Brevet FR2535464A1 — publié le 19840504

i La présente invention se rapporte à la mesure des températures et/ou des courants électriques par effet Faraday et trouve une application plus par- ticulièrement dans le cas o cette mesure a lieu dans un environnement difficile, notamment sur des conduc- teurs électriques portés à une tension élevée par rap- port au sol ou dans des ambiances -soumises à des variations de température importantes. Le dispositif, objet de l'invention, met en oeuvre les techniques connues de mesure magnéto-opti- ques de courant. L'effet magnéto-optique utilisé est l'effet Faraday selon lequel le plan de polarisation d'un faisceau lumineux, polarisé linéairement, tourne d'un angle c sous l'effet d'un champ magnétique H créé par le courant à mesurer et proportionnel à l'intensité I de ce dernier L'angle X de rotation du plan de pola- risation de la lumière soumis au champ magnétique H est, en première approximation, proportionnel à ce champ et donc à l'intensité I qui lui a donné nais- sance On conçoit par conséquent facilement la possi- bilité de réaliser, en utilisant cet effet Faraday connu, un dispositif de mesure d'intensité électrique. En effet, de façon plus précise, l'angle a de rotation du plan de polarisation de la lumière est donné par la formule: J Ve J d *v formule dans laquelle: H est le champ magnétique créé, par le courant I à mesurer et auquel on soumet préci- sément un échantillon de lumière polarisée; t est La longueur d'interaction entre le champ et le parcours du rayon lumineux polarisé; Ve est une constante spé- X 2 2535464 cifique du milieu, appelée constante de Verdet Cette constante est importante pour les corps ferromagné- tiques et faible pour les corps diamagnétiques, tels que les fibres optiques Il est important par ailleurs de noter que, pour les milieux diamagnétiques, elle est indépendante de la température. D'après le théorème d'Ampère, on peut écrire: J dt =SI sur une courbe fermée, N étant le nombre de tours de la lumière autour du conducteur parcouru par l'inten- sité I. Ce qui revient à écrire Ca = Ve I, formule e qui établit la proportionnalité du courant I et de l'angle c Des dispositifs ampèremétriques de mesure d'intensité électrique bâtis sur l'effet Faraday sont décrits notamment dans les articles suivants: ( 1) "Mesure d'un courant par un ampèremètre à effet Faraday" par P HEROIN, Ch BENOIST et Y DE LA MARRE, publié dans la Revue Générale de l'Electricité, juillet- août 1967, p 1045; ( 2) "Optical Fibers for Current Measurement Applications" par A M SMITH, publié dans la Revue Op- tics and Laser Technology, février 1980, p 25. Dans cette technique, il a été proposé, pour mesurer le courant dans un conducteur, d'enrouler une fibre optique monomode autour du conducteur, de manière à augmenter la longueur d'interaction entre le champ magnétique et l'onde lumineuse se propageant dans la fibre optique De ce fait, on peut compenser la valeur faible de la constante de Verdet dans un milieu diamagnétique par une grande longueur d'inte- raction magnéto-optique et bénéficier de l'invariance de cette constante avec la température dans un tel milieu. Un dispositif de mesure d'intensité élec- trique par effet Faraday d'un type en soi connu est représenté sur la figure 1 ci-jointe Il comporte, en- roulée à la manière d'un solénoîde autour d'un conduc- teur 1 parcouru par un courant électrique I que l'on veut mesurer, une fibre optique 2 du type monomode et comportant une ou plusieurs spires autour du conduc- teur 1 L'extrémité d'entrée 3 de la fibre optique 2 est couplée par une lentille 4 à une source lumineuse polarisée linéairement qui peut être avantageusement par exemple une diode laser 5 L'extrémité de sortie 6 -de la fibre optique 2 est suivie d'une lentille 4 a et d'un dispositif d'analyse de la rotation du plan de polarisation de la lumière ayant parcouru la fibre op- tique 2 depuis son entrée en 3 dans celle-ci. Ce dispositif peut être par exemple un pris- me de Wollaston donnant deux faisceaux lumineux, d'in- tensités respectives Il et I 21 polarisés linéairement et orthogonalement, reçus par des moyens de détection de lumière connectés à un circuit électronique analo- gique calculant l'expression P = (Il-I 2)/(Il+I 2) Il est connu que cette expression P est égale à sin 20, valeur voisine de 20 lorsque (O est faible, ce qui est généralement le cas pour les champs magnétiques engendrés par les courants que l'on veut mesurer (par exemple, les courants circulant dans les réseaux de distribution électrique) Le circuit électronique fournit donc un signal proportionnel à l'intensité I à mesurer. Le dispositif d'analyse de la polarisation lumineuse à la sortie 6 de la fibre 2 peut être aussi bien d'ailleurs un cube séparateur associé à deux 4 2535464 polariseurs croisés ou, comme c'est le cas sur la figure 1, un cube séparateur polariseur 7 associé à deux photodiodes 8 et 9 détectant chacune des inten- sités I 1 et I 2 des deux faisceaux lumineux polarisés linéairement et orthogonalement Une unité électroni- que analogique 10 calcule ensuite le rapport 1 + 2 dont il a été question précédemment et qui est repré- sentatif de l'intensité I à mesurer dans le conduc- teur 1. Malheureusement, le dispositif connu de la figure 1 ne permet pas d'obtenir des mesures d'inten- sité précises et cohérentes si l'on ne prend pas la précaution de s'affranchir des phénomènes de biréfrin- gence linéaire parasite qui sont causés par de nom- breux phénomènes (procédé de fabrication, courbure de la fibre, variations de température) dans une fibre optique classique monomode Ces phénomènes parasites de biréfringence linéaire ont notamment l'inconvé- nient grave de détruire la linéarité de la polarisa- tion de l'onde lumineuse au cours de son trajet dans la fibre optique. Pour lutter contre cette difficulté, on a déjà proposé une solution qui consiste à torsader la fibre optique autour de son axe longitudinal pour an- nuler macroscopiquement les phénomènes de biréfrin- gence précédents Un tel dispositif, également connu, est représenté sur la figure 2 o l'on retrouve tous les éléments de la figure 1 à ceci près que, comme -l'indique schématiquement le profil d'une génératrice de la surface de la fibre optique alternativement en trait plein et en trait pointillé, cette dernière a 2535464 été torsadée longitudinalement avant d'être enroulée sous forme de solénoïde autour du conducteur 1 dans lequel passe l'intensité I à mesurer. En fait, si le dispositif de la figure 2 permet de conserver son caractère linéaire à la pola- risation de l'onde lumineuse traversant la fibre 2, la torsion de cette fibre optique provoque en revanche une activité optique systématique, en l'occurrence une rotation naturelle du plan de polarisation de la lumière, qui varie en fonction de la température Il en résulte par conséquent que si l'on utilise un dis- positif comportant la compensation de la figure 2 dans un milieu o la température évolue, sans prendre de précaution spéciale pour éliminer l'influence de cette température, il est impossible de distinguer dans la rotation résultant de ce plan de polarisation la com- posante qui est due aux variations de température et la composante due à l'effet Faraday proprement dit. La présente invention a précisément pour objet un dispositif de mesure de température et/ou d'intensité électrique à effet Faraday qui met en oeu- vre des moyens simples permettant, dans des disposi- tifs dérivés de celui de la figure 2 précédente, de séparer la composante de rotation du plan de polarisa- tion due à l'effet Faraday proprement dit de celle qui résulte des variations de température. Ce dispositif de mesure à l'aide de moyens magnéto-optiques comprenant-de façon connue une sonde constituée d'une fibre optique enroulée sous la forme générale d'un solénoïde et deux brins de fibre optique reliant ladite sonde à une entrée couplée à une source de lumière polarisée et à une sortie couplée à des premiers moyens de mesure de l'angle de rotation du plan de polarisation de la lumière entre son entrée et. sa sortie dans le système, la portion de fibre optique constituant la sonde étant torsadée autour de son axe longitudinal dans un sens unique indifférent, se caractérise en ce que les deux brins de fibre optique reliant ladite sonde respectivement à l'entrée et à la sortie du système sont torsadés en sens inverse, le nombre de tours de torsion dextrogyre de l'un des brins étant égal au nombre de tours de torsion sinis- trogyre de l'autre. D'après ce qui précède, on conçoit facile- ment que la sonde torsadée dans un sens unique indif- férent et située dans une ambiance à température variable, permet une mesure directe de cette tempéra- ture En effet, les deux brins de fibre optique reliant la sonde à l'entrée et à la sortie du système sont torsadés en sens inverse de façon à avoir une résultante de torsion nulle, ce qui signifie que les variations de température éventuelles du milieu ambiant induisent dans ces deux parties de la fibre des composantes qui sont complètement compensées. L'invention a également pour objet un dispo- sitif de mesure de température et/ou d'intensité élec- trique à effet Faraday du genre de ceux dans lesquels l'intensité électrique à mesurer parcourt un fil con- ducteur situé approximativement selon l'axe de la sonde, caractérisé en ce qu'il comporte en outre: à la sortie du système, une lame semitransparente sur la face de sortie de la fibre, apte à renvoyer selon le trajet inverse une partie au moins du faisceau lumineux vers l'entrée du système, à l'entrée du système une lame semi-transparente, inclinée à 450 sur le faisceau de lumière incident, apte à diriger une partie du faisceau lumineux de retour inverse vers des seconds moyens de mesure de l'angle de rotation du plan de polarisation de la lumière depuis son entrée dans le système. 7 2535464 Le dispositif de mesure perfectionné qui vient d'être décrit, comporte donc la détection de la rotation du plan de polarisation de la lumière ayant traversé le système selon deux modalités différentes. Des premiers moyens de mesure situés à la sortie du système déterminent la rotation de ce plan de rotation sur la partie de la lumière qui a traversé une fois le système; en revanche, des seconds moyens de mesure de. cet angle de rotation du plan de polarisation mesurent à l'entrée du système la rotation de la partie du faisceau lumineux qui a effectué, après réflexion sur une lame semi-transparente située à la sortie de la fibre, un trajet aller-retour dans celle-ci Il en ré- sulte que l'on détecte à la sortie du système une rotation du plan de polarisation de la lumière dont la grandeur s'exprime par la formule: S= V NI + î (T) formule dans laquelle Ve est la constante de Verdet, N le nombre de tours du solénoide constituant la sonde, I l'intensité à mesurer et a(T) une fonction de la température du lieu o se trouve la sonde, c'est-à- dire du voisinage immédiat du conducteur parcouru par l'intensité à mesurer En effet, les deux brins de couplage de la fibre optique avec la sonde à l'entrée et à la sortie, étant torsadés en sens inverse et avec une torsion résultante nulle, les variations de tempé- rature éventuellement rencontrées par ces deux brins sont parfaitement compensés et, seule, la portion de fibre optique correspondant au solénoïde constituant la sonde est réceptive aux variations de température, c'est-à-dire à la fonction a(T). A l'entrée du système, on recueille un signal 52 = 2 Ve NI, correspondant au double du signal de Faraday pour un trajet simple, mais cette fois sans composante correspondant à la température puisque les deux trajets étant effectués chacun dans un sens dif- férent, les deux composantes dues à la température à l'emplacement de la sonde s'annulent. On voit ainsi que le dispositif de -mesure perfectionné décrit permet d'obtenir la valeur du cou- rant par le signal recueilli sur la sonde d'entrée 52 et qu'il suffit de former, dans un calculateur, l'ex- pression 251-52 = 2 a=(T) pour obtenir la température On a donc bien réalisé ainsi un appareil capable de mesu- rer simultanément au même endroit, l'intensité parcou- rant un conducteur et la température dans l'environne- ment immédiat de ce même conducteur. De toute façon, l'invention sera mieux com- prise en se référant à la lecture qui suit de la des- cription de plusieurs exemples de réalisation du dis- positif de mesure, description qui sera faite à titre surtout illustratif et non limitatif en se référant aux figures 3 et 4 cijointes sur lesquelles: la figure 3 montre un mode de mise en oeuvre du dispositif de mesure selon l'invention, fonctionnant comme-une sonde de mesure de la tempéra- ture, la figure 3 a montre une variante de la sonde de la figure 3, la figure 4 représente un dispositif de mesure selon l'invention permettant à la fois la mesure d'une intensité électrique et de la température au voisinage immédiat du conducteur parcouru par cette intensité. Sur la figure 3, on a représenté un système comportant, comme sur la figure 2, une fibre optique 2 ayant une entrée 3 et une sortie 6, une sonde 11 sous forme d'un solénoïde comprenant un certain nombre de tours ou d'un dispositif comportant dans un plan P une fibre optique en épingle à cheveux ou en peigne comme 9 2535464 visible sur la figure 3 a Cette sonde 11 est reliée par deux brins de fibre optique 12 et 13 respective- ment à l'entrée 3 et à la sortie 6 du système Pour tout ce qui concerne l'alimentation en lumière polari- sée linéairement et la mesure de la rotation du plan de polarisation de la lumière à la sortie 6, les moyens utilisés sont classiques et peuvent être notam- ment identiques à ceux de la figure 2, cas représenté pratiquement sur la figure 3 o on les retrouve por- tant les mêmes nombres de référence. Selon l'invention toutefois, les deux brins de jonction de la fibre optique 12 et 13 sont torsadés en sens inverse, c'est-à-dire que le nombre de tours de torsion dextrogyre dé l'un des brins, 12 par exem- ple, est égal au nombre de tours de torsion sinistro- gyre de l'autre, 13 De cette façon, on parvient à une compensation exacte des effets induits par les varia- tions de température dans l'espace entourant les brins de fibres optiques 12 et 13 et la rotation du plan de polarisation lue à la sortie du calculateur 10 est fonction uniquement de la température qui règne au voisinage de la sonde 11 Bien entendu, selon linven- tion, la portion de fibre optique constituant la sonde 11 est également torsadée autour de son axe longitudi- nal, mais dans le même sens (qui peut être d'ailleurs dextrogyre ou sinistrogyre), tout le long de cette sonde 11. A titre d'indication, les deux brins 12 et 13 peuvent être constitués par une fibre optique mono- mode vendue par la firme ITT sous la référence T-1602 dont la rupture dynamique correspond à une torsion de 400 tours par mètre Dans l'exemple décrit, on a uti- lisé une torsion de 80 tours par mètre sur chacun des brins, ce qui conduit à une rotation w du plan de polarisation de la lumière égal à 200 d'angle pour une variation de température de 200 à 120 'C On obtient donc ainsi un dispositif de mesure fiable et de préci- sion très satisfaisante La sonde en forme de solé- -noide 11 a un diamètre de 5 cm et comporte 7 spires d'une fibre optique d'un diamètre de 0,5 mm Elle est également torsadée le long de son axe à 80 tours par mètre Dans l'exemple décrit, les deux brins 12 et 13 ayant la même longueur de 1 mètre, leur taux de tor- sion est évidemment le même Si pour des applications particulières, les deux brins 12 et 13 n'avaient plus strictement la même longueur,, il suffirait alors de respecter la condition de résultante nulle du nombre de tours de torsion dans un sens et dans l'autre pour chacun des brins. On peut remarquer encore, parmi les avanta- ges du dispositif objet de la figure 3, que la proxi- mité d'un conducteur électrique, à condition bien en- tendu qu'il ne soit pas placé à l'intérieur de la bou- cle du solénoïde 11, est sans influence aucune sur la mesure de la température, ceci en raison du théorème d'Ampère. Sur la figure 4, on retrouve une fois de plus les mêmes éléments que sur la figure 3, portant les mêmes références, à ceci près qu'un conducteur 1 parcouru par un courant I à mesurer est situé dans l'axe du solénoïde constituant la sonde 11 Par ail- leurs, et conformément à l'invention, deux lames semi- transparentes 14 et 15 sont situées respectivement à l'entrée 3 et à la sortie 6 du système La lame 14 est inclinée à 450 et permet de sortir le rayon lumineux 16 qui est utilisé dans les seconds moyens de mesure de l'angle de rotation du plan de polarisation de la. lumière, lesquels peuvent être de tout genre en soi connu Une deuxième lame semi-transparente 15 est située à l'extrémité 6 du brin de fibre optique 13 1 l 2535464 pour assurer le retour d'une partie du flux lumineux sur le trajet inverse vers l'entrée 3 de la fibre 12. Sur la figure 4, on a représenté, à l'entrée 3, des seconds moyens de lecture de la rotation de l'angle de polarisation identiques à ceux des figures 2 et 3; à la sortie du calculateur l Oa, on lit la grandeur 52 définie précédemment Des moyens identi- ques se situent d'ailleurs sur la sortie 6 du système o le calculateur 10 élabore la grandeur 51 Selon l'invention, les signaux 51 et 52 pré- sents respectivement sur les trajets lumineux 17 et 16 sont envoyés à leur sortie des calculateurs 10 et 10 dans un calculateur analogique 18 qui forment l'expression 2 Iî 512 ' laquelle représente la tempéra- ture dans la sonde 1 l La grandeur 52 à elle seule, est représentative, pour les raisons indiquées précé- demment, du courant I circulant dans le conducteur I à l'intérieur de la sonde 11. Bien entendu, dans le dispositif de la figure 4, la portion de fibre optique constituant le solénoïde 11 de la sonde est torsadée autour de son axe longitudinal dans le même sens, indifféremment d'ailleurs dextrogyre ou sinistrogyre; les deux brins de raccordement 12 et 13 de cette sonde Il avec les extrémités d'entrée 3 et de sortie 6 du système, sont- eux, torsadés en sens inverse, c'est-à-dire qu'ils comprennent un nombre de tours de torsion résultante nul. REVENDICATIONS 1 Dispositif de mesure de température et/ou d'intensité électrique à effet Faraday à l'aide de moyens magnéto-optiques comprenant de façon connue une sonde ( 11) constituée d'une fibre optique ( 2) enroulée sous la forme générale d'un solénoide et deux brins de fibre optique ( 12, 13)> reliant ladite sonde ( 11) à une entrée ( 3) couplée à une source de lumière polarisée ( 5) et à une sortie ( 6) couplée à des premiers moyens de mesure ( 7, 8, 9, 10) de l'angle de rotation du plan de polarisation de la lumière entre son entrée et sa sortie dans le système, la portion de fibre optique ( 2) constituant la sonde ( 11) étant torsadée autour de son axe longitudinal dans un sens unique indifférent, caractérisé en ce que les deux brins de fibre optique ( 112, 13) reliant ladite sonde ( 11) respectivement à l'entrée ( 3) et à la sortie ( 6) du système sont torsa- dés en sens inverse, le nombre de tours de torsion dextrogyre de l'un des brins étant égal au nombre de tours de torsion sinistrogyre de l'autre. 2 Dispositif de mesure selon la revendica- tion 1, du genre de ceux dans lesquels l'intensité électrique à mesurer parcourt un fil conducteur ( 1) situé approximativement selon l'axe de la sonde, ca- ractérisé en ce qu'il comporte en outre: à la sortie ( 6) du système, une lame semi-transpa- rente ( 15) sur la face de sortie de la fibre ( 2), apte à renvoyer, selon le trajet inverse, une partie au moins du faisceau lumineux vers l'entrée ( 3) du système, à l'entrée ( 3) du système une lame semi- transparente ( 14), à 450 sur le faisceau de lumière incident, apte à diriger une partie ( 16) du faisceau lumineux de retour inverse vers des seconds moyens de mesure ( 7 a, 8 a, 9 a, 10 a) de l'angle de rotation du plan de polarisation de la lumière depuis son entrée dans le système, un calculateur ( 18) formant l'expression (t%$ -Si) des grandeurs électriques présentes aux sorties res- pectives des calculateurs ( 10 et 10 a).