Brevet FR2702051A1 — publié le 19940902

DISPOSITIF OPTIQUE POUR LA MESURE DE L'INTENSITE DU COURANT ELECTRIQUE La présente invention concerne la mesure de l'intensité d'un courant électrique au moyen d'un dispositif optique faisant application de l'effet Faraday et du théorème d'Ampère. L'effet Faraday traduit la proportionnalité de l'angle Ef de rotation du plan de polarisation d'une lumière monochromatique, linéairement polarisée, traversant un10 milieu optique homogène au champ magnétique auquel le milieu est soumis. Le théorème d'Ampère transforme une mesure de champ magnétique en une mesure d'intensité par intégration du phénomène sur un contour fermé entourant un conducteur15 traversé par le courant électrique à mesurer. Le théorème d'Ampère peut être mis en oeuvre soit en faisant passer la lumière dans une fibre optique agencée en boucle fermée entourant le conducteur électrique, soit en la faisant passer dans un anneau de verre ou autre milieu20 transparent (dénommé en langue anglaise "Ring- glass") muni d'un trou central traversé par le conducteur et usiné de manière à faire décrire à la lumière, par une série de réflexions totales à 45 , un contour fermé C'est de cette deuxième solution dont il est question dans la présente25 demande de brevet. Comme on l'a dit plus haut, l'effet Faraday est un effet de polarisation qui nécessite l'emploi d'un polariseur d'entrée et d'un analyseur de sortie. On rappelle que si le polariseur et l'analyseur sont croisés à 45 V l'un de l'autre et si, de plus, l'analyseur de sortie est un séparateur de polarisation, on obtient deux signaux optiques Il et I 2 qui s'expriment en première approximation par les relations suivantes: Il = IO ( 1 + sin 2 Of) I 2 = IO ( 1 sin 2 Ef) dans lesquelles Io est l'intensité lumineuse traversant le système optique, généralement fournie par une diode laser, ou autre source de lumière monochromatique. Ces signaux sont transportés, généralement par fibres optiques, jusqu'à un appareil de conversion et de traitement électronique qui restitue, sous la forme désirée, la variable Of qui est une image du courant à mesurer. La principale difficulté rencontrée dans la réalisation des dispositifs optiques à anneau de verre pour la mesure, avec une grande précision, de l'intensité d'un courant électrique, est celui de la stabilité avec la température De tels appareils sont en effet placés dans des conditions climatiques très changeantes et la température ambiante peut varier dans une large gamme de valeur.15 Un but de la présente invention est de réaliser un dispositif permettant d'effectuer des mesures avec une température ambiante pouvant varier de - 600 C à + 600 C, tout en restant dans une classe donnée de précision. Pour bien comprendre les difficultés dues aux variations de température, on se référera à la figure 1, représentant schématiquement un dispositif optique à anneau de verre de l'art antérieur, et comprenant: un anneau de verre 1 traversé par le conducteur non représenté dont on mesure le courant, une fibre optique 2 alimentée en lumière par une diode laser non représentée et munie d'une lentille d'extrémité 3 (le faisceau de lumière incidentes est désigné par Io), un polariseur d'entrée 4, un analyseur de sortie 5 fournissant en sortie deux faisceaux de lumière Il et I 2 (un faisceau dit ordinaire et un faisceau dit extraordinaire), deux fibres optiques 6 et 7, munies respectivement de lentilles 8 et 9, pour acheminer les signaux vers un dispositif de conversion et de traitement électronique non représenté. Une première cause d'imprécision dans les mesures faites avec les dispositifs de l'art antérieur résulte du fait que des dispositifs sont nécessaires pour solidariser l'anneau de verre et le polariseur d'une part, l'analyseur 5 d'autre part Ces dispositifs sont en effet sujets à des dilatations différentes de celle de l'anneau de verre, de sorte que l'ensemble se modifie avec la température. Selon une caractéristique de l'invention, le polariseur, l'analyseur et les connecteurs de fibres optiques sont directement fixés à l'anneau par une colle souple non traversée par le faisceau lumineux. Une réalisation possible est de fixer lesdits composants dans une ou deux cavités usinées dans l'anneau. De la sorte, toute variation de température est ressentie de15 la même manière par les divers éléments du dispositif et toute conséquence qui serait due à une dilatation différentielle est supprimée. Une autre cause d'erreur du dispositif de l'art antérieur, due aux variations de température, résulte des considérations ci-après. Les signaux réels, issus de l'analyseur, s'écrivent: Il = To Tl 2 ( 1 + sin 2 Of) I 2 = To T 2 2 (l sin 2 Ef) o TO, Tl et T 2 ont les significations ci-dessous: TO représente la transmission du système commun aux deux faisceaux de sortie Il et I 2, Tl et T 2 représentent les transmissions respectives, différentes, des faisceaux Il et I 2. Il est possible, par un traitement électronique tel que celui décrit dans le brevet français no 92 00659 déposé le 22 janvier 1992 au nom du Demandeur et ayant pour titre "Dispositif de traitement de signaux issus d'un capteur optique à effet Faraday": 1 de rendre Tl = T 2 = T 12 par un asservissement entre voies basé sur un principe d'intégration, de s'affranchir du terme To T 12 Io en effectuant la division Il ±I 2 Mais du fait que la précision finale dépend du nombre de bits choisis pour la numérisation, il faut que la variation possible de To T 12 Io soit la plus faible possible. Le terme Io est proportionnel à la puissance de la diode laser émettrice; cette puissance est aisément stabilisée en puissance électrique et en température. C'est donc le terme To T 12 qu'il faut stabiliser le mieux possible. Comme on l'a vu en décrivant la figure 1, le faisceau optique doit être collimaté (c'est-à-dire rendu sensiblement parallèle) avant d'entrer dans le polariseur 4; de mêmes les faisceaux quittant l'analyseur 5 doivent être focalisés15 avant d'entrer dans les fibres 6 et 7; ceci est obtenu à l'aide de lentilles 3, 8 et 9. Lorsque la température varie, l'indice et la forme des lentilles varient, ce qui entraîne des défocalisations des faisceaux; par ailleurs, la fluctuation de direction du20 faisceau extraordinaire dans le séparateur est d'autant plus grande que la séparation exigée est grande; or on a besoin, compte tenu de la dimension des lentilles 8 et 9, de pouvoir écarter de manière notable les faisceaux Il et I 2. Pour toutes ces raisons, selon une autre caractéristique de la présente invention, les fibres utilisées pour les signaux de sortie sont de préférence des fibres "multimodes", dont la dimension du diamètre coeur peut être ajustéee pour éliminer les lentilles 8 et 9. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel: la figure 1 est un schéma d'un dispositif optique à anneau de verre selon l'art antérieur, la figure 2 est une vue de dessus d'un dispositif optique selon un premier mode de réalisation de l'invention, la figure 3 est une vue en élévation du même dispositif, la figure 4 est une vue de côté du même dispositif, la figure 5 est une vue de dessus d'un dispositif optique selon une variante de réalisation de l'invention, la figure 6 est une vue de côté du dispositif précédent, la figure 7 est une vue de dessus d'un dispositif optique à anneau de verre selon une autre variante de réalisation de l'invention. La figure 1 a déjà été commentée et on n'y reviendra pas. Dans les figures 2 à 4, on a représenté un anneau 10, usiné, servant d'élément sensible pour un dispositif optique de mesure de courant électrique Le matériau de l'anneau est choisi en fonction de la sensibilité désirée qui dépend de la valeur de la constante de Verdet du matériau A titre d'exemple, ce peut être de la silice ou du verre ou tout autre matériau transparent, homogène et isotrope.20 L'anneau présente deux faces planes parallèles 10 A et l OB, et une ouverture il à travers laquelle on fait passer le conducteur, non représenté, dont on désire mesurer le courant L'anneau comprend quatre bords 13, 14, 15 et 16, perpendiculaires deux à deux et biseautés à 45 , les faces25 des biseaux étant référencées 13 A, 14 A, 15 A et 16 A; les bords sont disposés de manière à définir un contour rectangulaire (ou carré) La surface de l'anneau se prolonge du côté des bords 13 et 16 par une excroissance délimitée d'une part par deux côtés perpendiculaires non biseautés 1730 et 18 respectivement parallèles aux bords 13 et 16, et d'autre part par des raccordements, non référencés, aux bords 13 et 16 Cette surface supplémentaire permet de fournir de la place à deux cavités 20 et 21 dans lesquelles sont logés respectivement un polariseur 23 et un analyseur35 24. La cavité 20 est ouverte sur la face 10 A de l'anneau tandis que la cavité 21 s'ouvre sur la face 10 B. Le polariseur 23 est un barreau massif parallélépipédique de spath d'Islande, orienté perpendiculairement au bord 14, et collé au fond de la cavité 20 au moyen d'une colle souple Une ouverture cylindrique relie l'intérieur de la cavité 20 au bord 18; cette ouverture sert à recevoir un embout 26 comprenant une fibre optique 27 terminée par une lentille 28; la fibre est10 reliée à une diode laser émettant une lumière monochromatique qui atteint une entrée du polariseur 23; en sortie du polariseur 23, la lumière polarisée, dont le trajet est représenté par le trait Io, pénètre dans le barreau par la paroi 20 A de la cavité qui est parallèle au15 bord 14; la lumière subit des rélexions successives sur les bords 14, 15 et 16 et pénètre dans la cavité 21 par le bord 21 A qui est parallèle au bord 15; la lumière pénètre dans le l'analyseur 24, qui est un barreau massif de spath d'Islande orienté perpendiculairement au bord 15, incliné à 45 ' par20 rapport au polariseur 23, et collé au fond de la cavité 21 par une colle souple La cavité 21 communique avec le bord 17 du barreau par des ouvertures cylindriques dans lesquelles sont engagés des embouts à fibre optique à 32 et 33 muniis respectivement de lentilles d'entrée 34 et 35. On observe que le théorème d'Ampère est complètement respecté puisque la lumière décrit exactement un contour fermé dans le champ magnétique du conducteur. Les cavités 20 et 21 peuvent être avantageusement remplies de gaz inerte sec et fermées chacune de manière étanche par un couvercle (respectivement 20 C et 21 C), réalisé dans le même matériau que celui de l'anneau. De la même façon, la surface extérieure de l'anneau, aux points d'impact du faisceau lumineux sur les surfaces biseautées, est protégée par une coupelle de protection35 étanche 22 réalisée dans le même matériau que celui de l'anneau. De la sorte, toutes les difficultés qui étaient dues aux dilatations différentielles sont supprimées Dans le cas o le polariseur ou l'analyseur ont des coefficients de dilatation différents de celui du matériau de l'anneau, la5 dilatation différentielle est absorbée par la colle de fixation et le trajet de la lumière n'est pas modifié. Les figures 5 et 6 représentent une variante de réalisation de l'invention; les éléments communs à ces figures et aux figures 2 à 4 ont reçu les mêmes numéros de10 référence. Dans cette variante, l'analyseur 24 est toujours un barreau de spath monobloc orienté à 45 par rapport au polariseur 23; il repose par exemple sur un support prismatique 46 L'embout de sortie 43 contient deux fibres15 44 et 45, multimodes, de plus grand diamètre que dans le cas précédent, disposées dans l'alignement de l'analyseur 24. Compte tenu de la puissance directement couplée dans ces grosses fibres ( de valeurs typiques comprise entre 50 et 400 gm), il est possible de supprimer les deux lentilles20 de sortie, ce qui contribue encore à la stabilité thermique du dispositif, car nous supprimons les lentilles, sujettes à variations, et le filet de colle nécessaire à les fixer. La figure 7 représente une autre variante de réalisation de l'invention, dans laquelle la lumière fait un double passage dans l'anneau autour de l'ouverture 11, ce qui double la sensibilité en raison du phénomène bien connu de non réciprocité de l'effet Faraday par rapport au sens de passage de la lumière. Les éléments communs à la figure 7 et aux figures précédentes ont reçu les mêmes numéros de référence. L'anneau ne présente qu'une seule cavité 50 dans laquelle sont logés tous les éléments optiques Tout d'abord, la cavité 50 contient un polariseur 51 orienté perpendiculairement au bord biseauté 14 Le faisceau de35 lumière Io, qui pénètre dans la cavité par une ouverture contenant un embout 26 à fibre optique 27 et lentille 28, traverse un polariseur 51 et, après avoir traversé une lame semi-réfléchissante 52, quitte la cavité 50 et fait un tour autour du trou il en se réfléchissant successivement sur les bords 14, 15 et 16; la lumière se réfléchit ensuite sur le 5 bord 17, qui a reçu localement un traitement réfléchissant 17 A, et fait un second tour autour du trou 11, dans le sens opposé au précédent; elle pénètre à nouveau dans la cavité , se réfléchit sur la lame 52 et, après une réflexion sur un miroir de renvoi 53, pénètre dans un analyseur constitué d'un bloc massif de spath d'Islande 54 Comme indiqué précédemment en référence à la figure 1, le faisceau ordinaire et le faisceau extraordinaire, en sortie de l'analyseur, quittent le dispositif optique par des fibres 44 et 45 Tous les éléments optiques contenus dans la cavité sont fixés au moyen de colle souple. La disposition précitée permet de doubler la sensibilité de l'appareil, mais au prix d'un appareillage légèrement plus complexe. L'anneau de verre usiné a l'avantage, par rapport aux dispostitifs de mesure de courant à fibres optiques, de n'être, une fois usiné, sous aucune contrainte On peut donc imaginer de l'utiliser comme milieu sensible pour plusieurs capteurs et traiter ainsi le coûteux problème de la redondance.25 La redondance existe, en effet, parce que l'on soupçonne la faiblesse d'un ou plusieurs éléments d'une chaîne de mesure. Dans le cas d'un capteur à fibres optiques, il sera nécessaire de faire redondance sur pratiquement tout (électronique, laser, fibre de transport), mais les éléments très stables comme les polariseurs en spath monobloc et l'anneau de verre seront unitaires. On pourra ainsi, pour effectuer des redondances, disposer dans chaque cavité de multiples emboutss de fibres nécessaires au nombre de capteurs désirés et faire traverser l'anneau, le polariseur et l'analyseur par plusieurs faisceaux lumineux de sources indépendantes. REVENDICATIONS 1/ Dispositif optique à anneau de verre ou autre matériau transparent pour la mesure de l'intensité électrique d'un courant parcourant un conducteur, comprenant un anneau 5 monobloc muni d'une ouverture pour le passage dudit conducteur et des surfaces biseautées pour permettre à un faisceau lumineux entrant dans l'anneau par un bord donné d'effectuer au moins un tour complet autour de l'ouverture avant de ressortir à l'extérieur de l'anneau, le dispositif10 comprenant en outre un polariseur, un analyseur et des embouts de fibres optiques, caractérisé en ce que le polariseur ( 23), l'analyseur ( 24) et les embouts de fibres optiques ( 32, 33) sont supportés et fixés dans une ou plusieurs cavités ( 20, 21) usinées dans l'anneau lui-même15 par l'intermédiaire d'une colle souple qui n'est pas traversée par le faisceau lumineux. 2/ Dispositif optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que la ou les cavités ( 20, 21) emprisonnent un gaz sec et sont fermées de manière étanche par des couvercles ( 20 C,20 21 C). 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les surfaces biseautées ( 13 A, 14 A, A, 16 A) sont équipées de coupelles fermées ( 22) de manière étanche emprisonnant un gaz sec. 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la cavité ( 20) contenant le polariseur ( 23) communique avec une ouverture dans laquelle est logé un embout ( 26) contenant une fibre optique ( 27) terminée par une lentille ( 28).30 5/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la cavité ( 21) contenant l'analyseur ( 24) communique avec deux ouverture dans lesquelles sont logés deux embouts ( 32, 33) contenant deux fibres optiques terminées chacune par une lentille ( 34, 35).35 6/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la cavité ( 21) contenant l'analyseur il ( 24) communique avec une ouverture dans laquelle est logé un embout ( 43) contenant deux fibres optiques ( 44, 45) sans lentilles. 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'un ( 17) des bords de l'anneau possède une zone ( 17 A) munie d'un traitement réfléchissant permettant à la lumière d'effectuer deux tours en sens opposés autour de l'ouverture, l'anneau possédant une seule cavité ( 50) à l'intérieur de laquelle sont logés le10 polariseur ( 51) et l'analyseur ( 54), la lumière étant amenée par au moins une fibre optique ( 27) et quittant l'analyseur par au moins deux fibres optiques ( 44, 45) 8/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le même anneau, le même polariseur et le même analyseur sont parcourus par plusieurs faisceaux de lumière indépendants pour obtenir plusieurs mesures simultanées et indépendants avec le même dispositif.