DE3740468A1 - Vorrichtung zur beruehrungslosen messung statischer und/oder zeitlich veraenderlicher elektrischer felder - Google Patents
Vorrichtung zur beruehrungslosen messung statischer und/oder zeitlich veraenderlicher elektrischer felderInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen
Messung statischer und/oder zeitlich veränderlicher elektri
scher Felder bis in den GHz-Bereich unter Ausnutzung des
Pockelseffektes in optisch aktiven Kristallen, wobei der
Kristall als Sensor dem Einfluß der elektrischen Felder
ausgesetzt wird.
In der industriellen Technik und Forschung besteht oft das
Problem der Spannungsmessung unter stark eingeschränkten
Meßbedingungen, wie
- 1) Potentialtrennung, d. h. es darf keine Meßerde/Masse mitgeführt werden,
- 2) störungsfreie Übertragung des Meßsignales in elektromag netischen Streufeldern, speziell auch in hochfrequenten Störfelden,
- 3) Messung unter erschwerten Umweltbedingungen (hohe Tempe raturen, explosionsgefährdete Räume (Funkenbildung!) oder aggressive Flüssigkeiten),
- 4) kleinste Dimensionen der Meßsonde, um das zu messende Feld nicht stark zu beeinflussen,
- 5) aus einem Dielektrikum bestehende Meßfühler, weil Metall die gegebene Feldverteilung stört (Meßergebnis ver fälscht), ein Isolator andererseits selbst keinen Strom trägt und die Gefahr eines elektrischen Überschlages auf die Meßsonde klein ist, und
- 6) besonders bei hochfrequenten Feldern, Forderung nach einer großen Bandbreite.
Allgemein bekannte Meßmethoden verwenden hierzu metallische
Sensoren, wie eine Rogowski-Spule oder einen kapzitiven
Spannungsteiler. Solche Meßmethoden weisen erhebliche Nach
teile auf. Die durchführbaren Messungen besitzen lediglich
eine Bandbreite im Bereich von 70 bis 80 MHz mit der Folge,
daß die Signale nur auf 12 bis 14 nsec genau werden. Mit den
metallischen Sensoren kann meist dort nicht gemessen werden,
wo Messungen eigentlich interessant sind, nämlich in Berei
chen mit hohen elektrischen Feldstärken, wie z. B. in der
Pseudofunken-Kammer oder ähnlich komplizierten Geräten. Ins
gesamt ergeben sich oft starke Verfälschungen des realen
Signales, hochfrequente Störungen durch Resonanzen bzw.
Schwingungen der Sonden und Erdungsprobleme.
Das der Erfindung zugrunde liegende Aufgabengebiet liegt
darin, eine Meßmethode bzw. einen Sensor zu bieten, mit der
berührungsfrei und ohne wesentliche Störung des zu messenden
Phänomens (in erster Linie der elektr. Feldstärke bzw. Vor
gänge, die durch eine metallische stromleitende Meßsonde
gestört würden) Spannungen bzw. elektr. Feldstärken gemessen
werden können, wobei eine hohe Bandbreite, potentialfreie
Messung, kleine Dimensionen, sicherer Einsatz auch unter
erschwerten Meßbedingungen, wie elektromagnetische Störfel
der (Hochfrequenzfelder), hohen/tiefen Temperaturen, sowie
chemisch aggressive Umgebungen gewährleistbar sein soll. Der
Sensor soll zudem nicht nur die Messung elektrischer Felder
an Stellen ermöglichen, die bisher einer Messung überhaupt
nicht zugänglich waren und er soll den Anwender in die Lage
versetzen, selbst schwierigere Meßprobleme auf eine unkom
plizierte Art und Weise zu meistern.
Die Lösung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspru
ches 1 beschrieben.
Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung an.
Die besonderen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß
- a) die optischen Sensoren aus einem Dielektrikum bestehen, also im Gegensatz zu ihren metallischen Vorgängern direkt am Ort hoher elektrischer Feldstärken einsetzbar sind,
- b) als Folge von a) sichergestellt ist, daß der optische Sensor nicht oder nur unwesentlich die Phänomene stört, die man messen will,
- c) es keine elektromagnetische Pulsbeeinflussung der Meßan ordnung und damit auch keine Erdungsprobleme gibt und
- d) eine hohe Bandbreite im Bereich 1 bis 100 GHz ermöglicht
wird, mit den Beispielen:
opt. Kristall 40 GHz Zeitauflösung 25 psec Lichtwellenleiter 400-800 MHz/km 4-8 GHz pro 100 m LWL.
Ein weiterer Vorteil optischer Meßmethoden wie dieser ist,
daß selbst bei Verwendung vieler Meßstellen (bis zu 60 und
mehr, das hängt vom Detektorsystem ab) alle Signale automa
tisch synchronisiert sind, d. h. es treten keine Zeitkorre
lationsfehler durch unterschiedliche Triggerschwellen auf.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei
spiels mittels der Fig. 1 bis 10 näher erläutert.
In Fig. 1 ist eine sogenannte Pseudofunkenkammer bzw. Diode
dargestellt. Es handelt sich dabei um ein plasmaphysikali
sches System, dessen genaue Funktionsweise bisher noch unbe
kannt ist. Der Betriebszustand ist wie folgt: Zwischen Anode
2 und Kathode 3 wird eine Spannung von maximal 100 Nanose
kunden Länge und einer Amplitude bis 800 kV angelegt. Im
Inneren 4 der Diode 1 herrscht ein Gasdruck von ca. 0,3 mbar
Wasserstoff. Die ganze Anordnung befindet sich in entminera
lisiertem Wasser als Isolator 5. Ziel der Messung ist es,
nun unter diesen extremen Bedingungen die Potentialvertei
lung an den Zwischenelektroden 6 des Systems (schraffierte
Teile) zu ermitteln. Gepunktet dargestellt sind die Isolato
ren 7.
Die Fig. 2 zeigt die berechneten Äquipotentiallinien des
Systems gemäß Fig. 1 mit nur 6 Zwischenelektroden 6 unter
Berücksichtigung der Dielektrizitätskonstanten der vorkom
menden Materialien wie Zwischenelektroden 6, Isolatoren 7
und Wasser 5.
Fig. 3a) bis f) zeigen in feinerer Auflösung einen Ausschnitt
aus der Isolatoren 7 (schwarz)-Elektroden 6 (rechts, weiße
Fläche)-Region, in Fig. 3a) zunächst ohne Kristall (Sensor
8). Fügt man nun einen quaderförmigen Kristall 8 in die
betreffende Region ein, so erkennt man in Fig. 3b) bis d),
daß die Äquipotentiallinien niemals senkrecht auf zwei sich
gegenüberliegenden Flächen 9, 10 stehen, oft auch Potential
linien den Kristall 8 seitwärts verlassen, unabhängig von
der Position dessen. Da die elektrischen Feldlinien senkrecht
auf diesen Äquipotentiallinien stehen, ist somit nicht ge
währleistet, daß das elektrische Feld E senkrecht auf der
(1,1,1)-Ebene des Kristalles 8 steht; dies ist jedoch Vor
aussetzung für eine korrekte Messung im transversalen Fall
des erfindungsgemäß angewendeten Pockelseffektes.
In Fig. 3f) ist die erfindungsgemäße Lösung gezeigt. Zwi
schen Kristall 8 und Elektrode 6 wird ein weiterer Körper 11
gleicher Gestalt wie der Kristall 8, aber mit wesentlich
kleinerer Dielektrizitätskonstanten als der Kristall 8, und
das umgebende Medium gesetzt. Dieser Zusatzkörper 11 wirkt
nunmehr wie eine Potentiallinienlinse und bewirkt, daß der
elektrische Feldstärkevektor E senkrecht auf der Kristallober
fläche 9 bzw. 10 steht und damit senkrecht auf der (1,1,1)-
+17Ebene des entsprechend geschnittenen Kristalles 8. Der Zu
satzkörper 11 kann als Träger des Kristalls 8 und von Licht
zu- und abführungen ausgebildet sein.
Die Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Meßaufbau zur Messung
elektrischer Felder/Spannungen mittels des erfindungsgemäßen
fiberoptischen Sensors. Die Lichtquelle 12 muß nicht notwen
digerweise ein Laser sein; je nach erwünschter Zeitauflösung
und Detektorsystem 13 reichen auch weniger intensive Quellen
aus. Das Licht des HeNe-Lasers 12 wird mittels des Mikros
kopobjektivs 14 in einen Multimode Lichtwellenleiter 15
eingekoppelt und auf eine Oberfläche des Kristalls 8 fokus
siert. Das elektrische Feld E ist durch Pfeile gekennzeichnet.
Das transmittierende Licht wird von einem weiteren Lichtwel
lenleiter 16 aufgenommen und zu dem Detektor 13 geführt. Der
Kristall 8 bildet einen fiberoptischen Sensor für die elektri
sche Feldstärke.
In Fig. 5 ist der detaillierte Aufbau des Sensors 8 (11)
dargestellt. Alle Teile 8, 11, 19, 20 werden mit optisch
transparentem Epoxidkleber verklebt. In der Fig. 5 ist darge
stellt die Potentiallinienlinse 11 mit dem E-Feld (Pfeil),
die von vorne gegen den Kristall 8, parallel zu den Linsen
17, 18 am Lichtwellenleiter 15 -Ende bzw. 16 -Anfang und den
Lichtwellenleitern 15/16 geklebt wird und gleichzeitig als
stabilisierender Träger für den Kristall 8 dient. Zwischen
Linse 17 bzw. 18 und Kristall 8 stehen eine das Licht um 45°
drehende Polarisatorfolie 19 bzw. eine Analysatorfolie 20,
mit der eine Phasendrehung des Lichts feststellbar ist.
Fig. 6 und 7 zeigen den graphischen Zusammenhang zwischen
der Lichtintensität I/Io des fiberoptischen Sensors 8, 11
und der elektrischen Feldstärke E (Meßgröße) bzw. der Zeit
t. Die Empfindlichkeit des Kristallsensors 8 wird durch die
Kristalllänge bestimmt, welche ebenfalls für die maximale
Grenzfrequenz zusammen mit der Länge der Lichtwellenleiter
15/16 verantwortlich ist (Durch Benutzung eines zweiten
Sensors, speziell bei hohen elektrischen Feldern (zeitlich
schnell veränderliche-), kann die Eindeutigkeit der berech
neten elektrischen Feldstärke aus der gemessenen Intensi
tätskurve durch Vergleich gewahrt werden). In der Simulation
(Fig. 7) ist die Antwort des Sensors 8 auf ein elektrisches
Feld, das sinusförmig von der Zeit abhängt, dargestellt.
Der Aufbau (Fig. 5) mit Polarisator 19 parallel zum Analysa
tor 20 hat den Vorteil, daß die maximale Intensität Io
automatisch mitgemessen wird und nicht separat bestimmt
werden muß, wie im Falle Polarisator 19 senkrecht zum Analy
sator 20, was für die Intensität I(t) eine quadratische
Sinusfunktion ergibt.
Der Sensor 8 (11) gemäß dieses Aufbaus in Transmission
betrieben; eine Anordnung in Reflexion wäre ebenfalls mög
lich (wegen des komplexeren Aufbaus mit einem zusätzlichen
halbdurchlässigen Spiegel und damit verbundener Intensitäts
reduzierung). Das Kristallmaterial ist wasserunlöslich, der
ganze Sensor 8 (11) wird jedoch zum Schutz in eine dünne
Siliconschicht eingegossen.
Mit dem in Fig. 4 und 5 dargestellten Testaufbau wurde der
fiberoptische Sensor 8 (11) im Vergleich mit zwei in diesem
Meßbereich noch möglichen rein elektrischen Meßverfahren er
probt. Obwohl der Sensor 8 (11) für wesentlich höhere elek
trische Feldstärken entwickelt wurde, arbeitet er auch bei
diesen kleineren Werten sehr gut. Die Fig. 8, 9 und 10
zeigen die Auswertung einiger Messungen. Die jeweils durch
gezogene Kurve zeigt stets die Messung mit dem Sensor (BGO-
Kristall 8), die gestrichelten Kurven geben die elektrischen
Signale wieder. Dabei bedeutet U s die Spannung, die mittels
einer Hochspannungssonde gemessen wurde, U theo die nach dem
Netzwerk berechnete Spannung und U r die mittels eines ohm
schen Teilers gemessene Spannung.
Die mit Hilfe des Sensors 8 (11) ermittelte und die elek
trisch gemessene Spannung stimmen in der Amplitude bis auf
etwa 4% überein. Die Abklingzeit (RC-Zeitkonstante) der
elektrisch gemessenen Signale ist deutlich kleiner als die
des Sensorsignales, letztere stimmt jedoch bis auf weniger
als 2% mit der theoretischen Netzwerkanalyse überein.
Betrachtet man die Signale in einem kleineren Zeitbereich,
so erkennt man auch die Feinstruktur der Signale aufgrund
von Streukapazitäten und -induktivitäten. Sowohl das elek
trische (Sonde) als auch das optische (Sensor) Signal zeigen
die Überschwinger in der Spannung; die Schwingungsdauer
stimmt auf besser 2% überein.
Was jedoch die elektrischen Messungen falsch wiedergeben, ist
die Anstiegszeit der Signale sowie das oben bereits erwähn
te Abklingen. Das Amplitudenverhältnis der Überschwinger ist
ebenfalls verschieden. Diese Punkte lassen sich jedoch durch
die Neigung der elektrischen Sonden zum Differenzieren er
klären; sie täuschen demzufolge schnellere Signale vor als
real vorhanden sind.
Eine Zusammenfassung der wichtigsten Daten zeigt nochmals
die Tabelle 1.
Um bei den für die Entwicklung des Sensors 8 (11) verant
wortlichen Messungen eine ausreichende Zeitauflösung sicher
zustellen und die Signalerfassung ohne bandbreitenlimitie
rende elektronische Verstärker und sonstige Elektronik für
die direkte Signalverarbeitung auszuführen, werden die
Lichtsignale mittels einer Schmierbildkamera (Streakkamera;
nicht dargestellt) aufgenommen. Diese hat eine Zeitauflösung
von besser 2 Picosekunden.
Das am Phosphorschirm der Streakkamera entstehende Bild wird
durch eine SIT-Videokamera aufgenommen und digitalisiert.
Man erhält so eine Intensitätskurve als Funktion der Zeit,
aus der man dann das zeitabhängige elektrische Feld oder die
Spannung berechnen kann. Ein weiterer Vorteil des Streakka
merasystems ist, daß man bis zu 64 Signale gleichzeitig und
automatisch zeitkorreliert aufnehmen kann.
Werden nicht so hohe Anforderungen an das zeitliche Auflö
sungsvermögen sowie die Bandbreite gestellt, können auch
wesentlich billigere bzw. einfachere Detektorsysteme Verwen
dung finden.
In Tabelle 2 sind einige charakteristische Daten eines ver
wendeten Sensorkristalls 8 aufgeführt. Als Kristallmaterial
eignet sich insbesondere Bi₄Ge₃O₁₂ oder Bi₄Si₃O₁₂. Der
Zusatzkörper 11 kann z. B. aus Plexiglas bestehen. Kri
stall- bzw. Zusatzkörperform, Materialien und Geometrien
hängen im wesentlichen von den Anforderungen an die Meßge
nauigkeit und vom Einsatzort des Sensors ab (Wasser, Öl
etc.).
| I(t) | |
| Lichtintensität bei angelegtem E-Feld E(t) | |
| I₀ | maximale Lichtintensität (ohne elektrisches Feld) |
| n₀ | Brechungsindex von BGO =2,0975 |
| r₄₁ | elektrooptischer Koeffizient = 0,95 10-12 m/V |
| L | Länge des Kristalls = 7,5 mm |
| λ₀ | Wellenlänge der Lichtquelle = 633 nm |
| E(t) | Betrag der elektrischen Feldstärke |
Claims (4)
1. Vorrichtung zur berührungslosen Messung statischer und/
oder zeitlich veränderlicher elektrischer Felder bis in
den GHz-Bereich unter Ausnutzung des Pockelseffektes in
optisch aktiven Kristallen, wobei der Kristall als Sensor
dem Einfluß der elektrischen Felder ausgesetzt wird,
dadurch gekennzeichnet,
- a) daß der Kristallsensor (8) mit einem weiteren Körper (11) mit abweichender Dielektrizitätskonstanten kombi niert ist,
- b) daß der Kristallsensor (8) und der Körper (11) sich an einem gemeinsamen Oberflächenteil berühren,
- c) daß Licht mittels eines Lichtwellenleiters (15) an den Kristallsensor (8) herangeführt und nach Transmission oder Reflektion als Informationsträger mittels eines weiteren Lichtleiters (16) zu einem Detektor (13) geleitet wird und
- d) daß das Licht vor Eintritt in den Kristallsensor (8) eine Polarisation (19) erfährt und eine Phasendrehung des transmittierten Lichtes mittels eines Analysators (20) in eine vom Detektor (13) zu messende Intensi tätsänderung umgewandelt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
Form und Dielektrizitätskonstante des Körpers (11) derart
ausgewählt sind, daß die elektrischen Feldlinien (E) den
Kristallsensor (8) parallel zueinander durchlaufen und
senkrecht auf zwei sich gegenüberliegenden Außenflächen
(9, 10) des Kristallsensors (8) stehen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich
net, daß das Licht, welches vom Lichtwellenleiter (15)
herangeführt wird, parallel ausgerichtet (17) und mittels
einer Polarisationsfolie (19) derart gedreht wird, daß es
in einem Winkel von 45° zur elektrischen Feldstärke (E)
steht, welches wiederum senkrecht zur (1,1,1)Ebene des
Kristallsensors (8) steht und daß das transmittierende
Licht eine Analysatorfolie (20) durchquert, bevor es in
den weiteren Lichtleiter (16) eingekoppelt (18) wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß der Kristallsensor (8) aus eienm Bi₄Ge₃O₁₂- oder
Bi₄Si₃O₁₂-Kristall und der Zusatzkörper (11) aus einem
Kunststoff besteht und daß beide Körper (8, 11) quader
förmig ausbildbar sind.
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