Brevet FR2530071A1 — publié le 19840113

La présente invention concerne un commu- tateur automatique à haut isolement et faibles con- sommation et encombrement Elle concerne le domaine de la mesure électrique de courants d'intensités très faibles dont les valeurs s'échelonnent sur plusieurs décades et, plus particulièrement, con- cerne le cas o cette mesure est effectuée, de ma- nière connue, à l'aide d'un appareil électrométri- que constitué d'un amplificateur intégré précédé d'au moins un transistor à effet de champ à porte isolée de très faible courant de fuites l'ensemble transistor-amplificateur étant contre-réactionné linéairement par des résistances de hautes valeurs que l'on commute selon la gamme de mesures à mettre en oeuvre. Par exemple, ce cas est celui de la mesu- re des courants très faibles, d'intensités compri- ses entre 10 14 et 10 7 ampère, issus d'une chambre d'ionisation Les valeurs des résistances de con- tre-réaction sont alors comprises entre 106 et 1012 ohms selon la gamme de mesure. L'invention est plus précisément relati- ve au dispositif de commutation utilisé pour commu- ter ces résistances de hautes valeurs, et qui doit posséder des caractéristiques d'isolement compati- bles avec ces valeurs élevées de résistances. Plus précisément-encore, l'invention est relative aux dispositifs antérieurement connus de commutation qui utilisent des interrupteurs à lame souple à commande magnétique enfermés dans des am- poules, connus sous les références commerciales d'ampoules Reed ou d'interrupteurs ILS, montés en série avec les différentes résistances de hautes valeurs utilisées pour les différentes gammes de mesure, et qui se ferment lorsqu'ils sont soumis à l'action d'un champ magnétique. Jusqu'alors, dans les dispositifs de commutation connus d'un premiér type, ce champ ma- gnétique est engendré par des relais qui présentent l'inconvénient d'avoir une consommation assez éle- vée à cause de leur circuit magnétique qui doit être imparfaitement fermé afin de respecter les li- gnes de fuite de l'ampoule-interrupteur nécessai- res à l'isolement. Dans les dispositifs de commutation con- nus d'un second type, ce champ magnétique est en- gendré par un aimant permanent qu'un dispositif de commande manuelle vient positionner devant celle des ampoules-interrupteurs dont on désire fermer le contact On évite ainsi l'inconvénient précité d'une consommation permanente de courant élevée, mais au prix de l'inconvénient d'utiliser une com- mande manuelle. L'invention a pour but de supprimer ces deux inconvénients, ce qui est particulièrement né- cessaire lorsque l'on désire disposer d'un appareil de mesure de courants très faibles portatif et au- tomatique Dans ce cas-là, il faut alors nécessai- rement et conjointement que l'appareil soit alimen- té par piles donc à consommation minimale, que les gammes de mesures soient commutées automatique- ment, et que l'ensemble soit d'un poids et d'un encombrement restreints. A ces effets, l'invention a donc pour objet un commutateur automatique à haut isolement et faibles consommation et encombrement, destiné à être associé à un appareil électrométrique consti- tué d'un amplificateur intégré précédé d'au moins F 35 un transistor à effet de champ à porte isolée de Ft f très faible courant de fuite, l'ensemble transis- tor-amplificateur étant contre-réactionné linéai- rement par des résistances de hautes valeurs commu- tées selon la gamme de mesures à mettre en oeuvre par des interrupteurs à lame souple à commande ma- gnétique engendrée par un aimant permanent, carac- térisé en ce qu'il comporte en outre un servo-méca- nisme, du type connu en soi, à moteur et potentio- mètre pour positionner ledit -aimant permanent en regard de l'un desdits interrupteurs à lame souple à commande magnétique, des moyens étant prévus pour comparer la tension de sortie dudit amplificateur à la tension délivrée par ledit potentiomètre et ca- ractéristique de la position dudit aimant permanent et commander en conséquence ledit moteur de dépla- cement de l'aimant. L'automaticité du commutateur selon l'invention est assurée par l'utilisation en combi- naison avec lui du servo-mécanisme et dé ses moyens de commande, qui peuvent être réalisés très simple- ment à l'aide de moyens connus, tels que dispositif convertisseur analogique-digital, et dispositif microprocesseur, comme on le décrira ciaprès plus en détail. Le haut isolement du commutateur résulte de l'emploi, en série avec les résistances de hau- tes valeurs correspondant aux différentes gammes de mesure, d'interrupteurs à lame souple à commande magnétique à très haut isolement, par exemple supé- rieur à 1014 ohms. La faible consommation du commutateur résulte de ce que le moteur du servo-mécanisme ne consomme de courant qu'au moment d'une commutation, son courant de repos en position stable étant nul. La combinaison de moyens de l'invention permet un positionnement très précis de l'aimant permanent en chacune de ses positions stables, ce qui permet une optimalisation des dimensions des divers éléments composants du commutateur et, par conséquent, la réduction optimale de son encombre- ment, nécessaire à la réalisation d'un appareil portatif. L'invention a pour autre but de protéger avec toute garantie le transistor à effet de champ à l'entrée de l'amplificateur lorsque l'appareil est hors tension En effet, la porte isolée de ce transistor est extrêmement sensible aux surcharges électriques ou électrostatiques dues aux varia- tions transitoires de -tension se produisant à la mise sous tension de l'appareil de mesure, tant que le régime n'est pas complètement établi. A cet effet, l'invention a pour autre objet un commutateur du type précité, caractérisé en ce qu'un autre interrupteur à lame souple à com- mande magnétique en regard duquel vient se placer ledit aimant permanent après arrêt de l'appareil assure la mise en court-circuit dudit ensemble transistor-amplificateur lorsque l'appareil est hors tension Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, ledit autre interrupteur à lame souple à commande magnétique est associé à un autre interrupteur à lame souple à commande magnétique de coupure d'alimentation de l'appareil de mesure en position arrêt. La présente invention a encore pour autre but de réaliser matériellement un sous-composant de l'appareil de mesure proprement dit comprenant: les ampoules-interrupteurs, leurs résistances de hautes valeurs montées en série avec elles, le mo- teur et le potentiomètre du servomécanisme, qui soit simple, compact et-miniaturisé. 25300 '71 A ces effets, l'invention a pour autre objet un commutateur du type précité, caractérisé un ce qu'il comporte e un corps profilé en U ayant u. le base et deux ailes parallèles en regard y un moteur cól servomécanisme monté à l'extérieur du corps sur l'une des ailes, son axe passant par un orifice de cette aile 8 un potentiomètre de servo- mecanisme imonte 'extéerieur du corps sur l'autre aile, son a-e eétant coaxial avec le premier axe et passant par un orifice de cette autre aile A un " cupleement élastique connectant mécaniquement ies deux axes précitées du moteur et du potentiomè- tre; un amrant permanent de forme rectiligne, pas rallele aux axes précités excentre par rapport à eux et entraîné en rotation par l'axe du moteur a plusieurs ampoules-interrupteurs à lame souple à commande magneétique montees entre les deux ailes du corps profilé parallelement à l'axe du moteur à mê- me distance de cet axe et régulièrement espacées les unes des autres de telle sorte que ledit aimant permanen-'t lors de sa rotation vient se placer suc- cessivement en regard et à proximité de ces ampou- les-interrupteurs pour les commander ô et plu- sieurs résistances de hautes valeurs montées sur l Hune et/ou l'autre des ailes du corps profilé. T Un avantage supplémentaire de l'inven- tion résulte de ce mode de réalisation et consiste en ce que l'on peut ainsi obtenir une excellente stabilité de chaque position de l'aimant permanent en l'une ou l'autre de ses différentes positions possibles Cette stabilité n'est pas affectée par des chocs et/ou vibrations. Pour mieux faire comprendre tous les buts, objets et avantages exposés cidessus de l'invention, on en décrira maintenant un exemple non limitatif de réalisation. On le fera en se reportant au dessin an- nex 6 e, sur lequel z la figure 1 est le schéaa électrique et électronique du c utteur et de ses moyens fonc- tionnels de comrrander et la figure 2 est une vue en perspective d'une rlisation ma er:iae avantageuse du co-âmu- tateur de la figure 1 o Le courant tres faible à mesurer, d'in- teïse i,t pr eenan e-emple d'une chambre dionisaticon est appliqué à la porte d'un transis- tor úOS Pet 1 effet de champ TRI preécédant un am- plificateur intég & 1 Par sexemp Le, variera sur 7 décades avec des intensités de 10 2 L O T ampeère, Cet ensemble transistor T Ri-amplifica- teur AI est contre-reaccnne linéairement par des résistances de hautes valeurs R 4, R 3, R 2, R 1 de $ P1012 valeurs respectîives io 1 oî et 12 ohms suivant la gamme de mesureo Les résistances R 2, R 3 et R 4 sont montees en série avec des éléments de commutation consti- tués d'interrupteurs à lame souple à commande ma- gnetique IM 2, IM 3 et IM 4, tels que des ampoules Reed. Ces interrupteurs sont fermés par un ai- mant permanent tournant AP qui est entraîné en ro- tation par un moteur M d'un servo-mécanisme-, ac- tionnant également le déplacement du curseur d'un potentiomètre P. On a schématisé par un cercle en traits interrompus le mouvement circulaire de l'aimant AP et repéré en pl, p 2, p 3, p 4 et p 5 les cinq posi- tions stables qu'il est susceptible d'occuper. En position pl, la résistance R 1 est en contre-réaction de l'amplificateur AI En position p 2, les résistances Rl et R 2 en parallèle sont en service En position p 3, les résistances Rl et R 3 en parallèle sont en service En position p 4, les résistances Rl et R 4 en parallèle sont en service. En position p 5, qui correspond à la posi- tion de l'aimant AP représentée sur la figure 1, un interrupteur IM 5 se ferme, mettant en court-circuit - l'ensemble transistor T Rl-amplificateur AI Cet interrupteur est doublé d'un autre interrupteur IM 5 a, qui s'ouvre sous l'action de l'aimant AP et coupe l'alimentation générale de l'appareil élec- trométrique comme on l'expliquera ci-après. L'ensemble des éléments comprenant le moteur M, le potentiomètre P, l'aimant permanent AP-, les résistances de hautes valeurs Rl, R 2, R 3 et R 4 et les interrupteurs à commande magnétique IM 2, IM 3, IM 4, IM 5 et IM 5 a, et représenté à l'intérieur du cadre en traits mixtes C, constitue la combinai- son de moyens caractéristique du commutateur selon l'invention. Cette combinaison de moyens est pilotée par un microprocesseur MP dont la fonction essen- tielle consiste à prendre en compte la tension de sortie Us de l'amplificateur AI et la tension Up prélevée sur le curseur du potentiomètre P, à les comparer à des valeurs de référence stockées en mé- moire, et à contrôler en conséquence le moteur M de commande du commutateur Le microprocesseur MP con- trôle également l'affichage de la gamme de mesure utilisée et de la mesure faite dans un dispositif d'affichage AF de tout type connu. Afin de limiter le nombre des résistances de hautes valeurs à commuter, on utilise une commu- tation de gain de l'amplificateur AI de 1 et de 10, commutation à basse impédance réalisée par un com- -8 2530071 mutateur en semi-conducteur intégré de type connu schématisé en CG. Les tensions Us et Up sont successivement testées, à l'aide d'un interrupteur analogique IA de type connu, et digitalisées par un convertisseur A/D analogue/digital, également de type connu. Le fonctionnement de l'ensemble commuta- teur-appareil électrométrique décrit ci-dessus est le suivant. Lorsque l'appareil est en position "ar- rêt", le commutateur C est en position p 5, c'est-à- dire que l'amplificateur AI est en court-circuit et que l'alimentation électrique est coupée par l'in- terrupteur IM 5 a alors ouvert par l'aimant AP qui est en regard de lui On expliquera ci-après com- ment l'on obtient cette situation initiale. Lorsque l'appareil est mis en position "marche" par le commutateur MarcheArrêt manuel, le microprocesseur MP donne l'ordre au moteur M de tourner L'interrupteur IM 5 a se ferme, se -mettant alors en parallèle avec le commutateur Marche-Arrêt manuel. L'aimant AP se met en marche vers la po- sition p 4 pour mesurer éventuellement le courant I le plus fort ( 10 7 ampère) avec la résistance la plus faible (R 4, valeur 106 ohms, en parallèle avec Rl, valeur 10 ohms). Le microprocesseur MP compare la tension Up sur le curseur du potentiomètre P à la valeur de consigne contenue en mémoire et correspondant à la position p 4 Lorsque ces valeurs sont égales, le moteur M est arrêté en position p 4 et le micropro- cesseur MP se commute, par l'action de l'interrup- teur analogique IA, sur la tension de sortie Us de l'amplificateur AI. Cette tension de sortie Us est d'abord testée en gain -de 10. Si la valeur de la tension Us est compri- se entre 10 % et 100 % de la première gamme de mesu- res à laquelle correspond l'amplificateur AI con- tre-réactionné par les résistances R 4 et Rl en pa- rallèle et avec un gain de 10, le commutateur reste en cette première position p 4 de mesure. Si la valeur de la tension Us est infé- rieure à 10 % de cette gamme de mesures précitée, le commutateur de gain CG passe du gain 10 au gain 1, et le microprocesseur MP donne l'ordre au moteur M de déplacer l'aimant permanent AP de la position p 4 vers la position p 3. Si la valeur de la tension Us est alors comprise entre 10 % et 100 % de la seconde gamme de mesures à laquelle correspond l'amplificateur AI contre-réactionné par les résistances R 3 et Rl en parallèle et avec un gain de 1, le commutateur res- te en cette nouvelle position p 3 de mesure. Si la valeur de la tension Us est infé- rieure à 10 % de cette seconde gamme de mesures, le microprocesseur MP donne l'ordre au commutateur de gain CG de passer du gain de 1 au gain de 10. Il se déroule ensuite le même cycle de fonctionnement que celui décrit précédemment pour passer de la position p 3 à la position p 2, puis pl. Ainsi, le microprocesseur surveille en permanence la tension Us o si celle-ci vient à croître et dépasser le haut de gamme de mesures, le microprocesseur donne l'ordre de commuter sur la gamme supérieure de mesures (à la fois en commutant le gain de 1 à 10 et en commutant d'une résistance à la résistance de valeur immédiatement inférieu- re); si elle décroît en-dessous de 10 % de la gamme de mesures, le microprocesseur donne l'ordre de commuter sur la gamme inférieure de mesure (à la fois en commutant le gain de 10 à 1 et en commutant d'une résistance à la résistance de valeur immédia- tement supérieure). Lorsque l'on cesse d'utiliser l'appareil de mesure et que l'opérateur le met donc en posi- tion narr@t", le microprocesseur envoie au moteur M l'instruction de tourner jusqu'à la position p 5. L'appareil reste alimenté par l'interrupteur IM 5 a qui reste fermé tant que l'aimant AP n'est pas par- venu en cette position p 5 o Lorsqu'il y parvient, on obtient la coupure de lalimentation et la mise en court-circuit de l'ensemable transistor T Rl-ampli- ficateur AI par fermeture de l interrupteur IM 5. Cela met en position de sécurité le commutateur C pour protéger le transistor TRI lors de la prochai- ne mise sous tension de l'appareil. On se reportera maintenant à la figure 2 pour décrire un mode particulier de réalisation ma- térielle du commutateur selon l'invention. La réalisation mécanique et le choix des composants ont été faits dans le but d'obtenir un ensemble simple et compact. Le montage est réalisé autour d'un corps profilé 1 en U pris dans un profilé standard en aluminium. Le moteur M est monté sur l'une des ailes 2 du profilé et son axe passe à travers un orifice de cette aile Cet axe est solidaire d'un support tournant 3 en aluminium qui porte l'aimant AP ainsi qu'une masselotte d'équilibrage 4 diamétralement opposée. Le potentiomètre P est monté coaxiale- ment sur l'autre aile 5 du profilé 1 L'accouple- ment des axes du moteur M et du potentiomètre P est réalisé par un joint de Oldham 6 Le potentiomètre Pest maintenu en position par des clips 7. Les interrupteurs à lame souple à comman- de magnétique IM 2, IM 3, IM 4, IM 5 et IM 5 a associés tous deux, sont montés entre les ailes 2 et 5 du profilé et disposés parallèlement et équidistants de l'axe géométrique du commutateur L'aimant per- manent AP, de forme longiligne, est monté parallè- lement à l'axe du commutateur de manière à pouvoir venir se positionner à proximité de et parallèle- ment à l'un ou l'autre des interrupteurs à lame souple Ces interrupteurs sont isolés du profilé par des traversées 8 en matériau isolant tel que du polytétrafluoroéthylène, connu sous la dénomina- tion commerciale de "téflon". Les résistances de hautes valeurs R 2, R 3 et R 4 sont câblées entre les traversées isolantes 8 et une plaquette isolante 9, c 8 té bas potentiel, et montées sur colonnettes La résistance Rl, de plus grande dimension, est montée avec isolement entre les deux ailes 2 et 5 du profilé. L'ensemble ainsi réalisé a des dimen-t sions hors tout de 70 x 45 x 30 mm Il s'agit donc d'un commutateur très compact. L'invention n'est pas limitée aux exem- ples décrits ci-dessus Elle peut notamment être mise en oeuvre pour des nombres différents de gam- mes de mesures et des valeurs différentes de cou- rant mesurées. 12 2530071 REVENDICATIONS 1 Commutateur automatique à haut isole- ment et faibles consommation et encombrement, des- tiné à être associé à un appareil électrométrique constitué d'un amplificateur intégré (AI) précédé d'au moins un transistor (TR 1) à effet de champ à porte isolée de très faible courant de fuite, l'en- semble transistor-amplificateur étant contre-réac- tionné linéairement par des résistances de hautes valeurs (Rl, R 2, R 3,R 4) commutées selon la gamme de mesures à mettre en oeuvre par des interrupteurs à lame souple (IM 2, IM 3, IM 4) à commande magnétique engendrée par un aimant permanent (AP), caractérisé en ce qu'il comporte en outre un servomécanisme à moteur (M) et potentiomètre (P> pour positionner ledit aimant permanent (AP) en regard de l'un des- dits interrupteurs à lame souple à commande magné - tique (IM 2, IM 3, IM 4), des moyens étant prévus (A/D et MP) pour comparer la tension de sortie (Us) du- dit amplificateur (AI) et-la tension (Up) délivrée par ledit potentiomètre '(P) à des valeurs de consi- gne et caractéristique de la position dudit aimant permanent (AP) et commander en conséquence ledit moteur (M) de déplacement de l'aimant (AP). 2 Commutateur automatique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce qu'un autre inter- rupteur à lame souple à commande magnétique (IM 5) en regard duquel vient se placer ledit aimant per- manent après arrêt de l'appareil, assure la mise en court-circuit dudit ensemble transistor (TR 1)-am- plificateur (AI) lorsque l'appareil est hors ten- sion. 3 Commutateur automatique selon la re- vendication 2, caractérisé en ce que ledit autre interrupteur à lame souple à commande magnétique (IM 5) est associé à un autre interrupteur à lame souple à commande magnétique (IM 5 a) de coupure d'alimentation de l'appareil de mesure en position arrêt. 4 Commutateur automatique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte: un corps profilé ( 1) en U ayant une base et deux ailes ( 2 et 5) parallèles en re- gard; un moteur (M) de servomécanisme monté à l'extérieur du corps sur l'une des ailes ( 2), son axe passant par un orifice de cette aile; un po- tentiomètre (P) de servo-mécanisme monté à l'exté- rieur du corps sur l'autre aile ( 5), son axe étant coaxial avec le premier axe et passant par un ori- fice de cette autre aile; un accouplement élasti- que ( 6) connectant mécaniquement les deux axes pré- cités du moteur (M) et du potentiomètre (P); un aimant permanent (AP) de forme rectiligne parallèle aux axes précités, excentré par rapport à eux et entraîné en rotation par l'axe du moteur; plu- sieurs ampoules-interrupteurs (IM 2, IM 3, IM 4, IM 5 et IM 5 a) à lame souple à commande magnétique mon- tées entre les deux ailes du corps profilé parallè- lement à l'axe du moteur à même distance de cet axe et régulièrement espacées les unes des autres de telle sorte que ledit aimant permanent (AP) lors de sa rotation vient se placer successivement en re- gard et à proximité de ces ampoules-interrupteurs pour les commander; et plusieurs résistances de hautes valeurs (Ri, R 2, R 3 et R 4) montées sur l'une et/ou l'autre des ailes du corps profilé.