Brevet FR2686423A1 — publié le 19930723

BOîTIER POLARIMETRIOUE DE MESURE DE L'ANGLE DE FARADAY La présente invention est relative à un boîtier polarimétrique pour la mesure de l'angle de Faraday. On connaît, pour la mesure de l'intensité du courant électrique, l'application de l'effet Faraday qui est rappelé ci-après: - le plan de polarisation d'une onde lumineuse se propageant dans un milieu optique effectue une rotation lorsqu'un champ magnétique est appliqué parallèlement à la direction de propagation de la lumière. De manière plus précise, et en se référant à la figure 1 représentant un faisceau lumineux traversant un barreau optique, on observe que dans un plan perpendiculaire au faisceau lumineux, le vecteur électrique t représentant le champ lumineux a tourné d'un angle ef tel que: ef = V H.L avec: if : angle de Faraday, V : constante de Verdet, caractéristique de chaque matériau et de la longueur d'onde de la lumière utilisée, H : champ magnétique, L : longueur orientée du trajet lumineux dans le matériau, Es : vecteur électrique de sortie. On rappelle que l'une des caractéristiques les plus remarquables de l'effet Faraday est la non réciprocité par rapport au sens de propagation de la lumière, de sorte que lorsque la lumière effectue un aller et retour dans la matériau optique, comme l'illustre la figure 2, l'angle de Faraday est doublé. On pourra se référer utilement, pour plus de détails sur l'effet Faraday, à de nombreuses publications et en particulier à : Techniques de l'ingénieur, Tome R1 (I) Mesures et Contrôles, pages R415-8 et R415-9. L'utilisation de l'effet Faraday pour la mesure de l'intensité du courant électrique est fort ancienne et peut être faite de différentes façons, suivant que l'on utilise un milieu sensible de type "verre massif" ou "fibre optique" autour du conducteur. Dans les deux cas, le trajet lumineux d'interaction devra faire une boucle fermée autour du conducteur pour "transformer" une mesure de champ magnétique en une mesure de courant, ceci en vertu du théorème d'Ampère qui peut être exprimé par l'équation C désignant le contour autour de l'élément conducteur parcouru par le courant I et n le nombre de tours effectués autour de l'élément. En pratique, l'utilisation de l'effet Faraday a pu réellement se développer grâce à l'apparition du laser et des diodes laser, puis à celle des fibres optiques. La figure 3 est une représentation schématique d'un transformateur de courant à effet Faraday. On distingue une barre 1 traversée par le courant à mesurer et portée à la haute tension; une fibre optique 2 faisant un ou plusieurs tours autour de la barre, sert d'élément sensible; la fibre est reliée à un boîtier de polarisation 3 duquel partent deux fibres optiques 4 et 5 qui transportent l'information de mesure, d'abord à travers une colonne isolante 6 puis dans un câble optique 7 jusqu'à un rack électronique de traitement 8. Le même câble optique et la même colonne servent à conduire une troisième fibre optique 9 alimentée par une diode laser 10 et reliant le rack 8 et le boîtier de polarisation 3, pour l'alimentation de la fibre sensible 2. La fibre sensible utilisée de préférence est une fibre monomode à faible biréfringence. Comme le montre schématiquement la figure 4, la mise en oeuvre de l'effet Faraday nécessite l'utilisation d'un polariseur d'entrée 12 et d'un analyseur de sortie 13. Ce dernier est un dispositif permettant de générer deux faisceaux sur deux axes orthogonaux, respectivement à 45 du polariseur d'entrée. On se reportera au schéma de la figure 5, dans lequel Ef désigne le vecteur lumineux à l'entrée de l'analyseur et El et E2 ses deux composantes sur les axes orthogonaux précités. On a ainsi les relations suivantes: El = Ef cos ( ef + Ty4) E2 = Ef sin ( ef + #/4) et, en désignant par I1 et I2 les intensités lumineuses en sortie de l'analyseur: il = ||E1|| = Io cosy (f + #/4) I2 = iiEa = Io sin (ef * /4) Après calculs: Il = Io/2 (1 - sin(2if)) I2 = Io/2 (1 + sin(2ef)) On rappelle que Of est un angle proportionnel à l'intensité du courant I traversant la barre, qui est un courant alternatif à la fréquence du réseau (en France: 50 Hz). = = nV I six ut où n est le nombre de tours de la fibre sensible autour de la barre, # la pulsation du courant et V la constante de Verdet. Les signaux optiques obtenus en sortie de l'analyseur sont donc des signaux modulés en intensité. Un premier but de l'invention est de choisir un polariseur d'entrée d'excellente qualité, c'est -à-dire que le taux de polarisation (rapport entre la polarisation passante et la polarisation bloquée) doit être meilleure que 1/100.000 sur toute la gamme thermique de fonctionnement du transformateur de courant. Les transformateurs de courant sont souvent placés dans des postes en extérieur, de sorte que la gamme thermique s'étend de - 50"C à + 80 C. Le polariseur ne doit pas dévier le faisceau, car si c'est le cas, cette déviation variera avec la température. Le polariseur d'entrée ne doit pas être constitué de sous-ensembles qui, par suite des dilatations différentielles pourront se briser. Cette condition prohibe l'utilisation d'un polariseur à couches multidiélectriques, d'un polariseur à absorption (genre polaroïd) et d'un biprisme de spath (genre Glazebrook). L'analyseur de sortie doit lui aussi avoir un excellent taux de polarisation dans toute la gamme de température et ne doit pas comporter plusieurs éléments rendant l'ensemble fragile en raison des dilatations différentielles. il doit en outre générer deux faisceaux de sortie polarisés perpendiculairement. On connaît l'analyseur Wollaston qui remplit cette fonction. Mais ce dernier ne peut être utilisé, car les variations thermiques en exploitation entraîneront sa destruction; par ailleurs, les angles de séparation entre les polarisations sont variables avec la température et de façon différente. Enfin, la position géométrique de l'analyseur dans l'espace doit être précise pour que les deux faisceaux pénètrent dans les fibres de transport. Les déviations mentionnées ci-dessus interdisent l'utilisation du Wollaston. Un boîtier de polarisation comporte nécessirement une lame semi-réflechissante pour prélever le faisceau lumineux à la sortie de la fibre sensible. La lame de prélèvement ne doit pas engendrer une polarisation elliptique Le support de l'ensemble doit être le plus stable possible malgré les variations de température et doit pouvoir être étanche pour placer l'ensemble optique dans un milieu dépourvu d'humidité. Tous ces problèmes sont résolus par le boîtier de polarisation de l'invention. L'invention a en effet pour objet un boîtier de polarisation pour un transformateur de courant du type à effet Faraday destiné à la mesure de l'intensité du courant traversant un conducteur électrique et comprenant une fibre optique sensible faisant au moins un tour autour dudit conducteur et alimentée par une source de lumière, caractérisé en ce qu'il comprend un bloc parallélépipédique en céramique stable avec la température, comportant une cavité sensiblement parallélépipédique, ledit bloc comprenant, sur un premier petit côté, un premier, un second et un troisième alésage recevant respectivement un premier, un second et un troisième connecteurs à fibre optique reliant de manière étanche l'extérieur et l'intérieur de ladite cavité, ledit bloc comprenant sur un second petit côté opposé audit premier petit côté un alésage recevant un quatrième connecteur à fibre optique reliant de manière étanche l'extérieur et l'intérieur de ladite cavité, ladite cavité comportant un polariseur constitué d'un monobloc parallélépipédique massif de spath d'islande dont une première petite face est placée devant le premier connecteur équipé d'une fibre d'alimentation traversée par la lumière émise par ladite photo-diode, le faisceau non dévié dudit polariseur étant reçu par ledit quatrième connecteur optique auquel est reliée une première extrémité de ladite fibre sensible, la seconde extrémité de ladite fibre sensible étant reliée à un embout muni d'un miroir et placé dans un cinquième alésage, borgne, pratiqué dans ledit second petit côté, ladite cavité contenant une lame semi-réfléchissante de prélèvement placée à la sortie du polariseur et renvoyant le faisceau lumineux provenant dudit quatrième connecteur optique sur un miroir de repli disposé dans la cavité au voisinage du second petit côté, ledit miroir renvoyant ledit faisceau sur un analyseur constitué d'un monobloc massif de spath d'Islande qui émet en sortie un premier faisceau dirigé sur ledit premier connecteur et un faisceau dévié dirigé sur le second connecteur, l'angle d'incidence du faisceau issu du polariseur sur la lame de prélèvement étant au plus égal à trois degrés d'angle, la cavité étant fermée de manière étanche par un couvercle réalisé dans le même matériau que ledit bloc et remplie d'un gaz sec. De préférence, ladite céramique est celle connue sous la marque ZERODUR de la société SCHOTT. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description d'un mode de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est un schéma illustrant l'effet Faraday, - la figure 2 est un schéma expliquant le phénomène de non réciprocité de l'effet Faraday, - la figure 3 est une représentation schématique d'un transformateur d'intensité à effet Faraday, - la figure 4 est un schéma expliquant la mise en oeuvre de l'effet Faraday pour la mesure de l'intensité d'un courant électrique, - la figure 5 est un diagramme vectoriel illustrant la mesure du courant électrique au moyen de deux faisceaux de lumière polarisés à angle droit, - la figure 6 est une vue en coupe d'un boîtier de polarisation selon l'invention, -~ la figure 7 est une vue en coupe selon la ligne VII-VII de la figure 6, - la figure 8 est un schéma expliquant le déplacement du faisceau dévié issu d'un cristal de spath d'islande en fonction de la température. Les figures 1 à 5 ont déjà été commentées et l'on n'y reviendra pas. La figure 6 représente un boîtier de polarisation selon l'invention. Le boîtier comprend une pièce 20, de forme sensiblement parallélépipédique dans laquelle est pratiquée une cavité 21 de forme parallélélpipédique. La pièce 20 est réalisée dans une céramique stable malgré les variations importantes de température (- 50"C, + 80 C). On choisit de préférence le matériau connu sous la marque ZERODUR de la société SCHOTT. Un couvercle 22, également en ZERODUR, peut fermer la cavité de manière étanche, par exemple par collage. La cavité peut être remplie de gaz sec,tel que l'air ou l'azote, de manière à éviter tout risque de condensation sur les organes optiques placés à l'intérieur de la cavité. L'utilisation du ZERODUR comme matériau du boîtier et du couvercle est une caractéristique de l'invention. Cette utilisation assure une parfaite stabilité malgré les variations de la température ambiante. Un petit côté 2OA du boîtier comprend un premier, un second et un troisième alésages dans lesquels sont engagés, de manière étanche, un premier, un second et un troisième connecteurs à fibre optique, respectivement référencés 31, 32 et 33. Ces connecteurs servent chacun de traversée étanche à une fibre optique et sont munis, à leur extrémité côté cavité, d'une lentille plan-convexe, respectivement 31A, 32A et 33A. Le premier connecteur 31 reçoit une première fibre optique 41 reliée à une source de lumière non représentée, de préférence une diode laser, dont la lumière est envoyée sur le polariseur 50; les second et troisième connecteurs reçoivent respectivement une seconde 42 et une troisième 43 fibres optiques pour véhiculer les signaux de sortie de l'analyseur 60. Selon une autre caractéristique de l'invention, le polariseur 50 est constitué d'un monobloc de spath d'islande qui présente le phénomène de donner naissance, à partir d'un faisceau de lumière naturelle reçu normalement à sa face d'entrée, à deux faisceaux parallèles polarisés à angle droit, l'un non dévié, l'autre dévié. Seul le faisceau non dévié 51 est utilisé et reçu sur un quatrième connecteur 34 à fibre optique traversant de manière étanche le second petit côté 2OB du boîtier. Le connecteur 34, muni à son extrémité côté cavité d'une lentille plan-convexe 34A, reçoit sur son autre extrémité une fibre optique 35, constituant la fibre sensible du transformateur d'intensité et qui est enroulée selon un ou plusieurs tours autour de la barre électrique 70 dont on désire mesurer le courant. La lumière parcourant la fibre 35 est réfléchie par un miroir 75 disposé à l'extrémité d'un cinquième connecteur optique 36 placé dans un trou borgne de la face 20B du boîtier et recevant l'extrémité de la fibre sensible 35. On rappelle que ce miroir sert à doubler l'effet Faraday et à annuler la biréfringence circulaire. Le miroir a reçu préférablement un traitement métallique à base d'or pour obtenir une réflexion maximale et éviter tout risque d'oxydation de la couche réflectrice. On notera que le miroir 75 est placé à un endroit très proche du quatrième connecteur 34, de sorte que la boucle optique constituée par la fibre 35 est à peu près complètement fermée, ce qui permet de respecter le théorème d'Ampère. Le faisceau lumineux renvoyé par le miroir 75 retraverse le quatrième connecteur 34 et est reçu sur une lame de prélèvement 80. Selon une caractéristique de l'invention, la lame 80 est orientée le plus près possible de l'angle d'incidence nul, en tout cas de manière à réaliser un angle d'incidence au plus égal à 3 degrés d'angle. En effet, un angle supérieur conduirait à modifier la polarisation du rayon lumineux réémis, car les coefficients de réflexion parallèle (R ) et perpendiculaire (R ) sont différents et présentent un déphasage. Le faisceau lumineux 52 est renvoyé sur le polariseur 60 par un miroir 85, placé dans la cavité près du petit côté 2OB du boîtier. L'analyseur 60 est constitué d'un monobloc de spath d'Islande, dont on utilise les propriétés de biréfringence. Le faisceau incident 53 donne naissance à un faisceau non dévié reçu sur la fibre optique 42 à travers le connecteur 32, et à un faisceau dévié, parallèle au précédent, reçu sur la fibre optique 43 à travers le connecteur 33. L'utilisation d'un spath d'islande comme analyseur, qui est une caractéristique fondamentale de l'invention, présente un grand avantage: la déviation produite par le bloc (figure 8) sur le faisceau dévié est: d = l.tg a = l.((ne - no)/no) no et ne désignant respectivement les indices ordinaire et extraordinaire du monobloc. La distance d du faisceau de sortie à l'axe optique du monobloc varie avec la température en raison des variation corrélatives de 1 et de a. Ces variations sont faibles, mais ce qui est important, c'est que le faisceau de sortie du monobloc reste parallèle, de sorte qu'au foyer de la lentille plan-convexe 32A, on observe une légère variation d'ouverture et non de position. Dans la figure 8, le faisceau en traits pleins représente le faisceau dévié pour une température donnée; le faisceau en traits interrompus représente le faisceau dévié pour une valeur différente de la température et une valeur différente a' de l'angle a. Bien entendu, les écarts ont été exagérés pour la clarté du dessin; dans la réalité ils sont bien plus faibles. On rappelle que l'analyseur de Wollaston présente, lorsque la température varie, une variation angulaire de l'angle de séparation, ce qui se traduit par un déplacement du point de focalisation. L'analyseur 60 est monobloc et massif, de sorte qu'il ne présente aucun risque de destruction en raison des variations de température, comme ce serait le cas d'un analyseur de Wollaston fait de deux prismes collés orientés différemment et qui présentent donc des dilatations différentielles engendrant une rapide destruction. Les lentilles plan-convexe utilisées sont avantageusement réalisées en silice. Le polariseur 20, la lame 80 et le miroir 85 sont collés au fond de la cavité; l'analyseur 60 est placé sur un bloc prismatique 66, collé au fond de la cavité et de base triangulaire, de sorte que l'analyseur est disposé obliquement, comme le montre la figure 7. Cette disposition permet de réduire la profondeur de la cavité. Les connecteurs optiques sont réalisés de manière à assurer une parfaite étanchéité entre l'intérieur et l'extérieur de la cavité et pour éviter toute contrainte sur la fibre optique qu'ils contiennent. De tels connecteurs sont décrits en détail dans la demande de brevet français déposée le même jour et au même nom que la présente demande. Avant scellement du couvercle 22, le boîtier subit un traitement de dessication et est rempli de gaz sec tel que l'air ou l'azote. Le boîtier de l'invention, par le choix des éléments qui le constituent et par leur disposition mutuelle, permet de constituer une pièce maîtresse d'un transformateur de courant, en s'affranchissant des trop grandes variations du flux lumineux, dues notamment aux variations de température, que le dispositif électronique de traitement du signal ne pourrait compenser. REVENDICATIONS Boîtier de polarisation pour un transformateur de courant du type à effet Faraday destiné à la mesure de l'intensité du courant traversant un conducteur électrique et comprenant une fibre optique sensible faisant au moins un tour autour dudit conducteur et alimentée par une source de lumière, de préférence une diode laser, caractérisé en ce qu'il comprend un bloc parallélépipédique (20) en céramique stable avec la température, comportant une cavité (21) sensiblement parallélépipédique, ledit bloc comprenant, sur un premier petit côté (20A), un premier, un second et un troisième alésage recevant respectivement un premier(31) , un second (32) et un troisième (33) connecteurs à fibre optique reliant de manière étanche l'extérieur et l'intérieur de ladite cavité, ledit bloc comprenant sur un second petit côté (20B) opposé audit premier petit côté un alésage recevant un quatrième connecteur (34) à fibre optique reliant de manière étanche l'extérieur et l'intérieur de ladite cavité, ladite cavité comportant un polariseur(50) constitué d'un bloc parallélépipédique massif de spath d'Islande dont une première petite face est placée devant le premier connecteur équipé d'une fibre d'alimentation (41) traversée par la lumière émise par ladite photo-diode, le faisceau non dévié dudit polariseur étant reçu par ledit quatrième connecteur optique auquel est reliée une première extrémité de ladite fibre sensible (35), la seconde extrémité de ladite fibre sensible étant reliée à un embout (36) muni d'un miroir (75) et place dans un cinquième alésage, borgne, pratiqué dans ledit second petit côté, ladite cavité contenant une lame semi-réfléchissante(8O) de prélèvement placée à la sortie du polariseur (50) et renvoyant le faisceau lumineux provenant dudit quatrième connecteur optique sur un miroir de repli (85) disposé dans la cavité au voisinage du second petit côté, ledit miroir renvoyant ledit faisceau sur un analyseur (60) constitué d'un bloc massif de spath d'Islande qui émet en sortie un premier faisceau dirigé sur ledit premier connecteur (32) et un faisceau dévié dirigé sur le second connecteur (33), lesdits premier et second connecteurs étant munis respectivement d'une fibre optique (42, 43) envoyant les signaux de mesure à un dispositif de traitement, l'angle d'incidence du faisceau issu du polariseur (50) sur la lame de prélèvement (80) etant au plus égal à trois degrés d'angle, la cavité étant fermée de manière étanche par un couvercle (22) réalisé dans le même matériau que ledit bloc et remplie d'un gaz sec. 2/ Boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite céramique est celle connue sous la marque ZERODUR de la société SCHOTT. 3/ Boîtier selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits connecteurs optiques (31, 32, 33, 34) comprennent, du côté de la cavité, une lentille plan-convexe ((31A, 32A, 33A, 34A) en silice. 4/ Boîtier selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'analyseur (60) est disposé dans la cavité sur un support prismatique (66) à base triangulaire.