專利名稱：光學(xué)采集電氣變量的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)采集一個電氣變量，特別是電流和電壓的方法和設(shè)備。
為在電氣設(shè)備中采集電流和電壓已知有例如基于磁光法拉弟效應(yīng)的光學(xué)測量設(shè)備。此時，由配置在電流導(dǎo)體附近的一個法拉弟元件發(fā)出線性偏振測量光。由電流產(chǎn)生的磁場引起該偏振測量光的偏振面偏轉(zhuǎn)一個角度，其正比于磁場沿測量光經(jīng)過路徑的路徑積分。
在被測電流連續(xù)升高時，偏轉(zhuǎn)角可以達(dá)到超過90°,180°,360°，甚或它們的數(shù)倍，使得通過分析簡單確定偏轉(zhuǎn)角時不能明確說出偏轉(zhuǎn)角的絕對數(shù)值。因此迄今為止在實踐中通常只允許偏轉(zhuǎn)角變化處于一個確定的范圍，例如在90°內(nèi)，并將其相應(yīng)精密分析。
EP 0208593 B1公開了一個磁光變流器，其中線性偏振測量光在流過一個圍繞一個電流導(dǎo)體的法拉弟光導(dǎo)纖維后由一個幅射分頻器分為兩個光信號，并把每一個光信號供給一個檢偏鏡。兩個檢偏鏡的固有軸相對于測量光的耦合偏振成一個0°到45°的夾角。由此在檢偏鏡的輸出端獲得一個第一正弦信號，而在另一檢偏鏡的輸出端獲得一個第二余弦信號。
這兩個信號分別是彼此相移90°角的電流導(dǎo)體中的電流的多義(非單一性)振蕩函數(shù)。從這兩個多義信號現(xiàn)在組成一個單義測量信號，這是通過比較第一正弦信號和第二余弦信號的測量值的符號和數(shù)值實現(xiàn)的。只要正弦和余弦的數(shù)值相等時，這意味著是45°的整數(shù)倍，則根據(jù)正弦和余弦的符號從第一正弦信號的一個單義的分支向第二余弦信號的一個單義的分支轉(zhuǎn)換，反之亦然。該方法是一個遞增方法，使得其工作點在電流零時、在一個變流器掉電時必須重新建立。對此也請參見DE 4334469 A1或者DE4342410 A1。
在德國專利申請19544778中建議一種方法，它使用兩種分測量。為測量一個預(yù)先規(guī)定測量范圍內(nèi)的電測量變量，產(chǎn)生一個第一測量信號和一個第二測量信號，第一測量信號是關(guān)于該測量范圍的測量變量的一個單一性函數(shù)，而第二測量信號是在該預(yù)先規(guī)定的測量范圍內(nèi)測量變量的一個周期的非單一性函數(shù)。從這兩個測量信號導(dǎo)出一個關(guān)于該測量范圍單義的第三測量信號，其至少具有第二測量信號的測量分辨率。以這種方式可以至少為第一測量信號的單義范圍確定一個絕對值。一般參見根據(jù)US 4529875、DE 4013125 A1和EP 0290780的現(xiàn)有技術(shù)。
本發(fā)明的目的在于提供一種用光學(xué)手段測量一個電氣變量的方法和設(shè)備，其中可以以簡單方式分析90°以上的光學(xué)測量信號。
本發(fā)明的目的是通過一種光學(xué)采集電氣變量的方法來實現(xiàn)的。
-其中至少產(chǎn)生取決于該電氣變量的一個第一光學(xué)測量信號和一個第二光學(xué)測量信號，-其中兩個光學(xué)測量信號與該電氣變量的相關(guān)性是周期性的，且其中一個周期比較大，最大為另一個的兩倍，-其中兩個測量信號組成數(shù)值對，為該數(shù)值對分配該電氣變量的一個絕對值。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，該新方法可以任意擴展測量范圍超過單一性范圍(第一象限)。此時，電氣變量的確定可以在任何時間不需存儲歷史數(shù)據(jù)或者以前的測量數(shù)值實現(xiàn)，因為不存在任何增量方法。此時，兩個測量信號的特性曲線周期性彼此相近是適宜的。此時，光測量信號的相關(guān)性應(yīng)該不同，以使得被測量的電氣變量增加時在測量信號之間的相移產(chǎn)生變化。測量信號例如也可以線性或者非線性相關(guān)。
從光測量信號導(dǎo)出用作數(shù)值對的電氣測量信號是適宜的。以這種方式可以簡單地對測量值進行數(shù)字處理。另外，阻止對光學(xué)信號的干擾，例如振動和溫度。使用各種算法對電氣信號的預(yù)處理具有“強度標(biāo)準(zhǔn)化”的優(yōu)點，由此可以彌補干擾帶來的負(fù)面影響。
用不同頻率的測量光產(chǎn)生兩個光測量信號是適宜的。以這種方式，只需一個光學(xué)傳感器或者只需一個測量系統(tǒng)。此時，利用法拉弟效應(yīng)與光的波長的相關(guān)性。亦即由此實現(xiàn)雙重靈敏性。
此時，兩個光測量信號可以同時或者相繼，特別是多路轉(zhuǎn)換產(chǎn)生。在同時測量時兩個測量信號可同時分別產(chǎn)生。在多路轉(zhuǎn)換實現(xiàn)時需要少量部件。
極具優(yōu)點的是兩個光測量信號相繼通過連續(xù)改變一個測量信號的頻率，特別是通過擺頻來產(chǎn)生。由此給出在兩個測量信號之間的連續(xù)過渡，它在原理上允許無限數(shù)目的測量信號，由此測量精度和測量的單一性特別高。
光測量信號可以用不同光傳感器產(chǎn)生。由此可以分開產(chǎn)生測量信號。測量信號也可以用一個公共的光傳感器產(chǎn)生，它包括兩個光段。該方法非常簡單，因此構(gòu)件部分的費用很小。
此外可以產(chǎn)生另一測量信號，它對電氣變量的相關(guān)性是周期的，用于更準(zhǔn)確確定該電氣變量。以這種方式再次提高測量信號的單一性和精度。作為電氣變量，電流或電壓十分相宜并極具優(yōu)點。
本發(fā)明有關(guān)設(shè)備方面的目的是通過一個采集一個導(dǎo)體上的電氣變量的設(shè)備來實現(xiàn)的，它具有-至少一個第一光學(xué)傳感器，它至少產(chǎn)生兩個光測量信號，其中測量信號對電氣變量的相關(guān)性是周期的，其中一個周期較大，最大為另一個周期的兩倍，-與該傳感器連接的分析設(shè)備，它為作為數(shù)值對的兩個光測量信號產(chǎn)生該電氣變量一個所屬的絕對值。
該設(shè)備在結(jié)構(gòu)上非常簡單，并在測量時允許顯著擴展單一性范圍。其它有利的設(shè)計方案在其余權(quán)利要求中給出。上面說明的對方法的優(yōu)點就意義來說同樣適用于該設(shè)備。
傳感器可以具有至少兩個有不同光特性的光測量路徑來產(chǎn)生光測量信號。兩個測量信號可由此簡單產(chǎn)生，同時所需的傳感器費用很小。兩個測量路徑由不同材料建成是很簡單的。同時結(jié)構(gòu)尺寸也很小。作為另一方案，兩個測量路徑可具有不同長度。在此的材料消耗很小。
光傳感器可以相應(yīng)于其測量路徑數(shù)由幾部分構(gòu)成。因此可以是非常簡單的模塊化結(jié)構(gòu)。
光傳感器也可以為產(chǎn)生光測量信號轉(zhuǎn)換或者改變其光學(xué)特性。這樣該傳感器就成為該設(shè)備的一個活性元件，在此只用一個傳感器及對其控制就可產(chǎn)生任意數(shù)目的光測量信號。
極具優(yōu)點的是傳感器可以產(chǎn)生另一測量信號，其用于補充數(shù)值對為電氣變量產(chǎn)生數(shù)值。測量精度和單一性因此再次提高。
可以給傳感器分配這樣一個光源，它為產(chǎn)生兩個光信號可使其頻率周期持續(xù)地，特別在擺頻意義上改變。由此，原則上可產(chǎn)生測量信號的一個連續(xù)譜。
下面根據(jù)附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施例、其它的細(xì)節(jié)和優(yōu)點。附圖中

圖1表示用于光學(xué)采集一個電氣信號的設(shè)備；圖2表示兩個測量信號的一個特性曲線圖。
首先根據(jù)按照圖1原理表示的一個設(shè)備一般說明該新方法。該新方法的目的是，使用偏振傳感器能從非單一測量信號出發(fā)進行單一測量。
圖1表示一個導(dǎo)體1，其上流過電壓為U的電流I。在導(dǎo)體1上安裝有一個基于光工作的傳感器3。工作方式可以例如基于法拉弟效應(yīng)或者泡克爾斯效應(yīng)。以此用于采集電流I或者電壓U?，F(xiàn)在的例子從電流采集開始。
傳感器3經(jīng)由一個光導(dǎo)體5與一光源7連接，它給傳感器3供給一個偏振光。該偏振光在傳感器3中根據(jù)電氣變量I改變其偏振，主要是其偏振平面偏轉(zhuǎn)，然后通過一個第二光導(dǎo)體9供給分析設(shè)備11。顯然，也可以使用由傳感器、起偏振鏡和檢偏振鏡構(gòu)成其組件的設(shè)備。
在分析設(shè)備11中，偏振平面產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)由測量信號確定。此時，該偏轉(zhuǎn)是有待采集的電氣變量的一個量度。
現(xiàn)在第一傳感器3提供一個周期輸出信號，這意味著引起超過90°相移偏轉(zhuǎn)的電氣變量的測量信號不再是單一的。為單一地采集電氣變量執(zhí)行下述方法首先產(chǎn)生兩個光測量信號。這兩個光測量信號對該電氣變量亦即電流I的相關(guān)性均是周期性的，其中的一個周期較大，但最大為另一個周期的兩倍。因此在對該電氣變量進行兩次測量值采集時，靈敏度只存在很小差別。
在該電氣變量的當(dāng)前值由兩個光測量信號通過不同靈敏度采集不同振幅值產(chǎn)生后，其各自均不是單一的。通過一個后處理或者對這兩個值的評估可以根據(jù)數(shù)學(xué)考慮或者借助于表比較或者表分配確定該電氣變量的絕對值。兩個測量信號的靈敏度或者相關(guān)性使得，在被測電氣變量改變時測量信號之間的相移也變化。
為產(chǎn)生兩個光測量信號可以采用各種方法。例如可以為此從光源7輸出不同頻率的測量光。這可以同時實現(xiàn)，從而使得這兩個光測量信號也可以被同時采集。另外也可考慮多路轉(zhuǎn)換處理方式(相對于光發(fā)送側(cè)或者分析設(shè)備側(cè))。此時，按照一種擺頻方法改變光頻率也是適宜的。
因為供給傳感器3的一個測量光只有一個頻率，因此也可以考慮為建立兩個光測量信號而對傳感器3本身進行設(shè)計。為此可以例如包括兩個光段，它們具有不同光學(xué)特性，供給它們公共的測量光。
在最簡單的場合例如可以考慮一個光纖線圈，它具有一個抽頭，以便給出兩個輸出。以這種方式構(gòu)成不同長度的光路。顯而易見，也可以建立兩個完全分開的光路，其由不同大小的同樣材料或者不同材料構(gòu)成。通過光纖線圈的匝數(shù)在原理上可以調(diào)整傳感器的靈敏度。
圖1表示出作為另一變型以實線標(biāo)識的控制裝置13，它通過一根虛線15能夠?qū)Φ谝粋鞲衅?控制或轉(zhuǎn)換。這種實施方案為多路轉(zhuǎn)換的測量值采集提供，在這種方案中傳感器3的光學(xué)特性連續(xù)轉(zhuǎn)換或者連續(xù)換向，以便產(chǎn)生交變的不同的測量信號。顯然，為此必須使分析設(shè)備11和控制裝置13同步。作為另一可選方案也可以為此轉(zhuǎn)換或連續(xù)換向光源7。
圖2表示具有兩個測量信號的兩條特性曲線M1和M2的圖。作為測量信號這里可以理解為光測量信號或者已經(jīng)從其導(dǎo)出的電測量信號，其通常用于測量值的電學(xué)處理、特別是數(shù)字處理。
特征曲線M1和M2表示相應(yīng)于偏轉(zhuǎn)角度變化的振幅曲線，其中偏轉(zhuǎn)角度變化量取決于被測量電氣變量。據(jù)此可知，在最小值min和最大值max之間的兩條特性曲線M1和M2是周期的，并具有一個彼此偏差很小的周期時間。所示特性曲線近似表示用于采集兩個光測量值的特性曲線圖。
然而，對于電氣變量一個預(yù)先給定的值，其本身的振幅值不是單一的。在原理上可以根據(jù)兩個變量確定一個單一值。為此，兩個特性曲線的周期時間緊鄰在一起是適宜的，使得能夠為多個象限實現(xiàn)單一采集。
確定精確的一種可能性是從兩個信號確定特性曲線的相移。相移以及該電氣變量的值例如根據(jù)下述關(guān)系確定
式中P1和P2表示作為一個數(shù)值對的已確定測量信號的值，而K表示一個可預(yù)先規(guī)定的系數(shù)。
確定電氣變量絕對值的另一種可能性是可以通過已確定測量值與寄存的數(shù)值對的表比較。為此可以把測量值用作表地址以查找電氣變量的相應(yīng)值。另外也可以考慮比較各振幅值的極性和振幅差以確定該電氣變量。
電氣變量絕對值的確定也可以以直接方式亦即通過從兩個存在的測量值按照一般數(shù)學(xué)方法使用相應(yīng)算法實現(xiàn)。
也可以考慮兩條特性曲線的差拍包絡(luò)線，其優(yōu)點是由此可以單一確定該電氣變量。在原理上該基本思想至少已經(jīng)在上述關(guān)系式中得以考慮。
利用將來的材料和處理方法并通過使用一個可控傳感器來單一地產(chǎn)生測量值或者采集測量值也是可以想像的，其中可控傳感器可以按照適宜的方法調(diào)制測量光并進而可產(chǎn)生另外的測量信息，例如溫度。
顯然，所列舉的本方法和設(shè)備的特征可以自身重新組合或者與現(xiàn)有技術(shù)的特征組合，而不背離現(xiàn)有的基本發(fā)明思想。對此重要的是，從兩個非單一測量信號出發(fā)推斷出原始的電氣變量。
該測量方法和設(shè)備優(yōu)選應(yīng)用于光學(xué)電流和電壓測量，特別是用于高壓或中壓測量。由此可以只用一個傳感器就實現(xiàn)大測量范圍的測量變量采集。
權(quán)利要求
1．一種用于光學(xué)采集一個電氣變量的方法，其中-至少產(chǎn)生與該電氣變量相關(guān)的一個第一和一個第二光測量信號，-這兩個光測量信號與該電氣變量的相關(guān)性是周期性的，并且其中一個周期較大，最大為另一個周期的兩倍，-這兩個測量信號作為一個數(shù)值對，將該電氣變量的一個絕對值分配給它們。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中從所述光測量信號導(dǎo)出作為數(shù)值對的電測量信號。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中使用不同頻率的測量光產(chǎn)生兩個光測量信號。
4．根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其中同時或者相繼地、尤其是多路轉(zhuǎn)換地產(chǎn)生所述的兩個光測量信號。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中通過連續(xù)改變一個信號的周期，特別是通過擺頻，相繼產(chǎn)生所述的兩個光測量信號。
6．根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其中借助不同的光傳感器產(chǎn)生所述光測量信號。
7．根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其中借助于一個包括兩個光段的公共光傳感器(3)產(chǎn)生光測量信號。
8．根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法，其中產(chǎn)生另一光測量信號，它與該電氣變量的相關(guān)性是周期的，可用來更精確地確定該電氣變量。
9．根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的方法，其中電氣變量是電流或者電壓。
10．一種用于采集一個導(dǎo)體(1)上的電氣變量(Ⅰ)的設(shè)備，其具有-至少一個第一光學(xué)傳感器(3)，它至少產(chǎn)生兩個光測量信號，其中該測量信號與該電氣變量(Ⅰ)的相關(guān)性是周期的，并且其中一個周期較大，最大為另一個周期的兩倍，-一個與傳感器(3)連接的分析裝置(11)，它為作為數(shù)值對的兩個光測量信號產(chǎn)生一個屬于該電氣變量(Ⅰ)的絕對值。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中在分析裝置(11)中把兩個光測量信號變換為作為數(shù)值對的電測量信號。
12．根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的設(shè)備，其中所述傳感器(3)至少具有兩個具有不同光學(xué)特性、用于產(chǎn)生光測量信號的光測量路徑。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述兩個光測量路徑由不同材料構(gòu)成。
14．根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的設(shè)備，其中所述兩個測量路徑具有不同長度。
15．根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述的設(shè)備，其中所述光傳感器(3)相應(yīng)于測量路徑的數(shù)目被設(shè)計成多部分。
16．根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的設(shè)備，其中所述傳感器(3)為產(chǎn)生光測量信號轉(zhuǎn)換或者改變其光學(xué)特性。
17．根據(jù)權(quán)利要求10至16中任一項所述的設(shè)備，其中給傳感器(3)分配一個光源(7)，它為產(chǎn)生兩個光信號持續(xù)周期性地、尤其在擺頻意義上改變其頻率。
18．根據(jù)權(quán)利要求10至17中任一項所述的設(shè)備，其中所述傳感器(3)產(chǎn)生另一光測量信號，其用來補充數(shù)值對以產(chǎn)生電氣變量(Ⅰ)的數(shù)值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于光學(xué)采集一個電氣變量(Ⅰ)的方法和設(shè)備,在光學(xué)采集電氣變量時,光測量信號周期性地取決于該被測電氣變量(Ⅰ)。為獲得單一測量信號,按照本發(fā)明,采用兩個周期相關(guān)的光測量信號。以此確定的測量值作為數(shù)值對用來被單一分配一個電氣變量(Ⅰ)的絕對值。
文檔編號G01R15/24GK1230257SQ97197759
公開日1999年9月29日 申請日期1997年7月14日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月1日
發(fā)明者奧特馬·貝耶爾, 托馬斯·博斯埃爾曼, 邁克爾·威爾希 申請人:西門子公司