MAGNETO-OPTISCHER STROMWANDLER MIT TEMPERATURKOMPENSATION

Die Erfindung betrifft einen optischen Stromwandler gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

An Stromwandler, die bei der Strommessung im energietechnischen Bereich eingesetzt werden, werden hohe Anforderungen in Bezug auf die Messgenauigkeit gestellt. Typischerweise sollen die Stromwandler eine Messgenauigkeit von bis zu 0,2% aufwei ^¬ sen .

Optische Stromwandler auf der Basis des Faraday-Effektes weisen eine Querempfindlichkeit gegenüber der Temperatur auf. Die Temperaturabhängigkeit kann auf verschiedene Ursachen zu ^¬ rückgeführt werden. Zum einen ist dies die Temperaturabhängigkeit der Verdetkonstante, die den Faraday-Effekt ausmacht. Bei dem Material SF-57 beträgt die Abhängigkeit ca.

0,01% / °C. Eine weitere Temperaturdrift kann auch durch Dop ^¬ pelbrechung des Sensormediums hervorgerufen werden. Dies ist entweder eine von außen eingebrachte Spannungsdoppelbrechung oder intrinsische Doppelbrechung der verwendeten Lichtwellenleiter .

Da die Wandler aber in einem weiten Bereich von -50°C bis +80°C spezifiziert und eingesetzt werden, ist es für die ge ^¬ forderten Messgenauigkeiten notwendig, den Einfluss der Temperatur auf das Messsignal zu korrigieren.

Um den Einfluss der Temperatur zu korrigieren, der zu einem Fehler von bis zu 5% führen kann, kann bekanntermaßen eine zusätzliche Temperaturmessung vorgenommen werden. Dazu kann beispielsweise ein elektrischer Temperatursensor verwendet werden, der sich nahe dem Stromwandler auf Erdpotenzial befindet. Nachteilig ist, dass es aufgrund von Sonneneinstrah ^¬ lung, Abschattung, Eigenerwärmung des Leiters und anderen Effekten zu deutlichen Abweichungen der gemessenen Temperatur und der tatsächlichen Temperatur des Wandlerkopfes kommen kann .

Eine weitere Möglichkeit, dem Emfluss der Temperatur auf das Messsignal zu begegnen, besteht darin, ein faseroptisches Thermometer in den Wandlerkopf zu integrieren. Ebenso wir bei anderen Temperaturmessmethoden wird die Temperaturdrift des Wandlerkopfes nachträglich rechnerisch korrigiert. Bei Temperatureffekten durch Doppelbrechung können bestimmte Justagewinkel der Polarisatoren des Sensorkopfes gezielt so angeordnet werden, dass sich Änderungen der Doppelbrechung nicht auf den Skalenfaktor des Wandlers auswirken. Diese nach dem Entdecker „Ulmer-Winkel" genannte Einstellung kann jedoch nicht die Temperaturdrift der Verdetkonstante kompensieren. Bei Stromwandlern mit temperaturabhängiger Doppelbrechung werden teilweise doppelbrechende Elemente eingesetzt, die durch eine eigene Temperaturabhängigkeit der Doppelbrechung die vorhandene kompensieren.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Stromwandler anzugeben, bei dem die eingangs genannten Nachteile verringert oder vermieden werden. Insbesondere soll ein optischer Stromwandler angegeben werden, der eine verbesserte Kompensation des Einflusses der Temperatur auf das Messsignal aufweist .

Diese Aufgabe wird durch einen optischen Stromwandler mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche be- treffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Der erfindungsgemäße optische Stromwandler ist ausgestaltet zur Erfassung des Stromflusses durch einen Stromleiter nach dem Faraday-Effekt . Er umfasst eine Lichtquelle zur Bereit ^¬ stellung von Licht, einen Lichtwellenleiter, ausgestaltet zur Führung des Lichts im Bereich des Stromleiters, insbesondere um den Stromleiter, zwei im Lichtweg des Lichts angeordnete Polarisatoren und einen Fotoempfänger zur Aufnahme von durch den Lichtwellenleiter geleitetem Licht.

Für einen oder beide der Polarisatoren ist jeweils ein Trä- gerelement als Halterung vorgesehen, wobei das Trägerelement eine erste Trägerstruktur zur mechanischen Verbindung mit der Umgebung und eine zweite Trägerstruktur zur mechanischen Aufnahme des Polarisators umfasst. Dabei ist die zweite Trägerstruktur innerhalb der ersten Trä ^¬ gerstruktur angeordnet. Das Trägerelement umfasst ferner we ^¬ nigstens zwei Aufhängestege, die die erste und zweite Träger ^¬ struktur kraftschlüssig miteinander verbinden. Dabei ist für die Aufhängestege der Bereich der Anbindung eines jeweiligen Aufhängestegs an die erste und zweite Trägerstruktur bezogen auf den Durchtrittspunkt des Lichts durch den Polarisator azimutal zueinander versetzt. Mit anderen Worten liegen die beiden Befestigungspunkte eines ersten der Aufhängestege mit der ersten und zweiten Trägerstruktur nicht auf einer radia- len Linie. Für den zweiten der Aufhängestege gilt separat dasselbe .

Schließlich weisen die Aufhängestege einen vom Wärmeausdehnungskoeffizienten der ersten und/oder zweiten Trägerstruktur verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf.

Für die Erfindung wurde erkannt, dass eine Kompensation des Temperatureinflusses möglich ist, indem einer oder beide der Polarisatoren durch ein zusätzliches Element bedingt durch Temperaturänderungen verdreht werden. Zweckmäßig ist die

Stärke der Drehung gerade so, dass andere Einflüsse der Tem ^¬ peratur dadurch aufgehoben oder stark verringert werden.

Dabei wird vorteilhaft die Wirkung der thermischen Ausdehnung verwendet, wobei je nach Richtung der Temperaturänderungen auch eine Kontraktion bewirkt werden kann. Die thermische Ausdehnung oder Kontraktion führt durch die spezifische Anordnung der Trägerstrukturen und Aufhängestege vorteilhaft direkt zu einer Drehung der zweiten Trägerstruktur gegenüber der ersten Trägerstruktur und damit zu einer Drehung des entsprechenden Polarisators gegenüber beispielsweise dem Wellenleiter. Dadurch entfällt vorteilhaft die Temperaturmessung, d.h. die Verwendung und Auslesung eines Temperatursensors ist unnötig. Die Drehung des Polarisators wird direkt durch die thermische Ausdehnung bewirkt. Dies ermöglicht einen sehr fehlersicheren und vereinfachten Aufbau. Weiterhin kann die Messgenauigkeit des Stromwandlers erhöht werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für den Stromwandler noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:

- Die Trägerstrukturen können ring- oder rahmenförmig sein. Bevorzugt sind sie konzentrisch ineinander angeordnet. Da ^¬ mit wird ein besonders kompakter Aufbau erzielt. Sind die Trägerstrukturen ringförmig, können sie nur geringfügig unterschiedliche Radien aufweisen, ohne dass eine Drehung der zweiten Trägerstruktur durch die erste Trägerstruktur be- hindert wird.

- Zweckmäßig stellen die Aufhängestege die einzige kraft ^¬ schlüssige mechanische Verbindung zwischen den Trägerstrukturen dar, so dass die zweite Trägerstruktur ausreichend frei beweglich ist, um die gewünschte Drehung erfahren zu können. Mit anderen Worten ist die zweite Trägerstruktur bevorzugt ausschließlich an den Aufhängestegen aufgehängt.

- Die Aufhängestege können ein kreisbogenartiges und azimutal angeordnetes Teilstück sowie an den Enden des kreisbogenartigen Teilstücks angeordnete radial orientierte Verbin ^¬ dungsstücke aufweisen, wobei die Verbindungsstücke der me ^¬ chanischen Verbindung mit der ersten bzw. zweiten Träger- struktur dienen. Dadurch wird einerseits ein kompakter Aufbau ermöglicht, da für die kreisbogenarten Teilstücke wenig Platz erforderlich ist und andererseits durch die radialen Verbindungsstücke eine mechanische Anbindung erreicht, die zu nur geringfügigen Verwindungen bei thermischer Ausdehnung oder Kontraktion führt. Die kreisbogenartigen Teilstücke können beispielsweise die Ausdehnung eines Viertelkrei ^¬ ses haben. Auch andere Längen kommen in Frage. Bevorzugt wird die Länge zusammen mit den Wärmeausdehnungskoeffizien- ten, die durch die verwendeten Materialien festgelegt sind, so festgelegt, dass die Stärke der Drehung mit der Tempera ^¬ tur so eingestellt ist, dass der Einfluss des Temperatur ^¬ gangs der Verdet-Konstante auf das Messsignal ausgeglichen wird .

- Die Aufhängestege können im Wesentlichen aus einem Material mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 10 ^~5 / K bestehen, insbesondere Aluminium, Messing, Kupfer oder Edelstahl.

- Die erste Trägerstruktur kann im Wesentlichen aus einem Material mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 10-5 / K bestehen, insbesondere Glas, Quarz, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Invar.

- Die zweite Trägerstruktur kann im Wesentlichen aus einem Material mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 10-5 / K bestehen, insbesondere Aluminium, Messing, Kupfer oder Edelstahl.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Stromwandlers gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor. Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils in schematisierter Form

Figur 1 einen Glasring-Stromwandler und Figur 2 den Aufbau eines Trägerelements für einen Polarisa ^¬ tor .

Figur 1 zeigt den Aufbau eines Glasring-Stromwandlers 10 ge- maß einem Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Der Glas ^¬ ring-Stromwandler 10 ist im Bereich eines Stromleiters 1, beispielsweise einer Hochspannungsleitung, angeordnet und ist ausgestaltet, den im Stromleiter 1 fließenden Strom zu erfassen und zu vermessen, d.h. ein auswertbares Strom- oder Span- nungssignal zu erzeugen, das ein Maß für den im Stromleiter 1 fließenden Strom ist. Dabei besteht galvanische Trennung zwi ^¬ schen dem Stromleiter 1 und dem erzeugten auswertbaren Stromoder Spannungssignal und die Erfassung passiert rein optisch über den Faraday-Effekt , d.h. der Drehung der Polarisation von Licht bei Durchlaufen eines Magnetfelds.

Der Glasring-Stromwandler 10 umfasst eine Leuchtdiode 2 zur Erzeugung von Licht geeigneter Wellenlänge. Anstelle der Leuchtdiode 2 können auch andere Lichtquellen verwendet wer- den. Das Licht der Leuchtdiode 2 wird in eine optische Faser 3 eingespeist, die zu einem Kollimator 4 führt. Hier wird das Licht ausgekoppelt und durch einen ersten Polarisator 5 geleitet. Folgend tritt das Licht in einen Glasring 6 ein, der um den Stromleiter 1 angeordnet ist. Vom Glasring 6 wird das Licht um den Stromleiter 1 herumgeführt und tritt nach einer Umrundung des Stromleiters 1 wieder aus dem Glasring 6 aus.

Im weiteren Verlauf tritt das Licht durch einen zweiten Polarisator 7 und wird über einen zweiten Kollimator 8 in eine weitere optische Faser 11 eingekoppelt. In der weiteren opti ^¬ schen Faser 11 wird das Licht zu einer Fotodiode 9 geleitet. Die Fotodiode 9 erzeugt aus dem einfallenden Licht ein elek ^¬ trisches Signal, das wiederum in einer in Figur 1 nicht dargestellten Auswerteelektronik weiterverarbeitet wird.

Im dargestellten Beispiel ist der erste Polarisator 5 speziell ausgestaltet, um eine Temperaturkompensation zu bewirken. Dazu ist der erste Polarisator 5 auf einem speziellen Träger- element 25 angeordnet. Das Trägerelement 25 umfasst eine ers ^¬ ten, äußeren Trägerring 21. Dieser dient der Befestigung des gesamten Aufbaus des Polarisators 5, beispielsweise der me ^¬ chanischen Verbindung mit dem Glasring 6. Weiterhin umfasst das Trägerelement 25 einen zweiten, inneren Trägerring 22. Dieser ist konzentrisch im ersten Trägerring 21 angeordnet. Dabei ist der zweite Trägerring 22 nahezu freischwebend ange ^¬ ordnet und wird lediglich durch zwei balkenartige

Aufhängestege 24 in seiner Position gehalten.

Die Aufhängestege 24 sind dabei als Viertelkreisbogen gestal ^¬ tet, die an einem Ende ein nach innen weisendes Radialelement und am anderen Ende ein nach außen weisendes Radialelement aufweisen. Das nach innen weisende Radialelement ist mecha- nisch fest mit dem zweiten Trägerring 22 verbunden. Das nach außen weisende Radialelement jedes der Aufhängestege 24 ist mit dem ersten Trägerring 21 mechanisch fest verbunden. Die Länge der Aufhängestege 24 als Viertelkreis ist dabei nur beispielhaft, die Aufhängestege 24 können auch etwas kürzer oder wesentlich kürzer sein, beispielsweise statt einem Winkel von 90° nur einen Winkel von 60° oder 30° überstreichen oder länger sein, beispielsweise einen Winkel von 160° überstreichen. Auch ist es nicht erforderlich, dass genau ein glattes Winkelmaß eingehalten wird.

Das eigentliche auf das Licht wirkende Polarisatorelement ist in Figur 2 nicht dargestellt, ist aber mit dem zweiten Trä ^¬ gerring 22 verbunden und wird von diesem mechanisch getragen. Positionsänderungen und Drehungen des zweiten Trägerrings 22 wirken daher direkt auf die Ausrichtung des Polarisators 5.

Im vorliegenden Beispiel ist das Material des ersten Trägerrings 21 eines mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, beispielsweise Quarzglas. Das Material der Aufhängestege 24 ist dagegen eines mit einem vergleichsweise hohen Wär ^¬ meausdehnungskoeffizienten, beispielsweise Aluminium. Ändert sich die Temperatur des Trägerelements 25, dehnen sich die einzelnen Bauteile entsprechend ihrem Wärmeausdehnungskoeffi- zienten bei einer Erwärmung oder ziehen sich zusammen bei einer Abkühlung. Da bedingt durch die unterschiedlichen Materialien die Ausdehnung des ersten Trägerrings 1 bei einer Erwärmung nicht so stark zunimmt wie die Länge der Aufhänge- Stege 24, ändert sich auch der Kurvenradius der als Viertel ^¬ kreis gestalteten Aufhängestege 24 nicht so stark wie ihre Länge. Die Winkelausdehnung der Aufhängestege 24 erhöht sich dadurch bei Erwärmung, d.h. die Aufhängestege 24 werden im gegebenen Beispiel etwas länger als ein Viertelkreis. Da die Orientierung des ersten Trägerrings 21 zur Umgebung fest ist, erfährt der zweite Trägerring 22 durch die Längenausdehnung oder Kontraktion eine Drehung.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird Bezug genommen auf einen Glasring-Stromwandler für AC-Ströme. Die Erfindung ist aber bei Stromwandlern für DC-Ströme gleichermaßen anwendbar.

Im Betrieb des Glasring-Stromwandlers 10 wird die Leuchtdiode 2 so betrieben, dass Licht mit einer zeitlich im Rahmen des Möglichen festen Lichtstärke vorliegt. Das Licht wird durch den ersten Polarisator 5 gefiltert und der verbleibende, li ^¬ near polarisierte Anteil unterliegt unabhängig von seiner Stärke einer Drehung der Polarisationsebene durch den Fara- day-Effekt im Glasring 6, sofern in dem Glasring 6 ein Mag- netfeld vorliegt, also Strom durch den Stromleiter 1 fließt. Ein AC-Strom führt dabei dazu, dass das Licht eine entspre ^¬ chende zeitliche Modulation der Polarisationsrichtung erfährt . Beim Durchtritt durch den zweiten Polarisator 7 wird das

Licht wiederum gefiltert. Da der zweite Polarisator 7 vorteilhaft in einem Winkel zum ersten Polarisator von ca. 45 angeordnet ist, wird die Lichtstärke dabei wiederum etwas re ^¬ duziert. Aus der zeitlich modulierten Polarisationsrichtung wird bei Durchtritt durch den zweiten Polarisator 7 eine modulierte Intensität. Die Fotodiode 9 wandelt das eintreffende Licht in ein elektrisches Signal mit entsprechendem AC- und DC-Anteil. Da die Veränderungen der Lichtstärke durch den Fa- raday-Effekt unabhängig von der absoluten Lichtstärke sind, eliminiert eine Division von AC- und DC-Anteil alle Einflüsse der absoluten Leuchtstärke der Leuchtdiode 2. Die Stärke der zeitlichen Modulation der Polarisationsrichtung hängt von der Verdetkonstante des Materials des Glas ^¬ rings 6 ab. Die Verdetkonstante wiederum ist abhängig von der Temperatur des Materials. Eine Veränderung der Temperatur führt daher zu einer Änderung der Stärke der zeitlichen Modu- lation der Polarisationsrichtung und damit zu einer Änderung des AC-Anteils des vom zweiten Polarisator 7 gefilterten Lichts. Der DC-Anteil hingegen hängt bei einem reinen AC- Strom im Stromleiter 1 nicht von der Verdetkonstante ab. Da ^¬ her verbleibt bei aus dem Stand der Technik bekannten Glas- ring-Stromwandlern 10 eine Temperaturabhängigkeit im Signal.

Der erste Polarisator 5 erfährt aber durch Temperaturänderungen des Glasrings 6 ebenfalls eine Temperaturänderung. Dazu ist der erste Polarisator 5 und das zugehörige Trägerelement 25 zweckmäßig thermisch gut mit dem Glasring 6 gekoppelt.

Weiterhin ist das Trägerelement 25 vorteilhaft so ausgelegt, dass sich der DC-Anteil im Signal in gleichem Maße mit der Temperatur ändert wie der AC-Anteil aufgrund der Temperaturdrift der Verdetkonstante. Im Verhältnis AC-Anteil zu DC- Anteil wird dann der Temperaturgang des Stromwandlers 10 eli ^¬ miniert. Diese Auslegung passiert über die Länge der Auf- hängestege 24 und die Wärmeausdehnungskoeffizienten von erstem und zweiten Trägerring 21, 22. Der erste Polarisator 5 erfährt durch das Trägerelement 25 eine leichte Drehung, wenn die Temperatur sich ändert. Das in den Glasring 6 eingekoppelte Licht bleibt dabei in seiner In ^¬ tensität unverändert, soweit die Leuchtdiode 2 keine Vorzugs ^¬ polarisation aufweist. Durch Einflüsse des Magnetfelds im Glasring 6 erfährt das Licht eine weitere, bei AC-Strom modu ^¬ lierte Drehung. Beim Durchtritt durch den zweiten Polarisator 7 wird das Licht nun in leicht veränderter Fassung gefiltert, wenn eine Drehung des ersten Polarisators 5 vorliegt. Die passierte Lichtstärke in Abhängigkeit vom Winkel relativ zur Lage des zweiten Polarisators 7 ist eine sinus-artige Kurve. Liegt der erste Polarisator - abgesehen von Drehungen durch das Trägerelement 25 - in einem Winkel von 45° zum zweiten Polarisator 7, dann finden die Änderungen durch einerseits den Einfluss des Stroms im Stromleiter 1 und andererseits den Einfluss des Trägerelements 25 in der engen Umgebung von einem Winkel von 45° statt. In diesem Bereich ist die sinus ^¬ artige Kurve in der ersten Näherung linear. Das bedeutet, dass kleine Drehungen durch das Trägerelement 25 zu einer proportionalen Änderung des DC-Anteils des vom zweiten Polarisator 7 durchgelassenen Lichts führen, aber zu keiner Änderung des AC-Anteils. Ist die Drehstärke durch das Trägerelement 25 richtig bemes ^¬ sen, fallen die Änderungen im DC-Anteil durch das Trägerelement 25 und im AC-Anteil durch den Temperaturgang der Verdet- konstante bei der Division der Anteile vorteilhafterweise weg. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass keine rechnerische Kompensation und schon erst gar keine Messung der Temperatur erforderlich sind.

Dabei ist zweckmäßig zu beachten, dass der Temperaturgang der Verdetkonstante typischerweise positiv ist. Deshalb muss der Winkel zwischen den Polarisatoren, der typischerweise bei 45° liegt, mit zunehmender Temperatur verkleinert werden. Besonders gut funktioniert die beschriebene Kompensation, wenn die Temperaturabhängigkeit der Verdetkonstante sich nahezu linear mit der Temperatur verhält. Der Ansatz kann auch bekannte Doppelbrechungseffekte kompensieren, solange sich der Fehler linear mit der Temperatur verändert.