Brevet FR2583171A1 — publié le 19861212

Détecteur de champ magnétique à large bande passante en fréquence La présente invention se rapporte à un détec- teur de champ magnétique à large bande passante en fré- quence. L'invention s'applique aux mesures de champ magnétique, notamment dans des milieux très perturbés par des parasites électromagnétiques et dans des équi- pements spécifiques soumis par exemple aux perturba- tions d'un générateur de simulation. Un détecteur de champ magnétique a de façon connue, pour caractéristiques essentielles, une cons- tante de temps e fonction de l'inductance propre L du détecteur et de sa résistance de charge Rc, e=L/R c, une bande passante en fréquences limitées par les fréquen- ces de coupure haute Fh et basse Fb du détecteur. La fréquence de coupure basse est proportionnelle à 11/6. Les détecteurs de champ magnétique connus de l'art antérieur ont une inductance propre L faible et donc une constante de temps e faible. La bande passante en fréquence correspondante est donc étroite, la fré- quence de coupure basse Fb étant de l'ordre de quelques dizaines de MHz. Ces détecteurs de champ magnétique sont dits passifs et différentiateurs. En effet, ils nécessitent pour traiter des fréquences inférieures à leurs fréquences de coupures basses Fb, des moyens électroniques complexes permettant d'opérer une inté- gration du signal délivré par ces détecteurs. Ces der- niers sont donc dépendants de sources d'alimentation telles que des batteries ou des piles dont l'autonomie ne dépasse guère 1 heure en raison du fort débit exigé par ces moyens électroniques et de la place limitée réservée à l'alimentation qui doit nécessairement être intégrée dans le blindage pour ne pas être perturbée. Le principe de base d'un détecteur de champ magnétique H repose sur une spire inductive représentée schématiquement sur la figure 1. Sur cette figure est représenté un conducteur 1 enroulé suivant une spire de longueur l, de surface S et d'inductance propre L. Les extrémités du conduc- teur 1 sont reliées entre elles par la résistance de charge R. c Lorsque cette spire est placée dans un champ magnétique H, il apparaît un courant électrique induit i dans le conducteur 1, dont le sens de parcours dépend du sens du champ magnétique e et obéit à la règle dite "d'Ampère". La tension de sortie induite Vs, prise aux bornes de la résistance de charge Rc est définie par les équations suivantes: j S H R VS =Rc+ j L U lorsque RC " > L, et ) S H R V = SHC lorsque Rc ( L'axe du détecteur. La fréquence de coupure basse pour laquelle V est atténué de 3 db est telle que Fb = 21'- ou w b = 27Fb-l," wb représentant la fréquence angulai- re de coupure basse. Pour les fréquences plus basses que Fb, Vs subit une atténuation de 6 db par octave. Ainsi, lorsque Rc " L uw, la constante de temps e est très petite et de ce fait la fréquence de coupure basse Fb est très élevée. En revanche, lorsque Rc H. La largeur de la bande passante des détecteurs con- nus est donc très Limitée. Les détecteurs de champ magnétique connus de l'art antérieur sont généralement de type cylindrique ou semicylindrique. Dans le premier cas, ils ne sont par référencés, c'est-à-dire qu'ils ne sont pas portés à un potentiel de référence, et dans le deuxième cas, ils sont référencés par rapport à la masse. Les conduc- teurs de ces détecteurs sont couplés ensemble générale- ment sur une résistance de charge Rc de 50 -0. Ces dé- tecteurs ont une constante de temps e de l'ordre de 2 à 5 ns et donc une fréquence de coupure basse Fb élevée, de l'ordre de 30 MHz à 80 MHz. D'autre part, La fré- quence de coupure haute Fh est comprise dans l'inter- valle 200 MHz à 500 MHz. Le rapport Fh/Fb entre la fré- quence haute et la fréquence basse ne dépasse pas la valeur 6, la bande passante en fréquence de ces détec- teurs est étroite. Or, pour l'étude notamment des perturbations par des parasites électromagnétiques, les détecteurs de champ magnétique doivent pouvoir travailler avec des fréquences basses inférieures à 1 MHz, les fréquences hautes dépassant rarement 200 MHz. D'autre part, les déplacements de charges électriques, dues à la composante électrique du champ électromagnétique, dans lequel se trouvent les détec- teurs de champ magnétique, induisent dans les spires conductrices insuffisamment blindées de ces détecteurs des signaux parasites. Plus les fréquences de travail des détecteurs sont éLevées, plus les signaux parasites, dus à l'ac- tion du champ électrique t, sont du même ordre de gran- deur que les signaux correspondant à L'action du champ magnétique H, ce qui nuit à la quaLité de la détection. La figure 2 représente schématiquement une spire coaxiaLe dite de "Moebius", connue de L'homme de L'art, permettant justement de mesurer un champ magné- tique H en rejetant les effets dus au champ électrique grâce à l'utilisation d'un câbLe coaxial ayant une gaine suffisamment blindée. Cette spire est formée par un enroulement d'un câble coaxial 13 coupé en deux parties en son mi- lieu 9; ces deux parties sont reliées de façon à ce que la gaine 6 de la première moitié soit connectée à l'âme 8' de la seconde moitié et que l'âme 8 de la première moitié soit connectée à la gaine 6' de la se- conde moitié. Les gaines 6, 6' respectivement des deux extrémités 5, 5' restées libres sont reliées ensemble pour former un point commun C de référence. Chacune des deux âmes 8, 8' qui aboutit à une de ces extrémités 5, ' est chargée par une résistance de charge Rc connec- tée entre l'âme considérée et le point commun C de ré- férence. On a donc deux résistances de charge Rc. Ces c deux résistances sont égales et leur valeur est la même que celle de l'impédance caractéristique du câble co- axial 13, généralement de 50 n. On constitue ainsi deux demi-spires symétriques. Lorsqu'un champ magnétique H traverse le plan formé par cette spire, il crée un courant induit t dans chaque demi-spire, dont le sens dépend de celui du champ magnétique e et obéit à la règle dite "d'Ampère". Les tensions induites dans les gaines 6, 6' (respecti- vement dans les âmes 8, 8') de chaque demi-spire sont symétriques. La gaine 6, 6' de chaque demi-spire est donc coupLée électriquement à l'âme 8, 8' de l'autre demi-spire. Cette spire avec les deux charges Rc cons- titue un 8 replié sur Lui-même ou boucle infinie. Cet arrangement imaginé par L'inventeur Moebius permet de "dépLoyer" un câbLe coaxial pour permettre à L'induc- tion de développer une tension Vs entre La gaine et L'âme. Cette tension Vs permettant de caLculer La va- Leur du champ magnétique i est mesurée indifféremment aux bornes d'une des résistances de charge R. c' Ainsi, cette spire coaxiale de Moebius en présence d'un champ magnétique H, se comporte comme deux générateurs de tension symétriques. Elle est adap- tée sur son impédance caractéristique et blindée par rapport au champ électrique E. La réjection du champ électrique E pour une fréquence donnée est d'autant meilleure que les dimen- sions de la spire sont réduites et que l'impédance de transfert du câble coaxial utilisé est plus faible. Pour satisfaire ce dernier point, on utilise générale- ment dans l'art antérieur un câble coaxial à gaine mé- tallique pleine, au moins de moyenne immunité. L'immu- nité d'un câble est définie par la capacité de celui-ci à empêcher l'induction de signaux électromagnétiques sur son âme. Un câble de moyenne immunité est par exem- ple un câble coaxial dont la gaine est réalisée en al- ternant des tresses de cuivre avec des rubans de mumé- tal, notamment trois tresses de cuivre alternées avec deux rubans de mumétal. Ce détecteur de champ magnétique, formé par une spire de Moebius rejette donc l'effet parasite du champ électrique E, cet effet parasite étant important, aux fréquences élevées. Par contre, ce détecteur a une bande passante en fréquence comparable aux détecteurs décrits précédemment, c'est-à-dire étroite, les fré- quences de coupures basses étant de ce fait élevées. L'invention a justement pour objet un détec- teur de champ magnétique à large bande passante en fré- quence permettant de travailler avec des fréquences basses faibles de l'ordre de 30 à 600 KHz et des fré- quences hautes, environ de 80 à 300 MHz, sans pour cela être associé à des moyens électroniques intégrateurs. Ce détecteur permet en outre de rejeter l'effet parasi- te du champ électrique E. De façon plus précise, L'invention concerne un détecteur de champ magnétique à large bande passante en fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un barreau d'un matériau ferromagnétique sur lequel est enrouLée au moins une spire d'un câble coaxial conduc- teur coupé en une première et une seconde parties, ces parties étant reliées de façon que la gaine de la pre- mière partie soit connectée à l'âme de la seconde par- tie et que la gaine de la seconde partie soit connectée à l'âme de la première partie, chacune des deux extré- mités libres du câble servant à mesurer la tension de sortie de ce détecteur. Selon un mode de réalisation du détecteur de champ magnétique, le nombre de spires de part et d'au- tre de la coupure du câble coaxial est identique et dépend du domaine de fréquences étudié. Selon un autre mode de réalisation du détec- teur de champ magnétique, le détecteur comprend un en- robage isolant dans lequel sont logés le barreau et le cable coaxial, les deux extrémités du câble coaxial étant connectées chacune à une borne coaxiale distinc- te, les gaines de ces deux extrémités étant en outre reliées entre elles par une plaque métallique commune, la plaque et les deux bornes coaxiales étant accessi- bles hors de l'enrobage. De façon avantageuse, le câble coaxial du dé- tecteur de champ magnétique est à gaine métallique pleine pour qu'il ait une bonne immunité. De préférence, le détecteur de champ magnéti- que comprend plusieurs barreaux ferromagnétiques, le nombre de ces barreaux étant fonction du domaine de fréquence étudié. De façon avantageuse, ces barreaux ferroma- gnétiques sont réalisés en des matériaux différents. Un matériau de perméabilité magnétique p faible (de l'or- dre de 250) permet de travailler en haute fréquence et un matériau de perméabilité magnétique p éLevée (envi- ron 1600), en basse fréquence. - Selon un mode préféré de réalisation du dé- tecteur de champ magnétique, le barreau ferromagnétique est en ferrite. Selon un autre mode préféré de réalisation du détecteur de champ magnétique, le nombre de spires du câble coaxial va dans l'intervalle de 2 à 20, le nombre de spires étant fonction du domaine de fréquence étu- dié. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et non li- mitatif. La description est faite en référence aux fi- gures 1 à 3 annexées dans lesquelles: - la figure 1, déjà décrite, représente sché- matiquement une spire d'un conducteur permettant de dé- tecter un champ magnétique de façon connue, - la figure 2, déjà décrite, représente sché- matiquement un détecteur de champ magnétique connu, formé par une spire coaxiale de Moebius, et - la figure 3 représente schématiquement un exemple de détecteur de champ magnétique selon l'inven- tion. Sur La figure 3 sont représentés trois bar- reaux 1 ferromagnétiques sur lesquels sont enroulées huit spires 4 ou enroulements d'un câble coaxial con- ducteur, coupé notamment en son milieu 9 de façon à former une spire dite de "Moebius". Ainsi, le câble coaxial est coupé au niveau de La référence 9 en deux moitiés, La gaine de la première moitié étant reliée à l'âme de La seconde moitié et L'âme de La première moi- tié étant reliée à la gaine de La seconde moitié. Les deux extrémités libres 5, 5' de ce câbLe sont connectées respectivement aux bornes coaxiales 7, 7'; l'âme et la gaine de chaque extrémité du câble sont reliées respectivement à l'âme et à la gaine de la bor- ne coaxiale qui leur est associée. Les gaines des deux extrémités 5, 5' sont en outre reliées entre elles par une plaque métallique commune 15 par exemple en cuivre. Chaque borne coaxiale est reliée à une résistance de charge Rc du même type que celles représentées en figu- re 2, généralement de 50., correspondant à L'impédan- ce caractéristique du câble coaxial. Chacune de ces deux bornes coaxiales 7, 7' permet de mesurer la ten- sion de sortie induite VS de ce détecteur en présence d'un champ magnétique C. L'ensemble constitué des barreaux 1 et des enroulements 4 du câble coaxial est placé dans un enro- bage 11 d'une matière isolante non corrosive telle que du plastique. Seules les extrémités 5, 5' du câble co- axial sont accessibles hors de cet enrobage 11 par l'intermédiaire des bornes coaxiales 7, 7' et de la plaque métallique 15. Le détecteur ainsi formé peut être placé dans un milieu de travail quelconque et notamment dans l'air. Lorsque le détecteur de champ magnétique con- forme à l'invention est placé dans un champ magnétique H, les lignes de force de ce champ traversent le détec- teur suivant les directions formées par les barreaux 1 ferromagnétiques. Ce champ magnétique H induit aLors un courant électrique I qui parcourt les enroulements 4 du câble coaxial. Le sens de parcourt du courant I dépend du sens du champ magnétique H; il obéit à la règle dite "d'Ampère". La tension de sortie induite Vs mesu- rée indifféremment à l'une des deux extrémités 5, 5' du câbLe coaxial, par l'intermédiaire respectivement des bornes coaxiales 7, 7' auxqueLes eLLes sont connec- tées, permet d'en déduire la valeur du champ magnéti- que H. Il est bien entendu que si l'on prend la tension de sortie entre Les deux bornes coaxiales 7 et 7', on obtient une tension égale à 2VS à condition de relier les deux bornes coaxiales 7 et 7' sur une résistance de charge de 4Rc. Dans Le détecteur conforme à L'invention, L'utiLisation d'une spire de Moebius, avec des enroule- ments d'un câbLe coaxial de moyenne immunité, tel qu'un câble coaxial à gaine métaLLique pLeine, permet de re- jeter l'effet parasite du champ électrique E. De plus, L'utilisation de plusieurs spires 4 enroulées sur des barreaux 1 ferromagnétiques permet d'augmenter la valeur de L'inductance propre L du dé- tecteur et donc d'augmenter la constante de temps O=L/R de ce détecteur. L'augmentation de e entraîne C une diminution de la fréquence de coupure basse Fb= 1/21e, sans pour autant diminuer de façon nuisible la valeur de la fréquence de coupure haute Fh. La figure 3, sur laquelle on a représenté huit spires 4 et trois barreaux 1 n'est qu'un exemple de réalisation. On aurait pu utiliser plus ou moins de spires et plus ou moins de barreaux. L'utilisation de plusieurs spires permet d'augmenter l'inductance L de l'ensemble du détecteur par effet d'auto-induction L' entre spires. En effet, l'auto-induction L' est proportionnelle au carré du nombre de spires. Le nombre de spires 4 conditionne de ce fait la valeur de la fréquence de coupure basse Fb du détecteur. L'augmentation de l'induction L de l'en- semble du détecteur par auto-induction est limitée du fait de l'utilisation de la boucle de Moebius qui sépa- re en deux demi-bobinages les spires 4 pour constituer deux générateurs de tension symétriques. De ce fait, on utiLise avantageusement de 2 à 20 spires. L'introduction de barreaux 1 ferromagnéti- ques au centre des enroulements 4 du câble coaxial per- met également d'augmenter l'inductance L de l'ensemble du détecteur, tout en homogénéisant les constantes de couplages créées par les spires 4. En effet, Les phéno- mènes de couplage entre le champ magnétique t et chaque spire 4 sont perturbés par les effets de couplage entre Les différentes spires utilisées, ce qui a pour consé- quence de limiter sensiblement la fréquence de coupure haute Fh. L'introduction de barreaux 1 ferromagnéti- ques canalise les lignes de force suivant la direction de ces barreaux 1 et amplifie celles-ci. Ces barreaux 1 permettent donc d'homogénéiser les constantes de cou- plage et d'augmenter L'induction L de l'ensemble du dé- tecteur par la perméabilité magnétique propre aux bar- reaux 1. L'augmentation de l'induction L en fonction du nombre de barreaux tend vers une valeur limite en raison de la réluctance importante présentée par Le circuit magnétique ouvert du détecteur de l'invention. Sur la figure 3, on a pris un exemple de réalisation avec trois barreaux mais cet exemple n'est pas limita- tif, on pourrait utiliser jusqu'à cinq ou six barreaux. Les barreaux 1 ferromagnétiques utilisés peuvent présenter des diamètres et des longueurs diffé- rents suivant le fabricant, seul le volume de ces bar- reaux influe sur l'induction L du détecteur. Le nombre de barreaux 1 utilisé dépend donc du volume respectif de ces barreaux. Ces barreaux ont généralement un dia- mètre de 1 cm pour une Longueur de 20 cm ou un diamètre de 1,5 cm pour une longueur de 15 cm. Dans l'exemple de la figure 3, on a ainsi représenté trois barreaux dont un des barreaux a un diamètre de 1,5 cm pour une Longueur de 15 cm et les deux autres barreaux ont un diamètre de 1 cm pour une longueur de 20 cm. De plus, suivant le type de matériaux ferro- magnétiques utilisé pour former ces barreaux, on peut étudier différents domaines de fréquences. Ainsi, un matériau ferromagnétique de perméabilité magnétique p faible, de l'ordre de 250, permet de travailler dans les hautes fréquences, tandis qu'un matériau ferroma- gnétique de p élevé, de l'ordre de 1600, permet de tra- vailler dans les basses fréquences. t5 Comme on l'a vu précédemment, la constante de temps 0 d'un détecteur est égale à L/RC. On peut donc, en réduisant l'impédance caractéristique du câble co- axial et la résistance de charge R c, augmenter égale- ment la constante de temps e du détecteur et donc dimi- nuer la fréquence de coupure basse. Cette impédance ca- ractéristique, généralement de 50fSL, est de ce fait choisie de façon préférentielle inférieure, par exemple de l'ordre de 10 l-. Ainsi, les détecteurs conformes à l'inven- tion présentent des bandes passantes en fréquence élar- gies vers les fréquences de coupure basses, par rapport aux bandes passantes en fréquence des détecteurs de l'art antérieur. Les fréquences de coupure basses des détecteurs conformes à l'invention, ont été divisées' par un coefficient allant environ de 100 à pLus de 500, par rapport aux fréquences de coupure basses des détec- teurs de l'art antérieur, sans pour autant diminuer de façon nuisible leurs fréquences de coupures hautes. Les détecteurs conformes à l'invention, pré- sentent ainsi Les principales caractéristiques suivan- tes: - e compris entre environ 250 ns et 4 ps, - Fh compris entre environ 80 MHz et 300 MHz, - Fb compris entre environ 30 KHz et 600 KHz, - Fh/Fb compris entre environ 500 et 2600. Ces caractéristiques dépendent, comme on l'a * vu précédemment, notamment de l'inductance L du détec- teur et de l'impédance caractéristique Rc du c ble co- axial, l'inductance L étant fonction du nombre de spi- res, du nombre de barreaux et de la nature des maté- riaux magnétiques. Si on prend par exemple un câble coaxial ayant une impédance caractéristique de 10-Q, que l'on enroule de façon conforme à l'invention en deux fois huit spires sur six barreaux en ferrite d'un diamètre de 1 cm, on obtient une fréquence de coupure haute Fh de l'ordre de 80 MHz et une fréquence de coupure basse Fb de l'ordre de 30 KHz. Le rapport Fh/Fb résultant est de l'ordre de 2600; ce rapport est considérable en comparaison du rapport de 500 obtenu en utilisant un câble coaxial d'impédance caractéristique de 50 n., et surtout en comparaison du rapport 6 obtenu avec des détecteurs de champ magnétique de l'art antérieur. Avec deux détecteurs conformes à l'invention conjugués, on peut donc travailler dans un domaine de fréquence allant de 30 KHz à 200 MHz. Les détecteurs de champ magnétique conformes à l'invention sont très simples à réaliser. Ils permet- tent de rejeter l'effet parasite du champ électrique E et de travailler dans un grand domaine de fréquences, notamment à des fréquences basses pouvant descendre en- dessous de 30 KHz. De plus, Le fait de ne pas utiliser de dispositif électronique sophistiqué et de source d'énergie lui procure une autonomie illimitée. Ces avantages sont notamment intéressants dans le cas par- ticulier o ces détecteurs travaillent avec des généra- teurs de simulation ou dans des milieux perturbés par des parasites électromagnétiques. REVENDICATIONS 1. Détecteur de champ magnétique à Large ban- de passante en fréquence, caractérisé en ce qu'il com- prend au moins un barreau (1) d'un matériau ferromagné- tique sur lequeL est enroulé au moins une spire (4) d'un câble coaxial conducteur coupé en une première et une seconde parties, ces parties étant reliées de façon que La gaine de la première partie soit connectée à l'âme de la seconde partie et que La gaine de la secon- de partie soit connectée à l'âme de La première partie, chacune des deux extrémités libres (5, 5') du câble servant à mesurer La tension de sortie de ce détecteur. 2. Détecteur de champ magnétique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que le nombre de spi- res (4) de part et d'autre de la coupure (9) du câble coaxial est identique et dépend du domaine de fréquen- ces étudié. 3. Détecteur de champ magné-tique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un enrobage (11) isolant dans lequel sont logés le barreau et le câble coaxial, les deux extrémités (5, 5') du câble coaxial étant connectées chacune à une borne coaxiale distincte (7, 7'), les gaines de ces deux extrémités (5, 5') étant en outre reliées entre elles par une plaque métallique commune (15), la plaque (15) et les deux bornes coaxiales (7, 7') étant accessibles hors de l'enrobage (11). 4. Détecteur de champ magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le câble coaxial est à gaine métallique pleine. 5. Détecteur de champ magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs barreaux (1). 6. Détecteur de champ magnétique selon la re- vendication 5, caractérisé en ce que les barreaux (1) sont réaLisés en des matériaux ferromagnétiques diffé- rents. 7. Détecteur de champ magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le barreau est en ferrite. 8. Détecteur de champ magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le nombre de spires (4) du câble va de 2 à 20.