Brevet FR2313691A1 — publié le 19761231

La présente invention concerne des transducteurs magnéto-optiques mettant en oeuvre l'effet Faraday et des circuits comprenant de tels transducteurs. Selon cet effet connu, dans certaines matières qui transmettent la lumière, le plan de polarisation d'un faisceau lumineux polarisé dans un plan tourne autour d'un axe parallèle au faisceau lumineux sous la commande d'un champ magnétique disposé le long du faisceau. L'importance de la rotation du plan de polarisa tion.est pratiquement proportionnelle à l'intensité du champ magnétique. On a déjà proposé l'utilisation d'un tel transducteur pour le contrôle d'un courant dans l'industrie de la transmission et de la distribution de lténergie électrique, le champ magnétique étant alors produit par le courant à con trouer. Ce système constitue donc un dispositif de remplacement d'un transformateur de courant, le transducteur magnétooptique ayant l'avantage de ne pas comporter de noyau de fer qui présente des propriétés de saturation et de non-linéarité. L'invention concerne ainsi un transducteur magnétooptique bien plus sensible que ceux qu'on a pu réaliser jusqu'à présent. Plus précisément, elle concerne un transducteur magnéto-optique destiné à donner une réponse à un courant électrique, sous forme d'une rotation d'un plan de polarisation optique ; ce transducteur comprend un conducteur électrique et un enroulement d'une fibre optique qui entoure le conducteur électrique, la fibre optique ayant une construction telle que la lumière polarisée dans un plan, transmise par la fibre, subit une rotation de son plan de polarisation en présence d'un champ magnétique coTncidant avec la fibre, ltenroulement de cette dernière étant disposé afin qu'il existe une relation reproductible entre l'intensité du courant dans le conducteur et l'angle compris entre les plans de polarisation de la lumière transmise par la fibre, à ses deux extrémités. Le conducteur électrique peut entre sous forme d'un barreau ou d'un tube ou sous forme d'un enroulement autour duq'uel est formé l'enroulement de fibre afin que ce dernier entoure chaque spire de l'enroulement conducteur de l'électri- cité. L'enroulement conducteur ou l'enroulement de la fibre peut avoir une configuration torique. La fibre optique comprend de préférence un tube ayant une âme en matière pratiquement transparente dont l'indice de réfraction est supérieur à celui du tube. L'indice de réfraction de l' me peut varier dans sa section, cet indice étant le plus grand au centre et diminuant radialement jusqu'à une valeur qui dépasse encore l'indice de réfraction de la matière du tube placé autour à l'interfaze gme-tube. La face externe de la fibre optique est revêtue avantageusement d'une matière qui absorbe la lumière si bien que la lumière qui s'échappe de l'ame ne peut pas pénétrer à nouveau dans celle-ci. Un circuit à transducteur magnéto-optique comprend un transducteur du type décrit, un dispositif destiné à transmettre un faisceau de lumière polarisée dans un plan à une première extrémité de la fibre, et un dispositif destiné à détecter un faisceau de lumière polarisée dans un plan et quittant l'autre extrémité de la fibre optique et à transmettre un signal de sortie qui dépend de l'angle compris entre les plans de polarisation des faisceaux incident et émer gentF D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, de plusieurs modes de réalisation de transducteur magnéto-optique et de circuit comprenant un tel transducteur,faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une perspective schématique d'un transducteur magnéto-optique de type connu - les figures 2a et 2b sont respectivement une perspective et une élévation schématique d'un transducteur selon l'invention, ayant la fonction d'un transformateur de courant; - les figures 3a et 3b sont respectivement une perspective et un schéma d'un transducteur selon l'invention ayant une fonction de transformateur de tension ; et - la figure 4 est un diagramme synoptique d'un circuit comprenant des transducteurs des types représentés sur les figures 2a à db. Sur les dessins, la figure 1 représente l'élément de base des transducteurs déjà proposés, c'est-à-dire un cr- lindre droit et court d'une matière telle qu'un verre flint dense, qui présente de manière connue l'effet Faraday. Le cylindre porte un enroulement conducteur de l'électricité afin,qutun courant dns cet enroulement crée un champ magnétique le long de l'axe du cylindre. Un pinceau lumineux, polarisé dans le plan vertical, est représenté à son entrée à gauche du cylindre, en direction axiale. Lorsque le faisceau traverse le cylindre, son plan de polarisation tourne progressivement dans le sens horaire sur le dessin jusqu 'à ce qu'il ait tourné de , lorsqu'il sort à l'extrémité droite.On sait que la rotation ainsi produite est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique, à la longueur du trajet d'applicåtion de ce champ et à une constante qui dépend de la matière et qui est la constante de Verdet. La rotation du plan de polarisation s'effectue dans le sens horaire ou anti-horaire suivant que le champ magnétique a le meme sens que le faisceau lumineux ou le sens opposé.. En conséquence, dans les circuits alternatifs, le plan de polarisation à l'extrémité de sortie oscille autour de la position de rotation nulle, entre les positions extra mes déterminées par la valeur de crête de l'intensité du courant. Un détecteur qui note l'amplitude de la composante du faisceau lumineu; parallèle au plan d'entrée donne donc un signal oscillant de sortie dont l'amplitude dépend de la valeur de crotte de l'intensité du courant. Un détecteur utile à cet effet peut comprendre un analyseur de polarisation de type connu qui transmet la composante du faisceau qui se trouve dans un plan prédéterminé de polarisation de l'analyseur, la composante transmise parvenant alors à un détecteur qui n'est sensible qu'à l'intensité de la lumière. Dans un système de transmission d'énergie dans lequel on doit contrôler le courant par exemple d'une phase d'un système triphasé, le dispositif de la figure 1 a une sensibilité limitée étant donné la valeur réelle du courant utilisé, de l'ordre de centaines ou de milliers d'ampères, cette valeur limitant l'épaisseur minimale que peut prendre le conducteur de l'enroulement et limitant donc le nombre de spires possibles donc le champ magnétique résultant. Par exemple, dans une telle disposition, pour une excitation de 1 000 A-tr et une longueur du trajet optique de 300 mm, la rotation du plan de polarisation est de 10 environ. Les figures 2a et 2b représentent un conducteur 1 sous forme d'un tube sur lequel est monté un ensemble à fi- bre optique qui comprend un mandrin 2 d'enroulement et un enroulement cylindrique de fibres optiques 3. Le diamètre des fibres est tel que l'enroulement de fibres peut facilement comprendre des centaines de spires. La fibre 3 a une forme tubulaire et comporte une Qme qui, comme le tube, est transparente à la lumière. La matière de l'!me a cependant 'un indice de réfraction supérieur à celui de la matière du tube afin que la réflexion interne puisse être totale à l'interface de l'ame et du tube. Les extrémités de l'enroulement (non représentées) sont rassemblées et enrobées dans une première partie 4 d'un raccord à fiche et douille. Le reste de l'enroulement de la fibre et du mandrin est enrobé afin qu'il puisse former une connexion unitaire mais souple avec le raccord. Celui-ci est alors relié à sa partie complémentaire (non représentée) qui transmet un faisceau de lumière polarisée dans un plan provenant d'une source convenable à une première extrémité de l'enroulement de fibre et transmet le pinceau qui revient à un détecteur afin que celui-ci détermine la rotation du faisceau polarisé dans un plan. Il est clair que, dans le dispositif de la figure 2, le pinceau lumineux subit un champ magnétique parallèle à lui-mtme et ayant le même ordre de grandeur que dans le cas de la figure 1, mais sur une longueur bien supérieure, d'un facteur élevé. La rotation peut être supérieure d'un facteur multiplicatif important à celle qu'on peut obtenir pour une même intensité du courant. La construction de la figure 2 peut convenir à la formation d'un transformateur de courant, le tube 1 étant soit la ligne d'alimentation elle-m & e, soit un tronçon de conducteur ayant des connexions permettant son raccordement en série avec le réseau. D'autre part, les figures 3a et 3b représentent une construction de transducteur qui peut être avantageuse dans le cas d'un transformateur de tension. Selon cette construction, la fibre optique forme un enroulement plat 6 dont les extrémités 7 et 8 dépassent comme décrit précédemment et sont enrobées dans un raccord 4. Un conducteur sous forme d'un tore 9 est enroulé autour de l'enroulement de fibre 6, ce dernier étant disposé suivant l'axe du tore donc suivant le trajet du champ magnétique créé par la bobine torique 9. il est av3n- tageux que la section de l'enroulement 6 soit circulaire mais cette caractéristique n'est évidemment pas essentielle. L'ensemble est enrobé comme indiqué sur la figure 10. L'utilisation d'un conducteur relativement mince, dans cette construction, limite l'intensité du courant qui peut etre transmise, mais la sensibilité est cependant élevée du fait de l'augmentation correspondante du nombre de spires conductrices, permise par la plus faible section. L'intensité nominale relativement faible rend cette construction de transducteur plus avantageuse pour le remplacement d'un transformateur de tension plutôt que d'un transformateur de courant bien qu'il soit évident qu'une fraction prédéterminée du courant principal puisse entre transmise dans l'enroulement 9 qui constitue alors un contrôleur de courant. On peut former des répliques très précises du courant d'intensité élevée existant à tension élevée à l'aide de courant de faible intensité et à faible tension par utilisation de deux transducteurs opposés formant un ensemble compensé. La figure 4 représente un tel circuit destiné au contrôle d'un courant alternatif d'une ligne à haute tension. Ce circuit comprend trois transducteurs, représentés par les rectangles 15, 16 et 17. Le transducteur 15 est du type transformateur de courant représenté sur la figure 2a alors que les trànsducteurs 16 et 17 sont du type transformateur de tension représenté sur la figure a. Le transducteur 15 comprend un conducteur 18 monté en série avec la ligne à courant d'intensité et de tension élevées, couplé magnétiquement à la fibre optique 19. Cette fibre est représentée sous forme d'une fibre unique passant dans les trois transducteurs mais évidemment, chaque transducteur a sa propre fibre et les trois fibres sont montées en série. L'extrémité d'entrée de la figure 19 est reliée à un polariseur 20 de lumière qui est lui-même éclairé par une source S. Le polariseur peut former de manière connue un faisceau de lumière polarisée dans un plan et qui peut être fixé le cas échéant à un angle ff p par rapport à une référence ar- bitraire. L'extrémité éloignée de la fibre 19 est reliée à un analyseur 21 de polarisation qui, de manière connue aussi, transmet la composante de la lumière incidente qui est polarisée dans un plan particulier. Ce plan peut aussi entre fixé à un angle Â par rapport à la m8me référence que le polariseur 20.Ainsi, en l'absence de toute rotation produite par les transducteurs 15, 16 et 17, un faisceau polarisé passe sans atténuation notable dans l'analyseur 21 lorsque les angles Xp et XA sont égaux. L'analyseur 21 transmet la composante en phase à un détecteur D qui transmet un signal électrique correspondant à l'intensité lumineuse. De tels détecteurs optiques ont habituellement une caractéristique non linéaire, par exemple de type parabolique. Comme indiqué précédemment, lorsque l'intensité I du courant de la ligne 18 varie de façon alternative, l'effet du transducteur 15 sur le plan de polarisation du faisceau lumineux est de faire osciller celui-ci autour d'une position de repos. Cependant, lorsque le courant qui peut circuler dans le transducteur 16 a une phase et une amplitude telles qu'il annule cet effet oscillant, le dernier courant est une réplique du courant I de ligne, à une plus petite échelle. Le circuit de la figure 4 a pour rôle de créer ce courant iR qui est une réplique du courant I, forme automatiquement, dans le transducteur 16. Une source de courant destinée au transducteur 16 est formée par un amplificateur 22 à réaction qui transmet un courant qui peut titre réglé en fonction d'un signal d'entrée d'erreur provenant d'un circuit intégrateur 23, comme décrit dans la suite. On considère à nouveau les deux transducteurs 15 et 16 ; lorsque ceux-ci reçoivent des courants exactement correspondants, la transmission lumineuse vers le détecteur D est maximale, compte non tenu de l'effet du transducteur 17. Lorsque les deux courants ne correspondent pas exactement, en phase et/ou en intensité, la lumière parvenant sur le détecteur D a une intensité réduite mais cette réduction n'est pas nécessairement évidente en l'absence d'une valeur de référence. En outre, le fait que la réduction est à attriber à une erreur d'intensité ou de phase et, dans ce dernier cas, s'il s'agit d'une erreur positive ou négative, n'apparatt pas clairement. Dans le circuit décrit précédemment, une rotation nulle du plan de polarisation et une transmission lumineuse maximale sont nécessaires à l'obtention d'une intensité nulle de ligne, la transmission lumineuse diminuant de façon sensiblement sinusoldale lorsque le champ magnétique résultant (formé par les transducteurs 15~et16) augmente à partir d'une valeur nulle. Ce champ magnétique résultant~eonstitue une erreur dont l'amplitude et le sens peuvent entre déterminés par superposition d'une perturbation de faible amplitude mais de fréquence relativement élevée au plan de polarisation. Les deux valeurs\extrémes de la perturbation doivent provoquer la réduction de l'intensité lumineuse reçue de manières égales par création d'erreurs égales et de sens opposés. Cependant, en présence d'une erreur de base, les deux erreurs de perturbation ont une différence qui est positive ou négative suivant le signe de l'erreur de base. La perturbation est introduite par le troisième transducteur 17 qui est commandé par un courant ip de forme rectangulaire, provenant d'un générateur 24 ayant un rapport nominal (rapport des durées de l'impulsion et séparant les impulsions) égal à 1 et une fréquence avantageusement de l'or drè,de 5 à 10 kHz. L'effet du transducteur 17 est donc de faire osciller le plan de polarisation d'un petit angle à une fréquence assez élevée. Le signal de sortie du générateur 24 et celui du détecteur D sont transmis à un circuit de décodage DL qui inverse le signe du signal provenant de l'un des deux niveaux de perturbation, en synchronisme avec le signal rectangulaire provenant du générateur 24. Dans la position d'équilibre, les deux niveaux d'erreur de perturbation provenant du circuit logique de décodage sont égaux et opposés. Le signal de sortie du circuit logique de décodage est donc un signal sous forme d'une onde rectangulaire dont la valeur moyenne n'est pas nulle en présence d'une erreur entre les transducteurs 15 et 16. Lors de l'intégration de ce signal, dans un intégrateur 23, un signal continu d'erreur est donc produit et transmis à l'amplificateur 22.L'amplitude de ce signal est une fonction de la différence entre les niveaux détectés de perturbation et le signe est une fonction du signe de cette différence. L'amplificateur 22, lorsqu'il reçoit ce signal d'erreur, forme un courant qui tend à réduire l'erreur à l'entrée à une valeur nulle. Le courant iR a donc tendance à suivre le courant principal I, mais avec une valeur réduite, et constitue donc une réplique de celui-ci, à faible tension. Une tension correspondante Ve est disponible aux bornes de la résistance R. Enfin, dans le circuit de la figure 4, la source lumineuse S peut être commandée par un comparateur 26 qui compare à une référence fixe le signal de sortie du détecteur D. Le circuit n'affecte pas la détermination de l'erreur qui est réalisée différentiellement mais stabilise les valeurs au cours du fonctionemment. Dans un autre mode de fonctionnement, les angles et etrAdes plans de polarisation peuvent entre fixés à une différence de 900 afin que le circuit cherche une condition de transmission minimale de la lumière. On. considère à nouveau les constructions des transducteurs et on note que, dans une variante du transducteur des figures 3a et 3b, l'ensemble peut être inversé, c'est-à-dire que la bobine plate peut entre formée par le conducteur électrique et la bobine torique par la fibre optique. Dans les deux cas, le flux magnétique est placé le long du trajet de la fibre optique et provoque efficacement la rotation du plan de polarisation. La construction des figures 3a et 3b et sa variante qui est la construction inverse sont donc des perfectionnements d'un méme arrangement de base comprenant deux bobines plates reliées, l'une formée par un conducteur électrique et l'autre par la fibre optique. Dans un cas, l'enroulement électrique est disposé axialement et forme un tore entourant l'enroulement de fibre optique et dans l'autre cas, l'enroulement de la fibre est prolongé axialement afin qu'il forme un tore entourant l'enroulement électrique. Cependant, dans les deux cas, chaque spire du conducteur électrique est entourée par l'enroulement de la fibre. La description qui précède montre clairement sur l'expression "bobine plate" ou "enroulement plat" désigne un enroulement dont l'effet est purement celui de l'une des spires mais multiplié par le nombre de spires, c'est-à-dire que l'enroulement est sous forme d'un groupe de spires analogues bien rapprochées. D'autre part, un enroulement torique a des spires qui délimitent un tore ou une surface toro Tale, c'est-à-dire une surface dont la génératrice est, dans le plan passant par l'axe de génération, une courbe fermée qui ne recoupe pas cet axe. Lors du fonctionnement du transducteur des figures 2a ou 3a, dans d'autres circuits que celui de la figure 4, le raccord est relié à un élément complémentaire qui comprend des fibres ou tubes à lumière de type correspondant. L'une des fibres est reliée à une source d'un faisceau de lumière polarisée dans un plan et l'autre à un détecteur qui peut relever l'angle du plan de polarisation du faisceau reçu. Un angle de référence peut entre fixé de diverses manières. L'enroulement de fibre peut entre réalisé et réglé afin que, dans un champ magnétique nul, les faisceaux transmis et re çus aient des plans parallèles de polarisation, ou l'enroule- ment peut entre réalisé sans réglage, l'angle entre les deux plans étant déterminé pour le champ nul. Cette valeur peut alors être utilisée pour la correction de la différence apparente des angles détectés. L'angle du plan du faisceau reçu peut entre comparé à sa propre valeur pour une intensité (ou une tension) nulle. Selon l'invention, il faut que le faisceau lumineux transmis par la fibre optique reste polarisé dans un plan sur toute la longueur de la fibre. Certaines fibres optiques, dites "à modes élevés", ont la propriété de comprendre un nombre important de trajets séparés dans la fibre, ces trajets n'étant pas en général alignés dans un plan. Ces fibres peuvent provoquer la dispersion ou la diffusion d'un faisceau incident polarisé dans un plan si bien que, pour une longueur suffisante de fibre, la polarisation disparaît en fait. Les fibres qui empêchent la transmission d'un faisceau polarisé dans un plan de cette manière sont évidemment exclues du cadre d'application de l'invention. Les facteurs qui déterminent si la fibre est une fibre à modes élevés ou faibles sont le diamètre de l'âme de la fibre et la relation entre les indices de réfraction à l'interface âme-revêtement. En général, plus le diamètre est faible et plus le mode est inférieur. Une fibre à modesfai ble; peut comprendre plusieurs trajets séparés alors qu'une fibre à modes élevés peut en contenir près de 1 000. On peut obtenir des fibres correspondant à des modes très différents, et il est clair que la fibre est de plus en plus utile lorsque ls nombre de modes diminue. La caractéristique essentielle selon l'invention est qu'un faisceau pratiquement polarisé dans un plan puisse entre transmis par la fibre. Bien qu'on ait décrit l'invention en référence à des faisceaux lumineux, il est clair que toute radiation électromagnétique, capable de présenter l'effet Faraday et autre transmise par des fibres optiques, convient aussi. REVENDICATIONS 1. Transducteur magnéto-optique destiné à faire tourner un plan de polarisation optique en fonction d'un courant électrique, ledit transducteur étant caractérisé en ce qu'il comprend un conducteur électrique et un enroulement de fibre optique entourant le conducteur électrique, la construction de la fibre optique étant telle que le plan de polarisation de la lumière polarisée transmise par la fibre tourne en pre- sence d'un champ magnétique parallèle à la fibre, et l'enrou- lement de fibre est disposé afin que l'intensité du courant dans le conducteur et l'angle compris entre les plans de polarisation de la lumière aux deux extrémités de la fibre présentent une relation reproductible. 2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur électrique est sous forme d'un barreau ou d'un tube. 3. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur électrique est sous forme d'un enroulement qui est entouré par l'enroulement de la fibre afin que ce dernier entoure chaque spire de l'enroulement du conducteur électrique. 4. Transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le conducteur électrique est sous forme diun enroulement toroïdal. 5. Transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'enroulement de la fibre est sous forme d'un enroulement toroïdal.\ 6. Transducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fibre optique comprend un tube comprenant une âme en matière optiquement transparente, l'indice de réfraction de l'âme étant supérieur à celui du tube. 7. Transducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la face externe de la fibre optique est revêtue d'une matière absorbant la lumière si bien que la lumière qui s'échappe de l'ame ne peut pas y pénétrer à nouveau. 8. Transducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'indice de réfraction de l' me varie dans sa sec tion et est le plus grand au centre puis diminue radialement jusqu'à une valeur qui dépasse l'indice de réfraction de la matière environnante à l'interface Ame-tube. 9. Circuit comprenant un transducteur magnéto-optique, caractérisé en ce quril comprend un transducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, un dispositif destiné à transmettre un faisceau de lumière polarisée dans un plan à une extrémité de la fibre optique, et un dispositif destiné à détecter un faisceau de lumière polarisée dans un plan quittant l'autre extrémité de la fibre optique et à transmettre un signal de sortie qui dépend de l'angle formé par les plans de polarisation des faisceaux incident et émergent. 10. Circuit comprenant trois transducteurs magnétooptiques selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les fibres optiques des trois transducteurs sont montées en série, une source de lumière polarisée dans un plan est reliée à une première extrémité des fibres montées en série, un détecteur du plan de polarisation est relié à l'autre extrémité des fibres montées en série, le conducteur électrique du premier transducteur est destiné à entre monté en série avec une ligne dont le courant doit être contrtlé, le conducteur électrique du second transducteur est relié à la sortie d'un amplificateur à réaction qui constitue une source réglable de courant, le conducteur électrique du troisième transducteur est relié à la sortie d'un générateur de courant à ondes rectangulaires, et un dispositif commande l'amplificateur en fonction de l'amplitude et du sens de la différence entre les quantités de lumière détectées par le détecteur pendant la durée des impulsions et la durée séparant les impulsions du générateur d'ondes rectangulaires.