Die Erfindung betri f ft die Messung eines elektrischen Stroms unter Verwendung eines optischen Stromwandlers .

Unter einem optischen Stromwandler wird hier eine optische Messvorrichtung zum Messen eines elektrischen Stroms in einem Stromleiter verstanden, die auf dem magnetooptischen Faraday- Ef fekt beruht . Unter diesem Ef fekt versteht man die Drehung der Polarisationsrichtung einer linear polarisierten elektromagnetischen Welle in einem Medium durch ein zur Ausbreitungsrichtung der Welle paralleles Magnetfeld . Die Drehung der Polarisationsrichtung ist dabei proportional zu der magnetischen Flussdichte des Magnetfelds .

Bei einem optischen Stromwandler wird linear polarisiertes Licht durch einen in der Nähe des Stromleiters angeordneten Lichtleiter gesendet , der den Faraday-Ef fekt zeigt . Das von dem Strom in dem Stromleiter erzeugte Magnetfeld bewirkt eine Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts . Da die magnetische Flussdichte des Magnetfelds von der Stromstärke des Stroms abhängt , lässt sich die Stromstärke messen, indem die Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts erfasst wird . Um die Drehung der Polarisationsrichtung zu erfassen, wird das von dem Lichtleiter ausgegebene Licht beispielsweise durch einen Polarisator geführt und es wird eine Lichtintensität des von dem Polarisator transmittierten Lichts erfasst .

Das Messprinzip eines optischen Stromwandlers impli ziert , dass die Messsignale des Stromwandlers keine eindeutige Funktion der Stromstärke des zu messenden Stroms liefern, da verschiedene Stromstärken zu demselben Messsignal führen . Die Werte der Stromstärke bilden aufeinander folgende Eindeutigkeitsbereiche , in denen das Messsignal des Stromwandlers mit steigender Stromstärke j eweils monoton steigt oder fällt . Dabei folgt auf j eden Eindeutigkeitsbereich, in dem das Mess- signal des Stromwandlers mit steigender Stromstärke von einem Minimum zu einem Maximum monoton steigt , ein Eindeutigkeitsbereich, in dem das Messsignal des Stromwandlers mit steigender Stromstärke von dem Maximum zu dem Minimum monoton fällt , und auf j eden Eindeutigkeitsbereich, in dem das Messsignal des Stromwandlers mit steigender Stromstärke von dem Maximum zu dem Minimum monoton fällt , folgt ein Eindeutigkeitsbereich, in dem das Messsignal des Stromwandlers mit steigender Stromstärke von dem Minimum zu dem Maximum monoton steigt .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Messvorrichtung zum Messen eines elektrischen Stroms unter Verwendung eines optischen Stromwandlers anzugeben .

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst .

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen eines elektrischen Stroms werden mit wenigstens zwei optischen Stromwandlern j eweils wiederholt von dem Strom abhängige Messsignale erfasst , wobei die Stromwandler voneinander verschiedene Ein- deutigkeitsbereiche aufweisen, in denen das von dem j eweiligen Stromwandler erfasste Messsignal bei steigendem Strom monoton zu- oder abnimmt . Für j eden Stromwandler wird fortlaufend ein Vorzeichenwert bestimmt , der das Vorzeichen der ersten Ableitung des von dem Stromwandler erfassten Messsignals nach dem Strom angibt . Den Messsignalen eines Stromwandlers wird ein geänderter Eindeutigkeitsbereich des Stromwandlers zugeordnet , wenn sich der für diesen Stromwandler bestimmte Vorzeichenwert ändert und sich der für wenigstens einen anderen Stromwandler bestimmte Vorzeichenwert nicht ändert . Aus den Messsignalen wenigstens eines Stromwandlers wird die Stromstärke des elektrischen Stroms bestimmt . Das erfindungsgemäße Verfahren sieht also vor, mehrere optische Stromwandler zum Messen eines elektrischen Stroms zu verwenden, wobei die optischen Stromwandler voneinander verschiedene Eindeutigkeitsbereiche aufweisen, in denen das von dem j eweiligen Stromwandler erfasste Messsignal bei steigendem Strom monoton zu- oder abnimmt . Durch die Verwendung mehrerer optische Stromwandler mit voneinander verschiedenen Eindeutigkeitsbereichen kann das Problem der Mehrdeutigkeit des Messsignals eines optischen Stromwandlers als Funktion des zu messenden Stroms gelöst werden, indem wenigstens ein weiterer optischer Stromwandler genutzt wird, um den j eweiligen Eindeutigkeitsbereich dieses optischen Stromwandlers zu bestimmen . Um den Wechsel zwischen verschiedenen Eindeutig- keitsbereichen optischer Stromwandler zuverlässig festzustellen, sieht die Erfindung vor, für j eden dieser Stromwandler fortlaufend einen Vorzeichenwert zu bestimmen, der das Vorzeichen der ersten Ableitung des von dem Stromwandler erfassten Messsignals nach dem Strom angibt . Der Wechsel des Vorzeichenwertes eines Stromwandlers bei ausbleibendem Wechsel des Vorzeichenwertes eines anderen Stromwandlers signalisiert zuverlässig, dass sich der Eindeutigkeitsbereich des Stromwandlers geändert hat .

Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist kein Stromwandler einen Eindeutigkeitsbereich auf , der ein Viel faches eines Eindeutigkeitsbereichs eines anderen Stromwandlers ist . Diese Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigt , dass ein Eindeutigkeitsbereich eines Stromwandlers , der ein Viel faches eines Eindeutigkeitsbereiches eines anderen Stromwandlers ist , dazu führt , dass es Stromstärken des zu messenden elektrischen Stroms gibt , bei denen sich die Eindeutigkeitsbereiche beider Stromwandler gleichzeitig ändern, so dass es bei diesen Stromstärken nicht möglich ist , einen Stromwandler zur Kontrolle des anderen Stromwandlers zu nutzen . Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Messsignale j edes Stromwandlers digitalisierte Messsignale , die Werte aus einem dem Stromwandler zugeordneten Wertebereich annehmen, und der gesamte Wertebereich wird für j eden Eindeutigkeitsbereich des Stromwandlers genutzt . Diese Ausgestaltung der Erfindung nutzt aus , dass die Erfindung eine eindeutige Bestimmung des j eweiligen Ein- deutigkeitsbereiches eines optischen Stromwandlers ermöglicht . Daher kann für j eden Eindeutigkeitsbereich eines Stromwandlers der gesamte diesem Stromwandler zugeordnete Wertebereich für die Aufnahme digitaler Messsignale genutzt werden . Mit anderen Worten braucht unterschiedlichen Eindeu- tigkeitsbereichen nicht j eweils eine separate Untermenge des Wertebereichs zugeordnet werden . Dadurch wird der Speicherbedarf für die digitalen Messsignale bei gleichbleibender Auflösung der Messsignale vorteilhaft deutlich reduziert beziehungsweise die Auflösung der Messsignale wird bei gleichbleibendem Speicherplatz vorteilhaft deutlich erhöht .

Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist j eder Stromwandler einen Lichtwellenleiter auf und die Lichtwellenleiter wenigstens zweier Stromwandler sind aus voneinander verschiedenen Materialien, insbesondere aus Materialien mit voneinander verschiedenen Verdet-Konstanten, gefertigt .

Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch j eden Stromwandler elektromagnetische Strahlung einer für den Stromwandler spezi fischen Wellenlänge geführt und die Wellenlängen wenigstens zweier Stromwandler unterscheiden sich voneinander .

Die beiden vorgenannten Ausgestaltungen der Erfindung ermöglichen die Ausbildung optischer Stromwandler mit voneinander verschiedenen Eindeutigkeitsbereichen durch Lichtwellenleiter unterschiedlicher Materialien und/oder elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen . Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung zum Messen eines elektrischen Stroms umfasst

- wenigstens zwei optische Stromwandler, die j eweils eingerichtet sind, wiederholt von dem Strom abhängige Messsignale zu erfassen, wobei die Stromwandler voneinander verschiedene Eindeutigkeitsbereiche aufweisen, in denen das von dem j eweiligen Stromwandler erfasste Messsignal bei steigendem Strom monoton zu- oder abnimmt , und

- eine Auswerteeinheit , die eingerichtet ist ,

- für j eden Stromwandler fortlaufend einen Vorzeichenwert zu bestimmen, der das Vorzeichen der ersten Ableitung des von dem Stromwandler erfassten Messsignals nach dem Strom angibt ,

- den Messsignalen eines Stromwandlers einen geänderten Ein- deutigkeitsbereich des Stromwandlers zuzuordnen, wenn sich der für diesen Stromwandler bestimmte Vorzeichenwert ändert und sich der für wenigstens einen anderen Stromwandler bestimmte Vorzeichenwert nicht ändert , und

- aus den Messsignalen wenigstens eines Stromwandlers die Stromstärke des elektrischen Stroms zu bestimmen .

Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung zum Messen eines elektrischen Stroms ermöglicht die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens . Die Vorteile einer derartigen Messvorrichtung korrespondieren daher zu den oben genannten Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens . Entsprechendes gilt für die folgenden Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, die zu oben genannten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens korrespondieren .

Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung weist kein Stromwandler einen Eindeutigkeitsbereich auf , der ein Viel faches eines Eindeutigkeitsbereichs eines anderen Stromwandlers ist .

Bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung sind die Messsignale j edes Stromwandlers digitalisierte Messsignale , die Werte aus einem dem Stromwandler zugeordneten Wertebereich annehmen, und die Auswerteeinheit ist eingerichtet , den gesamten Wertebereich für j eden Eindeu- tigkeitsbereich des Stromwandlers zu nutzen .

Bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung weist j eder Stromwandler einen Lichtwellenleiter auf und die Lichtwellenleiter wenigstens zweier Stromwandler sind aus voneinander verschiedenen Materialien, insbesondere aus Materialien mit voneinander verschiedenen Verdet- Konstanten, gefertigt .

Bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist j eder Stromwandler eingerichtet , elektromagnetische Strahlung einer für den Stromwandler spezi fischen Wellenlänge zu führen und die Wellenlängen wenigstens zweier Stromwandler unterscheiden sich voneinander .

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise , wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Aus führungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden . Dabei zeigen :

FIG 1 ein Blockdiagramm eines Aus führungsbeispiels einer Messvorrichtung zum Messen eines elektrischen Stroms ,

FIG 2 Messsignale eines optischen Stromwandlers in Abhängigkeit von einem elektrischen Strom,

FIG 3 ein Ablauf diagramm eines Aus führungsbeispiels eines Verfahrens zum Messen eines elektrischen Stroms .

Figur 1 ( FIG 1 ) zeigt ein Blockdiagramm eines Aus führungsbeispiels einer Messvorrichtung 1 zum Messen eines in einem elektrischen Leiter 3 fließenden elektrischen Stroms I . Die Messvorrichtung 1 umfasst zwei optische Stromwandler 5 , 7 und eine Auswerteeinheit 9 . Jeder Stromwandler 5, 7 ist eingerichtet, wiederholt von dem Strom I abhängige Messsignale A zu erfassen.

Figur 2 (FIG 2) zeigt schematisch von einem Stromwandler 5, 7 erfasste Messsignale A in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom I. Jeder Stromwandler 5, 7 weist Eindeutigkeitsbereiche El bis E4 auf, in denen das von dem Stromwandler 5, 7 erfasste Messsignal A bei steigendem Strom I monoton zu- oder abnimmt. Figur 2 zeigt beispielhaft zwei Eindeutigkeitsbereiche El, E3, in denen das Messsignal A bei steigendem Strom I von dem Wert A=0 zu einem Maximalwert A=Ao monoton zunimmt, und zwei Eindeutigkeitsbereiche E2, E4, in denen das Messsignal A bei steigendem Strom I von dem Maximalwert A=Ao zu dem Wert A=0 monoton abnimmt. An jeden Eindeutigkeitsbereich El, E3, in dem das Messsignal A bei steigendem Strom I monoton zunimmt, schließt sich ein Eindeutigkeitsbereich E2, E4 an, in dem das Messsignal A bei steigendem Strom I monoton abnimmt. An jeden Eindeutigkeitsbereich E2, E4, in dem das Messsignal A bei steigendem Strom I monoton abnimmt, schließt sich ein Eindeutigkeitsbereich El, E3 an, in dem das Messsignal A bei steigendem Strom I monoton zunimmt.

Die beiden Stromwandler 5, 7 der Messvorrichtung 1 weisen voneinander verschiedene Eindeutigkeitsbereiche El bis E4 auf, wobei kein Stromwandler 5, 7 einen Eindeutigkeitsbereich El bis E4 aufweist, der ein Vielfaches eines Eindeutig- keitsbereichs El bis E4 des anderen Stromwandlers 5, 7 ist. Beispielsweise weisen die Stromwandler 5, 7 jeweils einen Lichtwellenleiter auf und die Lichtwellenleiter der beiden Stromwandler 5, 7 sind aus voneinander verschiedenen Materialien, insbesondere aus Materialen mit voneinander verschiedenen Verdet-Konstanten, gefertigt. Alternativ oder zusätzlich wird durch jeden Stromwandler 5, 7 elektromagnetische Strahlung einer für den Stromwandler 5, 7 spezifischen Wellenlänge geführt, wobei sich die Wellenlängen der beiden Stromwandler 5, 7 voneinander unterscheiden. Die Auswerteeinheit 9 ist eingerichtet , für j eden Stromwandler 5 , 7 fortlaufend einen Vorzeichenwert zu bestimmen, der das Vorzeichen der ersten Ableitung des von dem Stromwandler 5 , 7 erfassten Messsignals A nach dem Strom I angibt . Ferner ist die Auswerteeinheit 9 eingerichtet , den Messsignalen A j edes Stromwandlers 5 , 7 einen geänderten Eindeutigkeitsbereich El bis E4 des Stromwandlers 5 , 7 zuzuordnen, wenn sich der für diesen Stromwandler 5 , 7 bestimmte Vorzeichenwert ändert und sich der für den anderen Stromwandler 5 , 7 bestimmte Vorzeichenwert nicht ändert . Des Weiteren ist die Auswerteeinheit 9 eingerichtet , aus den Messsignalen A wenigstens eines Stromwandlers 5 , 7 die Stromstärke des elektrischen Stroms I zu bestimmen . Beispielsweise ist die Auswerteeinheit 9 eingerichtet , die Stromstärke des elektrischen Stroms I aus den Messsignalen A desj enigen Stromwandlers 5 , 7 zu bestimmen, der von den beiden Stromwandlern 5 , 7 die höhere Messempfindlichkeit aufweist . Alternativ ist die Auswerteeinheit 9 beispielsweise eingerichtet , die Stromstärke des elektrischen Stroms I aus einem Mittelwert oder gewichteten Mittelwert der Messsignale A beider Stromwandler 5 , 7 zu bestimmen .

Figur 3 ( FIG 3 ) zeigt ein Ablauf diagramm eines Aus führungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen eines elektrischen Stroms I . Das Verfahren wird mit einer anhand von den Figuren 1 und 2 beschriebenen Messvorrichtung 1 ausgeführt .

In einem ersten Verfahrensschritt 11 wird eine von der Auswerteeinheit 9 aus zuführende Berechnungsvorschri ft vorgegeben, mit der aus von den Stromwandlern 5 , 7 erfassten Messsignalen A die Stromstärke des in dem elektrischen Leiter 3 fließenden elektrischen Stroms I bestimmt wird . Beispielsweise sieht die Berechnungsvorschri ft vor, die Stromstärke des elektrischen Stroms I aus den Messsignalen A desj enigen Stromwandlers 5 , 7 zu bestimmen, der von den beiden Stromwandlern 5 , 7 die höhere Messempfindlichkeit aufweist . Die Berechnungsvorschri ft hängt dabei von dem zu der Stromstärke korrespondierenden Eindeutigkeitsbereich El bis E4 des Stromwandlers 5 , 7 ab . Wenn die Messsignale A des Stromwandlers 5 , 7 beispielsweise wie in dem in Figur 2 gezeigten Beispiel in den Eindeutigkeitsbereichen El bis E4 j eweils linear von dem Strom I abhängen, ist die Berechnungsvorschri ft in dem Ein- deutigkeitsbereich El von der Form I = f -A mit einer Propor- tionalitätskonstante f , in dem Eindeutigkeitsbereich E2 ist die Berechnungsvorschri ft von der Form I = f • ( 2Ao - A) usw .

Alternativ sieht die Berechnungsvorschri ft beispielsweise vor, die Stromstärke des elektrischen Stroms I aus einem Mittelwert oder gewichteten Mittelwert der Messsignale A beider Stromwandler 5 , 7 zu bestimmen . Die Berechnungsvorschri ft hängt dabei entsprechend von den zu der Stromstärke korrespondierenden Eindeutigkeitsbereichen El bis E4 der Stromwandler 5 , 7 ab .

Nach dem ersten Verfahrensschritt 11 wird ein zweiter Verfahrensschritt 12 durchgeführt .

In dem zweiten Verfahrensschritt 12 wird von j edem Stromwandler 5 , 7 ein von dem Strom I abhängiges Messsignal A erfasst . Das Messsignal A j edes Stromwandlers 5 , 7 ist ein von einem Analog-Digital-Umsetzer digitalisiertes Messsignal , das einen Wert aus einem die Auflösung des Analog-Digital-Umsetzers bestimmenden Wertebereich annimmt . Dabei können für die beiden Stromwandler 5 , 7 verschiedene Analog-Digital-Umsetzer, insbesondere Analog-Digital-Umsetzer mit voneinander verschiedenen Wertebereichen, verwendet werden .

Beispielsweise wird für einen ersten Stromwandler 5 , 7 ein 8- Bit-Analog-Digital-Umset zer verwendet , dessen Wertebereich also 256 Werte umfasst , und für den zweiten Stromwandler 5 , 7 wird ein 16-Bit-Analog-Digital-Umset zer verwendet , dessen Wertebereich also 65536 Werte umfasst . In diesem Beispiel werden vorzugsweise die Messsignale A des zweiten Stromwandlers 5 , 7 verwendet , um die Stromstärke des Stroms I zu bestimmen, und der erste Stromwandler 5 , 7 wird verwendet , um die Messsignale A des zweiten Stromwandlers 5 , 7 zu plausibi- lisieren .

Der gesamte Wertebereich des einem Stromwandler 5 , 7 zugeordneten Analog-Digital-Umsetzers wird dabei für alle Messsignale A in dem j eweiligen Eindeutigkeitsbereich El bis E4 des Stromwandlers 5 , 7 genutzt .

Nach dem zweiten Verfahrensschritt 12 wird ein dritter Verfahrensschritt 13 durchgeführt .

In dem dritten Verfahrensschritt 13 wird von der Auswerteeinheit 9 aus den im zweiten Verfahrensschritt 12 erfassten Messsignalen A die Stromstärke des Stroms I gemäß der j eweils aktuellen Berechnungsvorschri ft bestimmt .

Nach dem dritten Verfahrensschritt 13 wird ein vierter Verfahrensschritt 14 durchgeführt .

In dem vierten Verfahrensschritt 14 wird von der Auswerteeinheit 9 für j eden Stromwandler 5 , 7 ein Vorzeichenwert bestimmt , der das Vorzeichen der ersten Ableitung des von dem Stromwandler 5 , 7 erfassten Messsignals A nach dem Strom I angibt . Dazu werden von der Auswerteeinheit 9 zeitlich aufeinander folgende Messsignale A j edes Stromwandlers 5 , 7 ausgewertet .

Nach dem vierten Verfahrensschritt 14 wird ein fünfter Verfahrensschritt 15 durchgeführt .

In dem fünften Verfahrensschritt 15 wird von der Auswerteeinheit 9 geprüft , ob sich der in dem vierten Verfahrensschritt 14 für einen Stromwandler 5 , 7 , dessen Messsignale A zur Bestimmung der Stromstärke des Stroms I verwendet werden, ermittelte Vorzeichenwert gegenüber dem bisherigen Vorzeichenwert für diesen Stromwandler 5 , 7 verändert hat . Wenn dies nicht der Fall ist , wird nach dem Verfahrensschritt 15 wieder der zweite Verfahrensschritt 12 ausgeführt . Andernfalls wird ein sechster Verfahrensschritt 16 durchgeführt .

In dem sechsten Verfahrensschritt 16 wird die Berechnungsvorschri ft , mit der aus von den Stromwandlern 5 , 7 erfassten Messsignalen A die Stromstärke des in dem elektrischen Leiter 3 fließenden elektrischen Stroms I bestimmt wird, geändert . Dabei wird demj enigen Stromwandler 5 , 7 , für den in dem fünften Verfahrensschritt 15 ein geänderter Vorzeichenwert festgestellt wurde , ein Eindeutigkeitsbereich El bis E4 zugeordnet , der an den diesem Stromwandler 5 , 7 vorher zugeordneten Eindeutigkeitsbereich El bis E4 grenzt und zu der j eweils aktuellen Stromstärke korrespondiert , und die Berechnungsvorschri ft wird dem geänderten Eindeutigkeitsbereich El bis E4 des Stromwandlers 5 , 7 angepasst .

Nach dem sechsten Verfahrensschritt 16 wird wieder der zweite Verfahrensschritt 12 durchgeführt .

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Aus führungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .