Brevet FR2558962A1 — publié le 19850802

Appareil de mesure de courants faibles à grande dynamique. La présente invention concerne un appareil de mesure de courants faibles à grande dynamique. Cet appareil est adapté à la mesure de courants dont les valeurs les plus faibles peuvent être de l'ordre de -14 A. Un tel appareil est utilisé notamment en phy- sique, en biologie, dans le domaine spatial et en ra- dioprotection. Pour répondre aux besoins dans les domaines énumérés ci-dessus, un appareil de mesure doit généra- lement permettre d'effectuer une mesure très précise, mais doit également couvrir une large gamme. Il est donc nécessaire de prévoir un changement de sensibili- té mais il est interdit d'envisager une commutation manuelle de celle-ci. Le demandeur a décrit un tel appareil dans le brevet français PV 144 111 du 15 mars 1968 pour "Appareil de mesure de courant haute tension continu, à grande dynamique". Cet appareil comporte essentiellement un adaptateur d'entrée symétrique à impédance très éle- vée, une chaîne d'amplification couplée à la sortie de l'adaptateur et associée à une chaîne de contre-réac- tion linéaire et à une chaîne de contre-réaction loga- rithmique comportant au moins un premier élément loga- rithmique. Un second élément logarithmique de compen- sation en température indentique au premier et associé à la chaîne d'amplification, un dispositif de lecture en sortie des circuits de la chaîne d'amplification, au moins un circuit à seuil couplé à la sortie de la chaîne d'amplification et à l'entrée d'un circuit de commande d'organes de commutation de gamme par l'in- termédiaire d'une porte à condition d'interdiction 2S58962 dont l'entrée est couplée à un circuit à retard, des éléments de tarage et décalage du dispositif de lectu- re associés à la chaîne d'amplification, les organes de commutation provoquant au moins la commutation de la chaine de contre-réaction linéaire au niveau du seuil du circuit à seuil. Il est connu d'utiliser comme adaptateur d'entrée symétrique à haute impédance, pour les appa- reils de mesure du type considéré, un montage symétri- que à deux transistors à électrodes de commande iso- lées associés à deux transistors ordinaires. Un tel montage est décrit dans le certificat d'addition no PV 135 544 déposé par le demandeur le 10 janvier 1968 pour "Appareil de mesure logarithmique de quanti- tés de charges délivrées par une chambre d'ionisa- tion". On a représenté sur la figure 1 un dessin schématique illustrant un mode de réalisation d'un préamplificateur de courants faibles suivant les en- seignements des deux brevets cites. Ce préamplificateur comprend principalement un adaptateur d'impédance 2, un amplificateur 4 et un étage symétrique de deux transistors 6 pour assurer un courant de sortie suffisant. Ce préamplificateur re- çoit en entrée le courant faible à mesurer et prove- nant par exemple d'une chambre d'ionisation. Ce cou- rant est par exemple compris entre 10-14 et 10 11 A. Le courant de sortie délivré par cet amplificateur est de l'ordre de 5 mA. L'adaptateur d'impédance 2 est protégé en entrée par un ensemble 10 de diodes et par un réseau RC comprenant une résistance 12 de forte valeur et un condensateur 14. En raison de sa structure symétrique, cet adaptateur d'impédance 2 est stable en températu- re. L'amplification d'un courant d'entrée très faible est délicate. Elle nécessite un adaptateur d'impédance 2 ayant le plus faible courant de fuite possible (courant faible à mesurer) et une chaîne de contreréaction 8 de grande précision et de grande stabilité. Un moyen 18 de réglage du zéro de l'ampli- ficateur 4 en l'absence de signal en entrée (réglage d'"offset") est prévu sur l'entrée non inverseuse de l'amplificateur. La chaîne de contre-réaction 8 de l'amplifi- cateur comporte deux voies en parallèle de sensibilité différente. La valeur de la résistance de chaque voie détermine le gain du préamplificateur. La voie de plus forte sensibilité comprend une résistance 20 de très forte valeur. La voie de plus faible sensiblité com- prend une résistance 22 moins forte, par exemple de valeur au moins 100 fois plus faible. Des condensa- teurs 24 et 26 sont disposés en parallèle avec ces résistances. La plus faible sensibilité est obtenue en reliant en parallèle les deux voies. Ceci est réalisé par un interrupteur 28 commandé par un relais 30 à haut isolement. L'objet de l'invention est un perfectionne- ment à l'appareil de mesure décrit dans le brevet français déjà cité. Ce perfectionnement porte princi- palement sur le préamplificateur de l'appareil de mesure. De manière précise, l'appareil de mesure de courants faibles à grande dynamique selon l'invention comprend: - un préamplificateur comprenant en série un premier amplificateur différentiel recevant sur son entrée inverseuse le faible courant à mesurer et un second amplificateur, le premier amplificateur étant doté d'une chaîne de contre-réaction linéaire à très haute impédance, le second d'une chaîne de contre- réaction linéaire d'impédance beaucoup plus faible, un moyen de réglage du zéro et un moyen de contrôle du gain général de l'appareil étant en outre prévus sur le premier amplificateur, - un moyen d'amplification logarithmique recevant le signal délivré par le préamplificateur, - un moyen d'alarme déclenchant un signal d'alarme lorsque le signal délivré par le moyen d'am- plification logarithmique est supérieur à un niveau donné, - un moyen de lecture du signal délivré par le moyen d'amplification logarithmique. Selon une caractéristique importante de l'appareil selon l'invention, la chaîne de contre- réaction du premier amplificateur comporte une gamme d'impédances commutées par un moyen de seuillage rece- vant en entrée le signal délivré par le moyen d'ampli- fication logarithmique. Selon une autre caractéristique de l'appa- reil selon l'invention, le moyen de réglage du zéro comporte un moyen de préréglage et un moyen d'ajustage fin, ledit moyen d'ajustage fixant le potentiel appli- qué sur l'entrée non inverseuse du premier amplifica- teur. Selon une autre caractéristique de l'appa- reil selon l'invention, le premier amplificateur est alimenté par une tension inférieure à la tension nomi- nale. Les caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre donnée à titre illustratif mais non limitatif en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement un mode de réalisation du préamplifi- cateur d'un appareil de mesure de courants faibles selon l'art connu, - la figure 2 représente schématiquement l'appareil de mesure selon l'invention, - la figure 3 représente un mode de réalisa- tion du préamplificateur de l'appareil selon l'inven- tion, - la figure 4 représente un mode de réalisa- tion du moyen d'amplification logarithmique de l'appa- reil selon l'invention, - la figure 5 représente un mode de réalisa- tion du moyen de seuillage de l'appareil selon l'in- vention. On a représenté sur la figure 2 un dessin synoptique de l'appareil de mesure selon l'invention. Il comprend un préamplificateur 32, un moyen d'ampli- fication logarithmique 34, un moyen de lecture 36, un moyen de seuillage 38 et un moyen d'alarme 40. Le préamplificateur 32 reçoit le faible courant i à amplifier. Il délivre un signal de tension proportionnel à ce courant i. Ce signal est appliqué sur l'entrée du moyen d'amplification logarithmique 34 qui délivre un signal de tension proportionnel au lo- garithme du courant du signal reçu. Ce signal est dé- livré au moyen de lecture 36 et un signal proportion- nel est délivré au moyen de seuillage 38 par la con- nexion 35. Ce moyen de seuillage assure la comparaison entre le signal issu du moyen d'amplification loga- rithmique 34 et un niveau de référence déterminant le déclenchement de l'alarme. Ce moyen possède également un circuit à double seuil qui permet la commande par la connexion 42 du changement de gamme automatique de la chaîne de contre-réaction du préamplificateur 32. Le décalage du gain du moyen d'amplification logarith- mique est effectué simultanément par un signal de commande émis sur la connexion 44. Le moyen d'alarme 40 déclenche une alarme sur réception d'un signal reçu du moyen de seuillage 38 par une connexion 46. Le moyen d'alarme peut com- prendre également des moyens vérifiant le fonctionne- ment correct de l'appareil (alimentation,...). L'alarme déclenchée peut être sonore et/ou visuelle. Elle peut être immédiate ou retardée. Le préamplificateur de la figure 3 comprend principalement un premier amplificateur différentiel 48 à très faible courant de fuite muni d'une chaîne de contre-réaction linéaire 50 à très haute impédance et d'un second amplificateur 52 muni d'une chaîne de con- tre-réaction linéaire 54. Un moyen 56 de préréglage du zéro et un moyen 58 d'ajustage fin de ce zéro sont en outre prévus sur l'amplificateur différentiel 48. Le préamplificateur comprend enfin un moyen de test 60 permettant de vérifier le gain de l'appa- reil.Ce moyen 60 injecte un courant calibré grâce à la résistance 61 dans l'entrée inverseuse de l'ampli- ficateur 48. La vérification du gain est faite par lecture du moyen 36 (figure 2). A titre d'exemple, on peut utiliser comme amplificateur 48 l'amplificateur ICH8500A de INTERSIL. Enfin, pour limiter le courant de fuite en entrée, il peut paraître utile de le sous-alimenter du premier amplificateur. Ceci n'est possible, pour un gain du préamplificateur fixé, que si le second ampli- ficateur rattrape le gain perdu par le premier. Le courant de fuite à amplifier est reçu sur l'entrée inverseuse de l'amplificateur différentiel 48 qui délivre en sortie un signal de tension. Le gain de cet amplificateur est fonction de la chaîne de contre-réaction 50. Compte tenu du faible niveau du signal de courant reçu par l'amplificateur, l'impédance de cette chaîne 50 doit être très impor- tante pour que le signal de tension délivré par l'am- plificateur 48 ait un niveau de quelques volts. L'im- pédance de cette chaîne 50 est donc par exemple au moins de 1010ohms. L'amplificateur différentiel 52 reçoit le signal de tension délivré par l'amplificateur 48 sur son entrée non inverseuse. Il comporte une chaîne de contre-réaction 54 qui détermine son gain. L'impédance de cette chaîne 54 est très inférieure à l'impédance de la chaîne 50. Le rôle de l'amplificateur 52 est en effet essentiellement un rôle de tampon entre la sor- tie de l'amplificateur 48 et les autres moyens de l'appareil de mesure situés en aval. Le réglage du zéro de l'amplificateur 48 est différent du réglage du zéro de l'amplificateur de la figure 1. Il comporte un premier moyen de réglage 56 qui peut être préréglé par exemple à la construction du préamplificateur et un moyen d'ajustage 58 accessi- ble à l'utilisateur qui permet d'affiner le réglage du zéro. Le moyen de réglage 56 est disposé entre les bornes adéquates 55 et 57 de l'amplificateur 48. Le moyen d'ajustage 58 est relié à l'entrée non inverseu- se de l'amplificateur 48. Pour que ce réglage du zéro soit possible, il faut que l'amplificateur 52 ait une très faible tension d'offset, par exemple inférieure à 100 'tV. A titre d'exemple, on peut utiliser l'amplificateur OP07 DH de Analog Devices. Le gain de l'ensemble est vérifié par un moyen de test 60 qui délivre une tension de référence. Ce moyen est relié à l'entrée inverseuse de l'amplifi- cateur 48 par l'intermédiaire d'une résistance 61 de très forte valeur et d'un relais à haut isolement. La chaîne de contre-réaction 50 de l'ampli- ficateur 48 comporte une gamme d'impédance, chacune constituée d'une résistance de très forte valeur et éventuellement d'un condensateur en parallèle. La chaîne de contre-réaction 50 de la figure comprend deux résistances 66 et 70 et deux condensateurs 68 et 72. Le rapport entre les valeurs des deux résistances est important par exemple supérieur à 100. Les deux impédances sont placées en parallè- le et un interrupteur 62 est disposé en série avec la résistance 66 de plus faible valeur. Cet interrupteur est actionné par un relais 64 commandé par le moyen de seuillage de l'appareil par l'intermédiaire de la connexion 42. On a représenté sur la figure 4 uh mode de réalisation du moyen d'amplification logarithmique de l'appareil de mesure. Il comprend essentiellement un convertisseur logarithmique 70 et un amplificateur de lecture 72. Le signal délivré par le préamplificateur de la figure précédente est reçu par la connexion 74 par le convertisseur logarithmique 70. Celui-ci comprend des moyens de réglage tels qu'un moyen 76 de réglage du zéro, un moyen 78 de réglage du gain, un moyen 80 de réglage de la première gamme, correspondant à la plus forte résistance de la chaîne de contre-réaction, et un moyen 82 pour délivrer un courant de décalage pour la deuxième gamme, ce moyen étant relié à la connexion 44 issue du moyen de seuillage. Le signal délivré par le convertisseur loga- rithmique 70 est délivré au moyen de seuillage par la connexion 35. Selon le niveau de ce signal, le moyen de seuillage commute la gamme d'impédance du préampli- ficateur sur la faible ou sur la forte sensibilité. Le signal délivré par le convertisseur loga- rithmique 70 est également appliqué sur l'entrée in- verseuse d'un amplificateur de lecture 72. Cet ampli- ficateur comporte sur son entrée non inverseuse un moyen 84 de réglage du zéro. Il délivre un signal au moyen de lecture par la connexion 86. A titre d'exemple, le demandeur a réalisé le moyen d'amplification logarithmique de la figure 4 en utilisant comme convertisseur logarithmique le cir- cuit 4127 JG de Burr Brown et comme amplificateur de o10 lecture le circuit LM 301N de National Semiconductor. La figure 5 représente un mode de réalisa- tion du moyen de seuillage de l'appareil de mesure. Il comprend un circuit 90 de seuil de changement de gamme monté en comparateur à double seuil et un circuit 92 de commande de changement de gamme. Le circuit 90 reçoit par la connexion 94 le signal délivré par le préamplificateur 32. Il comprend un moyen 96 indicateur de niveau de seuil bas et un moyen 98 indicateur de niveau de seuil haut. Le cir- cuit 92 commande par la connexion 42 le relais de changement de gamme d'impédance du préamplificateur. Il délivre dans une résistance 100 de la connexion 44 un signal au moyen d'amplification logarithmique. REVENDICATIONS 1. Appareil de mesure de courants faibles à grande dynamique caractérisé en ce qu'il comprend: - un préamplificateur (32) comprenant en série un pre- mier amplificateur différentiel (48) recevant sur son entrée inverseuse le faible courant à mesurer et un second amplificateur (52), le premier amplifica- teur étant doté d'une chaîne de contre-réaction li- néaire (50) à très haute impédance, le second d'une chaîne de contreréaction linéaire (54) d'impédance beaucoup plus faible, un moyen (56, 58) de réglage du zéro et un moyen (60) de test du gain étant en outre prévus sur le premier amplificateur, - un moyen d'amplification logarithmique (34) rece- vant le signal délivré par le préamplificateur (32), - un moyen d'alarme (40) déclenchant un signal lorsque le signal délivré par le moyen d'amplification loga- rithmique (34) est supérieur à un niveau donné, - un moyen de lecture (36) du signal délivré par le moyen d'amplification logarithmique (34). 2. Appareil selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que la chaîne de contre-réaction (50) du premier amplificateur (48) comporte une gamme d'im- pédances (66, 70) commutées par un moyen de seuillage (38) recevant en entrée un signal délivré par le moyen d'amplification logarithmique. 3. Appareil selon l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce que le moyen de réglage du zéro comporte un moyen de préréglage (56) et un moyen d'ajustage fin (58), ledit moyen d'ajusta- ge fixant le potentiel appliqué sur l'entrée non in- verseuse du premier amplificateur (48). 4. Appareil selon l'une quelconque des re- 255B962 il vendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier amplificateur (48) est alimenté par une tension infé- rieure à la tension nominale.