Brevet FR2581458A1 — publié le 19861107

L'invention concerne les ampèremètres et, particu- lièrement, un femtoampéremètre pour mesurer des courants de l'ordre 10 1 ampères. Les femtoampèremètres mesurent des courants in- croyablement petits. Malheureusement, les petits courants mesurés sont souvent plus petits que les transitoires de bruit qui peuvent être prévisibles dans l'ampèremètre. Les circuits d'ampèremètres classiques peuvent conduire úacile- ment à des lectures erronées. Les fentoampèremètres ont des applications pour des instrumentations très sensibles dans les centrales nu- cléaires tels que les contrôles de radiation dans le circuit vapeur principal, les contr6les de radiation sur une grande étendue hors du noyau, les contrôles de radiations sur une étendue intermédiaire hors du noyau et les fonctions de con- trôle du processus de rayonnement et des zones irradiées. Lorsqu'on place des ampèremètres à ces endroits, ils ne peuvent simplement pas être hors circuit pendant des périodes de temps excessives. La fiabilité de l'ampèremètre doit être élevée; les instruments ne doivent pas ne pas fonctionner du fait des transitoires. De plus, l'instrument ne doit pas provoquer de lecture fausse, ces fausses lectu- res obligeant les centrales nucléaires à s'arrêter et en- traînant la perte de revenus de fonctionnement. En liaison avec la figure 1 on a représenté un 2 - circuit d'ampèremètre classique. Une entrée 14 est reliée à une branche 15 d'un amplificateur 16. Une source de courant continu 18 passe dans une diode logarithmique de compensa- tion en température 19 reliée à l'entrée négative d'un am- plificateur 17. La diode logarithmique 19 reliée dans la boucle de réaction 20 de l'amplificateur 16 commande le si- gnal de sortie de l'amplificateur par un convertisseur numé- rique-analogique 25. En fonctionnement, la diode logarithmique 19 "façonne" le signal de l'ampèremètre 16 de manière à permet- tre l'obtention d'une courbe logarithmique des courants com- pris entre 10 13 et 10 3 ampères en fonction de la ten- sion qui est comprise entre O et 1 volt classiquement. Un tel circuit fonctionne difficilement dans l'en- vironnement du fentoampèremètre. Tout d'abord à cause des courants extrêmement petits les transitoires de tension nor- malement mesurés inversent la polarité de l'amplificateur 16. Lorsque l'amplificateur est polarisé en inverse, seules les fuites à travers la diode logarithmique 19 peuvent ré- installer une polarisation positive de l'amplificateur 16. Il faut alors prévoir des constantes de temps de rétablisse- ment de l'ordre de 10.000 secondes (2 heures 40 minutes). Dans de nombreux environnements d'instruments modernes une telle période de récupération est totalement inacceptable. La présente invention décrit un fentoampèremètre qui résiste à la polarisation inverse induite par le bruit de l'amplificateur de l'ampèremètre et qui évite une cons- tante de temps de récupération importante tout en ayant une précision de mesure inhabituellement élevée. L'ampèremètre amplificateur comporte une boucle de réaction qui est réali- sée avec des paires de diodes logarithmiques se faisant face de manière opposée, en parallèle dans le circuit de réac- tion. On ajuste les transitoires de polarité positive ou né- gative sans polariser de l'amplificateur à une polarité in- verse et sans constante de récupération de longue durée. La -3compensation en température classique, impossible avec la configuration de diodes inversées en parallèles, est obtenue en mettant les composants de l'ampèremètre dans un puits thermique, en munissant les composants refroidis d'un détec- teur de température à diode logarithmique et en réglant la température de fonctionnement du puits thermique avec un re- froidisseur thermoélectrique. Les diodes logarithmiques de détection de température émettent un signal de sortie vers une table de consultation d'ordinateur. La même diode loga- rithmique de détection de température émet un signal de sor- tie vers un circuit en pont faisant fonctionner le refroi- disseur thermoélectrique. Le refroidisseur thermoélectrique est polarisé pour chauffer ou refroidir le puits thermique, pour régler thermiquement l'ampèremètre à une temperature de fonctionnement optimale. Un étalonnage automatisé par un circuit "bootstrap" est décrit avec une commutation par lame pour empêcher les courants parasites. Il en résulte une pré- cision jusqu'ici inatteignable. La présente invention a pour objet de décrire un circuit de femtoampèremètre dans lequel la polarisation in- verse de l'amplificateur par le bruit transitoire est réali- sée avec une constante de temps de récupération acceptable. Selon cet aspect de l'invention, on réalise un amplificateur ayant une entrée vers une première branche avec une tension de référence vers une deuxième branche. Une boucle de réac- tion est réalisée entre la sortie de l'amplificateur et la branche d'entrée et est munie de paires de diodes logarith- miques en opposition, reliées en parallèle aux bornes de la boucle. Les transitoires de tension polarisant l'amplifica- teur négativement ou positivement ont des trajets de récupé- ration rapides dans les diodes logarithmiques. Un avantage de cet aspect particulier de l'inven- tion est que l'ampèremètre résultant peut être utilisé avec fiabilité pour des instruments de sécurité très sensibles. Les longs temps d'inutilisation dûs à la récupération par -4- des transitoires sont évités. Malheureusement, les diodes logarithmiques oppo- sées en parallèle décrites ont un effet secondaire. Elles rendent totalement inopérables les circuits de compensation de température telles que la diode logarithmiques de compen- sation en température 19 de la figure 1. Ceci étant le cas, la présente invention a pour autre objet de réaliser une commande de température pour un fentoampèremètre. Selon cet autre aspect de l'invention, le premier et plus sensible étage d'amplification du fentoampèremètre est enfermé dans un puits thermique. Deux diodes logarithmiques reliées en série ont une entrée de courant continu. Ces diodes loga- rithmiques émettent en signal de sortie en tant qu'effet di- rect de premier ordre une tension qui est directement pro- portionnelle à la température. La tension de sortie est com- parée dans un circuit en pont. Le signal de sortie du cir- cuit en pont va vers un refroidisseur thermoélectrique, po- larisant le refroidisseur pour réchauffer le puits lorsque la température du puits est trop faible et polarisant le re- froidisseur pour refroidir le puits lorsque la température du puits est trop élevée. Un avantage de cet autre aspect de l'invention est que la température de fonctionnement de l'amplificateur de l'ampèremètre est réglé de manière très précise. Un deuxième avantage de la détection de températu- re par la diode logarithmique est qu'on obtient un signal direct de la température du puits thermique. Ce signal de température du puits thermique peut régler l'étalonnage du signal de sortie de l'ampèremètre sur une base temporelle réelle. Cet étalonnage peut être effectué au moyen de tables de consultation en trois dimensions choisies à partir du courant et de la température de fonctionnement. Un avantage de cet aspect de l'invention est que non seulement l'ampère- mètre mesure en temps réel sa température de fonctionnement actuelle mais que cela permet le déplacement thermique à Z581458 -5- long terme jusque et vers une température de fonctionnement optimum. Un autre aspect encore de l'invention est de dé- crire un système d'étalonnage par circuit "bootstrap" com- mandé par ordinateur pour calibrer périodiquement l'ampère- mètre. Selon cet aspect de l'invention, une résistance de référence placée en parallèle et ayant des valeurs de résis- tivité importantes étalonne l'ampèremètre à des niveaux de fonctionnement séquentiel compris entre deux valeurs sur une gamme de six valeurs. La commutation magnétique des résis- tances du circuit "bootstrap" évite le courant parasite dans l'ampèremètre et assure un étalonnage automatique régulier. Un avantage de l'étalonnage par circuit "bootstrap" décrit ici est que la table de consultation en trois dimensions est recréée à chaque étalonnage. Par consé- quent l'instrument est étalonné pratiquement concuremment avec chaque utilisation. La totalité de l'ampèremètre fonctionne avec un niveau de précision compris entre + 1% à 105 amp. Il en résulte un fonctionnement fiable des instruments. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: - Figure 1, un diagramme d'un circuit de l'art an- térieur; - Figure 2, un circuit schématique du f-emtoampère- mètre de l'invention; - Figure 3, une courbe représentant la gamme de signal de sortie de femtoampèremètre de l'invention; et - Figures 4A, 4B, 4C, un schéma des composants d'un circuit électronique réel mettant en oeuvre le mode de réalisation recommandé de l'invention. On décrira schématiquement l'invention en liaison avec la figure 2. En se référant à la figure 2, le signal d'entrée 24 traverse un point de sommation 28 jusqu'à une branche d'un amplificateur 30. L'amplificateur 30 émet un -6- signal de sortie vers un convertisseur analogique- numérique 14. Le convertisseur numérique-analogique 16 fournit au point de sommation 18 un signal d'entrée compensé en tempé- rat u re. L'amplificateur 30 est muni d'une boucle de réac- tion 31 laquelle comporte des diodes logarithmiques opposées 34 et 36 pour permettre à l'amplificateur 30 de fonctionner dans l'une ou l'autre polarité tout en permettant des temps de récupération acceptables provenant des transitoires de tension inévitables. Une résistance 38 de 1011 ohms et un petit condensateur 32 (10 picofarads) forme le reste de la boucle de réaction de l'amplificateur 30 pour amortir les vibrations de l'amplificateur. L'amplificateur 30 se trouve à l'intérieur d'un puits thermique 42. Le puits thermique 42 a sa température mesurée par des diodes logarithmiques à courant continu re- présentées schématiquement en 45 dont le signal de sortie est une tension fonction de la température. On utilise cette tension comme comparaison à un circuit en pont 47 pour exci- ter un refroidisseur thermoélectrique 48. La comparaison au niveau du circuit en pont 47 polarise le signal de sortie du circuit. Lorsque la température du puits thermique 42 est trop élevée, le courant vers le refroidisseur thermoélectri- que 48 a pour but de refroidir le puits thermique. Lorsque la température du puits thermique 42 est trop faible, le courant vers le refroidisseur thermoélectrique 48 est inver- sé pour élever la température du puits thermique. Au même instant, le signal de sortie des diodes de détection de température à courant continu 45 est converti en une valeur numérique et utilisé comme adresse par les ta- bles de consultation. Le convertisseur numérique 14 oblige la commande d'ordinateur à adresser une table de consulta- tion appropriée réglée en temps réel pour le niveau de cou- rant souhaité. Ceci a pour résultat un signal de sortie d'ampèremètre qui est pratiquement continu et étalonné à des -7- niveaux fiables. On a représenté figure 4A le circuit principal de fonctionnement. La figure 4A comporte une entrée 24 et une sortie 14. L'entrée 24 est reliée au point de sommation 28. Les diodes inverses 34 et 36 complètent une boucle de réac- tion 31 au moyen de paires d'amplificateurs 30A et 30B. Le signal de sortie a lieu dans un amplificateur final 30C vers la sortie 14 pour conversion. On remarquera que le premier étage d'amplification 30A est le seul étage inclus dans le puits thermique. Cet amplificateur fonctionne avec un gain faible pour maintenir une perte de chaleur globale faible. On remarquera aussi que l'instrument comporte un puits de chaleur 50 important. Comme on l'expliquera ci-après plus en détail, le puits de chaleur 50 est repré- senté figure 4A et figure 4B en deux autres endroits dis- crets 50. Dans la figure 4A, il entoure le circuit de fonc- tionnement de l'amplificateur et le premier étage de l'am- plificateur 30A. Dans la figure 4B, il comprend les diodes de mesure de température 52 et le refroidisseur thermoélec- trique 48. Dans le mode de réalisation assemblé, tout cir- cuit entouré par un puits thermique est assemblé dans le même puits thermique. Le refroidisseur thermoélectrique détecte le si- gnal de sortie de température provenant des diodes 52. Ceci passe par un circuit en pont de référence générale 47 pour faire fonctionner le refroidisseur au moyen de paires de conducteurs 49. Au même moment les diodes émettent une mesu- re de température sur la ligne 60 vers l'ordinateur pour utilisation avec des tables de consultation calculées par ordinateur. On a représenté figure 4C un circuit classique. Un commutateur analogique protégé 60 reçoit des signaux d'en- trée sélectifs comportant la tension d'étalonnage, le signal 3-5 de sortie en température et des mesures de courant. Des si- gnaux sont acheminés vers des composants standard d'ordina- teur (non représentés). En outre, la commutation vers des relais utilisés dans l'étalonnage par circuit "bootstrap" est représentée et sera discutée ci-après. S En liaison avec la figure 4A, on a représenté le puits thermique 50 entourant les principaux éléments de fonctionnement. L'entrée 24 est commutée par le commutateur 61 à la masse et le commutateur 62 au point de sommation 28 pour une mesure réelle. On a réalisé en 70 un circuit "bootstrap" d'étalonnage. Le circuit "bootstrap" d'étalonnage comporte des résistances d'étalonnage 71, 72, 73, 74 et 75 reliées en pa- rallèle. Les commutateurs respectifs 80, 81, 82 et 83 sont ouverts l'un après l'autre pour placer aux bornes du circuit parallèle des résistances variables. En se référant brièvement à la figure 4B, une don- née numérique provenant du bus 16 est bloquée dans le cir- cuit de verrouillage 90 et ensuite envoyée à un convertis- seur numérique-analogique à 16 bits 92. Le convertisseur 92 émet une tension de référence sur la ligne 94. Cette tension de référence est envoyée à l'ordinateur en 96 pour une mesu- re du courant, dans un but d'étalonnage y compris le calcul de tables de mémoire en trois dimensions ainsi qu'envoyée au circuit "bootstrap" d'étalonnage via la ligne 98. En liaison avec la figure 4C, on peut voir que l'on utilise des bobines 101, 102 et 104 pour fournir des champs magnétiques. Ces champs magnétiques respectifs font fonctionner des commutateurs à lame en 80, 81, 82 et 83 à l'intérieur ou à proximité du puits thermique. Ces commuta- teurs à lame empêchent les commutateurs d'engendrer de la chaleur ou des courants à l'intérieur des puits thermiques ou dans le câblage qui y est contenu, qui autrement pour- raient perturber les mesures entrain d'être effectuées. En liaison à nouveau avec la figure 4C, on a re- présenté des réseaux de puissance MOS quad 111, 112, 113 et 114. Ces réseaux reçoivent des signaux de sortie provenant d'un ordinateur par les portes OU 122, 123, 124, respective- ment. On peut remarquer qu'un signal sur la ligne 131 fermera les circuits de puissance 111, 112, 113 et 114. En outre, lorsque le signal de manoeuvre (de préférence faible) est appliqué en 132 et non en 131, le commutateur 80 s'ou- vrira et les commutateurs 82, 83, 84 demeureront fermés. Lorsque le signal est appliqué à la ligne 133, les commuta- teurs 83, 84 demeureront fermés. Lorsque le signal est ap- pliqué à la ligne 134, seul le commutateur 84 demeurera fer- me. En liaison à nouveau avec la figure 4A et avec le circuit "bootstrap" d'étalonnage qui y est représenté, on peut maintenant décrire ce dernier. De manière rapide on peut que l'étalonnage pour le courant maximum a lieu lorsque le commutateur 62 s'ouvre et que les commutateurs 80, 81, 82 et 83 sont fermés. Dans ce cas, la résistance 71 domine le circuit parallèle et le con- vertisseur numérique-analogique 92 envoie une tension d'éta- lonnage. Le commutateur 80 est tout d'abord ouvert. A ce moment, la résistance 72 est prédominante et une tension d'étalonnage exacte est envoyée dans le circuit par le con- vertisseur numérique-analogique 92. Cette tension est tout d'abord appliquée de manière à provoquer la circulation de courant maximum tolérable et est ensuite appliquée à un ni- veau égal à 1/100 du courant maximum. Cette dernière valeur de 1/100 est enregistrée dans la mémoire de l'ordinateur. Ensuite le commutateur 81 est ouvert. Dans ce cas, c'est la résistance 73 qui est prédominante. Mais à nouveau on applique une tension pour avoir une circulation de cou- rant totale et ensuite 1/100 du courant. Finalement le com- mutateur 82 est ouvert et le processus est répété avec la résistance 74. Ensuite le commutateur 83 est ouvert et on - 10 - répète à nouveau le processus avec la résistance 75. L'étalonnage a lieu sur une période de temps im- portante, environ 45 minutes. Différentes tensions (niveaux de courant) sont toutes testées. L'enregistrement des résul- tats a lieu dans une table de consultation à trois dimen- sions. Cette table de consultation comporte des entrées re- latives à la température du puits thermique, à la gamme de tension de sortie du convertisseur numérique-analogique ainsi qu'à la gamme de courants mesurés. L'étalonnage par circuit "bootstrap" tel celui re- présenté ici, a jusqu'à présent été effectué manuellement sur de tels instruments. On remarquera que dans l'ampèremè- tre de l'invention, il est effectué par ordinateur. En liaison avec la figure 4B, des paires de diodes logarithmiques reliées en série sont reliées à une alimenta- tion en courant de précision sur la ligne 50 à partir du convertisseur numérique-analogique 92. Les fuites au-delà de ces diodes est un effet direct sur la température, 3,2 mil- livolts par degré Centigrade. Une tension de référence exac- te de 1,4 volts est fournie sur l'alimentation en courant et comparée par l'amplificateur 160. L'amplificateur 160 est muni de condensateurs 163 et d'une boucle de réaction paral- lèle 164. Les condensateurs en parallèle impriment à l'am- plificateur 160 un temps de récupération très long pour amortir les oscillations. La comparaison au niveau de l'amplificateur 160 est appliquée à un circuit en pont 47. Dans le cas d'un puits thermique ayant une température trop élevée, la ten- sion de diode est inférieure à la tension de référence. Ceci étant le cas, le signal de sortie à travers les réseaux de puissance 160, 172, fait circuler le courant en mode de re- froidissement dans le refroidisseur thermoélectrique 48. A l'inverse, lorsqu'on détecte une chaleur excessive, dans la mesure o la tension de diode est supérieure à la tension de référence, un signal a lieu en 174, 176, 178. Le courant - 11 - circule dans une direction opposée pour effectuer le refroi- dissement. On remarquera que tout circuit de comparaison en pont sera suffisant, celui représenté ici avec des compo- sants réels suit la conception du circuit réel utilisé en pratique. En supposant que l'étalonnage a eu lieu et que la mise en oeuvre du puits thermique a été effectuée pour ame- ner le refroidisseur aux états de refroidissement souhaité, on peut maintenant étudier la mesure d'un courant. Classiquement, le courant est un signal d'entrée en 24 et le commutateur 62 est fermé alors que le commuta- teur 61 est ouvert. En supposant que l'instrument est tota- lement étalonné, le courant circule vers le point de somma- 1S tion 28. Au point de sommation 28, les amplificateurs 30A et B sont polarisé par la boucle de réaction 31. Le signal de sortie a lieu par un deuxième étage 30C vers une sortie 14. En même temps, la température sur la ligne 60 est fournie à l'ordinateur principal. Avec les signaux de tempé- rature et de courant, on consulte les tables de consultation de l'ordinateur (non représenté) pour obtenir le signal de *sortie final. - 12 - REVEND ICAT IONS 1. Femtoampèremètre caractérisé en ce qu'il com- porte en combinaison: - un amplificateur (30) ayant une première branche S connectée à une entrée (24) et une deuxième branche à une tension standard de référence; l'amplificateur ayant une sortie (14) et une boucle de réaction (31) reliée à la bran- che d'entrée; - des première et deuxième diodes logarithmiques (34, 36) placées en parallèle aux bornes de la boucle de réaction, la première diode ayant une direction opposée à la seconde diode, les diodes respectives étant maintenues dans un puits thermique (50) pour maintenir ces diodes à une tem- pérature relativement constante; S15 - au moins un détecteur de température (45) relié au puits thermique, le détecteur de température émettant un signal pour indiquer en temps réel la température de fonc- tionnement de l'amplificateur pour étalonner le signal de sortie de l'amplificateur de sortie en temps réel. 2. Femtoampèremètre selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'il comporte un refroidisseur et réchauf- feur thermoélectrique (48) relié au puits thermique et des moyens (47) pour faire fonctionner le refroidisseur à une certaine polarité pour sélectivement chauffer ou refroidir le puits thermique en réponse au signal de sortie du détec- teur de température. 3. Femtoampèremètre selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce qu'il comporte en outre: - des moyens pour faire fonctionner le refroidis- seur thermoélectrique comprenant une source de tension stan- dard; - des moyens pour comparer la tension 'de source standard à une tension engendrée par un détecteur de tempé- rature comportant au moins une diode logarithmique (52); - un circuit en pont (47) pour émettre le courant - 13 - vers le refroidisseur thermoélectrique, le circuit en pont émettant un courant de sortie avec une première polarité pour une température excessive de manière à refroidir le puits thermique et émettant un courant avec une seconde po- larité pour réchauffer le puits thermique après détection de la température. 4. Femtoampèremètre caractérisé en ce qu'il com- porte en combinaison un amplificateur (30) ayant: - une première branche reliée à une entrée et une deuxième branche à une tension standard de référence, l'am- plificateur ayant une sortie (14) et une boucle de réaction (31) vers la branche d'entrée; -des première et deuxième diodes logarithmiques (34, 36) placées en parallèle aux bornes de la boucle de réaction, la première diode ayant une direction opposée à la deuxième diode, les première et deuxième diodes étant main- tenues dans un puits thermique (50) pour maintenir les dio- des à une température relativement constante; - un refroidisseur thermoélectrique (48) connecté au puits thermique; - au moins un détecteur de température relié au puits thermique, ce détecteur émettant un signal pour indi- quer la température de fonctionnement de l'amplificateur; et - des moyens placés entre le détecteur de tempéra- ture et le refroidisseur thermoélectrique pour amener le puits thermique jusqu'à une température de fonctionnement optimale. 5. Femtoampèremètre selon la revendication 4, ca- ractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens placés entre le détecteur de température et le refroidisseur ther- moélectrique comportant un circuit en pont (47) qui peut fonctionner à une tension de sortie ayant une première pola- rité en réponse à un courant réduit provoqué par la tempéra- ture élevée du puits thermique et qui peut fonctionner à une tension de sortie supérieure en réponse à une température réduite du puits thermique grâce à quoi le refroidisseur thermoélectrique commute entre chauffage et refroidissement - 14 - du puits thermique. 6.Femtoampèremètre selon la revendication 4, ca- ractérisé en ce qu'il comporte un deuxième signal provenant du détecteur de température(45), ce deuxième signal étant appliqué à une table de consultation; un convertisseur ana- logique-numérique (14) relié à la sortie de l'amplificateur, le signal numérique du convertisseur adressant une table de consultation compensée en température pour obtenir la tempé- rature de fonctionnement en temps réel de l'amplificateur. 7. Femtoampèremètre, caractérisé en ce qu'il com- porte en combinaison un amplificateur (30) ayant une pre- mière branche reliée à une entrée (24) et une deuxième bran- che reliée à une tension standard de référence; l'amplifica- teur ayant une sortie (14) et une boucle de réaction (31) vers la branche d'entrée; des premières et des deuxièmes diodes logarithmiques placées en parallèle aux bornes de la boucle de réaction, la première diode ayant une direction opposée à la deuxième diode, les diodes étant maintenues dans un puits thermique (50) pour les maintenir à une tempé- rature relativement constante; au moins un détecteur de tem- pérature (52) relié au puits thermique, ce détecteur de tem- pérature ayant au moins deux sorties; la première sortie du détecteur de température émettant un signal (60) pour indi- quer la température de fonctionnement de l'amplificateur pour étalonner la sortie de l'amplificateur; la deuxième sortie étant reliée en fonctionnement à des moyens de com- mande de circuit (47) pour fournir un signal avec une pre- mière polarité en provenance du moyen de commande pour une première gamme de températures et un signal avec une deuxiè- me polarité au circuit de commande pour une deuxième gamme de températures; et - un refroidisseur thermoélectrique (48) relié aux moyens de commande de circuit (47) pour maintenir le puits thermique dans une gamme prédéterminée de températures en réponse au chauffage et au refroidissement du refroidisseur thermoélectrique.