CH676509A5

CH676509A5 -

Info

Publication number: CH676509A5
Application number: CH3447/88A
Authority: CH
Inventors: Horst Erler
Original assignee: Kernforschungsz Karlsruhe
Priority date: 1987-11-28
Filing date: 1988-09-15
Publication date: 1991-01-31
Also published as: DE3740468C2; GB2212907A; GB8826222D0; US4999570A; JPH01189570A; FR2623910B1; FR2623910A1; GB2212907B; DE3740468A1

Description

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CH 676 509 A5

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung statischer und/oder zeitlich veränderlicher elektrischer Felder bis in den GHz-Bereich unter Ausnutzung des Pockelseffektes in optisch aktiven Kristallen, wobei der Kristall als Sensor dem Einfluss der elektrischen Felder ausgesetzt wird.

In der industriellen Technik und Forschung besteht oft das Problem der Spannungsmessung unter stark eingeschränkten Messbedingungen, wie

1) Potentialtrennung, d.h. es darf keine Messerde/Masse mitgeführt werden,

2) störungsfreie Übertragung des Messsignales in elektromagnetischen Streufeldern, speziell auch in hochfrequenten Störfelden,

3) Messung unter erschwerten Umweitbedingungen (hohe Temperaturen, explosionsgefährdete Räume (Funkenbildung!) oder aggressive Flüssigkeiten),

4) kleinste Dimensionen der Messsonde, um das zu messende Feld nicht stark zu beeinflussen,

5) aus einem Dielektrikum bestehende Messfühler, weil Metall die gegebene Feldverteilung stört (Messergebnis verfälscht), ein Isolator andererseits selbst keinen Strom trägt und die Gefahr eines elektrischen Oberschlages auf die Messsonde klein ist, und

6) besonders bei hochfrequenten Feldern, Forderung nach einer grossen Bandbreite.

Allgemein bekannte Messmethoden verwenden hierzu metallische Sensoren, wie eine Rogowski-Spule oder einen kapazitiven Spannungsteiler. Solche Messmethoden weisen erhebliche Nachteile auf. Die durchführbaren Messungen besitzen lediglich eine Bandbreite im Bereich von 70 bis 80 MHz mit der Folge, dass die Signale nur auf 12 bis 14 nsec genau werden. Mit den metallischen Sensoren kann meist dort nicht gemessen werden, wo Messungen eigentlich interessant sind, nämlich in Bereichen mit hohen elektrischen Feldstärken, wie z.B. in der Pseudofunken-Kammer oder ähnlich komplizierten Geräten. Insgesamt ergeben sich oft starke Verfälschungen des realen Signales, hochfrequente Störungen durch Resonanzen bzw. Schwingungen der Sonden und Erdungsprobleme.

Das der Erfindung zugrunde liegende Aufgabengebiet liegt darin, eine Messvorrichtung mit einen Sensor zu bieten, mit der berührungsfrei und ohne wesentliche Störung des zu messenden Phänomens (in erster Linie der elektr. Feldstärke bzw. Vorgänge, die durch eine metallische stromleitende Messsonde gestört würden) Spannungen bzw. elektr. Feldstärken gemessen werden können, wobei eine hohe Bandbreite, potentialfreie Messung, kleine Dimensionen, sicherer Einsatz auch unter erschwerten Messbedingungen, wie elektromagnetische Störfelder (Hochfrequenzfelder), hohen/tiefen Temperaturen, sowie chemisch aggressive Umgebungen gewährleistbar sein soll. Der Sensor soll zudem nicht nur die Messung elektrischer Felder an Stellen ermöglichen, die bisher einer Messung überhaupt nicht zugänglich waren, sondern er soll den Anwender auch in die Lage versetzen, selbst schwierigere Mess-probleme auf eine unkomplizierte Art und Weise zu meistern.

Die Lösung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 beschrieben.

Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung an.

Die besonderen Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass a) die optischen Sensoren aus einem Dielektrikum bestehen, also im Gegensatz zu ihren metallischen Vorgängern direkt am Ort hoher elektrischer Feldstärken einsetzbar sind.

b) als Folge von a) sichergestellt ist, dass der optische Sensor nicht oder nur unwesentlich die Phänomene stört, die man messen will,

c) es keine elektromagnetische Pulsbeeinflussung der Messanordnung und damit auch keine Erdungsprobleme gibt und d) eine hohe Bandbreite im Bereich 1 bis 100 GHz ermöglicht wird, mit den Beispielen: opt. Kristall 40 GHz Zeltauflösung 25 psec Lichtwellenleiter 400-800 MHz/km 4-8 GHz pro 100 m LWL.

Ein weiterer Vorteil optischer Messvorrichtungen wie dieser ist, dass selbst bei Verwendung vieler Messstellen (bis zu 60 und mehr, das hängt vom Detektorsystem ab) alle Signale automatisch synchronisiert sind, d.h. es treten keine Zeitkorrelationsfehler durch unterschiedliche Triggerschwellen auf.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Fig. 1 bis 10 näher erläutert.

In Fig. 1 ist eine sogenannte Pseudofunkenkammer bzw. Diode dargestellt. Es handelt sich dabei um ein plasmaphysikalisches System, dessen genaue Funktionsweise bisher noch unbekannt ist. Der Betriebszustand ist wie folgt: Zwischen Anode 2 und Kathode 3 wird eine Spannung von maximal 100 Nano-sekunden Länge und einer Amplitude bis 800 kV angelegt. Im Inneren 4 der Diode 1 herrscht ein Gasdruck von ca. 0.3 mbar Wasserstoff. Die ganze Anordnung befindet sich in entmineralisiertem Wasser als Isolator 5. Ziel der Messung ist es, nun unter diesen extremen Bedingungen die Potentialverteilung an den Zwischenelektroden 6 des Systems (schraffierte Teile) zu ermitteln. Gepunktet dargestellt sind die Isolatoren 7.

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Die Fig. 2 zeigt die berechneten Äquipotentiallinien des Systems gemäss Fig. 1 mit nur 6 Zwischenelektroden 6 unter Berücksichtigung der Dielektrizitätskonstanten der vorkommenden Materialien wie Zwischenelektroden 6, Isolatoren 7 und Wasser 5.

Fig. 3a) bis f) zeigen in feinerer Auflösung einen Ausschnitt aus den Isolatoren 7 (schwarz)-Elektro-den 6 (rechts, weisse Fläche)-Region, in Fig. 3 a) zunächst ohne Kristall (Sensor 8). Fügt man nun einen quaderförmigen Kristall 8 in die betreffende Region ein, so erkennt man in Fig. 3 b) bis d), dass die Äquipotentiallinien niemals senkrecht auf zwei sich gegenüberliegenden Flächen 9, 10 stehen, oft auch Potentiallinien den Kristall 8 seitwärts verlassen, unabhängig von der Position dessen. Da die elektrischen Feldlinien senkrecht auf diesen Äquipotentiallinien stehen, ist somit nicht gewährleistet, dass das elektrische Feld E senkrecht auf der (1,1,1)-Ebene des Kristalles 8 steht; dies ist jedoch Voraussetzung für eine korrekte Messung im transversalen Fall des erfindungsgemäss angewendeten Pockelseffektes.

In Fig. 3 f) ist die erfindungsgemässe Lösung gezeigt. Zwischen Kristall 8 und Elektrode 6 wird ein weiterer Körper 11 gleicher Gestalt wie der Kristall 8, aber mit wesentlich kleinerer Dielektrizitätskonstanten als der Kristall 8, und das umgebende Medium gesetzt. Dieser Zusatzkörper 11 wirkt nunmehr wie eine Potentiallinieniinse und bewirkt, dass der elektrische Feldstärkevektor E senkrecht auf der Kristalloberfläche 9 bzw. 10 steht und damit senkrecht auf der (1,1,1)-Ebene des entsprechend geschnittenen Kristalles 8. Der Zusatzkörper 11 kann als Träger des Kristalls 8 und von Lichtzu- und abführungen ausgebildet sein.

Die Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Messaufbau zur Messung elektrischer Felder/Spannungen mittels des erfindungsgemässen fiberoptischen Sensors. Die Lichtquelle 12 muss nicht notwendigerweise ein Laser sein; je nach erwünschter Zeitauflösung und Detektorsystem 13 reichen auch weniger intensive Quellen aus. Das Licht des HeNe-Lasers 12 wird mittels des Mikroskopobjektivs 14 in einen Multimode Lichtwellenleiter 15 eingekoppelt und auf eine Oberfläche des Kristalls 8 fokussiert. Das elektrische Feld E ist durch Pfeile gekennzeichnet. Das transmittierende Licht wird von einem weiteren Lichtwellenleiter 16 aufgenommen und zu dem Detektor 13 geführt. Der Kristall 8 bildet einen fiberoptischen Sensor für die elektrische Feldstärke.

In Fig. 5 ist der detaillierte Aufbau des Sensors 8 (11) dargestellt. Alle Teile 8,11, 19, 20 werden mit optisch transparentem Epoxidkleber verklebt. In der Fig. 5 ist dargestellt die Potentiallinieniinse 11 mit dem E-Feld (Pfeil), die von vorne gegen den Kristall 8, parallel zu den Linsen 17,18 am Lichtwellenleiter 15 -Ende bzw. 16 -Anfang und den Lichtwellenleitern 15/16 geklebt wird und gleichzeitig als stabilisierender Träger für den Kristall 8 dient. Zwischen Linse 17 bzw. 18 und Kristall 8 stehen eine das Licht um 45" drehende Polarisatorfolie 19 bzw. eine Analysatorfolie 20, mit der eine Phasendrehung des Lichts feststellbar ist,

Fig. 6 und 7 zeigen den graphischen Zusammenhang zwischen der Lichtintensität l/lo des fiberoptischen Sensors 8, 11 und der elektrischen Feldstärke E (Messgrösse) bzw. der Zeit t. Die Empfindlichkeit des Kristallsensors 8 wird durch die Kristallänge bestimmt, welche ebenfalls für die maximale Grenzfrequenz zusammen mit der Länge der Lichtwellenleiter 15/16 verantwortlich ist (Durch Benutzung eines zweiten Sensors, speziell bei hohen elektrischen Feldern (zeitlich schnell veränderliche-), kann die Eindeutigkeit der berechneten elektrischen Feldstärke aus der gemessenen Intensitätskurve durch Vergleich gewahrt werden). In der Simulation (Fig. 7) ist die Antwort des Sensors 8 auf ein elektrisches Feld, das sinusförmig von der Zeit abhängt, dargestellt.

Der Aufbau (Fig. 5) mit Polarisator 19 parallel zum Analysator 20 hat den Vorteil, dass die maximale Intensität lo automatisch mitgemessen wird und nicht separat bestimmt werden muss, wie im Falle Polarisator 19 senkrecht zum Analysator 20, was für die Intensität l(t) eine quadratische Sinusfunktion ergibt.

Der Sensor 8 (11) wird gemäss diesem Aufbau in Transmission betrieben; eine Anordnung in Reflexion wäre ebenfalls möglich (wegen des komplexeren Aufbaus mit einem zusätzlichen halbdurchlässigen Spiegel und damit verbundener Intensitätsreduzierung). Das Kristallmaterial ist wasserunlöslich, der ganze Sensor 8 (11) wird jedoch zum Schutz in eine dünne Siliconschicht eingegossen.

Mit dem in Fig. 4 und 5 dargestellten Testaufbau wurde der fiberoptische Sensor 8 (11) im Vergleich mit zwei in diesem Messbereich noch möglichen rein elektrischen Messverfahren erprobt. Obwohl der Sensor 8 (11) für wesentlich höhere elektrische Feldstärken entwickelt wurde, arbeitet er auch bei diesen kleineren Werten sehr gut. Die Fig. 8, 9 und 10 zeigen die Auswertung einiger Messungen. Die jeweils durchgezogene Kurve zeigt stets die Messung mit dem Sensor (BGO-Kristall 8), die gestrichelten Kurven geben die elektrischen Signale wieder. Dabei bedeutet Us die Spannung, die mittels einer Hochspannungssonde gemessen wurde, Utheo die nach dem Netzwerk berechnete Spannung und Ur die mittels eines ohmschen Teilers gemessene Spannung.

Die mit Hilfe des Sensors 8 (11) ermittelte und die elektrisch gemessene Spannung stimmen in der Amplitude bis auf etwa 4% überein. Die Abklingzeit (RC-Zeitkonstante) der elektrisch gemessenen Signale ist deutlich kleiner als die des Sensorsignales, letztere stimmt jedoch bis auf weniger als 2% mit der theoretischen Netzwerkanalyse überein.

Betrachtet man die Signale in einem kleineren Zeitbereich, so erkennt man auch die Feinstruktur der Signale aufgrund von Streukapazitäten und -Induktivitäten. Sowohl das elektrische (Sonde) als auch

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das optische (Sensor) Signal zeigen die Überschwinger in der Spannung; die Schwingungsdauer stimmt auf besser 2% überein.

Was jedoch die elektrischen Messungen falsch wiedergeben, ist die Anstiegszeit der Signale sowie das oben bereits erwähnte Abklingen. Das Amplitudenverhältnis der Überschwinger ist ebenfalls verschieden. Diese Punkte lassen sich jedoch durch die Neigung der elektrischen Sonden zum Differenzieren erklären; sie täuschen demzufolge schnellere Signale vor als real vorhanden sind.

Eine Zusammenfassung der wichtigsten Daten zeigt nochmals die Tabelle 1,

Um bei den für die Entwicklung des Sensors 8 (11) verantwortlichen Messungen eine ausreichende Zeitauflösung sicherzustellen und die Signalerfassung ohne bandbreitenlimitierende elektronische Verstärker und sonstige Elektronik für die direkte Signalverarbeitung auszuführen, werden die Lichtsignale mittels einer Schmierbildkamera (Streakkamera; nicht dargestellt) aufgenommen. Diese hat eine Zeitauflösung von besser 2 Picosekunden.

Das am Phosphorschirm der Streakkamera entstehende Bild wird durch eine SIT-Videokamera aufgenommen und digitalisiert. Man erhält so eine Intensitätskurve als Funktion der Zeit, aus der man dann das zeitabhängige elektrische Feld oder die Spannung berechnen kann. Ein weiterer Vorteil des Streak-kamerasystems ist, dass man bis zu 64 Signale gleichzeitig und automatisch zeitkorreliert aufnehmen kann.

Werden nicht so hohe Anforderungen an das zeitliche Auflösungsvermögen sowie die Bandbreite gestellt, können auch wesentlich billigere bzw. einfachere Detektorsysteme Verwendung finden.

In Tabelle 2 sind einige charakteristische Daten eines verwendeten Sensorkristalls 8 aufgeführt. Als Kristallmaterial eignet sich insbesondere Bi4Ge30i2 oder BÌ4SÌ3O12. Der Zusatzkörper 11 kann z.B. aus Plexiglas bestehen. Kristall- bzw. Zusatzkörperform, Materialien und Geometrien hängen im wesentlichen von den Anforderungen an die Messgenauigkeit und vom Einsatzort des Sensors ab (Wasser, Öl etc.).

Tabelle 1:

Charakteristik elektrisch optisch

Abweichung

Amplitude

25 kV

26.1 kV

4.2%

Anstiegszeit (0 bis 100%)

160 ns

200 ns

25%

U0/U1

1.78

1.5

15.7%

Schwindungsdauer

160 ns

157 ns

1.8%

Pulsdauer (RC)

13/27.5 ns

27 ps

50/1.8%

Tabelle 2

l(t)

Lichtintensität bei angelegtem E-Feld E(t)

lo maximale Lichtintensität (ohne elektrisches Feld)

no

Brechungsindex von BGO

= 2.0975

1*41

elektrooptischer Koeffizient

= 0,9510~12 m/V

L

Länge des Kristalls

= 7.5 mm

Äo

Wellenlänge der Lichtquelle

= 633nm

E(t)

Betrag der elektrischen Feldstärke

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur berührungslosen Messung statischer und/oder zeitlich veränderlicher elektrischer Felder bis in den GHz-Bereich unter Ausnutzung des Pockelseffektes in einem optisch aktiven Kristall, wobei der Kristall als Sensor dem Einfluss der elektrischen Felder ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet,

a) dass der Kristallsensor (8) mit einem weiteren als Potentiallinieniinse wirkenden Körper (11) mit abweichender Dielektrizitätskonstanten kombiniert ist,

b) dass der Kristallsensor (8) und der Körper (11) sich an einem gemeinsamen Oberflächenteil berühren,

c) dass Licht mittels eines Lichtwellenleiters (15) an den Kristallsensor (8) herangeführt und nach Transmission oder Heflektion als Informationsträger mittels eines weiteren Lichtleiters (16) zu einem Detektor (13) geleitet ist und

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d) dass das Licht vor Eintritt in den Kristallsensor (8) eine Polarisation (19) erfährt und eine Phasendrehung des transmittierten Lichtes mittels eines Analysators (20) in eine vom Detektor (13) zu messende Intensitätsänderung umgewandelt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Form und Dielektrizitätskonstante des Körpers (11) derart ausgewählt sind, dass die elektrischen Feldlinien (E) den Kristallsensor (8) parallel zueinander durchlaufen und senkrecht auf zwei sich gegenüberliegenden Aussenflächen (9, 10) des Kristallsensors (8) stehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht, welches vom Lichtwellenleiter (15) herangeführt wird, parallel ausgerichtet (17) und mittels einer Polarisationsfolie (19) derart gedreht wird, dass es in einem Winkel von 45° zur elektrischen Feldstärke (E) steht, welche wiederum senkrecht zur (1,1,1)-Ebene des Kristailsensors (8) steht, und dass das transmittierende Licht eine Analysatorfolie (20) durchquert, bevor es in den weiteren Lichtleiter (16) eingekoppelt (18) wird.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallsensor (8) aus einem Bi4Ge30i2- oder BÌ4SÌ30i2-KristalI und der Zusatzkörper (11) aus einem Kunststoff besteht und dass beide Körper (8,11) quaderförmig ausgebildet sind.

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