characterized in that said means (14) (12) converting to circular polarization Fresnel'scher rhombus is in the beam path (12) device of the measuring arranged, present linear polarization of the measuring radiation (14).