Brevet FR2485205A1 — publié le 19811224

L'invention concerne un procédé pour mesurer des capacités, des différences de capacité, et pour localiser des coupures dans des câbles et lignes, par équilibrage d'un montage en pont de Murray. Le procédé sert principalement à localiser des cou- pures de câbles et lignes, ainsi qu à mesurer des rapports de capacités. En modifiant légèrement le montage suivant le procédé, on peut aussi mesurer et indiquer des différences de capacités, et après avoir introduit des capacités normales, des valeurs de capacité. Il est généralement connu d'utiliser pour la locali- sation des défauts par mise à la terre des câbles et lignes, le montage de mesure en pont dit de Murray (voir '"Fehlerortungen" von Dr-Ing. E. Widle Dr Alfred HUthig-Verlagp Heidelberg, 1962, pages 22 à 24). Le brin intact du câble et l'extrémité du brin accidenté qui se trouve après le défaut de mise à la terre, et qui est reliée avec lui, forment une branche du pont, tandis que la partie du brin accidenté qui se trouve avant ce défaut forme la seconde branche du pont. Les deux autres branches du pont sont représentées par un potentiomètre, ou un dispositif potentiomètre-résistance. La source de tension de mesure est montée entre le branchement de prise du potentiomètre et un raccord à la terre. Un appareil de réglage à-zéro qui est placé entre les deux extrémités accessibles des brins du câble men- tionnés sert à équilibrer le pont en réglant le potentiomètre. Ce montage en pont suivant Murrayp connu, peut également être alimenté en courant alternatif, et permet alors, en choisissant convenablement l'appareil de réglage à zéro, de localiser des coupures de câbles et lignes ou de mesurer des rapports de capacité. Ce montage en pont connu présente cependant une série d'inconvénients qui rendent la mesure plus difficile et rendent onéreuse la détermination précise du point de coupure. Le montage en pont doit être équilibré à la main, la distance du point de coupure doit être calculée d'après le réglage du potentiomètre. La limite d'erreur du dispositif est déterminée directement par la qualité du potentiomètre utilisé. Le coût d'un potentiomètre suffisamment précis est très élevé et la précision diminue avec le temps. En outre, on doit raccorder le brin défectueux et le brin en bon état aux bornes du dispositif 2 2485205 de mesure qui leur sont attribuées. A cela s'ajoute que, s'il se produit des tensions parasites, la mesure est perturbée ou est rendue tout à fait impossible. On connaît d'autre part un procédé pour la mesure de résistances, de différences de résistances, et pour la loca- lisation de défauts sur des câbles et lignes par équilibrage d'un montage en pont de Murray (document allemand AS 29 39 467). Dans ce procédé connu, les deux résistances d'équilibrage, prévues dans le montage en pont, sont remplacées par un commu- tateur (Si, S2) avec un rapport de temps de commutation &yl (T - At) variable, l'équilibrage du pont s'opère en modi- fiant ce rapport du temps de commutation At/(T - At), et l'on mesure et indique le rapport du temps de commutation &t/(T - ht) quand le pont est équilibré. Le signe T désigne ici la durée du cycle de mesure, et & t le temps pendant lequel est établie la liaison afférente à cette position de commutation dans une position déterminée de commutation du commutateur. Ce procédé convient seulement pour mesurer des résistances, des différences de résistances et pour localiser les défauts des câbles et lignes qui ont été provoqués par une mise à la terre d'un des brins du cible. Son utilisation pour mesurer des capacités, des différences de capacités et pour localiser des coupures de cables et lignes présente l'inconvé- nient que pendant la mesure, il se produit, sur les condensa- teurs ou des parties des conducteurs, des tensions continues toujours croissantes, qui apparaissent même sur les contacts de commutation et qui représentent un danger pour la précision de la mesure. L'invention a pour but d'améliorer lé procédé ci- dessus d'une façon telle que des tensions de mesures incontrô- lées ne puissent plus se produire et que l'on évite en consé- quence les erreurs qu'elles pourraient produire. A cet effet, l'invention propose que les deux résis- tances de compensation qui sont prévues dans le montage en pont soient remplacées par un commutateur dans lequel le rapport commutation-temps est variable, l'équilibrage du pont s'opérant en modifiant ce rapport commutation-temps, que l'on mesure et indique, quand le pont est équilibré, et, après quelques périodes de mesure.on inverse, la'polarité d'un courant de charge qui est fourni aux capacités que l'on doit déterminer, ou un courant constant alimentant le montage en pont. D'autres améliorations du mode de réalisation de l'invention résident en ce que: - on utilise, comme commutateur, des composants semi-conducteurs réglables, - on diminue l'influence des différences éventuel- les des résistances de coupure des composants du commutateur sur la précision des mesures, en introduisant un élément de limitation de l'intensité sur le conducteur qui relie le commu- tateur et la source de tension de mesure, - le rapport commutation-temps a t/(T -Et) du com- mutateur est mesuré et affiché par un compteur numérique à avance et recul commandé par un indicateur de cadence, - le compteur est programmé par l'entrée d'un domaine de mesure de la longueur de câble pour l'émission abso- lue de la valeur de mesure, - le rapport At/(T - At) du commutateur pour l'équi- librage du pont est ajusté par un comparateur par comparaison d'une tension en dents de scie avec une tension de référence réglable, - le rapport A t/(T - At) du commutateur est réglé, pour l'équilibrage automatique du pont, au moyen d'un compara- teur, par comparaison d'une tension en dents de scie avec la tension de la branche zéro du pont intégrée. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés, représentant des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels - la figure 1 est un schéma indicateur du principe du procédé de l'invention. - la figure 2 est un schéma par blocs d'un montage destiné à la mise en pratique de l'invention. - la figure 3 représente l'allure de la tension en différents points importants du montage.- - la figure 4 représente la courbe de l'intensité et de la tension, dans le temps, aux points de mesure Xa et-Xb, à une échelle de temps réduite par rapport à la figure 3. - la figure 5 est un schéma par blocs d'un montage comprenant des variantes de réalisation. La figure 1 montre le schéma de principe d'un ins- trument de mesure, avec les détails importants pour l'exposi- tion du procédé. Le câble défectueux présente une longueur 1. 4 2485205 Le brin en bon état a est complété par une capacité dont la valeur ressort de la longueur 1 du brin et de la capacité linéaire c' du brin. Ce brin a est relié, à l'extrémité éloi- ghée du cible, au brin accidenté b. La représentation du brin b, coupé, défectueux est complétée par ses capacités partielles avant et après la coupure. La distance du point de mesure jusqu'à la coupure se monte à lx. La distance de la coupure jusqu'à l'extrémité éloignée du câble est désignée par ly. L'équilibrage du pont s'opère à l'aide de l'instrument à zéro N. Un potentiomètre reliant les brins du câble et formant deux autres branches du pont de mesure suivant Murray connu est remplacé par les commutateurs Sl et S2, le rapport commutation- temps étant variable. La jonction des deux contacts Si et S2 des commutateurs est reliée, par l'intermédiaire de la résis- tance R3 de limitation d'intensité, et des commutateurs S3 et S4, avec les deux sources de tension de mesures 9, de p8les opposés, dont les seconds p8les sont mis à la terre. On peut se rendre compte sans explication plus précise que, dans des conditions déterminées, par exemple sous une fréquence fm suffisamment élevée, ou avec une inertie d'une importance appropriée de l'instrument à zéro N, il est possible d'obtenir un équilibre à zéro du montage en pont en modifiant le rapport commutation-temps du commutateur S1 et S2 ou aussi en fournissant au montage en pont un courant continu constant, Il se produirait ici toutefois pendant la mesure, sur les con- densateurs partiels, des tensions toujours croissantes sur les contacts du commutateur Sl et S2. Pour éviter ce phénomène, on inverse la polarité du courant Im alimentant le pont, après par exemple, huit cycles de commutation du commutateur Sl et S2. Cela s'opère dans cet exemple au moyen du commutateur S3 et S4, qui connecte, alternativement, au pont de mesure, les deux sources de tension de mesure Um de polarités opposées. Dans la pratique, on remplacera les commutateurs mécaniques S1 et S2 indiqués dans la figure 1, de mome que les contacts de commutation S3 et S4, avec les deux sources de ten- sion de mesure Um, par des composants semi-conducteurs régla- bles, comme il est indiqué dans la figure 2, et comme il sera expliqué plus loin. On peut cependant se rendre compte ici déjà que l'on peut diminuer dans une mesure quelconque voulue, dans le conduc- 2485205 teur de liaison entre les commutateurs Si et S2, de meme qu'entre Les commutateurs S3 et S4, l'influence des différences éventuelles des résistances de passage des composants semi- conducteurs, utilisés comme commutateurs, surla précision des mesures, en intercalant un élément limitateur d'intensité suf- fisamment important, illustré ici sous la forme d'une résistan- ce R3. La figure 2 montre une illustration sous la forme d'un schéma-par blocs d'un montage destiné à l'application du procédé. L'objet à mesurer, déjà décrit en détail à propos de la figure 1, est indiqué d'une façon simple dans la partie supérieure de la figure et sans chiffres de référence. L'instru- ment à zéro N est pourvu d'un amplificateur destiné à augmenter à volonté sa sensibilité et à permettre d'améliorer la préci- sion des mesures. Si l'on utilise, comme il est courant, comme instrument a zéro, un instrument à bobine tournante& on connec- tera, entre l'amplificateur et l'instrument, un redresseur de mesure. Les commutateurs SI et S2 ont été remplacés par des composants semi-conducteurs Tl et T2 réglables, qui sont indi- qués dans la figure 2 sous la forme de transistors à effet de champ. Mais on peut utiliser aussi d'autres types appropriés de transistors ou des composants semi-conducteurs numériques modernes. La source de tension de mesure Um est à nouveau reliée avec le commutateur par l'intermédiaire d'une résistance R3 de limitation d'intensité que l'on peut supprimer dans le cas o l'on utilise, comme source de tension de mesure, une source de courant constant. L'inversion de polarité régulière de la source de tension de mesure est assurée par un diviseur de fréquence, qui est commandé soit par l'indicateur de cadence TG, soit comme dans l'exemple, par des impulsions de démarrage qu'émet le compteut Z à avance et recul sur le générateur de dents de scie SG. La sortie du comparateur K fournit des impulsions qui peu- vent être modifiées par les conditions régnant à son entrée, et qui sont envoyées, après une préparation appropriée, sous la forme de tension de commande aux composants semi- conducteurs Tl et T2. L'entrée négative du comparateur K est reliée à une tension continue, réglable par le potentiomètre P, qui est comparée avec une tension en dentsde scie venant du générateur de dents de scie SG. On se rend compte qu'en changeant la ten- sion d'équilibre, on peut modifier dans de larges mesures le rapport commutation-temps et assurer ainsi un équilibrage à zéro du pont. Le signal de démarrage pour chaque dent de scie à partir du générateur de dents de scie SG vient d'une sortie d'un compteur à avance et recul Z. Ce dernier est à son tour commandé par un indicateur de cadence, dont la fréquence de cadence est un multiple, par exemple égal à 20 000 fois, de la fréquence de mesure fm désirée. A partir de la tension de com- mande du composant semi-conducteur T2, il est donné, par un formateur d'impulsion, un ordre d'affichage au compteur à avance et recul Z, de sorte que sa sortie A indique le nombre d'impulsions fournies par l'indicateur de cadence TG pendant la durée de fermeture &t du composant T2. On peut montrer que cette indication est directement proportionnelle à la distance entre l'endroit de coupure et le début du cable. On peut régler l'état maximal du comptage du compteur à avance et recul Z à des valeurs quelconquesavec un commutateur de codage de l'entrée E. Si l'on introduit, à l'entrée E, la longueur totale L connue du câble à mesurer, en unités quelconques, on peut montrer que, si le pont est équilibré, il apparalt, à la sortie A, la lon- gueur lx du câble mesurée jusqu'à l'emplacement de la coupure. Dans la figure 3 est représentée schématiquement une série de courbes temporaires de tension, telles qu'elles ressortent en différents points du montage de la figure 2 quand le pont est équilibré. Dans la partie supérieure de la figure est représentée une impulsion dont la dutée T équivaut à la durée du cycle de mesure. Sa fréquence d'impulsion fm est donc 1: T. Sa durée ressort, d'après la figure 3, du nombre des impulsions de l'indicateur de cadence, représenté en-dessous qui est présélectionné par l'entrée E. De ces deux séries d'impulsions, on déduit la troisième série d'impulsions repré- sentée, dans laquelle la durée des différentes impulsions se monte à T: 2. On se sert de cette série d'impulsions pour inverser le compteur Z des chiffres montants et descendants. L'état de comptage que l'on obtient ainsi est représenté en dessous. De la première série d'impulsions, on dérive les impulsions de départ du générateur de dents de scie SG. Ce générateur de dents de scie SG fournit les dents de scie illus- 7 2485205 trées en-dessous qui vont à l'entréepositive du comparateur K. A l'entrée négative du comparateur K arrive la tension continue également illustrée, qui est prélevée au potentiomètre P. Les impulsions, qui se produisent à la sortie du comparateur K si les deux tensions comparées sont égales, sont reformées pré- parées, et elles servent de tension de commande aux éléments de commutation semi-conducteurs Tl et T20 Les tracés chronolo- giques des deux tensions de commande sont représentés en-dessous des dents de scie. De la tension de commande de l'organe de commutation T2, est dérivé à nouveau l'ordre d'affichage qui permet à la sortie A d'afficher l'état de comptage atteint a cet instant. Dans la figure 4, est représentée à une échelle chronologiquement réduite par rapport à la figure 3, l'allure chronologique du courant de charge Im fourni par la source de tension de mesure Um, la courbe de la tension de commande des transistors Tl et T2 de commutation, et, en-dessous, la courbe de tension aux points de mesure b, a, et la tension Uab à l'entrée de l'amplificateur de l'instrument à zéro N quand le pont n'est pas équilibré, pour lequel par exemple les temps de commutation des transistors Tl et T2 sont juste égaux. Pour maintenir l'illustration simple et plus claire, on admet qu'on inverse, dans cet exemple, la polarité du courant de charge lm toutes les quatre périodes T de mesure. Ce nombre ressort directement du rapport de division de fréquence n du diviseur de fréquence de la figure 2, entre le compteur Z et la source de tension de mesure Um. La tension de commutation illustrée dans la seconde rangée de cette figure pour les transistors de commutation Tl et T2 montre un état dans lequel les temps de commutation des deux transistors sont à peu près égaux, c'est- à-dire que le rapport commutation-temps At/(T - 4t) est envi- ron égal à 1. A la borne de mesure B de la figure 2 o s'applique la première portion du brin b coupé, avec sa faible capacité partielle, il apparait, avec chaque choc de courant de charge, une élévation de tension déterminée Ub. A la borne de mesure a, sur laquelle s'applique le brin intact a et le reste du brin coupé b avec leur capacité partielle plus impottante, il apparait, avec un décalage dans le temps, une petite élévation de tension Ua, La tension différentielle Uab = Ub - Ua, illus- 24852e5 trée en-dessous s'applique à l'entrée de l'amplificateur de l'instrument à zéro N. En modifiant le rapport commutation- temps du commutateur Tl, T2, on peut amener aux mêmes valeurs les élévations de tension aux points de mesure a et b, le pont de mesure étant ainsi équilibré. Dans cette illustration, est également montré le mode d'action avantageux de l'inversion de la polarité du courant de charge Im. On arrive ainsi à mainte- nir dans des limites que l'on peut bien maîtriser les tensions aux capacités partielles et aux transistors Tl et T2 de com- mutation. Sans cette précaution, si la mesure se prolonge, les tensions pourraient croStre jusqu'à des niveaux élevés et dangereux. On peut se rendre compte de ce que le montage sui- vant la figure 2 présente encore certains défauts des montages en pont connus. Dans ce montage, l'équilibrage à zéro doit encore s'opérer manuellement, l'affichage de la sortie A ne montre une netteté suffisante que si le brin accidenté est fixé sur la borne du dispositif de mesure qui lui est attribuée. Il apparait en outre que la fréquence de mesure fm dépend de la valeur ajustée à l'entrée E. Dans la figure 5 est représentép,sous forme de schéma par blocs, une variante du montage illustré dans la figure 2. L'entrée négative du comparateur K peut ici être reliée par un commutateur S5 au potentiomètre P que l'on a déjà décrit. Dans la position illustrée de ce commutateur S5, lentrée négative est toutefois reliée à la sortie d'un intégra- teur I, à l'entrée duquel est appliquée la tension qui apparalt à l'instrument à zéro N. On peut se rendre compte de ce que la tension de sortie de l'intégrateur I ne prend une valeur cons- tante que si la tension nulle est égale à zéro, c'est-à-dire si le pont est équilibré. Cet équilibrage se fait ainsi automa- tiquement et il en résulte une simplification essentielle de l'opération de mesure. Pour des raisons de sécurité on intercale, dans un montage suivant la figure 5, entre la sortie du redresseur et l'entrée de l'intégrateur, un barrage de potentiel, par exemple au moyen d'un des opto-coupleurs connus. On peut aussi de cette façon protéger efficacement l'instrument de zéro contre les tensions parasites. La figure montre en outre un montage logi- que L, qui compare la tension de commande de l'élément commuta- teur T2 avec les signaux du compteur Zu qui indiquent le type de comptage "avant" ou "arrière"' de ce compteur. Il est indiqué de cette façon celui des brins raccordés du câble dans lequel se trouve l'emplacement défectueux qui fait l'objet de la mesure, Cette possibilité présente l'avantage que, lors du raccordement des brins du câble, on n'a plus besoin de veiller a l'identification des bornes et on se trouve cependant en présence d'un résultat de mesures très net. Un autre mode de réalisation consiste en ce que la fréquence de cadence fo, commandant le compteur Z est produite dans un montage PLL à boucle de phase et est ajustée de telle façon que la fréquence de mesure fm qui met en marche le géné- rateur de dents de scie SG est égale à la fréquence fi fine de l'indicateur de cadence TG. Cette disposition a l'avantage que la durée de commutation T du commutateur TI, T2 peut être main- tenue constante indépendamment de l'entrée E.- Le procédé décrit et le montage illustré par la figure 5 pour l'exécution du procédé offrent alors les possibi- lités suivantes: - Mesure de la distance du point défectueux en pour cent ou en pour mille de la longueur du cable ou de la capacité du brin, si l'on ajuste comme entrée E des décades entières telles que 100, 1000. Mesure de la distance du point défectueux en unités de lon- gueur si l'on introduit, à l'entrée E la longueur du càble en mètres, kilomètres ou une autre unité quelconque. Facilité de raccordement des brins défectueux et intact, car il est indiqué lequel des brins présente le défaut. - Equilibrage à zéro à la main du montage en pont si on le désire. - Equilibrage automatique à zéro du montage, si le commutateur S5 se trouve dans la position illustrée. Dans le procédé de mesure décrit jusqu'ici, l'impul- - sion de démarrage du générateur de dents de scie SG est donnée par le compteur Z, aussit8t que ce dernier se trouve à la posi- tion zéro. En mettant en place le commutateur SG, l'impulsion de démarrage peut toutefois tre déclenchée quand l'état de comptage du compteur Z correspond à la valeur prescrite de l'entrée E. Par ce moyen le montage de mesure d'un point défectueux devient un montage de mesure de différence de capa- 2485205 cité qui permet supplémentairement les mesures suivantes: - Différences relatives de capacité des deux brins en pour cent, pour mille, ou autres fractions de la capacité totale, si l'on ajuste à l'entrée E les valeurs décimales correspondantes. - Différence absolue de capacité entre les deux brins, si l'on ajuste à l'entrée E la capacité totale. - Mesure de l'emplacement défectueux, comme il est indiqué sous 1 et 2 mesuré à partir du commencement du câble mais affiché à partir de l'extrémité du cable. Ces possibilités de mesure peuvent être obtenues avec équilibrage à zéro du montage en pont, à la main, aussi bien que par équilibrage automatique. On se rendra compte faci- lement que le procédé et le montage peuvent aussi être utilisés pour comparer une capacité inconnue avec une capacité normale. Il est donc aussi possible de déterminer des valeurs absolues de capacités inconnues. On peut obtenir un affichage direct de valeurs absolues de capacité en utilisant l'équilibrage automa- tique en ajustant la fréquence de cadence for qui commande le compteur Z à des valeurs déterminées présélectionnées. Si l'on veille ici au dépassement de la capacité du compteur et si l'on en dérive une inversion des capacités normales correspondantes ou de la fréquence de cadence, on arrive à une sélection auto- matique du champ des mesures de capacités. il. 2485205 R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Procédé pour la mesure de capacités ou de dif- férences de capacités, et pour la localisation de coupures de cables et lignes par équilibrage d'un montage en pont suivant Murray, caractérisé en ce que les deux résistances d'équilibrage dans le montage en pont sont remplacées par un commutateur (SI, S2) avec un rapport commutation-temps A t/(T- Àt) variable, l'équilibrage du pont s'opérant en modifiant le rapport commu- tation-temps, que l'on mesure alors et affichage, et après un certain nombre de cycles de mesure en ce que l'on utilise, comme commutateur (Sie S2), des compo- sants semi-conducteurs (Tl, T2) réglables. ) Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on diminue l'influence des différen- ces éventuelles des résistances de coupure des composants (Tl, T2) du commutateur sur la précision des mesures, en introduisant un élément (R3) de limitation de l'intensité sur le conducteur qui relie le commutateur (SI, S2) et la-source (Un) de tension de mesure. 4 ) Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que le rapport commutation-temps &t/(T-AEt) du commutateur (Sl, S2) est mesuré et affiché par un compteur (Z) numérique à avance et recul commandé par un indicateur de cadence (TG). ) Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le compteur (Z) est programmé par l'entrée (E) d'un domaine de mesure ou de la longueur de cable (1) pour l'émis- sion absolue (A) de la valeur de mesure. 60) Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que le rapport 4t/(T- At) du commutateur (Sl, 52) pour l'équilibrage du pont est ajusté par un comparateur (K) par comparaison d'une tension en dents de scie avec une tension de référence réglable. 70) Procédé suivant la revendication 6, caractérisé 12 2485205 en ce que le rapport At/(T- t) du commutateur (Si, S2) est réglé, pour l'équilibrage automatique du pont, au moyen d'un comparateur (K), par comparaison d'une tension en dents de scie avec la tension de la branche zéro du pont intégrée. 8 ) Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le temps de commutation (T) du commutateur (Si, S2) est maintenu constant, et la fréquence de cadence (fO), com- mandant le compteur (Z) est modifiée en fonction de l'entrée (E) des champs de mesure ou des longueurs de câbles. 9 ) Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la fréquence de cadence (fO) est produite dans un montage (PLL) dit "phaselocked-loop", à la première entrée duquel est envoyée une fréquence (fi) de l'indicateur de cadence constante, et à la seconde entrée, la fréquence de mesure (fm = 1:T). ) Procédé suivant l'une quelconque dee revendica- tions 1 à 9, caractérisé en ce que l'on monte, pour mesurer l'emplacementdéfectueux, un montage logique (L) entre une sortie du comparateur (K) et des bornes auxiliaires du compteur (Z), montage logique dont les sorties indiquent le brin défectueux.