WO2013064788A1 - Method and device for measuring a voltage - Google Patents

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WO2013064788A1
WO2013064788A1 PCT/FR2012/052546 FR2012052546W WO2013064788A1 WO 2013064788 A1 WO2013064788 A1 WO 2013064788A1 FR 2012052546 W FR2012052546 W FR 2012052546W WO 2013064788 A1 WO2013064788 A1 WO 2013064788A1
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WO
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crystal
measuring device
terminal
terminals
light beam
Prior art date
Application number
PCT/FR2012/052546
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French (fr)
Inventor
Lionel Duvillaret
Gwenaël GABORIT
Frédéric LECOCHE
Original Assignee
Kapteos
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/241Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R15/14Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/247Details of the circuitry or construction of devices covered by G01R15/241 - G01R15/246

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for measuring a voltage.
  • Some applications require the measurement of a high voltage, continuous or alternative, for example greater than a thousand volts. This is, for example, the measurement of the voltage of a power transmission network that can be greater than 100000 volts. It can also be the measurement of the voltage of a power supply line of a train which can vary from more than 1000 volts to more than 10000 volts.
  • optical devices for measuring voltage There are, in addition, optical devices for measuring voltage. These measuring devices can use optical sensors adapted to measure an electric field, especially Pockels cells. The value of the high voltage is determined from the measurement of the electric field.
  • US 6,252,388 discloses a voltage measuring device, adapted for measuring a high voltage, comprising a Pockels cell and in which a shield is provided to protect the Pockels cell against external disturbances so as to obtain a measurement. precise.
  • a disadvantage of the voltage measuring device disclosed in US 6,252,388 is that it is temperature sensitive. Therefore, it is necessary to provide a system for correcting the variations of the measured signals due to the temperature.
  • an embodiment of the present invention provides a voltage measuring device comprising first and second conductive terminals between which the voltage is measured; an insulator separating the first and second terminals; an optical sensor measuring the electric field at a location between the first and second terminals, the optical sensor comprising an isotropic electro-optical crystal between the first and second terminals; and a detector determining the voltage from the measured electric field.
  • the crystal comprises a face less than 2 centimeters from the first terminal.
  • the crystal is in contact with the first terminal.
  • the device comprises an enclosure containing a source of a light beam, the light beam passing through the crystal; and a light beam analysis system having passed through the crystal.
  • the terminals are perpendicular to a direction and the crystal comprises at least one face of the type ⁇ 100>, ⁇ 010> or ⁇ 001> perpendicular to said direction, the light beam reaching the crystal on said face, the beam being inclined with respect to said direction by an angle of less than 10 degrees.
  • the terminals are perpendicular to a direction and the crystal comprises at least one face of the type ⁇ 110>, ⁇ 011> or ⁇ 101> parallel to said direction, the light beam reaching the crystal on said face, the beam being inclined at an angle less than 10 degrees with respect to an additional direction perpendicular to said face.
  • the enclosure is metallic and is fixed to the first terminal, on the side of the first terminal opposite the insulator, the first terminal comprising an opening for the passage of the light beam.
  • the device comprises at least one optical fiber connecting the enclosure to the first terminal for transporting the light beam.
  • the device does not include an optical fiber between the first and second terminals.
  • the device comprises a layer surrounding the crystal, the layer having a relative permittivity equal to the relative permittivity of the crystal to 10%.
  • the device comprises a dielectric portion connecting the first terminal to the second terminal and comprising an outer wall surrounding the crystal.
  • An embodiment of the present invention provides a fault detection device, comprising a measuring device as previously described, and an additional optical sensor measuring the electric field at an additional location between the first and second terminals outside the the dielectric portion.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of an exemplary embodiment of a voltage measuring device according to the present invention
  • FIGS 2 to 4 are partial and schematic sections of variants of the voltage measuring device of Figure 2;
  • FIG. 5 is a variant of the analysis system of the voltage measuring device of FIG. 2;
  • Figure 6 is a partial schematic sectional view of another embodiment of a voltage measuring device according to the present invention.
  • Figure 7 is a schematic section of an exemplary embodiment of an abnormality detection device according to the invention.
  • Figure 8 is a schematic sectional view of another embodiment of a voltage measuring device according to the present invention.
  • Figure 9 is a partial and schematic sectional view of a variant of the voltage measuring device according to the present invention.
  • FIG. 10 illustrates the evolution of the state of polarization of the wave reflected by the measuring device of FIG. 9;
  • Figure 11 is a partial and schematic sectional view of a variant of the voltage measuring device according to the present invention.
  • FIG. 12 illustrates the evolution of the state of polarization of the wave reflected by the measuring device of FIG. 11.
  • FIG. 1 represents, partially and schematically, an exemplary embodiment of a voltage measuring device 1 according to the invention.
  • the measuring device 1 comprises two conductive terminals 2 and 4, for example metallic, separated by an insulator 6.
  • the insulator 6 has the shape of a hollow tube of axis D on the outer surface of which are distributed fins 8.
  • the internal volume of the insulator 6 can be filled with a solid, a liquid or a gas having a high dielectric strength, for example sulfur hexafluoride. It can also be filled with a composite medium.
  • the terminals 2, 4 are separated by a distance H measured along the axis D.
  • the insulator 6 is made of an insulating material, for example ceramic.
  • the insulator 6 is connected to the terminals 2, 4 by sealed connections 9.
  • the internal diameter dl of the insulator 6 can vary from 1 to 30 centimeters and the length H can vary from 10 centimeters to 6 meters.
  • the terminal 2 is called the upper terminal and the terminal 4 is called the lower terminal.
  • the upper terminal 2 can be connected to a high voltage power line, not shown.
  • the lower terminal 4 may be attached to a metal support, not shown, connected to ground, earth or a reference potential as a neutral.
  • the dimensions of the insulator 6, and in particular the shape of the fins 8, are determined to prevent the formation of an electric arc between the two terminals 2, 4 and to limit the partial discharges between one of these terminals 2, 4 and the isolator 6.
  • the device 1 can be used for the measurement of the potential difference between the high-voltage line and earth, ground or a reference potential as a neutral.
  • the measuring device 1 may be provided at an insulator of a train pantograph or be provided at an electrical transformer station or at a network control point. electric.
  • the measuring device 1 comprises a tube 10 of axis D fixed at its ends to the terminals 2, 4.
  • the tube 10 is delimited by an internal cylinder 12 of axis D and of diameter d2 and an outer cylinder 14 of axis D and of diameter d3.
  • the difference between the diameters d3 and d2 corresponds to the thickness e1 of the tube 10.
  • the diameter d2 can vary from 0.5 to 5 centimeters and the thickness ei can vary from 1 to 10 millimeters, from preferably from 1 to 5 millimeters.
  • the tube 10 may not be hollow, in this case the inner diameter is 0. Alternatively, the thickness ei of the inner tube 10 may not be uniform.
  • the relative permittivity of the material constituting the inner tube 10 is greater than or equal to 100, preferably greater than or equal to 1000. It may be a ceramic.
  • the tube 10 may comprise several concentric layers of dielectric materials which may have identical or different relative permittivities, but which, advantageously, make it possible to isolate the electric field lines contained inside the inner tube 10 from external disturbances.
  • the terminals 2 and 4 may extend inside the inner tube 10 so as to increase the value of the electric field present inside the inner tube 10.
  • the insulator 6 can be separated from the inner tube 10, a solid, a liquid, a gas or a composite medium then being present between the insulator 6 and the inner tube 10. Alternatively, the insulator 6 and the tube internal 10 can be confused.
  • the inner tube 10 may be a weakly conductive tube. It may nevertheless be advantageous to use a tube made of a dielectric material so as to avoid any electrical losses by Joule effect.
  • the measuring device 1 comprises an electric field optical sensor 16 connected to a processing module 18 by electrical cables 20.
  • the processing device 18 is adapted, from the signals supplied by the optical sensor 16, to determine the value of the voltage between the upper and lower terminals 2, 4.
  • the optical sensor 16 is disposed at the lower terminal 4.
  • the optical sensor 16 comprises a crystal 30 disposed in the inner tube 10, between the terminals 2 and 4. At least one The crystal face 30 is less than 2 centimeters, preferably less than 1 centimeter, from the lower terminal 4.
  • the crystal 30 may be in contact with the lower terminal 4 or separated from the lower terminal 4 by a transparent support.
  • the thickness e2 of the crystal 30, measured along the axis D, may vary from 0.2 to 5 millimeters, preferably from 0.2 to 2 millimeters.
  • Crystal 30 is an isotropic electro-optical crystal.
  • An isotropic electro-optical crystal is a crystal whose optical properties are isotropic in the absence of an electric field and whose optical properties are anisotropic in the presence of an electric field.
  • the crystal 30 is bare, that is to say without electrode deposited on these faces.
  • the crystal 30 may be zinc tellurium (ZnTe), cadmium telluride (CdTe), cadmium tellurium and zinc (Cd- x Zn x Te) (with x ranging from 0.01 to 0.15). , bismuth oxide and silicon (BSO), gallium arsenide (AsGa) or indium phosphide (InP).
  • the crystal 30 is surrounded by a layer 32 whose outside diameter is equal to the inside diameter d2 of the tube 10.
  • the thickness, measured along the axis D, of the layer 32 may be substantially equal to the thickness e2 of the crystal 30.
  • the thickness of the layer 32 may be greater than the thickness e2 of the crystal 30, the layer 32 then covering the crystal 30.
  • the layer 32, with possibly the crystal 30, delimits an upper face 33 perpendicular to the axis D.
  • the relative permittivity of the layer 32 is substantially equal to the relative permittivity of the crystal 30.
  • the crystal 30 and the layer 32 have a relative permittivity that can vary from 4 to 60, preferably 7 to 15.
  • the material forming the ring 32 may be a resin or glue comprising a charge for adjusting the relative permittivity of the layer 32.
  • the crystal 30 preferably has, in a plane perpendicular to the axis D, a square or rectangular section having a side whose length can vary from 0.5 to 4 millimeters, preferably from 1 to 3 millimeters.
  • the layer 32 is not present.
  • the crystal 30 then has the shape of a cylinder of axis D.
  • the sensor 16 comprises a system 34 for transmitting a light beam 35 to the crystal 30 and a system 36 for analyzing the light beam 37 coming from the crystal 30.
  • the electrical and / or optical components of the systems 34 and 36 are arranged in a metal enclosure 38 fixed to the lower terminal 4 and disposed on the side of the lower terminal 4 opposite to the inner tube 10.
  • the metal enclosure 38 and the lower terminal 4 form a Faraday cage, protecting the components contained in the enclosure 38 against external electromagnetic interference.
  • the lower terminal 4 comprises at least one opening 39 allowing the passage of the light beams 35, 37.
  • the opening 39 is covered, at least in part, by the crystal 30.
  • the dimensions of the opening 39 are determined in such a way that not to disturb the protection provided by the Faraday cage formed by the metal enclosure 38 and the lower terminal 4.
  • the opening 39 is, for example, a circular opening of axis D having a diameter of less than 5 millimeters, preferably less than at 2 millimeters.
  • the opening 39 may be filled with a transparent material.
  • the crystal 30 can play the role of a sealed wall closing the opening 39.
  • the face of the crystal 30 in contact with the lower terminal 4 receives the incident beam 35 and is designated by the reference 40.
  • the face of the crystal 30 opposite to the face 40 is designated by the reference 42.
  • the axis D is perpendicular to the faces 40, 42.
  • the incident beam 35 enters the crystal 30 by the face 40 passes through the thickness e2 of the crystal 30, is reflected on the face 42, crosses again the thickness e2 and leaves the crystal 30 by the face 40.
  • the propagation direction of the incident beam 35 is slightly inclined with respect to the axis D.
  • the angle between the incident beam 35 and the axis D is less than 10 degrees, preferably less than 5 degrees.
  • the angle between the incident beam 35 and the axis D is not exactly equal to zero, to avoid certain undesirable reflection phenomena, especially in the case of the use of a laser.
  • the reflected beam 37 is symmetrically inclined to the incident beam 35 with respect to the axis D, the beams 35 and 37 are separated in a simple manner.
  • the measuring device 1 does not comprise an optical fiber. In particular, there is no optical fiber between terminals 2, 4.
  • the operating principle of the optical sensor 16 is as follows.
  • the electric field present at the crystal 30 varies certain optical properties of the crystal 30.
  • the light beam passing through the crystal 30 is therefore modified.
  • the modification of the light beam is detected by the sensor 16 which provides a signal representative of the intensity of the measured electric field, from which the value of the voltage between the terminals 2 and 4 can be determined.
  • the crystal 30 is embedded in the layer 32 which has the same relative permittivity and that the face 33 is perpendicular to the axis D, the lines of the electric field are advantageously not disturbed in the vicinity of the crystal 30 and remain substantially parallel to the axis D .
  • the bulk of the crystal 30 in a plane perpendicular to the axis D can be reduced, and in particular be smaller than 4 millimeters.
  • the outer diameter d3 of the tube 10 can therefore also be reduced.
  • the amount of dielectric material needed for making the tube 10 can be reduced.
  • the tube 10 is not hollow but filled with the dielectric material. This further improves the uniformity of the electric field between terminals 2 and 4.
  • FIG. 2 represents, in more detail, an exemplary embodiment of the sensor 16 of FIG. 1, particularly suitable for measuring a variable voltage, for example an alternating voltage.
  • the face 42 of the crystal 30 opposite to the lower terminal 4 may be covered with a reflective layer 44 to improve the reflection of the incident light beam 35.
  • an antireflection treatment may be applied to the face 40 to improve the transmission of the beam bright incident 35.
  • the system 34 for emitting light beam 35 may be a polarized light source 46, coherent or not, comprising for example a light emitting diode and a polarizer or a laser diode.
  • the analysis system 36 receives the light beam 37 returned by the reflecting surface 42, and having thus crossed the crystal 30 twice.
  • the system 36 comprises a rectilinear polarizer 48 receiving the beam 37.
  • a photodetector 50 which provides a signal proportional to the intensity of the incident wave on the polarizer 48 in the polarization direction of this polarizer 48.
  • a polarizer is called an element capable of fixing the polarization of the light which passes through it in the direction of a polarizer.
  • polarizer the same device when it is placed on the side of the detector of a system, and is used to analyze the polarization of the light it receives.
  • polarizer will always be used, whether it is placed in a position where it fixes the polarization or in a position where it analyzes the polarization of the light that it receives, since it This is the same hardware device.
  • the detection of the electric field is carried out by detecting the polarization state modulation of the light wave passing through the crystal in the presence of the electric field ⁇ .
  • phase difference ⁇ is given by the following relation (1):
  • phase shift ⁇ corresponds to the sum of the phase shift ⁇ ⁇ due to the electric field ⁇ and the phase shift ⁇ 0 in the absence of a field, the phase shifts ⁇ ⁇ and ⁇ 0 being given by the relations (4) and ( 5) following:
  • the phase shift ⁇ 0 is therefore zero, whatever the environment of the sensor, and in particular whatever the temperature or the surrounding pressure at the level of the sensor 30.
  • the polarization of the incident light beam 35 is a rectilinear or approximately rectilinear polarization or a circular or approximately circular polarization.
  • the orientation of the linear polarization is at 45 °, or approximately 45 °, with respect to the directions associated with the own refractive indices n + and n-.
  • the polarization of the incident light beam 35 is a circular or approximately circular polarization since there is then no particular adjustment of the orientation of the polarization to be carried out.
  • the orientation of the electric field in the crystal 30 is known. Indeed, the electric field ⁇ is oriented parallel to the axis D.
  • the crystal 30 is oriented so that the parallel faces 40, 42 of the crystal 30 correspond to ⁇ 100> or ⁇ 010> or ⁇ 001> faces of the crystal 30, or approximately to ⁇ 100> or ⁇ 010> or ⁇ 001> faces of the crystal 30.
  • the direction of propagation of the incident beam The angle between the incident beam 35 and the axis D is less than 10 degrees, preferably less than 5 degrees.
  • the vector AK b is zero and the vector AK a is parallel to the axis D.
  • the amplitude AK a of the vector AK a is given by the following relation (6):
  • AK 41 r n 3 (6)
  • n is the refractive index of the crystal 30 in the absence of electric field
  • r / [] _ is an element of the tensor ⁇ electro optical crystal 30.
  • the expression of the phase shift ⁇ is therefore particularly simple and is given by the following relation (7):
  • the polarizer 48 converts the polarization state modulation of the light beam 37 having passed through the crystal 30 into an amplitude modulation of the light beam.
  • the polarization axis of the polarizer 48 is approximately 45 degrees aligned with the directions associated with the own refractive indices n + and n_.
  • the photodetector 50 makes it possible to convert the amplitude modulation of the light beam coming from the polarizer 48 into a electric current i ] _ whose expression is given by the following relation (8):
  • I Q the average current supplied by the photodetector 50 and s is the useful signal that has approximately the expression given by equation (9) below:
  • the detection of the electric field can be carried out by amplitude modulation or phase modulation of the light beam.
  • amplitude modulation or phase modulation are described in the publication "Electro-optic sensors for electric field measurements.” Theoretical comparison among different technical modulation “in the names of Lionel Duvillaret, Stéphane Rialland and Jean-Louis Coutaz.
  • the measuring device 1 has a particularly simple structure since it requires, for the analysis of the light beam received only a polarizer 48 and a photodetector 50.
  • the sensor 16 does not include no quarter-wave or half-wave blade.
  • FIG. 3 shows a variant of the sensor 16 in which the systems 34 and 36 contained in the metal enclosure 38 are arranged at a distance from the lower terminal 4.
  • the light beams 35, 37 are transmitted by optical fibers 62, 64 between the metal enclosure 38 and the lower terminal 4. It may be polarization-maintaining fibers whose ends 66 and 67 are connected to collimators.
  • the polarizer 48 is disposed between the crystal 30 and the optical fiber 64 which may consist, for example, of a plastic fiber at very low cost.
  • the optical fiber 62 is a fiber for delivering at its end 67 a rectilinear or approximately rectilinear polarization beam or circular or approximately circular polarization.
  • a circular or approximately circular polarization beam may be obtained by means of a polarization-maintaining fiber followed by a quarter-wave birefringent element.
  • the optical fibers 62, 64 do not penetrate the volume between terminals 2 and 4.
  • An advantage of the measuring device of FIG. 3 is that the electronic and optoelectronic components of the systems 34 and 36 of the sensor 16 can be deported from the rest of the device, in particular from the assembly comprising the terminals 2, 4 and the insulator 6. This can further facilitate the maintenance operations of the measuring device.
  • the systems 34 and 36 can be integrated in the processing module 18.
  • FIG. 4 represents another variant of the sensor 16 in which the incident light beam 35 passes through the crystal 30 in a direction substantially perpendicular to the axis D, that is to say in a direction substantially perpendicular to the orientation of the field
  • deflection prisms 70, 72 are arranged on either side of the crystal 30.
  • a polarizer 77 is disposed between the crystal 30 and the prism 72.
  • the prism 70 is in contact with a side face 74 of the crystal 30 and the polarizer 77 is in contact with the prism 72 on the one hand and with the side face 76 of the crystal 30, parallel to the face 74.
  • the faces 74 and 76 are parallel to the axis D and correspond to faces ⁇ 110>, ⁇ 011> or ⁇ 101> of the crystal 30 or approximately to faces ⁇ 110>, ⁇ 011> or ⁇ 101> of the crystal 30.
  • the polarizer 48 previously described is not present.
  • the vector AK a is perpendicular to the faces 40 and 42 and the vector AK b is perpendicular to the faces 74 and 76.
  • the amplitude AK a of the vector AK a is given by the preceding relation (6).
  • the expression of phase shift ⁇ is therefore particularly simple and is given by the relation (7) above.
  • the measuring device shown in FIG. 1 in which the light beam passing through the crystal 30 is substantially parallel to the electric field ⁇ , has the advantage of being more compact in a direction perpendicular to the axis D.
  • the sensitivity of the measuring device shown in Figure 1 in which the light beam passing through the crystal 30 is substantially parallel to the electric field ⁇ is substantially twice the variation shown in FIG. 4 for the same crystal thickness traversed by the light beam due to the round-trip of the light beam in the crystal 30.
  • FIG. 5 represents a variant of the analysis system 75 in which the analysis system 75 comprises a non-polarizing separator plate 80 receiving the reflected beam 37 and which separates the beam 37 into two beams 82, 84.
  • the beam 82 crosses a polarizer 86 and is detected by a photodetector 88.
  • the beam 84 passes through a polarizer 90 and is detected by a photodetector 92.
  • the axes of the polarizers 86, 90 are crossed and oriented so as to maximize the optical power modulation, induced by the electric field, and measured by the analysis system 75.
  • the photodetectors 88, 92 have the same characteristics and provide a current identical when subjected to the same light beam.
  • the photodetector 88 delivers the current i ] _ according to the preceding relation (8) while the photodetector 92 delivers a current 2 according to the following relation (12):
  • the processing device 18 can perform the subtraction of the currents it and 2 to obtain a useful signal whose amplitude is equal to twice the amplitude of the signal s.
  • the subtraction currents it and 2 makes it possible to overcome a part of the noise present on the current ⁇ Q.
  • the splitter plate 80 may be replaced by a polarization splitter, for example a Wollaston prism which transforms the emitted beam 37 into two linearly polarized beams orthogonal to each other.
  • a polarization splitter for example a Wollaston prism which transforms the emitted beam 37 into two linearly polarized beams orthogonal to each other.
  • the polarizers 86 and 90 are not present.
  • the separator blade 80 can be replaced by an optical device, non-polarizing, three-beam separation.
  • the optical device may comprise a diffraction grating.
  • the optical separation device provides beams 82 and 84 described above and a third beam that is provided to a photodetector without the interposition of a polarizer.
  • the third beam makes it possible to have an optical power reference and to improve the accuracy of the measurement by performing a normalization.
  • FIG. 6 represents another exemplary embodiment of measurement device 95 in which crystal 30 is disposed between terminals 2 and 4, away from terminals 2 and 4.
  • Crystal 30 is, for example, located halfway between terminals 2 and 4.
  • the light beam can be led from the transmission system 34 to the crystal 30 by a polarization-maintaining optical fiber 100 and then transmitted from the crystal 30 to the analysis system 36 by another fiber 102, a polarizer 103 being placed between the crystal 30 and the fiber 102.
  • the fiber 102 may be for example a plastic fiber at very low cost.
  • Fig. 7 shows an exemplary embodiment of an abnormality detection device 110 according to the present invention.
  • the anomaly detection device 110 comprises an optical sensor 16 as described above in relation to FIG. 1. It further comprises an additional optical sensor 16 ', identical to the optical sensor 16, except that the crystal 30' of the sensor 16 'is not arranged in the tube internal 10 but between the tube 10 and the insulator 6.
  • a layer 32' surrounds the crystal 30 'and has a relative permittivity similar to that crystal 30 '. Therefore, the electric field present at the crystal 30 'can vary under certain conditions, for example during a fault or a malfunction of the insulator 6.
  • An example is the presence of frost or salt mist covering the insulator 6.
  • Another example is the presence of a dust deposit due to atmospheric pollution covering the insulator 6.
  • the processing device 18 'receiving the signals provided by the sensors 16 and 16' can compare the two received signals. A variation of this difference can then mean that there is a malfunction of the insulator 6 linked, for example, to the pollution of the fins 8.
  • FIG. 8 is a partial and schematic representation of another exemplary embodiment of a voltage measuring device 120 according to the invention.
  • the device 120 comprises a current carrying element 122, for example a cable or a set of disjointed cables, disposed in a chamber 124.
  • the enclosure 124 may be a cylindrical enclosure and the conductive element 122 may be arranged substantially according to the invention.
  • the conductive element 122 is separated from the enclosure 124 by an insulator which corresponds to the internal volume of the enclosure 122 filled with a solid, a liquid, a gas or a composite medium having a high dielectric strength, for example sulfur hexafluoride.
  • insulating supports not shown, can be distributed in the enclosure along the transport element 122 to maintain the transport element 122.
  • the internal diameter of the enclosure 122 can to be of the order of 1 meter.
  • the measuring device 120 is particularly suitable for equipping a high-voltage disconnector or a high-voltage circuit breaker.
  • the measuring device 120 comprises an electric field optical sensor 16 connected to a processing module 18, the sensor 16 and the module 18 possibly having the structures described above.
  • the crystal 30 of the optical sensor 16 is disposed in the enclosure 124. At least one face of the crystal 30 is less than 2 centimeters, preferably less than 1 centimeter, from the inner wall of the enclosure 124.
  • the crystal 30 may be in contact with the inner wall of the enclosure 124 or separated from the inner wall of the enclosure 124 by a transparent support.
  • the crystal 30 may be surrounded by the layer 32 and the opening 39 is made in the enclosure 124.
  • the electric field ⁇ is oriented radially with respect to the axis of the enclosure 124. From therefore, the orientation of the electric field in the crystal 30 is substantially identical to that of the measuring device 1 described above, the axis D, described above, being oriented according to a diameter of the enclosure 124 for the device 120.
  • FIG. 9 represents an alternative embodiment of the sensor 16 adapted for measuring a continuous voltage or varying slowly as a function of time. Although this variant is described in relation to the measuring device 120 of FIG. 8, it can also be implemented with the examples of measuring devices described in FIGS. 1 to 7.
  • the polarized wave source 46 is a rectilinear wave source and the direction of the axis of the polarizer 48 is oriented approximately at 45 ° with respect to the direction of polarization of the rectilinear wave provided by the source. 46.
  • the sensor 16 comprises a polarization modulator 130.
  • the polarization modulator 130 is placed between the polarized light source 46 and the opening 39 and is traversed by the incident beam 35 and the reflected beam 37.
  • the incident beam 35 having passed through the polarization modulator 130 directly reaches the crystal 30 without passing through any other device capable of modifying its polarization and the reflected beam 37 reaches the polarization modulator 130 after being reflected by the crystal 30 without having passed through any other device capable of modifying its polarization.
  • the polarization modulator 130 is adapted to vary the direction of polarization of the rectilinear wave emitted by the source 46 periodically.
  • the polarization modulator 130 is adapted to rotate the polarization direction of the rectilinear wave emitted by the source 46 at a constant angular velocity ⁇ .
  • the angular velocity ⁇ can vary from about 1000 rpm to about 100000 rpm.
  • the polarization modulator 130 may be a half-wave, or approximately half-wave, rotating plate whose rotational speed is ⁇ / 2.
  • the rotation of the half wave plate 130 is, for example, performed by an electric motor, not shown.
  • the sensor 16 further comprises a quarter-wave plate 132 or approximately quarter wave, which is traversed by the reflected beam 37 and which is disposed between the half-wave plate 130 and polarizer 48.
  • one of the slow or fast axes of the quarter-wave plate 132 is aligned with the direction of polarization of the rectilinear wave provided by the source 46.
  • FIG. 10 represents the evolution of the polarization state of the reflected beam 37 after passing through the half-wave plate 130 and before crossing the quarter-wave plate 132 when the electric field at the crystal is not zero .
  • the state of polarization of the reflected beam 37 is then an elliptical polarization whose major axis is aligned with the direction of polarization of the rectilinear wave provided by the source 46 and whose minor axis evolves periodically, at a 4 ⁇ pulse between the null value (in which case the polarization is in fact rectilinear) and a maximum value.
  • the states of rectilinear and elliptical polarization are represented. extremes 134, 136 and an intermediate elliptical polarization state 138.
  • the maximum value of the small axis of the elliptical polarization is proportional to the square of the electric field applied to the crystal 30.
  • the quarter-wave plate 132 transforms the elliptical polarization of the reflected beam 37 into a rectilinear polarization whose polarization direction oscillates periodically at a pulse 2 ⁇ and whose oscillation amplitude varies linearly with the electric field applied to the crystal 30.
  • the polarizer 48 converts the polarization state modulation of the light beam 37 having passed through the quarter wave plate 132 into an amplitude modulation of the light beam.
  • the photodetector 50 makes it possible to convert the amplitude modulation of the light beam coming from the polarizer 48 into an electric current 13 whose expression is given by the following relation (11):
  • V (t) is the voltage between the central element 122 and the enclosure 124, which is assumed to be constant or slowly varying as a function of time.
  • the constants cpg, C and F and stream 2 can be determined by calibration.
  • the voltage V being substantially constant or changing slowly as a function of time, a filtering operation, simple to implement, at the frequency 2 ⁇ can then be performed to obtain the F * V term.
  • one of the slow or fast axes of the quarter-wave plate 132 may be inclined at approximately 45 ° to the polarization direction of the rectilinear wave. provided by the source 46. In this case, a relation similar to the relation (12) described above is reached.
  • FIG. 11 shows a variant of the polarization modulator 130, in which the polarization modulator 130 comprises an electro-optical phase modulator 140, controlled by a voltage source 142, and a quarter-wave plate 144, or approximately quarter 'wave.
  • the modulator 140 is located between the source 46 and the quarter wave plate 144 and the quarter wave plate 144 is located between the modulator 140 and the crystal 30.
  • the XL and XR axes, slow and fast, of the phase modulator 140 form an angle of approximately 45 ° with respect to the direction of polarization R of the rectilinear wave provided by the source 46.
  • the control voltage of the phase modulator 140 is a periodic voltage, for example in the form of sawtooth, whose frequency is ⁇ / 2 ⁇ .
  • one of the slow or fast axes of the quarter wave plate 144 is aligned with the polarization direction R of the rectilinear wave provided by the source 46.
  • the measuring device 120 does not include the quarter-wave plate 132.
  • FIG. 12 represents the evolution of the polarization state of the reflected beam 37 after passing through the modulator 130 shown in FIG. 11 and before passing through the rectilinear polarizer 48 when the electric field at the crystal is not zero.
  • the incident beam 35 passes successively through the phase modulator 140 and then the plate 144.
  • the reflected beam 37 passes successively through the plate 144 and then the phase modulator 140.
  • the polarization state of the reflected beam 37 is then a rectilinear polarization whose direction oscillates, periodically at a pulsation ⁇ , between two extreme directions 146 and 148 passing through a median direction 150 which is approximately aligned with the direction of polarization of the rectilinear wave provided by the source 46 .
  • the polarizer 48 converts the polarization state modulation of the light beam 37 having passed through the phase modulator 140 into an amplitude modulation of the light beam.
  • the voltage V being substantially constant or changing slowly as a function of time, a filtering operation, simple to implement, at the frequency ⁇ can then be performed to obtain the term H * V.
  • the voltage measuring device according to the invention has several advantages.
  • the measuring device according to the invention can be lightweight, allowing transport, installation and maintenance at low cost.
  • the voltage measuring device according to the invention is compatible with existing isolator structures, allowing a simple implementation.

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a device (1) for measuring a voltage comprising first and second conducting terminals (2, 4) between which the voltage is measured; an isolator (6) separating the first and second terminals; an optical sensor (16) measuring the electric field at a location between the first and second terminals, the optical sensor comprising an isotropic electrooptical crystal (30) between the first and second terminals; and a detector (18) determining the voltage on the basis of the electric field measured.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE D ' UNE TENSION  METHOD AND DEVICE FOR MEASURING VOLTAGE
Domaine de 1 ' invention Field of the invention
La présente invention concerne un dispositif et un procédé de mesure d'une tension.  The present invention relates to a device and a method for measuring a voltage.
Exposé de l'art antérieur Presentation of the prior art
Certaines applications requièrent la mesure d'une tension élevée, continue ou alternative, par exemple supérieure à un millier de volts. Il s'agit, par exemple, de la mesure de la tension d'un réseau de transport d'électricité qui peut être supérieure à 100000 volts. Il peut également s'agir de la mesure de la tension d'une ligne d'alimentation d'un train qui peut varier de plus de 1000 volts à plus de 10000 volts.  Some applications require the measurement of a high voltage, continuous or alternative, for example greater than a thousand volts. This is, for example, the measurement of the voltage of a power transmission network that can be greater than 100000 volts. It can also be the measurement of the voltage of a power supply line of a train which can vary from more than 1000 volts to more than 10000 volts.
Il existe des dispositifs de mesure de tension élevée qui comprennent des transformateurs de mesure conventionnels, inductifs ou capacitifs, et qui fournissent à un appareil de mesure une tension inférieure de plusieurs ordres de grandeur à la tension élevée. Toutefois, de tels dispositifs de mesure présentent un certain nombre d'inconvénients : encombrement important, bande passante limitée, précision des mesures insuffisante .  There are high voltage measuring devices that include conventional inductive or capacitive measuring transformers, and provide a measuring device with a voltage several orders of magnitude lower than the high voltage. However, such measuring devices have a number of disadvantages: large size, limited bandwidth, insufficient measurement accuracy.
II existe, en outre, des dispositifs optiques de mesure de tension. Ces dispositifs de mesure peuvent utiliser des capteurs optiques adaptés à mesurer un champ électrique, notamment des cellules Pockels. La valeur de la tension élevée est déterminée à partir de la mesure du champ électrique. There are, in addition, optical devices for measuring voltage. These measuring devices can use optical sensors adapted to measure an electric field, especially Pockels cells. The value of the high voltage is determined from the measurement of the electric field.
Le document US 6 252 388 décrit un dispositif de mesure de tension, adapté à la mesure d'une tension élevée, comprenant une cellule Pockels et dans lequel un blindage est prévu pour protéger la cellule Pockels contre les perturbations extérieures de façon à obtenir une mesure précise.  US 6,252,388 discloses a voltage measuring device, adapted for measuring a high voltage, comprising a Pockels cell and in which a shield is provided to protect the Pockels cell against external disturbances so as to obtain a measurement. precise.
Un inconvénient du dispositif de mesure de tension décrit dans le document US 6 252 388 est qu'il est sensible à la température. De ce fait, il est nécessaire de prévoir un système de correction des variations des signaux mesurés dues à la température .  A disadvantage of the voltage measuring device disclosed in US 6,252,388 is that it is temperature sensitive. Therefore, it is necessary to provide a system for correcting the variations of the measured signals due to the temperature.
Il existe donc un besoin d'un dispositif optique de mesure d'une tension, continue ou alternative, notamment d'une tension élevée, dont le fonctionnement est indépendant de la température .  There is therefore a need for an optical device for measuring a voltage, continuous or alternating, in particular a high voltage, whose operation is independent of the temperature.
Résumé summary
Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un dispositif de mesure d'une tension comprenant des première et seconde bornes conductrices entre lesquelles la tension est mesurée ; un isolateur séparant les première et seconde bornes ; un capteur optique mesurant le champ électrique en un emplacement entre les première et seconde bornes, le capteur optique comprenant un cristal électro-optique isotrope entre les première et seconde bornes ; et un détecteur déterminant la tension à partir du champ électrique mesuré.  Thus, an embodiment of the present invention provides a voltage measuring device comprising first and second conductive terminals between which the voltage is measured; an insulator separating the first and second terminals; an optical sensor measuring the electric field at a location between the first and second terminals, the optical sensor comprising an isotropic electro-optical crystal between the first and second terminals; and a detector determining the voltage from the measured electric field.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, le cristal comprend une face à moins de 2 centimètres de la première borne .  According to an exemplary embodiment of the invention, the crystal comprises a face less than 2 centimeters from the first terminal.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, le cristal est au contact de la première borne.  According to an exemplary embodiment of the invention, the crystal is in contact with the first terminal.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, le dispositif comprend une enceinte contenant une source d'un faisceau lumineux, le faisceau lumineux traversant le cristal ; et un système d'analyse du faisceau lumineux ayant traversé le cristal . According to an exemplary embodiment of the invention, the device comprises an enclosure containing a source of a light beam, the light beam passing through the crystal; and a light beam analysis system having passed through the crystal.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, les bornes sont perpendiculaires à une direction et le cristal comprend au moins une face du type <100>, <010> ou <001> perpendiculaire à ladite direction, le faisceau lumineux atteignant le cristal sur ladite face, le faisceau étant incliné par rapport à ladite direction d'un angle inférieur à 10 degrés.  According to an exemplary embodiment of the invention, the terminals are perpendicular to a direction and the crystal comprises at least one face of the type <100>, <010> or <001> perpendicular to said direction, the light beam reaching the crystal on said face, the beam being inclined with respect to said direction by an angle of less than 10 degrees.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, les bornes sont perpendiculaires à une direction et le cristal comprend au moins une face du type <110>, <011> ou <101> parallèle à ladite direction, le faisceau lumineux atteignant le cristal sur ladite face, le faisceau étant incliné d'un angle inférieur à 10 degrés par rapport à une direction supplémentaire perpendiculaire à ladite face.  According to an exemplary embodiment of the invention, the terminals are perpendicular to a direction and the crystal comprises at least one face of the type <110>, <011> or <101> parallel to said direction, the light beam reaching the crystal on said face, the beam being inclined at an angle less than 10 degrees with respect to an additional direction perpendicular to said face.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, l'enceinte est métallique et est fixée à la première borne, du côté de la première borne opposé à l'isolateur, la première borne comprenant une ouverture pour le passage du faisceau lumineux .  According to an exemplary embodiment of the invention, the enclosure is metallic and is fixed to the first terminal, on the side of the first terminal opposite the insulator, the first terminal comprising an opening for the passage of the light beam.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, le dispositif comprend au moins une fibre optique reliant l'enceinte à la première borne pour le transport du faisceau lumineux .  According to an exemplary embodiment of the invention, the device comprises at least one optical fiber connecting the enclosure to the first terminal for transporting the light beam.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, le dispositif ne comprend pas de fibre optique entre les première et seconde bornes .  According to an exemplary embodiment of the invention, the device does not include an optical fiber between the first and second terminals.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, le dispositif comprend une couche entourant le cristal, la couche ayant une permittivité relative égale à la permittivité relative du cristal à 10 % près.  According to an exemplary embodiment of the invention, the device comprises a layer surrounding the crystal, the layer having a relative permittivity equal to the relative permittivity of the crystal to 10%.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, le dispositif comprend une portion diélectrique reliant la première borne à la seconde borne et comprenant une paroi extérieure entourant le cristal. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un dispositif de détection de défaut, comprenant un dispositif de mesure tel que décrit précédemment, et un capteur optique supplémentaire mesurant le champ électrique à un emplacement supplémentaire entre les première et seconde bornes à l'extérieur de la portion diélectrique. According to an exemplary embodiment of the invention, the device comprises a dielectric portion connecting the first terminal to the second terminal and comprising an outer wall surrounding the crystal. An embodiment of the present invention provides a fault detection device, comprising a measuring device as previously described, and an additional optical sensor measuring the electric field at an additional location between the first and second terminals outside the the dielectric portion.
Brève description des dessins Brief description of the drawings
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :  These and other objects, features, and advantages will be set forth in detail in the following description of particular embodiments in a non-limitative manner with reference to the accompanying figures in which:
la figure 1 est une coupe schématique d'un exemple de réalisation d'un dispositif de mesure de tension selon la présente invention ;  Figure 1 is a schematic sectional view of an exemplary embodiment of a voltage measuring device according to the present invention;
les figures 2 à 4 sont des coupes partielles et schématiques de variantes du dispositif de mesure de tension de la figure 2 ;  Figures 2 to 4 are partial and schematic sections of variants of the voltage measuring device of Figure 2;
la figure 5 est une variante du système d'analyse du dispositif de mesure de tension de la figure 2 ;  FIG. 5 is a variant of the analysis system of the voltage measuring device of FIG. 2;
la figure 6 est une coupe partielle et schématique d'un autre exemple de réalisation de dispositif de mesure de tension selon la présente invention ;  Figure 6 is a partial schematic sectional view of another embodiment of a voltage measuring device according to the present invention;
la figure 7 est une coupe schématique d'un exemple de réalisation d'un dispositif de détection d'anomalie selon l'invention ;  Figure 7 is a schematic section of an exemplary embodiment of an abnormality detection device according to the invention;
la figure 8 est une coupe schématique d'un autre exemple de réalisation d'un dispositif de mesure de tension selon la présente invention ;  Figure 8 is a schematic sectional view of another embodiment of a voltage measuring device according to the present invention;
la figure 9 est une coupe, partielle et schématique, d'une variante du dispositif de mesure de tension selon la présente invention ;  Figure 9 is a partial and schematic sectional view of a variant of the voltage measuring device according to the present invention;
la figures 10 illustre l'évolution de l'état de polarisation de l'onde réfléchie par le dispositif de mesure de la figure 9 ; la figure 11 est une coupe, partielle et schématique, d'une variante du dispositif de mesure de tension selon la présente invention ; et FIG. 10 illustrates the evolution of the state of polarization of the wave reflected by the measuring device of FIG. 9; Figure 11 is a partial and schematic sectional view of a variant of the voltage measuring device according to the present invention; and
la figure 12 illustre l'évolution de l'état de polarisation de l'onde réfléchie par le dispositif de mesure de la figure 11.  FIG. 12 illustrates the evolution of the state of polarization of the wave reflected by the measuring device of FIG. 11.
Description détaillée detailed description
Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Dans la suite de la description, les adjectifs "supérieur" ou "inférieur" sont définis en relation par rapport à un axe D qui, à titre d'exemple, est vertical. Toutefois, il est clair que l'axe D pourrait être orienté de façon quelconque. En outre, il est mentionné dans la suite de la description des ondes optiques à polarisation rectiligne, à polarisation circulaire et à polarisation elliptique. Pour ne pas alourdir la présente description, on parle, comme cela est souvent effectué dans la pratique, d'ondes rectilignes, circulaires ou elliptiques, et on comprend qu'il s'agit chaque fois d'ondes optiques dont la polarisation est respectivement rectiligne, circulaire ou elliptique. Dans la suite de la description, sauf indication contraire, les termes "sensiblement", "environ", "approximativement" et "de l'ordre de" signifient "à 10 % près".  For the sake of clarity, the same elements have been designated by the same references in the various figures and, moreover, as is customary in the representation of the integrated circuits, the various figures are not drawn to scale. In the rest of the description, the adjectives "upper" or "lower" are defined in relation to an axis D which, for example, is vertical. However, it is clear that the D axis could be oriented in any way. In addition, reference is made hereinafter to the description of the optical waves with rectilinear polarization, circular polarization and elliptical polarization. In order not to burden the present description, we speak, as is often done in practice, of rectilinear, circular or elliptical waves, and it is understood that each time is optical waves whose polarization is respectively rectilinear , circular or elliptical. In the rest of the description, unless otherwise indicated, the terms "substantially", "about", "approximately" and "of the order of" mean "to within 10%".
La figure 1 représente, de façon partielle et schématique, un exemple de réalisation d'un dispositif de mesure de tension 1 selon l'invention.  FIG. 1 represents, partially and schematically, an exemplary embodiment of a voltage measuring device 1 according to the invention.
Le dispositif de mesure 1 comprend deux bornes 2 et 4 conductrices, par exemple métalliques, séparées par un isolateur 6. L'isolateur 6 a la forme d'un tube creux d'axe D sur la surface extérieure duquel sont réparties des ailettes 8. Le volume interne de l'isolateur 6 peut être rempli d'un solide, d'un liquide ou d'un gaz ayant une forte rigidité diélectrique, par exemple de l'hexafluorure de soufre. Il peut également être rempli d'un milieu composite. Les bornes 2, 4 sont séparées d'une distance H mesurée selon l'axe D. L'isolateur 6 est réalisé en un matériau isolant, par exemple en céramique. L'isolateur 6 est relié aux bornes 2, 4 par des liaisons étanches 9. A titre d'exemple, le diamètre dl interne de l'isolateur 6 peut varier de 1 à 30 centimètres et la longueur H peut varier de 10 centimètres à 6 mètres. The measuring device 1 comprises two conductive terminals 2 and 4, for example metallic, separated by an insulator 6. The insulator 6 has the shape of a hollow tube of axis D on the outer surface of which are distributed fins 8. The internal volume of the insulator 6 can be filled with a solid, a liquid or a gas having a high dielectric strength, for example sulfur hexafluoride. It can also be filled with a composite medium. The terminals 2, 4 are separated by a distance H measured along the axis D. The insulator 6 is made of an insulating material, for example ceramic. The insulator 6 is connected to the terminals 2, 4 by sealed connections 9. For example, the internal diameter dl of the insulator 6 can vary from 1 to 30 centimeters and the length H can vary from 10 centimeters to 6 meters.
Dans la suite de la description, la borne 2 est appelée borne supérieure et la borne 4 est appelée borne inférieure. La borne supérieure 2 peut être reliée à une ligne électrique à haute tension, non représentée. La borne inférieure 4 peut être fixée à un support métallique, non représenté, relié à la masse, à la terre ou à un potentiel de référence comme un neutre. Les dimensions de l'isolateur 6, et notamment la forme des ailettes 8, sont déterminées pour empêcher la formation d'un arc électrique entre les deux bornes 2, 4 et limiter les décharges partielles entre l'une de ces bornes 2, 4 et l'isolateur 6. Le dispositif 1 peut être utilisé pour la mesure de la différence de potentiel entre la ligne à haute tension et la masse, la terre ou un potentiel de référence comme un neutre. A titre d'exemple, le dispositif de mesure 1 peut être prévu au niveau d'un isolateur d'un pantographe de train ou être prévu au niveau d'un poste de transformation électrique ou encore au niveau d'un point de contrôle du réseau électrique.  In the following description, the terminal 2 is called the upper terminal and the terminal 4 is called the lower terminal. The upper terminal 2 can be connected to a high voltage power line, not shown. The lower terminal 4 may be attached to a metal support, not shown, connected to ground, earth or a reference potential as a neutral. The dimensions of the insulator 6, and in particular the shape of the fins 8, are determined to prevent the formation of an electric arc between the two terminals 2, 4 and to limit the partial discharges between one of these terminals 2, 4 and the isolator 6. The device 1 can be used for the measurement of the potential difference between the high-voltage line and earth, ground or a reference potential as a neutral. For example, the measuring device 1 may be provided at an insulator of a train pantograph or be provided at an electrical transformer station or at a network control point. electric.
Le dispositif de mesure 1 comprend un tube 10 d'axe D fixé à ses extrémités aux bornes 2, 4. Le tube 10 est délimité par un cylindre interne 12 d'axe D et de diamètre d2 et un cylindre externe 14 d'axe D et de diamètre d3. La différence entre les diamètres d3 et d2 correspond à l'épaisseur el du tube 10. A titre d'exemple, le diamètre d2 peut varier de 0,5 à 5 centimètres et l'épaisseur ei peut varier de 1 à 10 millimètres, de préférence de 1 à 5 millimètres. Le tube 10 peut ne pas être creux, dans ce cas le diamètre intérieur est égal à 0. A titre de variante, l'épaisseur ei du tube interne 10 peut ne pas être uniforme. De préférence, la permittivité relative du matériau constituant le tube interne 10 est supérieure ou égale à 100, de préférence supérieure ou égale à 1000. Il peut s'agir d'une céramique. Le tube 10 peut comprendre plusieurs couches concentriques de matériaux diélectriques qui peuvent avoir des permittivités relatives identiques ou différentes, mais qui, de façon avantageuse, permettent d'isoler les lignes de champ électrique contenues à l'intérieur du tube interne 10 des perturbations extérieures au tube interne 10. A titre de variante, les bornes 2 et 4 peuvent se prolonger à l'intérieur du tube interne 10 de manière à augmenter la valeur du champ électrique présent à l'intérieur du tube interne 10. The measuring device 1 comprises a tube 10 of axis D fixed at its ends to the terminals 2, 4. The tube 10 is delimited by an internal cylinder 12 of axis D and of diameter d2 and an outer cylinder 14 of axis D and of diameter d3. The difference between the diameters d3 and d2 corresponds to the thickness e1 of the tube 10. By way of example, the diameter d2 can vary from 0.5 to 5 centimeters and the thickness ei can vary from 1 to 10 millimeters, from preferably from 1 to 5 millimeters. The tube 10 may not be hollow, in this case the inner diameter is 0. Alternatively, the thickness ei of the inner tube 10 may not be uniform. Preferably, the relative permittivity of the material constituting the inner tube 10 is greater than or equal to 100, preferably greater than or equal to 1000. It may be a ceramic. The tube 10 may comprise several concentric layers of dielectric materials which may have identical or different relative permittivities, but which, advantageously, make it possible to isolate the electric field lines contained inside the inner tube 10 from external disturbances. As an alternative, the terminals 2 and 4 may extend inside the inner tube 10 so as to increase the value of the electric field present inside the inner tube 10.
L'isolateur 6 peut être séparé du tube interne 10, un solide, un liquide, un gaz ou un milieu composite étant alors présent entre l'isolateur 6 et le tube interne 10. A titre de variante, l'isolateur 6 et le tube interne 10 peuvent être confondus .  The insulator 6 can be separated from the inner tube 10, a solid, a liquid, a gas or a composite medium then being present between the insulator 6 and the inner tube 10. Alternatively, the insulator 6 and the tube internal 10 can be confused.
A titre de variante, le tube interne 10 peut être un tube faiblement conducteur. Il peut néanmoins être avantageux d'utiliser un tube en un matériau diélectrique pour ne pas avoir de pertes électriques par effet Joule.  Alternatively, the inner tube 10 may be a weakly conductive tube. It may nevertheless be advantageous to use a tube made of a dielectric material so as to avoid any electrical losses by Joule effect.
Le dispositif de mesure 1 comprend un capteur optique de champ électrique 16 connecté à un module de traitement 18 par des câbles électriques 20. Le dispositif de traitement 18 est adapté, à partir des signaux fournis par le capteur optique 16, à déterminer la valeur de la tension entre les bornes supérieure et inférieure 2, 4.  The measuring device 1 comprises an electric field optical sensor 16 connected to a processing module 18 by electrical cables 20. The processing device 18 is adapted, from the signals supplied by the optical sensor 16, to determine the value of the voltage between the upper and lower terminals 2, 4.
Dans le premier exemple de réalisation de l'invention, le capteur optique 16 est disposé au niveau de la borne inférieure 4. Le capteur optique 16 comprend un cristal 30 disposé dans le tube interne 10, entre les bornes 2 et 4. Au moins une face du cristal 30 est à moins de 2 centimètres, de préférence à moins de 1 centimètre, de la borne inférieure 4. Le cristal 30 peut être au contact de la borne inférieure 4 ou séparé de la borne inférieure 4 par un support transparent. L'épaisseur e2 du cristal 30, mesurée selon l'axe D, peut varier de 0,2 à 5 millimètres, de préférence de 0,2 à 2 millimètres. In the first embodiment of the invention, the optical sensor 16 is disposed at the lower terminal 4. The optical sensor 16 comprises a crystal 30 disposed in the inner tube 10, between the terminals 2 and 4. At least one The crystal face 30 is less than 2 centimeters, preferably less than 1 centimeter, from the lower terminal 4. The crystal 30 may be in contact with the lower terminal 4 or separated from the lower terminal 4 by a transparent support. The thickness e2 of the crystal 30, measured along the axis D, may vary from 0.2 to 5 millimeters, preferably from 0.2 to 2 millimeters.
Le cristal 30 est un cristal électro-optique isotrope. Un cristal électro-optique isotrope est un cristal dont les propriétés optiques sont isotropes en l'absence de champ électrique et dont les propriétés optiques sont anisotropes en présence d'un champ électrique. De préférence, le cristal 30 est nu, c'est-à-dire sans électrode déposée sur ces faces. Le cristal 30 peut être du tellure de zinc (ZnTe) , du tellure de cadmium (CdTe) , du tellure de cadmium et de zinc (Cdi-xZnxTe) (avec x pouvant varier de 0,01 à 0,15), de l'oxyde de bismuth et de silicium (BSO) , de 1 ' arséniure de gallium (AsGa) ou du phosphure d'indium (InP) . Crystal 30 is an isotropic electro-optical crystal. An isotropic electro-optical crystal is a crystal whose optical properties are isotropic in the absence of an electric field and whose optical properties are anisotropic in the presence of an electric field. Preferably, the crystal 30 is bare, that is to say without electrode deposited on these faces. The crystal 30 may be zinc tellurium (ZnTe), cadmium telluride (CdTe), cadmium tellurium and zinc (Cd- x Zn x Te) (with x ranging from 0.01 to 0.15). , bismuth oxide and silicon (BSO), gallium arsenide (AsGa) or indium phosphide (InP).
Le cristal 30 est entouré d'une couche 32 dont le diamètre extérieur est égal au diamètre intérieur d2 du tube 10. L'épaisseur, mesurée selon l'axe D, de la couche 32 peut être sensiblement égale à l'épaisseur e2 du cristal 30. A titre de variante, l'épaisseur de la couche 32 peut être supérieure à l'épaisseur e2 du cristal 30, la couche 32 recouvrant alors le cristal 30. La couche 32, avec éventuellement le cristal 30, délimite une face supérieure 33 perpendiculaire à l'axe D. La permittivité relative de la couche 32 est sensiblement égale à la permittivité relative du cristal 30. A titre d'exemple, le cristal 30 et la couche 32 ont une permittivité relative pouvant varier de 4 à 60, de préférence de 7 à 15. Le matériau formant la couronne 32 peut être une résine ou une colle comprenant une charge permettant d'ajuster la permittivité relative de la couche 32.  The crystal 30 is surrounded by a layer 32 whose outside diameter is equal to the inside diameter d2 of the tube 10. The thickness, measured along the axis D, of the layer 32 may be substantially equal to the thickness e2 of the crystal 30. Alternatively, the thickness of the layer 32 may be greater than the thickness e2 of the crystal 30, the layer 32 then covering the crystal 30. The layer 32, with possibly the crystal 30, delimits an upper face 33 perpendicular to the axis D. The relative permittivity of the layer 32 is substantially equal to the relative permittivity of the crystal 30. By way of example, the crystal 30 and the layer 32 have a relative permittivity that can vary from 4 to 60, preferably 7 to 15. The material forming the ring 32 may be a resin or glue comprising a charge for adjusting the relative permittivity of the layer 32.
Le cristal 30 a, de préférence, dans un plan perpendiculaire à l'axe D, une section carrée ou rectangulaire ayant un côté dont la longueur peut varier de 0,5 à 4 millimètres, de préférence de 1 à 3 millimètres.  The crystal 30 preferably has, in a plane perpendicular to the axis D, a square or rectangular section having a side whose length can vary from 0.5 to 4 millimeters, preferably from 1 to 3 millimeters.
A titre de variante, la couche 32 n'est pas présente. Le cristal 30 a alors la forme d'un cylindre d'axe D. Le capteur 16 comprend un système 34 d'émission d'un faisceau lumineux 35 vers le cristal 30 et un système 36 d'analyse du faisceau lumineux 37 issu du cristal 30. Les composants électriques et/ou optiques des systèmes 34 et 36 sont disposés dans une enceinte métallique 38 fixée à la borne inférieure 4 et disposée du côté de la borne inférieure 4 opposé au tube interne 10. L'enceinte métallique 38 et la borne inférieure 4 forment une cage de Faraday, protégeant les composants, contenus dans l'enceinte 38, contre les perturbations électromagnétiques extérieures. Alternatively, the layer 32 is not present. The crystal 30 then has the shape of a cylinder of axis D. The sensor 16 comprises a system 34 for transmitting a light beam 35 to the crystal 30 and a system 36 for analyzing the light beam 37 coming from the crystal 30. The electrical and / or optical components of the systems 34 and 36 are arranged in a metal enclosure 38 fixed to the lower terminal 4 and disposed on the side of the lower terminal 4 opposite to the inner tube 10. The metal enclosure 38 and the lower terminal 4 form a Faraday cage, protecting the components contained in the enclosure 38 against external electromagnetic interference.
La borne inférieure 4 comprend au moins une ouverture 39 permettant le passage des faisceaux lumineux 35, 37. L'ouverture 39 est recouverte, au moins en partie, par le cristal 30. Les dimensions de l'ouverture 39 sont déterminées de façon à ne pas perturber la protection apportée par la cage de Faraday formée par l'enceinte métallique 38 et la borne inférieure 4. L'ouverture 39 est, par exemple, une ouverture circulaire d'axe D ayant un diamètre inférieur à 5 millimètres, de préférence inférieur à 2 millimètres. L'ouverture 39 peut être remplie d'un matériau transparent. Toutefois, le cristal 30 peut jouer le rôle d'une paroi étanche fermant l'ouverture 39. La face du cristal 30 au contact de la borne inférieure 4 reçoit le faisceau incident 35 et est désignée par la référence 40. La face du cristal 30 opposée à la face 40 est désignée par la référence 42. L'axe D est perpendiculaire aux faces 40, 42. Dans le premier exemple de réalisation du dispositif de mesure représenté en figure 1, le faisceau incident 35 pénètre dans le cristal 30 par la face 40, traverse l'épaisseur e2 du cristal 30, est réfléchi sur la face 42, traverse à nouveau l'épaisseur e2 et sort du cristal 30 par la face 40. La direction de propagation du faisceau incident 35 est peu inclinée par rapport à l'axe D. De préférence, l'angle entre le faisceau incident 35 et l'axe D est inférieur à 10 degrés, de préférence inférieur à 5 degrés. Toutefois, il peut être avantageux que l'angle entre le faisceau incident 35 et l'axe D ne soit pas exactement égal à zéro, pour éviter certains phénomènes de réflexion indésirables, en particulier dans le cas de l'utilisation d'un laser. En outre, le faisceau réfléchi 37 étant incliné de façon symétrique au faisceau incident 35 par rapport à l'axe D, les faisceaux 35 et 37 sont séparés de façon simple. The lower terminal 4 comprises at least one opening 39 allowing the passage of the light beams 35, 37. The opening 39 is covered, at least in part, by the crystal 30. The dimensions of the opening 39 are determined in such a way that not to disturb the protection provided by the Faraday cage formed by the metal enclosure 38 and the lower terminal 4. The opening 39 is, for example, a circular opening of axis D having a diameter of less than 5 millimeters, preferably less than at 2 millimeters. The opening 39 may be filled with a transparent material. However, the crystal 30 can play the role of a sealed wall closing the opening 39. The face of the crystal 30 in contact with the lower terminal 4 receives the incident beam 35 and is designated by the reference 40. The face of the crystal 30 opposite to the face 40 is designated by the reference 42. The axis D is perpendicular to the faces 40, 42. In the first embodiment of the measuring device shown in Figure 1, the incident beam 35 enters the crystal 30 by the face 40 passes through the thickness e2 of the crystal 30, is reflected on the face 42, crosses again the thickness e2 and leaves the crystal 30 by the face 40. The propagation direction of the incident beam 35 is slightly inclined with respect to the axis D. Preferably, the angle between the incident beam 35 and the axis D is less than 10 degrees, preferably less than 5 degrees. However, it may be advantageous if the angle between the incident beam 35 and the axis D is not exactly equal to zero, to avoid certain undesirable reflection phenomena, especially in the case of the use of a laser. In addition, since the reflected beam 37 is symmetrically inclined to the incident beam 35 with respect to the axis D, the beams 35 and 37 are separated in a simple manner.
Dans le premier exemple de réalisation du dispositif de mesure selon l'invention, le dispositif de mesure 1 ne comprend pas de fibre optique. En particulier, il n'y a pas de fibre optique entre les bornes 2, 4.  In the first embodiment of the measuring device according to the invention, the measuring device 1 does not comprise an optical fiber. In particular, there is no optical fiber between terminals 2, 4.
Le principe de fonctionnement du capteur optique 16 est le suivant. Le champ électrique présent au niveau du cristal 30 fait varier certaines propriétés optiques du cristal 30. Le faisceau lumineux traversant le cristal 30 est donc modifié. La modification du faisceau lumineux est détectée par le capteur 16 qui fournit un signal représentatif de l'intensité du champ électrique mesurée, à partir duquel la valeur de la tension entre les bornes 2 et 4 peut être déterminée.  The operating principle of the optical sensor 16 is as follows. The electric field present at the crystal 30 varies certain optical properties of the crystal 30. The light beam passing through the crystal 30 is therefore modified. The modification of the light beam is detected by the sensor 16 which provides a signal representative of the intensity of the measured electric field, from which the value of the voltage between the terminals 2 and 4 can be determined.
Lorsqu'une différence de potentiel est présente entre la borne supérieure 2 et la borne inférieure 4, un champ électrique apparaît entre les bornes 2, 4 et est, en l'absence d'obstacle, parallèle à l'axe D. De plus, dans le tube interne 10, le champ électrique tend à avoir une intensité sensiblement constante de la borne 2 à la borne 4. En effet, le tube interne 10 réduit la formation de pics de surintensité de champ électrique au voisinage des bornes 2, 4. De ce fait, l'intensité du champ électrique à proximité de la borne inférieure 4 est sensiblement identique à l'intensité du champ électrique à mi- distance des bornes 2, 4. La valeur du champ électrique mesurée en utilisant le cristal 30 situé à proximité de la borne inférieure 4 est donc bien représentative de l'amplitude moyenne du champ électrique entre les bornes 2, 4.  When a potential difference is present between the upper terminal 2 and the lower terminal 4, an electric field appears between the terminals 2, 4 and is, in the absence of an obstacle, parallel to the axis D. In addition, in the inner tube 10, the electric field tends to have a substantially constant intensity of the terminal 2 to the terminal 4. In fact, the inner tube 10 reduces the formation of electric field overcurrent peaks near the terminals 2, 4. As a result, the intensity of the electric field near the lower terminal 4 is substantially identical to the intensity of the electric field halfway between the terminals 2, 4. The value of the electric field measured using the crystal 30 located at proximity of the lower terminal 4 is therefore well representative of the average amplitude of the electric field between the terminals 2, 4.
Le fait que seul le cristal 30 soit disposé entre les bornes 2, 4, en l'absence d'autres composants optiques ou électroniques du capteur 16, réduit les perturbations des lignes du champ électrique dans le tube 10. En outre, comme le cristal 30 est noyé dans la couche 32 qui a la même permittivité relative et que la face 33 est perpendiculaire à l'axe D, les lignes du champ électrique ne sont avantageusement pas perturbées au voisinage du cristal 30 et restent sensiblement parallèles à l'axe D. The fact that only the crystal 30 is disposed between the terminals 2, 4, in the absence of other optical or electronic components of the sensor 16, reduces the disturbances of the lines of the electric field in the tube 10. In addition, as the crystal 30 is embedded in the layer 32 which has the same relative permittivity and that the face 33 is perpendicular to the axis D, the lines of the electric field are advantageously not disturbed in the vicinity of the crystal 30 and remain substantially parallel to the axis D .
De façon avantageuse, comme il n'y a pas de fibres optiques dans le tube 10, l'encombrement du cristal 30 dans un plan perpendiculaire à l'axe D peut être réduit, et en particulier être inférieur à 4 millimètres. Le diamètre extérieur d3 du tube 10 peut donc être également réduit. La quantité de matériau diélectrique nécessaire pour la réalisation du tube 10 peut être réduite.  Advantageously, since there are no optical fibers in the tube 10, the bulk of the crystal 30 in a plane perpendicular to the axis D can be reduced, and in particular be smaller than 4 millimeters. The outer diameter d3 of the tube 10 can therefore also be reduced. The amount of dielectric material needed for making the tube 10 can be reduced.
De façon avantageuse, le tube 10 n'est pas creux mais rempli du matériau diélectrique. On améliore ainsi encore davantage l'uniformité du champ électrique entre les bornes 2 et 4.  Advantageously, the tube 10 is not hollow but filled with the dielectric material. This further improves the uniformity of the electric field between terminals 2 and 4.
La figure 2 représente, de façon plus détaillée, un exemple de réalisation du capteur 16 de la figure 1, particulièrement adapté à la mesure d'une tension variable, par exemple une tension alternative. La face 42 du cristal 30 opposée à la borne inférieure 4 peut être recouverte d'une couche réfléchissante 44 pour améliorer la réflexion du faisceau lumineux incident 35. En outre, un traitement antireflet peut être appliqué à la face 40 pour améliorer la transmission du faisceau lumineux incident 35.  FIG. 2 represents, in more detail, an exemplary embodiment of the sensor 16 of FIG. 1, particularly suitable for measuring a variable voltage, for example an alternating voltage. The face 42 of the crystal 30 opposite to the lower terminal 4 may be covered with a reflective layer 44 to improve the reflection of the incident light beam 35. In addition, an antireflection treatment may be applied to the face 40 to improve the transmission of the beam bright incident 35.
Le système 34 d'émission du faisceau lumineux 35 peut être une source lumineuse polarisée 46, cohérente ou non, comprenant par exemple une diode photoémettrice et un polariseur ou une diode laser.  The system 34 for emitting light beam 35 may be a polarized light source 46, coherent or not, comprising for example a light emitting diode and a polarizer or a laser diode.
Le système d'analyse 36 reçoit le faisceau lumineux 37 renvoyé par la surface réfléchissante 42, et ayant donc traversé deux fois le cristal 30. Le système 36 comprend un polariseur 48 rectiligne recevant le faisceau 37. A la sortie du polariseur 48 est disposé un photodétecteur 50 qui fournit un signal proportionnel à l'intensité de l'onde incidente sur le polariseur 48 dans la direction de polarisation de ce polariseur 48. On note que, habituellement, dans le domaine de l'optique anisotrope, on appelle "polariseur" un élément susceptible de fixer la polarisation de la lumière qui le traverse en direction d'un dispositif utilisant cette lumière, et on appelle "analyseur" ce même dispositif quand il est placé du côté du détecteur d'un système, et sert à l'analyse de la polarisation de la lumière qu'il reçoit. Dans la présente description, on utilisera toujours le terme "polariseur", que celui-ci soit placé dans une position où il fixe la polarisation ou dans une position où il analyse la polarisation de la lumière qu'il reçoit, étant donné qu'il s'agit bien du même dispositif matériel . The analysis system 36 receives the light beam 37 returned by the reflecting surface 42, and having thus crossed the crystal 30 twice. The system 36 comprises a rectilinear polarizer 48 receiving the beam 37. At the exit of the polarizer 48 is arranged a photodetector 50 which provides a signal proportional to the intensity of the incident wave on the polarizer 48 in the polarization direction of this polarizer 48. It is noted that, usually in the field of anisotropic optics, a polarizer is called an element capable of fixing the polarization of the light which passes through it in the direction of a polarizer. device using this light, and called "analyzer" the same device when it is placed on the side of the detector of a system, and is used to analyze the polarization of the light it receives. In the present description, the term "polarizer" will always be used, whether it is placed in a position where it fixes the polarization or in a position where it analyzes the polarization of the light that it receives, since it This is the same hardware device.
Comme cela est décrit notamment dans la publication intitulée "Electro-optic sensors for electric field measurements . II. Choice of the crystals and complète optimization of their orientation" aux noms de Lionel Duvillaret, Stéphane Rialland et Jean-Louis Coutaz, pour un cristal électro-optique auquel est appliqué un champ électrique Ë et traversé par un faisceau lumineux, on peut déterminer des indices de réfraction propres n+ et n- du cristal égaux aux demi-axes de l'ellipse correspondant à l'intersection de l'ellipsoïde des indices du cristal électro-optique en présence du champ électrique et du plan de polarisation du faisceau lumineux incident. Il est possible de déterminer la modification subie par le faisceau lumineux traversant le cristal à partir de ces indices de réfraction propres n+ et n-.  As described in particular in the publication entitled "Electro-optic sensors for electric field measurements." II. "Choice of the crystals and complete optimization of their orientation" to the names of Lionel Duvillaret, Stéphane Rialland and Jean-Louis Coutaz, for an electro crystal -optical to which is applied an electric field Ë and crossed by a light beam, we can determine n + and n- own refractive indices of the crystal equal to the half-axes of the ellipse corresponding to the intersection of the ellipsoid indices of the electro-optical crystal in the presence of the electric field and the plane of polarization of the incident light beam. It is possible to determine the modification undergone by the light beam passing through the crystal from these own refractive indices n + and n-.
Dans le présent exemple de réalisation, la détection du champ électrique est réalisée par détection de la modulation d'état de polarisation de l'onde lumineuse traversant le cristal en présence du champ électrique Ë .  In the present embodiment, the detection of the electric field is carried out by detecting the polarization state modulation of the light wave passing through the crystal in the presence of the electric field Ë.
Il est mesuré, à partir du faisceau lumineux émis 37, un signal représentatif de la différence de phase Δφ induite entre les deux états de polarisation rectiligne autorisés à se propager dans le cristal 30. La différence de phase Δφ est donnée par la relation (1) suivante :
Figure imgf000015_0001
It is measured, from the light beam emitted 37, a signal representative of the phase difference Δφ induced between the two states of rectilinear polarization allowed to occur. propagate in the crystal 30. The phase difference Δφ is given by the following relation (1):
Figure imgf000015_0001
où L est la distance parcourue par le faisceau lumineux dans le cristal 30 (c'est-à-dire le double de l'épaisseur e2) , λ est la longueur d'onde du faisceau lumineux 37. Les expressions des indices n+ et n_ dépendent du champ électrique Ë présent au niveau du cristal 30 et sont données par les relations suivantes (2) et (3) :where L is the distance traveled by the light beam in the crystal 30 (i.e. twice the thickness e2), λ is the wavelength of the light beam 37. The expressions of the indices n + and n_ depend on the electric field present at the crystal 30 and are given by the following relations (2) and (3):
Figure imgf000015_0002
Figure imgf000015_0002
n_ = n_(É = 0) - ^(Δίζ · É)2 + (AKh · É)2 (3) où n+(Ë = 0) et n_(Ë = 0) sont les indices de réfraction propres du cristal 30 en l'absence de champ électriques et ΔΚ& et AKh sont les vecteurs de sensibilité principaux du cristal 30. n_ = n_ (E = 0) - ^ (Δίζ · E) 2 + (AK h · E) 2 (3) where n + (Ë = 0) and n_ (Ë = 0) are the refractive indices of the crystal In the absence of electric fields and ΔΚ & and AK h are the main sensitivity vectors of crystal 30.
II s'ensuit que le déphasage Δφ correspond à la somme du déphasage Δφ^ dû au champ électrique Ë et du déphasage Δφ0 en l'absence de champ, les déphasages Δφ^ et Δφ0 étant donnés par les relations (4) et (5) suivantes : It follows that the phase shift Δφ corresponds to the sum of the phase shift Δφ ^ due to the electric field Ë and the phase shift Δφ 0 in the absence of a field, the phase shifts Δφ ^ and Δφ 0 being given by the relations (4) and ( 5) following:
4πι^(Δκ¾ Ë)2 + (AKb Ë)2 4πι ^ (Δκ ¾ Ë) 2 + (AK b Ë) 2
ApÈ = (4)Ap è = (4)
A 2π(η+(Ε = 0) - n_(Ë = 0) )L A 2π (η + (Ε = 0) - n_ (Ë = 0)) L
Δφ0 = ± (5) Δφ 0 = ± (5)
Le cristal 30 étant un cristal électro-optique isotrope, les indices de réfraction propres n+(Ë = 0) et n_(Ë = 0) lorsque le champ électrique est nul sont égaux. Le déphasage Δφ0 est donc nul, quel que soit l'environnement du capteur, et en particulier quelles que soient la température ou la pression environnante au niveau du capteur 30. Since the crystal 30 is an isotropic electro-optical crystal, the proper refractive indices n + (Ë = 0) and n_ (Ë = 0) when the electric field is zero are equal. The phase shift Δφ 0 is therefore zero, whatever the environment of the sensor, and in particular whatever the temperature or the surrounding pressure at the level of the sensor 30.
La polarisation du faisceau lumineux incident 35 est une polarisation rectiligne ou approximativement rectiligne ou une polarisation circulaire ou approximativement circulaire. Dans ce cas, l'orientation de la polarisation rectiligne est à 45°, ou approximativement à 45°, par rapport aux directions associées aux indices de réfraction propres n+ et n-. De préférence, la polarisation du faisceau lumineux incident 35 est une polarisation circulaire ou approximativement circulaire puisqu'il n'y a alors pas de réglage particulier de l'orientation de la polarisation à réaliser. The polarization of the incident light beam 35 is a rectilinear or approximately rectilinear polarization or a circular or approximately circular polarization. In this case, the orientation of the linear polarization is at 45 °, or approximately 45 °, with respect to the directions associated with the own refractive indices n + and n-. Preferably, the polarization of the incident light beam 35 is a circular or approximately circular polarization since there is then no particular adjustment of the orientation of the polarization to be carried out.
Dans le dispositif de mesure selon la présente invention, l'orientation du champ électrique dans le cristal 30 est connue. En effet, le champ électrique Ë est orienté parallèlement à l'axe D. Dans le présent exemple de réalisation du dispositif de mesure 1 selon l'invention, le cristal 30 est orienté de façon à ce que les faces parallèles 40, 42 du cristal 30 correspondent à des faces <100> ou <010> ou <001> du cristal 30, ou approximativement à des faces <100> ou <010> ou <001> du cristal 30. En outre, la direction de propagation du faisceau incident 35 est peu inclinée par rapport à l'axe D. L'angle entre le faisceau incident 35 et l'axe D est inférieur à 10 degrés, de préférence inférieur à 5 degrés.  In the measuring device according to the present invention, the orientation of the electric field in the crystal 30 is known. Indeed, the electric field Ë is oriented parallel to the axis D. In the present embodiment of the measuring device 1 according to the invention, the crystal 30 is oriented so that the parallel faces 40, 42 of the crystal 30 correspond to <100> or <010> or <001> faces of the crystal 30, or approximately to <100> or <010> or <001> faces of the crystal 30. In addition, the direction of propagation of the incident beam The angle between the incident beam 35 and the axis D is less than 10 degrees, preferably less than 5 degrees.
Dans cette configuration, le vecteur ÀKb est nul et le vecteur ÀKa est parallèle à l'axe D. L'amplitude ÀKa du vecteur ÀKa est donnée par la relation (6) suivante : In this configuration, the vector AK b is zero and the vector AK a is parallel to the axis D. The amplitude AK a of the vector AK a is given by the following relation (6):
AKa = r41n3 (6) où n est l'indice de réfraction du cristal 30 en l'absence de champ électrique et r/[]_ est un élément du tenseur électro¬ optique du cristal 30. L'expression du déphasage Δφ est donc particulièrement simple et est donnée par la relation (7) suivante : AK = 41 r n 3 (6) where n is the refractive index of the crystal 30 in the absence of electric field and r / [] _ is an element of the tensor ¬ electro optical crystal 30. The expression of the phase shift Δφ is therefore particularly simple and is given by the following relation (7):
47ûLEr41n3 47ûLEr 41 n 3
Δφ = -^— (7) λ  Δφ = - ^ - (7) λ
Le polariseur 48 convertit la modulation d'état de polarisation du faisceau lumineux 37 ayant traversé le cristal 30 en une modulation d'amplitude du faisceau lumineux. L'axe de polarisation du polariseur 48 est approximativement aligné à 45 degrés des directions associées aux indices de réfraction propres n+ et n_ . The polarizer 48 converts the polarization state modulation of the light beam 37 having passed through the crystal 30 into an amplitude modulation of the light beam. The polarization axis of the polarizer 48 is approximately 45 degrees aligned with the directions associated with the own refractive indices n + and n_.
Le photodétecteur 50 permet de convertir la modulation d'amplitude du faisceau lumineux issu du polariseur 48 en un courant électrique i]_ dont l'expression est donnée par la relation (8) suivante : The photodetector 50 makes it possible to convert the amplitude modulation of the light beam coming from the polarizer 48 into a electric current i ] _ whose expression is given by the following relation (8):
i! = i0 d + s) (8) où Î Q est le courant moyen fourni par le photodétecteur 50 et s est le signal utile qui a approximativement l'expression donnée par la relation (9) suivante : i! I = 0 d + s) (8) where I Q is the average current supplied by the photodetector 50 and s is the useful signal that has approximately the expression given by equation (9) below:
s = A*E(t) = B*V(t) (9) où A et B sont des constantes et V(t) est la tension entre les bornes 2 et 4, exprimée ici en fonction du temps t. Les constantes A et B et le courant ÎQ peuvent être déterminés par étalonnage . s = A * E (t) = B * V (t) (9) where A and B are constants and V (t) is the voltage between terminals 2 and 4, expressed here as a function of time t. The constants A and B and the current Q can be determined by calibration.
A titre de variante, la détection du champ électrique peut être réalisée par modulation d'amplitude ou modulation de phase du faisceau lumineux. Des exemples de modulation d'amplitude ou de modulation de phase sont décrites dans la publication "Electro-optic sensors for electric field measurements . I. Theoretical comparison among différent modulation techniques" aux noms de Lionel Duvillaret, Stéphane Rialland et Jean-Louis Coutaz .  Alternatively, the detection of the electric field can be carried out by amplitude modulation or phase modulation of the light beam. Examples of amplitude modulation or phase modulation are described in the publication "Electro-optic sensors for electric field measurements." Theoretical comparison among different technical modulation "in the names of Lionel Duvillaret, Stéphane Rialland and Jean-Louis Coutaz.
Le dispositif de mesure 1 selon le premier exemple de réalisation de l'invention a une structure particulièrement simple puisqu'il requiert, pour l'analyse du faisceau lumineux reçu seulement un polariseur 48 et un photodétecteur 50. En particulier, le capteur 16 ne comprend pas de lame quart d'onde ou demi-onde.  The measuring device 1 according to the first embodiment of the invention has a particularly simple structure since it requires, for the analysis of the light beam received only a polarizer 48 and a photodetector 50. In particular, the sensor 16 does not include no quarter-wave or half-wave blade.
La figure 3 représente une variante du capteur 16 dans laquelle les systèmes 34 et 36, contenus dans l'enceinte métallique 38, sont disposés à distance de la borne inférieure 4. Les faisceaux lumineux 35, 37 sont transmis par des fibres optiques 62, 64 entre l'enceinte métallique 38 et la borne inférieure 4. Il peut s'agir de fibres à maintien de polarisation dont les extrémités 66 et 67 sont reliées à des collimateurs. Le polariseur 48 est disposé entre le cristal 30 et la fibre optique 64 qui peut être constituée, par exemple, d'une fibre plastique à très faible coût. La fibre optique 62 est une fibre permettant de délivrer à son extrémité 67 un faisceau de polarisation rectiligne ou approximativement rectiligne ou de polarisation circulaire ou approximativement circulaire. A titre d'exemple, un faisceau de polarisation circulaire ou approximativement circulaire peut être obtenu au moyen d'une fibre à maintien de polarisation suivie d'un élément biréfringent quart d'onde. Les fibres optiques 62, 64 ne pénètrent pas dans le volume entre les bornes 2 et 4. FIG. 3 shows a variant of the sensor 16 in which the systems 34 and 36 contained in the metal enclosure 38 are arranged at a distance from the lower terminal 4. The light beams 35, 37 are transmitted by optical fibers 62, 64 between the metal enclosure 38 and the lower terminal 4. It may be polarization-maintaining fibers whose ends 66 and 67 are connected to collimators. The polarizer 48 is disposed between the crystal 30 and the optical fiber 64 which may consist, for example, of a plastic fiber at very low cost. The optical fiber 62 is a fiber for delivering at its end 67 a rectilinear or approximately rectilinear polarization beam or circular or approximately circular polarization. By way of example, a circular or approximately circular polarization beam may be obtained by means of a polarization-maintaining fiber followed by a quarter-wave birefringent element. The optical fibers 62, 64 do not penetrate the volume between terminals 2 and 4.
Un avantage du dispositif de mesure de la figure 3 est que les composants électroniques et optoélectroniques des systèmes 34 et 36 du capteur 16 peuvent être déportés du reste du dispositif, notamment de l'ensemble comprenant les bornes 2, 4 et l'isolateur 6. Ceci peut, en outre, faciliter les opérations de maintenance du dispositif de mesure. Les systèmes 34 et 36 peuvent être intégrés au module de traitement 18.  An advantage of the measuring device of FIG. 3 is that the electronic and optoelectronic components of the systems 34 and 36 of the sensor 16 can be deported from the rest of the device, in particular from the assembly comprising the terminals 2, 4 and the insulator 6. This can further facilitate the maintenance operations of the measuring device. The systems 34 and 36 can be integrated in the processing module 18.
La figure 4 représente une autre variante du capteur 16 dans laquelle le faisceau lumineux incident 35 traverse le cristal 30 selon une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe D, c'est-à-dire selon une direction sensiblement perpendiculaire à l'orientation du champ électrique Ë au niveau du cristal 30. Dans ce but, des prismes de déflexion 70, 72 sont disposés de part et d'autre du cristal 30. En outre, un polariseur 77 est disposé entre le cristal 30 et le prisme 72. Le prisme 70 est au contact d'une face latérale 74 du cristal 30 et le polariseur 77 est en contact avec le prisme 72 d'une part et avec la face latérale 76 du cristal 30, parallèle à la face 74. Les faces 74 et 76 sont parallèles à l'axe D et correspondent à des faces <110>, <011> ou <101> du cristal 30 ou approximativement à des faces <110>, <011> ou <101> du cristal 30. Le polariseur 48 décrit précédemment n'est pas présent.  FIG. 4 represents another variant of the sensor 16 in which the incident light beam 35 passes through the crystal 30 in a direction substantially perpendicular to the axis D, that is to say in a direction substantially perpendicular to the orientation of the field At this point, deflection prisms 70, 72 are arranged on either side of the crystal 30. In addition, a polarizer 77 is disposed between the crystal 30 and the prism 72. The prism 70 is in contact with a side face 74 of the crystal 30 and the polarizer 77 is in contact with the prism 72 on the one hand and with the side face 76 of the crystal 30, parallel to the face 74. The faces 74 and 76 are parallel to the axis D and correspond to faces <110>, <011> or <101> of the crystal 30 or approximately to faces <110>, <011> or <101> of the crystal 30. The polarizer 48 previously described is not present.
Dans cette configuration, le vecteur ÀKa est perpendiculaire aux faces 40 et 42 et le vecteur ÀKb est perpendiculaire aux faces 74 et 76. L'amplitude ÀKa du vecteur ÀKa est donnée par la relation (6) précédente. L'expression du déphasage Δφ est donc particulièrement simple et est donnée par la relation (7) précédente. In this configuration, the vector AK a is perpendicular to the faces 40 and 42 and the vector AK b is perpendicular to the faces 74 and 76. The amplitude AK a of the vector AK a is given by the preceding relation (6). The expression of phase shift Δφ is therefore particularly simple and is given by the relation (7) above.
Par rapport à la variante représentée à la figure 4 dans laquelle le faisceau lumineux qui traverse le cristal 30 est perpendiculaire au champ électrique Ë , le dispositif de mesure représenté en figure 1, dans lequel le faisceau lumineux qui traverse le cristal 30 est sensiblement parallèle au champ électrique Ë , a l'avantage de pouvoir être réalisé de façon plus compacte dans une direction perpendiculaire à l'axe D. En outre, la sensibilité du dispositif de mesure représenté en figure 1 dans lequel le faisceau lumineux qui traverse le cristal 30 est sensiblement parallèle au champ électrique Ë est sensiblement le double de la variante représentée en figure 4 pour une même épaisseur de cristal 30 traversée par le faisceau lumineux en raison de l'aller-retour du faisceau lumineux dans le cristal 30.  With respect to the variant shown in FIG. 4 in which the light beam passing through the crystal 30 is perpendicular to the electric field Ë, the measuring device shown in FIG. 1, in which the light beam passing through the crystal 30 is substantially parallel to the electric field Ë, has the advantage of being more compact in a direction perpendicular to the axis D. In addition, the sensitivity of the measuring device shown in Figure 1 in which the light beam passing through the crystal 30 is substantially parallel to the electric field Ë is substantially twice the variation shown in FIG. 4 for the same crystal thickness traversed by the light beam due to the round-trip of the light beam in the crystal 30.
La figure 5 représente une variante du système d'analyse 75 dans laquelle le système d'analyse 75 comprend une lame séparatrice 80, non polarisante, recevant le faisceau réfléchi 37 et qui sépare le faisceau 37 en deux faisceaux 82, 84. Le faisceau 82 traverse un polariseur 86 et est détecté par un photodétecteur 88. Le faisceau 84 traverse un polariseur 90 et est détecté par un photodétecteur 92.  FIG. 5 represents a variant of the analysis system 75 in which the analysis system 75 comprises a non-polarizing separator plate 80 receiving the reflected beam 37 and which separates the beam 37 into two beams 82, 84. The beam 82 crosses a polarizer 86 and is detected by a photodetector 88. The beam 84 passes through a polarizer 90 and is detected by a photodetector 92.
Les axes des polariseurs 86, 90 sont croisés et orientés de façon à maximiser la modulation de puissance optique, induite par le champ électrique, et mesurée par le système d'analyse 75. Les photodétecteurs 88, 92 ont les mêmes caractéristiques et fournissent un courant identique lorsqu'ils sont soumis au même faisceau lumineux.  The axes of the polarizers 86, 90 are crossed and oriented so as to maximize the optical power modulation, induced by the electric field, and measured by the analysis system 75. The photodetectors 88, 92 have the same characteristics and provide a current identical when subjected to the same light beam.
Le photodétecteur 88 délivre le courant i]_ selon la relation (8) précédente tandis que le photodétecteur 92 délivre un courant 2 selon la relation (12) suivante : The photodetector 88 delivers the current i ] _ according to the preceding relation (8) while the photodetector 92 delivers a current 2 according to the following relation (12):
i2 = i0 d " s) (10) Le dispositif de traitement 18 peut réaliser la soustraction des courants il et 2 pour obtenir un signal utile dont l'amplitude est égale au double de l'amplitude du signal s. En outre, la soustraction des courants il et 2 permet de s'affranchir d'une partie du bruit présent sur le courant ÏQ. i 2 = i0 ds) (10) The processing device 18 can perform the subtraction of the currents it and 2 to obtain a useful signal whose amplitude is equal to twice the amplitude of the signal s. In addition, the subtraction currents it and 2 makes it possible to overcome a part of the noise present on the current ÏQ.
A titre de variante, la lame séparatrice 80 peut être remplacée par un séparateur de polarisation, par exemple un prisme de Wollaston qui transforme le faisceau émis 37 en deux faisceaux à polarisations linéaires orthogonales entre elles. Dans ce cas, les polariseurs 86 et 90 ne sont pas présents.  Alternatively, the splitter plate 80 may be replaced by a polarization splitter, for example a Wollaston prism which transforms the emitted beam 37 into two linearly polarized beams orthogonal to each other. In this case, the polarizers 86 and 90 are not present.
Selon une autre variante, la lame séparatrice 80 peut être remplacée par un dispositif optique, non polarisant, de séparation à trois faisceaux. Le dispositif optique peut comprendre un réseau de diffraction. Le dispositif optique de séparation fournit les faisceaux 82 et 84 décrits précédemment et un troisième faisceau qui est fourni à un photodétecteur, sans interposition d'un polariseur. Le troisième faisceau permet de disposer d'une référence de puissance optique et d'améliorer la précision de la mesure en réalisant une normalisation.  According to another variant, the separator blade 80 can be replaced by an optical device, non-polarizing, three-beam separation. The optical device may comprise a diffraction grating. The optical separation device provides beams 82 and 84 described above and a third beam that is provided to a photodetector without the interposition of a polarizer. The third beam makes it possible to have an optical power reference and to improve the accuracy of the measurement by performing a normalization.
La figure 6 représente un autre exemple de réalisation de dispositif de mesure 95 dans lequel le cristal 30 est disposé entre les bornes 2 et 4, à distance des bornes 2 et 4. Le cristal 30 est, par exemple, situé à mi-distance des bornes 2 et 4. Le faisceau lumineux peut être conduit depuis le système d'émission 34 jusqu'au cristal 30 par une fibre optique à maintien de polarisation 100 puis être transmis du cristal 30 jusqu'au système d'analyse 36 par une autre fibre optique 102, un polariseur 103 étant placé entre le cristal 30 et la fibre 102. La fibre 102 peut être par exemple une fibre plastique à très faible coût.  FIG. 6 represents another exemplary embodiment of measurement device 95 in which crystal 30 is disposed between terminals 2 and 4, away from terminals 2 and 4. Crystal 30 is, for example, located halfway between terminals 2 and 4. The light beam can be led from the transmission system 34 to the crystal 30 by a polarization-maintaining optical fiber 100 and then transmitted from the crystal 30 to the analysis system 36 by another fiber 102, a polarizer 103 being placed between the crystal 30 and the fiber 102. The fiber 102 may be for example a plastic fiber at very low cost.
La figure 7 représente un exemple de réalisation d'un dispositif de détection d'anomalie 110 selon la présente invention. Le dispositif de détection d'anomalie 110 comprend un capteur optique 16 tels que décrits précédemment en relation avec la figure 1. Il comprend, en outre, un capteur optique 16' supplémentaire, identique au capteur optique 16 à la différence que le cristal 30' du capteur 16' n'est pas disposé dans le tube interne 10 mais entre le tube 10 et l'isolateur 6. Le cristal 30 ' repose sur la borne inférieure 4 ou est à proximité de la borne inférieure 4. Une couche 32' entoure le cristal 30' et a une permittivité relative analogue à celle du cristal 30'. De ce fait, le champ électrique présent au niveau du cristal 30' peut varier dans certaines conditions, par exemple lors d'un défaut ou un mauvais fonctionnement de l'isolateur 6. Un exemple est la présence de givre ou brouillard salin recouvrant l'isolateur 6. Un autre exemple est la présence d'un dépôt de poussières dû à la pollution atmosphérique recouvrant l'isolateur 6. Fig. 7 shows an exemplary embodiment of an abnormality detection device 110 according to the present invention. The anomaly detection device 110 comprises an optical sensor 16 as described above in relation to FIG. 1. It further comprises an additional optical sensor 16 ', identical to the optical sensor 16, except that the crystal 30' of the sensor 16 'is not arranged in the tube internal 10 but between the tube 10 and the insulator 6. The crystal 30 'rests on the lower terminal 4 or is close to the lower terminal 4. A layer 32' surrounds the crystal 30 'and has a relative permittivity similar to that crystal 30 '. Therefore, the electric field present at the crystal 30 'can vary under certain conditions, for example during a fault or a malfunction of the insulator 6. An example is the presence of frost or salt mist covering the insulator 6. Another example is the presence of a dust deposit due to atmospheric pollution covering the insulator 6.
Le dispositif de traitement 18' recevant les signaux fournis par les capteurs 16 et 16' peut comparer les deux signaux reçus. Une variation de cette différence peut alors signifier qu'il y a un mauvais fonctionnement de l'isolateur 6 lié, par exemple, à la pollution des ailettes 8.  The processing device 18 'receiving the signals provided by the sensors 16 and 16' can compare the two received signals. A variation of this difference can then mean that there is a malfunction of the insulator 6 linked, for example, to the pollution of the fins 8.
La figure 8 représente, de façon partielle et schématique, un autre exemple de réalisation d'un dispositif de mesure 120 de tension selon l'invention. Le dispositif 120 comprend un élément de transport de courant 122, par exemple un câble ou un ensemble de câbles disjoints, disposé dans une enceinte 124. L'enceinte 124 peut être une enceinte cylindrique et l'élément conducteur 122 peut être agencé sensiblement selon l'axe de l'enceinte 124. L'élément conducteur 122 est séparé de l'enceinte 124 par un isolateur qui correspond au volume interne de l'enceinte 122 rempli d'un solide, d'un liquide, d'un gaz ou d'un milieu composite ayant une forte rigidité diélectrique, par exemple de l'hexafluorure de soufre. En outre, des supports isolants, non représentés, peuvent être répartis dans l'enceinte le long de l'élément de transport 122 pour maintenir l'élément de transport 122. A titre d'exemple, le diamètre interne de l'enceinte 122 peut être de l'ordre de 1 mètre.  FIG. 8 is a partial and schematic representation of another exemplary embodiment of a voltage measuring device 120 according to the invention. The device 120 comprises a current carrying element 122, for example a cable or a set of disjointed cables, disposed in a chamber 124. The enclosure 124 may be a cylindrical enclosure and the conductive element 122 may be arranged substantially according to the invention. The axis of the enclosure 124. The conductive element 122 is separated from the enclosure 124 by an insulator which corresponds to the internal volume of the enclosure 122 filled with a solid, a liquid, a gas or a composite medium having a high dielectric strength, for example sulfur hexafluoride. In addition, insulating supports, not shown, can be distributed in the enclosure along the transport element 122 to maintain the transport element 122. By way of example, the internal diameter of the enclosure 122 can to be of the order of 1 meter.
Le dispositif de mesure 120 est particulièrement adapté pour équiper un sectionneur haute tension ou un disjoncteur haute tension. Le dispositif de mesure 120 comprend un capteur optique de champ électrique 16 connecté à un module de traitement 18, le capteur 16 et le module 18 pouvant avoir les structures décrites précédemment. Le cristal 30 du capteur optique 16 est disposé dans l'enceinte 124. Au moins une face du cristal 30 est à moins de 2 centimètres, de préférence à moins de 1 centimètre, de la paroi interne de l'enceinte 124. Le cristal 30 peut être au contact de la paroi interne de l'enceinte 124 ou séparé de la paroi interne de l'enceinte 124 par un support transparent. Le cristal 30 peut être entouré de la couche 32 et l'ouverture 39 est réalisée dans l'enceinte 124. Dans le dispositif de mesure 120, le champ électrique Ë est orienté radialement par rapport à l'axe de l'enceinte 124. De ce fait, l'orientation du champ électrique dans le cristal 30 est sensiblement identique à celle du dispositif de mesure 1 décrit précédemment, l'axe D, décrit précédemment, étant orienté selon un diamètre de l'enceinte 124 pour le dispositif 120. The measuring device 120 is particularly suitable for equipping a high-voltage disconnector or a high-voltage circuit breaker. The measuring device 120 comprises an electric field optical sensor 16 connected to a processing module 18, the sensor 16 and the module 18 possibly having the structures described above. The crystal 30 of the optical sensor 16 is disposed in the enclosure 124. At least one face of the crystal 30 is less than 2 centimeters, preferably less than 1 centimeter, from the inner wall of the enclosure 124. The crystal 30 may be in contact with the inner wall of the enclosure 124 or separated from the inner wall of the enclosure 124 by a transparent support. The crystal 30 may be surrounded by the layer 32 and the opening 39 is made in the enclosure 124. In the measuring device 120, the electric field Ë is oriented radially with respect to the axis of the enclosure 124. From therefore, the orientation of the electric field in the crystal 30 is substantially identical to that of the measuring device 1 described above, the axis D, described above, being oriented according to a diameter of the enclosure 124 for the device 120.
La figure 9 représente une variante de réalisation du capteur 16 adapté à la mesure d'une tension continue ou variant lentement en fonction du temps. Bien que cette variante soit décrite en relation avec le dispositif de mesure 120 de la figure 8, elle peut également être mise en oeuvre avec les exemples de dispositifs de mesure décrits aux figures 1 à 7.  FIG. 9 represents an alternative embodiment of the sensor 16 adapted for measuring a continuous voltage or varying slowly as a function of time. Although this variant is described in relation to the measuring device 120 of FIG. 8, it can also be implemented with the examples of measuring devices described in FIGS. 1 to 7.
Dans cette variante, la source d'onde polarisée 46 est une source d'onde rectiligne et la direction de l'axe du polariseur 48 est orientée approximativement à 45° par rapport à la direction de polarisation de l'onde rectiligne fournie par la source 46.  In this variant, the polarized wave source 46 is a rectilinear wave source and the direction of the axis of the polarizer 48 is oriented approximately at 45 ° with respect to the direction of polarization of the rectilinear wave provided by the source. 46.
De plus, le capteur 16 comprend un modulateur de polarisation 130. Le modulateur de polarisation 130 est placé entre la source lumineuse polarisée 46 et l'ouverture 39 et est traversé par le faisceau incident 35 et par le faisceau réfléchi 37. De préférence, le faisceau incident 35 ayant traversé le modulateur de polarisation 130 atteint directement le cristal 30 sans traverser d'autre dispositif susceptible d'en modifier la polarisation et le faisceau réfléchi 37 atteint le modulateur de polarisation 130 après avoir été réfléchi par le cristal 30 sans avoir traversé d'autre dispositif susceptible d'en modifier la polarisation. In addition, the sensor 16 comprises a polarization modulator 130. The polarization modulator 130 is placed between the polarized light source 46 and the opening 39 and is traversed by the incident beam 35 and the reflected beam 37. Preferably, the incident beam 35 having passed through the polarization modulator 130 directly reaches the crystal 30 without passing through any other device capable of modifying its polarization and the reflected beam 37 reaches the polarization modulator 130 after being reflected by the crystal 30 without having passed through any other device capable of modifying its polarization.
Le modulateur de polarisation 130 est adapté à faire varier la direction de polarisation de l'onde rectiligne émise par la source 46 de façon périodique. A titre d'exemple, le modulateur de polarisation 130 est adapté à faire tourner la direction de polarisation de l'onde rectiligne émise par la source 46 à une vitesse angulaire ω constante. A titre d'exemple, la vitesse angulaire ω peut varier d'environ 1000 tours/min à environ 100000 tours/min.  The polarization modulator 130 is adapted to vary the direction of polarization of the rectilinear wave emitted by the source 46 periodically. By way of example, the polarization modulator 130 is adapted to rotate the polarization direction of the rectilinear wave emitted by the source 46 at a constant angular velocity ω. By way of example, the angular velocity ω can vary from about 1000 rpm to about 100000 rpm.
Le modulateur de polarisation 130 peut être une lame demi-onde, ou approximativement demi-onde, tournante dont la vitesse de rotation est ω/2. La mise en rotation de la lame demi-onde 130 est, par exemple, réalisée par un moteur électrique, non représenté. Lorsque le modulateur de polarisation 130 est une lame demi-onde tournante, le capteur 16 comprend, en outre, une lame quart d'onde 132 ou approximativement quart d'onde, qui est traversée par le faisceau réfléchi 37 et qui est disposée entre la lame demi-onde 130 et le polariseur 48. De préférence, l'un des axes lent ou rapide de la lame quart d'onde 132 est aligné avec la direction de polarisation de l'onde rectiligne fournie par la source 46.  The polarization modulator 130 may be a half-wave, or approximately half-wave, rotating plate whose rotational speed is ω / 2. The rotation of the half wave plate 130 is, for example, performed by an electric motor, not shown. When the polarization modulator 130 is a rotating half-wave plate, the sensor 16 further comprises a quarter-wave plate 132 or approximately quarter wave, which is traversed by the reflected beam 37 and which is disposed between the half-wave plate 130 and polarizer 48. Preferably, one of the slow or fast axes of the quarter-wave plate 132 is aligned with the direction of polarization of the rectilinear wave provided by the source 46.
La figure 10 représente l'évolution de l'état de polarisation du faisceau réfléchi 37 après avoir traversé la lame demi-onde 130 et avant de traverser la lame quart d'onde 132 lorsque le champ électrique au niveau du cristal n'est pas nul. L'état de polarisation du faisceau réfléchi 37 est alors une polarisation elliptique dont le grand axe est aligné avec la direction de polarisation de l'onde rectiligne fournie par la source 46 et dont le petit axe évolue de façon périodique, à une pulsation 4ω entre la valeur nulle (auquel cas la polarisation est en fait rectiligne) et une valeur maximale. En figure 10, on a représenté les états de polarisation rectiligne et elliptique extrêmes 134, 136 et un état de polarisation elliptique intermédiaire 138. La valeur maximale du petit axe de la polarisation elliptique est proportionnelle au carré du champ électrique appliqué au cristal 30. FIG. 10 represents the evolution of the polarization state of the reflected beam 37 after passing through the half-wave plate 130 and before crossing the quarter-wave plate 132 when the electric field at the crystal is not zero . The state of polarization of the reflected beam 37 is then an elliptical polarization whose major axis is aligned with the direction of polarization of the rectilinear wave provided by the source 46 and whose minor axis evolves periodically, at a 4ω pulse between the null value (in which case the polarization is in fact rectilinear) and a maximum value. In FIG. 10, the states of rectilinear and elliptical polarization are represented. extremes 134, 136 and an intermediate elliptical polarization state 138. The maximum value of the small axis of the elliptical polarization is proportional to the square of the electric field applied to the crystal 30.
La lame quart d'onde 132 transforme la polarisation elliptique du faisceau réfléchi 37 en une polarisation rectiligne dont la direction de polarisation oscille de façon périodique à une pulsation 2ω et dont l'amplitude des oscillations varie linéairement avec le champ électrique appliqué au cristal 30.  The quarter-wave plate 132 transforms the elliptical polarization of the reflected beam 37 into a rectilinear polarization whose polarization direction oscillates periodically at a pulse 2ω and whose oscillation amplitude varies linearly with the electric field applied to the crystal 30.
Le polariseur 48 convertit la modulation d'état de polarisation du faisceau lumineux 37 ayant traversé la lame quart d'onde 132 en une modulation d'amplitude du faisceau lumineux .  The polarizer 48 converts the polarization state modulation of the light beam 37 having passed through the quarter wave plate 132 into an amplitude modulation of the light beam.
Le photodétecteur 50 permet de convertir la modulation d'amplitude du faisceau lumineux issu du polariseur 48 en un courant électrique 13 dont l'expression est donnée par la relation (11) suivante :  The photodetector 50 makes it possible to convert the amplitude modulation of the light beam coming from the polarizer 48 into an electric current 13 whose expression is given by the following relation (11):
i3 = i2* (i + U) (11) où 12 est le courant moyen fourni par le photodétecteur 50 et u est le signal utile qui a approximativement l'expression donnée par la relation (12) suivante : i 3 = i 2 * (i + U ) (11) where 12 is the average current supplied by the photodetector 50 and u is the useful signal which has approximately the expression given by the following relation (12):
u = C*E ( t) *sin(cp0-2cot) = F*V (t) *sin (cp0-2cùt) (12) où cpg , C et F sont des constantes et V(t) est la tension entre l'élément central 122 et l'enceinte 124, qui est supposée constante ou variant lentement en fonction du temps. Les constantes cpg , C et F et le courant 2 peuvent être déterminés par étalonnage. La tension V étant sensiblement constante ou évoluant lentement en fonction du temps, une opération de filtrage, simple à mettre en oeuvre, à la fréquence 2ω peut alors être réalisée pour obtenir le terme F*V. u = C * E (t) * sin (cp 0 -2cot) = F * V (t) * sin (cp 0 -2cut) (12) where cpg, C and F are constants and V (t) is the voltage between the central element 122 and the enclosure 124, which is assumed to be constant or slowly varying as a function of time. The constants cpg, C and F and stream 2 can be determined by calibration. The voltage V being substantially constant or changing slowly as a function of time, a filtering operation, simple to implement, at the frequency 2ω can then be performed to obtain the F * V term.
A titre de variante, l'un des axes, lent ou rapide, de la lame quart d'onde 132 peut être incliné d' approximativement 45° avec la direction de polarisation de l'onde rectiligne fournie par la source 46. Dans ce cas, on parvient à une relation analogue à la relation (12) décrite précédemment. Alternatively, one of the slow or fast axes of the quarter-wave plate 132 may be inclined at approximately 45 ° to the polarization direction of the rectilinear wave. provided by the source 46. In this case, a relation similar to the relation (12) described above is reached.
La figure 11 représente une variante du modulateur de polarisation 130, dans laquelle le modulateur de polarisation 130 comprend un modulateur électro-optique de phase 140, commandé par une source de tension 142, et une lame quart d'onde 144, ou approximativement quart d'onde. Le modulateur 140 est situé entre la source 46 et la lame quart d'onde 144 et la lame quart d'onde 144 est située entre le modulateur 140 et le cristal 30. Les axes XL et XR, lent et rapide, du modulateur de phase 140 forment un angle approximativement de 45° par rapport à la direction de polarisation R de l'onde rectiligne fournie par la source 46. La tension de commande du modulateur de phase 140 est une tension périodique, par exemple en forme de dents de scie, dont la fréquence est ω/2π. De préférence, l'un des axes lent ou rapide de la lame quart d'onde 144 est aligné avec la direction de polarisation R de l'onde rectiligne fournie par la source 46.  FIG. 11 shows a variant of the polarization modulator 130, in which the polarization modulator 130 comprises an electro-optical phase modulator 140, controlled by a voltage source 142, and a quarter-wave plate 144, or approximately quarter 'wave. The modulator 140 is located between the source 46 and the quarter wave plate 144 and the quarter wave plate 144 is located between the modulator 140 and the crystal 30. The XL and XR axes, slow and fast, of the phase modulator 140 form an angle of approximately 45 ° with respect to the direction of polarization R of the rectilinear wave provided by the source 46. The control voltage of the phase modulator 140 is a periodic voltage, for example in the form of sawtooth, whose frequency is ω / 2π. Preferably, one of the slow or fast axes of the quarter wave plate 144 is aligned with the polarization direction R of the rectilinear wave provided by the source 46.
Dans le cas où le modulateur 130 a la structure représentée à la figure 11, le dispositif de mesure 120 ne comprend pas la lame quart d'onde 132.  In the case where the modulator 130 has the structure shown in FIG. 11, the measuring device 120 does not include the quarter-wave plate 132.
La figure 12 représente l'évolution de l'état de polarisation du faisceau réfléchi 37 après avoir traversé le modulateur 130 représenté en figure 11 et avant de traverser le polariseur rectiligne 48 lorsque le champ électrique au niveau du cristal n'est pas nul. A l'aller, le faisceau incident 35 traverse successivement le modulateur de phase 140 puis la lame 144. Après réflexion, le faisceau réfléchi 37 traverse successivement la lame 144 puis le modulateur de phase 140. L'état de polarisation du faisceau réfléchi 37 est alors une polarisation rectiligne dont la direction oscille, de façon périodique à une pulsation ω, entre deux directions extrêmes 146 et 148 en passant par une direction médiane 150 qui est approximativement alignée avec la direction de polarisation de l'onde rectiligne fournie par la source 46. Le polariseur 48 convertit la modulation d'état de polarisation du faisceau lumineux 37 ayant traversé le modulateur de phase 140 en une modulation d'amplitude du faisceau lumineux. FIG. 12 represents the evolution of the polarization state of the reflected beam 37 after passing through the modulator 130 shown in FIG. 11 and before passing through the rectilinear polarizer 48 when the electric field at the crystal is not zero. In the forward direction, the incident beam 35 passes successively through the phase modulator 140 and then the plate 144. After reflection, the reflected beam 37 passes successively through the plate 144 and then the phase modulator 140. The polarization state of the reflected beam 37 is then a rectilinear polarization whose direction oscillates, periodically at a pulsation ω, between two extreme directions 146 and 148 passing through a median direction 150 which is approximately aligned with the direction of polarization of the rectilinear wave provided by the source 46 . The polarizer 48 converts the polarization state modulation of the light beam 37 having passed through the phase modulator 140 into an amplitude modulation of the light beam.
Le signal utile u de l'expression (11) décrite précédemment a approximativement l'expression donnée par la relation (13) suivante :  The useful signal u of the expression (11) described above has approximately the expression given by the following relation (13):
u = C*G(t) *sin(cp1-cùt) = H*V(t) )*sin(91-Qt) (13) où cp]_, G et H sont des constantes. Les constantes φ]_, G et H et le courant 2 peuvent être déterminés par étalonnage. u = C * G (t) * sin (cp 1 -cut) = H * V (t)) * sin (9 1 -Qt) (13) where cp] _, G and H are constants. The constants φ] _, G and H and the current 2 can be determined by calibration.
La tension V étant sensiblement constante ou évoluant lentement en fonction du temps, une opération de filtrage, simple à mettre en oeuvre, à la fréquence ω peut alors être réalisée pour obtenir le terme H*V.  The voltage V being substantially constant or changing slowly as a function of time, a filtering operation, simple to implement, at the frequency ω can then be performed to obtain the term H * V.
Le dispositif de mesure de tension selon l'invention présente plusieurs avantages. Le dispositif de mesure selon l'invention peut être léger, permettant un transport, une mise en place et une maintenance à bas coût. En outre, le dispositif de mesure de tension selon l'invention est compatible avec des structures d'isolateur existantes, permettant une mise en place simple .  The voltage measuring device according to the invention has several advantages. The measuring device according to the invention can be lightweight, allowing transport, installation and maintenance at low cost. In addition, the voltage measuring device according to the invention is compatible with existing isolator structures, allowing a simple implementation.
Divers modes de réalisation avec diverses variantes ont été décrits ci-dessus. On note que l'homme de l'art peut combiner divers éléments de ces divers modes de réalisation et variantes sans faire preuve d'activité inventive. En particulier, l'utilisation de fibres optiques pour transporter les signaux entre le cristal 30 et les systèmes d'émission 34 et d'analyse 36 peuvent être prévus avec les variantes et les exemples de réalisation décrits en relation avec les figures 4, 5, 7 et 9.  Various embodiments with various variants have been described above. It is noted that one skilled in the art can combine various elements of these various embodiments and variants without being creative. In particular, the use of optical fibers for transporting the signals between the crystal 30 and the transmission systems 34 and analysis 36 may be provided with the variants and embodiments described in connection with FIGS. 4, 5, 7 and 9.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (1 ; 95 ; 120) de mesure d'une tension comprenant : A device (1; 95; 120) for measuring a voltage comprising:
des première et seconde bornes conductrices (2, 4 ; 122, 124) entre lesquelles la tension est mesurée ;  first and second conductive terminals (2, 4; 122, 124) between which the voltage is measured;
un isolateur (6) séparant les première et seconde bornes ;  an insulator (6) separating the first and second terminals;
un capteur optique (16) mesurant le champ électrique en un emplacement entre les première et seconde bornes, le capteur optique comprenant un cristal électro-optique (30) isotrope entre les première et seconde bornes ; et  an optical sensor (16) measuring the electric field at a location between the first and second terminals, the optical sensor comprising an isotropic electro-optical crystal (30) between the first and second terminals; and
un détecteur (18) déterminant la tension à partir du champ électrique mesuré.  a detector (18) determining the voltage from the measured electric field.
2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, dans lequel le cristal (30) comprend une face (40) à moins de 2 centimètres de la première borne (4) .  2. Measuring device according to claim 1, wherein the crystal (30) comprises a face (40) less than 2 centimeters from the first terminal (4).
3. Dispositif de mesure selon la revendication 2, dans lequel le cristal (30) est au contact de la première borne (4 ; 124) .  3. Measuring device according to claim 2, wherein the crystal (30) is in contact with the first terminal (4; 124).
4. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une enceinte (38) contenant :  4. Measuring device according to any one of claims 1 to 3, comprising an enclosure (38) containing:
une source (46) d'un faisceau lumineux (35), le faisceau lumineux traversant le cristal (30) ; et  a source (46) of a light beam (35), the light beam passing through the crystal (30); and
un système d'analyse (36) du faisceau lumineux ayant traversé le cristal.  an analysis system (36) of the light beam having passed through the crystal.
5. Dispositif de mesure selon la revendication 4, dans lequel la source (46) fournit une onde à polarisation rectiligne, le dispositif comprenant, en outre, un modulateur d'état de polarisation (130) situé entre la source (46) et le cristal (30) adapté à faire varier de façon périodique l'état de polarisation du faisceau lumineux fourni par la source.  The measuring device according to claim 4, wherein the source (46) provides a linearly polarized wave, the device further comprising a polarization state modulator (130) located between the source (46) and the crystal (30) adapted to periodically vary the polarization state of the light beam provided by the source.
6. Dispositif de mesure selon la revendication 5, dans lequel le modulateur d'état de polarisation (130) comprend une lame demi-onde ou approximativement demi-onde mise en rotation à une vitesse constante. The measuring device according to claim 5, wherein the polarization state modulator (130) comprises a half-wave or approximately half-wave plate rotated at a constant speed.
7. Dispositif de mesure selon la revendication 5, dans lequel le modulateur d'état de polarisation (130) comprend un modulateur électro-optique de phase (140) et une lame quart d'onde (144) . The measuring device according to claim 5, wherein the polarization state modulator (130) comprises an electro-optical phase modulator (140) and a quarter wave plate (144).
8. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel les bornes (2, 4) sont perpendiculaires à une direction (D) et dans lequel le cristal (30) comprend au moins une face (40) du type <100>, <010> ou <001> perpendiculaire à ladite direction, le faisceau lumineux (35) atteignant le cristal sur ladite face, le faisceau étant incliné par rapport à ladite direction (D) d'un angle inférieur à 10 degrés.  8. Measuring device according to any one of claims 4 to 7, wherein the terminals (2, 4) are perpendicular to a direction (D) and wherein the crystal (30) comprises at least one face (40) of the type <100>, <010> or <001> perpendicular to said direction, the light beam (35) reaching the crystal on said face, the beam being inclined with respect to said direction (D) by an angle of less than 10 degrees .
9. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel les bornes (2, 4) sont perpendiculaires à une direction (D) et dans lequel le cristal (30) comprend au moins une face (74) du type <110>, <011> ou <101> parallèle à ladite direction, le faisceau lumineux (35) atteignant le cristal sur ladite face, le faisceau étant incliné d'un angle inférieur à 10 degrés par rapport à une direction supplémentaire perpendiculaire à ladite face.  9. Measuring device according to any one of claims 4 to 7, wherein the terminals (2, 4) are perpendicular to a direction (D) and wherein the crystal (30) comprises at least one face (74) of the type <110>, <011> or <101> parallel to said direction, the light beam (35) reaching the crystal on said face, the beam being inclined at an angle less than 10 degrees with respect to an additional direction perpendicular to said face.
10. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, dans lequel l'enceinte (38) est métallique et est fixée à la première borne (4 ; 124) , du côté de la première borne opposé à l'isolateur (6), la première borne comprenant une ouverture (39) pour le passage du faisceau lumineux .  10. Measuring device according to any one of claims 4 to 9, wherein the enclosure (38) is metallic and is fixed to the first terminal (4; 124), on the side of the first terminal opposite the insulator. (6), the first terminal comprising an opening (39) for the passage of the light beam.
11. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, comprenant au moins une fibre optique (62, 64) reliant l'enceinte (38) à la première borne (4) pour le transport du faisceau lumineux (35) .  11. Measuring device according to any one of claims 4 to 9, comprising at least one optical fiber (62, 64) connecting the enclosure (38) to the first terminal (4) for transporting the light beam (35). .
12. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, ne comprenant pas de fibre optique entre les première et seconde bornes (2, 4) .  12. Measuring device according to any one of claims 1 to 11, comprising no optical fiber between the first and second terminals (2, 4).
13. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, comprenant une couche (32) entourant le cristal (30), la couche ayant une permittivité relative égale à la permittivité relative du cristal à 10 % près. 13. Measuring device according to any one of claims 1 to 12, comprising a layer (32) surrounding the crystal (30), the layer having a relative permittivity equal to the relative permittivity of the crystal to 10%.
14. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, comprenant une portion diélectrique (10) reliant la première borne (4) à la seconde borne (2) et comprenant une paroi extérieure (14) entourant le cristal (30) .  14. Measuring device according to any one of claims 1 to 13, comprising a dielectric portion (10) connecting the first terminal (4) to the second terminal (2) and comprising an outer wall (14) surrounding the crystal (30). ).
15. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel la première borne (124) est cylindrique, la seconde borne (122) étant disposée dans la première borne .  15. Measuring device according to any one of claims 1 to 13, wherein the first terminal (124) is cylindrical, the second terminal (122) being disposed in the first terminal.
16. Dispositif de détection de défaut, comprenant un dispositif de mesure (1) selon la revendication 14, et un capteur optique (16') supplémentaire mesurant le champ électrique à un emplacement supplémentaire entre les première et seconde bornes (2, 4) à l'extérieur de la portion diélectrique (10) .  A fault detection device, comprising a measuring device (1) according to claim 14, and an additional optical sensor (16 ') measuring the electric field at an additional location between the first and second terminals (2, 4) to the outside of the dielectric portion (10).
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