Abstract
"Optische Stromwandler auf der Basis des Faraday Effektes zeichnen sich auf dem heutigen Entwicklungsstand bereits durch eine hohe Genauigkeit und eine geringe Querempfindlichkeit gegenüber Störgrößen aus der Umgebung aus. Wie auch in der konventionellen Messtechnik ist jedoch die Dynamik der optischen Stromwandler nicht ausreichend, um die verschiedenen, in der Energietechnik geforderten Messbereiche mit einem optischen Wandlerkopf abzudecken. Nach oben wird der Messbereich durch den Eindeutigkeitsbereich der sinusförmigen Sensorkennlinie beschränkt. Die Auflösung der optischen Stromwandler wird durch begrenzendes Fotoempfängerrauschen sowie eine endliche digitale Auflösung der Signalverarbeitung begrenzt. Die Messung von Gleichströmen ist mit den optischen Stromwandlern prinzipiell möglich. Die praktische Realisierung hingegen war bis heute aufgrund der mit Dämpfungs- und Drifteffekten verbundenen polarimetrischen Auswertung problematisch.
Das Anliegen der vorliegenden Arbeit ist es, neue Lösungsmöglichkeiten zur Erweiterung des Dynamikbereiches optischer Stromwandler aufzuzeigen. Die technische Realisierbarkeit eines optischen Weitbereichswandlers wird am praktischen Beispiel demonstriert.
Zunächst werden die Eigenschaften konventioneller und optischer Stromwandler dargestellt und verglichen. Daraus werden praktische Anwendungsgebiete von optischen Stromwandlern mit hohem Dynamikbereich und deren technische Anforderungen abgeleitet. Eine Einführung in die Polarisationsoptik und den Faraday-Effekt beinhaltet die theoretischen Grundlagen, welche zur quantitativen Berechnung von Sensorkennlinien im weiteren Verlauf der Arbeit benötigt werden. Die verschiedenen Ausführungsformen polarimetrischer Stromwandler werden überblicksartig dargestellt. Dabei wird auf verschiedene Sensorelemente, Anordnungen und Auswertealgorithmen eingegangen, um die Grundlagen für die im weiteren Verlauf der Arbeit ausgewählten Verfahren zur Messbereichserweiterung zu geben.
Im Hauptteil der Arbeit werden mehrere neue und bekannte Verfahren zur Messung großer Faraday-Drehwinkel, d. h. die “Messbereichserweiterung nach oben“ vorgestellt. Den Schwerpunkt bildet ein neues Verfahren, welches auf der Verwendung verschiedener Wellenlängen zur Realisierung unterschiedlicher Messbereiche mit einem optischen Stromwandlerkopf beruht. Mehrere Entwicklungsmuster mit verschiedenen technolo- gischen Ansätzen werden vorgestellt und experimentell untersucht. Aufgrund der Nichtlinearität der Stromwandlerkennlinie weist das optische Sensorsignal beim Überschreiten des Eindeutigkeitsbereiches ein charakteristisches Frequenzspektrum auf. Ein neues signaltechnisches Verfahren wertet das Spektrum zur Messung großer Ströme aus.
Möglichkeiten zur Vergrößerung der Auflösung, d.h. die “Messbereichserweiterung nach unten“ werden diskutiert. Neben der Reduzierung des Fotoempfängerrauschens wird ein neues Verfahren zur Vergrößerung der digitalen Auflösung der Signalverarbeitungskette beschrieben.
Für die Stabilisierung des Arbeitspunktes für die Gleichstrommessung werden Möglichkeiten zur Kompensation der Dämpfungseffekte sowie von Drifteffekten durch lineare Doppelbrechung diskutiert. An einem Entwicklungsmuster wird praktisch die Verringerung der Arbeitspunktdrift um einen Faktor 50 demonstriert."
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