Brevet FR2041009A1 — publié le 19710129

la présente invention est relative aux dispositifs électro-optiques utilisés pour la transmission de signaux de mesure ou de • commande, et plus particulièrement destinés à la mesure du courant circulant dans une ligne à haute tension au moyen d'un faisceau lu-5 mineux polarisé dont le plan de polarisation est modifié par un champ -magnétique créé par le courant à mesurer» Dans les dispositifs connus utilisant cet effet magnéto-optique, connu sous le nom d'effet Faraday, la source lumineuse émet habituellement" un flux continu constant. Ce flux est alors modulé par 10 rotation de son plan de polarisation en fonction du champ magnétique créé par le courant à mesurer à fréquence industrielle, mais aussi sous l'effet de tous les champs parasites, notamment à cette même fréquence, existant à proximité de la voie de mesure. Il en résulte l'inconvénient que la mesure est entachée d'erreurs consé-15 cutives a la modulation parasite introduite par l'influence de ces champs parasites à basse fréquence, et que la précision des résul-"• tats est faible,- L'invention vise à remédier à ce dernier inconvénient grâce à des moyens réalisant une transposition de fréquence qui affranchit 20 le dispositif de mesure des erreurs dues aux parasites à basse fréquence, et permet d'améliorer la précision des mesures de façon sensible , Le dispositif électro-optique, suivant l'invention, comporte au moins une source de lumière monochromatique émettant un faisceau 25 polarisé sur au moins une voie optique dans laquelle il subit une rotation de son plan de polarisation sous l'influencé d'un champ magnétique créé par le courant à mesurer et dans laquelle une rotation en sens inverse est produite au moyen d'un champ magnétique de compensation fourni par un enroulement alimenté à partir d'au moins un 30 récepteur photoélectrique sur lequel 'tombe ledit faisceau après traversée des deux champs, et il est caractérisé en ce que,,d'une part, la source de lumière est constituée par une diode électroluminescente dont le flux lumineux est modulé par injection de courant à une fréquence de modulation nettement supérieure à celle du courant à 35 mesurer, et en ce que, d'autre part, le récepteur photoélectrique est relié à l'enroulement fournissant le champ de - compensation par des moyens de filtrage et de détection synchrone de ladite fréquence de modulation. L'utilisation d'une modulation du flux lumineux par_une onde 40 porteuse de fréquence relativement élevée par rapport à la fréquence 2041009 69 13152 2 204î009 du courant à.mesurer, suivie d'un filtrage et d'une démodulation synchrone, permet d'obtenir un rapport signal/bruit élevé, les parasites à basse fréquence étant en majeure partie éliminés soit par l'effet du filtrage dont la largeur de. bande peut être ajustée avec 5 précision, soit par.l'effet de la démodulation synchrone. L'invention est applicable à différents types dé montages, suivant qu'une même source lumineuse émet un faisceau polarisé sur une voie de mesure unique, ou sur deux voies de mesure disposées en parallèle selon un montage astatique, ou en série, ou encore en 10 utilisant deux sources lumineuses émettant-surdeux voies en parallèle suivant un. montage astatique. Dans tous les cas où le faisceau d'une voie de mesure est replié sur lui-même, le système optique peut être avantageusement réalisé conformément aux dispositions décrites dans"la demande de bre-%francais, 15 vet/nJ r.i/o 69.06611 déposee le 10 Mars 1969 par la demanderesse et intitulée : "Perfectionnements aux systèmes optiques pour la transmission de signaux". Dans les modes de réalisation mettant en oeuvre deux voies en parallèle suivant un montage astatique, on utilise les dispositions prémies au brevet français n° 1.508.557 au nom 20 de la demanderesse. •• Pour mieux permettre de comprendre l'invention, on va en décrire, à titre d'exemples non limitatifs,. plusieurs modes de réalisation en se référant à la description suivante et au dessin annexé dans lequel : • 25 La fig. 1 est.le schéma d'un dispositif électro-optique à voie de mesure unique conforme à l'invention. Les fig. 2 à 4 sont des schémas de montages asiatiques à deux voies en parallèle. • - La fig, 5 est. le schéma d,un montage à deux Voies en série. 50 La fig. 6 présenté le schéma d'un circuit de contreréaction destiné à éliminer un déséquilibre des circuits récepteurs. Sur la fig. 1, 10 désigne une diode électroluminescente qui émet, -suivant l'axe A, un faisceau lumineux modulé,, par l'intermédiaire d'un polariseur 11 et d'un miroir semi-réfléchissant 12» 35 Cette diode 10, convenablement polarisée, est modulée par-injection de courant à une fréquence par exemple de 1'ordre de 20 KHz fourni par un générateur 20. Le faisceau modulé et polarisé traverse deux éléments transparents 21, 22, tels que des flints lourds, disposés à l'intérieur* d'enroulements 21A et 22A qui produisent des champs 40 magnétiques parallèlement à la direction des rayons lumineux. 69 13152 3 2041009 L1 enroulement 22Â est parcouru par le courant à 50 Hz de la ligne à haute tension que -l'on veut mesurer, tandis que l'enroulement de compensation 21 A. est parcouru par un courant élaboré au récepteur comme il sera;, précisé par la suite. 5- Jj'extrémité supérieure du-flint 22 est rendue réfléchissante de manière cuë le faisceau lumineux incident se réfléchisse sur lui-même et, après .retraversée des éléments 22, 21 et 12, tombe sur un .-second -miroir semi-réfléchissant 13 disposé à 45° environ sur l'axe A. le faisceau- est alors divisé en deux parties dont l'une, réflé-10 chie,, est reçue par un premier récepteur photo-sensible 15» constitué par exemple par une photo-diode ou un photo-transistor, à tra-, vers un analyseur 14* tandis que l'autre partie, transmise, est reçue par un second récepteur photo-électrique 17 à travers un analyseur 16i - les récepteurs 15 et 17 sont, raccordés aux entrées d'un 15. amplificateur différentiel 18, par exemple muni, dans un circuit de contre-réaction, d'un filtre accordé à la fréquence de 20 TTfl^ et suivi, d'un démodulateur synchrone 19» relié au générateur 20» éven-. ..tuellement par l'intermédiaire d'un déphaseur destiné à tenir compté du déphasage introci.-j.it par les circuits de réception. Sur l'une 20 des entrées de l'amplificateur 18 peuvent être prévus des moyens pour ajuster le signal en amplitude et en phase. Le signal à 50 Hz-issu du démodulateur 19 est ensuite envoyé dans l'amplificateur de .puissance 23 qui fournit le courant à l'enroulement de compensation 21A. Ce courant passe aussi dans une 25 charge 24, constituée' par exemple par un ampèremètre, et éventuellement par des organes pouvant réagir à une intensité dépassant un seuil prédéterminé-,- - * Le flux lumineux issu de la diode 10 et polarisé par le polari-seur 11 est modulé à 20 KHz, Il constitue une onde porteuse qui est 30 à son tour- sous-modulée au cours de la double traversée du flint 22 par le signal à 50 Hz, proportionnel au courant à 'mesurer, sous forme d'une rotation du plan de polarisation vs.riable avec l'intensité dudit courant. Les signaux lumineux modulés reçus à travers les deux analyseurs 14 et 16, dont les axes de polarisation font, de 35- préférence, un angle de 45° avec le pl=..ai de polarisation de la lumière incidente, sont convertis en signaux électriques par les photo-récepteurs 15 et 17. Après amplification et filtrage de ces signaux dans l'amplificateur 18, la démodulation synchrone effectuée dans le démodulateur 19 élimine l'onde porteuse, on obtient ainsi 40 "un signal"à-50 Hz qui est appliqué à l'entrée de l'amplificateur 23 69 13152 4 2041009 pour. alimenter l'enroulement de compensation 21A entourant le flint 21, de manière que ce dernier produise une rotation du plan de polarisation égale et opposée a celle introduite par'le flint 22. L'intensité du courant mesurée par l'ampèremètre 24 représente alors 5 une valeur proportionnelle à l'intensité' du courant dans la ligne à haute tension» A partir de ce montage à voie de rie sure unique, peuvent être réalisées différentes variantes à deux' voies de mesure basées sur le même principe, leurs différences portant plus particulièrement 10 sur les dispositions optiques, propres à l'émission lumineuse, mais le schéma de réception électrique restant essentiellement le même. Le schéma indiqué à la fig. 2 montre l'application à deux voies en parallèle suivant un montage astatique conforme aux dispositions du "brevet n° 1.508^357. La diode électro-luminescente 10 émet un 15 faisceau lumineux qui, à la sortie du polariseur 11, tombe sur un diviseur de flux 30, constitué par un prisme ou par deux miroirs» Chacun des faisceaux résultants est dirigé sur deux miroirs semi-réfléchissants 33, 43 et renvoyé sur une voie- de mesure X, II comprenant respectivement : un flint 31 » 41 entouré par son enroulement 20 de compensation 31A, 41A, un flint 32, 42 ayant sa face supérieure réfléchissante et entouré par l'enroulement de mesure 32A, 42A» sur le trajet de retour, après traversée des miroirs 33* 43» analyseur 34, 44 et un photo-détecteur 35» 45. Chaque photo-détecteur est relié à l'une des entrées d'un amplificateur différentiel 38, 25 suivi, comme dans le cas de la fig. 1, d'un démodulateur synchrone 39 et d'un amplificateur de puissance 23 • Les enroulements 32A, 42A, comme les enroulements 31 A, 41A sont respectivement identiques et branchés en série suivant la disposition décrite dans- le brevet français précité. Le fonctionnement est 30 analogue à celui du dispositif représenté fig. 1 avec les avantages inhérente au montage astatique, La fig. 3 représente une variante de la disposition précédente dans laquelle on utilise comme diviseur de flux lumineux, un miroir à transmission partielle. Le faisceau lumineux émis par la diode 35 électroluminescente 10, tombe, après traversée du polariseur 11, sur un premier miroir 51 ayant un coefficient de transmission égal à 0.75, et la partie du flux transmise sur un autre miroir semi—transparent 52. Dans ces conditions, on voit que les deux voies optiques 1, II sont parcourues par des flux inégaux représentant respectise-40 ment 1/4 et 3/8 de l'intensité du flux initial, mais que finalement 69 13152 2041009 deux flux égaux proportionnels aux 3/16 de l'intensité du flux initial tombent sur les photo-récepteurs 35, 45» ' Le fonctionnement du récepteur"reste analogue à celui des dispositifs précédents, La fig, 4 représente- une autre variante dans laquelle on pré-5 voit une diode, électroluminescente pour éclairer individuellement chaque voie de mesure, ce qui évite l'utilisation d'un diviseur de flux lumineux, toujours délicat à ajuster. Dans ce montage, chacune des deux diodes 101, 102, modulée par le même générateur 20, émet un faisceau lumineux sur sa voie .correspondante comportant, comme 10 précédemment, un.miroir semi-transparent 33, 43» un flint 31, 41 avec son enroulement 'de compensation, et un flint 32, 42 avec son enroulement de mesure. Le flux réfléchi .est renvoyé par l'intermé-. diaire des miroirs 33* 43 sur Lin photo-récepteur 35» 45 branché à l'une des entrées de 1*amplificateur différentiel '38. 15 Àu lieu d'utiliser deux voies de -mesure en parallèle, il est encore possible de modifier la disposition optiqxie de l'émission pour éclairer,à l'aide d'une même diode électroluminescente, deux voies de mesure en série comme indiqué à la fig, 5« Ge montage, non astatique, a cependant lravantage de doubler la sensibilité de 20 la mesure, La. diode 10 émet un faisceau lumineux qui traverse successivement le polariseur 11 » un premier miroir semi-transparent 61, les flints 31 et 32 de la voie I dans les sens aller ét retour. Le faisceau réfléchi/parvenant sur le miroir 61x est dévié vers un second miroir semi-transparent 62 qui le renvoie sur là voie II com-25 portant les flints 41 et 42, Le faisceau réfléchi de retour traverse alors le miroir 62 et tombe sur un troisième miroir semi-transpa-. rent 63 qui joue un.rôle de diviseur de flux analogue au miroir 13 de la fig. 1 ; la constitution du récepteur restant identique. Dans les montages..précédents,-à voie de mesure unique ou |i deux 30 voies en parallèle, il peut exister un déséquilibre entre les deux signaux reçus par les photo-récepteurs 15," 17 ou'35* 45* même en l'absence de courant dans la ligne à haute tension. Sn effet, ce déséquilibre peut être dû à plusieurs causes :-déformations du tube contenant les. divers éléments de l'optique et-introduisant des dif-35 férences de trajet lumineux; vieillissement .-des éléments émetteurs et récepteiirs, différence de caractéristiques des éléments composant les deux voies, dérives thermiques, etc..,. Ce déséquilibre se traduit à la sortie, du démodulateur synchrone par la présence d'une composante continue qui. se superpose au signal de démodulation à 40 50 Hz. . 69 13152 6 2041009 Cette composante continue n'altère pas la mesure à 50 Hz, mais elle est cependant gênante par suite de - Réchauffement qu'elle produit, notamment dans les enroulements de compensation» Par ailleurs, les conditions d'astatisme dans les montages où l'on veut 5 que celui-ci soit réalisé, impliquent également l'annulation de cette composante continue. Elle- peut-être avantageusement éliminée par contreréaction à l'une, des- entrées de 1*amplificateur différentiel, comme l'indique le schéma^représenté fig. 6, La tension continue, prélevée aux bornes-d'une résistance 70 10 branchée à la sortie de l'amplificateur de puissance 23 en série avec les enroulement^ 31 A, 41A . (ou l'enroulement 21A dans le montage à voie unique), est appliquée à l'entrée d'un amplificateur à courant continu 71, Le .signal de sortie de cet amplificateur est ensuite filtré au moyen .d'un filtre passe-bas à résistance-capacité 15 72, puis modulée dans un modulateur à ttiermistance 73. à la fréquence de 20EHz fournie par le générateur 20, La tension modulée résultante est finalement .réinjectée sur l'une des entrées de l'amplificateur différentiel 38 (ou 18), De cette manière, uneinégalité apparaissant entre les signaux 20 issus des photo-récepteurs 35* 45 (ou 15, 1.7) agit comme un signal d'erreur tendant* par l'effet de la contre-réaction, à constamment annuler cette inégalité. 69 13152 7 2041009 REVEIÏDIGATIQgS 1 . Dispositif électro-Optique pour la transmission de signaux:, notamment destinés à la mesure du courant circulant dans une 1 iptir à haute tension, comportant au moins une source de lumière monochro ... matique émettant un faisceau polarisé sur au moins une voie optique 5 dans laquelle il subit une rotation de son plan de polarisation , sous l'influence d'un champ magnétique créé par le courant à mesurer et dans laquelle une rotation en sens inverse est produite au moyen d'un champ magnétique de compensation fourni par un enroulement alimenté à partir d* au moins un récepteur photo-électrique sur 10 lequel tombe ledit faisceau après traversée des deux champs, caractérisé en ce que, d'une part, la source de lumière est constituée par une diode électroluminescente dont le flux lumineux est modulé par injection de courant à une fréquence de modulation nettement supérieure à celle du courant à mesurer, et en ce que, d'autre part, 15 le récepteur photoélectrique est relié à l'enroulement fournissant le champ de compensation par des moyens de filtrage et de détection synchrone de ladite fréquence de modulation. -2» Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en.ce que au .moins une diode électroluminescente émet sur deux voies optiques de 20 mesure deux faisceaux polarisés qui sont reçus |>ar deux récepteurs photo-électriques reliés à l'enroulement fournissant le champ de compensation par l'intermédiaire d'un amplificateur différentiel suivi des moyens de filtrage et de détection synchrone de la fréquence de modulation. 25 3» Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que des moyens optiques sont prévus pour éclairer les deux voies optiques en parallèle, 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que des moyens optiques sont prévus pour éclairer les deux voies 30 optiques eu série. .5. Dispositif selon la revendication 3» caractérisé en ce que chaque voie optique est éclairée par une diode électroluminescente individuelle modulée à la même fréquence. 6. Dispositif selon les revendications 3 ou 4 caractérisé en ce 35 que lesdits moyens optiques sont constitués par des miroirs à réflexion totale ou partielle. 7. Dispositif selon une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque voie optique comporte un réflecteur disposé de façon que le faisceau se réfléchit sur lui-même. 69 13152 8 2041009 8» Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte deux récepteurs photoélectriques "branchés respectivement aux entrées d'un amplificateur différentiels suivi d'un démodulateur synchrone et d'un amplificateur de puissan-5 ce pour- alimenter le ou les enroulements de compensation. 9. Dispositif .suivant la revendication 8 caractérisé en ce que, à la sortie de l'amplificateur de puissance est branchée, en série avec le ou les enroulements de compensation, une résistance, et en ce que ladite résistance est raccordée à l'entrée d'une boucle c*» 10 contreréaction comportant un amplificateur à courant continu^ filtre et un modulateur à ladite fréquence de modulation, et dont la sortie est reliée à l'une des entrées dudit amplificateur différentiel. ÊAD ORIGINAL