利用不同波长的光信号光学地测量电流的方法和装置

1.一种用于光学地测量电流(I)的方法，其中
-产生具有第一偏振和第一波长(λ1)的第一椭圆偏振光信号(L1)以及 具有第二偏振和与第一波长(λ1)不同的第二波长(λ2)的第二椭圆偏振光信 号(L2)，
-第一和第二光信号(L1，L2)被输送进一个法拉第元件(10)，
-第一和第二偏振在光信号透穿法拉第元件(10)时根据电流(I)而变化，
-由两个光信号(L1，L2)的偏振变化导出电流(I)的测量信号(M)，
其特征在于，
-第一和第二偏振对于每安培被测量电流(I)偏转至少0.0014°，
-两个偏振中的至少一个在最大被测量电流(I)影响下偏转超过45°。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一和第二偏振在法拉第 元件(10)中偏转第一或第二转角(ρ1，ρ2)，其中第一和第二转角(ρ1，ρ2) 在给定电流(I)时的最大差别为系数2。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一与第二波长(λ1， λ2)之间的波长差规定最大为该第一和第二波长(λ1，λ2)平均值的15％。
4.如上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，第一和第二光信 号(L1，L2)同时通过法拉第元件(10)。
5.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，第一和第二 光信号(L1，L2)周期性地交替地通过法拉第元件(10)。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，第一和第二光信号(L1，L2) 由具有变化波长(λ3)的光学摆动信号(L3)产生，其中变化的波长(λ3)在第 一波长(λ1)与第二波长(λ2)之间连续调谐。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述光学摆动信号(L3)的 变化波长(λ3)在第一波长(λ1)与第二波长(λ2)之间周期性地连续调谐。
8.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，第一和第二 光信号(L1，L2)在以第一和第二频率(F1，F2)产生的情况下其强度被调制。
9.一种用于光学地测量电线(5)内电流(I)的装置，它至少包括：
-用于产生具有第一偏振和第一波长(λ1)的第一椭圆偏振光信号(L1) 以及具有第二偏振和与第一波长(λ1)不同的第二波长(λ2)的第二椭圆偏振 光信号(L2)的发送器件(11，12，13，21，31)，
-一个配属于电线(5)的法拉第元件(10)，第一和第二光信号(L1，L2)穿 透该法拉第元件，其中，该法拉第元件(10)根据所测电流(I)以及与波长有关 的有效费尔德特常数(Veff)使第一和第二偏振发生变化，
-用于由第一和第二偏振的变化导出所测量电流(I)的测量信号(M)的 一个分析单元(20)，
其特征在于，
-法拉第元件(10)的有效费尔德特常数(Veff)对于两个波长(λ1，λ2) 至少为0.0014°/A，
-在存在最大被测量电流(I)时，该法拉第元件(10)使两个偏振中的至少 一个偏转超过45°。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，有效费尔德特常数(Veff) 的值对于第一和第二波长(λ1，λ2)最大差别为系数2。
11.如权利要求9或10所述的装置，其特征在于，用于产生第一和第 二光信号(L1，L2)的发送器件(11，12，13，21，31)被设计成，使第一与第二光 信号(L1，L2)之间的波长差最大为第一和第二波长(λ1，λ2)平均值的15％。
12.如权利要求9至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述发送 器件被设计成用于同时将第一和第二光信号(L1，L2)输入(21)法拉第元件(10) 中。
13.如权利要求9至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述发送 器件被设计成周期性交替地将第一和第二光信号(L1，L2)输入(13，51，54)法 拉第元件(10)中。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，用于周期性交替地输送 (13，51，54)第一和第二光信号(L1，L2)而设计的发送器件包括一个可连续调 谐的光源(13)，以用于产生具有变化波长(λ3)的光学摆动信号(L3)，其中， 变化的波长(λ3)在第一和第二波长(λ1，λ2)之间变化。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，可连续调谐的光源(13) 被设计为用于产生具有周期性变化波长(λ3)的光学摆动信号(L3)。
16.如权利要求9至13中任一项所述的装置，其特征在于，所述发送 器件包括用于对具有第一频率(F1)的第一光信号(L1)和具有第二频率(F2)的 第二光信号(L2)进行强度调制(62，63)的调制器件。

技术领域
本发明涉及一种用于光学地测量电流的方法，其中至少产生具有第一 偏振和第一波长的第一椭圆偏振光信号以及产生具有第二偏振和与第一波 长不同的第二波长的第二椭圆偏振光信号，第一和第二光信号输送给法拉 第元件，在透穿法拉第元件时第一偏振和第二偏振根据电流而变化，由两 个光信号的偏振变化导出电流的测量信号。
此外本发明还涉及用于光学地测量导线中电流的装置，该装置包括至 少一个用于至少产生具有第一偏振和第一波长的第一椭圆偏振光信号以及 具有第二偏振和与第一波长不同的第二波长的第二椭圆偏振光信号的发送 器件、一个与导线相匹配的被第一和第二光信号透穿的法拉第元件、以及 一个用于由第一和第二偏振的变化导出被测量电流的测量信号的分析单 元。其中，法拉第元件根据被测量电流并根据由波长所决定的有效费尔德 特常数使第一和第二偏振发生变化。
背景技术
这种方法和这种装置例如由WO 98/38517 A1和JP 5-264608 A2为公众 所知。在WO 98/38517A1中描述了用于测量电流的装置，在这个装置中产 生具有不同波长的两个光信号并通过一个耦合器将它们输入光波导线中。 光波导线作为通到法拉第元件的公共导线。在进入法拉第元件之前两个光 信号线性偏振。线性偏振被看作是与椭圆偏振有关的一种特别有利的特殊 形式。但是在一般情况下其它椭圆偏振形式同样是适合的，只要它们具有 出色的方向。第一光信号的波长在630至850纳米之间而第二光信号的波 长在1300至1550纳米之间。根据取决于波长的费尔德特常数，两个光信 号的偏振在法拉第元件里受到不同程度的影响。对由电流引起的偏振变化 单路或双路地进行分析。在分析单元中，两个光信号通过光学滤波元件或 通过所采用的光敏二极管的灵敏度范围对应其波长地相互分离，并转换成 有待继续处理的电信号。在此两个光信号之间的波长差起到这样的作用， 即，使由第一光信号导出的电信号为被测量电流的单值函数，而由另一个 光信号导出的电信号是被测量电流的非单值周期函数。但是第二个被导出 的电信号具有更高的测量分辨率。由这两个电信号在很大测量范围且以很 高测量分辨率导出电流的测量值。对此所应用的方法已由DE 195 44 778A1 公开。
在DE 195 44 778 A1中描述了用于导出两个不同测量信号的带有两个 法拉第元件的磁光电流互感器。第一法拉第元件提供第一测量信号，该信 号在给定的测量范围里面是被测量电流的单值函数(＝运行于单值域)。与此 相反第二法拉第元件这样工作，使得由其所导出第二测量信号是一个非单 值的、基本上周期性的电流函数(＝运行于多值域)。由这两个测量信号合成 电流的第三测量信号，这个信号在给定测量范围里面不仅是测量值的单值 函数而且具有与第二测量信号一样高的测量分辨率。但是所述的方法需要 相对高的费用，因为要使用两个独立的法拉第元件并且在分析单元里面形 成第三测量信号也需要很高的计算费用。
由JP 05-264608 A2已知一种用于光学地测量电流的装置，该装置同样 利用两个不同波长(660纳米和880纳米)的光信号。为此所采用的法拉第元 件是磁光体积晶体，该晶体设置在通流电流的导线附近。但是对于这种装 置，两个不同波长的光信号不能用于扩展测量范围。而是由两个光信号导 出分别单值从属于被测量电流的电信号。对于两个波长，法拉第元件工作 于特性曲线的线性域且因此工作于单值域。因此产生相对受限的测量范围。
在EP 0 210 716 A1中也描述了一种磁光电流传感器，该传感器通过两 个不同波长的光信号工作。这两个波长也没有用于扩展测量范围，而是用 于漂移补偿。法拉第元件也只是在线性、即特性曲线单值域里面工作。
DE 31 41 325 A1公开了一种用于光学测量电流的外差式方法，其中产 生两个具有相同波长、但是不同调制强度的光信号。两个光信号之间的强 度调制频率差位于1kHz至1MHz之间。由这两个光信号产生另一个具有线 性偏振矢量的光信号，偏振矢量以两个强度调制的差频围绕另一个光信号 的传输方向旋转。具有旋转线性偏振矢量的光信号不仅输送进法拉第元件 而且作为参考信号直接传递给分析单元。然后通过参考信号与由法拉第元 件输出的光信号之间的相位比较确定电流。用这种方法也可以使光学电流 测量的测量范围扩展出单值性范围。但是由于参考信号和在分析单元中所 必需的相位比较测量仪器而使这种方法相对奢侈。
在WO 98/05975 A1中描述了用于光学地测量电流的方法和装置，其中 根据被测量电流产生两个光学测量信号。取决于电流的两个光学测量信号 分别是周期的，其中两个周期的最大相互差别为系数2。由两个光学测量信 号导出数值对，数值对可以分别对应于被测量电流的实际值。这种方法所 描述的工作方式同样可以扩展光学测量电流的测量范围。但是在WO 98/05975 A1中没有找到一点实际实施例的提示，这些实施例例如可基于特 别的功效而与众不同。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供一种具有尽可能大的测量分辨率和测量 范围、用于光学地测量电流的方法和装置，该测量范围超出由所采用的法 拉第元件和所采用的光波长所确定的单值性范围。此外光学地测量电流应 该尽可能有效地进行。
本发明的目的通过一种光学地测量电流的方法来实现。其中，产生具有第 一偏振和第一波长的第一椭圆偏振光信号以及具有第二偏振和与第一波长 不同的第二波长的第二椭圆偏振光信号；将该第一和第二光信号输送进一 个法拉第元件；第一和第二偏振在光信号透穿法拉第元件时根据电流而变 化；由两个光信号的偏振变化导出电流的测量信号。
按照本发明的方法，第一和第二偏振对于每安培被测量电流分别偏转 至少0.0014°。此外两个偏振中的至少一个在最大被测量电流的影响下偏 转大于45°。
在此本发明基于以下认知，即，对于每个法拉第元件存在着一个优选 的敏感度范围，在敏感度范围里面借助于两个不同波长的光信号能够以特 别简单且首先有效的方法扩展测量范围。在此，只要法拉第元件对于两个 波长是透明的，法拉第元件的特殊实施形式就不起作用。因此所有公知的 实施例都可以在考虑到有最大扩展的测量范围的情况下，被设计成有特别 有利的敏感度范围。
如果这样选择法拉第元件，使两个具有不同波长的光信号在被测量电 流的影响下在其偏振中偏转大于0.0014°/A，则对于被测量的周期电流得 到≤约20kA(有效值)的单值性范围。单值性范围通过偏转角范围[-45°； +45°]来确定，在这个范围里面通过法拉第元件产生的偏振转角是单值的。 被测量电流的单值性最大值通过上述的法拉第元件灵敏度下限计算为：

现在为了实现例如小于10A的分辨率，单值性范围应选择得尽可能地 小。这一点通过选择尽可能高的灵敏度(明显高于下限0.0014°/A)来实现。 这样在灵敏度范围里面可以实现非常高的例如＜1A的测量分辨率。
尽管灵敏度很高但是仍然还是能够使最大可测量电流达到数十kA或 者甚至达到100-200kA，因为两个不同波长的光信号可以用于扩展测量范 围。对于大电流，法拉第元件至少对于两个光信号中的一个起到使相关偏 振的偏转大于45°的作用。由此至少这个光信号的偏振变化超出单值性范 围界限，使得出现双值性并因此得到所期望的扩展测量范围的可能性。
通过由被测量电流所决定的第一和第二偏振的变化能够导出数值对 (Wertepaar)，数值对可以在前面给出的扩展测量范围(≤200kA)里面得出电 流的单值性数值。在此数值关系不仅可以通过事先存储的对照表 (Look-Up-Tabelle；在对照表里面数值对以相关的电流值被存储)得出，而且 可以通过数学公式得出。此外数值对还可以通过数学搜索算法由存储的特 性曲线函数或由存储的磁光变换器模型对应出有因果关系的电流。
大测量范围和高分辨率在小电流时、亦即在单值性范围里面正好满足 公共电源领域里的有关要求，使得本方法特别适合于这种应用。
在本发明方法的一个有利的扩展设计中，第一或第二偏振在法拉第元 件中偏转的第一和第二偏转角相互间最多相差系数2。对于一个尽可能大的 测量范围，特性曲线之间的差别尽可能地小是有优点的，这样的特性曲线 分别描述对于第一和第二波长的电流相关性。如果在忽略扰动影响的情况 下在第一近似值里的正弦特性曲线的周期性尽可能地相互靠近，是尤其具 有优点的。通过所述条件可以达到两个正弦特性曲线的周期差最多为系数 2。
此外，第一与第二波长的差别小于两个波长平均值的15％是比较有利 的。因为法拉第元件的敏感度取决于波长，通过给定第一和第二波长的范 围能够使得到的测量范围至少比单独分析第一或第二光信号的单值性范围 大一个数量级。
按照本发明方法的另一有利设计，将两个光信号输入法拉第元件中。 比较有利的是，两个不同波长的光信号一起、即同时通过法拉第元件。为 了进行分析，在两个光信号里按照其波长例如进行光学分离。由此得到每 个时刻的根据第一和第二波长取出的测量信息。基于仅在波长范围里的(光) 信号差，在本发明方法的这种有利设计中涉及波长-多路传输方法 ( Wavelength  Domain  Multiplex＝WDM)。
但是也存在一种实施例，其中第一和第二光信号周期性交替地输送进 法拉第元件。在这种实施例中对于每一时刻总是只提供从两个波长中的一 个提取的测量信息供使用。通过两个光信号之间相应快速的换接，两个先 后获取的测量信息仍然从属于唯一的被测量电流值，尤其是当换接频率至 少两倍于被测量电流I的最高频率分量的最大高次谐波的频率值时。两个光 信号的光学分离在这个实施例中是不必要的。基于时间范围里的信号差， 这个实施例涉及一种时间-多路传输方法( Time  Domain  Multiplex＝TDM)。
此外具有优点的是另一个实施例，其中光学摆动信号以变化的波长通 过法拉第元件送出。这种摆动信号可以例如通过可连续调谐波长的光源(激 光二极管、LED、带有可连续调谐透射滤波器的SLD、可调谐的纤维激光) 产生。在此，摆动信号窄频变化的波长取第一与第二波长之间的波长值。 人们可以将光学摆动信号设想成是无限多的相互间有不同波长的单个信号 的组合。在这种解释中，具有第一或第二波长的第一和第二光信号是波长 变化方向正好相反的那些单个信号。基于理论上无限多的单个波长输送进 法拉第元件，在分析时得到一个更大的空间用于扩展测量范围，因为原则 上对于所有的单独波长，测量信号存在相互间不同的对被检测电流的相关 性。
按照一有利的设计，光学摆动信号的波长优选周期性交替地变化。
在另一个具有优点的实施例中，具有第一频率的第一光信号和具有与 第一频率不同的第二频率的第二光信号在其强度上调制。在产生两个光信 号时实现这种强度调制。为此电源电流的振幅以相应的频率变化，该电源 电流激发一个光源例如激光二极管或LED发出光线。具有相互间不同波长 和强度调制的两个光信号输送进法拉第元件。这不仅可以同时而且可以周 期性交替地进行。为了进行分析，包含在两个光信号里面的测量信息通过 一个根据光电子变换进行工作的电子带通滤波器相互分离。在此，该带通 滤波器的平均频率对应于强度调制的那个频率。由此省去对两个光信号的 光学滤波。
本发明有关装置方面的目的通过一种用于光学地测量电流的装置来实 现。它至少包括：用于产生具有第一偏振和第一波长的第一椭圆偏振光信 号以及具有第二偏振和与第一波长不同的第二波长的第二椭圆偏振光信号 的发送器件；一个配属于电线的法拉第元件，第一和第二光信号穿透该法 拉第元件，其中，该法拉第元件根据所测电流以及与波长有关的有效费尔 德特常数(Veff)使第一和第二偏振发生变化；用于由第一和第二偏振的变化 导出所测量电流的测量信号的一个分析单元。
在本发明的用于光学地测量一根导线里的电流的装置中，法拉第元件 的有效费尔德特常数对于两个波长具有至少为0.0014°/A的数值，且法拉 第元件使两个偏振中的至少一个对于最大被测量电流偏转大于45°。
通过这种装置能够以特别简单且有效的方式同时在不改变高测量分辨 率的情况下实现测量范围的扩展。
用于产生两个相互间具有不同波长的光信号的发送器件包括商业上常 用的光源如两个LED(发光二极管)、两个激光二极管或两个 SLD( Superluminescent  Diode超发光二极管)。这些光源优选在大约800纳米 或大约1300纳米的红外波长范围里发出光线。但其它波长范围也同样好地 适合。在此可以发射的波长只受一个条件的制约，即法拉第元件的有效费 尔德特常数对于这个波长至少应该为上面所述的数值0.0014°/A。
此外，如果由光源发出的光不偏振，则产生两个椭圆偏振光信号的发 送器件还包括一个线性起偏器。
法拉第元件可以由例如石英玻璃纤维制成的纤维线圈、例如由燧石玻 璃制成的实心玻璃环或例如由BSO(氧化硅铋)、BGO(氧化锗铋)或YIG(钇铁 石榴石)制成的磁光体积单晶体制造。在此磁光体积单晶体也可以位于包围 导线的磁通聚焦器的气隙里面。
为了满足有效费尔德特常数的上述条件，如果所采用的两个波长位于 800纳米数量级，则例如由石英玻璃纤维制成的纤维线圈要求至少有10圈。 如果波长规定为1300纳米数量级，则相应地要求线圈数为至少25圈。与 此相反，对于由燧石玻璃制成的适宜玻璃环，两个光信号分别只一次围绕 导线。在这里例如可使用Schott公司的SF6型或SF57型燧石玻璃。这种玻 璃环指定用于数量级为485纳米的波长下工作。由于在一般情况下不存在 通过多次光循环提高敏感度(＝有效的费尔德特常数)的可能性，尽管燧石玻 璃相对于石英玻璃有更高的材料敏感性，这种玻璃环只有在明显短于石英 玻璃纤维线圈波长的情况下才满足敏感度下限(＝0.0014°/A)的条件。不受 约束的设计参数是法拉第元件的几何形状(例如光循环的次数)、法拉第元件 的材料特殊性质和所采用的波长。
对于由被测量电流引起的第一和第二偏振变化的分析在一个分析单元 里进行。分析单元得到一个偏振变化数值对然后根据存储的对照表将一个 相应的电流值分配给该数值对。该分析单元在此可以通过模拟和/或数字电 路技术实现。该分析单元尤其可以包括一个数字计算单元，例如数字信号 处理器形式的计算单元。
对于已经存在的光学地测量电流的装置也可以通过简单的方式扩展测 量范围，因为对于原有的光学路径全无干涉的必要。测量范围的扩展仅通 过更换已有的发射、接收和分析器件就可以实现。
在本发明装置具有优点的改进设计中，有效费尔德特常数(Veff)的值对 于第一和第二波长最大差别为系数2。
此外，用于产生第一和第二光信号的发送器件被设计成，使第一与第 二光信号之间的波长差最大为第一和第二波长平均值的15％。
在本发明的装置中，发送器件还可被设计成周期性交替地将第一和第 二光信号输入法拉第元件中。
在本发明的装置中，用于周期性交替地输送第一和第二光信号而设计 的发送器件包括一个可连续调谐的光源，以用于产生具有变化波长的光学 摆动信号，其中，变化的波长在第一和第二波长之间变化。
在本发明装置中，可连续调谐的光源被设计为用于产生具有周期性变 化波长的光学摆动信号。
在本发明装置中，所述发送器件包括用于对具有第一频率的第一光信 号和具有第二频率的第二光信号进行强度调制的调制器件。
本发明装置也同样拥有上面已经描述过的本发明方法的优点。
在一个优选的实施例中，所述发送器件还包括用于将两个光信号同时 输入法拉第元件中的器件。在此，该器件可以是一个耦合器，该耦合器将 源自不同光源的光信号输送进一个公共的输入法拉第元件的光波导体。
附图说明
下面借助附图对本发明的优选实施例予以详细说明。为了图示清晰起 见，附图没有按比例示出，并且仅仅示意性地示出某些特征，附图中：
图1示出一种利用两个同时输送进法拉第元件的具有不同波长的光信 号、用于光学地测量电流的装置；
图2示出一种利用两个交替地输送进法拉第元件具有不同波长的光信 号、用于光学地测量电流的装置；
图3示出一种利用一个输送进法拉第元件具有变化波长的光信号、用 于光学地测量电流的装置；
图4示出一种利用两个同时输送进法拉第元件具有不同波长且其光强 经过调制后的光信号、用于光学地测量电流的装置。
图1至4中相互对应的部分用相同的附图标记标识。
具体实施方式
在图1中示出了用于光学地测量在导线5中流动的电流I的装置。在第 一光源11和第二光源12中产生具有第一波长λ1和第二波长λ2的两个光 信号。通过现有的由2×1纤维耦合器构成的耦合器31将两个光信号送至一 个起偏器21。在起偏器出口存在具有第一线性偏振和第一波长λ1的第一 光信号L1与具有第二线性偏振和第二波长λ2的第二光信号L2。代替线性 偏振的也可以是具有优选极化方向的椭圆偏振。
两个线性偏振光信号L1和L2被输送到一个配属于导线5的法拉第元 件10。在此，这两个光信号的传输一起通过例如没有详细示出的一个光波 导体实现。在另一个没有示出的实施例中，这两个光信号的线性偏振只是 在即将进入法拉第元件10之前才进行。
在法拉第元件10里面，第一和第二光信号L1，L2的第一线性偏振和第 二线性偏振分别偏转第一偏转角ρ1和第二偏转角ρ2。在此偏转角ρ1和 ρ2分别取决于电流I的大小并取决于由法拉第元件10所确定的常数，即 所谓的费尔德特常数V。费尔德特常数V由在法拉第元件中所采用的材料、 环境温度和透射法拉第元件10的光波长λ所决定。尤其是取决于光波长λ 对于图1所示的具有扩展测量范围的磁光电流互感器的实施例具有特殊意 义。下列根据经验获得的关系可以给出费尔德特常数V对于波长的依赖关 系：

其中n(λ)表示所用材料与波长有关的折射率，而A，B和λc表示材 料常数，这些常数可以例如在有关的表格中查出。
对于由N圈纤维线圈构成的法拉第元件10得出第一光信号L1的第一 偏转角ρ1为：
ρ1＝N·V(λ1)·I      (2)
对于第二波长λ2的光信号L2得出相应的第二偏转角ρ2为：
ρ2＝N·V(λ2)·I      (3)
由与波长有关的费尔德特常数V和圈数N可以形成有效的费尔德特常 数Veff，这样一来，第一和第二偏转角ρ1和ρ2仅与这个与波长有关的有 效的费尔德特常数Veff和被测量的电流I有关。相应地，对于法拉第元件 的另一实施例，例如玻璃环或磁光体积晶体也可以定义有效费尔德特常数 Veff，有效的费尔德特常数同样包括那些与几何形状有关的影响因素。
在专业文献中还有与公式(2)和(3)不同的对费尔德特常数V的定义，以 此作为材料特有的与波长有关的比例常数，这个比例常数给出了偏转角与 磁感应和光路长度乘积之间的关系。但是费尔德特常数V的两种定义能够 以简单的方式相互换算。
在通过法拉第元件10以后，两个偏振面发生偏转的光信号L1和L2在 一个分析单元20里被分析。在一个在现有情况下由渥拉斯顿棱镜构成的检 偏振器22里面，两个光信号L1和L2首先被分成两个具有相互垂直的偏振 面的光分量信号LT1和LT2。这一点对应于前面所述的称为“双通道”的 分析。与此相反，如果检偏振器22在没有示出的另一实施例中使两个偏振 面发生偏转的光信号L1和L2只相对于一个偏振面通过，则存在单通道的 分析。
经过耦合器32和33以及调谐到第一和第二波长的光学透射滤波器34， 35，36和37之后，两个光分量信号LT1和LT2被分解成有选择波长的分量。 通过光电转换单元41，42，43和44，这些分量被转换成电信号I11，I12，I21 和I22，它们分别包含有关于由被测电流I分别在波长为λ1和λ2情况下引 起的第一和第二偏转角ρ1和ρ2的信息。光学透射滤波器34，35，36和37 由干扰抑止滤波器构成。但是它们同样可以由锐截止滤波器实现。光电转 换单元41，42，43和44分别包含有一个调谐到相应波长λ1和λ2的光敏二 极管和一个连接在其后的传导阻抗放大器。
在一个信号处理单元101内，由电信号I11，I12，I21和I22导出电流I 的一个测量信号M。为了消除扰动影响，在信号处理单元101中在真正分 析之前首先进行强度标准化。但是这一点不是必须强制进行的，也可以省 去。紧接着的测量信号M的真正测定按照现有技术中已公知的方法进行。 为了进行这种测定，信号处理单元101还包括一个数字信号处理器形式的 数字计算单元。
在忽略在这方面不感兴趣的扰动影响的情况下，电信号I11，I12，I21和 I22与二倍的第一或第二偏转角ρ1和ρ2具有基本上正弦形式的关系。由 此得到一个通过正弦函数确定的被测量电流I的单值域。测量范围首先限定 在这个单值域上。但是图1所示装置正好用于以特别简单且有效的方式使 测量范围扩展超出这个单值域。
为此法拉第元件10正好这样设计，即，使它的有效费尔德特常数Veff 对于两个光波长λ1和λ2为：
Veff≥0.0014°/A           (4)
在公式(1)中给出的费尔德特常数V与波长λ的关系原理上按照：
$V\left(\lambda \right)\propto \frac{1}{{\lambda }^2}---\left(5\right)$
建立比例关系。这一点是明显的，如果在公式(1)中也一起考虑折射率 n(λ)与波长的相关性。对于由纤维线圈或玻璃环构成的法拉第元件10可以 通过公式(5)导出对于有效费尔德特常数Veff的下列关系：
$\mathrm{Veff}\left(\lambda \right)=V_0·N·{\left(\frac{{\lambda }_0}{\lambda }\right)}^2---\left(6\right)$
其中V0表示在给定波长λ0的情况下费尔德特常数V的公知数值。在 此数值对(V0，λ0)是材料特定的。N通常是两个光信号L1和L2围绕导线5 的封闭循环数。对于纤维线圈，N相应地为已经在相关的公式(2)和(3)中给 定的线圈圈数。相反在玻璃环中光一般只环绕通电流的导线5一次，这样N 值在这里为1。
对于石英玻璃和燧石玻璃作为导光介质时，已公知例如在波长λ0为 820纳米时费尔德特常数V0大约为0.00015°/A或者大约为0.00075°/A。 如果将这些材料参数代入公式(6)并且按照公式(4)另外考虑到最低敏感度要 求，则得到对于法拉第元件10的预定尺寸。在此不受约束的参数是光循环 的次数和波长λ。
因此对于由石英玻璃制成的工作于820纳米波长的纤维线圈得出线圈 数至少为10圈。相应地对于由燧石玻璃制成的在相同波长下工作的纤维线 圈，则得出线圈数至少为2圈。相反对于一个燧石玻璃环(N＝1)，作为给定 参数人们最大可能得到的工作波长为600纳米。
在图1中所示的法拉第元件10由线圈数N≥10的石英玻璃纤维制成的 纤维线圈构成。两个光波长λ1和λ2为780纳米或840纳米。第一和第二 光源11和12为激光二极管，它们对于给定的波长发射窄频CW信号。
第一与第二光波长λ1与λ2之间的差别尽可能地小，对于测量范围相 对于单值域扩展至少一个数量级是有利的。为了获得尽可能大的测量范围， 因此这样来选择第一和第二波长λ1和λ2，使其波长差最大为两个波长λ1 和λ2的算术平均值的15％。
在一个没有示出的实施例中，其中两个波长λ1和λ2位于1300纳米 数量级，则作为法拉第元件10的纤维线圈至少为25圈，以满足上述对于 有效费尔德特常数Veff的条件。
在图2所示的用于测量电流I的装置中，两个光信号L1和L2不是同 时、而是周期性交替地输入法拉第元件10中。为此光源11和12通过一个 发射转换开关51连接到电源61，通过电源为光源11和12供电并用于激励 光发射。发射转换开关51受到一个控制单元54的控制，使得两个光源11 和12中总是只有一个被供电并由此发射光信号。因此发射转换开关51和 控制单元54能够周期性交替地将两个光信号L1和L2输送到法拉第元件 10。此外将在图1中所示装置的工作方式称为波长-多路传送，而将图2 所示装置的工作方式相应地称为时间-多路传送。
因为两个具有不同波长λ1和λ2的光信号L1和L2不同时通过法拉第 元件10，因此在分析单元20中也不需要用于波长分离的光学器件。通过在 光电转换单元41和42与信号处理单元101之间连接两个接收转换开关52 和53，就能获得电信号I11，I12，I21和I22，这些电信号含有分别仅仅与两 个波长λ1和λ2中的一个相关的电流I的测量信息。接收转换开关52和 53通过控制单元54以与发射转换开关51一样的节拍转换。
发射转换开关51与接收转换开关52和53的同步能够顺利地实现，因 为分析单元20与用于产生两个光信号L1和L2的发送器件通常紧邻，有时 甚至位于同一组件壳体里面。
对电信号I11，I12，I21和I22的继续处理与图1实施例相似。所使用光 波长λ1和λ2以及有效费尔德特常数Veff的参数选择同样与图1实施例类 似。
图3所示实施例的装置利用具有变化波长λ3的光学摆动信号L3代替 分别具有不同的第一和第二波长λ1和λ2的两个光信号L1和L2。在此， 变化的光波长λ3取用第一与第二波长λ1与λ2之间的周期值。发射波长 可连续调谐的光源13作为产生光学摆动信号L3的发送器件，光源以相应 的波长调制信号λmod来调制。
光源13由可调的纤维激光(Tuneable Fiber Laser＝TFL)构成，其发射的 窄频波长可以围绕例如810纳米的中心波长变化。在此第一和第二波长λ1 和λ2这样来选择，即，使波长差最大为中心波长的15％。在图3实施例 中第一波长λ1为800纳米而第二波长λ2为820纳米。用于产生光学摆动 信号L3的发射器件也可以选择宽频发射的光源、例如一个超发光二极管 (SLD)和一个连接在其后的可调制的窄频透射滤波器。在此，该透射滤波器 不仅可以设置在发射器上而且也可以设置在接收器上。
在法拉第元件10里，光学摆动信号13的偏振面根据电流I和变化的波 长λ3偏转第三偏转角ρ3。在这里由于变化的光波长λ3，这个偏转角ρ3 建立在一个变化的特性曲线上，而不是建立在一个恒定的特征曲线上。在 分析单元20中首先通过光电转换单元41和42将两个光分量信号LT1和LT2 转换成电信号I1和I2，由这些电信号在一个标准化单元71里产生一个标准 信号P。标准化的信号P载有关于电流I总是取决于变化的波长λ3的测量 信息。通过标准化的信号P在一个第一低通滤波器81中的滤波得到一个平 均值信号S，这个信号对应于变化特性曲线(Kennlinienvariation)的平均特性 曲线。
此外由标准化信号P在一个高通滤波器82里提取与变化特性曲线升程 相对应的变化分量。在此通过波长调制信号λmod确定变化特性曲线围绕平 均特性曲线的这个升程。因此在一个乘法器84里，使变化分量与波长调制 信号λmod相乘并接着在第二低通滤波器83里滤波。通过这个已由正交解 调(Quadraturodemodulation)公知的过程方式得到一个象限信号Q (Quadrantensignal)。这个信号与平均值信号S一样同样载有关于电流I的(多 值)测量信息。
信号处理单元103由平均值信号S和象限信号Q测算出电流I的测量 信号M。这一点通过存储在信号处理单元103里的一个对照表 (Look-up-Tabelle)实现。
通过波长调制信号λmod确定的位于第一与第二波长之间的第三波长 λ3的周期性变化是正弦形式的。但是它也可以锯齿形式或以其它周期性信 号形式变化。在此波长调制信号λmod的调制频率Fmod具有一个频率值，该 频率值至少两倍于被测量电流I最高频率成分的最大高次谐波。一旦法拉第 元件10正弦形式的特性曲线超出线性范围调制，即出现高次谐波分量(＝贝 塞尔分量)，调制越强其频率就越高。上面所述的频率条件类似于图2所示 装置的转换频率。在图3的示例中调制频率Fmod为例如200kHz。
在图4中示出了用于光学地测量电流I的装置，其中光源11和12通过 可调制的电源62和63被供电。可调制的电源62和63为光源11和12提供 一个在振幅中具有第一频率F1和第二频率F2的矩形、正弦形或锯齿形的 调制电流信号。这个调制电流信号促使第一和第二光源11和12发出光信 号，这些光信号以第一和第二频率F1和F2在强度上调制。因此可调制的 电源62和63可以理解为用于两个光信号L1和L2强度调制的调制器件。
两个频率F1和F2之间的频率差在此有利地位于1kHz与1MHz之间， 由此可靠地防止串扰。在本实施例中，对于第一频率F1规定为200kHz而 对于第二频率F2规定为300kHz。在另一个实施例中第一和第二频率F1和 F2分别为50和60kHz。在此还可以这样选择两个频率F1和F2，即，使其 分别两倍于被测量电流I最高频率成分的最大高次谐波。
此外输送进法拉第元件10的第一和第二光信号L1和L2除了在其波长 上不同之外，在其强度调制的频率上也不同。两个光信号L1和L2的输送 与图1所示的实施例类似，即，还是波长-多路传输，但是附加有强度调 制。
在分析单元20中电信号I11，I12，I21，I22通过带通滤波器产生，这些电 信号含有关于与波长相关的电流I的测量信息。光电转换单元41和42由两 个光分量信号LT1和LT2产生的电信号I1和I2为此输入具有对应于第一频 率F1的平均频率的第一带通滤波器91和93以及具有对应于第二频率F2 的平均频率的第二带通滤波器92和94。紧接着在一个信号处理单元104里 继续处理电信号I11，I12，I21，I22，该处理基本上与图1和图2所述的实施 例中的情形一样。同样在图4所示实施例中所使用的第一和第二波长λ1和 λ2以及法拉第元件10类似于上述附图所示实施例来设定。
除了在图1至4所述的单侧光输入透射实施例以外也可以采用反射装 置实施例或具有对向光输入法拉第元件10的实施例。