Brevet FR2130303A1 — publié le 19721103

7.2 09090 i 2130303 La présente invention concerne un procédé pour la mesure de courant continu avec séparation galvanique et codage temporel direct, à l'aide d'une bobine à trois enroulements séparés au moins, comportant un noyau magnétisable, dont la courbe d'aimantation atteint la saturation grâce 5 à un enroulement de prémagnétisation, un enroulement de mesure parcouru par l'c. courant. à mesurer, et un .enroulement d,'induction, qui délivre la tt-nsitr: induite par If flux dans le noyau. " l'importance particulière de ce procédé réside dans la séparation galvanique des circuits de mesure.et d'indication, et dans la possi-10 bilité de mesurer le courant sans perte. On sait mesurer des courants continus avec séparation galvanique à l'aide de bobines comportant, au moins dt-ux enroulements et un noyau magnétisable, dont la courbe d'aimantation atteint ia saturation grâce à une force magnétomotrice , alternative de préaimantation. Un premier enroulement, l'enroulement de 15 mesure, est alors parcouru par le courant continu à mesurer, tandis que le second, l'enroulement de prémagnétisation,; est reli,é à une source de tension alternative afin de produire la force magnétomotrice alternative de prémagnétisati-on. Le courant circulant dans ,l'enroulements de mesure impose une allure sensiblement rectangulaire.au courant circulant dans 20 l'enroulement de prémagnétisation, pendant une alternance de la tension alternative. L'amplitude de ce courant rectangulaire est proportionnelle au courant de commande et sa valeur résulte du rapport dès nombres de spires des enroulements de mesure et de prémagnétisation. Pour une utilisation métrologique de ce phénomène, il est courant d'utiliser deux 25 montages du type décrit, en couplant leurs enroulements de mesure en série et leurs enroulements de prémagnétisation en anti-série. Il apparaît ainsi dans les enroulements de prémagnétisation un courant rectangulaire pur, dont l'amplitude après redressement par un pont de diodes est une mesure du courant circulant dans l'enroulement de mesure. Le 30 montage de mesure est de constitution simple et offre une bonne linéarité, mais présente les inconvénients suivants : le sens du courant n'est pas décelable et l'indication est indéterminée au voisinage du zéro. Dans une autre méthode de mesure de courant continu avec séparation galvanique, on utilise également un noyau magnétisable portant un enrou-35 lemf-nt de prémagnétisation et un enroulement de mesure. Un courant alternatif, circulant dans l'enroulement de prémagnétisation, porte le noyau à saturation. La tension aux bornes de l'enroulement de prémagné- 72 09090 2 2130303 tisation n'est ainsi plus sinusoïdal et contient par suite des harmoniques supérieurs. Seuls des harmoniques impairs apparaissent quand le courant à mesurer est nul. Des harmoniques pairs apparaissent par contre aussi quand le courant à mesurer n'est pas nul. La tension de l'harmonique 2 5 ést utilisée comme mesure de la valeur du courant continu circulant dans l'enroulement de mesure. Il est usuel d'utiliser deux des montages décrits en couplant leurs enroulements de mesure en série et leurs enroulements de prémagnétisation en antisérie, afin de supprimer les harmoniques impairs gênants. Les noyaux sont souvent munis d'un troisième enroulement, 1'en-10 roulement d'induction, aux bornés duquel est prélevée la tension de l'harmonique 2. Ce montage de mesure est égalemènt de constitution simple, possède un zéro défini et permet de décler le sens du courant mesuré; il présente toutefois les inconvénients suivants : forte non-linéarité et erreurs importantes résultant d'une résistance variable du circuit de 15 mesure. Dans une troisième méthode de mesure de courant continu avec séparation galvanique, on utilise de nouveau un noyau magnétisable portant un enroulement de prémagnétisation et un enroulement de mesure, mais la force magnétomotrice de prémagnétisation ne porte pas le noyau à la satu-20 ration dans ce cas. On utilise la variation d'inductance de l'enroulement de prémagnétisation quand un courant continu circule dans l'enroulement de mesure. Cette méthode entraîne toutefois 'des erreurs et des dépenses telles qu'elle n'est pas appliquée industriellement. Les procédés décrits ci-dessus présentent tous l'inconvénient fonda-25 mental de ne pas permettre une indication numérique directe du courant continu mesuré et d'imposer l'emploi supplémentaire d'un convertisseur analogique-numérique. Ce dernier entraîne non seulement un appareillage supplémentaire, mais aussi une précision de mesure réduite. L'invention a pour objet d'obtenir une mesure numérique du courant 30 continu mesuré avec codage temporel direct. Il est ainsi possible d'ob tenir simplement une indication numérique, un enregistrement et un traitement de la mesure, ainsi qu'une télétransmission sans perturbation ni non-linéarités de la voie de transmission, et de réduire l'appareillage pour l'indication de la valeur mesurée. 35 Selon une caractéristique essentielle dé l'invention, la tension délivrée par l'enroulement d'induction est différentiée et le décalage temporel des passages par zéro de la tension induite différentiée, 09090 3 2130303 résultant de l'action du courant mesuré sur le noyau, est utilisé comme mesure de l'intensité et du sens du courant mesuré. Afin de marquer l'instant du passage par zéi-a, la tension induite différentiée est, selon une autre caractéristique de l'Invention, appliquée à un comparateur dont la tension de sortie présente une variation brusque d'amplitude lors du passage par zéro de la tension induite différenciée. Afin que dans ce procédé l'intervalle de temps entre deux discontinuités de tension de sens opposé soit directement proportionnel à l'intensité du courant circulant dans l'enroulement de mesure,, on utilise selon une autre caractéristique de l'invention deux montages comportant chacun une bobine à trois enroulements et noyau magnétisable, un différentiateur et un comparateur de tension, les enroulements de mesure étant couplés en série et les enroulements de prémagnétisation en antisérie aux bornes des comparateurs, de sorte que lrintervalle de temps séparant deux discontinuités de tension de sens opposé est une mesure du courant continu. Afin d'augmenter la pente du passage par zéro et d'accroître ainsi la sécurité de traduction de ce passage par zéro,, pour une même sensibilité de la méthode de mesure, la section du noyau magnétisable est réduite sur une longueur déterminée et l'enroulement d'induction disposé sur cette section réduite. Afin de permettre une indication ou un enregistrement à l'aide d'un appareil analogique mesurant la valeur arithmétique moyenne d'une tension, en plus de l'indication et de l'enregistrement numériques du courant mesuré, la tension induite différentiée de la bobine est enfin appliquée à un comparateur de tension, délivrant une tension de sortie dont la polarité s'inverse brusquement, pour une amplitude de sortie constante, lors du passage par zéro de la tension induite différentiée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous de deux exemples de réalisation et des dessins annexés sur lesquels ; la figure 1 représente un montage comportant une seule bobine à noyau; la figure 2a représente la force magnétomotrice dans le noyau magnétique doux du montage selon figure 1, en fonction du nombre d'ampères-tours; la figure 2b représente la caractéristique d'aimantation du noyau; la figure 2c représente l'induction dans le noyau; 09090 4 2130303 la figure 2d représente la tension induite dans l'enroulement d'induction; la figure 2e représente la courbe obtenue par différentiation de. la tt.usion induite; la figure 2i représente la tension rectangulaire de. sortie, délivrée par Je comparateur de tension; la figure 3 représente un montage différentiel à deux noyaux; la figure 4a représente la force magnétomotrice dans les noyaux magnétiques doux du montage selon figure 3; la figure 4b représente la caractéristique d'aimantation des noyaux; la figure 4c représente l'induction dans les noyaux; la figure 4d représente les tensions rectangulaires délivrées par les enroulements de sortie du comparateur de tension; et la figure 4e représente le train d'impulsions de sortie obtenu en couplant les deux tensions de sortie en opposition. Dans le montage de la figure 1, une source 1 délivre un courant alternatif 1^, sinusoïdal ou triangulaire, à l'enroulement de prémagnétisation 2 d'un noyau magnétique doux 3. La section du noyau 3 est réduite sur une partie. L'enroulement d'induction 5 est disposé sur la section réduite et l'enroulement de mesure 6, parcouru par le courant .à mesurer, est disposé au-dessus, sur la branche à section réduite. La tension u^ délivrée par l'enroulement d'induction 5 est transmise par un différentiateur, pouvant être constitué par un élément RC dans le cas le plus simple, à un comparateur de tension 8, qui délivre la tension de sortie' u . 3 La figure 2 illustre le procédé de mesure. La caractéristique d'aimantation du noyau magnétique doux est représentée par une courbe univoque quand on néglige l'hystérésis et les pertes par courants de Foucault (figure 2b). Les actions sur le noyau de la force magnétomotrice de prémagnétisation t } à variation triangulaire dans le temps, et de la force magnétomotrice de mesure s'additionnent pour donner la force magnétomotrice dans le noyau en fonction du nombre de spires et du courant des enroulements (figure 2a). L'induction B dans le noyau (figure 2c) est symétrique de la force magnétomotrice résultante par rapport à La caractéristique d'aimantation. La tension u^ induite dans l'enroulement d'induction correspond au quotient différentiel de l'induction B dans le noyau (figure 2dl On voit que l'action du courant mesuré I décale les 72 09090 5 2130303 extrémums de la tension induite de f.t . La valeur et le sens du déca- o lage sont une mesure du champ à mesurer. Une traduction directe du décalage des extrémums est entachée d'erreurs importantes par suite de l'influence de l'amplitude sur ces valeurs. Une différentiation de la 5 tension induite transforme ces extremums en passages par zéro, dont la position temporelle est indépendante de l'amplitude et de la forme d'onde (figure 2e). La traduction des passages par zéro est effectuée par un comparateur de tension qui délivre une tension de sortie dont la polarité varie brusquement, à amplitude constante, lors du passage par zéro de la 10 tension induite différentiée. Le comparateur délivre une tension rectan gulaire ug dont la durée des créneaux f.T^ ou f.T^ dépend uniquement de la valeur du courant mesuré I (figure 2f). m ï'.T, t = 0,5 + 2f . t (I ) 1,2 5 — o m Dans cette équation, f est la fréquence, f.t la largeur des créneaux et 15 t Ie décalage temporel des passages par zéro- sous l'action du cou rant mesuré. Il est facile également d'obtenir une mesure analogique à l'aide de la tension de sortie du comparateur, en appliquant cette dernière à un voltmètre indiquant la moyenne arithmétique. La figure 3 représente un montage dans lequel une source de tension 20 alternative délivre un courant I , triangulaire ou sinusoïdal, à deux enroulements de prémagnétisation 9 et 10, à couplage antisérie, monté sur les noyaux 3a et 3b. Les enroulements de mesure 11 et 12, parcourus par le courant I , sont couplés en série. Les enroulements d'induction m 13 et 14 alimentent séparément les différentiateurs 15 et les comparateurs 25 de tension 16 identiques. Les sorties des comparateurs de tension, déli vrant les tensions ug^ et u £ sont couplées en antisérie. On obtient ainsi une tension résultante u . g La figure 4 illustre le fonctionnement du montage différentiel. La courbe d'aimantation des noyaux est de nouveau représentée par une courbe 30 univoque (figure 4b). Les actions sur chaque noyau des forces magnéto- motrices de prémagnétisation et de mesure s'additionnent. La force magné-tonutrice résultante dans le noyau 3a est déphasée de f.t = 0,5 par rapport à celle dans le noyau 3b (figure 4a). Il en résulte deux inductions B déphasées de f.t = 0,5 dans les noyaus 3a et 3b (figure 4c). Les 35 tensions Induites dans les enroulements d'induction sont différentiées séparément dans les divers canaux , puis traduites aux passages par zéro, comme précédemment décrit. Les sorties des comparateurs de tension 16 09090 6 2130303 délivrent ainsi deux tensions rectangulaires u_^ et us£j avec une largeur de créneau f.T^ ou f-T2 (figure 4d). Le couplage antisérie des deux tensions donne une tension de sortie résultante u , constituée par g un train d'impulsions rectangulaires de durée f.t.^/2, avec : £-t3 " 4£ * 'o Les impulsions se succèdent à un intervalle f.t = 0,5. Le montage différentiel double ainsi la sensibilité et supprime le terme 0,5 gênant dans l'équation du décalage temporel dans le montage de mesure simple. La réaction de la force magnétomotrice de prémagnétisation sur le circuit de mesure est en outre évitée. Les principaux avantages de l'invention résultent de ce que la mesure du courant continu I est constituée par l'intervalle de temps entre deux passages par zéro successifs, au lieu de l'amplitude d'une tension alternative, comme dans les procédés connus. Il est ainsi possible, sans convertisseur analogique-numérique, d'exprimer la valeur mesurée sous forme numérique, très simplement et sans erreur. La traduction des passages par zéro de la tension alternative à l'aide d'un comparateur de tension permet de transmettre les valeurs mesurées du courant continu à de grandes distances, sans perte d'information, même en cas de perturbations et de non-linéarités de la voie de transmission. Contrairement aux montages de mesure connus, le montage selon l'invention permet de les régénérer et de les amplifier avec un appareillage réduit. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au procédé et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. 09090 7 2130303 Revendications 1. Procédé pour la mesure de courant continu avec séparation galvanique et codage temporel direct, à l'aide d'une bobine à trois enroulements au moins, comportant un noyau magnétisable, dont la courbe d'aimantation atteint la saturation grâce à un enroulement de prémagnétisation, un enroulement de mesure parcouru par le courant à mesurer et un enroulement d'indu.lion délivrant la tension induite par l'induction dans le noyau, est ledit procédé étant caractérisé en ce que la tension induite différentiée et que le décalage temporel des passages par zéro de la tension induite différentiée, résultant de l'action du courant mesuré sur le noyau, sert de mesure de l'intensité et du sens du courant. 2. Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que la tension Induite uifiérentiée est appliquée à un comparateur de tension, délivrant urits tension de sortie dont l'amplitude varie brusquement 1ers du passage par zéro de la tension induite différentiée. 3. Procédé selon une des revendications 1 et 2, caractérisé par l'emploi de deux montages, comprenant chacun une bobine à trois enroulements et noyau magnétisable, un différentiateur et un comparateur de tension, les enroulements de mesure étant couplés en série et les enroulements de prémagnétisation en antisérie aux sorties des comparateurs, de sorte que l'intervalle de temps entre deux discontinuités de tension de sens opposé est une mesure du courant continu. 4. Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que la section du noyau magnétisable de la bobine est réduite sur une partie qui porte l'enroulement d'induction. 5. Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que la tension induite différentiée de la bobine est appliquée à un comparateur de tension qui délivre une tension de sortie dont la polarité varie brusquement, à amplitude constante, lors du passage par zéro de la tension induite différentiée.