Brevet FR2559268A1 — publié le 19850809

La présente invention concerne un dispositif de mesure d'un courant électrique utilisant un solénoïde régu- lier en forme de tore. Dans l'étude des milieux parcourus par des courants électriques, tels qu'électrolytes, plasmas, il est néces-. saire de localiser les lignes de courant et de connaître leurs intensitéso Un dispositif classique qui est utilisé pour mesurer un courant distribué dans l'espace et passant L travers une surface, est constitué par une ceinture dite de "Rogowski" s'appuyant sur le contour de cette surface. Cette ceinture est constituée d'un solénoïde torique bobiné avsco un pas réguliar et la tension qui est induite dans cette ceinture est intégre par rapport au temps, par un int6g:a teur analogique ou par un flnuxmètre. Le signal ainsi obtenu ou l'indication du fluxmïtre est proportionnel au courant t mesurer. On peut mettre ainsi en 6videnee une variation temporaire du courant, résultant par exemple de son établis- sement ou de con interruptioro Le coefficient d'induction mutuelle entre le bobi- nage constituant le solénoïde torique fermé long et 9troit ' et une ligne de courant, traversant, ê l'intérieur du sol! noide, une aeule fois une surface s'appuyant sur le solé! noide, est constant tandis qu'il est nul si la ligne de cou- rant ne coupe pas ladite surface. Il est clair qu'un solénoïde fermé ne permet pas la mesure d'un courant continu permanent s'écoulant dans un circuit électrique puisque topologiquement le circuit élec- trique d'une part et le solénoïde torique fermé d'autre part ne peuvent pas passer d'une position éloignée t une position entrelacée. On peut cependant faire la mesure en utilisant un solénoïde déformable pouvant s'ouvrir sans rompre la continuité électrique. On procède alors de la façon sui- vante: en partant du solénoïde fermé sans courant, on l'ouvre, on entoure le courant à mesurer et on referme le solénoïde. Cette procédure n'est toutefois possible que si le courant à mesurer est fixe dans l'espace ou se déplace lentement. Dans le cas de courants distribués dans l'espace et rapidement variables cette procédure est inapplicable. La présente invention vise à remédier à ces inconvé- nients en procurant un dispositif de conception particuliè- rement simple permettant la mesure de courants rapidement variables dans le temps et dans l'espace, sans présenter d'obstacle au déplacement de ces courants. A cet effet ce dispositif de mesure d'un courant électrique utilisant un solénoïde à pas régulier en forme de tore est caractérisé en ce que le solénoïde torique est interrompu sur une portion de sa longueur pour former une brèche permettant le libre passage de conducteurs et/ou de lignes de courants et ce solénoïde présente, à l'une au moins de ses extrémités délimitant la brèche, un bobinage de compensation branché en série avec le solénoïde de façon que les tensions induites dans ce bobinage de compensation et dans le solénoïde s'ajoutent, le nombre total Ne et la surface Se des spires du ou des bobinages de compensation satisfaisant à la relation NcSe = n.S.d dans laquelle n est le nombre de spires du solénoïde par unité de longueur, S est la surface d'une spire du solénoide et d est la longueur de la brèche c'est-à-dire la longueur manquante pour fermer le solénoïde. Le dispositif de mesure de courant suivant l'inven- tion offre l'avantage qu'il ne présente aucun obstacle à la propagation et au mouvement des lignes de courant. Par ail- leurs gr&ce à la prévision du ou des bobinages de compensa- tion, le coefficient d'induction mutuelle du solénoïde com- pensé suit une loi de variation, en fonction de la position, par rapport à la brèche dans le solénoide, d'une ligne de courant infinie traversant le plan sur lequel s'appuie ce solénoide, qui est très proche de la loi idéale suivant laquelle ce coefficient d'induction mutuelle a une valeur constante à l'intérieur du solénoïde et une valeur nulle à l'extérieur de celui-ci. Le dispositif de mesure suivant l'invention peut être utilisé dans de nombreux domaines par exemple dans celui de la physique des plasmas o les courants sont rapi- dement variables dans le temps et l'espace, ou encore en électrotechnique dans l'étude du soufflage dans les bottiers de disjoncteurs. Il peut être utilisé en tant que pince formant capteur d'intensité et restant en permanence ouver- te. On peut également l'employer à la mesure de la réparti- tion de courants distribués dans l'espace. On décrira ci-après,à titre d'exemples non limita- tifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en plan schématique d'un dispositif de mesure d'un courant électrique à solénoïde pourvu de deux bobinages de compensation suivant l'inven- tion. La figure 2 est une vue en coupe axiale, à plus grande échelle, d'une forme d'exécution des deux extrémités en regard du solénoïde délimitant la brèche ménagée dans celui-ci. La figure 3 est un schéma électrique d'une variante d'exécution dans laquelle les bobinages ds compensation sont constitués par des bobines plates. La figure 4 est un diagramme illustrant 1a variation du coefficient d'induction mutuelle en fonction de la posi- tion d'une ligne de courant infinie par rapport à la brèche formée dans le solénoide. Le dispositif de mesure de courant représenté sur la figure 1 comprend un solénoïde principal 1 en forme de tore mais qui est toutefois interrompu sur une portion de sa longueur d pour délimiter, à cet endroit, un espace libre ou brèche 2. Ce solénoïde 1 peut être réalisé au moyen d'un fil fin émaillé formant des spires jointives sur une âme torique 3 constituée, par exemple par un tube de polymère souple. Le nombre n de spires, par unité de longueur, du fil consti- tuant le solénoïde principal 1 est constant tout le long du solénoïde et chacune de ces spires présente également une surface S constante. L'intérieur du tube 3 donstituant l'âme du solénoïde 1 est utilisé pour le passage d'un fil conduc- teur 4 reliant chaque extrémité du solénoïde principal à un appareil de mesure externe (intégrateur analogique ou flux- mètre). La brèche 2 de longueur d qui est ménagée, suivant l'invention, dans le solénoide principal constitue un pas- sage libre permettant un libre déplacement relatif d'une ligne de courant dont l'intensité doit être mesurée et du dispositif de mesure suivant l'invention. En l'absence de la brèche 2, c'est-à-dire si le solénoide forme un tore fermé, le coefficient d'induction mutuelle Mo d'un tel solénoide torique fermé avec un courant intérieur, c'est-à-dire une ligne de courant traversant, à l'intérieur du solénoide 1, la surface sur laquelle ce solénoide prend appui, a une valeur constante Mo, tandis que ce coefficient d'induction mutuelle est nul pour les courants extérieurs du solénoide. La variation du coefficient d'induction mutuelle est représ- entée par le diagramme de la figure 4, x étant défini comme étant la position, par rapport à la brèche 2, d'une ligne de courant infinie traversant le plan sur lequel s'appuie le solénoide 1. La courbe M1 illustre la variation du coeffi- cient d'induction mutuelle dans le cas ob la brèche 2 est formée dans le solénoide 1, sans que d'autres mesures soient prises pour compenser la création de cette brèche. On voit que pour des valeurs positives de x, c'est-à-dire pour des courants normalement extérieurs au solénoide 1, on a un coefficient M1 non nul ce qui est gênant, car on mesure ainsi des courants éloignés de la brèche 2. Pour remédier à cet inconvénient, suivant l'inven- tion, on prévoit, sur l'une au moins des deux extrémités du solénoide situées au voisinage immédiat de la brèche 2, un bobinage supplémentaire dit de compensation, lequel est connecté en série avec le solénoide principal 1 de façon que les tensions induites dans ce solénoide principal et dans le bobinage supplémentaire de compensation s'ajoutent. Dans la forme d'exécution non limitative représentée sur le dessin, le dispositif de mesure comprend deux bobi- nages supplémentaires de compensation 5 et 6 prévus respec- tivement aux deux extrémités du solénoïde i encadrant la brèche 2. Ces deux bobinages de compensation 5, 6 qui sont branchés en série avec le solénoide 1, sont réalisés sous une forme cylindrique et ils entourent respectivement les deux parties extrêmes du solénoide 1 délimitant la brèche 2. Suivant une variante les bobinages de compensation pour- raient être logés h l'intérieur des parties extrêmes du solénoide 1. Le ou les bobinages de compensation 5, 6 doivent obéir à la règle suivante: NcSc = n.S.d o Nc et S. sont respectivement le nombre et la surface des spires du ou des bobinages de compensation 5, 6, d est la largeur de la brèche 2, c'est-h-dire la longueur manquante pour fermer le solénoide principal, n et S étant respecti- vement le nombre et la surface des spires du solénoïde prin- cipal. Chacun des bobinages cylindriques 5, 6 peut comporter une seule couche de spires ou plusieurs couches, par exemple deux comme il est illustré dans la forme d'exécution illus- trée sur la figure 2. On peut vérifier la compensation obtenue en plaçant la brèche 2, encadrée par les bobinages de compensation 5, 6, dans un champ magnétique uniforme alternatif produit, par exemple, par une paire de bobines dites de Helmholtzo On régle alors la distance d pour annuler la tension induite et la distance d ainsi trouvée doit être ensuite conservée. Grâce h la prévision des bobinages de compensation , 6 on obtient une loi de variation du coefficient d'induc- tion mutuelle M2 du solénoide compenpsé 1 plus proche de la loi idéale, comme on peut le voir sur la figure 4. La zone dans laquelle varie sensiblement le coefficient d'induction mutuelle M2 est alors de l'ordre de la largeur d de la brè- che 2. Les bobinages de compensation 5, 6 peuvent être réalisés de différentes manières et ils peuvent constituer des bobines plates 7, 8, ainsi qu'il est représenté sur la figure 3 ou bien encore des bobines ayant une forme de révo- lution quelconque. Ces bobines plates 7, 8.peuvent avoir le même axe que les extrémités du solénoide'principal 1, en s'appuyant sur deux plans parallèles délimitant l'espace libre autour de la brèche 2. Ces bobines plates 7, 8 pour- raient être également inclinées par rapport à l'axe du solé- noide 1, comme il est indiqué en trait mixte sur la figure 3. Suivant une variante les bobinages de compensation cylindriques 5,6 ou plats 7,8 peuvent être conçus de manière à être enfichables, mécaniquement et/ou électriquement,sur les extrémités du solénoïde principal 1. Chaque paire de bobinages cylindriquess 5, 6 ou plats 7, 8 est alors adaptée à une longueur particulière d de la brèche 2. Autrement dit le dispositif de mesure suivant l'invention peut être réa- lisé sous la forme de solénoides principaux présentant des longueurs de brèche d différentes et à chaque longueur de brèche particulière est associée une paire de bobinages de compensation comportant un ensemble de spires présentant des caractéristiques appropriées pour assurer la compensation de l'existence de la brèche considérée. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de mesure d'un courant électrique utilisant un solénoïde à pas réguliers en forme de tore caractérisé en ce que le solénoïde torique (1) est inter- rompu sur une portion de sa longueur pour former une brèche - (2) permettant le libre passage de conducteurs et/ou de lignes de courants et ce solénoïde (1) présente, è l'une au moins de ses extrémités délimitant la brèche, au moins un bobinage de compensation (5,6) branché en série avec le solénoide de façon que les tensions induites dans ce bobi- nage de compensation (5,6) et dans le solénoide (1) s'ajou- tent, le nombre total Ne et la surface S. des spires du ou des bobinages de compensation (5,6) satisfaisant ê la rela- tion NcSc = n.S.d dans laquelle n est le nombre de spires du solénoïde (1) par unité de longueur, S est la surface d'une spire du solénoide (1) et d est la longueur de la brèche (2) c'est-à-dire la longueur manquante pour fermer le solénoide (1). 2.- Dispositif suivant la revendication 1 carsc- térisé en ce que les bobinages de compensation (5,6) ont une forme cylindrique et ils sont enroulés à l!extérieur ou à l'intérieur des deux parties extrêmes du solénorde délimi- tant la brèche (2). 3.- Dispositif suivant la revendication 1 carac- térisé en ce que les bobinages de compensation (7,8) sont réalisés sous la forme de bobines plates de même axe que les parties extrêmes du solénoïde (1) ou inclinées par rapport cet axe. 4.- Dispositif suivant l'une quelconque des reven- dications précédentes caractérisé en ce que les bobinages de compensation (5,6;7,8) sont amovibles et associés à une longueur (d) déterminée de la brèche (2) o 5.- Dispositif suivant l'une quel;conque des reveh- dications précédentes caractérisé en ce que les bobinages de compensation (5,6;7,8) sont enfichables mécaniquement et/ou électriquement sur les extrémités du solénoïde (1).