DE19601727C1 - Optisches Meßverfahren und optische Meßanordnung zum Messen eines magnetischen Wechselfeldes mit erweitertem Meßbereich und guter Linearität - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Messen eines magnetischen Wechselfeldes. Unter einem magne­ tischen Wechselfeld wird ein Magnetfeld verstanden, das nur von Null verschiedene Frequenzanteile in seinem Spektrum auf­ weist.

Es sind optische Meßanordnungen zum Messen eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter bekannt, die auf dem magneto­ optischen Faraday-Effekt beruhen und deshalb auch als magne­ tooptische Stromwandler bezeichnet werden. Bei einem magneto­ optischen Stromwandler wird linear polarisiertes Meßlicht durch eine in der Nähe des Stromleiters angeordnete Faraday- Sensoreinrichtung gesendet, die aus einem den Faraday-Effekt zeigenden, optisch transparenten Material besteht. Das von dem Strom erzeugte Magnetfeld bewirkt wegen des Faraday- Effekts eine Drehung der Polarisationsebene des Meßlichts um einen Drehwinkel ρ, der proportional zum Wegintegral über das Magnetfeld entlang des vom Meßlicht zurückgelegten Weges in der Sensoreinrichtung ist. Die Proportionalitätskonstante nennt man Verdet-Konstante V. Die Verdet-Konstante V hängt im allgemeinen vom Material und der Temperatur der Sensorein­ richtung sowie von der Wellenlänge des verwendeten Meßlichts ab. Im allgemeinen umgibt die Sensoreinrichtung den Stromlei­ ter, so daß das Meßlicht den Stromleiter in einem praktisch geschlossenen Weg wenigstens einmal umläuft. Der Drehwinkel ρ ist in diesem Fall im wesentlichen direkt proportional zur Amplitude I des zu messenden Stromes gemäß der Beziehung

ρ = N · V · I (1),

wobei N die Zahl der Umläufe des Meßlichts um den Stromleiter ist. Der Faraday-Drehwinkel ρ wird polarimetrisch durch eine Polarisationsanalyse des durch die Sensoreinrichtung gelaufe­ nen Meßlichts bestimmt, um ein Meßsignal für den elektrischen Strom zu erhalten.

Zur Polarisationsanalyse ist bekannt, das Meßlicht nach Durchlaufen der Sensoreinrichtung von einem Analysator in zwei linear polarisierte Lichtkomponenten L1 und L2 mit senk­ recht zueinander gerichteten Polarisationsebenen zu zerlegen. Als Analysator sind polarisierende Strahlteiler wie bei­ spielsweise ein Wollaston-Prisma oder auch ein einfacher Strahlteiler mit zwei nachgeschalteten Polarisatoren, deren Polarisationsachsen um π/2 bzw. 90° gegeneinander gedreht sind, bekannt. Beide Lichtkomponenten L1 und L2 werden von jeweils einem zugeordneten photoelektrischen Wandler in je­ weils ein elektrisches Intensitätssignal T1 oder T2 umgewan­ delt, das proportional zur Lichtintensität der jeweiligen Lichtkomponente L1 bzw. L2 ist. Aus diesen beiden elektri­ schen Signalen wird ein Meßsignal

T = (T1 - T2)/(T1 + T2) (3)

gebildet, das dem Quotienten aus einer Differenz und der Summe der beiden Intensitätssignale T1 und T2 entspricht (WO 95/10046 A1).

Dieses Meßsignal T ist bei Vernachlässigung von Störeinflüssen gleich

T = sin(2ρ + ζ) = sin(2·N·V·I + ζ) (4),

wobei ζ ein von dem Winkel zwischen der Polarisationsebene des Meßlichts beim Einkoppeln in das Faraday-Element und einer ausgezeichneten optischen Eigenachse des Analysators abhängiger Off-set-Winkel für I = 0 A ist.

Obwohl der Faraday-Meßwinkel ρ selbst gemäß Gleichung (1) eine lineare und damit eindeutige Funktion des Stromes I ist, ist das Meßsignal T gemäß Gleichung (4) nur über einem maxi­ mal π/2 (bzw. 90°) großen Winkelbereich eine eindeutige Funk­ tion des Meßwinkels ρ ist. Somit sind mit diesen polarimetri­ schen magnetooptischen Stromwandlern auch nur solche elektri­ sche Ströme eindeutig meßbar, die in einem Strommeßbereich (Strommeßintervall, measuring range)) MR der Intervallänge

|MR| = π/(2·N·V) (5)

liegen. Aus Gleichung (5) ist ersichtlich, daß man die Größe |MR| des Strommeßbereichs MR eines magnetooptischen Stromwand­ lers durch die Wahl von Materialien mit unterschiedlichen Verdet-Konstanten V für das Faraday-Element und/oder durch die Zahl N der Umläufe des Meßlichts um den Stromleiter ein­ stellen kann. Einen größeren Strommeßbereich erhält man, wenn man das Produkt N·V im Nenner kleiner einstellt. Jedoch zieht eine solche Wahl eines größeren Strommeßbereichs MR unweiger­ lich eine verringerte Meßauflösung (measuring resolution) MA des Stromwandlers bei vorgegebener Anzeigeauflösung nach sich. Die Meßauflösung MA ist dabei als Betrag |MS| der Meß­ empfindlichkeit MS des Stromwandlers definiert. Die Meß­ empfindlichkeit MS entspricht der Steigung der Kennlinie des magnetooptischen Stromwandlers in einem Arbeitspunkt und ist bei einer zweikanaligen Auswertung gemäß Gleichung (4) gleich

MS = dT/dI = 2·N·V·cos(2·N·V·I + ζ) (6).

Aus Gleichung (6) erkennt man sofort, daß eine Verkleinerung des Produkts N·V bei beiden Auswerteverfahren zu einer Ver­ ringerung der Meßauflösung MA = |MS| führt.

Aus EP 0 088 419 A1 ist ein magnetooptischer Stromwandler be­ kannt, bei dem zwei Faraday-Glasringe parallel zueinander um einen gemeinsamen Stromleiter angeordnet sind, die aus Fara­ day-Materialien mit unterschiedlichen Verdet-Konstanten be­ stehen und somit jeder für sich unterschiedliche Strommeß­ bereiche aufweisen. Jedem Faraday-Glasring sind jeweils eine Sendeeinheit zum Senden linear polarisierten Meßlichts in den Glasring und eine zweikanalige Auswerteeinheit zum Berechnen eines jeweiligen Meßsignals für den jeweiligen Faraday-Dreh­ winkel zugeordnet. Die beiden Meßsignale der beiden Auswerte­ einheiten werden einem OR-Gatter zugeführt, das ein Maximums­ signal aus den beiden Meßsignalen ermittelt. Mit diesem Maxi­ mumssignal wird zwischen den Meßbereichen der beiden Glas­ ringe umgeschaltet. Unterschiedliche Meßbereiche der beiden Glasringe können auch bei gleichem Glasmaterial für beide Glasringe erreicht werden, indem Meßlicht unterschiedlicher Wellenlänge verwendet wird. Dabei wird die Wellenlängen­ abhängigkeit der Faraday-Drehung ausgenutzt.

Aus "SENSOR 93 Kongreßband IV B11.1, Seiten 137 bis 144" ist in magnetooptischer Stromwandler für Schutzzwecke zum Messen von Wechselströmen bekannt, bei dem linear polarisiertes Licht nach Durchlaufen einer Faraday-Lichtleitfaser in zwei Lichtteilsignale aufgespalten wird und jedes dieser Licht­ teilsignale einem Analysator zugeführt wird. Die Eigenachsen (Polarisationsachsen) der beiden Analysatoren sind unter einem Winkel von 45° oder 58° zueinander gerichtet. Die von den Analysatoren durchgelassenen Lichtintensitäten werden erst durch Division durch ihre Gleichanteile normiert, die durch Spitzenwertgleichrichtung erhalten werden. Anschließend wird ein Produkt der normierten Signale gebildet und dieses Produkt dann differenziert. Durch Integration wird direkt der Faraday-Drehwinkel erhalten. Dadurch erhält man ein Signal, das proportional zum Strom ist und daher keinen Meßbereichs­ beschränkungen unterliegt. Jedoch ist dieses Verfahren ver­ gleichsweise aufwendig.

Aus der EP 0 208 593 A1 ist ein magnetooptischer Stromwandler bekannt, bei dem linear polarisiertes Meßlicht nach Durchlau­ fen einer einen Stromleiter umgebenden Faraday-Lichtleitfaser von einem Strahlteiler in zwei Lichtteilsignale aufgeteilt wird und jedes dieser Lichtteilsignale einem Analysator zu­ geführt wird. Die Eigenachsen der beiden Analysatoren sind unter einem Winkel von 0° bzw. 45° zur Einkoppelpolarisation des Meßlichts, gerichtet. Dadurch erhält man am Ausgang eines Analysators ein erstes, sinusförmiges Signal und am Ausgang des anderen Analysators ein zweites, cosinusförmiges Signal. Diese beiden Signale sind jeweils mehrdeutige, oszillierende Funktionen des Stromes im Stromleiter, die um einen Winkel von 90° gegeneinander phasenverschoben sind. Aus diesen bei­ den mehrdeutigen Signalen wird nun ein eindeutiges Meßsignal zusammengesetzt durch Vergleich der Vorzeichen und der Be­ träge der Meßwerte des ersten, sinusförmigen Signals und des zweiten, cosinusförmigen Signals. Sobald die Beträge von Sinus und Cosinus gleich sind, d. h. bei einem ganzzahligen Vielfachen von 45°, wird in Abhängigkeit von den Vorzeichen von Sinus und Cosinus von einem eindeutigen Zweig des ersten, sinusförmigen Signals in einen eindeutigen Zweig des zweiten, cosinusförmigen Signals umgeschaltet oder umgekehrt. Der Meß­ bereich dieses bekannten magnetooptischen Stromwandlers ist somit prinzipiell nicht beschränkt. Jedoch ist das Verfahren ein inkrementales Verfahren mit der Folge, daß der Arbeits­ punkt für Strom Null bei einem Ausfall der Elektronik des Stromwandlers erst wieder neu eingestellt werden muß.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zum Messen eines magnetischen Wechselfel­ des mit erweitertem Meßbereich und guter Linearität an zu­ geben.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merk­ malen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 4. Linear polari­ siertes Meßlicht wird in eine den Faraday-Effekt zeigende Sensoreinrichtung eingekoppelt, die zumindest beim Meßvorgang im magnetischen Wechselfeld angeordnet ist. Das Meßlicht durchläuft die Sensoreinrichtung wenigstens einmal und wird danach in zwei linear polarisierte Lichtteilsignale aufge­ teilt, deren Polarisationsrichtungen unter einem Winkel von im wesentlichen einem ungeradzahligen Vielfachen von 45° bzw. π/4 zueinander gerichtet sind. Die beiden Lichtteilsignale werden jeweils in ein elektrisches Intensitätssignal umge­ wandelt, das ein Maß für die Lichtintensität des zugehörigen Lichtteilsignals ist. Von einem ersten der beiden elektri­ schen Intensitätssignale wird ein Wechselsignalanteil und ein Gleichsignalanteil ermittelt und von einem zweiten der beiden Intensitätssignale ein Gleichsignalanteil. Der Wechselsignal­ anteil enthält im wesentlichen alle Frequenzanteile des magnetischen Wechselfeldes. Die beiden Gleichsignalanteile enthalten dagegen im wesentlichen keine Frequenzanteile des magnetischen Wechselfeldes. Es wird nun ein Meßsignal für das magnetische Wechselfeld abgeleitet, das proportional zu einem Quotienten aus zwei intensitätsnormierten Signalen ist, wobei ein erstes der beiden intensitätsnormierten Signale dem Quotienten aus dem Wechselsignalanteil und dem Gleichsignal­ anteil des ersten Intensitätssignal entspricht und ein zwei­ tes der beiden intensitätsnormierten Signale dem Quotienten aus dem zweiten Intensitätssignal und dessen Gleichsignal­ anteil entspricht. Dieses Meßsignal ist zum einen praktisch unabhängig von unerwünschten Intensitätsschwankungen des Meßlichts und ist zum anderen eine eindeutige Funktion über einem Winkelbereich von annähernd π für den Faraday-Dreh­ winkel, um den die Polarisationsebene des Meßlichts in der Sensoreinrichtung aufgrund des Magnetfeldes gedreht wird, beispielsweise über dem offenen Winkelbereich ]-π/2,+π/2[. Ferner weist das Meßsignal in einem großen Bereich um einen in der Mitte des Meßbereichs liegenden Arbeitspunkt eine ausgezeichnete Linearität auf.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfah­ rens und der Anordnung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 oder vom Anspruch 4 jeweils abhängigen Ansprüchen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird aus dem Meßsignal zur Präzisionsmessung ein Effektivwert als Maß für den Effek­ tivwert des magnetischen Wechselfeldes gebildet.

Zum Messen eines elektrischen Wechselstromes wird die Sensor­ einrichtung im vom Wechselstrom induktiv erzeugten magneti­ schen Wechselfeld angeordnet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Messen eines magnetischen Wechselfeldes und insbesondere zum Messen eines elektrischen Wechselstromes und

Fig. 2 in einem Diagramm der Effektivwert des gemessenen Stromes in Abhängigkeit vom Faraday-Meßwinkel jeweils schematisch veranschaulicht sind.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Messen eines magnetischen Wechselfeldes H, das insbesondere von einem elektrischen Strom I in einem Stromleiter 2 erzeugt werden kann, dargestellt. Im magnetischen Wechselfeld H ist eine den magnetooptischen Faraday-Effekt zeigende Sensorein­ richtung 3 angeordnet. Die Sensoreinrichtung 3 ist in der dargestellten Ausführungsform mit einer Monomode-Lichtleit­ faser gebildet, die vorzugsweise den Stromleiter 2 in Form einer Meßwicklung mit wenigstens einer Windung umgibt. Vor­ zugsweise ist eine getemperte optische Faser (annealed fibre) vorgesehen, die sich durch niedrige lineare Doppelbrechung und praktisch vernachlässigbare zirkulare Doppelbrechung auszeichnet. Die Sensoreinrichtung 3 kann aber auch mit einem oder mehreren massiven, den Faraday-Effekt zeigenden Körpern, vorzugsweise aus Glas, gebildet sein und insbesondere den Stromleiter 2 als polygonaler Ringkörper umgeben. Es sind Mittel vorgesehen zum Einkoppeln von linear polarisiertem Meßlicht L in die Sensoreinrichtung 3. Die Polarisationsrich­ tung des elektrischen Feldstärkevektors des Meßlichts L beim Einkoppeln in die Sensoreinrichtung 3 ist im folgenden als Einkoppelpolarisationsrichtung des Meßlichts L bezeichnet. Die Mittel zum Einkoppeln des Meßlichts L in die Sensorein­ richtung 3 können, wie dargestellt, eine Lichtquelle 9 und einen Polarisator 10 zum linearen Polarisieren des Lichts der Lichtquelle 9 enthalten oder auch eine selbst lineare polari­ sierte Lichtquelle wie beispielsweise eine Laserdiode. In der dargestellten Ausführungsform gibt die Polarisationsachse (Transmissionsachse) des Polarisators 10 die Einkoppelpolari­ sationsrichtung des Meßlichts L vor. Das in die Sensorein­ richtung 3 eingekoppelte linear polarisierte Meßlicht L durchläuft die Sensoreinrichtung 3 und wird nach Durchlaufen der Sensoreinrichtung 3 einem Strahlteiler 4 zugeführt. Der Strahlteiler 4 zerlegt das Meßlicht L in zwei Lichtanteile L1′ und L2′ mit gleicher Polarisation. Beispielsweise kann der Strahlteiler 4 mit einem unter einem Winkel von vorzugs­ weise 45° zur Ausbreitungsrichtung des Meßlichts L geneigten teildurchlässigen Spiegel gebildet sein. Im optischen Weg (Strahlengang) des ersten Lichtanteils L1′ ist nun ein erster Polarisator 5 angeordnet, der ein auf seine Polarisations­ achse P1 projiziertes erstes Lichtteilsignal L1 bildet. Im Lichtweg des zweiten Lichtanteils L2′ ist ein zweiter Polari­ sator 6 angeordnet, der ein auf seine zugehörige Polarisa­ tionsachse P2 projiziertes zweites Lichtteilsignal L2 bildet. Die Polarisationsachse P1 des ersten Polarisators 5 und die Polarisationsachse P2 des zweiten Polarisators 6 schließen wenigstens annähernd einen Winkel

α = (2n + 1) · 45° bzw.
α = (2n + 1) · (π/4) (7)

zueinander ein mit der ganzen Zahl n. Vorzugsweise ist die Polarisationsachse P1 des ersten Polarisators 5 unter einem Winkel von wenigstens annähernd + 45° oder + π/4 oder - 45° bzw. - π/4 zur Einkoppelpolarisationsrichtung des Meßlichts L gerichtet und die Polarisationsachse P2 des zweiten Polarisa­ tors 6 unter einem Winkel von 0° bzw. 0 zur Einkoppelpolari­ sationsrichtung des Meßlichts L.

Die beiden Lichtteilsignale L1 und L2 werden nun jeweils einem zugeordneten photoelektrischen Wandler 7 bzw. 8 zuge­ führt. Jeder photoelektrische Wandler 7 und 8 wandelt das zu­ gehörige Lichtteilsignale L1 bzw. L2 in jeweils ein elektri­ sches Intensitätssignal S1 bzw. S2 um, das ein Maß für die Intensität des jeweiligen Lichtteilsignals L1 bzw. L2 ist. Im allgemeinen ist das elektrische Intensitätssignal S1 oder S2 proportional zur Lichtintensität des zugehörigen Lichtteil­ signals L1 bzw. L2. Der Ausgang des ersten photoelektrischen Wandlers 7 ist nun elektrisch mit dem Eingang eines Hochpaß­ filters 11 und mit dem Eingang eines Tiefpaßfilters 12 ver­ bunden. Das Hochpaßfilter 11 bildet einen Wechselsignalanteil A1 des ersten Intensitätssignals S1 und das Tiefpaßfilter 12 einen Gleichsignalanteil D1 dieses ersten Intensitätsignals S1. Die Trennfrequenzen von Hochpaßfilter 11 und Tiefpaßfil­ ter 12 sind so eingestellt, daß der Wechselsignalanteil AI alle Frequenzanteile des magnetischen Wechselfeldes H enthält und der Gleichsignalanteil D1 vom magnetischen Wechselfeld H unabhängig ist. Der Wechselsignalanteil A1 des ersten Inten­ sitätssignals S1 wird von einem Ausgang des Hochpaßfilters 11 einem ersten Eingang eines Dividierers 14 zugeführt. Der Gleichsignalanteil D1 des ersten Intensitätssignals S1 wird von einem Ausgang des Tiefpaßfilters 12 einem zweiten Eingang des Dividierers 14 zugeführt. Der Dividierer 14 bildet nun das Quotientensignal A1/D1 von Wechselsignalanteil A1 zu Gleichsignalanteil D1 des ersten Intensitätssignals S1. Dieses Quotientensignal A1/D1 ist ein intensitätsnormiertes Signal, d. h. unabhängig von Intensitätsänderungen des Meßlichts L beispielsweise durch Intensitätsschwankungen der Lichtquelle 9 oder Dämpfungsverluste im Lichtweg des Meß­ lichts L oder des ersten Lichtteilsignals L1. Der Ausgang des zweiten photoelektrischen Wandlers 8 ist mit dem Eingang eines Tiefpaßfilters 13 und einem ersten Eingang eines Divi­ dierers 15 elektrisch verbunden. Das Tiefpaßfilter 13 bildet einen Gleichsignalanteil D2 des zweiten Intensitätssignals S2. Die Trennfrequenz des Tiefpaßfilters 13 ist so einge­ stellt, daß der Gleichsignalanteil D2 keine Frequenzanteile des magnetischen Wechselfeldes H enthält. An einem Ausgang des Dividierers 15 steht nun ein Quotientensignal S2/D2 an, das dem Quotienten aus dem zweiten Intensitätssignal S2 und dessen Gleichsignalanteil D2 entspricht. Auch dieses Quo­ tientensignal S2/D2 ist ein intensitätsnormiertes Signal und damit unabhängig von Intensitätsänderungen im Meßlicht L und im zweiten Lichtteilsignal L2. Da auch Intensitätsänderungen in den Lichtwegen der beiden Lichtteilsignale L1 und L2 durch die Intensitätsnormierung kompensiert sind, können zur Über­ tragung der beiden Lichtteilsignale L1 und L2 auch Multimode­ fasern verwendet werden. Die beiden normierten Signale A1/D1 und S2/D2 werden nun jeweils einem Eingang eines weiteren Dividierers 16 zugeführt. Der Dividierer 16 bildet den Quotienten der beiden normierten Signale A1/D1 und S2/D2 als Meßsignal

M = (A1/D1)/(S2/D2) (8),

das an einem Ausgang 30 der Anordnung abgegriffen werden kann.

Dieses Meßsignal M ist ähnlich zur Funktion tan(ρ) des Faraday-Drehwinkels ρ, um den die Polarisationsrichtung (Polarisationsebene) des Meßlichts (L) in der Sensoreinrich­ tung 3 aufgrund des magnetischen Wechselfeldes H gedreht wird. Die Tangensfunktion tan(ρ) ist nun jedoch eine über einem Winkelintervall mit einer Intervallänge von annähernd π eine eindeutige Funktion des Drehwinkels ρ, nämlich für -π/2 + 2mπ < ρ < +π/2 + 2mπ mit der ganzen Zahl m. Man erhält so­ mit einen praktisch doppelt so großen Meßbereich wie bei den gemäß dem Stand der Technik erhaltenen, zu sin(2ρ) proportio­ nalen Meßsignalen.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind Mittel 17 zum Bilden des Effektivwertes M_eff des Meßsignals M vorgesehen, der als Maß für die Amplitude (Betrag) des magnetischen Wechselfeldes H oder als Maß für den Effektivwert I_eff eines elektrischen Stromes I im Stromleiter 2. Fig. 2 zeigt den Effektivwert M_eff des Meßsignals M für einen sinusförmigen elektrischen Stromes I = 2^0,5 I_eff sin(ωt) aufgetragen über einem Winkelbereich von 0° bis etwa 60° für den Effektivwert ρ_eff des Faraday-Drehwinkels ρ = 2^0,5 ρ_eff sin(ωt). Der Effek­ tivwert I_eff des elektrischen Stromes I ergibt sich dann aus der Beziehung ρ_eff = 2 NV I_eff mit der Windungszahl N der Faserspule (Meßwicklung) und der Verdet-Konstante V der Sensoreinrichtung 3. Zum Bilden des Effektivwertes M_eff kann jede an sich bekannte analoge oder digitale Schaltung ver­ wendet werden.

Der Effektivwert M_eff des Meßsignals M kann auch einer an­ schließenden Linearisierung unterzogen werden, vorzugsweise mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors. Der dann linear vom Drehwinkel ρ abhängende linearisierte Effektivwert M_eff ^lin wird auf einen Ausgang 20 gegeben. Es kann natürlich auch der Effektivwert M_eff selbst auf einen nicht dargestellten Ausgang gegeben werden.

Anstelle des Hochpaßfilters 11 kann zum Bilden des Wechsel­ signalanteils A1 des ersten Intensitätssignals S1 auch ein Subtrahierer vorgesehen sein, der die Differenz S1-D1 aus dem ersten Intensitätssignal S1 und dessen vom Tiefpaßfilter 12 gebildeten Gleichsignalanteil D1 bildet, die gerade dem Wechselsignalanteil A1 entspricht. Umgekehrt kann statt des Tiefpaßfilters 12 zum Bilden des Gleichsignalanteils D1 des ersten Intensitätssignals S1 auch ein Subtrahierer vorgesehen sein, der die Differenz S1-A1 aus dem ersten Intensitäts­ signal 51 und dessen vom Hochpaßfilter 11 gebildeten Wechsel­ signalanteil A1 bildet, die gerade dem Gleichsignalanteil D1 entspricht. Ferner kann auch das Tiefpaßfilter 13 durch ein Hochpaßfilter zum Bilden eines Wechselsignalanteils A2 des zweiten Intensitätssignals S2 und einen Subtrahierer zum Bilden des Gleichsignalanteils D2 des zweiten Intensitäts­ signals S2 durch Subtraktion des Wechselsignalanteils A2 vom zweiten Intensitätssignal S2 ersetzt werden. Schließlich können die dargestellten analogen Filter auch durch digitale Filter und vorgeschaltete Analog/Digital-Wandler ersetzt werden.

Als arithmetische Mittel zum Ableiten des Meßsignals M gemäß der Beziehung (8) aus dem Wechselsignalanteil A1 und dem Gleichsignalanteil D1 des ersten Intensitätssignals S1 und aus dem zweiten Intensitätssignal S2 und dessen Gleichsignal­ anteil D2 können natürlich auch anstelle der analogen Divi­ dierer 14, 15 und 16 digitale Rechenmittel vorgesehen sein, insbesondere ein Mikroprozessor oder ein digitaler Signal­ prozessor mit vorgeschaltetem Analog/Digital-Wandler. Vor­ zugsweise sind sowohl digitale Filter als auch digitale arithmetische Mittel vorgesehen. Die Analog/Digital-Wandlung geschieht dann vor den digitalen Filtern.

Die optische Kopplung der verschiedenen optischen Komponenten der Meßanordnung wird vorzugsweise durch nicht dargestellte Kollimatorlinsen (Grin lenses) zum Bündeln des Lichts unter­ stützt.

Anstelle des in Fig. 1 gezeigten Transmissionstyps, bei dem das Meßlicht L die Sensoreinrichtung 3 nur einmal durchläuft, kann auch eine Anordnung vom Reflexionstyp vorgesehen sein, bei der das Meßlicht L nach einem ersten Durchlaufen der Sensoreinrichtung 3 in die Sensoreinrichtung 3 mit Hilfe eines Spiegels zurückreflektiert wird und die Sensoreinrich­ tung 3 ein zweites Mal in umgekehrter Richtung durchläuft, bevor es dem Strahlteiler 4 zugeführt wird.

Claims (6)

1. Verfahren zum Messen eines magnetischen Wechselfeldes (H), bei dem

• a) linear polarisiertes Meßlicht (L) in eine im magnetischen Wechselfeld (H) angeordnete und den Faraday-Effekt zei­ gende Sensoreinrichtung (3) eingekoppelt wird,
• b) das Meßlicht (LR) nach wenigstens einmaligem Durchlaufen der Sensoreinrichtung (3) in zwei linear polarisierte Lichtteilsignale (L1, L2) aufgeteilt wird, deren Polari­ sationsrichtungen unter einem Winkel (α) von im wesent­ lichen einem ungeradzahligen Vielfachen von 45° bzw. π/4 zueinander gerichtet sind,
• c) die beiden Lichtteilsignale (L1, L2) jeweils in ein elek­ trisches Intensitätssignal (S1, S2) umgewandelt werden, das ein Maß für die Lichtintensität des zugehörigen Lichtteilsignals (L1, L2) ist,
• d) von einem ersten der beiden elektrischen Intensitäts­ signale (S1) ein Wechselsignalanteil (A1) und ein Gleich­ signalanteil (D1) ermittelt werden und von einem zweiten der beiden Intensitätssignale (S2) ein Gleichsignalanteil (D2) ermittelt wird, wobei der Wechselsignalanteil (A1) im wesentlichen alle Frequenzanteile des magnetischen Wechselfeldes (H) enthält und die Gleichsignalanteile (D1, D2) im wesentlichen keine Frequenzanteile des magne­ tischen Wechselfeldes (H) enthalten,
• e) ein Meßsignal (M) für das magnetische Wechselfeld (H) ab­ geleitet wird, das proportional zu einem Quotienten aus zwei intensitätsnormierten Signalen (A1/D1, S2/D2) ist, wobei ein erstes der beiden intensitätsnormierten Signale (A1/D1) dem Quotienten aus dem Wechselsignalanteil (A1) und dem Gleichsignalanteil (D1) des ersten Intensitäts­ signal (S1) entspricht und ein zweites der beiden inten­ sitätsnormierten Signale (S2/D2) dem Quotienten aus dem zweiten Intensitätssignal (S2) und dessen Gleichsignal­ anteil (D2) entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem aus dem Meßsignal (M) ein Effektivwert (M_eff) als Maß für den Effektivwert des magnetischen Wechselfeldes (H) gebildet wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Messen eines elektrischen Wechselstromes (I), bei dem die Sensoreinrichtung (3) im vom Wechselstrom (I) erzeugten magnetischen Wechselfeld (H) angeordnet wird.

4. Anordnung zum Messen eines magnetischen Wechselfeldes (H) mit

• a) einer den Faraday-Effekt zeigenden Sensoreinrichtung (3),
• b) Mitteln (9, 10) zum Einkoppeln von linear polarisiertem Meßlicht (L) in die Sensoreinrichtung (3),
• c) Mitteln (4, 5, 6) zum Aufteilen des Meßlichts (L) nach wenigstens einmaligem Durchlaufen der Sensoreinrichtung (3) in zwei linear polarisierte Lichtteilsignale (L1, L2), deren Polarisationsrichtungen unter einem Winkel (α) von im wesentlichen einem ungeradzahligen Vielfachen von 45° bzw. π/4 zueinander gerichtet sind,
• d) Mitteln (7, 8) zum Umwandeln der beiden Lichtteilsignale (L1, L2) jeweils in ein elektrisches Intensitätssignal (S1, S2), das ein Maß für die Lichtintensität des zuge­ hörigen Lichtteilsignals (L1, L2) ist,
• e) Mitteln (11, 12, 13) zum Bilden eines Wechselsignalanteiles (A1) und eines Gleichsignalanteiles (D1) von einem ersten der beiden elektrischen Intensitätssignale (S1) und zum Bilden eines Gleichsignalanteiles (D2) von einem zweiten der beiden Intensitätssignale (S2), wobei der Wechselsignalanteil (A1) im wesentlichen alle Frequenz­ anteile des magnetischen Wechselfeldes (H) enthält und die Gleichsignalanteile (D1, D2) im wesentlichen keine Frequenzanteile des magnetischen Wechselfeldes (H) enthalten,
• f) Mitteln (14, 15, 16) zum Ableiten eines Meßsignales (M) für das magnetische Wechselfeld (H), das proportional zu einem Quotienten aus zwei intensitätsnormierten Signalen (A1/D1, S2/D2) ist, wobei ein erstes der beiden inten­ sitätsnormierten Signale (A1/D1) dem Quotienten aus dem Wechselsignalanteil (A1) und dem Gleichsignalanteil (D1) des ersten Intensitätssignal (S1) entspricht und ein zweites der beiden intensitätsnormierten Signale (S2/D2) dem Quotienten aus dem zweiten Intensitätssignal (S2) und dessen Gleichsignalanteil (D2) entspricht.

5. Anordnung nach Anspruch 4, die Mittel (17) zum Bilden eines Effektivwertes (M_eff) des Meßsignals (M) als Maß für den Effektivwert des magnetischen Wechselfeldes (H) umfaßt.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5 zum Messen eines elektrischen Wechselstromes (I), bei der die Sensoreinrich­ tung (3) im vom Wechselstrom (I) erzeugten magnetischen Wech­ selfeld (H) anordenbar ist.