Dispositif de mesure électro-optique de courant
Pour mesurer le courant traversant un conducteur qui se trouve à un potentiel élevé, on s'est servi de transformateurs magnétique, s classiques. Toutefois, l'uti- lisation de tensions d'exploitation très élevées, par exemple supérieures à 400 000 volts, nécessite la mise en oeuvre de transformateurs du type classique d'un prix prohibitif en raison des difficultés concernant l'isolement de telles tensions. Pour éviter cet inconvénient, on a proposé (voir l'article Current measurement by means of the Faraday effect paru dans la revue bntannique The Engineers Digest , de décembre 1956, vol. 17, page 499) d'utiliser un faisceau lumineux émis par une source qui se trouve à un potentiel voisin de celui du sol et qui est polarisé par un polariseur.
Le plan de polarisation de ce faisceau subit une rotation lorsque le faisceau traverse un corps transparent approprié, tel qu'un flint lourd, situé au voisinage d'un conducteur à potentiel élevé dans un champ magnétique créé par le courant à mesurer qui circule dans ce conducteur. En effet Faraday a découvert que certains corps transparents isotropes, liquides ou solides, placés dans un champ p magnétique, produisent une rotation du plan de polarisation d'un faisceau lumineux qui les traverse parallèlement à la direction du champ magnétique. La rotation est particulièrement grande pour les corps possédant une grande dispersion de réfraction, tels que les flints. La rotation du plan de polarisation est proportionnelle au champ magnétique créé par un courant traversant une bobine disposée autour du corps transparent.
Le faisceau sortant de ce corps est redirigé vers le sol où il traverse un deuxième polariseur ou analyseur derrière lequel se trouve une cellule photosensible ou un photomultiplicateur mesurant l'intensité lumineuse du faisceau sortant de l'analyseur. Une disposition convenable des axes de polarisation des polariseurs permet d'obtenir une modulation par effet Faraday du flux du faisceau frappant la cellule photo-électrique. En mesurant le signal électrique de sortie de la cellule photo-électrique on obtient une mesure indirecte du courant circulant dans le conducteur à haute tension et qui fait naître le champ magnétique produisant la polarisaQion rotatoire magnétique.
Malheureusement ce procédé n'est pas indépendant des dérives lentes des dispositifs optiques et électriques mis en ceuvre. Ainsi le vieillissement de la source (lampe), du détecteur (photomultiplicateur, amplificateur) et de la charge secondaire (oscilloscope) alimentée par l'amplificateur introduisent une erreur proportionnelle dans le résultat de la mesure, erreur difficilement acceptable.
L'invention a pour but de procurer un dispositif de mesure qui est indépendant des perturbations provenant de vieillissement, etc. et dans lequel on peut mesurer le courant au moyen d'une méthode de zéro, permettant d'atteindre une haute précision de mesure.
Le dispositif selon l'invention de mesure électrooptique du courant circulant dans un conducteur à potentiel élevé au moyen d'un dispositif modulant le flux d'un faisceau lumineux polarisé dont le plan de polarisation subit une rotation sous l'influence d'un champ magnétique créé par le courant à mesurer ou par un courant qui lui est proportionnel, est caractérisé par le fait que le faisceau polarisé traverse un dispositif de rotation magnétique compensatrice situé au voisinage de la terre et produisant une rotation en sens inverse compensant la première rotation, un dispositif de mesure mesurant le courant provoquant la rotation compensatrice,
des moyens de division étant prévus pour subdiviser le faisceau émergeant dudit dispositif de rotation magnétique compensatrice en deux faisceaux divisionnaires éclairant respectivement deux dispositifs photo-électriques faisant partie d'un montage équilibré.
On peut diviser ledit faisceau au moyen d'une lame semi-réfléchissante et cette lame a normalement un effet dépolarisant sur le faisceau réfléchi. La lumière transmise est analysée au moyen d'un polariseur (ou analyseur) et le montage équilibré permet de s'affranchir des perturbations erratiques que subissent les différents éléments. Toutefois on peut doubler la sensibilité si le faisceau réfléchi est également analysé, selon une variante d'exécution de l'invention.
Une simplification consiste à disposer la lame semiréfléchissante de telle façon qu'elle soit éclairée par le faisceau polarisé sous une incidence voisine de l'inci dense de Brewster. Cela permet de supprimer l'analyseur du faisceau réfléchi, l'analyse étant faite par la lame elle-mme qui sert d'analyseur du faisceau réflé chi. Le rendement lumineux et la sensibilité s'en trouvent augmentés car il n'y a aucune absorption partielle. Cette disposition sous angle de Brewster permet également de supprimer l'analyseur du faisceau transmis car sous incidence de Brewster la lumière transmise est également polarisée.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre d'un exemple d'exécution représenté au dessin annexé, dans lequel la figure unique montre le schéma d'un dispositif suivant l'invention.
Sur la figure, une source de lumière 11 émet un rayonnement visible, infrarouge ou ultraviolet. La source est de préférence située du côté où s'effectue la mesure, à un potentiel égal ou voisin de celui du sol. Le faisceau émis P traverse un système optique 12 le dirigeant dans la direction d'un conducteur à potentiel élevé 13 dont on veut connaître le courant le traversant. Un système à prismes 14 renvoie le faisceau vers un polariseur 15 qui pourrait également tre situé entre la lentille 12 et les prismes 14. Le faisceau polarisé traverse un corps transparent 16 placé dans un champ magnétique axial créé par une bobine 17 traversée par le courant il, circulant dans le conducteur 13, ou par un courant proportionnel.
Sous l'effet du champ magnétique le plan de polarisation du faisceau subit à l'intérieur du corps 16, qui possède un indice de Verdet élevé et qui peut tre constitué par un flint lourd, une rotation angulaire proportionnelle à l'intensité du champ magné t'que, produit par le courant proportionnel ou égal à celui circulant dans le conducteur 13. Cet effet est connu sous le nom de polarisation rotatoire magnétique ou effet Faraday.
Côté mesure, à un potentiel voisin de celui du sol, cette rotation du plan de polarisation est mesurée par une méthode de compensation ou de zéro. Le faisceau sortant du dispositif de rotation magnétique du plan de polarisation 16 traverse un deuxième dispositif de rotation magnétique du plan de polarisation 18, analogue au dispositif 16, et qui est placé dans le champ magnétique créé par une bobine 19 et dont la direction est parallèle à celle des rayons lumineux. La méthode de compensation est basée sur le fait que, lorsque les deux rotations sont égales le faisceau sortant est polarisé dans le mme plan que le faisceau entrant dans le premier dispositif de rotation 16 et le courant secondaire i,- parcourant la bobine 19 est alors proportionnel au courant circulant dans le conducteur 13.
Toute différence, si minime soit-elle, entre les ampère-tours des bobines 17 et 19 se traduit par une légère rotation du plan de polarisation du faisceau sortant du dispositif de rotation 18, dans un sens ou dans l'autre par rapport à l'orientation initiale fixe. Cette rotation est décelée à l'aide d'un analyseur 20, suivi d'une cellule photo-électrique 1, un système optique 12'produisant la focalisation du faisceau. Une lame semi-réfléchissante 22 dérive une partie du faisceau incident vers une deuxième cellule photo-électrique 23. La différence pondérée des signaux émis par les cellules 21 et 23, éclairées respectivement par le faisceau divisionnaire réfléchi, est élaborée dans un dispositif d'équilibrage 24 pour fournir un signal secondaire débarrassé des perturbations du faisceau lumineux.
Ce signal amplifié en 25 produit le courant i2 qui alimente la bobine 19 et la charge extérieure 26 constituée par les appareils de mesure, compteurs ou relais. Le fonctionnement t est tel que l'amplificateur 25 agit sur le courant secondaire i de telle façon que la différence entre les ampère-tours primaires et secondaires ait toujours tendance à devenir nulle.
Pour que les détecteurs photo-électriques reçoivent un signal qui permet de piloter l'amplificateur 25, il doit toutefois subsister, en régime établi, une légère différence périodique entre les ampère-tours primaires et secondaires.
L'ensemble du dispositif optique sera de préférence placé à l'intérieur d'une enceinte de protection dont la partie médiane 27 sera isolante.
Avantageusement on disposera un deuxième analyseur 28 entre la lame 22 et la cellule 23, ce qui permet de doubler la sensibilité.
On sait que l'intensité lumineuse F du faisceau P émergeant de l'analyseur 20 ou 28 est liée au flux Fo du faisceau incident sur le polariseur 15 par l'expressinon:
F = cos2 a, OÙ a est l'angle entre les axes de
2 polarisation du polariseur 15 et de l'analyseur 20 ou 28.
En fait Fo est une fonction erratique du temps et les fluctuations proviennent de plusieurs origines: -- mécanique, provoquée par les dhocs, le vent, les
efforts électrodynamiques, la vibration des parties
optiques et notamment du filament de la lampe; électrique à la suite de variations de la tension d'ali
mentation de la source de lumière; - celles résultant du vieillissement de la lampe et des
composants électroniques, etc.
En différentiant l'expression ci-dessus on obtient: dF =-F, sina cos a d a et cette expression possède un maximum pour a = - + K- où K est un nombre
4 2 entier.
Sia =on obtient dF = d v.
4 2 Si = - + LonobtientdF = Fonda
4 2 2
Les cellules 21 et 23 étant connectées en opposition, l'une derrière un analyseur dont l'axe de polarisation fait un angle de 450 avec celui du polariseur 15, l'autre à un angle de 1350, l'amplificateur 25 reçoit un signal proportionnel à: dF = dFtdFi, f F,du où dF1 et dF2 sont respectivement les valeurs de dF pour a =+ Ket a =+ K
4 2 4 2
Ainsi, on a doublé la sensibilité et complètement éliminé les effets des perturbations.
En disposant la lame semi-réfléchissante 22 de telle manière que l'angle d'incidence du faisceau P est voisin de l'angle de Brewster (55O pour le verre) on peut supprimer l'analyseur 28 et, éventuellement, l.'analy- seur 20 comme il a été expliqué ci-dessus.