Brevet FR2006742A1 — publié le 19700102

La présente invention concerne un procédé pour la' mesure - de la variation dans le temps de l'intensité d'un champ magnétique, en utilisant l'effet Faraday. On utilise de tels procédés, par exemple, pour la mesure du courant électrique dans les lignes à haute tension, et pour cela, le courant à mesurer engendre un champ magnétique dans un élément magnéto-optique qui se trouve au potentiel de la haute tension, et on détermine la rotation du plan de polarisation d'un faisceau lumineux qui traverse cet élément magnéto-optique. Dans un procédé connu de ce type, on transforme la rotation du plan de polarisation du faisceau lumineux an une variation de l'intensité du rayonnement optique. La relation entre Sangle de rotation et l'intensité lumineuse n'est cependant pas linéaire et, pour des an glas de rotation supérieurs à 7t/2, elle n'est pas univoque.Une limitation de l'angle de rotation à moins de #/2 aurait cependant pour conséquence que, pour couvrir un domaine dynamique suffisam meat tendu, il faudrait un pouvoir de résolution permettant d'apprécier encore des angles extrêmement petits.Dans un autre procédé Cen, le problème de la non linéarité a été résolu en ce que la rotation du plan de polarisation du faisceau lumineux, provoquée par le champ à mesurer, est compensée dans un autre élément magnéto- eptiq., la valeur du champ de compensation fournissant une mesure du champ à mesurer. Dane les cas cependant, où il est nécessaire de restituer d'une maaire au moins approximativement fidèle des varia tions brusques de l'intensité du courant, par exemple en cas de court-circuit, l'application de ce procédé à la mesure des courants conduit à des dispositifs relativement onéreux, en raison de la puissance élevée nécessaire pour le dispositif de régulation. L'objet de la présente invention est un procédé , ainsi qu'un dispositif pour la mesure de la variation d 'un champ magnétique, en utilisant 1'effet Faraday, dans lesquels avec des moyens relativement simples et économiques, on bbtient une précision et un pouvoir de résolution dans le temps qui sont beaucoup plus élevés qu'avec les procédés connus, le dispositif étant insensible dans uné large mesure aux ébranlements mécaniques et aux influences thermiques. Le procédé selon la présente invention est caractérisé en ce qu'un faisceau de lumière monochromatique est dans un dispositif approprié, partagé, du point de vue de l'intensité, en deux faisceaux partiels; que les . faisceaux partiels sortants passent chacun dans un polarisateur circulaire respectif, où ils sont polarisés circulairement en sens inverse, et que les faisceaux partiels parcourent en sens inverse le trajet partant du disposi- tif diviseur et revenant à celui-ci ; qu'au cours de. ce. trajet les deux faisceaux partiels polarisés circulairement traversent un élément magnéto-optique, dans lequel la différence des cheminements optiques des deux faisceaux partiels est modifiée proportionnellement à l'intensité du champ magnétique qui y règne et que les deux faisceaux partiels rentrants interfèrent entre eux dans le dispositif diviseur, et engendrent ainsi un faisceau lumineux sortant modulé en intensité, dont on mesure les variations dtintensité, pour élaborer un signal électrique de sortie proportionnel à la différence des cheminements optiques des fais- ceaux partiels. En se référant aux figures l'invention sera décrite ci-après à l'aide d'un dispositif pour la mesure de la variation dans le temps d'un courant circulant dans une ligne à haute tension, donné à titre d'exemple. La figure 1 montre la vue en coupe d'une tête de mesure interférométrique. Dans un boîtier étanche aux gaz 1, cette. tête de mesure contient un élément magnéto-optique 2 et un interféromètre de mesure. La partie cylindrique 3 du boitier 1, à l'intérieur de laquelle est disposé l'élémeit magnéto-optique 2, est embrassée par une bobine magnétique 4. L'élément magnéto-optique 2 est constitué par un prisme en matière active du point de vue magnétooptique, et muni de miroirs sur ses faces planes parallèles 5,6. Le revêtement réfléchissant de la face frontale 6, qui est-du c8té de l'interféromètre de mesure, comporte deux découpes pour le passage du faisceau lumineux. L'interféromètre de mesure comporte un prisme de Zester 7,. fonctionnant en dispositif diviseur, disposé de telle manière que son plan bissecteur 8 est approximativement perpendiculaire aux faces frontales 5, 6 de l'élément magnéto-optique. Sur la face du prisme de Koester 7 qui est perpendiculaire au plan bissecteur 8, sont disposées deux lames en #/4 (9, 10), joant le rôle de polarisateurs circulaires. Un système optique d'entrée 11 et un système optique de sortie 12 sont montés dans des orifices de boîtier. Entre le sysème optique d'entrée 11 et le système optique de sortie 12 d'une part, et le prisme de Koester 7 d'autre part, sont disposés chaque fois un filtre de polarisation, 15 et 16 respectivement , et un miroir déflecteur, 17 et 18 respectivement. Par l'intermédiaire de raccords tubulaires 19, 20, à chacun dès orifices du boitier 13, 14, est amené un conducteur de lumière--simple ou double 21, 22. Pour la séparation des faisceaux lumineux: qui doivent être canalisés par le conducteur de lumière 22, à 7!!intérieur du raccord tubulaire 20, dans le plan focal du système optique de sortie 12, est prévu un diaphragme 37 avec deux orifices. La tête de mesure qui, pendant la mesure du courant, se trouve insérée dans la ligne, portée au potentiel de la haute tension, est réunie d'une part, par le conducteur de lumière 21, avec un laser à gaz et, d'autre part, par l'intermédiaire des deux éléments du conducteur de lumière 22 avec deux photodétecteurs. Les signaux de sortie de ces photodétecteurs sont appliqués à l'entrée d'un montage de traitement, décrit ci-dessous plus en détail. Le laser à gaz et les photodétecteurs, avec le montage de traitement, se trouvent au potentiel de la terre. Le - dispositif décrit fonctionne comme suit Par l'intermédiaire du conducteur de lumière 21, du sys tème optique d'entrée 11, du filtre de polarisation 15 et du miroir déflecteur 17, le faisceau de lumière monochromatique engendré par le- laser à gaz est amené au prisme de Koester 7, dans le plan bissecteur 8 de celui-ci il est partagé, du point de vue de l'intensité, en deux:- -faisceaux partiels.En accomplissant le trajet fermé 23, l'un des faisceaux partiels traverse la lame en #/4 rep. 9, dans laquelle- il reçoit une polarisation circulaire dextrogyre, l'élément magnéto-optique 2, dans lequel il subit des réflexions multiples sur les faces frontales réfléchissantes 5, 6, et revient enfin, à travers la lame en > /4 rep. 10, au plan bissecteur 8 du prisme de Koester 7. L'autre-faisceau partiel, le deuxième, accomplit le même trajet fermé 23, mais en sens inverse ; dans la plaquette en rep. 10 il reçoit une polarisation circulaire sinistrogyre. Les deux faisceaux partiels rentrants se regroupent dans le plan bissec teur 8 du prisme de Koester 7, et forment un faisceau lumineux sortant qui, par l'intermédiaire du miroir déflecteur 18 et du filtre de polarisation 16, est acheminé jusqu'au système optique de sortie 12. Tant u'il n'y a pas de champ magnétique, les longueurs de cheminement effectives des deux faisceaux partiels qui accomplissent le parcours 23 sont égales entre elles, de sorte que le faisceau- lumineux sortant ne présente aucun phénomène d'interférence variable dans le temps.A l'apparition d'un champ magnétique, à l'intérieur de l'élément magnéto-optiqre 2, pour le premier: faisceau lumineux partiel dont la polarisation est dextrogyre, la longueur de cheminement effective n'est pas la même que pour le deuxième faisceau partiel dont la polarisation est sinistrogyre. L3 différence A # (t) entre ces longueurs de cheminement effecti ves, variable 2# en fonction du temps, est, ainsi qu'on peut le démon- trer, rigoureusement proportionnelle i l'intensité du champ H (t) du champ magné-tique variable dans le temps qu'il s'agit de mesurer, À étant 1à longueur d'onde optique dans le vide. Avec un champ magnétique variable en fonction du temps, le faisceau lumineux sortant présente une modulation interférométrique correspondant à cette différence des cheminements optiques. Pour déterminer la fonction pl (t), à partir du faisceau lumineux modulé sortant, outre la valeur de l'intensité de modulation, il faut aussi déterminer la phase de celle-ci. Pour cela, dans la tête de mesure (-fig. 1) , on élabore deux faisceaux lumineux dont les modulations respectives sont déphasées entre elles de 900. On obtient ce résultat par l'ajustage de l'élément magnéto- optique 2, en le tournant dans le plan de la ligure d'un très petit angle par rapport au prisme de Koester 7.On bbtiént ainsi un cisaillement relatif des fronts d'onde des deux faisceaux partiels qui accomplissent en sens inverse le trajet optique 23. suite de ce cîaiflement; le faisceau lumineux' sortant du plan bissecteur 8 du prisme de Koester 7 présente une variation d'intensité à l'intérieur de sa section, cette variation suivant dans un certain sens une loi sinusoidale. A l'aide des deux orifices en forme de fente du diaphragme 37, on isole à partir de ce faisceau lumineux deux faisceaux lumineux sortants, dont les modulations sont déphasées entre elles de 900 et qui, par l'intermédiaire de l'un des éléments du double conducteur de lumière 22, aboutissent chacun à l'un des photodétecteurs 24, 25. On décrira , à l'aide de la figure 2, le montage de traitement et son fonctionnement. Tes courants i1, i2 issus des photodétecteurs 24, 25 ont, après élimination de la composante continue et amplification dans les étages 26, 27, la forme normalisée il = cos 0 (t), i2 = sin # (t) Dans un oscillateur a fréquence intermédiaire suivi d'un déphaseur 29, on élabore deux signaux oscillatoires g1, g2 de fréquence ta 0g également déphasés entre eux de 90 , et de la forme normalisée g1 = cos#ot, g2 = sin zJot La fréquence d'oscillation #o doit d'autre part satisfai- rê aux conditions Dans des etages modulateurs en annean 30, gl, on réalise respectivement la multiplication des signaux de l'oscillateur par les signaux i1 et i2, et on applique les produits de ces deux multiplications à l'entrée d'un étage mélangeur additif dont le signal de sortie G=i1#g1#i2g2=cos[(#ot##(t)] à la forme d'un véritable signal à la fréquence intermédiaire, modulé in phase, avec l'amplitude de balayage de fréquence. #F=#####(t) Par démodulation en fréquence de ce signal G à la fréquence inter médiaire, dans le discriminateur de modulation de fréquence 35, puis, par intégration dans un étage intégrateur 36, on obtient un signal de la forme (t), qui fournit une mesure de l'intensité du courant dans la ligne haute tension que l'on veut mesurer. -R E V E N D I C A T-I O N S 1 ) Procédé pour la mesure de la variation en fonction du temps de l'intensité d'un champ magnétique en utilisant l'effet Faraday, caractérisé en ce qu'un faisceau de lumière monochromati- qui sot divisé du point de vue de l'intensité , dans un dispositif diviseur, en deux faisceaux partiels ; que les faisceaux partiels sortants reçoivent de deux polarisateurs circulaires respectifs une polarisation circulaire de sens opposé pour les deux faisceaux et que les faisceaux partiels parmRurent en sens inverse un même trajet lumineux (23) , partant du dispositif diviseur (7), et revenant dans celui-ci ; qu'au cours de ce trajet optique les deux faisceaux partiels polarisés circulairement traversent un élément magnéto-op- tique (2), dans lequel la différence entre les cheminements des deux faisceaux partiels est modifiée proportionnellement à l'intensité du champ magnétique qui agit sur cet élément (2) ; et que les faisceaux partiels rentrants sont regroupés dans le dispositif diviseur, où ils interfèrent entre eux, entendrait ainsi un faisceau lumineux sortant modulé en intensité, dont on mesure la variation d'intensité, et que l'on déduit de cette mesure un signal de sortie proportionnel à la différence des cheminements des deux faisceaux partiels. 20) Dispositif pour la mise en oeuvre du. procédé selon la revendication 1, caractérisé par une source lumineuse pour la production d'un faisceau de lumière monochromatique, par un dispositif de tête de mesure comprenant un système optique d'entrée (11) pour le faisceau de lumière monochromatique, un dispositif diviseur (7), un élément magnéto-optique (2) avec deux faces frontales essen tiellement planes et parallèles (5,6), munies d'une couche réfléchissante sur l'une de ses-faces frontales (5) pour réfléchir le rayon partiel rentrant par son autre face frontale 46) , deux lames en #/4 (9,10) disposées entre le dispositif diviseur (7) et l'élé- ment magnéto-optique, et un système optique de sortie (12) pourle faisceau lumineux module en intensité l et caractérisé, en outre, par un système de photo-détecteurs (?4. 25) pour la mesure des variations- d'intensité du faisceau llamiteux-modulé èn intensité, et par un montage pour l'élaboration d'un signal de sortie proportionnel à la différence des cheminements effectifs des faisceaux partiels. 30) Utilisation d'un dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le champ magnétique est engendré par une bobine magnétique (4), qui est parcourue par un courant électrique -qu'ii"s'agit de déterminer et qui, avec l'ensemble de la tête de mesure, se trouve au potentiel hauté tension; et en ce que, la source lumineuse qui engendre la faisceau de lumière monochromatique cohérente et le dispositif de photodétecteurs (24, ?5)-, ainsi -que le montage de traitement qui fait suite à celui-ci, se trou- vent tout au moins approximativement au potentiel de la terre. 4 ) Procédé selon la revendication t caractérisé en ce que, par cisaillement des fronts d'onde des faisceaux partiels à l'in térieur de leur trajet (23) , on errée dans le faisceau lumineux --mo'dulé' une varia-tion d'intensité selon une loi sinusoidale, et dans un sens;ddterminé, dans la section du faisceau lumineux ; qu'à partir de ce faisceau lumineux, dans le plan d'un diaphragme, on isole deux faisceaux lumineux sortants, dont les modulations respectives sont déphasées entre elles de 900, et que l'on amène chacun à un photodétecteur (24, 25) ; que l'çn engendre, en outre, deux fréquences oscillantes égales g1, g2, déphasées entre elles de 90 , que l'on module en amplitude avec les signaux de sortie i1, i2 des photodétecteurs (24, 25) et que lton mélange additivement les signaux modulés pour former un signal à fréquence intermédiaire modulé en phase ; et que, par démodulation suivie d'intégration, à partir de ce signal à fréquence intermédiaire, on repro duit hé signal de modulation interférométrique. - 50) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que, comme dispositif diviseur, on util-ise un prisme de Koester (7). 6 ) Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que, pour obtenir le cisaillement des fronts d'onde des faisceaux partiels, les--faôes frontales (5, 6) de l'élément magnéto-optique (2) sont ajustée-s à un très petit angle d'inclinaison par rapport à la--face de sortie du prisme de Zester (7). 7 ) positif selon la- revendication 2 caractérisé en que, pour obtenir une réflexion réitérée des faisceaux partiels, dans l'élément magnéto-optique (2) èelui-ci est pourvu d'une surface réfléchissante sur une partie de-sa' face frontale (6) qui sert de surface de Bas;sage des faisceaux partiels.