Brevet FR2475230A1 — publié le 19810807

! L'inventiron a trait à un dispositif de mesure d'intensi- té du courant 'lectrique dans un conducteur par effet magn'to optioue, oh un faisceau lumineux polarisé issu d'une source cohérente chemine dans un milieu optique matériel soumis au champ magnétique créé par le courant, la mesure de courant résultant de la mesure de variation de marche du faisceau sous l'effet du champ magnétique travers. Par milieu optique matériel il faut entendre un milieu transparent possédant un indice de réfraction différent de l'indice du vide, en sorte que la vitesse de propagation dans le milieu optioue matériel soit inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Les travaux de Faraday ont fait apparaître que dans un milieu optiaue matériel normalement isotrope, un champ magné- t. ue faisait apparaître une anisotropie de réfringence sui- vant la direction de cechamp, qui se traduit par des rotations du plan de pola.-risation d'un faisceau polarisé se propageant parali.lement au champ. Un faisceau à polarisation circulaire se pro.-age à des vitesses différentes selon que sa polarisa- tion es4 dextroyre ou lévogyre par rapport à l'orientation du chamcp magnétie. L'angle dont tourne le plan de polarisa- tion est le produit de l'intégrale de lacrculation du fais- ceau suivant le champ magnétiaue par une constante spécifique du milieu dite "constante de verdet". En fait la biréfringence induite dérpen.d de l'induct-onr magnétique dans le milieu, de sorte que la constante de Verdet est fonction de la perméabi- lit4 magnétique du milieu, et de ce fait faible pour les mi- lieux diariagn4tiaiues et forte pour les milieux ferromagnéti- aues. Par contre, pour les milieux ferromagnétiques, la cons- tante de Verdet varie avec la température et la saturation. On remarquera que la biréfringence induite par un champ magnétique est sensible au sens de propagation d'une onde électromagnétiaue, tandis que les biréfringences induites par un champ électrique ou une contrainte mécanique sont insensi- bles aiu sens de propagation. En ce sens la biréfringence in- duite par un champ magnétique peut être dite biréfringence à orientation polaire, par allusion à l'orientation Nord-Sud du champ mngngtiaue. La mes.re d eorur-tn+ tra-versart u-r c^ dcte.r 'ecto.-ue par rmesure des effets de la blréfringeree Lind,Àtîe rar le C:kmp mag.ntioue créé par le pasa-e du 2Gcrar.t darln le cond _ eur aans un milieu optioue matérie l diaagn'tiue nr{ente r- térêt évident lorsau'il s'ait de courants _es 4l - s d - conducteurs portés ' un- na-te tensortn par r--3por - terre en raison des prop.r tts - soIantes in-rins'.ues d_ = eu --- tioue jointes à la possioi it d'intercaler entre e - 'eu optique et le conducteur des couees msalar'tes c.rveab eF et de l'absence de s-turatin du milieu dia'magnétique. En ou- tre le milieu optiaue matlriel ne prélève pas d'énergie au. courant qui traverse le eonducteur, ce euï n'est pas le cas des dispositifs classique Il a été or opo-, puor mesurer le cou rant dans un conduc- teur, de spiraler une fibre optique autour du conducteurs en sorte aue la fibre optique so t so-unisîe a,un charrp magn6t que uniforme suivant sa!on eur, et de déterminer! - ng'e de rc- tation du plan de: lar rtion d 'un faisceau cohhre t, péné- trant dans la fibre par une face d'extrémité et omergeant par l'autre face d'extr"mité. Toutefoi. cette dis.osition est peu pr4ci? et peu Pensible car, d'in-e p:rt, la fib.re peut être le siège de biréfringenc-s accidenteil1es des a es contrain- tes therniques ou mncan:ales (flexions ou vibrat o;s), ou a des champs électr-Lues, et d'autre part, la plage de mesure des angles de rotation 7o nlan de dalariFLon n- dépasse pas , sauf dispositions rarticuières incluant l' utilisation d'un faisceau de référence en cohérence spatiale av2ec le fais- ceau de meLure, ce oui i...'ioue des longueurs de trajet du même ordre de grandeur r:,.r '.es acux fais-ceaux entre un coint de sé-paration et un point de -omparaeleon, s.-n qu'e le bruit affectant la rotation de r olarisation soit important su'r le 3 faisceau de référence; --i lim:te srieusement la longueur de f.ibre utilisable et p:%rtant la sensT.il i, L'invention a pour -,jet un dispositif de resure de cou- rant dans un conducter ':r - tîcc cap:.ganrtiu- résul- tant sur une fibre optioue spiralée autour du conducteur et parcourue par un faisceau lumineux polarisé, o les biréfrin- gences accidentelles sont compensées. L'invention a également pour objet un dispositif de me- sure de courant de ce genre o la fibre optique peut être de grande longueur et la sensibilité éelevée. A ces effets l'invention propose un dispositif de mesure d'intensité de courant électrique dans un conducteur par effet magnéto-optique, oà un faisceau lumineux polarisé issu d'une source cohérente chemine dans un milieu optique matériel sou- mis au champ magnétique créé par le courant, la mesure de cou- rant résultant de la mesure de variation de marche du faisceau sous l'effet du champ magnétique traversé, dispositif o le milieu optique matériel est constitué par une fibre optique avec deux faces d'extrémité, spiralée autour du conducteur en sorte que le champ magnétique soit dirigé longitudinalement daes la fibre, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen opti- que séparateur adapté à diviser le faisceau polarisé en deux faisceaux secondaires à polarisation circulaire pénétrant res- pectivement dans la fibre par l'une des deux faces d'extrémi- té et énergenat par l'autre, et à rassembler les faisceaux émergents en colinéarité en sorte qu'ils interfèrent, un mo- yen de détection recevant les faisceaux interférents et déli- vrant un signal de modulation différentielle. Comme les deux faisceaux secondaires parcourant le même chewin optique dans la fibre, mais en sens inverse l'une de l'autre, toutes les perturbations dues à des biréfringences accidentelles, qui ont les mêmes effets sur les faisceaux se- condaires indépendamment du sens de propagation, induiront les mêmes différences de marche sur les deux faisceaux, tandis que les différences de marche indaites par le champ magnéti- que seront de sens inverses pour les deux faisceaux respecti- vement, et leurs effets s'ajouteront dans la figure d'inter- férence. Par ailleurs le champ magnétique étant dirigé dans la direction de propagation des faisceaux, la biréfringernce induite se traduit simplement par une variation de vitesse de propagation dans la fibre, et un déphasage des faisceaux émer- gents, soit un déplacement des figures d'interférence entre ces faisceaux, auquel le moyen de détection sera sensible sans dispositions complexes. De préférence, le faisceau issu de la source cohérente étant à polarisation linéaire, deux lames quart d'onde seront insérées dans les trajets respectifs des faisceaux secondai- res, avec une orientation d'axe privilégié à 450 du plan de polarisation. Ainsi, dans la fibre optique,.les faisceaux se- ront à polarisation circulaire après traversée de la lame quart d'onde respective, et après émergence de la fibre et traversée de l'autre lame quart d'onde, reprendront des pola- risations linéaires parallèles pour interférer et tomber sur le détecteur. Comme le détecteur est sensible à la valeur absolue de la différence de marche, le dispositif sera, sans précautions particulières, sensible à la valeur absolue du courant dans le conducteur, et ne donnera pas d'information sur le sens du courant. Aussi de préférence on insèrera sur le -trajet d'un des faisceaux secondaires un modulateur optique qui déplacera d'une quantité choisie la fréquence de ce faisceau. La pré- sence du modulateur optioue induit un déphasage continument croissant dans un sens déterminé, auquel viendra s'ajouter ou se retrancher le déphasage dû au champ magnétique, dont le gens deviendra ainsi perceptible. En disposition préférée une partie du faisceau issu de la source sera dérivée pour venir, en combinaison avec les faisceaux interférents, agir sur un dispositif de détection en balance hétérodyne avec deux détecteurs à l'entrée d'un amplificateur différentiel. On profite alors de la sensibili- té et de l'immunité au bruit inhérentes à ce dispositif de détection. En interposant une cellule de Faraday sur un trajet de faisceau secondaire, la cellule de Faraday, qui induit un re- tard de marche proportionnel à un courant de commande, permet alors de compenser la différence de marche induite dans la fibre optique par le champ magnétique. Le courant de commande, mesuré par un appareil classique, sera une image du courant dans le conducteur pour une compensation exacte des différen- ces de marche. De préfeene on seervit le courant de commande à l'ai- de d'un régulateur êlectronioue attaqué par le détecteur, afin d'obtenir automatinuement la compensation exacte. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressor- tiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé. Selon la f)rmre de réalisation choisie et représentée, un conducteur ' el ou'un conducteur à haute tension de ré- seau electriu, traversé par un courant que l'on veut mesu- rer, passe dars un mandrin la, cylindrique isolant, sur lequel est spir-] lée, spires joint-ves, une fibre optique 2, dont les extrémités 2a et 2b, écartées du mandrin la, sont munies d'optiques ou faces d'entrée à axes parallèles. Un laser à gaz 3, hélium néon, émet un faisceau 21 pola- ri.é linéairement, qui traverse une lame demi-onde 4 avant de péo,-rer dans un cube optique 5, avec une coupe plane passant par deui 3rêtes parallèles en sorte que le faisceau tombe à 4gE du plau de coupe. Un tel cube optioue, dit cube polari- seur, rof Ignt la lu ière à polarisation linéaire parallèle P0 aux asrtedils 1e plan de coupe et laisse passer la lumière ]larîartîo lin(éaire perpendiculaire à ces arêtes. Comme une lame demi--onde fait tourner le plan de polarisation de l'onde..mergente par rapport au plan de polarisation d'une orde inci rapport au plau de polarisation de l'onde incidente, l'orien- tation de!a lame 4 permet un réglage du rapport des intensi- téFs umine-uses des faisceaux 22 et 23 oui émergent du cube, avec une Dolarisation linéaire, respectivement parallèlement et perpendJiuJlairement au plan de la figure. Le faisFeau 22 tombe sur une lame semi-réfléchissante 6, orientée e 4 de la direction du faisceau 22, et qui divise le faisceau 22 en deux faisceaux secondaires, réfléchi 24 et tran.mis 25. Le faisceau secordaire 24 traverse une lame quart d'onde 8, avec un axe privilégia à 45 de la direction de po- larisation du faisceau 24, e.- sorte que le faisceau 24' émer- geant de la lame 8 soit à polarisation circulaire avant de tomber sur l'optique d'entrée de l'extrémité 2a de la fibre 2. Le faisceau secondaire 27 traverse une lame quart d'onde c orientée pour donner un faisceau 25' à polarisator c.re.iai- re oui est réfléchi à 90 par une lame réfléchissante 7, et après traversée d'une cellule de Faraday 10 tombe sur l'opti- que d'entrée de l'extrémité 2b de la fibre 2. Les faisceaux 24' et 25' cheminent donc dans la fibre optique en sens inverse l'un de l'autre, et émergent de cette fibre respectivement par les extrémités 2b et 2a, traversent les lames ouart d'onde 9 et 8 respectivement, qui rétablis- sent une polarisation linéaire des faisceaux et tombent sur la lame semiréfléchissante 6. On remarquera Que les trajets géométrioues des faisceaux 24,24' et 25,25' entre les deux incidences sur la lame semi-réfléchissante 6 sont identiques. Le faisceau 26 émergeant de la lname 6, sensiblement en aligne- ment avec le faisceau 24, est le siège d'une figure d'interfé- rence due à la superposition des faisceaux 24,24' et 25225', et vient tomber sur une lame semi-réfléchissante 14, orientée à 45 . Par ailleurs le faisceau 23, issu du cube polariseur 5 par réflexion, est renvoyé à 90 par une lame réfléchissante 11 pour traverser un modulateur acousto-optique 12, iouis une lame demi-onde 13; le faisceau 27 aui émerge de la lame 13 vient tomber, à angle droit avee le faisceau 26, sur la lame semi-réfléchissante 14, orientée suivant la bissectrice inté- rieure de l'angle des faisceaux 26 et 27. Les faisceaux 28 et 29 qui émergent de la lame 14, sont constitués respectivement, pour le faisceau 28,de la fraction réfléchie du faisceau 26 et de la fraction transmise du faisceau 27, et le faisceau 29, de la fraction transmise du faisceau 26 et de la fraction ré- fléchie du faisceau 27. Comme la réflexion introduit un retard d'un quart de longueur d'onde entre le faisceau réfléchi et le faisceau transmis les battements entre les faisceaux 26 et 27, sont en opposition de phase dans les faisceaux 28 et 29 qui tombent respectivement sur des détecteurs photoélectriques 15 et 16, couplés respectivement aux entrées in-erseuse et di- recte d'un amplificateur différentiel 17. Le montage, compre- nant la lame 14, les détecteurs 15 et 16 et l'amplificateur 17, est connu sous le nom de d:étection cohérente à balance hétérodyne, et présente l'avantage de doubler le signal détec- té utile, tout en compensant les signaux parasites qui sont en cohérence avec les faisceaux incidents. Le courant oui traverse le conducteur l, qui est sensi- blement rectiligne sur une longueur grande par rapport au rayon du mandrin la de part et d'autre de celui-ci, crée un champ magnétique avec des lignes de force circulaires centrées sur le conducteur. Ce champ magnétique crée, dans la fibre optique 2 une induction dirigée suiv'nt la longueur de la partie spiralée, en induisant une biréfringence à orientation polaire (Effet Faraday) de sorte que le milieu optique maté- riel constitué par la fibre présente un indice différent pour des ondes à polarisation circulaire suivant qu'elles cheminent dans la fibre dans le sens de l'induction ou en sens inverse. La différence d'indice est proportionnelle à l'induction, donc pour un milieu à perméabilité constante, au champ magnétique et partant à l'intensité dans le conducteur l, avec un coeffi- cient inverse du rayon de spiralage de la fibre 2. Par ailleurs la différence de marche optique entre les deux faisceaux 24' et 25', qui cheminent en sens inverse dans la fibre 2 est proportionnelle à la longueur du spiralage. On notera ici que les extrémités de la fibre, au-delà du spira- lage sont soumises à des champs magnétiques sensiblement transversaux, et dont les composantes longitudinales, sauf au raccordement au spiralage viennent se compenser d'une extré- mit4 à l'autre. Par ailleurs les biréfringences accidentelles, dues à des contraintes mécaniques thermiqueF, ou de champ élec- trique ne présentent pas d'orientation polaire et induisent les mêmes variations d'indice pour des propagations inverses. Aussi les différences de marche des deux faisceaux 24' et 25' résultent uniquement de l'effet du champ magnétique sur la partie spiralée de la fibre. Si l'on appelle a n la différence d'indice provoquée par un champ magnétique H, dans un matériau qui possède une cons- tante de "Verdet" Ve, pour une longueur d'onde X on a: [Sn = - Ve H. (1) Ir Compte tenu des relations liant le champ magnétique au courant I dans un conducteur, pour un spiralage à N tours la différence de marche exprimée en déphasage Af est: [2 IN ve] I. (,2) Dans le faisceau 26, la superposition de deux faisceaux ayant subi une différence de marche AI forme une figure d'in- terférence déphasée de/l par rapport à la figure d'interfé- rence en l'absence de courant. La détection en balance hété- rodyne par le dispositif constitue par la lame 14 les détec- teurs 15 et 16 et l'amplificateur 17, de la combinaison du faisceau 27 formant référence ou, selon la terminologie usuel- le en détection, osciliateur local et du faisceau modulé 26, fait apparaître un signal de modulation en sortie de l'ampli- ficateur 17. Le dispositif électronique 18 est adapté, de fa- çon connue, notamment par comptage, de comparer la phase de la modulation à la phase d'origine, en l'absence de courant. Toutefois la fréquence centrale du signal détecté est nulle et les signaux détectés correspondant à deux déphasages égaux de signes Opposés sont égaux. L'exploitation de tels si- gnaux se heurte à des difficultés connues, et d'autre part les bruits engendrés par le détecteur sont généralement importants aux fréquences basses. C'est la raison pour laquelle on a inséré dans le trajet du faisceau 23 un modulateur acousto-optique 12 capable d'in- duire, par interaction d'ondes ultrasonores avec un faisceau lumineux un décalage de la fréquence de l'onde lumineuse. Le faisceau 27 sortant du modulateur est ainsi à une fréquence qui diffère d'une auantité connue de la fréquence du faisceau 22, de sorte que le signal en sortie de détection est consti- tué d'un signal à la fréouence de décalage, modulé en phase par le décalage de phase induit dans la fibre. Par ailleurs le modulateur 12 peut être couplé au dispo- sitif électronique 18 de telle sorte qu'une variation du déca- lage de fréquence induit par le modulateur acousto-optique 12 soit prise en compte par le dispositif 18 pour ne pas influer sur la mesure de déphasage (détection synchrone). On a signalé précédemment qu'une cellule de Faraday 10 était interposée sur le trajet du faisceau secondaire 25' 24?5230 avant l'entrée dans l'optique d'extrémi.' 2b. La cellule Lie Farada.y est un disposItif optique o un barreau transparent constitué d'un matriau à ccnst;nte de "Verdet" _!evé, tel au'an composé_ d'un métal de -erre rare, ueut êtle soumis à un champ mrnagniétiaue longitudinal créé par unr courant de com- mande, de sr-te ou'il j apparqiît une b-r4frlngence à orienta- tion polaire, Or aura eomprLs -ue a Clle de Feraday 10 est disposSe de aon à ind-Jtire ure diffeérence de marche en- tre le fai-scea-u 95'.avent sFn incidence sur la fibre 2 et le faiscea 24' après son émergence de la i:[ rre, qu. vient en comrpensation de la différence de mar'ne induLte dans la fibre 2, l'iutensité et le sers du courant de commarnde étanrt cunve- nablement régl4s. Ceci est obtenu en attaquant un amplifica- teur 19 par unre sortie du dispositif 1-, oY apparaît un si- gnal de r-troaction fonction du phahsn_,e détecté en sortie de l'înplificateur difiérentiel 17. Ceci constitue un asser- v.emen...le struct.ure classioue, dont il est inutile de déve- onoper le foL;ioanement. Le courant délivré par l'amplifica- tieur 19 à la eàilule 10 est mesFur p..ir r amnpèremètre classi- oue, analog-ique ou numérique, ou encore par un dispositif /meti;eur de Tllmesure. Il est clair que le courant de comman- de de la cellule O10 est une irage f.dèle, en grandeur et si- gn-ie, du courant qui traverse le concuctour 1, tandis que le découplage en tePnson est aFsuré. Sur une igne de transport d'énergie é'e -'rue, le dispositif' de i'Viventicon assume la mame fonetion ou'un transformateur d'intensité. Par ailleurs, une avarie survern t sur le dispositLf de l'lnvention n'intro- duit pas de perturbations sur la ligne de transport, tandis oue l'on sait 'r- dangers Que présente un transformateur d'in- ternFité dont le secondaire se trouve en ciLrcuit ouvert. Z1 résulte de la formule ? que 1l sensibilité du disposi- t.iú croît avec le nombre de tour5 du spiralage de la fibre optique 2 sur le mandrin 1a. Der- considé'rations s'ur l'absorp- t ion de lunire, et l'émissFion "tum.u ': aans les fibres opti- ouea permettent de; d.finir des longueur? opt-.males de sp:ra- lage, ou -atte gnent plusieur m:]'lier? de mètreF. ri est c'-_ ar ou 'a ctua'clement les longueurs de,:-raage utilisables srSt liitêes para ies.iffi-. u,' - tehnJhr- 9 g-.e -e f abr" - tAcr. aC YUr r.e -:-^- t ar ai ieur, a t r;-?iti3 n e e? de e-uren, -- ritionr minimale tectabe de c.urlt t er relation r le miïnimum.e déph age iéte^cab.e, + le maxi mu_ de C c-ur_ mesurabl'e dépend de la longueur de coherence de la source laser. En effet, i, =eren-e ae cihemln opt+ inulite dans la fibre par l e chamrp magrL4ti aue cre par le coureat atteLnt 1 longueur 6e coh4renee, la mesure de S-phasage n'est plus significative.taut don;' onue les.originep Jet a- des deux faisceaux secondaires ns eor-t- ras alors '-',ré! Bien entendu le dispositif décrit admet de nombreuses va- riantes de structure sans sortir pour autant du cadre de l'in- vention. I1 est clair notammernt cua le modulateur acousto- optioue 12 pourrait être disposé sur le trajet du faisceau 22, et que la cellule de Farada, 10l pourrait être dispose entre la lame 8 et l'optique d'entr4e 2a de la fibre sans altérer le fonctionnement. En outre, on peut omettre la cellule de Faraday 10, avec l'amplificateur 19 et l'appareil de rmesure dans les applications qui ne requièrent pas la génération d'un courant image. De plus, on connaît des montages de détection optique cohérente qui permettent des mesuzes de dgphasage entre fais- ceaux =nterférents, avec détermi:ration du sens du déphaage, sans faire intervenir un dé'calage de fréquence er.tre fait- ceaux de mesure et faisceau de référence. I1 est clair que l'on peut remplacer alors l'ensemble du modul3teur acousto- optique 12, et du détecteur à balance h6térodyre 14,i5,16,7 par un montage du type oui donne -e so. le sens du déphasage, s' il procurent une immunité suffisante contre les bruits cor- ré1es avec le faisceau laser. l1 R E V E N D I CAT I 0 N S 1. Dispositif de mesure d'intensité de courant électri- aue dans un conducteur par effet magnéto-optiaue, ou un fais- ceeau lumineux polarisé issu d'une source cohérente chemine dans un milieu optique matériel soumis au champ magnétique cr,é par le courant, la mesure de courant résultant de la me- sure de variation de marche du faisceau sous l'effet du champ magnétiaue traversé, dispositif o le milieu optique matériel est constitué par une fibre optique avec deux faces d'extré- mité, spiralée autour du conducteur en sorte que le champ ma- gnétique soit dirigé longitudinalement dans la fibre, carac- térisé en ce qu'il comporte un moyen optiue séparateur adap- té à diviser le faisceau polarisé en deux faisceaux secondai- res à polarisation circulaire pénétrant respectivement dans la fibre par l'une des deux faces d'extrémité et émergeant par l'autre, et à rassembler les faisceaux émergents en coli- 4a-rité en sorte au'ils interfèrent, un moyen de détection re- cevnlt les faisceaux interf rents et délivrant un signal de *modulation différentielle. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce Lue le faisceau issu de la source coh'rente étant polarisé linéairement, le moyen optioue séparateur comporte deux lames ouqrt d'onde insFéres respectivement sur le trajet des fais- ceaux secondaires avec une orientation d'axe à 45 du plan de polarisation. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendica- tion 2, caraectrisé en ce que, sur le trajet du faisceau issu de la source cohérente est dispose un moyen de dSrivation d'un faireeau de référence, le moyen de détection comportant deux d'tecteurs à l'entrée d'un amplificateur différentiel, ces dé- tecteurs recevant chacun une composante du faisceau de réf4- rence et une composarnte des fa:sceaux:Lnterf-rents avec oppo- sition de phase entre lies compossntes homologues reçues par l'un et l'autre des détecteurs. 4. Dispositif selon la revendicatrin 3, carctérise en ce au'il comporte sur le trajet soit du faisceau de référence, soit du faisceau issu de la source un modulateur optioue d- plaçant d'une quantité choisie la frgquence du faisceau tra- versant. 5. DipFositif selon la revendication 3 ou l1a revendica- tion 4, cPracteris en ce ou'il csmporte, entre moyen sépara- teur et une face d'extrm'ité de la fibre optique, une cellule de Firadiy commarnd-'e rar courant, issue d'une source variable éou-rpe d'unr monen de mesure, en sorte de compenser la modu- lation induite dans l3 fibre par le champ magnétique. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen de détection attaoue un régulateur électro- nique commandant ladite source variable en sorte de compenser exactement la modulation induite.