Brevet FR2623910A1 — publié le 19890602

"Dispositif de mesure sans contact de champs électriques qui se modifient statistiquement et/ou dans le temps L'invention concerne un dispositif pour la mesure sans contact de champs électriques varia- bles statistiquement et/ou dans le temps jusqu'au domaine dans les GH avec utilisation de l'effet Pockel dans z des cristaux optiquement-actifs, pour lequel le cristal en tant que dispositif sensitif est exposé à 'influence des champs électriques. Dans la technique et dans la recherche industrielles, il surgit souvent le problème de la mesure de la tension dans des conditions de mesure fortement réduites comme 1 - séparation de potentiel c'est-à- dire aucune terre de mesure/masse doit être emmenée. 2 - conversion.du signal de mesure sans trouble dans des chemps électro-magnétiques disper- ses, spécialement aussi dans les champs de parasites de haute fréquence. 3 - mesure dans des conditions d'environ- nement rendues plus difficiles (hautes températures, espaces présentant un danger d'explosion, formation d'étincelles, ou liquides agressifs). 4 - plus petites dimensions de la sonde de mesure afin de ne pas influer fortement sur le champ à mesurer. 5 - palpeur constitué par une substance diélectrique, puisque le métal perturbe la répartition de champ indiquée (résultats de mesure faussés), un isolant d'autre partlui-même ne porte aucun courant et le danger de surchage électrique sur la sonde de mesure est petit et 6 particulièrement pour les champs de haute fréquence, transport selon une grande largeur de bande. Les procédés de mesure connus généra- lement utilisent à cette fin des dispositifs de détec- tion (capteur) métalliques comme une bobine de Rogowski ou un diviseur de tension à capacité. De telles méthodes de mesure présentent des inconvénients importants. Les mesures qui peuvent être effectuées possèdent uniquement une largeur de bande dans la zone de 70 à 80 MH avec z la conséquence que les signaux sont exacts seulement à 12 à 14 sec. Avec les détecteurs métalliques ils ne peuvent pas y être mesurés la plupart du temps là o les mesures sont véritablement intéressantes, principalement dans les zones avec des intensités de champ électrique élevées comme par exemple dans les chambres à pseudo- étincelle ou des appareils compliqués semblables. Dans l'ensemble, il se produit souvent des altérations importantes du signal effectif des perturbations à haute fréquence par résonance ou vibra- tions des sondes et des problèmes de mise à la terre. Le domaine du problème sur lequel repose l'invention se situe en ce que l'on propose une méthode de mesure ou un dispositif de détection des tensions sans contact et sans perturbation sensible du phénomène à mesurer (en premier lieu l'intensité du champ électrique ou des processus qui sont perturbés par une sonde dé mesure métallique conductrice du courant) ou des inten- sités de champ électriques peuvent être mesurées pour lesquelles une largeur importante de bande, une mesure dépourvue de potentiel, de petites dimensions, une uti- lisation plus sure également dans des conditions de mesure plus difficiles comme les champs parasites électro- magnétiques (champs à haute fréquence, des températures élevées ou basses ainsi que des environnements agressifs du point de vue chimique doivent pouvoir être garantis. En outre, le dispositif de détection ne doit pas seulement rendre possible la mesure de champs électriques sur des endroits qui jusqu'ici n'étaient pas accessibles à une mesure, et-il doit mettre l'utilisa- teur en mesure de maîtriser lui-même des problèmes de mesure plus difficiles d'une manière non compliquée. La solution de ce problème est caracté- risée en ce que: a) le capteur de cristal est combiné avec un autre solide ayant une constante diélectrique diffé- rente, b) le capteur de cristal et le solide se rejoignent sur la partie de surface commune, c) la lumière au moyen d'un conducteur d'onde lumineuse sur le capteur de cristal et apres transmission ou réflexion en tant que support d'informa- tion est conduite à un détecteur au moyen d'un autre conducteur lumineux et - d) la lumière avant l'entrée dans le capteur de cristal subit une polarisation et une rotation de phase de la lumière transmise à l'aide d'un analyseur est transformée en une modification d'intensité à mesurer par un détecteur. D'autres améliorations de l'invention sont caractérisees en ce que: la forme et la constante diélectrique du solide sont choisis de sorte que les lignes de champ électriques E parcourent parallèlement les unes par rapport aux autres le capteur de cristal et sont situées perpendiculairement à deux surfaces extérieures se faisant face du capteur de cristal, la lumière qui amenée très près du conducteur d'onde lumineuse est dirigée parallèlement et est tournée à l'aide d'une feuille de polarisation de sorte qu'il se situe dans un angle de 450 par rapport à la densité du champ électrique E, lequel à nouveau se situe perpendiculairement au plan du capteur de cris- tal et que la lumière qui doit être transmise traverse une feuille d'analyseur avant d'être couplée dans le conducteur de lumière supplémentaire, le dispositif détecteur de cristal est composé d'un cristal de Bi4, Ge3, 012 ou de Bi4, Si3, 012 et que le composé additionnel est composé d'une matière plastique et que ces deux solides sont suscepti- bles d'être en forme carrée; Les avantages particuliers de l'invention consistent en ce que: a) les dispositifs détecteurs optiques sont constitués d'une substance diélectrique, également au contraire de leur précurseurs métalliques peuvent être mis en jeu directement à l'endroit d'intensités de champ électriques elevés, b) en conséquence de a) il est établi que le dispositif de détection optique ne perturbe pas le phénomène, ou seulement accessoire, que l'on veut mesurer, c) il ne donne aucune influence de pulsion électromagnétique et ainsi, également, aucun problème de mise à la terre et d) une largeur de bande élevée dans la zone de 1 à 100 GH est rendue possible avec les exemples: z cristal optique 40 GH z résolution du temps 25 psec conducteur d'onde lumineuse 400-800 MHz/km, -. 2623910 4-8 CHz par 100 m de grande longueur d'onde (LWL). z Un autre avantage des procédés de mesure optiques comme celui-ci, est que eux-mêmes par utilisa- tion de beaucoup d'emplacements de mesure (jusqu'à 60 et plus, ceci dépend du système de détection), tous les signaux sont synchronisés automatiquement c'est-à- dire qu'il ne se produit aucune erreur de corrélation dans le temps par gonflements différents du Trigger (déclencheur). L'invention va être explicitée d'une manière plus précise dans ce qui suit sur la base d'un exemple d'exécution à l'aide des figures: - la figure 1 montre une chambre à pseudo-étincelle avec une diode, - la figure 2 montre les lignes équipotentielles détermi- nées du système selon la figure 1, - les figures 3a à 3f montrent une coupe à partir de l'isolant représenté en noir - électrodes à droite - surface blanche, - la figure 4 montre l'assemblage de mesure de principe pour la détermination des tensions/champs électriques à l'aide du dispositif de détection à fibres optiques - la figure 5 montre un montage détaillé du dispositif de détection, - les figures 6 et 7 montrent la relation graphique entre l'intensité lumineuse I/Io des dispositifs de détection à fibres optiques et l'intensité du champ électrique E ou le temps t, - les figures 8, 9 et 10 montrent l'interprétation de quelques mesures. A la figure 1 il s'agit à cet égard d'un système plasma-physique dont le mode de fonction exact est jusqu'ici inconnu. L'état de fonctionnement est comme suit: Entre l'anode 2 et la cathode 3 une tension de 100 Nanosec. au maximum de longueur et d'une amplitude allant jusqu'à 800 KV est appliqué. A l'intérieur 4 de la diode 1 règne une pression gazeuse de 0,3 mbar environ d'hydrogène. La totalité du dispositif se trouve dans de l'eau déminéra- lisée 5 comme isolant. L'objet de la mesure est alors dans ces conditions extrêmes, d'établir la répartition du potentiel sur les électrodes intermédiaires 6 du système (partie hachurée). Les isolants 7 sont représen- tés en pointillés. La figure 2 montre, en effet, les lignes équipotentielles déterminées du sytème selon la figure 1 avec seulement 6 électrodes intermédiaires 6 en tenant compte des constantes diélectriques des matériaux qui se produisent comme les électrodes intermédiaires 6, les isolants 7 et l'eau 5. Les figures 3a à 3f montrent, en effet, avec une résolution plus fine une coupe à partir de la région de l'isolant 7 en noir - électrodes 6 (à droite surface blanche), dans la figure 3a d'abord sans cristal (capteur 8). Si on ajoute alors un cristal quadratique 8 dans la région correspondante, on reconnaît aux figures 3b à 3d que les lignes d'équipotentiel ne se situent Jamais perpendiculairement à deux surfaces qui se font vis-à-vis 9 et 10, souvent aussi les lignes de potentiel quittent latéralement le cristal 8, indépen- damment de la position de celui-ci. Etant donné que les lignes de champ électrique E sont situées perpendiculai- rement aux lignes d'équipotentiel, il n'est pas aussi garanti que le champ électrique E se tient perpendicu- lairement à la face 1, 1, 1 du cristal B; ceci est cependant une hypothèse pour une mesure correcte dans le cas transversal de l'effet Pockel utilisé selon l'inven- tion. A la figure 3f la solution selon l'inven- tion est montrée. Entre le cristal 8 et l'électrode 6 un autre solide 11 de même apparence que le cristal 8 mais ayant une constante diélectrique plus petite que celle du cristal 8 et du milieu environnant, est placé. Ce composé supplémentaire 11 agit maintenant comme une lentille des lignes de potentiel et entraîne que le vec- teur d'intensité de champ E électrique se situe perpen- diculairement à la surface des cristaux 9 ou 10 et ainsi perpendiculairement au plan 1, 1, 1 du cristal-6 coupé d'une manière correspondante. Le composé additionnel 11 peut être formé en tant que support du cristal 8 et des amenées ou sorties de lumière. La figure 4 montre, en effet, l'assemblage de mesure de principe pour la détermination des tensions/ champs électriques à l'aide du dispositif de détection à fibres optiques selon l'invention. La source de lumière 12 ne doit pas être nécessairement un laser. Des sources moins intenses suffisent également en fonction de la résolution dans le temps, désirée. La lumière du laser He/Ne 12 est couplée à l'aide de l'objectif de microscope 14 dans un conducteur multimo- dique d'onde lumineuse 15 et focalisé sur une surface du cristal 8. Le champ électrique E est caractérisé par une flèche. La lumière à transmettre est reprise d'un autre conducteur d'onde lumineuse 16 et amenée au détecteur 13. Le cristal 8 forme un dispositif de détection à fibres optiques pour l'intensité du champ électrique. A la figure 5 toutes les parties 8, 11, 19, 20 sont collées avec une colle époxyde optiquement transparente. A la figure 5 une lentille de lignes de potentiel 11 est représentée avec un champ E (flèche) qui est collée de face contre le cristal 8, parallèlement aux lentilles 17 et 18 sur l'extrémité 15 et le début 16 du conducteur d'onde lumineuse et aux conducteurs d'onde lumineuse et aux conducteurs d'onde lumineuse 15, 16, et simultanément sert de support stabilisant pour le cristal 8. Entre la lentille 17 ou 18 et le cristal 8 se trouvent une feuille de polariseur qui fait tourner la lumière de 45 19 ou une feuille d'analyseur 20 qui est reconnaissable avec une rotation de phase de la lumière. Les figures 6 et 7 montrent que la sensibilité du détecteur de cristal 8 a été déterminée par la longueur du cristal, laquelle est responsable également de la fréquence limite maximale ensemble avec la lon- gueur du conducteur d'onde lumineuse 15, 16. (Par utilisation d'un deuxième détecteur, spécialement pour des champs électriques élevés, variables rapidement dans le temps), l'univocation de l'intensité du champ électrique calculée à partir de la courbe d'intensité mesurée peut être conservée par comparaison. Dans la simulation (figure 7), la réponse du détecteur 8 à un champ électrique est représentée, celle-ci dépend d'une manière sinusoidale du temps. Le montage (figure 5) avec un-polariseur 19 parallèlement à l'analyseur 20 a l'avantage que l'intensité maximale Io est mesurée ensemble automati- quement et ne doit pas être mesurée d'une manière séparée, comme dans le cas o le polariseur 19 est monté perpen- diculairement à l'analyseur 20, ce qui entraine pour l'intensité I(t)une fonction sinusoïdale carrée. Le détecteur 8, 11 est mis en fonction- nement selon ce montage, en transmission. Un dispositif en réflexion serait également possible (en raison du montage plus complexe avec un miroir supplémentaire semi-transparent et ainsi une réduction corrélative de l'intensité). Le matériau du eristalest insoluble dans l'eau, la totalité du détecteur 8, 11 est cependant pour se protection versée dans une couche mince de silicone. Avec le montage d'essai représenté aux figures 4 et 5 le détecteur à fibres optiques 8, 11 a été essayé en comparaison avec deux procédés de mesure purement électriques encore possibles. Quoique le détecteur 8, il ait été développé pour des intensités de champ électrique sensiblement plus éléevées, il fonctionne aussi très bien pour ces valeurs plus petites. Les figures 8, 9 et 10 montrent, en effet, l'interprétation de quelques mesures. La courbe tirée à travers correspondante montre en permanence la mesure avec le détecteur (cristal BG0 8), les lignes en rayures reproduisent les signaux électriques. Ainsi Us signifie la tension, qui a été mesurée au moyen d'une sonde à haute tension, Utheo la tension calculée selon le réseau et U la tension mesurée à l'aide d'un diviseur r à ohm. La tension indiquée à l'aide du détecteur 8, Il et la tension mesurée électriquement sont en accord pour leur amplitude jusqu'à 4% environ. Le temps de disparition (constante de temps RC) du signal mesuré électriquement est nettement plus faible que le signal du détecteur, ce dernier correspond cependant avec moins de 2% avec l'analyse théorique du réseau. Si on regarde les signaux dans un espace de temps plus petit, on reconnait aussi la struc- ture fine des signaux sur la base de leur capacité et de leur inductivité de dispersion. Aussi bien le signal électrique (sonde) que le signal optique (détecteur) montrentdes oscillateurs dans la tension. La durée d'oscillation correspond à mieux que 2%. Ce que les mesures électriques restituent cependant d'une manière erronée, c'est le temps de montée des signaux ainsi que l'atténuation déjà mentionnée ci- dessus. Le rapport d'amplitude de l'oscillateur est également différent. Ces points peuvent être expliqués cependant par la tendance des sondes électriques à la différenciation. Elles simulent, par conséquent, des signaux plus rapides qu'ils existent réellement. Un rassemblement des données les plus importantes est montré encore une fois dans le tableau 1. Pour assurer une résolution dans le temps suffisant pour les mesures responsables de la réalisa- tion du détecteur 8, 11 et pour mettre en action l'enregistrement des signaux sans amplificateur électro- nique qui limite la largeur de bande et sans électro- nique pour le traitement directe du signal, les signaux lumineux sont repris à l'aide d'une caméra à image glissante (streak-caméra non représentée). Celle-ci a une résolution dans le temps meilleure que 2 picosecondes (ps). L'image qui se forme sur l'écran au phosphore de la caméra-streak est reprise par une vidéo caméra SIT et numérisée. On obtient ainsi une courbe d'intensité en fonction du temps - à partir de laquelle on peut calculer le champ électrique dépendant du temps ou de la tension. Un avantage supplémentaire du système de streak-caméra est que l'on peut reprendre jusqu'à 64 signaux simultanément et les corréler automatiquement au temps. Si on ne pose pas d'exigences aussi élevées à la capacité de résolution en fonction du temps ainsi qu'à la largeur de bande, des systèmes de détec- teurs sensiblement moins chers ou plus simples peuvent également trouver une utilisation. Dans le tableau 2 des données caractéris- tiques du cristal de détecteur 8 utilisé sont exposées. Comme matériau du cristal convient en particulier Bi4, Ge3, 012 ou Bi4, Si3, 012. Le composé additionnel 11 peut être i1 constitué par exemple de Plexiglas. Les formes de cristaux ou de composé additionnel, les matériaux et les géomètres dépendent essentiellement des exigences pour l'exactitude des mesures et du point d'utilisation du détecteur (eau, huile, ou autres). TABLEAU 1: Caractéristiques Electrique Optique Ecart Amplitude 25 KV 26,1 KV 4,2% Temps de montée 100 ns 200 ns 25% (0 bis 100%) /Ul 1,78 1,5 15,7% Durée de vibration 160 ns 157 ns 1,8% Durée de pulsation 13/27.5 ps 27 ps 50/1. 8% (RC) TABLEAU 2: 1 (t) Intensité lumineuse pour un champ E (t) appliqué I0 Intensité lumineuse Max (sans le champ électrique) no Indice de réfraction du BGO = 2.0975 r41 Coefficient électro-optique = 0,95 10 12 m/V L Longueur du Cristal = 7.5 mm 0 Longueur d'onde de la source = 633 nm lumineuse E (t) Valeur de l'intensité du champ électrique. R E V E N D I C A T IO 0 S 1 ) Dispositif de mesure sans. contact de champs électriques qui se modifient statistiquement et/ ou dans le temps jusqu'au domaine de GH en utilisant z l'effet Pockel dans des cristaux otpiquement-actifs, pour lequel le cristal est exposé en tant que dispositif sensitif à l'influence des champs électriques, caracté- risé en ce: a) que le capteur de cristal (8) est combiné avec un autre solide (ll)-ayant une constante diélectrique différente, b) que le capteur de cristal (8) et le solide (511)se rejoignent sur la partie de surface commune, c) que la lumière au moyen d'un conducteur d'onde lumineuse (15) sur le capteur de cristal-(8) et après transmission ou réflexion en tant que support d'information est conduite à un détecteur (13) au moyen d'un autre conducteur lumineux (16) et d) que la lumière avant l'entrée dans le capteur de cristal (8) subit une polarisation (19), et une rotation de phase de la lumière transmise à l'aide d'un analyseur est transformée (20) en une modi- fication d'intensité à mesurer par un détecteur (13). 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme et la constante diélectri- que du solide (11) sont choisis de sorte que les lignes de champ électriques (E) parcourent parallèlement les unes par rapport aux autres le capteur de cristal (8) et sont situées perpendiculairement à deux surfaces extérieures se faisant face (9, 10) du capteur de cristal (8). ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la lumière qui, amenée très près du conducteur d'onde lumineuse (15), est dirigée parallèlement (17) et est tournée à l'aide d'une feuille de polarisation (19) de sorte qu'il se situe dans un angle de 450 par rapport à la densité du champ électrique (E), lequel à nouveau se situe perpendiculairement au plan (1, 1, 1) du capteur de cristal (8) et que la lumière qui doit être transmise traverse une feuille d'analyseur (20) avant d'être couplée (11) dans le conducteur de lumière (10) supplémentaire. 4 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif détecteur de cristal (8) est composé d'un cristal de Bi4,Ge3, 012 ou de Bi#, Si3, 012 et que le composé additionnel (11) est composé d'une matière plastique et que ces deux solides (8 et 11) sont susceptibles d'être deforme carrée.