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Aus Stromwandler- und Spannungswandlereinheit bestehender kombinierter
Meßwandler Die Erfindung bezieht sich auf einen aus Stromwandler- und Spannungswandlereinheit
bestehenden kombinierten Meßwandler mit einem einen Prirnärleiter aufnahmenden und
ein Strommeßteil enthaltenden Gehäuse, das sich über oder unter einer Durchführungsanordnung
befindet.
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Kombinierte Meßwandler sind seit langem bekannt. Zu einem Teil bestehen
sie aus einer induktiven Stromwandlereinhet und aus einer induktiven Spannungswandlereinheit
und zu einem weiteren Teil aus einer induk-tiven Stromwandlereinheit und aus einer
kapazitiven Spannungswandlereinheit.
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Neben diesen klassisch zu nennenden kombinierten Meßwandlern sind
andere Kombinationswandler bekannt, bei denen die Stromwandlereinheit nicht nach
dem transformatorischen Prinzip arbreitet. So ist beispielsweise in der deutschen
Offenlegungsschrift 1 538 092 eine aus Stromwandler und kapazitivem Spannungswandler
bestehende Meßgruppe beschrieben, bei der innerhalb des kapazitiven Teils des Spannungswandlers
ein Durchgang freigelassen ist, über den eine drahtlose Strommeßwertübertragung
zwischen dem Kopfteil und dem Sockelteil erfolgen kann; im Kopfteil befindet sich
nämlich eine Sendeeinrichtung, von der aus zur Niederspannungsseite Signale gesendet
werden, die Aufschluß über die Größe des Stromes auf der Hochspannungsseite geben.
Im Empfangsteil wird aus der übertragenen Größe eino Meßgroße gebildet, die mit
der üblichen Sekundärgröße von als Stromwandler arbeitenden Meßtransformatoren vergleicElbar
i-st.
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Die bekannten kombinierten Ne ßwan dl er stellen Sonderausführungen
von Meßwandlern dar, die sich in ihren Aufbau sowohl von Stromwandler- als auch
von Spannungswandlerausführungen wesentlich unterscheiden. Dies führt zu einer verhältnismäßig
großen Zahl von unterschiedlichen Einzelteilen und zu einer aufwendigen Fertigung.
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Der .Erfindung liegt daher zunächst die Aufgabenstellung zugrunde,
einen kombinierten Meßwandler zu schaffen, der woitgehend aus den Bauteilen zusamrnengesetzt
werden kann, die bei der herstellung von Einzelwandlern sowieso benötigt werden.
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Diese Aufgabe ist bei einem kombinierten Meßwandler der eingangs beschriebenen
Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß ein Meßfühler aus einem Lichtwellenleiter
in einem von der Spannung hervorgerufenen elektrischen Feld irn Gehäuse und/oder
in der Durchführungsanordnung so untergebracht ist, daß ihn durchsetzendes polarisiertes
Licht eine von der Höhe der Spannung abhängige Drehung seiner Polarisationsebene
erfährt und daß auf Nie derspannungspo t ential eine Auswerte e ini4 ohtung angeordnet
ist, in der das polarisierte Licht in eine dSr Spannung proportionale elektrische
Meßgröße umgesetzt wird.
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Durch eine derartige Ausführung eines kombinierten Meßwandlers läßt
sich beispielsweise ein herkömmlicher Stromwandler ohne wesentliche konstruktive
Änderungen zu einem kombinierten Meßwandler ausgestalten, da der als Meßfühler wirkende
Licht;« wellenleiter in Bereichen des Wandlers angeordnet werden kann die aus Isolationsgründen
ungenutzt bleiben müssen oder die zur Bildung eines Dielektrikums dienen. Da ein
Lichtwellenleiter aus Isolationsmaterial besteht, kann er in diesen Bei reichen
untergebracht werden, ohne daß sich Störungen der Funktionsweise ergeben.
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Sofern im Rahmen der Erfindung von Lichtwellenleitern die Rede ist,
so sind damit insbesondere Index-Gradient-Leiter, Gradietltenfasern und unter der
Handelsbezeichnung "SELFOC-GUIDE" bekannte Lichtleiter gemeint. Lichtwellenleiter
können linear polarisiertes Licht führen, ohne daß die Polarisation des Lichtes
zerstort wird. Werden diese Lichtwellenleiter von einer elektrischen Feldstärke
in transversaler Richtung beaufschlagt, dann tritt - wenn dem Lichtwellenleiter
linear polarisiertes Licht zugeführt wird - eine Drehung der Polarisationsebene
in Abhängigkeit von der jeweiligen elektrischen Feldstärke ein, Da die elektrische
Feldstärke der elektrischen Spannung proportional ist, läßt sich aus der Drehung
der Polarisationsebene auf die Höhe der Spannung selbst schließen. Wird das elektrische
Feld von der zu messenden-Spannung erzeugt, dann ist die Drehung der Polarisationsebene
des linear polarisierten Lichtes ein Naß fiir den Augenblickswert der jeweils zu
messenden Spannung.
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Bei dem erfindun£sgemäßen Meßwandler kann der Lichtwellenleiter des
MeßfüJers in unterschiedlicher Weise i.n der Durchführungsanordnung untergebracht
sein. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, den Lichtwellenleiter zwischen spannungssteuernden
Elementen der Durchführungsanordnung unterzubringen, da sich in (iiosem Fal.le der
Lichtwellenleiter in einem definierten elektrischen Feld befindet.
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Vorteilhaft erscheint es auch, wenn der Lichtwellenleiter des Meßfühlers
eine Spule bildet, weil dann der Lichtwellenleiter über eine größere Lange einem
elektrischen Feld ausgesetzt ist und damit auch bei verhältnismäßig kleinen elektrischen
Feldstärken noch eine meßbare Drehung der Polarisationsebene des Lichtes eintritt.
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Die Spule aus dem Lichtwellenleiter ist in einer ungesteuerten Durchführungsanordnung
vorzugsweise derart untergebracht,
daß ihre Längsachse in Achsrichtung
der Durchführungsanordnung verläuft. Es werden dann zur Drehung der Polarisationsebene
des Lichtes die elektrischen Feldlinien ausgenutzt, di.e zwisehen der an Hochspannung
liegenden Elektrode und Erdpotential verlaufen. Dies setzt aber voraus, daß die
jeweilige Spule aus dem Lichtwellenleiter keinen Fremdfeldeinflüssen ausgesetzt
ist. Biege Voraussetzung wird in Höchstspannungsanlagen im allgemeinen erfüllt sein,
da dort die Phasenabstände verhaltnismäßig groß sind.
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In vielen Fällen wird man einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Wandlers
den Vorzug geben, bei der die Spule aus dem Lichtwellenleiter in einer Durchführungsanordnung
mit eingebetteten Steuerelektroden untergebracht ist; in einer solchen Dürchführungsanordnung
ist die Spule vorteilhafterweise zwischen benachbarten Steuerelektroden angeordnet.
Um bei einer derartigen Ausftthrung die Durchführungsanordnung in üblicher Weise
bemessen zu können, erscheint es vorteilhaft, die Lagen der Spule aus dem Lichtwellenleiter
zwischen den einzelnen Steuerelektroden unterzubringen, also die Spulen in einzelne
Lagen aufzuteilen, die dann entsprechend der Anordnung der Steuerelektroden gegeneinander
versetzt in der Durchführun.gsanordnung liegen. Die einzelnen Lag<n sind untereinander
durch einen Lichtwellenleiter verbunden, zweckmäßigerweise aus einem durchgehenden
Lichtwellenleiter gewickelt. Bei einer derartigen Ausführung des erfindungsgemäßen
Meßwandlers liegen die einzelnen Lagen der Spulen aus dem Lichtwellenleiter also
in der Regel konzentrisch um die Achse der Durchführungsanordnung.
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In Abweichung von der eben behandelten Ausführung und Anordnung des
Lichtwellenleiters in der Durchführungsanordnung ist es auch möglich irnd kann auch
vorteilhaft sein, den Licht wellenleiter des Meßfühlers in der Durchführungsanordnung
mit
eingebetteten Steuerelektroden an diesen Elektroden entlang
und zwischen jeweils zwei benachbarten Steuerelektroden hindurchzuführen. Bei einer
derartigen Führung des Lichtwellenleiters enthält dieser elso Teile, die sich parallel
zur Längsachse der Durchführungsanordnung erstrecken und so anneordnet sind, daß
der Lichtwellenleiter von elektrischen Feldlinien transversal durchsetzt ist. Es
ergibt sich in diesem Falle eine mäanderähnliche Führung des Lichtwellenleiters
in der Durchführungsanordnung.
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Bei einen Nteral des Lichtwellenleiters, , das eine nur geringe Drehung
der Polarisationsebene des Lichtes in Abhängigkeit von der zu messenden Spannung
ergibt, erscheint es vorteilhaft, den Lichtwellenleiter des Meßfühlers unter Bildung
mehrerer zusammenbängender Toroidspulen um die einzelnen Steuerelektroden zri wickeln.
Es ist dann eine erheblich größere Länge des Lichtwellenleiters dem elektrischen
Feld ausgesetzt, und es wird eine größere Dreht der Polarisationsebene erreicht,
was zur Erzielung einer höheren Meßgenauigkeit vorteilhaft ist.
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Die Erfindung lcßt sich also bei kombinierten Wandlern mit sehr unterschiedliche
ausgebildeten Durchführungsanordnungen anwenden. Dies gilt auch für eine Durchführungsanordnung
mit gewickelten Kondensatoren als spannungssteuernde Elemente; bei einer derartigen
Durchführungsanordnung werden die Lichtwellenleiter des Meßfühlers vorzugsweise
in die Kondensatoren miteingewickelt. Bei einer Durchführungsanordnung mit Platten-oder
Tellerkondensatoren ist der Lichtwellenleiter des Meßfühlers zwischen den Elektroden
der Kondensatoren angeordnet.
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Zur Erzielung eines kombinierten Meßwandlers nach der Erfindung ist
nicht nur die Anordnung des Lichtwellenleiters innerhalb der Durchführungsanordnung
möglich, sondern es läßt sich auch des Topf- oder kopfgehäuse des Wandlers zur Unterbringung
des
Lichtwellenleiters zum Zwecke der Spannungsmessung verwenden. Bei einem Kopfteil
mit einer leitenden, ringförmigen Schale zur Aufnahme des Strommeßteiles und einem
diese Schale umfassenden Kopfgehäuse läßt sich dies so durchführen, daß zwischen
der Schale und dem Kopfgehäuse der Lichtwellenleiter des IvIeßftil!lers angeordnet
und so geführt ist, daß er von den elektrischen Feldlinien transversal durchsetzt
ist. Der Lichtwellenleiter kann dabei in unterschiedlicher Weise geführt sein, beispielsweise
kann er die ringförmige Schale an ihrem äußeren Umfang umfassen. Vorteilhafter erscheint
es jedoch, wenn der Lichtwellenleiter unter Bildung einer Toroidspule um die ringförmige
Schale gewickelt ist.
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Das im Gehäuse eines Kopf- oder Topfteiles untergebrachte Strommeßteil
kann ebenfalls in unterschiedlicher Weise angeordnet und ausgebildet sein; beispielsweise
karn bei einem Wandler in Kopfbauweise in der ringförmigen Schale in bekannter Weise
eine üblichc Sekundärwicklung mit Eisenkern untergebracht sein. Mittels eines solchen
Strommeßteiles lassen sich dann Strommessungen für Verrechnungszwecke durchführen.
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Besonders vorteilhaft erscheint es, wenn in der ringförmigen Schale
des Kopfteiles mindestens eine Spule aus einen Lich-twellenleiter untergebracht
ist, in dem polarisiertes Licht in seiner Polarisationsebene in Abhängigkeit von
der Größe des Stromes im Primäleiter in seiner Polarisationsebene gedreht wird.
Auf diese Weise läßt sich nämlich eine Information über den Netzstrom gewinnen,
und zwar so@ohl für sehr niedrige Betriebsströme als auch für höchste Kurzschlußströme,
ohne daß - wie bei klassischen Stromwandlern mit Eissenkern - eventuelle Sättigungserscheinungen
zu nichtlinearen Verzerrungen führen.
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Kann auf die Möglichkeit der konventionellen Strommessung mittels
Eisenkern für Verrochnungszwecke verzichtet werden, dann besteht im Rahmen des erfindungsgemäßen
Vorschlages die Möglichkeit, das Strommeßteil aus einer oder mehreren Wicklungen
aus einem Lichtwellenleiter zu bilden und durch die Wicklungen den Prilnarleiter
zu führen, so daß den Lichiwellenleiter durchsetztes polarisiertes Licht in seiner
Polarisationsebene in Abhängigkeit vom Strom im Primärleiter gedreht wird. Bei mehreren
Lichtwellenleiter-Wicklungen lassen sich mehrere gegenenfalls sich überlappende
Strommeßbereiche mit hoher Gcnauigkeit erzielen, wobei im Betriebsstrommeßbereich
die Messung für Verrechnungszwecke und im Kurzschlußstrombereich die Messung für
Schlutzzwecke wichtig ist. Sind die Wicklungen aus dem Lichtwellenleiter vergrossen
und mit einem leitenden Außenbelag versehen dann wird der Lichtwellenleiter elektrisch
völlig abgeschirmt und ist ausschließlich dem Magnetfeld ausgesetzt, das von dem
Strom im Primärleiter erzeugt wird. Die Drehung der Polarisationsebene des Lichtes
in diesen Wicklungen ist dann ausschließlich ein Maß für den Strom durch den Primärleiter.
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Bei einer Ausführung des erfindungsgemäßen kombinierten Meßwandlers
mit einer oder mehreren Wicklung aus einem Lichtwellenleiter zur Strommessung ist
auf Niederspannungspotential eine zusätzliche Auswerteeinrichtung vorhanden, in
der die Drehung der Polarisationsebene des Lichtes in dem Strom im Primärleiter
proportionale elektrische, digitale oder analoge Meßgrößen ungeformt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen kombinierten Meßwandler kann die Durchführungsanordnung
selbst in unterschiedlicher Weise ausgeführt sein. Vorteilhaft erscheint es, wenn
die Durchführungsanordnung einen Porzellan-Isolator aufweist, der mit vorzugsweise
aufgesehäumtem Silikongummi ausgegossen ist.
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Es ist aber auch zweckmäßig, die Durchführungsanordnung in Gießharz-Vollverguß
auszuführen.
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Insbesondere bei einer Ausführung des erfindungsgemäßen Meßwandlers
mit einem Strommeßteil mit einer oder mehreren Wicklungen aus einem Lichtwellenleiter
zur Strommessung ist es vorteilhaft, wenn die Durchführungsanordnung einen aus Faserstoffen
bestehenden Strunk mit dem Lichtwellenleiter des Meßfühlers und dem Lichtwellenleiter
enthält, der von und zur Wbklung zur Strommessung führt; dieser Strunk weist eine
Kunststoffumhüllung mit Schirmen auf. Eine derartige Durchführungsanordnung bietet
den Vorteil, daß sie in verhältnismäßig großen Längen relativ preiswert hergestellt
werden kann, was für Durchführungsanordnungen mit Porzellan-Isolatoren nicht gilt.
Porzellan-Isolatoren sind nämlich verhältnismäßig teuer, was dazu führt, daß bei
einer Verwendung derartiger Isolatoren für einen kombinierten Meßwandler für Hochstspannungsanlagen
für beispielsweise 1500 kV die Kosten allein für den Isolator sehr hoch sind.
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Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Figuren 1 bis 3 drei Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen kombinierten Meßwandlers dargestellt.
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Der in der Figur 1 dargestellte kombinierte Meßwandler besteht im
wesentlichen aus einem Kopfteil 1, einer Durchführungsanordnung 2 und einem Sockelteil
3. Innerhalb der Durchführungsanordnung 2 ist innerhalb eines Isolators 4 eine SparnLungsrteuerung
5 untergebracht. Die Spannungssteuertmg 5 enthält mehrere Steuerelektroden 6, 7
und 8, die metalli-che Zylinder darstellen. Wie die in der Figur 1 linse Darstellung
der Durchführungsanordnung 2 erkennen läßt, ist ein Lichtwellenleiter 9 aus dem
Sockelteil 3 kommend in Achsrichtung der Durchführungsanordnung 2 zunächst innen
an der Steuerelektrode
8 vorbeigeführt. Dann ist der Lichtwellenleiter
9 um das obere Ende 10 der Steuerelektrode 8 herumgelegt und zwischen der Steuerelektrode
7 und 8 bis zum unteren Ende II der Steuerelektrode 7 geführt. Von dort ist der
Lichtwellenleiter 9 zunächst außen an der Steuerelektrode 7 vorbei- und dann zwischen
der Steuerelektrode 6 und Steuerelektrode 7 hindurchgeführt. In gleicher Weise ist
der Lichtwellenleiter 9 auf der rechten Seite der Durchführungsanordnung 2 wieder
heruntergeführt. Dies ist jedoch in der Figur 1 nicht dargestellt, da mit dieser
Figur auch noch eine andere Anordnung des Lichtwellenleiters in der Durchführungsanordnung
2 erläutert werden soll.
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Ein Lichtwellenleiter 12 kann nämlich innerhalb der Durchführungsanordnung
2 auch so angeordnet sein, daß er einzelne Windungen 13 bildet, die konzentrisch
um die Längsachse der Durchführungsanordnung 2 angeordnet sind. Die Windungen 13
des Lichtwellenleiters 12 bilden mehrere Lagen, die so angeordnet sind, daß sie
jeweils zwischen zwei Steuerelektroden 6 und 7 sowie 7 und 8 liegen.
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Bei beiden Anordnungen des Lichtwellenleiters 9 bzw. 12 in der Durchführungsanordnung
2 ist dafür gesorgt, daß der Lichtwellenleiter von elektrischen Feldlinien transversal
durchsetzt ist, so daß linear polarisiertes Licht, das vom Sockelteil 3 her den
Lichtwellenleiter durchläuft, eine Drehung seiner Polarisationsebene erfährt, die
von der elektrischen Feldstärke und damit von der Spannung am Primärleiter 14 abhängig
ist, In der Durchführungsanordnung 2 ist außerdem noch eine Ausleitung 15 für das
Strommeßteil 16 im Kopfgehäuse 1 vorgesehen.
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Das Kopfteil 1 des in der Figur 1 dargestellten Ausführungs beispiels
des erfindungsgemäßen MeBwandlers weist ein Kopfgehäuse 17 auf, das auf die Durchführungsanordnung
2 aufgesetzt ist. Das Kopfgehäuse 17 wird von dem Primärleiter 14 durchsetzt. Innerhalb
des Kopfgehäuses 17 befindet sich eine leitende, ringförmige Schale 18, die auf
Niederspannungspotential liegt. Innerhalb dieser ringförmigen Schale 18 ist bei
dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel eine Sekundarwicklung 19 mit Eisenkern sowie
eine Wicklung 20 aus einem Lichtwellenleiter untergebracht. Sowohl die Enden der
Sekundärwicklung 19 als auch die Enden der Wicklung 20 aus dem Lichtwellenleiter
sind durch die Durchführungsanordnung 2 nach Niederspannungspotential geführt.
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Der in der Figur 1 dargestellte kombinierte Meßwandler gestattet'
eine Messung des Stromes durch den Primärleiter 14 in einem'sehr großen Strombereich,
da durch die Verwendung einer Wicklung 20 aus einem Lichtwellenleiter Sättigungserscheinungen,
die bei klassischen Stromwandlern zu nichtlinearen Verzerrungen führen können, nicht
auftreten können. Mit Hilfe der Sekundärwicklung 19 mit Eisenkern lassen sich außerdem
Strommessungen für Verrechnungszwecke durchführen. Außerdem kann durch den Lichtwellenleiter
9 bzw. 12 innerhalb der Durchfilhrungsanordnung 2 eine Messung der Spannung am Primärleiter
14 vorgenommen werden. Die das linear polarisierte Licht erzeugende Lichtquelle
sowie die Auswerteeinrichtungen zur Umsetziing der Poiarisationsebenendrehungen
des Lichtes in elektrische Meßgrößen sind bei dem erfindungsgemäßen kombinierten
Wandler vorzugsweise in einem Schaltkasten 21 am Sockelteil 3 untergebracht. Die
Auswertecinrichtungen können dabei beispielsweise in einer Weise ausgeführt sein,
wie dies in der deutschen Offenlegungsschrift 1 903 828 beschrieben ist.
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Das in der Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß
ausgebildeten Meßwandlers besteht wiederum aus
einen Kopfteil 22,
einer Durchführungsanordnung 23 und einem Sockelteil 24. Die Durchführungsanordnung
23 weist eten Porzellan-Isolator 25 auf, in dem eine Spannungssteuerung 26 untergebracht
ist.
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Das Kopfteil 22 ist bis auf die Anordnung eines Lichtwellenleiters
27 genauso aufgebaut wie das Kopfteil 1 bei dem Ausfiihrungsbeispiel nach Figur
1. Während bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 der Lichtwellenleiter 9 bzw.
12 zur Spannungsmessung innerhalb der Durchführungsanordnung 2 untergebracht ist,
ist der Lichtwellenleiter 27 zum Zwecke der Spannungsmessung bei dem Ausführungsbeispiel
nach Figur 2 unter Bildung einer Toroidspule um eine ringförmige Schale 28 angeordnet.
Da die Schale 28 geerdet ist, liegt zwischen dieser Schale 28 und einem Gehäuse
29 die Spannung an dem das Kopfteil 22 durchsetzenden Primärleiter 30, und es herrscht
in dem Raum zwischen der Schale 28 und dem Kopfgehäuse 29 eine entsprechende elektrische
Feldstärke. Demzufolge wird linear polarisiertes Licht in dem Lichtwellenleiter
27 in Abhängigkeit von dieser Spannung in seiner Polarisationsebene gedreht. In
einer Auswerteeinrichtung in einem nicht dargestellten Schaltkasten am Sockelteil
24 kann daraus eine elektrische Größe gewonnen werden, die der zu messenden Spannung
proportional ist. Das Strommeßteil kann genauso aufgebaut sein, wie es im Zusammenhang
mit der Beschreibung der Figur 1 erläutert worden ist.
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Bei dem in der Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Lichtwelleleiter
31 ähnlich wie in der Figur 1 bereits dargestellt innerhalb einer Spannungssteuerung
32 derart gefüiirt daß den Lichtwellenleiter 31 durchsetzendes, linear polarisiertes
Licht eine Drehung seiner Polarisationsebene erfährt, die der Spannung am Primärleiter
33 proportional ist.
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In einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung kann dann
eine
Sekundärgröße gewonnen werden, die der Spannung am Primärleiter 33 proportional
ist.
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Die Strommessung erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3
mittels einer Wicklung 34 aus einem Liclitwellenleiter 35; die Wicklung 34 wird
von dem Primärleiter 33 setzt, so daß der Lichtwellenleiter 35 in longitudinaler
Richttrng von einem Magnetfeld durchsetzt ist, das dem Strom im Primärleiter 33
proportional ist. Die Wicklung 34 ist vorzugsweise vergossen, beispielsweise mit
Silikongummi, und mit einem leitenden Außenbelag 36 versehen. Durch diesen Außenbelag
36 ist sichergestellt, daß die Wicklung 34 elektrisch völlig abgeschirmt ist und
nur vom Magnetfeld beeinflußt wird.
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Linear polarisiertes Licht, das den Lichtwellenleiter 35 der Wicklung
34 durchsetzt, wird daher in seiner Polarisationsebene nur in Abhängigkeit vom Magnetfeld
gedreht, das von dem Strom durch den Primärleiter 33 erzeugt wird.
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Sowohl der Lichtwellenleiter 31 zur SpannungsruesEullg als auch der
Lichtwellenleiter 35 zur Strommessung sind zu einem Sockelteil 37 geführt, in dem
sich nicht dargestellte Auswerteeinrichtungen befinden.
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Ilit der Erfindung wird ein kombinierter Meßwandler vorgeschlagen,
der sich ohne we sentli ehe konstruktive Ä Änderungen aus Einzelteilen bekannter
Einzelwandler herstellen läßt.
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3 Figuren 22 Ansprüche