Brevet FR2634559A1 — publié le 19900126

PROCEDE DE MESURE DE COURANTS FAIBLES A GRANDE DYNAMIQUE PAR CONVERSION COURANT FREQUENCE ET DISPOSITIF DE MISE EN OEUVRE DESCRIPTION La pressente invention se rapporte au domaine de la mesure de courants faibles avec une grande dynamique et s'applique en particulier à la mesure de courants dont Les intensités peuvent varier de 2 A à 10 A. L'invention a également pour but de permettre une tel le mesure de courants faibles à l'aide d'un capteur ou autre source fournissant l'information sous forme d'un signal numérique pouvant etre facilement pris en charge ar un calculateur. Pour faire commodément la conversion analogique numérique nécessaire à cet effet, il existe en particulier des convertisseurs tensionfréquence et des convertisseurs courant-fréquence. Les premiers, qui sont les plus répandus, présentent l'inconvénient d'une dynamique de mesure qui dépasse rarement trois ou quatre puissances de 10 et d'une précision assez faible, due à la présence d'une tension d'offset qui existe toujours à l'entrée de l'amplificateur associe au capteur. Les convertisseurs courant-fréquence, qui sont beaucoup moins utilisés, ne présentent pas cet inconvénient de tension d'offset, mais, comme on le verra ci-aprés, ils supposent tous l'utilisation d'un dispositif intégrateur pour accumuler les charges électriques correspondant au courant à mesurer. La difficulté est alors d'extraire avec précision ces charges éLectriques ainsi stockées pour déterminer la valeur moyenne du courant ; ils nécessitent de plus l'utilisation de commutateurs dont L'emploi est délicat et dont le fonctionnement n'est pas toujours très franc ni reproductible. Le principe connu de la conversion courantfréquence d'un tel capteur repose sur l'exploitation de la relation Q=CV= Idt, formule dans laquelle Q est la charge électrique accumulée sur Les électrodes d'un condensateur de capacité C et V est la différence de potentiel apparaissant à ses borrnes, lorsqu'iL est traversé par le courant I à mesurer. Dans Les appareils de cette nature connus à ce jour, on laisse se charger le condensateur jusqu'à ce que la différence de potentiel V ait atteint une certaine valeur de seuil, puis on le décharge pour la rendre à nouveau disponible pour une nouvelle charge. On compte alors le nombre de décharges intervenues par unités de temps, ce nombre représentant une fréquence caractéristique de la valeur du courant à mesurer. Si, sur le plan des principes, un tel appareil est satisfaisant, on rencontre néanmoins des difficultés pratiques de mise en oeuvre qui sont liées à l'imprécision dans la mesure des charges électriques extraites ainsi qu'au fait qu'il y a nécessairement un arrêt de la mesure Lors de chaque décharge provoquée du condensateur. La présente invention a précisément pour objet un procédé de mesure de courants faibles à grande dynamique par conversion courant-fréquence qui pressente à la fois une sensibilité élevée et une dynamique théoriquement illimitée, tout en offrant une parfaite stabitité dans le temps. Ce procédé de mesure de courants faibles à grande dynamique par conversion courant-fréquence, consistant à integrer dans un condensateur parcouru par le courant à mesurer les charges correspondant à ce courant, puis à compter la charge Q ainsi accumulée- par unité de temps, ce qui fournit une mesure de l'intensité moyenne du courant à mesurer, se caractérise en ce que le comptage de la charge accumulée se fait, sans interruption du processus de charge, par décharge du condensateur à partir de quantités q d'électricité calibrées de façon à compenser approximativement à chaque instant l'arrivée de nouvelles charges dues au courant à mesurer, le nombre de ces décharges calibres par unité de temps fournissant une mesure en fréquence de l'intensité du courant à mesurer. Comme on l'aura compris à la lecture de la definition précédente du procédé objet de l'invention, son originalité réside dans le fait que l'on n'interrompt nullement l'arrivée de nouvelles charges pendant les périodes de mesure de l'appareil, du fait meme que l'on décharge le condensateur à l'aide de quantités d'électricité q calibrées avec grande précision, en compensant approximativement à chaque instant l'arrivée de nouvelles charges électriques et l'extraction de celles qui étaient déjà stockées. Le condensateur d'intégration du courant à mesurer reste ainsi pratiquement au meme niveau de charge durant tout son fonctionnement. Selon une caractéristique fondamentale du procédé objet de l'invention, les quantités d'électricité calibrées q sont produites par circulation d'un courant constant i dans le condensateur pendant des intervalles de temps également constants, le courant i étant débité par ailleurs en permanence et sans discontinuité par un générateur de courant constant. Pour réaliser les quantités électriques calibrées q, le courant de décharge i est injecté, à contre sens du courant I à mesurer, dans le condensateur de l'intégrateur pendant des intervalles de temps de durée f également parfaitement calibrés. Le courant i est engendre par un générateur de courant constant qui débite en permanence, sans aucune discontinuité, soit vers la masse, soit dans le condensateur d'integration. Il en résulte ainsi une précision très grande et une parfaite stabilité quant au comptage des charges q extraites du condensateur d'intégration.Bien entendu les courants I à mesurer et i d'extraction des charges q doivent etre sensiblement de meme valeur moyenne pour que l'on puisse assurer Le maintien à un niveau constant dans le temps de la charge de ce condensateur ; la dynamique du domaine de mesure de l'appareil peut être très grande, puisque les valeurs supérieures du courant que l'on peut mesurer sont limitées par les valeurs supérieures du courant i fournies par le générateur de courant constant, alors que les valeurs inférieurres sont, en théorie au moins, illimitées, c'est-à-dire aussi faibles que possible puisque les seules limites sont alors fixées par Les fuites du condensateur et/ou les défauts d'isolation des circuits. Les charges calibrées q=i sont parfaitement déterminées et reproductibles, et il suffit de compter le nombre de ces charges caLibrées q que l'on extrait par unité de temps du condensateur d'intégration pour obtenir un nombre qui représente, en fréquence, la vaLeur moyenne instantanée du courant d'entrée I mesuré. La présente invention a également pour objet un dispositif de mesure de courants faibles à grande uynamique par conversion courant-fréquence pour la mise en oeuvre du procédé précédent, comportant un intégrateur du courant I à mesurer constitué d'une capacité montée dans le circuit de contre réaction d'un amplificateur opérationnel, un générateur de courant constant i monté en série avec un interrupteur à deux positions, à savoir une première position dite ouverte pour laquelle le courant i s'écoule vers la masse, et une deuxième position dite fermée pour laquelle le courant i s'écoule à travers la capacité de l'intégrateur en sens contraire du courant I à mesurer, ainsi qu'une sortie de comptage des temps d'ouverture et de fermeture de l'interrupteur, caractérisé en ce qu'il comporte en outre :: - un générateur de créneaux calibrés en durée de temps 17et de signaux porte de durée supérieure à Ç, lesdits créneaux étant de même fréquence que les signaux porte et centrés sur ceux-ci, comportant principalement une horloge à quartz et un diviseur de fréquences, lesdits créneaux étant éis en permanence vers la première entrée d'une porte logique ET et lesdits signaux porte étant émis en permanence vers un circuit logique de détection de seuil de tension aux bornes du condensateur de l'intégrateur, - le circuit logique précédent, comprenant essentiellement une fonction bistable et une mémoire de retard, surveillant en permanence la tension aux bornes du condensateur et, chargé à chaque fois que celle-ci atteint un seuil fixé à l'avance, d'envoyer sur la deuxième entrée de la porte logique ET le premier signal porte complet reçu du générateur de créneaux, - la porte logique ET précédente délivrant en sortie un signal apte à faire basculer l'interrupteur de la position ouverte à la position fermée pendant tout le temps où elle est excitée simultanément sur ses deux entrées, la sortie de comptage comptabilisant le nombre de fermetures de l'interrupteur par unité de temps. Conformément à l'invention, une charge calibrée est extraite du condensateur d'intégration C à chaque fois que le circuit logique de détection de seuil détecte, à la sortie de l'amplificateur opérationnel de l'intégrateur, une tension V qui atteint un seuil déterminé VO fixé à l'avance. A cet effet, le dispositif objet de L'invention permet de commander I1 interrupteur qui fait basculer le passage du courant i de l'extérieur vers la capacité C à L'aide d'un systeme de portes et de créneaux calibrés émis par une horloge å quartz complétée par un dispositif de division de fréquences.Comme les signaux porte et les créneaux calibres sont émis en permanence par le générateur de créneaux, la logique de détection de seuil comporte une mémoire de retard qui permet de ne libérer, vers la porte logique ET commandant l'interrupteur, que le premier signal porte entier se présentant après la détection du seuil de tension déterminé V à la sortie de l'amplificateur O opérationnel. De cette façon, la porte ET s'ouvre complètement et uniquement pendant toute la durée du créneau calibré de largeur trdans le temps, intérieur à cette première porte entière. Selon une caractéristique importante du dispositif objet de L'invention, le générateur de courant constant débite en permanence le courant de valeur i et ce dernier est commuté, sans discontinuité ni perturbation, de la masse (en dehors des périodes de décharge) vers la capacité C d'intégration (pendant les périodes de décharge de celle-ci > . Selon l'invention, on parvient à ce résultant en réalisant L'interrupteur de commutation à L'aide de l'association d'un transistor à effet de champ ou autre dispositif de commutation à semi-conducteurs à jonction avec une diode.En dehors des époques de décharge du condensateur de l'intégrateur la diode assure l'écoulement du courant i vers la masse ; le transistor à effet de champ a sa grille commandée par la sortie de la porte logique ET qui, lorsqu'elle reçoit un signal, rend ce transistor conducteur en court-circuitant la diode, et permettant ainsi la commutation du courant i vers le condensateur. Cette commutation électronique sans inertie et sans contact mécanique est pratiquement instantanée et produit la commutation sans que le générateur de courant constant ne puisse pratiquement s'en apercevoir. Cette particularité est évidemment tres importante car elle garantit la constance du courant de décharge i avec un très haut degré de précision qui se répercute bien entendu sur la précision des charges unitaires calibrées q utilisées pour decharger le condensateur. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'un exemple de mise en oeuvre du dispositif de mesure de courants faibles à grande dynamique par conversion courantfréquence, qui sera décrit, à titre illustratif et non Limitatif, en se référant aux figures 1 et 2 ci-jointes sur Lesquelles : - la figure 1 montre le schéma d'ensemble des fonctions électroniques du dispositif de mesure de courant faible, objet de l'invention, et - La figure 2 montre la disposition dans le temps des signaux porte et des créneaux du dispositif de La figure 1. Comme on le voit sur la figure 1, le dispositif de mesure de courants faibles objet de L'invention comporte essentiellement un intégrateur 1, un circuit logique de détection de seuil 2, un générateur de creneaux et de signaux porte 3, un générateur de courant constant 4 et un interrupteur 5. Une porte logique ET 6 commande L'interrupteur 5. Le courant I à mesurer entre sur la ligne 7 dans l'amplificateur opérationnel 8 bouclé sur le condensateur C selon un montage du type contre réaction. Un système de remise à zero 9 permet de décharger complètement le condensateur C avant la mise en service de l'appareil. La décharge calibrée du condensateur C intervient au moyen de la ligne 10 au travers de l'interrupteur 5 et du générateur de courant constant 4. A la sortie 11 de l'amplificateur opérationnel 8 est présente la tension aux bornes du condensateur C et le détecteur de seuil 2 est réglé pour détecter l'accession de la tension du point de sortie de l'amplificateur 8 à la valeur de seuil V préréglée et O choisie pour déclencher une décharge unitaire du condensateur C.A cet effet, le générateur de créneaux 3, qui comporte une horloge à quartz 12 associée à un système de division de fréquences 13, émet simultanément sur sa sortie 14 des créneaux calibrés de durée V prédéterminé, d'attendre la première porte complete O 17 qui se présente pour l'émettre sur la ligne 16. De cette façon, la porte logique ET 6 émet un signal sur sa sortie 18 pendant tout le temps de colncidence de la porte 17 avec le créneau calibré de durée ff 19 associé. C'est-å-dire, compte tenu de la situation réciproque de la porte 17 et du créneau calibré 19, que la porte 6 délivre sur sa sortie 18 en direction de l'interrupteur 5 un signal pendant toute la durée t? du créneau calibré 19. L'interrupteur 5 comporte une diode 20 qui permet normalement t'écoulement du courant i émis par Le générateur de courant constant 4 vers la masse, ainsi qu'un transistor 21 de préférence à effet de champ dont la grille de commande 22 est reliée à la sortie 18 de la porte ET 6. La diode 20 est montée en avait du transistor 21 et réglée pour etre conductrice lorsque le transistor 21 est ouvert (non conducteur). Au contraire, lorsque le transistor 21 est fermé (conducteur) la tension résiduelle aux bornes de la diode 20 devient inférieure à son seuil de conduction et elle n'est plus conductrice. Dans ces conditions, en temps normal, c'est å-dire en dehors des périodes de décharge du condensateur C de I'intégratcur 1, le courant i s'écoule à partir du générateur de courant constant 4 vers le sol au travers de la diode 20. Lorsque, pendant le temps t7, un signal est présent sur la sortie 18 de la porte logique ET 6, la grille 22 du transistor 21, alors excite, rend conducteur le transistor 21, courtcircuitant ainsi la diode 20 et permettant la commutation instantanée, et sans rupture de débit, du courant i au travers du condensateur C par la ligne 10. Il suffit alors de compter sur la ligne 23 reliée à la sortie 18 de La porte logique ET 6 le nombre de créneaux calibrés 19 apparus pendant un temps déterminé pour avoir une mesure, en fréquence, du courant I pénétrant sur la ligne 7 de l'intégrateur 1. a figure 2 est un schéma de principe montrant le traitement des créneaux calibrés 19 et des signaux porte 17 par la logique de détection de seuil 2. Sur cette figure 2 on a représenté trois graphes a, b et c qui représentent respectivement, pour a les signaux porte émis en permanence par le générateur de créneaux 3 sur la ligne 15 ; pour le graphe b, les créneaux calibrés 19 présents en permanence sur la Ligne de sortie 14 de ce même générateur de créneau 3. Conformément à å l'invention, lorsqu'à une époque t1, la logique de détection de seuil 2 détecte la montée du potentiel de la ligne 11 au seuil de préréglage V de l'appareil, la première porte 17 O entière se présentant après l'instant t est émise, conformément au graphe c, sur la ligne 16 en sortie de la logique de détection de seuil 2. C'est la coincidence entre cette porte 17 et le créneau calibré 19 qui exicte la porte logique ET 6 et provoque le basculement du commutateur 5. A titre d'exemple de mise en oeuvre, donné à titre illustratif et non limitatif, on a utilise pour mesurer un courant d'entrée I de valeur moyenne 5 mA, des décharges calibrées q correspondant à un courant constant i=8, 1/3 mA et de durée 17=60 microsecondes. Dans ces conditions, La charge Q=It du condensateur -3 d'intégration était par seconde Q=5.10 Coulomb alors que chaque décharge calibrée avait pour valeur q=i17 1/3 -3 -6 -9 =8 .10 .10 .60=500.10 . Dans ces conditions, Le nombre d'impulsions de décharge par seconde, nécessaires pour équilibrer la charge du condensateur C -3 -9 ar2e était de Q/q=5.10 /500x10 =10 impulsions par seconde. La sensibilité de l'appareil était donc de 10 000 impulsions par seconde pour représenter ta fréquence caractéristique d'un courant moyen de 5 mA à l'entrée. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de courants faibles à grande dynamique par conversion courant-fréquence, consistant à intégrer dans un condensateur parcouru par le courant à mesurer les charges correspondant à ce courant, puis à compter la charge Q ainsi accumulée par unité de temps, ce qui fournit une mesure de L'intensité moyenne du courant à mesurer, caractérisé en ce que le comptage de la charge accumulée se fait, sans interruption du processus de charge, par décharge du condensateur de quantités q d'électricité calibrées de façon à compenser approximativement à chaque instant l'arrivée de nouvelles charges dues au courant à mesurer, le nombre de ces décharges calibrées par unité de temps fournissant une mesure en fréquence de l'intensité du courant à mesurer. 2. Procédé de mesure de courants faibles selon la revendication 1 caractérisé en ce que les quantités d'électricité calibres q sont produites par circulation d'un courant constant i dans le condensateur pendant des intervalles de temps également constants, le courant i étant débité par ailleurs en permanence et sans discontinuité par un générateur de courant constant. 3. Dispositif de mesure de courants faibles à grande dynamique par conversion courant-frréquence pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 et 2 précédentes, comportant un intégrateur (1) du courant I à mesurer constitué d'une capacité montée dans le circuit de contre réaction d'un amplificateur opérationnel (8), un générateur (4) de courant constant i monté en série avec un interrupteur à deux positions (5), à savoir une première position dite ouverte pour laquelle le courant i s'éçoule vers la masse, et une deuxième position dite fermée pour laquelle le courant i s'écoule à travers la capacité de l'intégrateur (1) en sens contraire du courant I à mesurer, ainsi qu'une sortie de comptage des temps d'ouverture et de fermeture de l'interrupteur, caractérise en ce qu'il comporte en outre - un générateur (3) de créneaux calibrés en durée de temps > et de signaux porte de durée supérieure à t~, lesdites créneaux entant de même fréquence que les signaux porte et centrés sur ceux-ci, comportant principalement une horloge à quartz (12) et un diviseur de fréquences (13), lesdits créneaux étant émis en permanence vers la première entrée d'une porte logique ET (6) et lesdits signaux porte étant émis en permanence vers un circuit logique (2) de détection de seuil de tension aux bornes du condensateur de l'intégrateur, - le circuit logique précédent (2), comprenant essentiellement une fonction bistable et une mémoire de retard, surveillant en permanence la tension aux bornes du condensateur et, charge à chaque fois que celle-ci atteint un seuil (V ) fixé à l'avance, O d'envoyer sur la deuxième entrée de la porte logique ET (6) le premier signal porte complet reçu du générateur (3) de créneaux, - la porte logique ET (6) précédente délivrant en sortie un signal apte à faire basculer l'interrupteur (5) de la position ouverte à la position fermée pendant tout le temps où elle est excitée simultanément sur ses deux entrées, la sortie de comptage comptabilisant le nombre de fermetures de l'interrupteur (5) par unité de temps. 4. Dispositif de mesure de courants faibles selon la revendication 3, caractérisé en ce que le commutateur à deux positions (5) est réalisé par un transistor-å jonction (21) t effet de champ monte en série entre l'intégrateur (1) et le générateur de courant constant, dont la grille de commande (22) est reliée à la sortie (18) de la porte logique ET, une dérivation vers la masse étant prévue à la sortie du générateur de courant (4) au travers d'une diode (20) assurant l'écoulement du courant constant i du générateur (4) en dehors des époques de décharge du condensateur de l'intégrateur (1).