Brevet FR2129991A1 — publié le 19721103

la présente invention est relative aux dispositifs optiques utilisés pour la transmission de signaux de mesure ou de commande et, plus particulièrement, destinés à la mesure du courant électrique circulant dans une ligne à haute tension, mesure mettant en 05 oeuvre un faisceau lumineux polarisé dont le plan de polarisation a son orientation modifiée par l'action d'un champ magnétique, phénomène dénommé "effet Faraday". Les dispositifs connus utilisant ce principe comprennent une ou plusieurs sources lumineuses émettant habituellement un flux con-10 tinu, constant ou encore modulé, de lumière monochromatique par exemple, cette modulation se faisant à des fréquences comprises, au choix, entre 10 EHz et 100 MHz, pour fixer les idées. La lumière traverse un polariseur et, suivant un ou deux trajets optiques comportant des miroirs^, traverse successivement des éléments transpa-15 rents, tels que des barreaux de flint lourd , à grand effet Faraday c'est-à-dire à constante de Verdet élevée, entourés d'enroulements parcourus les uns par le courant à mesurer et les autres par un courant compensateur proportionnel au premier, lequel est effectivement mesuré ou commande les relais qui doivent être actionnés à cer-20 taines valeurs du premier courant à contrôler. Le courant compensateur est élaboré par un asservissement comportant à son entrée des photorécepteurs excités par la lumière issue des éléments transparents après traversée d'un analyseur» L'emploi de deux trajets optiques nécessite la mise en oeuvre de deux sources de lumière aussi 25 identiques que possible ou d'une seule source complétée de miroirs semi-réfléchissants nécessitant des réglages précis ét causant des pertes d'énergie lumineuse. L'emploi d'un seul trajet optique demande souvent également l'utilisation de miroirs semi-réfléchissants provoquant toujours une perte de lumière. Par ailleurs, la nécessi-30 té d'un polariseur conduit à la perte de la moitié de l'énergie lumineuse dans cet organe. Enfin, il est habituellement remédié à certaines déformations mécaniques du support des diverses pièces optiques assurant l'acheminement du faisceau au cours d'un long trajet tel que la hauteur partielle d'un pylône supportant les. lignes 35 électriques à haute tension, le plus souvent par l'emploi d'un système optique à effet catadioptrique tendant à assurer l'immobilité de l'image finale de manière à éviter tout risque d'occultation du flux lumineux utile et à permettre d'obtenir à la fois une bonne précision et une bonne sensibilité des mesures malgré l'importance 40 imposée du parcours optiquei Ce système conduit à l'emploi de lames 2 71 10568 2129991 semi réfléchissantes qui entraîne des pertes importantes d'énergie lumineuse. l'invention vise essentiellement à obtenir vin rendement énergétique élevé de l'installation optique, grâce, d'une part, à une 05 nouvelle disposition des pièces placées devant la source lumineuse unique et qui permet d'éliminer des lames semi-réfléchissantes et, grâce, d'autre part, à une réduction de la longueur des "barreaux utilisés, ce qui permet de diminuer le nombre d'ampères-tours nécessaires à la création des champs magnétiques dans ces barreaux, la 10 lumière faisant un nombre de parcours différent dans chacun des deux barreaux d'une même voie, tout en conservant les avantages rappelés ci-dessus de l'emploi d'optiques à effet catadioptrique. Suivant l'invention, l'ensemble optique comporte une source de lumière polarisée dans un polariseur et dirigée par un premier sépa-15 rateur de faisceau sur deux voies optiques identiques dans lesquelles chaque faisceau subit une rotation de son plan de polarisation sous l'influence d'un champ magnétique créé par le courant à mesurer dans un barreau de mesure et une autre rotation égale et opposée produite dans un barreau de compensation au moyen d'un champ magné-20 tique de compensation fourni par un enroulement branché dans un asservissement commandé par deux photorécepteurs sur lesquels tombe le faisceau après traversée successive des deux barreaux d'un second séparateur de faisceau et d'analyseurs, et il est caractérisé en ce que : 25 a) le polariseur et le premier séparateur de faisceau d'une part, le second séparateur de faisceau et les analyseurs d'autre part, sont respectivement constitués par un même élément optique comprenant un polariseur biréfringent. b) chaque voie optique comporte un système optique catadioptrique 30 comprenant au moins une lentille ayant son centre décalé transversalement par rapport à l'axe optique commun des lentilles du système» c) le barreau de compensation a ses faces parallèles rendues réfléchissantes sur une de leurs parties et inclinées sur l'axe optique de manière que le faisceau parcoure au moins trois trajets dans ce 35 barreau. La figure ci-jointe représente schématiquement un mode de réalisation d'un ensemble conforme à l'invention donné à titre d'exemple non limitatif. Sur cette figure, 1 représente une source de radiations lumi-40 neuses la plus ponctuelle possible, monochromatique de préférence 71 10568 3 2129991 et, au besoin, émettant dans le proche infrarouge ; 2 figure un ensemble optique corrigé des aberrations sphériques fournissant un faisceau de rayons sensiblement parallèles tombant sur la pièce optique 4. Cette pièce est constituée de trois éléments accolés rigi-05 dement, l'une 5 connue sous le nom de "G-lazebrook" est composée de deux lames en matériau biréfringent. Les deux faisceaux de lumière polarisée émergeant de cette pièce dans deux directions différentes AB et AC sont repris chacun par des prismes 6 et 7, à réflexion totale ou artificielle, renvoyant les rayons parallèles dams deux di-10 rections choisies de préférence confondues et de sens opposé, ainsi qu'il est représenté sur la figure. La totalité de l'énergie lumineuse entrant dans la pièce 5 est, à l'absorption près, restituée à la sortie des pièces 6 et 7, répartie par moitié à l'émergence de ces pièces (tandis que le polariseur ordinaire fait perdre systéma-15 tiquement la moitié de l'énergie qu'il reçoit, par renvoi dans une direction inutile de la partie du faisceau polarisé inemployé). Deux miroirs 8 renvoient, chacun, les faisceaux dans deux directions parallèles et dans le même sens. Chaque faisceau atteint un barreau de verre 9 à constante de Verdet élevé, en flint lourd par exemple, 20 placé dans une bobine inductrice 10 alimentée par un circuit électrique mentionné en fin de cette description. Les faces 11 et 12 de ce cylindre 9 sont planes, parallèles et légèrement inclinées sur l'axe du cylindre, direction suivie par la lumière pénétrant dans le barreau par la fenêtre 13 aménagée sur la face 11. dont une par-25 tie 14 est argentée. La lumière rencontre la face 12 en une zône 15 argentée sur laquelle les rayons se réfléchissent pour revenir vers la face 11 suivant une direction légèrement inclinée sur l'axe du cylindre afin de frapper la face 11 sur sa partie argentée 14 et ' 1 ^ être réfléchie vers la face 12 pour tomber sur sa zône non argentée/ 30 et sortir du barreau après avoir subi deux réflexions et parcouru trois trajets dans le barreau remplissant ainsi les conditions optimales d'efficacité de cet organe pour faire tourner le plan de polarisation de la lumière. Les deux ensembles 9, 10 font tourner d'un même angle, mais en 35 sens inverse, les plans de polarisation des deux faisceaux les traversant, par création de deux champs magnétiques de sens inverse le long des axes des deux barreaux, les enroulements 10 étant branchés en série. La lumière sortant du barreau est reprise par un jeu de trois combinaisons optiques assimilables à trois lentilles 17, 18 40 et 19, jouant le rôle de véhicule, pour être conduite dans un 71 10568 4 2129991 barreau 20 à constante de Verdet élevée, placée dans une bobine inductrice 21 parcourue par le courant à mesurer. La face avant 22 du barreau par laquelle entre la lumière est plane, normale à direction de propagation de la lumière et transparente sur toute sa 05 surface. La face arrière 23 du barreau est concave et argentée pour renvoyer la lumière sur elle-même et faire partie intégrante de tout le système optique pour former avec 19 un ensemble catadioptrique (indépendant des déformations du support de tout cet ensemble). Les deux enroulements 21 sont branchés en série. L'angle de 10 rotation du plan de polarisation à l'intérieur du barreau 20 au cours du trajet aller et retour de la lumière dans ce barreau est égal et de sens opposé à celui dont a tourné ce plan au cours des trois trajets dans le barreau 9, lorsque les enroulements 21 et 10 sont parcourus par les courants à mesurer et de compensation. 15 Le système optique formé par les trois lentilles (ou objectifs) 17, 18, 19 et le barreau 20 est tel que le faisceau en retour du barreau 20, d'une part, recouvre exactement sur la lentille 18 le faisceau aller issu de la lentille 17 et se dirigeant sur la lentille 18, d'autre part est séparé spatialement, à partir de la len- 20 tille 18, du faisceaux aller issu de la lentille 17 et tombant « sur la lentille 18. Cette séparation du faisceau de retour par rapport au faisceau aller à partir de la lentille 18 peut être obtenu, par exemple, par l'emploi d'une lentille (ou objectif) double à la placi/8§i lentilles 17 ou 19 formée de deux demi-lentilles (ou 25 objectifs) excentrées et collées sur leur tranche. Une autre solution consiste à décaler transversalement la lentille 18 par rapport à l'axe optique commun des lentilles 17 et 19, brisant ainsi l'axe optique de l'ensemble, ce qui est à l'origine des trajets différents suivis par les faisceaux d'aller et^retour entre les lentilles 17 30 et 18 suivant le montage décrit dans.la demande de brevet français déposée le 22 mars 1971 et enregistrée sous le n° 71/O9o979-Une lentille 24 forme une image finale dè la pupille, au voisinage du barreau 9. Les optiques 17, 18, 19, 22, 23, 24 constituent un ensemble tel 35 que l'image finale fournie par cet ensemble est indépendante, en position et en luminosité, de certaines déformations du support de ces diverses pièces. Le faisceau émergeant de la lentille 24 est repris par un analyseur 25 du même type que le polariseur 5, calé de façon telle, 40 qu'en l'absence de courant dans les bobinages 10 et 21^i présence 71 10568 5 i 2129991 de courants tels que l'effet de rotation du plan de polarisation dans le "barreau 20 soit compensé par une rotation égale et de sens opposé dans le barreau 9, le rayon émergeant d'une des voies de l'analyseur ait son plan de polarisation décalé de 45° par rapport 05 au plan de polarisation initial de la lumière, le rayon émergeant de l'autre voie étant décalé de 45° en sens inverse. Les deux faisceaux secondaires sortant de l'analyseur 25 ont chacun leur direction propre dans lesquelles sont placées deux cellules photosensibles 26 et 27 qui reçoivent les images finales de la pupille. 10 Les deux paires de cellules photosensibles 26 et 27 sont cou plées électriquement deux à deux et reliées aux deux entrées d'un amplificateur différentiel suivant le montage décrit dans la demande de brevet français déposée le 22 mars 1971 et enregistrée sous le n° 71/09,978. Cet amplificateur fournit un signal qui est au 15 coefficient d'amplification près, la somme arithmétique des variations des courants photo-électriques provoqués par une variation du courant primaire. Les différences d'éclairement des cellules dues aux impuretés optiques qui se trouvent fortuitement sur les trajets des faisceaux 20 aboutissant sur les analyseurs 25 sont donc composées aux deux en- * trées de l'amplificateur différentiel. Le signal de sortie de celui-ci est ainsi uniquement fonction de la différence de rotation du plan de polarisation dans les barreaux 20 et 9 et commande l'asservissement de manière à annuler cette différence. 25 L'ensemble des dispositifs décrits permet un gain considérable de l'énergie lumineuse tombant sur les cellules photoréceptrices puisqu'il évite les semi-réflexions et faisceaux polarisés non utilisés dans les dispositions connues, cette énergie envoyée dans l'amplificateur différentiel mouvant être jusqu'à huit fois supé-30 rieure à celle obtenue à l'aide de ces dispositions connues. 71 10568 6 2129991 REVENDICATIONS 1/ Ensemble optique destiné aux transformateurs de courant à effet Faraday pour la mesure de courant circulant notamment dans une ligne à haute tension, comportant une source de lumière polarisée dans un polariseur et dirigée par un premier séparateur de faisceau 05 sur deux voies optiques identiques dans lesquelles chaque faisceau subit une rotation de son plan de polarisation sous l'influence d'un champ magnétique créé par le courant à mesurer dans un barreau de mesure et une autre rotation égale et opposée produite dans un barreau de compensation au moyen d'un champ magnétique de compensa-10 tion fourni par un enroulement branché dans un asservissement corn--mandé par deux photorécepteurs sur lesquels tombe le faisceau après traversée successive des deux barreaux, d'un second séparateur de faisceau et d'analyseurs, caractérisé en ce que : a) le polariseur est le premier séparateur de faisceau d'une part, 15 le second séparateur de faisceau et les analyseurs d'autre part, sont respectivement constitués par xui même élément optique comprenant un polariseur biréfringent. b) chaque voie optique comporte un système optique catadioptrique comprenant au moins une lentille ayant son centre décalé transver- 20 salement par rapport à l'axe optique commun des lentilles du système. c) le barreau de compensation a ses faces parallèles rendues réfléchissantes sur une de leurs parties et inclinées sur l'axe optique de manière que le faisceau parcoure au moins trois trajets dans ce barreau. 25 2/ Ensemble optique suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'élément optique comprenant un polariseur biréfringent est accolé à deux prismes à réflexion totale, ou éventuellement rendus réfléchissants artificiellement.