DE68922951T2

DE68922951T2 - Elektrooptisches Spannungsdifferenz-Messverfahren und -Gerät in einem Messsystem für phasenverschobene Signale.

Info

Publication number: DE68922951T2
Application number: DE68922951T
Authority: DE
Inventors: Robert Charles Miller
Original assignee: Asea Brown Boveri Inc USA
Current assignee: ABB Inc USA
Priority date: 1988-09-28
Filing date: 1989-09-25
Publication date: 1996-01-11
Anticipated expiration: 2009-09-26
Also published as: DE68928916D1; EP0613015B1; BR8904866A; EP0361832A2; AU616303B2; JPH02120673A; AR247791A1; AU4127089A; EP0361832A3; DE68922951D1; EP0361832B1; US4904931A; CA1328482C; EP0613015A1; DE68928916T2; JP3189840B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrooptisches System zur genauen Bestimmung der elektrischen Spannung zwischen zwei beabstandeten Objekten. Inbesondere betrifft die Erfindung ein System, das einen elektrooptischen Kristall mit einer vierzähligen Drehinversionsachse benutzt, der Doppelbrechung im Verhältnis zur Größe eines angelegten elektrischen Feldes aufweist. Insbesondere betrifft sie die Erzeugung von zwei elektrischen Signalen in Quadratur aus parallelen Strahlen kollimierten polarisierten Lichtes, die den elektrooptischen Kristall durchlaufen und von Bruchteilwellenplättchen verzögert werden, um eine relative Verzögerung einer Viertelwelle (¼) zu erzeugen. Schließlich betrifft die Erfindung die Ableitung einer Darstellung für die das an den elektrooptischen Kristall angelegte Feld erzeugende Spannungswellenform aus den zwei elektrischen Signalen in Quadratur unter Verwendung eines Digitalrechners.
Elektrooptische Systeme zur Messung elektrischer Spannungen sind beispielsweise aus einem Artikel von H. M. Hertz und P. Thomson im Review of Scientific Instruments 58, September 1987, Nr. 8 bekannt.
Beispielsweise benutzen als Pockels-Zellen bekannte Vorrichtungen gewisse Kristalle, die in Gegenwart eines elektrischen Feldes Doppelbrechung, das heißt einen Unterschied in der Brechzahl in zwei orthogonalen Ebenen aufweisen. Einige dieser Kristalle wie beispielsweise KDP (Kaliumdihydrogenphosphat) weisen eine vierzählige Drehinversionsachse auf. Solche Materialien haben die Eigenschaft, daß die Brechzahl für sich entlang der vierzähligen Achse fortpflanzendes Licht in der Abwesenheit eines elektrischen Feldes unabhängig von der Polarisationsebene des Lichtes ist. Wenn jedoch parallel zur Richtung des Lichtes ein elektrisches Feld angelegt wird, erhöht sich die Brechzahl für Licht, das in einer Richtung quer zu der als die positive Achse bekannten vierzähligen Achse polarisiert ist, und jene in einer orthogonalen Richtung, ebenfalls quer zur vierzähligen Achse und als die negative Achse bekannt, verringert sich, und zwar jeweils um einen Betrag, der zur Stärke des elektrischen Feldes proportional ist. Bei solchen Pockels-Zellenvorrichtungen wird, wenn Licht in einer Ebene polarisiert ist, die einen Winkel zu diesen Querachsen bildet, die Komponente des polarisierten Lichtes in der Richtung der negativen Achse mit der verringerten Brechzahl in bezug auf die andere Komponente verzögert. Wenn der Kristall so ausgerichtet ist, daß sich seine vierzählige Achse zwischen den Objekten erstreckt, zwischen denen die Spannung zu messen ist, und das polarisierte Licht parallel zur vierzähligen Achse gerichtet wird, ist die Gesamtverzögerung proportional zur Gesamtspannungsdifferenz zwischen den zwei Objekten. Diese Verzögerung wird typischerweise in Wellenlängen gemessen. Die Verzögerung wird im Analysator erfaßt und in ein elektrisches Signal umgewandelt, um ein die Größe der das Feld erzeugenden Spannung darstellendes Ausgangssignal zu erzeugen. Aufgrund der zyklischen Beschaffenheit dieses elektrischen Signals ist das Ausgangssignal nur für solche Spannungen unzweideutig, die eine Verzögerung erzeugen, die geringer als die Halbwellenspannung für den Kristall ist. Bei KDP beträgt diese Halbwellenspannung circa 11300 Volt. Diese Art von Vorrichtung eignet sich daher nicht zum Messen von Übertragungsleitungsspannungen, die 100.000 Volteff und mehr betragen können.
In der europäischen Patentanmeldung EP 0 011 110 ist eine Vorrichtung zum Messen von Spannungen auf elektrooptische Weise offenbart. Diese Meßvorrichtung ist jedoch nicht in der Lage, die Zweideutigkeitsprobleme zu lösen, die auftreten, wenn man versucht, größere Spannungen als die "Halbwellen-"Spannung zu messsen. Es muß daher ein besonderer Kompensator vorgesehen werden.
Ähnliche Probleme bestehen bei der Messung von Strömen. Eine solche Vorrichtung ist in der europäischen Patentanmeldung 0 254 396 desselben Erfinders offenbart. Es wird jedoch der Faraday-Effekt benutzt, und die Vorrichtung reagiert auf ein Magnetfeld. Darüber hinaus durchlaufen zwei Lichtstrahlen das magnetooptische Element nacheinander und jeder der austretenden Lichtstrahlen wird in zwei orthogonal polarisierte Lichtstrahlen aufgeteilt. Diese vier Strahlen werden in elektrische Signale umgewandelt und zur Erzeugung eines zu dem zu messenden elektrischen Strom proportionalen Signals benutzt.
Ein Verfahren zur Erzeugung eines Ausgangssignals aus zwei phasenverschobenen Signalen ist aus der europäischen Patentanmeldung 0 208 593 bekannt. Diese Erfindung löst jedoch nicht das oben beschriebene Halbwellenspannungsproblem. Statt dessen erfordert sie die Benutzung eines Faraday-Effekt-Transformators.
Andere in Pockels-Zellen benutzte Kristallarten reagieren auf ein elektrisches Feld in einer zur Fortpflanzungsrichtung des Lichtes durch die Zelle senkrechten Richtung. Solche Zellen geben das Potential am Schnittpunkt des Strahls mit dem Feld nur ungefähr an. So kann eine Einzelzelle nicht das Potential über den gesamten Raum zwischen zwei Objekten integrieren, und diese Vorrichtungen bieten daher keine genaue Messung der Spannung zwischen den zwei Objekten. Systeme, die gewöhnlich diese Art von Pockels-Zellen benutzen, (1) messen entweder das Potential an einem Punkt und setzen voraus, daß das Potential an allen anderen Punkten zwischen den zwei Objekten aus dieser einzigen Messung abgeleitet werden kann, oder (2) stellen irgendeine Art von Spannungsteiler bereit und legen einen festen Bruchteil der Leitungsspannung an die Zelle an, und zwar in einer Anordnung, die das Feld innerhalb der Zelle konstant hält. Das Problem besteht bei dem ersten Ansatz darin, daß außer bei niederohmigen Wegen das Feld entlang eines Weges auf die Position irgendwelcher leitenden oder dielektrischen Körper in der Nähe des Weges anspricht. So würde, wenn diese Art von Pockels-Zelle auf der Oberfläche eines Leiters befestigt ist und das Feld gemessen wird, die Anzeige von der Größe und Form des Leiters, von der Entfernung zwischen Leiter und Erde, von der Position und dem Potential aller in der Nähe gelegenen Leiter, von der Position aller isolierenden oder leitenden Körper in der Nähe des Sensors oder auf dem Boden unterhalb des Sensors und von der Gegenwart irgendwelcher Vögel, Regentropfen oder von Schnee zwischen dem Sensor und dem Boden abhängig sein. So wären bei einem solchen System genaue Messungen nur unter sehr idealen Umständen möglich. Bei dem zweiten Ansatz besteht das Problem in der Bereitstellung eines genauen stabilen Spannungsteilers.
Optische Spannungsmeßsysteme sind wünschenswert, da sie gute Isolierung von der gemessenen Spannung bieten. Durch Verwendung von faseroptischen Kabeln ist es möglich, leicht und bequem Fernanzeigen bereitzustellen, die nicht den elektrischen Störungen unterliegen, denen von elektrischen Signalen gespeiste Fernanzeigen ausgesetzt sind.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines optischen Systems zur genauen Messung von sehr hohen Spannungen wie beispielsweise denen, die in elektrischen Übertragungssystemen vorhanden sind, ohne Verwendung eines Spannungsteilers und in der Anordnung, daß ein solches optisches System das Feld über den gesamten Raum gegen Erde zwischen dem Leitungsdraht relativ dazu integrieren kann.
Angesichts dieser Aufgabe beruht die Erfindung auf einem Verfahren zum Messen einer elektrischen Spannung zwischen zwei beabstandeten Objekten, wobei eine elektrooptische Vorrichtung, die Doppelbrechung in zwei orthogonalen Achsen (X', Y') quer zu einer optischen Achse (Z) als Reaktion auf ein elektrisches Feld (Fg) aufweist, so positioniert ist, daß die besagte optische Achse (Z) sich zwischen den zwei besagten Objekten erstreckt, mit folgenden Schritten: Erzeugen von mindestens einem kollimierten Lichtstrahl; Hindurchführen des besagten Lichtstrahls durch die elektrooptische Vorrichtung; Polarisieren des besagten Lichtstrahls und Verzögern mindestens eines Teils des Lichtstrahls, bevor daraus zwei phasenverschobene elektrische Signale und ein die Spannung zwischen den besagten zwei beabstandeten Objekten darstellendes Ausgangssignal erzeugt werden; wobei die elektrooptische Vorrichtung einen elektrooptischen Kristall (3) umfaßt; zwei, ein erster und ein zweiter, kollimierte Lichtstrahlen (5, 13) erzeugt werden, die mit einer ausgewählten Polarisationsebene polarisiert werden; die ersten und zweiten kollimierten Lichtstrahlen (5, 13) parallel zur optischen Achse (Z) und mit der Polarisationsebene jedes polarisierten kollimierten Lichtstrahls (5p, 13p) in einem ausgewählten Winkel zu den besagten zwei orthogonalen Achsen (X', Y') des Kristalls (3) durch den besagten Kristall (3) hindurchgeführt werden; die ersten und zweiten Lichtstrahlen durch Polarisationsmittel (9) hindurchgeführt werden, nachdem der erste Strahl relativ zum zweiten Strahl verzögert worden ist; die ersten und zweiten polarisierten kollimierten Lichtstrahlen bei ihrem Austritt aus dem Polarisationsmittel in die ersten und zweiten verschobenen elektrischen Signale (e1, e2) umgewandelt werden; das Ausgangssignal von besagten ersten und zweiten phasenverschobenen elektrischen Signalen (e1, e2) erzeugt wird durch: Überwachung (119, 147) der Folge von Nulldurchgängen der besagten ersten und zweiten phasenverschobenen elektrischen Signale (e1, e2); Durchführung (125, 153) einer zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung (n) der Nulldurchgänge der besagten ersten und zweiten phasenverschobenen elektrischen Signale (e1, e2), Ändern (121, 123, 149, 151) der Richtung der besagten zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung als Reaktion auf zwei aufeinanderfolgende Nulldurchgänge von einem der besagten ersten und zweiten elektrischen Signale (e1, e2), und Erzeugen (155-175) eines Treppenausgangssignals (81), das die gemessene elektrische Spannung zwischen den besagten zwei beabstandeten Objekten aus der besagten zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung (n) darstellt.
Die Erfindung stellt weiterhin eine Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Potentials zwischen zwei beabstandeten Objekten bereit, die nach dem Verfahren des Anspruchs 1 arbeitet, wobei sich der elektrooptische Kristall (3) mit einer vierzähligen Drehinversionsachse (Z) zwischen den besagten beabstandeten Objekten erstreckt und die besagten polarisierten kollimierten ersten und zweiten Lichtstrahlen (5p, 13p) den besagten elektrooptischen Kristall in einer parallelen Richtung zur besagten vierzähligen Drehinversionsachse (Z) durchlaufen, wobei die besagte Vorrichtung folgendes umfaßt: Lichtquellenmittel (23, 25) zum Erzeugen der besagten ersten und zweiten kollimierten Lichtstrahlen (5, 13); erste Polarisationsmittel (7) zum Polarisieren der besagten ersten und zweiten kollimierten Lichtstrahlen (5, 13); Bruchteilwellenplättchenmittel (11, 15), die mindestens der besagte erste polarisierte kollimierte Lichtstrahl (5p) durchläuft, nachdem er den besagten Kristall (3) durchlaufen hat, wobei die besagten Bruchteilwellenplättchenmittel (11, 15) den besagten ersten polarisierten kollimierten Lichtstrahl (5p) um ein ungeradzahliges Vielfaches einer Viertelwelle (1/4) in bezug auf den besagten zweiten polarisierten kollimierten Lichtstrahl (13p) verzögern; zweite Polarisationsmittel (9), durch die die besagten ersten und zweiten polarisierten kollimierten Lichtstrahlen (5p, 13p) laufen, nachdem sie den besagten Kristall (3) durchlaufen haben und besagter mindestens einer der besagten Strahlen die Bruchteilwellenplättchenmittel (11, 15) durchlaufen hat; erste und zweite Detektoren (49), die die aus dem besagten zweiten Polarisetionsmittel (9) austretenden besagten ersten und zweiten polarisierten kollimierten Lichtstrahlen (5p, 13p) in erste beziehungsweise zweite elektrische Signale (e1, e2) umwandeln; und Ausgangssignalerzeugungsmittel (77) zum Erzeugen eines das Potential zwischen den besagten zwei beabstandeten Objekten darstellenden Ausgangssignals aus den besagten ersten und zweiten elektrischen Signalen (e1, e2); wobei die besagten Ausgangssignalerzeugungsmittel (77) folgendes umfassen: Mittel zum Überwachen (119, 147) der Folge von Nulldurchgängen der besagten ersten und zweiten phasenverschobenen elektrischen Signale (e1, e2); Mittel zum Durchführen (125, 153) einer zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung (n) der Nulldurchgänge der besagten ersten und zweiten phasenverschobenen elektrischen Signale (e1, e2); Mittel zum Ändern (121, 123, 149, 151) der Richtung der besagten zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung als Reaktion auf zwei aufeinanderfolgende Nulldurchgänge eines der besagten ersten und zweiten elektrischen Signale (e1, e2), und Mittel zum Erzeugen (155-175) eines die gemessene elektrische Spannung zwischen den besagten zwei beabstandeten Objekten darstellenden Treppenausgangssignals (81) aus der besagten zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung (n).
Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichungen:
Figur 1 ist eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips von Spannungsmeßsystemen, die einen Teil der Erfindung bilden.
Figur 2 ist ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Spannungsmeßsystems.
Figuren 3a, b und c sind Wellenformdiagramme, die die zu messende Leitung-Erde-Spannung, die Wellenformen der von dem optoelektrischen Meßsystem der Figur 2 erzeugten phasenverschobenen elektrischen Signale beziehungsweise die aus den phasenverschobenen elektrischen Wellenformen wiederhergestellten Ausgangswellenformen darstellen.
Figur 4 ist eine Darstellung, wie die Ausgangswellenform aus den phasenverschobenen elektrischen Wellenformen wiederhergestellt wird.
Figur 5A mit 5B ist ein das vom System der Figur 2 benutzte Programm zum Aufbauen der Ausgangswellenform aus den phasenverschobenen elektrischen Wellenformen auf die in Figur 4 dargestellte Weise darstellendes Flußdiagramm.
Figur 6 ist eine isometrische Ansicht mit weggebrochenem Teil der Vorrichtung zum Messen von Leitung-Erde-Spannungen in einer Hochspannungs- Stromübertragungsanlage nach der Erfindung.
Figur 7 ist eine Vergrößerung einer Teilbaugruppe der Figur 6, und
Figur 8 ist ein senkrechter Schnitt durch einen Bauteil, der ein Teil der Teilbaugruppe der Figur 7 ist.
Die Offenbarung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Potentials zwischen zwei beabstandeten Objekten unter Verwendung eines Kristalls mit einer vierzähligen Drehinversionsachse, die sich zwischen den beabstandeten Objekten erstreckt. Kollimiertes Licht, das durch ein erstes Polarisationsmittel mit einer Polarisationsebene, die einen spitzen Winkel mit den positiven und negativen Achsen des Kristalls bildet, polarisiert ist, wird parallel zu der vierzähligen Drehinversionsachse durch den Kristall geleitet. Eine Verzögerung des durch den Kristall hindurchgeführten polarisierten kollimierten Lichtes aufgrund des elektrischen Feldes wird durch zusätzliche Polarisationsmittel erfaßt. Das aus dem zusätzlichen Polarisationsmittel aus tretende Licht wird von Fotodetektoren in elektrische Signale umgewandelt. Um Zweideutigkeiten bei der Messung von Spannungen, die die Halbwellenspannung des Kristalls überschreiten, zu eliminieren, wird ein erster Teil des polarisierten kollimierten Lichtes in bezug auf einen zweiten Teil verzögert. Diese Verzögerung beträgt vorzugsweise 1/4 Welle, so daß die beiden aus den zwei Teilen polarisierten kollimierten Lichtes erzeugten elektrischen Signale in Quadratur liegen.
Das kollimierte Licht wird vorzugsweise von zwei getrennten Lichtquellen erzeugt. Die durch diese zwei Quellen erzeugten parallelen kollimierten Lichtstrahlen werden von dem ersten Polarisationsmittel polarisiert und durchlaufen den elektrooptischen Kristall, um die ersten und zweiten Teile des polarisierten kollimierten Lichtes zu bilden, die in die zwei elektrischen Signale umgewandelt werden. Die Stärken dieser Lichtquellen für die zwei Strahlen werden durch Rückkopplungsschaltungen geregelt, um die Spitze-Spitze-Werte der zwei elektrischen Signale konstant und gleich zu halten.
Bei der Offenbarung handelt es sich um ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ableitung einer Ursprungswellenform, wie die das an den Kristall in dem Spannungsmeßsystem angelegte Feld erzeugende Spannung, aus zwei phasenverschobenen elektrischen Signalen, wie die zwei von den Photodetektoren im Spannungsmeßsystem erzeugten elektrischen Signale mit konstanter Spitzenamplitude darstellenden Wellenform. Einerseits wird die Ursprungswellenform aus ausgewählten Segmenten der zwei elektrischen Signale wiederhergestellt, wobei die Segmente teilweise als Funktion der Folge von Nulldurchgängen der zwei elektrischen Signale ausgewählt werden. Auf einer anderen Ebene kann die darstellende Wellenform als Treppensignal mit diskreten Schrittwerten aufgebaut werden, die sich in Abhängigkeit davon, welches der zwei elektrischen Signale voreilt, bei jedem Nulldurchgang erhöhen oder erniedrigen. Richtungsumkehr der gemessenen Wellenform kann beispielsweise aus zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen durch eines der beiden elektrischen Signale erfaßt werden.
Während eine solche Treppenwellenform für viele Anwendungszwecke ausreichen mag, erreicht die Genauigkeit eines solchen Signals nicht die bei der Messung von Übertragungsleitungsspannungen, die beispielsweise 260.000 VoltSpitze-Spitze oder 93.000 Volteff betragen können, gewünschten 0,1%. Die Erfindung umfaßt dementsprechend Interpolierung zwischen Schritten der Treppenwellenform unter Verwendung des Istwertes eines ausgewählten der beiden elektrischen Signale. Für die Interpolierung wird stets der Wert des elektrischen Signals mit der geringeren Höhe ausgewählt. Daraus ergibt sich die Verwendung von Teilen von Komponentenwellenformen dort, wo die Kleinwinkelnäherung, das heißt wo der Sinus des Winkels annähernd dem Winkel gleich ist, gilt und die durch die Interpolierung eingeführten Fehler daher gering sind.
Um unregelmäßige Indexierung der Nulldurchgangszählung für zufallsmäßiges Verhalten der elektrischen Signale um Null zu eliminieren, liegt mittig auf der Nullachse der elektrischen Signale ein Totband. Wenn der Wert des kleineren elektrischen Signals in dieses Totband eintritt, wird die Indexierung der Nulldurchgangszählung aufgehoben, bis das Signal aus dem Band austritt. Wenn es auf der der Eintrittsseite gegenüberliegenden Seite des Bandes austritt, wird die Nulldurchgangszählung indexiert. Ob sie erhöht oder erniedrigt wird, ist von der Bewegungsrichtung der Ursprungswellenform abhängig. Dies wird daraus deutlich, welches der elektrischen Quadratursignale voreilt. Wenn das elektrische Signal mit der geringeren Amplitude auf derselben Seite des Totbandes austritt, auf der sie eintrat, hat die gemessene Wellenform die Richtung gewechselt und die Nulldurchgangszählung wird nicht indexiert. Die zum Austreten aus dem Totband erforderliche Größe des elektrischen Signals ist vorzugsweise höher als die zum Eintreten erforderliche. Mit dieser Hysterese der Breite des Totbandes wird ein unregelmäßiges Verhalten an den Grenzen verhindert.
Während diese Wiederherstellung einer Wellenform aus phasenverschobenen elektrischen Signalen sich besonders für die Verwendung in dem ebenfalls einen Teil der Erfindung bildenden optoelektrischen Systems zur Erzeugung von sinusförmigen Spannungswellenformen hoher Amplitude darstellenden Wellenformen eignet, ist sie auch für die Wiederherstellung anderer Arten von Wellenformen in anderen Anwendungen anwendbar.
Wie bekannt ist, wird die Spannung zwischen zwei beabstandeten Punkten a und b durch folgende Gleichung definiert:
Vab= ba E(x) dx (Gl.1)
wobei E(x) der Feldgradient bei x ist und das Integral wegunabhängig ist. So ist es zur genauen Messung der Spannung zwischen beabstandeten Punkten a und b notwendig, daß sich ein Sensor physisch von a bis b erstreckt, mit dem Feld an jedem Punkt entlang seiner Länge in Wechselwirkung tritt und irgendeine Eigenschaft verändert, so daß irgendein Parameter sich auf additive Weise verändert, wodurch das Integral ausgewertet werden kann. Bei der Messung von Übertragungsleitungsspannungen erfordert dies, daß ein Ende eines Sensors elektrisch mit der Übertragungsleitung verbunden und das andere Ende elektrisch mit der Erde verbunden ist. Der Sensor muß daher lang genug sein, normalen Leitungsspannungen und allen gegebenenfalls auftretenden Stromstößen standzuhalten.
Die vorliegende Erfindung bedient sich eines elektrooptischen Kristalls zur Messung des Integrals des Feldgradienten vom Punkt a bis b und bietet daher einen wahren Wert für die Spannung zwischen a und b. Wie schon erwähnt, besitzen gewisse kristalline Materialien mit einer vierzähligen Drehinversionsachse wie KDP (Kaliumdihydrogenphosphat) die Eigenschaft, daß die Brechzahl für sich entlang der vierzähligen Achse fortpflanzendes Licht in Abwesenheit eines elektrischen Feldes von der Polarisationsrichtung des Lichtes unabhängig ist. Wenn jedoch parallel zur Fortpflanzungsrichtung des Lichtes ein elektrisches Feld angelegt wird, erhöht sich die Brechzahl für in einer gegebenen Richtung senkrecht zur vierzähligen Achse polarisiertes Licht, während sich die Brechzahl von in einer senkrechten Richtung polarisiertem Licht verringert, und zwar jeweils um einen zum Feld proportionalen Betrag. Bei KDP wird die zur vierzähligen Achse, die auch die optische Achse genannt wird, parallele Richtung allgemein als die Z-Richtung bezeichnet, und die Orientierungen der Polarisation, bei denen die größten Veränderungen der Brechzahl mit dem elektrischen Feld beobachtet werden, werden gewöhnlich als die X'- und Y'-Richtungen bezeichnet.
Zum Verständnis des Funktionsprinzips eines solchen optoelektrischen Sensors wird auf Figur 1 Bezug genommen. In der konventionellen Pockels-Zellenvorrichtung 1 ist ein KDP-Kristall 3 mit seiner vierzähligen Drehinversionsachse Z parallel zum zu messenden Feldgradienten Fg ausgerichtet. Ein einziger Strahl unpolarisierten Lichtes trifft auf einen ersten linearen Polarisator 7 auf. Der Kristall 3 und erste Polarisator 7 sind so angeordnet, daß aus dem Polarisator austretendes kollimiertes polarisiertes Licht 5p sich parallel zur Z-Achse des Kristalls fortpflanzt und die Polarisationsebene des Lichtes in einem Winkel von 45 Grad zu den X'- und Y'-Achsen des Kristalls liegt.
Der einfallende polarisierte Strahl 5p kann in zwei Komponenten gleicher Stärke zerlegt werden, eine parallel zur X'-Achse polarisierte und eine parallel zur Y'-Achse polarisierte. In Abwesenheit eines elektrischen Feldes werden diese zwei Komponenten sich mit gleichen Geschwindigkeiten fortpflanzen und phasengleich miteinander aus dem Kristall 3 austreten. Wenn entlang der Z-Achse des Kristalls ein elektrisches Feld angelegt wird, werden die Brechzahlen und infolgedessen die Geschwindigkeiten der zwei Komponenten nicht gleich sein und es wird zwischen den zwei Komponenten eine Phasenverschiebung oder eine Verzögerung bestehen, wenn sie aus dem Kristall austreten. Da die Verzögerung in jedem kleinen Element entlang dem Kristall proportional zu dem auf dieses Element einwirkenden elektrischen Feld multipliziert mit der Länge des Elements ist und die Gesamtverzögerung der Summe der Verzögerungen in allen Elementen entlang dem Kristall gleich ist, ist die Verzögerung der aus dem Kristall austretenden Komponenten proportional zu Ed1 und daher zu der Spannungsdifferenz zwischen den zwei Enden des Kristalls.
Die Verzögerung wird gewöhnlich in Wellenlängen ausgedrückt, das heißt eine Verzögerung von eins bedeutet, daß der optische Weg im Kristall für eine der Komponenten des Strahls 5p eine Wellenlänge länger als für die andere ist, und ist durch folgende Gleichung gegeben:
wobei r&sub6;&sub3; ein elektrooptischer Koeffizient, nz die Brechzahl für sich entlang der Z-Achse fortpflanzendes Licht, λ die Lichtwellenlänge im Vakuum und V die Spannungsdifferenz zwischen den zwei Enden des Kristalls ist. Zwar sind diese Parameter bekannt und kann die Verzögerung berechnet werden, doch ist es gewöhnlich praktischer, sie in einem einzigen Parameter, der Halbwellenspannung Vh, zu kombinieren, die durch folgende Gleichung definiert ist:
und somit ist:
Vh wird gewöhnlich als Teil der Sensoreichung bestimmt. Wenn die zwei aus dem Kristall austretenden Komponenten des Strahls 5p durch einen zweiten, parallel zum ersten orientierten Polarisator 9 geführt werden, steht die Intensität des aus dem Polarisator 9 austretenden Strahls I durch folgende Gleichung mit der Verzögerung in Beziehung:
I = Io Cos² (πτ) (Gl. 5)
wobei Io die Intensität des austretenden Strahls mit Verzögerung Null, das heißt ohne Spannungsdifferenz zwischen den Enden des Kristalls, ist. Wenn der zweite Polarisator 9 um 90 Grad gedreht wird, dann ist I durch Gleichung 5 gegeben, in der das Quadrat der Sinusfunktion für das Quadrat der Kosinusfunktion substituiert wird.
Bei solchen bislang beschriebenen Pockels- Zellenvorrichtungen ist es gebräuchlich, zwischen den Kristall und den zweiten Polarisator 9 ein Bruchteilwellenplättchen 11 einzusetzen, um die Verzögerung an einen linearen Punkt auf der Sinus- oder Kosinus-Quadrat-Funktion zu verschieben.
Aufgrund der periodischen Eigenschaften der Sinus- und Kosinusfunktionen würde eine bislang besprochene Vorrichtung unzweideutige Ergebnisse nur für Spannungen unter Vh bieten. Für KDP beträgt Vh bei einer Wellenlänge von 800nm rund 11.300 Volt, und eine solche Vorrichtung kann daher nicht zur Messung von Übertragungsleitungsspannungen benutzt werden, die typischerweise rund 100.000 Volteff oder mehr zwischen Leitung und Erde betragen.
Um die der gewöhnlichen Pockels-Zellenanordnung innewohnenden Zweideutigkeiten aufzulösen und Messungen mit Übertragungsleitungsspannungen zu ermöglichen, benutzt die vorliegende Erfindung einen zweiten Lichtstrahl 13 parallel zum Strahl 5. Dieser zweite Lichtstrahl 13 wird durch den ersten Polarisator 7 polarisiert, um einen zweiten polarisierten Lichtrahl 13p zu bilden, der parallel zur Z-Achse durch den Kristall 3 hindurchgeführt wird. Dieser zweite polarisierte Lichtstrahl 13p kann auch in zwei Komponenten, eine parallel zur Z-Achse und die andere parallel zur Y-Achse, zerlegt werden. Der zweite aus dem Kristall 3 austretende Strahl wird ebenfalls durch den zweiten Polarisator 9 hindurchgeführt, so daß die Intensität des zweiten aus dem Polarisator 9 austretenden Strahls ebenfalls mit der Verzögerung entsprechend Gleichung 5 in Beziehung steht, wenn der zweite Polarisator parallel zum ersten Polarisator 7 orientiert ist, beziehungsweise entsprechend der Sinus-Quadrat-Funktion, wenn der zweite Polarisator orthogonal zum ersten Polarisator liegt. Der zweite aus dem Kristall 3 austretende Lichtstrahl 13 wird vor Durchlaufen des zweiten Polarisators 9 ebenfalls von einem Bruchteilwellenplättchen 15 verzögert. Die Bruchteilwellenplättchen 11 und 15 sind so ausgewählt, daß ein Strahl in bezug auf den anderen verzögert wird. In der bevorzugten Form der Erfindung wird der eine Strahl ¼-Welle in bezug auf den anderen verzögert, so daß sich die aus dem zweiten Polarisator austretenden Strahlen in Quadratur befinden. Diese Verzögerung kann durch Verwendung von Achtelwellenplättchen als Bruchteilwellenplättchen 11 und 13 erreicht werden, wobei ihre Achsen 17 beziehungsweise 19 im Winkel von 90 Grad zueinander orientiert sind. Zur Verzögerung des einen Lichtstrahls um eine ¼-Welle zum anderen können andere Anordnungen benutzt werden. Beispielsweise könnte ein Strahl durch ein Viertelwellenplättchen geführt werden, während der andere direkt vom Kristall zum zweiten Polarisator läuft. Durch Verzögern eines Strahls um genau eine ¼-Welle in bezug auf den anderen wird die erforderliche Berechnung vereinfacht, aber solange die Verzögerung rund eine ¼-Welle, das heißt innerhalb rund plus oder minus 20% der Viertelwelle beträgt, können zufriedenstellende Ergebnisse erreicht werden. Zusätzlich zu ¼-Wellenverzögerungen können ungeradzahlige Vielfache der ¼-Welle benutzt werden, d.h. 3/4, 5/4 und so weiter.
Bei den beiden wie in Figur 2 angezeigt orientierten Achtelwellenplättchen können die Intensitäten der zwei aus dem zweiten Polarisator austretenden Strahlen wie folgt bestimmt werden:
I&sub1; = Io Cos² (πτ + π/8) (Gl. 6)
und
I&sub2; = Io Cos² (πτ - π/8) (Gl. 7)
Diese beiden Signale befinden sich in Quadratur und ermöglichen, mit Ausnahme einer Konstanten, die unzweideutige Bestimmung der an den Kristall angelegten Spannung.
In Figur 2 ist ein vollständiges erfindungsgemäßes Spannungsmeßsystem schematisch dargestellt. Dieses System 21 enthält den Sensor 1 mit dem Kristall 3, die ersten und zweiten Polarisatoren 7 beziehungsweise 9 und die Achtelwellenplättchen 11 und 15. Das System 21 enthält auch erste und zweite Lichtquellen 23 und 25, die die beiden kollimierten Lichtstrahlen 5 beziehungsweise 13 erzeugen. Die Lichtquelle 23 enthält eine Leuchtdiode (LED) 27. Von der LED 27 erzeugtes Licht wird durch das faseroptische Kabel 29 übertragen und durch die Kollimationslinse 31 geführt, um den ersten kollimierten Lichtstrahl 5 zu erzeugen. Auf gleiche Weise erzeugt die LED 33 in der zweiten Lichtquelle 25 Licht, das durch das faseroptische Kabel 35 übertragen und durch die Kollimationslinse 37 hindurchgeführt wird, um den zweiten kollimierten Lichtstrahl 13 zu erzeugen. Licht von dem aus dem zweiten Polarisator 9 austretenden ersten Strahl 5 wird von der Linse 39 gesammelt und über das faseroptische Kabel 41 zu einer ersten Elektronikschaltung 43 geleitet. Auf gleiche Weise wird der zweite aus dem zweiten Polarisator 9 austretende Strahl durch die Linse 45 auf das faseroptische Kabel 47 fokussiert, das das Licht zu einer zweiten Elektronikschaltung 43 leitet.
Die Elektronikschaltungen 43 sind identisch und enthalten eine Photodiode 49, die den von den faseroptischen Kabeln 41 beziehungsweise 47 geführten Lichtstrahl in einen elektrischen Strom umwandelt. Die Elektronikschaltungen 43 enthalten einen Transimpedanzverstärker 51, der einem Spitzenwertdetektor 53 einen niederohmigen Eingang vermittelt. Der Spitzenwertdetektor 53 enthält eine Diode 55, die einen vom Ableitungswiderstand 59 überbrückten Kondensator 57 speist. Der Spitzenwertdetektor enthält auch einen Pufferverstärker 61, um zu vermeiden, daß der Spitzenwertdetektor von der nachfolgenden Stufe belastet wird. Die nachfolgende Stufe 63 wirkt als Summierverstärker, Integrator und Treiber für LED 27 beziehungsweise 33. Sie enthält ein Paar Widerstände 65 und einen Operationsverstärker 67, der von einem integrierenden Kondensator 69 überbrückt ist. Eine Ausgangsschaltung enthält ein Paar Widerstände 71 und 71' (Wert gleich zweimal 71) und einen Ausgangsverstärker 73. An die durch die Widerstände 65 und 71-71' gebildeten Summierschaltungen ist eine Bezugsspannung -er angelegt.
Die Elektronikschaltungen 43 funktionieren wie folgt: Aus dem zweiten Polarisator 9 austretendes und über das faseroptische Kabel 41 beziehungsweise 47 übertragenes Licht wird von der Photodiode 49 in ein elektrisches Stromsignal umgewandelt. Der Spitzenwertdetektor 53 erzeugt ein Signal, das den Spitzenwert dieses elektrischen Stromes darstellt. Das Spitzenwertsignal wird durch die an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 67 angeschlossenen Widerstände 65 mit dem Bezugssignal verglichen. Da die Diode 55 sicherstellt, daß das Spitzenwertsignal positiv ist, und da das Bezugssignal -er negativ ist, werden diese beiden Signale verglichen und der Fehler zwischen den beiden wird an den von dem Operationsverstärker 67 und dem Kondensator 69 gebildeten Integrator angelegt. Dieses integrierte Fehlersignal wird zum Ansteuern der LED 27 beziehungsweise 33 der Lichtquellen für die ersten und zweiten Lichtstrahlen benutzt. Die Schaltungen 43 sind daher Rückkopplungsschaltungen, die die Intensität der entsprechenden Lichtstrahlen so regeln, daß die Spitzenwerte der von diesen Lichtstrahlen durch die Photodetektoren 49 erzeugten Stromsignale konstant und der Bezugsspannung gleich, und daher einander gleich, bleiben. Der Summierverstärker 73 und die spannungsteilenden Widerstände 71 ziehen die Bezugsspannung von den von den Photodetektoren 49 erzeugten einseitig gerichteten Strömen ab, um als Reaktion auf das an den Kristall 3 angelegte Feld bipolare Spannungsausgangssignale e&sub1; beziehungsweise e&sub2; zu erzeugen. Die Analogsignale e&sub1; und e&sub2; werden periodisch von einem Analog-Digital-Wandler 75 zur Eingabe in einen Digitalrechner 77 abgetastet. Der Digitalrechner 77 stellt aus den zwei Signalen e&sub1; und e&sub2; die Spannungswellenform zur Darstellung auf einer Ausgabevorrichtung 79 wieder her. Die Ausgabevorrichtung 79 kann beispielsweise eine digitale Anzeige sein und/oder kann ein Aufzeichnungsgerät sein, das ein permanentes Protokoll der gemessenen Spannungswellenform erzeugt.
Wellenformen a, b und c der Figur 3 stellen auf einer vergleichsweisen Zeitbasis die zu messende Spannungswellenform VI, die als Reaktion auf die Spannungswellenform a vom System der Figur 2 erzeugten elektrischen Quadratursignale e&sub1; und e&sub2; und die vom System der Figur 2 erzeugte Ausgangswellenform V&sub0;, die für die Spannungswellenform a repräsentativ ist, dar.
Die Figur 4 stellt die Art und Weise dar, auf die die Wellenform c in der Figur 3 aus den elektrischen Quadratursignalen e&sub1; und e&sub2;, die die Wellenform b in der Figur 3 bilden, aufgebaut wird. Im wesentlichen umfaßt das Verfahren die Durchführung einer zweiseitig gerichteten Zählung der Anzahl von Nulldurchgängen der beiden elektrischen Signale e&sub1; und e&sub2;. Bei dem in Figur 4 gegebenen Beispiel ist die Zählung n solcher Nulldurchgänge oben in der Figur dargestellt. Die Zählung n wird bei positiver (beziehungsweise weniger negativ) werdender, durch e&sub1; und e&sub2; dargestellter Spannungswellenform erhöht und wird bei negativer (beziehungsweise weniger positiv) werdender Höhe der erhöhten Wellenform erniedrigt. Die Bewegungsrichtung der Wellenform wird daraus bestimmt, welches der Quadratursignale voreilt. Richtungsumkehr der Spannungswellenform bewirkt einen Austausch des voreilenden Signals e&sub1; oder e&sub2; und kann durch zwei aufeinanderfolgende Nulldurchgänge desselben Signals e&sub1; oder e&sub2; erkannt werden.
Aus der kumulativen Zählung n der Nulldurchgänge kann eine Treppennäherung der von der Kurve 81 in der Figur 4 angedeuteten Spannungswellenform erzeugt werden. In dem bestimmten gezeigten Beispiel wird die Ausgangstreppenwellenform als Funktion des doppelten Wertes der Summenzählung n nach der Skala auf der linken Seite der Kurve 81 in Figur 4 erzeugt.
Diese Treppennäherung 81 der ursprünglichen, das an den optoelektrischen Sensor angelegte Feld erzeugenden Spannungswellenform kann für viele Zwecke ausreichen. Wo jedoch genauere Wiedergabe der ursprünglichen Spannungswellenform erforderlich ist, wie beispielsweise bei der Überwachung der Spannung von Hochstromübertragungsleitungen, wo eine Genauigkeit von 0,1% benötigt wird, muß zwischen den Treppenwerten der von der Summen-Nulldurchgangszählung n erzeugten Ausgangssignale eine Interpolierung durchgeführt werden. Dieses Glätten der Ausgangswellenform wird durch Addieren oder Abziehen des Istwertes eines ausgewählten der Quadratursignale e&sub1; und e&sub2; zu beziehungsweise von dem Treppenwert erreicht. Das ausgewählte Signal ist dasjenige der zwei Signale e&sub1; und e&sub2;, das in dem gegebenen Moment die geringere Höhe aufweist. So wird die Höhe des Signals e&sub1; oder e&sub2;, die zwischen den Kurven 83 und 85 in Figur 4 liegt, ausgewählt. Daraus ergibt sich die Verwendung von Teilen der Wellenformen e&sub1; und e&sub2; dort, wo die Kleinwinkelannäherung gilt, das heißt wo der Sinus des Winkels annähernd dem Winkel gleich ist. Wie aus Figur 4 ersichtlich, bewirkt das Verfahren im wesentlichen die Verkettung der Segmente der Quadratursignale e&sub1; und e&sub2; zur Wiederherstellung der Ursprungsspannungswellenform.
Um zufallsmäßige Indexierung der zweiseitig gerichteten Summenzählung n von Nulldurchgängen zu vermeiden, die bei Kleinsignalen auftreten könnte, wird wie durch die Linien 89 und 91 in der Figur 4 angedeutet ein Band um die Nullachse erstellt. Während sich ein Signal e&sub1; und e&sub2; in diesem Totband befindet, werden keine Nulldurchgänge gezählt. Statt dessen wird erst dann bestimmt, ob die Nulldurchgangszählung n indexiert werden soll, wenn das Signal das Totband wieder verläßt. Wenn das Quadratursignal auf derselben Seite wie der seines Eintritts wieder aus dem Totband austritt, dann hat das Zielsignal seine Richtung geändert und n sollte nicht indexiert werden. Wenn das Quadratursignal auf der der Eintrittsseite entgegengesetzten Seite wieder aus dem Totband austritt, dann hat ein Nulldurchgang stattgefunden und n wird indexiert. Während sich ein Quadratursignal innerhalb des Totbandes befindet, wird seine Höhe weiterhin zur Interpolierung zwischen den Treppenstufen benutzt. Wenn das Quadratursignal die Nullachse überquert, ändert sich das Vorzeichen des Schrittes, der zu der Treppe hinzuaddiert oder von ihr abgezogen wird, um diesen Übergang widerzuspiegeln. Diese Verzögerung der Indexierung der Nulldurchgangszählung n bis das Quadratursignal das Totband wieder verläßt, ergibt eine leichte Zeitverschiebung des Treppensignals, wie es bei 93 in Figur 4 angedeutet ist. Die Breite des Totbandes sollte so breit wie möglich gesetzt werden, ohne daß die Istwerte von sowohl e&sub1; als auch e&sub2; zu irgendeiner Zeit in das Band fallen. Die Grenzen des Totbandes werden vorzugsweise zu 89'-91' erweitert, sobald sich ein Signal im Band befindet. Damit wird Hysterese in das Totband eingeführt, was bei der Sicherstellung eines positiven Uberganges in das und aus dem Totband behilflich ist.
Die Figuren 5a und 5b stellen ein Flußdiagramm des von Digitalrechner 77 zur Wiederherstellung der vom Sensor erfaßten Spannungswellenform aus den elektrischen Quadratursignalen e&sub1; und e&sub2; auf die in Verbindung mit Figur 4 besprochene Weise benutzten Programms dar. Wie schon besprochen werden die Analog-Quadratursignale e&sub1; und e&sub2; an einen Analog-Digital-Wandler angelegt, um digitale Abtastwerte des Momentanwerts dieser Wellenformen für die Verarbeitung durch den Digitalrechner zu erzeugen. Die Abtastrate sollte schnell genug sein, daß bei der maximalen Änderungsgeschwindigkeit des gemessenen Spannungssignals, die normalerweise bei ihrem Nulldurchgang auftritt, mindestens ein Datenabtastwert für e&sub1; oder e&sub2; in das Totband fällt. Die Abtastrate für das 60-Hz- Spannungssignal betrug in dem beispielhaften System 400 kHz. Wie bei Block 101 in Figur 5a angedeutet wartet das Programm auf jeden neuen Datenabtastwert. Bei 103 werden zwei Variablen E&sub1; und E&sub2; dem aktuellen Momentanwert der Quadratursignale e&sub1; beziehungsweise e&sub2; gleichgesetzt, wenn jeder neue Datenabtastwert erfaßt wird. Eine weitere Variable S, die andeutet, ob die Vorzeichen der aktuellen Werte von E&sub1; und E&sub2; dieselben sind, wird gesetzt, und diese Anzeige wird als zusätzliche Variable SS im Block 105 gesichert.
Eine Flagge Q1 mit einem Wert von 1, wenn die vorhergehende E&sub1; sich innerhalb des von den Linien 89-91 (eintreten) und 89'-91' (austreten) in Figur 4 definierten Totbandes befand, wird im Block 107 überprüft. Wenn die vorhergehende E&sub1; innerhalb des Bandes lag und der gegenwärtige Wert des ersten Quadratursignals wie in Block 109 (unter Verwendung der größeren Grenze der Linien 89'-91; gleich 0,24 ER) bestimmt innerhalb des Bandes bleibt, dann wird die Variable S, die wie erwähnt eine Anzeige dafür ist, ob die Vorzeichen von E&sub1; und E&sub2; dieselben sind, bei 111 gleich S0 gesetzt, was der Wert von S für den vorhergehenden Meßpunkt ist.
Wenn E&sub1; aus dem Totband ausgetreten ist, dann wird die Flagge Q&sub1; bei 113 gleich null gesetzt und bestimmt werden, ob die Nulldurchgangszählung n indexiert werden soll, und wenn ja, in welcher Richtung. Dies wird durch Setzen einer anderen Variablen A bei 115 erreicht, um anzuzeigen, ob das Vorzeichen der gegenwärtigen E&sub1; dem Vorzeichen von E&sub1;&sub0;&sub0; gleich ist, die der letzte Wert von E&sub1; vor Eintreten von E&sub1; in das Totband ist. Für die Zwecke dieser Bestimmung ist das Vorzeichen von E&sub1; +1, wenn E&sub1; einen positiven Wert hat, oder -1, wenn es einen negativen Wert hat, so daß A einen Wert von -2, +2 oder null aufweisen kann. Wenn die Vorzeichen von E&sub1; und E&sub1;&sub0;&sub0; dieselben wie in Block 117 bestimmten sind, ist E&sub1; aus derselben Seite des Totbandes, auf der es eintrat, ausgetreten und es gab daher keinen Nulldurchgang. Wenn diese Vorzeichen nicht dieselben sind, dann ist E&sub1; aus der entgegengesetzten Seite des Totband zu der, auf der es eingetreten ist, ausgetreten und es gab daher einen Nulldurchgang und n muß indexiert werden. Wenn das Vorzeichen von A dasselbe wie das Vorzeichen von E&sub2; wie in Block 119 bestimmt ist, dann steigt die Spannung und eine Variable D wird bei 121 gleich 1 gesetzt. Wenn diese Vorzeichen nicht gleich sind, dann sinkt die Spannung und D wird bei 123 gleich minus eins gesetzt. Die kumulative Nulldurchgangszählung n wird dann im Block 125 in der richtigen Richtung indexiert.
Wenn im Block 107 bestimmt wurde, daß der vorhergehende Istwert von E&sub1; außerhalb des Totbandes lag, dann wird bei 127 eine Überprüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob der gegenwärtige Wert von E&sub1; innerhalb des Totbandes liegt (unter Verwendung der von den Linien 89- 91 in der Figur 4 definierten engeren Grenze). Wenn sich E&sub1; nunmehr im Totband befindet, dann wird die Flagge Q&sub1; gleich eins gesetzt, E&sub1;&sub0;&sub0;, das eine Variable gleich dem letzten Wert von E&sub1; vor Eintreten in das Band ist, wird gleich E&sub1;&sub0; gesetzt, was der vorhergehende Wert von E&sub1; ist, und S, was wie schon erwähnt eine Anzeige davon ist, ob die Vorzeichen von E&sub1; und E&sub2; dieselben sind, wird gleich S0 gesetzt, was der Wert von S für den letzten Punkt ist, alles wie bei Block 129 angedeutet. Wenn E&sub1; außerhalb des Totbandes bleibt, dann wird bei Block 131 bestimmt, ob der vorhergehende Wert von E&sub2; außerhalb des Bandes lag. Wenn ja, und der gegenwärtige Wert von E&sub2; wie bei Block 133 (unter Verwendung der Eintrittsgrenzlinien 89-91 in der Figur 4) bestimmt, innerhalb des Bandes liegt, dann wird eine Flagge Q&sub2; gleich eins gesetzt, der letzte Wert von E&sub2; vor seinem Eintreten in das Band wird gesichert und S wird gleich S0 gesetzt, alles im Block 135. Wenn im Block 133 bestimmt wurde, daß E&sub2; nicht innerhalb des Bandes lag, dann bleiben sowohl E&sub1; als auch E&sub2; außerhalb des Totbandes und das Programm schreitet zur Berechnung des gegenwärtigen Wertes des Spannungssignals auf die unten besprochene Weise fort.
Wenn bei 131 bestimmt wurde, daß E&sub2; am vorherigen Meßpunkt innerhalb des Bandes lag, wird im Block 137 bestimmt, of es sich immer noch im Band befindet. Wenn ja, dann wird S in 139 gleich S0 gesetzt. Wenn E&sub2; nunmehr aus dem Band ausgetreten ist, dann wird die Flagge Q&sub2; bei 141 gleich null gesetzt. Danach wird in Blöcken 143 und 145 unter Verwendung der Variablen A auf ähnliche Weise wie die in Verbindung mit Blöcken 115 und 117 beschriebene bestimmt, ob die Nulldurchgangszählung n indexiert werden soll. Wenn E&sub2; aus der entgegengesetzten Seite des Totbandes von der, in die sie eingetreten ist, ausgetreten ist, dann wird n im Kasten 147, 149, 151 und 153 unter Verwendung desselben Verfahrens wie in Verbindung mit dem Austreten von E&sub1; aus dem Totband beschrieben erhöht oder erniedrigt. Das heißt n wird erhöht, wenn die Wellenform e&sub1; e&sub2; voreilt und die gemessene Spannung daher ansteigt, oder n wird erniedrigt, wenn die gemessene Spannung absinkt.
Bezugnehmend auf Figur 5b wird im Block 155 bestimmt, ob ein Nulldurchgang stattfand, indem bestimmt wird, ob SS, das Sicherungszeichen, gleich S ist, das für den vorhergehenden Meßpunkt gleich S gesetzt wurde, wenn sich entweder E&sub1; oder E&sub2; gegenwärtig im Band befindet. Wenn ein Nulldurchgang stattfand, wird eine Variable P bei 157 gleich minus eins gesetzt und sonst wird P bei 159 gleich plus eins gesetzt.
Wenn E&sub1; und E&sub2;, wie in Block 161 bestimmt, nicht dasselbe Vorzeichen aufweisen und E&sub2;, wie in Block 163 bestimmt, die geringere Amplitude aufweist, dann wird eine Spannung EC unter Verwendung der kumulativen Nulldurchgangszählung n und der Stromhöhe E&sub2; in der Gleichung im Block 165 berechnet. Wenn jedoch E&sub1; und E&sub2; nicht dasselbe Vorzeichen aufweisen, aber E&sub1; kleiner als E&sub2; ist, dann wird E&sub1; mit n zur Berechnung von EC unter Benutzung der Formel in Block 167 benutzt. Wenn E&sub1; und E&sub2;, wie in 161 bestimmt, dasselbe Vorzeichen aufweisen und E&sub1;, wie bei 169 bestimmt, kleiner ist, dann wird E&sub1; mit n zur Berechnung des Wertes von EC im Block 171 benutzt. Andererseits wird, wenn E&sub2; das kleinere der zwei Signale ist, die nicht dasselbe Vorzeichen aufweisen, E&sub2; mit n zur Berechnung von EC im Block 173 benutzt. Wie zu bemerken ist, bestimmt das erste Glied in den Gleichungen für EC in Blöcken 165 bis 171 den Treppenwert aus der kumulativen Zählung von Nulldurchgängen n, und das zweite Glied liefert die Interpolierung auf Grundlage der Höhe des ausgewählten Quadratursignals.
Danach wird im Block 173 die berechnete Spannung EC mit einem Skalierfaktor multipliziert, um die Isthöhe E der gemessenen Spannung zu bestimmen.
Es ist zweckdienlich, er, die in den Elektronikschaltungen benutzte Bezugsspannung, gleich 2,828 Volt zu wählen, so daß die Größe 0,3535 x er = 1 und 2 x 0,3535/er = ¼ und die Berechnungen in Blöcken 165, 167, 171, 173 und 175 daher vereinfacht werden.
Abgesehen von einem konstanten Fehler wird durch dieses Verfahren die gemessene Spannung unzweideutig bestimmt. Dieser Fehler ist das Ergebnis der Ungewißheit des Anfangswertes von n bei Beginn des Programms. Es ist zu bemerken, daß n eine Ganzzahl, aber sonst willkürlich ist. Kann n gleich null gesetzt werden, wenn die Spannung null ist, dann werden nachfolgende Spannungsmessungen korrekt sein. Im allgemeinen ist dies nicht möglich und man muß n in ganzzahligen Schritten einstellen, bis der Durchschnittswert der berechneten Spannung über einen Zyklus null beträgt. Nach richtiger Einstellung von n werden die berechneten Spannungen korrekt sein, bis das Programm unterbrochen wird.
Das Programm endet, indem die gegenwärtigen Werte S, E&sub1; und E&sub2; als der letzte Wert im Block 177 als Vorbereitung auf die nächste Berechnung von E gespeichert werden. Das Programm springt dann zum Anfang zurück und wartet auf die nächste Dateneingabe.
In den Figuren 6 bis 8 ist eine praktische Ausführungsform eines Sensors 1 dargestellt, der in einer Isoliersäule 201 befestigt ist, die weggeschnitten ist, um die Befestigung des Sensors zu zeigen. Ein oberes Stützrohr 203 ist mit einer (nicht gezeigten) Übertragungsleitung verbunden und ein unteres Stützrohr 205 ist mit Erde verbunden. Beide Rohre sind elektrisch leitfähig und bieten zwischen den Enden Kontakt zum Sensor 1 und zur Leitung beziehungsweise Erde über Befestigungsscheiben 207 aus elektrisch leitfähigem durchlässigem Material wie NESA-Glas. Der Kristall 209 und die Polarisatoren 211 und 213 sind mit kreisförmigem Querschnitt anstatt quadratisch wie in Figuren 1 und 2 hergestellt, um die elektrischen Spannungen zu reduzieren.
Wie deutlicher aus Figur 7 für den zweiten Polarisator 213 ersichtlich sind zwei zylindrische Kollimatoren 215 an einer flachen Stirnfläche des zylindrischen Polarisators angebracht und rechteckige Achtelwellenplättchen 217 und 219 sind am entgegengesetzten Ende angebracht. Die Kollimatoren 215, die die vom zweiten Polarisator 213 empfangenen Lichtstrahlen auf die faseroptischen Kabel 221 fokussieren, sind in Figur 8 weggebrochen dargestellt. Jeder Kollimator 215 ist aus zwei Stücken 223 und 225 aus Glas mit niedriger Brechzahl wie Quarzglas und einem Stück aus Glas mit hoher Brechzahl 227 wie SF59 gebildet. Der Radius der gekrümmten Oberfläche von 227, die Stärke von 227 und die Länge von 225 sind so gewählt, daß ein Bündel parallelen, in 223 eintretenden Lichtes auf das Ende der optischen Faser 221 fokussiert wird und die Strahlen vom Rand des Bündels auf die Faser treffen. Insbesondere sind diese Parameter so gewählt, daß der Radius des Lichtbündels geteilt durch die Brennweite der Linse gleich der oder größer als die numerische Apertur der Faser geteilt durch die Brechzahl des Glases mit der niedrigeren Brechzahl ist. Die Kollimatoren am anderen Ende des Sensors sind ähnlich konstruiert, funktionieren aber in der umgekehrten Richtung, um von dem faseroptischen Kabel empfangenes Licht in das Bündel parallelen Lichtes umzuwandeln, das durch den ersten Polarisator 211 hindurchgeführt wird. Diese Form eines Kollimators ist notwendig, da, um den hohen elektrischen Spannungen während des Betriebes und insbesondere Stoßspannungsprüfungen standzuhalten, der Isolator 201 mit Öl oder Schwefelhexafluorid (SF6) unter Druck gefüllt ist und das optische System daher keine Glas-Luft-Grenzflächen aufweisen kann. Seite 22-1 KENNZEICHNUNG DER IN DEN ZEICHNUNGEN BENUTZTEN BEZUGSZIFFERN LEGENDE FIGUR Seite 22-2 KENNZEICHNUNG DER IN DEN ZEICHNUNGEN BENUTZTEN BEZUGSZIFFERN LEGENDE FIGUR Anmerkung des Übersetzers: SGN = Vorzeichen

Claims

1. Verfahren zum Messen einer elektrischen Spannung zwischen zwei beabstandeten Objekten, wobei eine elektrooptische Vorrichtung, die Doppelbrechung in zwei orthogonalen Achsen (X', Y') quer zu einer optischen Achse (Z) als Reaktion auf ein elektrisches Feld (Fg) aufweist, so positioniert ist, daß die besagte optische Achse (Z) sich zwischen den zwei besagten Objekten erstreckt, mit folgenden Schritten:

a) Erzeugen von mindestens einem kollimierten Lichtstrahl;

b) Hindurchführen des besagten Lichtstrahls durch die elektrooptische Vorrichtung;

c) Polarisieren des besagten Lichtstrahls und Verzögern mindestens eines Teils des Lichtstrahls, bevor daraus zwei phasenverschobene elektrische Signale und ein die Spannung zwischen den besagten zwei beabstandeten Objekten darstellendes Ausgangssignal erzeugt werden;

dadurch gekennzeichnet, daß

d) die elektrooptische Vorrichtung einen elektrooptischen Kristall (3) umfaßt;

e) zwei, ein erster und ein zweiter, kollimierte Lichtstrahlen (5, 13) erzeugt werden, die mit einer ausgewählten Polarisationsebene polarisiert werden;

f) die ersten und zweiten kollimierten Lichtstrahlen (5, 13) parallel zur optischen Achse (Z) und mit der Polarisationsebene jedes polarisierten kollimierten Lichtstrahls (5p, 13p) in einem ausgewählten Winkel zu den besagten zwei orthogonalen Achsen (X', Y') des Kristalls (3) durch den besagten Kristall (3) hindurchgeführt werden;

g) die ersten und zweiten Lichtstrahlen durch das Polarisationsmittel (9) hindurchgeführt werden, nachdem der erste Strahl relativ zum zweiten Strahl verzögert worden ist;

h) die ersten und zweiten polarisierten kollimierten Lichtstrahlen bei ihrem Austritt aus dem Polarisationsmittel in die ersten und zweiten verschobenen elektrischen Signale (e1, e2) umgewandelt werden;

i) das Ausgangssignal von besagten ersten und zweiten phasenverschobenen elektrischen Signalen (e1, e2) erzeugt wird durch:

- Überwachung (119, 147) der Folge von Nulldurchgängen der besagten ersten und zweiten phasenverschobenen elektrischen Signale (e1, e2); Durchführung (125, 153) einer zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung (n) der Nulldurchgänge der besagten ersten und zweiten phasenverschobenen elektrischen Signale (e1, e2),

- Ändern (121, 123, 149, 151) der Richtung der besagten zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung als Reaktion auf zwei aufeinanderfolgende Nulldurchgänge von einem der besagten ersten und zweiten elektrischen Signale (e1, e2), und

- Erzeugen (155-175) eines Treppenausgangssignals (81), das die gemessene elektrische Spannung zwischen den besagten zwei beabstandeten Objekten aus der besagten zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung (n) darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Verzögerns des ersten polarisierten kollimierten Lichtstrahls (5p) das Verzögern des besagten ersten Strahls um rund eine Viertelwellenlänge in bezug auf den zweiten polarisierten kollimierten Lichtstrahl (13p) umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin mit dem Schritt des Regelns (43) der Intensität der ersten und zweiten Lichtstrahlen (5p, 13p), um die Spitzenamplituden besagter erster und zweiter elektrischer Signale (e1, e2) konstant und einander gleich zu halten.

4. Verfahren nach Anspruch 3 mit dem Schritt des Veränderns (165, 167, 171, 173) der Amplitude des aus der besagten zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung (n) erzeugten Ausgangssignals um die momentane Amplitude eines ausgewählten der besagten ersten und zweiten phasenverschobenen elektrischen Signale (e1, e2).

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Amplitude des aus der besagten zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung (n) erzeugten Ausgangssignals um die momentane Amplitude des phasenverschobenen Signals, dessen Amplitude in diesem Moment geringer ist, verändert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der besagte Schritt des Veränderns der Amplitude des aus der besagten zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung (n) erzeugten Ausgangssignals um die Amplitude des phasenverschobenen elektrischen Signals mit der geringeren Amplitude die Durchführung einer solchen Einstellung in einer aus den relativen Polaritäten der besagten ersten und zweiten phasenverschobenen elektrischen Signale (e1, e2) bestimmten Richtung umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch l oder 6, mit:

- Anhalten (127, 133) der besagten zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung (n), wenn die momentane Amplitude eines der besagten ersten und zweiten phasenverschobenen elektrischen Signale (e1, e2) in ein eine geringere Amplitude als einen vorgewählten Wert darstellendes Band (89-91) fällt, und

- Weiterführen (109, 137) der besagten zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung (n) als Reaktion auf den Austritt eines der besagten ersten und zweiten elektrischen Signale (e1, e2) aus dem besagten Band und Indexieren (125, 153) der zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung als Reaktion darauf, aber nur dann, wenn das aus dem Band austretende elektrische Signal mit einer Polarität austritt, die der Polarität dieses elektrischen Signals bei seinem Eintreten in das Band entgegengesetzt ist.

8. Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Potentials zwischen zwei beabstandeten Objekten, die nach dem Verfahren des Anspruchs 1 funktioniert, wobei sich der elektrooptische Kristall (3) mit einer vierzähligen Drehinversionsachse (Z) zwischen den besagten beabstandeten Objekten erstreckt und die besagten polarisierten kollimierten ersten und zweiten Lichtstrahlen (5p, l3p) den besagten elektrooptischen Kristall in einer parallelen Richtung zur besagten vierzähligen Drehinversionsachse (Z) durchlaufen, wobei die besagte Vorrichtung folgendes umfaßt:

a) Lichtquellenmittel (23, 25) zum Erzeugen der besagten ersten und zweiten kollimierten Lichtstrahlen (5, 13);

b) erste Polarisiermittel (7) zum Polarisieren der besagten ersten und zweiten kollimierten Lichtstrah-15 len (5, 13);

c) Bruchteilwellenplättchenmittel (11, 15), durch die mindestens der besagte erste polarisierte kollimierte Lichtstrahl (5p) läuft, nachdem er den besagten Kristall (3) durchlaufen hat, wobei die besagten Bruchteilwellenplättchenmittel (11, 15) den besagten ersten polarisierten kollimierten Lichtstrahl (5p) um ein ungeradzahliges Vielfaches einer Viertelwelle (1/4) in bezug auf den besagten zweiten polarisierten kollimierten Lichtstrahl (13p) verzögern;

d) zweite Polarisiermittel (9), durch die die besagten ersten und zweiten polarisierten kollimierten Lichtstrahlen (5p, 13p) laufen, nachdem sie den besagten Kristall (3) durchlaufen haben und besagter mindestens einer der besagten Strahlen die Bruchteilwellenplättchenmittel (11, 15) durchlaufen hat;

e) erste und zweite Detektoren (49), die die aus dem besagten zweiten Polarisationsmittel (9) austretenden besagten ersten und zweiten polarisierten kollimierten Lichtstrahlen (5p, 13p) in erste beziehungsweise zweite elektrische Signale (e1, e2) umwandeln; und

f) Ausgangssignalerzeugungsmittel (77) zum Erzeugen eines das Potential zwischen den besagten zwei beabstandeten Objekten darstellenden Ausgangssignals aus den besagten ersten und zweiten elektrischen Signalen (e1, e2); wobei die besagten Ausgangssignalerzeugungsmittel (77) folgendes umfassen:

g) Mittel zum Überwachen (119, 147) der Folge von Nulldurchgängen der besagten ersten und zweiten phasenverschobenen elektrischen Signale (e1, e2);

h) Mittel zum Durchführen (125, 153) einer zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung (n) der Nulldurchgänge der besagten ersten und zweiten phasenverschobenen elektrischen Signale (e1, e2),

i) Mittel zum Ändern (121, 123, 149, 151) der Richtung der besagten zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung als Reaktion auf zwei aufeinanderfolgende Nulldurchgänge eines der besagten ersten und zweiten elektrischen Signale (e1, e2), und

j) Mittel zum Erzeugen (155-175) eines die gemessene elektrische Spannung zwischen den besagten zwei beabstandeten Objekten darstellenden Treppenausgangssignals (81) aus der besagten zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung (n).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die besagten Lichtquellenmittel besagte erste und zweite Lichtstrahlen (5, 13) erzeugende erste und zweite Lichtquellen (27, 31, 33, 37) umfassen und die besagte Vorrichtung weiterhin Regelmittel (43, -er) zum Regeln der besagten ersten und zweiten kollimierten Lichtquellen umfassen, um die Spitzenamplitude der besagten ersten und zweiten elektrischen Signale im wesentlichen konstant und einander gleich zu halten.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die besagten Regelmittel folgendes umfassen:

- eine eine Bezugsspannung (-er) erzeugende Bezugsspannungsquelle, und

- erste und zweite mit den ersten und zweiten Lichtquellen beziehungsweise den Detektoren verbundene Regelschaltungen (43) jeweils mit:

- einem Spitzenspannungsdetektor (53), der eine die Spitzenamplitude des von einem zugehörigen Detektor erzeugten elektrischen Signals darstellendes zugehöriges Spitzenspannungssignal erzeugt, und

- eine Rückkopplungsschaltungs- (65, 67, 69) Reaktion auf das zugehörige Spitzenspannungssignal und die Bezugsspannung, die die Intensität des von der zugehörigen Lichtquelle erzeugten Lichtstrahls regelt, um das zugehörige Spitzenspannungssignal gleich der Bezugsspannung zu halten.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei das besagte Ausgangssignalerzeugungsmittel Mittel zum Erzeugen des besagten Ausgangssignals aus ausgewählten Segmenten der besagten ersten und zweiten elektrischen Signale umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, mit Mitteln (127, 133) zum Anhalten der zweiseitig gerichteten kumulativen Nulldurchgangszählung, wenn die momentane Amplitude eines der besagten ersten und zweiten elektrischen Signale in ein eine geringere Amplitude als einen vorgewählten Wert darstellendes Band (89, 91) fällt, und mit auf eines der besagten aus dem besagten Band austretenden ersten und zweiten elektrischen Signale reagierenden Mitteln (109, 125, 137, 153) zum Weiterführen der besagten kumulativen Zählung (n) und Indexierung der kumulativen Zählung als Reaktion darauf, aber nur dann, wenn das elektrische Signal mit einer Polarität austritt, die der Polarität dieses elektrischen Signals bei seinem Eintritt in das Band entgegengesetzt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die besagten die kumulative Zählung zur Erzeugung des besagten Ausgangssignals benutzenden Mittel Mittel (157, 159, 165- 171) zur Veränderung der Amplitude des aus der besagten kumulativen Zählung erzeugten Ausgangssignals um die momentane Amplitude eines ausgewählten der besagten ersten und zweiten elektrischen Signale enthalten.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die besagten Mittel zum Verändern der Amplitude der Ausgangssignale um die momentane Amplitude eines ausgewählten der ersten und zweiten elektrischen Signale Mittel (163, 169) zum Auswählen des elektrischen Signals mit der kleineren momentanen Amplitude umfassen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die besagten Mittel zum Verändern des Ausgangssignals um die momentane Amplitude des elektrischen Signals mit der kleineren momentanen Amplitude Mittel (161) zum Verändern des Ausgangssignals um die Amplitude des elektrischen Signals mit der kleineren momentanen Amplitude in einer von den relativen Polaritäten der ersten und zweiten elektrischen Signale bestimmten Richtung umfassen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 15, wobei die besagten Bruchteilwellenplättchenmittel erste (11) und zweite (15) Achtelwellenplättchen umfassen,durch die besagte erste beziehungsweise zweite Lichtstrahlen laufen, wobei die besagten ersten und zweiten Achtelwellenplättchen Achsen aufweisen, die um 90 Grad zueinander orientiert sind.