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Die Erfindung betrifft eine Hochspannungserfassungsvorrichtung
zum Erfassen der Spannung zwischen zwei beabstandeten Punkten.
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Hochspannungserfassungsvorrichtungen zur
Verwendung in Leistungsübertragungs-
und Leistungsverteilungsanlagen bestehen gewöhnlich aus elektromagnetischen
Spannungs-transformatoren oder
kapazitiven Spannungstransformatoren (kapazitiven Spannungsteilern).
Vorwiegend aufgrund der hohen Isolationserfordernisse sind beide
Typen ziemlich teuer, schwer und sperrig.
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Optische Spannungstransformatoren
sind ebenfalls bekannt. Diese Transformatoren basieren alle auf
Punktsensoren und erfordern eine komplizierte Hochspannungsisolation.
Die Erfassung erfolgt entweder bei voller Spannung, was eine anspruchsvolle
Hochspannungsisolation erfordert, oder bei einem verringerten Spannungspegel,
was komplizierte Elektrodenanordnungen oder kapazitive Spannungsteiler
erfordert. Bei all diesen Fällen
führt die
erforderliche Hochspannungsisolation zu sperrigen und schweren Spannungstransformatoren.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es,
eine Spannungserfassungsvorrichtung von der Art zu erhalten, auf
die vorstehend Bezug genommen worden ist, die eine hohe Erfassungsgenauigkeit
zusammen mit einem einfachen Entwurf und einem niedrigen Preis, mit
einem geringen Umfang und Gewicht und einem einfachen Aufbau bietet.
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Die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung erfasst
eine Spannung als ein Linienintegral des elektrischen Feldes. Sie
verwendet eine gepolte Lichtleitfaser, welche sich zwischen den
zwei Punkten erstreckt zwischen denen die Spannung zu erfassen ist,
wie zwischen einer Leistungsleitung und Erde. Licht wird durch die
Faser gesendet. Das elektrische Feld an irgendeinem Teil der Faser
bewirkt eine Phasenverschiebung des Lichts, und die Phasenverschiebung
wird proportional zu dem Feld sein. Die Gesamtspannung wird als
ein Linienintegral des elektrischen Feldes erfasst, indem die akkumulierte Phasenverschiebung
entlang der ganzen Länge
der Faser erfasst wird.
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Aus den beigefügten Ansprüchen wird klar werden, wodurch
eine erfindungsgemäße Spannungserfassungsvorrichtung
gekennzeichnet ist.
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Die Erfindung wird nachstehend detaillierter unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen 1–5
beschrieben werden. 1 zeigt
einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung unter
Verwendung einer quer gepolten Faser. Die 2a und 2b zeigen
das Koordinatensystem, das bei der Erklärung der Funktion der Vorrichtung von 1 verwendet wird. 3a zeigt detaillierter die
Anordnung der Lichtleitfasern der Vorrichtung von 1 und ihre Verbindung mit einer Lichtquelle
und einem optischen Detektor, 3b zeigt
die Ausgabe von einigen der Fasern und 3c zeigt detaillierter die Signalaufbereitungsausstattung. 4 zeigt eine Ausführungsform,
bei der eine gepolte Helikalkernfaser verwendet wird. Die 5a und 5b zeigen
eine Ausführungsform,
bei der eine Reihe von Bragg-Gittern in die gepolte Faser geschrieben
sind.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Sie ist zum Erfassen der Spannung zwischen Erde und einer Hochspannungsleistungsleitung
oder Schiene (bus bar) 1 angeordnet. Die Vorrichtung weist
Metall-Endplatten 2 und 3 auf, welche mit Ansätzen 4 und 5 bereitgestellt
sind, um die Vorrichtung zu befestigen und um sie mit der Leitung
oder Schiene und mit der Erde elektrisch zu verbinden. Die Vorrichtung
weist einen Zentralstab oder ein Rohr 6 aus einem faserverstärkten Polymermaterial,
wie glasfaserverstärktem
Epoxidharz, auf. Eine gepolte Faser 7 ist um den Stab gewunden
und bildet eine Helix mit einem konstanten Steigungswinkel. Eine
zweite ungepolte Faser 8 ist ebenfalls helikal um den Stab
gewunden und bildet eine Helix, die in abwechselnder bzw. verschachtelter
Weise mit der durch die Faser 7 gebildeten Helix angeordnet
ist. Die Fasern 7 und 8 sind parallel gewunden,
um eine ähnliche
Beanspruchung und ähnliche
Temperaturbedingungen für
die zwei Fasern zu erreichen.
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Am unteren Ende der Vorrichtung sind
die zwei Fasern 7 und 8 mit der ersten und zweiten
Leitung eines so genannten 2 × 2-Faseroptikkopplers 10 verbunden.
Eine Faser 9 ist mit einer dritten Leitung des Kopplers
verbunden und führt
linear polarisiertes Licht zu den zwei Fasern von einer Steuereinheit 15 zu.
Am oberen Ende der Vorrichtung sind die zwei Fasern mit zwei der
Leitungen eines optischen 3 × 3-Kopplers 11 verbunden.
Das Licht von den zwei Fasern interferiert und wird in die drei
Ausgabe-Arme des 3 × 3-Kopplers
gekoppelt, wobei drei phasenverschobene Ausgabesignale durch die
Fasern 12a, 12b, 12c zur Steuereinheit 15 zugeführt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für eine Hochspannungsverwendung
vorgesehen, das heißt
zur Verwendung bei Spannungen von etwa 1 kV und höher. Sie
ist primär
für eine
Verwendung in elektrischen Leistungsübertragungs- und Leistungsverteilungssystemen
und zur Verwendung bis zu den höchsten
in derartigen Systemen verwendeten Spannungen vorgesehen. Zum Erhalten
des notwendigen mechanischen Schutzes der Fasern, zum Erhalten einer
ausreichenden Kriechstreckenlänge
und zum Erhalten des notwendigen Schutzes gegen Niederschlag und
Verschmutzung bei einer Freiluftverwendung, sind äußere Schichten 13 aus
Polymermaterialien außerhalb
der Fasern aufgebracht und mit Sheds bzw. Schirmen bzw. Dächern 14 bereitgestellt.
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Die gepolte Faser 7 ist
eine Quarzglas- bzw. Siliciumdioxidfaser (silica fibre), die in
ihrer Querrichtung gepolt ist. Das Polen der Faser kann mittels UV-Angeregungspolen
in Gegenwart eines starken elektrischen Feldes hergestellt werden,
wie in der Schrift "Electro-Optic
Effect Induced by UV-excited Poling in a Silica Fibre" ("Elektro-optischer
Effekt, der durch UV-Anregungspolen
in einer Quarzglasfaser induziert wird") von T. Fujiwara et al., Electronic
Letters 31, Seiten 573–575,
1995 beschrieben wird.
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Eine einem elektrischen Feld ausgesetzte, gepolte
Faser, welches eine Komponente Ep in der Polungsrichtung
der Faser aufweist, erfährt
eine Änderung Δn im Brechungsindex
für durch
die Faser gesendetes Licht. Die Beziehung zwischen Δn und Ep wird gegeben durch (1) Δn = r Ep wobei r
der elektrooptische Koeffizient der gepolten Faser ist. Es zeigt
sich, dass Werte von r von etwa 5 pm/V erhalten werden können.
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In der Vorrichtung von 1 ist die gepolte Faser
in einer Helix mit einem bekannten und konstanten Steigungswinkel ξ angebracht. 2a zeigt ein Längenelement
ds der Faser 7. In dem in der Zeichnung verwendeten Orthogonal-Koordinatensystem,
worin
die z-Achse mit der Längsachse
des Stabs 6 zusammenfällt,
R
ein Radius in der x-y-Ebene von der z-Achse zu dem Faserelement
ds ist,
Θ der
Winkel zwischen Radius R und der x-Achse ist,
z'-z' eine Linie durch
das Faserelement und parallel zu der z-Achse ist, und
ξ der Steigungswinkel
der Helix, das heißt
der Winkel zwischen dem Faserelement und der Linie z'-z', ist.
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Unter der Annahme, dass die elektrischen Potentiale
am oberen und unteren Ende der Helix Vh beziehungsweise
Vo sind, so beträgt die durch die Vorrichtung
zu erfassende Spannung (2) ΔV
= Vh – Vo
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Die Spannungserfassung wird erreicht,
indem Licht durch die gepolte Faser gesendet wird. Aufgrund des
Feld-abhängigen
Brechungsindexes der Faser wird Licht durch jedes Längenelement
der Faser phasenverschoben werden, und die Phasenverschiebung wird
proportional zu der Komponente des elektrischen Feldes in der Polungsrichtung
des Elements sein. Wie nachstehend gezeigt wird, wird die akkumulierte
Phasenverschiebung Δφ entlang der
ganzen Länge
der Faser proportional zu der Spannung ΔV sein.
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Die Lichtquelle würde normalerweise eine Quelle
ausreichend kohärenten
Lichts umfassen und würde
folglich normalerweise einen Laser oder eine Laser-nahe Vorrichtung,
wie eine Superlumineszenz-Diode, umfassen.
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Das elektrische Feld E wird eine
variierende Richtung und Größe bzw.
Betrag an unterschiedlichen Abschnitten der Faser aufweisen. Die Änderung
des Brechungsindexes in der Faser kann als eine Funktion von z angesehen
werden (3) Δn(z)
= r Ep(z)
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Der elektrooptische Koeffizient r
ist von z unabhängig,
da die Polung entlang der Länge
der Faser konstant ist. Die Änderung
des Brechungsindexes in einem Längenelement
ds bewirkt eine Phasenverschiebung dφ, welche ebenfalls eine Funktion
von z ist (4) dφ =
dφ(z), was
geschrieben werden kann als (5) dφ = (2π Δn/λ)ds, wobei λ die Wellenlänge des
für die
Erfassung verwendeten Lichts ist.
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2b zeigt
das Faser-Längenelement
ds, welches entlang des Radius R nach innen auf die Achse des Stabs 6 hin
betrachtet wird. Die Linie t-t ist ein Element der Kurve oder des
Bogens des Stabs in der x-y-Ebene, und p ist die Polungsrichtung
der Faser. Aus 2b ist
ersichtlich, dass (6) ds = (1/cosξ)dzund (7) ds = (1/sinξ)R
d Θist.
Das resultierende Ep in der Polungsrichtung
von den Komponenten des elektrischen Feldes Ex,
Ey und Ez ist gegeben
durch: (8) Ep = Ez sinξ + cosξ(Ex cosΘ +
Ey sinΘ)
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Durch Kombinieren von (3) und (5)
kann dφ als
eine Funktion von Ep(z) ausgedrückt werden: (9) dφ(z)
= (2π/λ)r Ep ds,
wobei
dies bei Kombination mit (8) ergibt (10) dφ(z) = (2π/λ)r[Ez sinξ +
cosξ(Ex cosΘ +
Ey sinΘ)]ds
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Die insgesamt akkumulierte Phasenverschiebung
für durch
die Faser gesendetes Licht ist (11) Δφ = ∫ dφ,wobei
dies, falls Ex und Ey während einer
Umdrehung der Helix als konstant angesehen werden können, gleich
wird zu (12) Δφ = (2π/λ)r ∫ Ez tanξ dz
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Wenn Ex und
Ey nicht konstant sind, so ist das Ergebnis
(12) nur näherungsweise
korrekt. Die Genauigkeit der Näherung
wird mit Zunahme des Steigungswinkels der Helix zunehmen und aus
diesem Grund ist vorzuziehen, dass eine lange Faser verwendet wird,
die viele Umdrehungen mit einem großen Steigungswinkel gewunden
ist. Die Genauigkeit der Näherung
erhöht
sich ebenfalls mit verringertem Radius R.
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Unter der vorstehenden Annahme (Ex und Ey konstant
während
jeder Umdrehung) ist der Spannungsabfall ΔV entlang der Achse der Helix
das Linienintegral von Ez von Vh nach
V0 (13) ΔV = ∫ EZ dz
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Durch Kombination von (12) und (13)
wird die insgesamt akkumulierte Phasenverschiebung entlang der Faser
erhalten als (14) Δφ = (2π/λ)r tanξ ΔV
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Die akkumulierte Phasenverschiebung
ist folglich proportional zur Spannung ΔV zwischen den Enden der Helix,
das heißt
proportional zu der zu erfassenden Spannung.
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3a zeigt
schematisch, wie die Fasern der Erfassungsvorrichtung von 1 mit der Steuereinheit 15 verbunden
sind. Diese Einheit weist eine Lichtquelle 16 in Form einer
Laserdiode auf, welche monochromatisches und linear polarisiertes
Licht in die Faser 9 emittiert, welche das Licht zu dem
Faseroptik-2 × 2-Koppler 10a und
folglich zu den unteren Enden der gepolten Faser 7 und
der ungepolten Faser 8 sendet. Ein Isolator 1 Ob
kann bereitgestellt werden, um Reflexionen in die Lichtquelle zurück zu verhindern.
Falls der Polarisationsgrad der Lichtquelle nicht ausreichend hoch
ist, so kann in geeigneter Weise ein Polarisator 10c enthalten
sein. Am oberen Ende wird das Licht von der Faser 7 in
einer Menge phasenverschoben sein, welche der Spannung zwischen
den oberen und den unteren Enden der Fasern entspricht. Das Licht,
welches am oberen Ende der ungepolten Faser 8 ankommt,
wird nicht einer spannungsabhängigen
Phasenverschiebung unterworfen sein. Das interferierende Licht von
den zwei Fasern wird durch den 3 × 3-Koppler 11 in
die drei ungepolten Fasern 12a, 12b, 12c gekoppelt,
welche das Licht nach unten zu einer Signalaufbereitungseinheit 17 führen. Diese
Einheit wandelt die Gesamtspannungs-induzierte Phasenverschiebung Δφ in ein Ausgabesignal
Saus um, welches der erfassten Spannung ΔV entspricht.
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Die Verwendung des 3 × 3-Kopplers 11 verhindert
einen Signal-Schwund bzw. ein Signal-Fading und erhöht ebenfalls
den Dynamikbereich. Die Ausgabe-Leistungen von den drei Armen des
3 × 3-Kopplers
sind idealerweise drei Sinuskurven mit einer 120°-Phasenverschiebung zwischen
ihnen, wie in 3b gezeigt,
worin Sa, Sb und
Sc die Signalausgaben von den drei Ausgabe-Armen des Kopplers sind.
Hieraus folgt, dass es möglich
wird, die Maximalempfindlichkeit für alle Ausgabepegel zu erhalten,
indem lediglich auf den Linearabschnitten der Sinuskurven gearbeitet
wird, während
diejenige der Sinuskurven mitverfolgt wird, die gegenwärtig verwendet
wird.
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3c zeigt
ein Beispiel einer Signalaufbereitungsausstattung. Die gezeigte
Ausstattung ist Gegenstand der am 31. Mai 1995 eingereichten Australischen
Provisional-Patentanmeldung PN 3292. Die drei Ausgaben von den Fasern 12a, 12b, 12c,
die mit dem 3 × 3-Koppler 11 verbunden
sind, werden in die Photodetektorvorrichtungen 28a, 28b, 28c mit deren nachfolgenden
Verstärkern 29a, 29b, 29c gespeist.
Die Verstärkerausgabesignale
werden in Analog/Digital-Wandlern 30a, 30b, 30c in
die Digitalform umgewandelt. Die Digitalausgabesignale von den Wandlern
werden einem Größenkomparator 31 und einem
Schalter 36 zugeführt.
Der Größenkomparator bestimmt
das der drei Signale, das zu irgendeiner Zeit Maximalempfindlichkeit
aufweist, und der Komparator steuert den Schalter 36 derart,
dass dieses Maximalempfindlichkeitssignal zu einer Arkussinus-Suchtabelle 34 geführt wird.
Die Ausgabe dieser Tabelle ist der Feinspannungswert, welcher der
Position in dem Strom-Rand bzw. in dem Strom-Fringe bzw. im gegenwärtigen Rand
(current fringe) entspricht. Falls der Größenkomparator 31 bestimmt, dass
ein Schalten zu einem unterschiedlichen Ausgabesignal erfolgen sollte,
so wird eine Phasensuchtabelle 32 angesprochen und die
geeignete Phasenkonstante, wie in der Tabelle aufgefunden, wird
einem Akkumulator 33 zugeführt. Wie durch den Größenkomparator
angegeben, wird der Akkumulator von seinen Inhalten den geeigneten
Wert, wie von der Phasensuchtabelle erhalten, addieren oder subtrahieren,
wenn der Größenkomparator
zwischen Ausgabesignalen schaltet. Der Akkumulator stellt folglich
einen Grobspannungswert bereit und dieser Wert wird zu dem aus der
Arkussinus-Suchtabelle 34 erhaltenen Feinspannungswert
in einer Addiereinrichtung 35 addiert. Die Ausgabe von
der Addiereinrichtung ist das Signal Saus,
welches der zu erfassenden Spannung entspricht.
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4 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung. Sie verwendet eine gepolte Helikalkernfaser 7' anstelle der
quer gepolten Faser. Eine Helikalkernfaser weist einen Kern auf,
der einer Helikalkurve folgt, wie von Birch RD in Electronics Letters 23,
Seiten 50–52,
1987 beschrieben. Falls der Kern mit dem Polungsfeld gepolt wird,
das eine signifikante Komponente parallel zur Faserachse aufweist,
so wird die Helikalform des Kerns zu einem ähnlichen Effekt wie bei der
vorstehend diskutierten, quer gepolten, in einer Helix gewundenen
Faser führen.
Das Ergebnis wird sein, dass die Komponente des elektrischen Feldes
in der z-Richtung eine Komponente in der Polungsrichtung des Kerns
aufweisen wird. Dies ergibt den erwünschten Feld-abhängigen Brechungsindex
und die akkumulierte Phasenverschiebung entlang der Faser wird der
zu erfassenden Spannung in gleicher Weise wie vorstehend beschrieben
entsprechen. Die Fasern 7', 8, 12a, 12b, 12c können geraden
bzw. direkten Linien folgen. Die in 4 gezeigte
Vorrichtung ist in geeigneter Weise mit einer äußeren Schutzschicht mit Sheds
versehen (wie Schicht 13 von 1).
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Eine alternative Ausführungsform
der Erfindung verwendet eine Faser, die derart gepolt ist, dass ihre
Polungsrichtung eine Komponente in der Längsrichtung der Faser aufweist.
Falls vorausgesetzt wird, dass das Licht in der Faser eine signifikante Feld-Längskomponente
aufweist, so wird die Faser ein elektrisches Feld wahrnehmen können, das
parallel zu der Längsrichtung
der Faser ist, und eine derartige, gepolte Faser kann in einer geraden
Linie, in gleicher Weise wie in 4 gezeigt,
angeordnet werden.
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Eine andere alternative Ausführungsform
der Erfindung ist die Verwendung einer Polungsrichtung, die bei
einem Punkt eine Entfernung z entlang der Faserachse bei einem festen
Winkel von weniger als 90° zu
der Faserachse ist, jedoch um jene Achse dreht, wenn z zunimmt.
Das Ansprechen der Faser auf Transversalkomponenten des externen
elektrischen Feldes mittelt sich (wegen der Drehung) auf nahe zu
Null, wobei im Wesentlichen lediglich ein Ansprechen auf die externe
Feldkomponente parallel zu der Faserachse verbleibt. Eine in dieser
Weise gepolte Faser kann in einer geraden Linie, in der gleichen Weise
wie in 4 gezeigt, angeordnet
werden.
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5 zeigt
noch eine andere Ausführungsform
der Erfindung. 5a zeigt
ein Element einer Lichtleitfaser 20 mit einem Kern 21.
Die Faser ist in Querrichtung gepolt. Wie in der Zeichnung gezeigt, sind
mehrere sich abwechselnde, nahe beabstandete Bereiche 23 gepolt,
während
die Zwischenbereiche 22 ungepolt verbleiben. Das Polen
kann durch Bestrahlung der Faser mit UV-Licht durch eine geeignete Maske erfolgen,
während
die Faser einem starken transversalen elektrischen Feld unterworfen wird.
Die Bereiche 23 werden einen Brechungsindex n2 aufweisen,
der von dem externen elektrischen Feld abhängig ist und der sich im Allgemeinen
von dem – n1 – der
ungepolten Bereiche 22 unterscheidet. Die Bereiche 22 und 23 bilden
ein Bragg-Gitter. Mehrere derartige Gitter sind entlang der Länge der
Faser verteilt. Die Zentrumswellenlänge (die Maximalreflexionswellenlänge von
Licht, das bei jedem Gitter durch die Faser ankommt) wird sich als
Antwort auf ein externes elektrisches Feld verschieben und die Wellenlängenverschiebung
des reflektierten Lichts wird dann eine Erfassung der Änderung
des örtlichen externen
elektrischen Feldes sein.
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5b zeigt
schematisch wie die Faser 20 in einer Helix zwischen zwei
Punkten bei Potentialen Vh und V0 zum Erfassen der Spannung ΔV zwischen den
Punkten angeordnet ist. Eine Lichtquelle 25 emittiert Licht
in die Faser durch einen 2 × 2-Faseroptikkoppler 24.
Das von der Reihe von Bragg-Gittern reflektierte Licht wird durch
eine Faser 26 in eine Einheit 27 gekoppelt, die
mittels einer geeigneten Signalaufbereitung die Wellenlängenverschiebung
in ein ΔV
entsprechendes Ausgabesignal Saus dekodiert.
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Die Gitter können derart dimensioniert sein, dass
ihre Null-Feld- bzw. feldfreien Zentrumswellenlängen unterschiedlich sind und
ihre Reflexionsbanden nicht-überlappend
sind. Die Lichtquelle 25 kann dann eine einzelne Breitbandquelle
zum Abfragen der Gitter (und damit der entsprechenden örtlichen elektrischen
Felder) sein.
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In erfindungsgemäßen Vorrichtungen wird vorzugsweise
eine in hohem Maße
doppelbrechende Faser, derart wie eine Bow-Tie-Faser bzw. Fliegen-Faser,
verwendet, um durch mechanische Belastung und Temperaturauswirkungen
auf die Faser verursachte Polarisationsänderungen zu verringern.
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Zusätzliche Informationen können erhalten werden,
indem beide Polarisationen von gelenktem Licht verwendet werden
und indem einige unterschiedliche Wellenlängen verwendet werden. Derartige
zusätzliche
Informationen können
(mittels einer geeigneten Signalaufbereitung) verwendet werden, um
den Beitrag von unerwünschten
Komponenten des elektrischen Feldes zu verringern oder zu eliminieren.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sowohl
zum Erfassen von Wechsel-, als auch von Gleichspannungen verwendet
werden.
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In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
bilden die Fasern, ihr Träger
und die umgebenden Schutzschichten mit Sheds etc. ein unabhängiges bzw.
in sich geschlossenes Gebilde. Alternativ können die Fasern und ihr Träger im Inneren eines
Stützisolators
oder Hängeisolators
angeordnet werden, der zum Tragen irgendeiner Art von elektrischer
Vorrichtung verwendet wird. Die erfindungsgemäße Spannungserfassungsvorrichtung
kann ebenfalls als Stützisolator
für andere
Vorrichtungen verwendet werden.