Brevet FR2744529A1 — publié le 19970808

Procédé et dispositif de nesure d'un courant électrique continu de faible valeur. La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de mesure précise d'un courant électrique continu de faible valeur. Plus précisemment, La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif pour creer, dans un enroulement d'un transformateur torique, un courant électrique continu dont l'intensité est proportionnelle à celle du courant continu circulant dans un fil qui passe dans L'orifice central dudit transfornateur torique. Dês lors, La nesure de cette intensité créée periet de connaître La valeur du courant circulant dans le fil qui traverse le transformateur torique, et, ceci sans aucun contact ou point commun entre les deux circuits. Le secteur technique de l'invention est celui de ta construction des appareils de mesure, aussi bien que celui de La signalisation ferroviaire de sécurité, des asservissenents, contrôles industriels et autres. On utilise actuellement diverses méthodes pour mesurer Les courants électriques continus de faible valeur. - Suivant l'une de ces éthodes, un appareil de mesure est connecté en série avec le fil dans lequel le courant circule ; L'inconvénient de cette méthode est qu'elle crée un point commun entre le circuit à mesurer et l'appareil de mesure. - Selon une autre méthode, on utilise une cellule à effet HALL qui mesure le champ généré dans un circuit magnétique par le courant à mesurer ; un désavantage de cette éthode est que pour les faibles intensités, il est nécessaire que le fil dans lequel circule le courant à mesurer fasse plusieurs tours autour du circuit magnétique, et cela est souvent impossible à réaliser ou incompatible avec des critères de sécurité attachés au circuit dont on veut mesurer la consommation. - Suivant une autre méthode, on utilise le principe du "flux gate" employé notamment dans La construction de certains compas de narine, nais ce dernier procédé est sensible aux champs électriques et aux champs magnétiques voisins, de sorte qu'il ne peut être retenu pour les applications mentionnées précédeiient. Le procédé et le dispositif de l'invention ont notamment pour but de remédier aux inconvénients ou insuffisances des différentes méthodes de mesure actuellement lises en oeuvre. - Un premier objectif de l'invention est d'éviter tout point commun entre le circuit dont on veut esurer l'intensité du courant continu qui le traverse et le circuit de esure, en considérant qu'il est même impératif que l'isoleîent entre ces deux circuits soit supérieur à plusieurs milliers de volts. - Un deuxième objectif de l'invention est de garantir que le circuit de nesure ne génère aucune perturbation dans le circuit à esurer notamment par induction. - Un troisiene objectif de l'invention est de permettre la mesure de courants continus très faibles, par exemple à partir de 1 mA, sans avoir à modifier la structure des circuits pour Lesquels on désire nesurer l'intensité du courant continu qui les traverse. - Un quatrième objectif est de pouvoir effectuer une esure de précision dans une plage importante, par exemple dans une plage de 1 à 100 avec un même appareillage. - Un cinquième objectif est que le dispositif de nesure ne soit pas influencé par : . un champ magnétique existant à proximité. un fil parcouru par du courant situé à proximité créant ainsi un champ électrique. des variations de teipérature dans une plage de - 25 degrés C à + 70 degrés C. - Un sixiene objectif de l'invention est d'obtenir une linéarité importante dans la plage de mesure. Les premier, troisième, quatrième, cinquième et siximème objectifs susmentionnés sont atteints, selon la présente invention, grâce à un procédé et à un dispositif suivant lesquels on fait passer le fil conducteur dans lequel circule le courant continu de faible valeur à esurer à travers l'orifice central d'au noins un tore magnétique colportant au moins deux enrouleients ou bobinages dont un premier bobinage aliîenté par un générateur de signaux carrés fonctionnant à quelques kilocycles par seconde, de sorte que les amplitudes positives et négatives de la tension aux bornes de ce bobinage soient différentes, ce déséquilibre étant mis en évidence et amplifié, et le courant issu de l'amplificateur alimentant le deuxième bobinage du tore magnétique, ce deuxième bobinage entant connecté dans un sens tel que le chaip nagntique qu'il génère dans ledit tore s'oppose à ta cause du déséquilibre, ce champ magnétique entant régal à celui qui est généré par le courant continu circulant dans le fil, ce courant de ré-équilibrage du chaip magnétique géneré par le courant continu, étant amplifié par un amplificateur, de sorte qu'il suffit de Le ultiplier, à la sortie dudit amplificateur, par le nombre de spires dudit deuxième bobinage, pour connaître la valeur de ce courant continu. Selon une autre disposition caractéristique avantageuse du procédé et du dispositif de nesure selon l'invention, on fait passer le fil dans lequel circule le courant continu de faible valeur à esurer, à travers les orifices centraux de deux tores magnétiques superposés ou accolés identiques, les enroulements ou bobinages de ces tores magnétiques étant alimentés en série par le générateur de signaux carrés et connectés en opposition de phase, de sorte que les champs magnétiques développés dans ces tores magnétiques soient en opposition de phase et que les forces électromotrices induites par le courant issu dudit générateur, dans le fil traversé par le courant continu, s'opposent et donnent une résultante nulle, les deuxièmes bobinages des deux tores agnétiques superposés étant connectés en série et alimentés par le courant issu du système de redresseient et d'amplification. le courant de ré-équilibrage étant amplifié par un anplificateur, de sorte qu'il suffit de le multiplier, à la sortie dudit amplificateur, par le nonbre de spires du deuxiêie enroulenent du tore agnétique de mesure pour connaître la valeur du courant continu circulant dans le fil. Cette disposition caractéristique permet de réaliser le deuxième objectif exposé précédemment. Outre la réalisation des différents objectifs susmentionnés, un avantage supplémentaire du procédé et du dispositif de l'invention découle du fait que le système est non polarisé, de sorte que le fil dans lequel circule le courant continu à nesurer peut être place dans n'importe quel sens. En outre, il est possible de récupérer des informations alternatives à fréquence basse. Les buts, caractéristiques et avantages ci-dessus, et d'autres encore, ressortiront ieux de la description qui suit et des dessins annexés dans lesquels : La figure 1 illustre le schéma électrique d'une for.e d'exécution préférée de l'appareil de esure selon l'invention. La figure 2 ontre le schéma électrique d'une forte d'exécution plus sommaire de l'invention. La figure 3 est une représentation graphique du courant alternatif généré par le générateur de signaux carrés. La figure 4 montre le graphe de la tension aux bornes de l'enroulement primaire du second tore magnétique lorsque le courant continu à mesurer ne circule pas dans le fil traversant ledit tore. La figure 5 est une représentation graphique de cette tension, lorsque le fil est parcouru par un courant continu. On se reporte auxdits dessins pour décrire des exemples intéressants, bien que nullement linitatifs, de réalisation du dispositif et de nise en oeuvre du procédé de esure de courant électrique selon l'invention. Selon le iode d'exécution et de ise en oeuvre préféré illustré à la figure 1, le dispositif comprend deux tores agnétiques identiques 2 et 3 dont les orifices centraux coaxiaux 0, 0' permettent le libre passage du fil conducteur 1 dans lequel circule le courant électrique continu à esurer, sans contact avec ledit conducteur. Un générateur de signaux carrés G alimente les enroulements 4 et 5 des tores magnétiques 2 et 3, respectivement, ces enroulements étant identiques et connectés en opposition de phase, lesdits enrouleeents étant, d'autre part, alimentés en série par ledit générateur. De cette façon, Le champ magnétique développé dans le tore 2 se trouve en opposition de phase avec celui qui est développé dans le tore 3, de sorte que les forces électrices induites dans le fil 1, par le courant issu du générateur G, s'opposent et donnent une résultante nulle. Le générateur G doit se comporter en source de courant, il a donc une impédance interne élevée par rapport à l'impédance interne des enroulements 4 et 5. Le signal carré est généré à une fréquence de quelques kilohertz, par exemple à une fréquence de 1 à 20 kilocycles. Ce signal est dérivé par l'iipédance basse des enrouleients et génère un courant ayant l'allure représentée à la figure 3. Ce courant développe aux bornes de l'enrouleient 5 du tore magnétique 3 (point A), un potentiel ayant l'allure représentée à la figure 4. En l'absence de toute circulation de courant continu dans le fil 1, le circuit magnétique 3 est parfaitement équilibré et les amplitudes des alternances de tension positive et négative (figure 4) sont égales. Le sommateur algébrique 10 décrit ci-aprs, donne à sa sortie une information nulle. Lorsque le fil 1 est parcouru par un courant continu I, ce dernier crée un champ dans les tores 2 et 3. Ce champ continu s'additionne au champ crée par l'enroulement 5 alimenté par le générateur G. Par exemple, il renforce le champ de l'alternance positive et, se soustrait au chaip dû à l'alternance négative. Compte tenu de la non linéarité de la reluctance du circuit magnétique, la self induction de cet enroulement sera plus importante pour l'alternance positive que pour l'alternance négative et, la pointe de tension esurée au point A du schéma de la figure 1 sera plus importante pour l'alternance positive que pour l'alternance négative (figure 5). Au point A du schéma des figures 1 et 2, est connecté un système de redressement et de filtrage comprenant deux diodes 6 et 7 et deux condensateurs 8 et 9. Les diodes 6 et 7 connectes au point A permettent de charger les condensateurs 8 et 9 à la valeur de crête de chacune des alternances de tension. Le condensateur 8 va prendre le potentiel continu de V+ et le condensateur 9 le potentiel continu négatif de V-. Les sorties du système de redressenent et de filtrage 6-7-8-9 sont connectées à un sonnateur algébrique 10. Le sommateur équilibré 10 va donc présenter, à sa sortie, un potentiel #v égal à la demi-différence existant entre les deux tensions V+ et V-. Cette tension AV est amplifiée par un amplificateur de courant 11 place à la sortie du sommateur 10. Les tores magnétiques 2 et 3 comportent, chacun, un deuxième enroulement ou bobinage 12 et 13, respectivedont. Les enroulements 12 et 13 présentent des caracté- ristiques identiques ; ils sont connectés en série et alimentes par un même courant de ré-injection issu de l'ensemble constitué des coiposants 6, 7, 8, 9, 10 et 11 susmentionnés. Dans ces conditions, les tores magnétiques 2 et 3 sont soumis au même champ continu issu du courant I circulant dans le fil 1 diminué du champ de compensation dû au courant i circulant dans les enroulements 12 et 13, ais ils sont également soumis à des champs alternatifs créés par les enroulements 4 et 5 en opposition de phase et dont l'effet résultant dans le fil 1 est ainsi annulé. Autrement dit, la tension AV amplifiée par l'amplificateur 11, alimente les enrouleients 12 et 13 connectés en série, des tores magnétiques 2 et 3 respectivement, pour créer un chanp contraire à celui qui a été généré par le courant circulant dans le fil 1. Ce courant va croître jusqu'à ce que V+ soit égale à V-, c'est à dire jusqu'à l'annulation du champe permanent dû au courant I. Si n est le nombre de tours de chacun des enroulements 12 et 13, le courant i est tel que l'on puisse ecrire la relation n i = I. L'amplificateur 14 de la figure 1 constitue la sortie mesure de cet ensemble capteur. S'il est "cablé en générateur de courant", sa sortie donnera "l'inage courant" du courant inconnu I ; s'il est "cablé en générateur de tension", sa sortie donnera "l'image tension" du courant inconnu I. Cette image du courant à mesurer est obtenue en respectant la totalité des objectifs précédemment énumériés. Le générateur G alimente l'enrouleient 5 bobine sur le tore magnétique 3. Cet enroulenent constitue le primaire d'un transforiateur dont le secondaire est le fil 1. Conne on ne veut induire aucune tension dans ce fil, c'est l'enroulement 4 bobiné sur le tore agnétique 2 et connecté en opposition de phase qui pernet d'annuler cette tension parasite. Après l'exposé qui précède, on comprend que ce tore nagntique 2 est le tore d'annulation de l'induction générée dans le fil conducteur 1, tandis que le tore agnétique 3 est le tore de mesure. D'autre part, les enrouleients 4 et 5 sont des enroulements d'excitation souris à la fréquence f, l'un dans le tore 2, l'autre dans le tore 3, tandis que les enroulements 12 et 13 sont des enroulements d'annulation du champ magnétique permanent dû au courant I. On conçoit que le tore d'annulation d'induction 2 et le tore de nesure 3 fonctionnent indépendamment l'un de l'autre. Un avantage très intéressant du procédé, selon l'invention, qui consiste à annuler l'influence du courant I dans le champ auquel est soumis le tore de esure 3, est que ce circuit magnétique travaille toujours au aie point de sa courbe de magnétisation. Le capteur selon l'invention a donc une grande linéarité de réponse. C'est pour assurer L'annulation de la tension induite par l'enroulement 5 dans le fil de esure 1, quel que soit le courant à nesurer I, que l'on a doté le tore de compensation 2 du même enroulement 12 que celui qui est réalisé en 13 sur le tore de mesure 3. On comprend que le procédé et le dispositif qui viennent d'être décrits perMettent notamment de esurer un courant continu de faible valeur circulant dans un fil, sans contact avec celui-ci, tout en ne ré-injectant aucun signal parasite dans le fil où circule le courant à esurer. Dans une réalisation pratique avantageuse, pour minimiser l'encombrement, les tores magnétiques 2 et 3 sont collés l'un sur l'autre, l'ensemble pourrait être miniaturisé par l'utilisation de la technologie CMS, ou par tout procédé à haut degré d'intégration de type "ASIC" (y compris le générateur G) ; l'ensemble moulé pouvant esurer 15 Mi x 20 Mi x 40 Mi. Un trou de 4 mm permet de passer le fil 1 dans l'orifice central des deux tores magnétiques superposés, les sorties sont réalisées soit par cosses "FASTON", soit par broches à souder ou prise. La figure 2 illustre une forme d'exécution plus sommaire du dispositif de esure selon l'invention. Selon ce iode d'exécution simplifié, le dispositif comporte un seul tore magnétique 3 à travers l'orifice central 0' duquel peut être placé le fil 1 dans lequel circule Le courant I à mesurer. Cet unique tore magnétique comporte au joins un bobinage 5 connecté à un générateur de signaux carrés 6 de quelques kilocycles par seconde. Ce tore magnétique comporte au moins un enroulement de ré-injection 13 de courant image du courant à mesurer, issu du système de redresseient double alternance constitué des deux dipodes 6 et 7 et des deux condensateurs 8, 9, suivi du soiiateur algébrique 10 et de l'amplificateur 11. La lecture du courant iMage s'effectue à la sortie de l'amplificateur 11 par le second amplificateur 14. Selon le procédé de mesure simplifié susceptible d'être Mis en oeuvre par le dispositif illustre à la figure 2, on fait passer le fil 1 dans l'orifice central 0' du tore agnetique 3 dont le bobinage 5 est parcouru par le signal électrique créé par le générateur de signaux carrés 6. Lorsqu'aucun courant continu ne circule dans le fil 1, L'iipédance du bobinage 5 est la même pour chacune des alternances, les amplitudes de tension positive et négative développées aux bornes de ce bobinage (point A' de la figure 2) sont égales en aiplitude, leur sonne algébrique est nulle. Lorsqu'un courant I circule dans le conducteur 1, le chars magnétique qu'il génère dans le tore 3 s'ajoute au chaip créé par l'une des alternances du courant du générateur dans ledit tore et, se retranche au champ créé par L'autre alternance, amenant ainsi le bobinage 5 à présenter une impédance différente d'une alternance sur l'autre. Dans ces conditions, les amplitudes positive et négative de la tension aux bornes du bobinage 5 sont différentes. Cette différencie iise en évidence par le système de redressement et filtrage (diodes 6 et 7, capacités 8 et 9) apparaît aux bornes du sommateur algébrique 10. L'amplificateur 11 de l'information issue dudit sommateur alimente le deuxième enrouleient 13 du tore 3 connecté dans un sens tel que le champ qu'il crée dans le tore, s'oppose à la cause du déséquilibre. Le courant issu de l'aiplificateur 11 qui circule dans l'enroulement 13 cesse de croître lorsque le champ généré par ledit enrouleient 13 dans Le tore devient égal a celui qui est généré par le courant continu I circulant dans le fil 1. On a ainsi réalisé une balance électronique de courant continu. La mesure de ce courant i de ré-équilibrage de champ magnétique continu, grâce à l'amplificateur 14 permet, en le multipliant par le nombre de tours n de l'enroulement 13, de connaître la valeur du courant I. Dans le iode de rise en oeuvre simplifié illustré par le schéma de La figure 2, l'enrouleient 5 du tore magnétique de mesure 3, peut induire une tension parasite dans le fil conducteur 1 à la fréquence du générateur 6. Le iode de mise en oeuvre illustré par le schéma de la figure 1 permet d'annuler cette tension parasite. REVENDICATIONS 1. - Procédé de mesure d'un courant électrique continu de faible valeur, circulant dans un conducteur, caractérisé en ce que L'on fait passer le conducteur (1) à travers l'orifice central (0') d'au ioins un tore magnétique (3) comportant au joins deux enroulements ou bobinages (5, 13), dont un premier bobinage (5) alimenté par un générateur de signaux carrés (6) fonctionnant à quelques kilocycles par seconde, de sorte que : - lorsqu'aucun courant ne circule dans le conducteur (1), les amplitudes positives et négatives de la tension aux bornes de ce bobinage (5) sont égales, leur somme algébrique étant nulle, - tandis que lorsqu'un courant continu (I) parcourt le conducteur (1), les aiplitudes positives et négatives de la tension aux bornes dudit bobinage (5) sont différentes ; cette différence étant irise en évidence, après redressement et filtrage, par l'interiédiaire d'un sommateur algébrique (10), la tension de sortie de ce soiiateur (10) amplifiée par un amplificateur (11) alimentant le deuxième bobinage (13) du tore magnétique (3) connecté dans un sens tel que le champ qu'il créc dans ledit tore (3) s'oppose à la cause du déséquilibre, de sorte que le courant issu de cet amplificateur (11) et qui circule dans ledit deuxième bobinage (13) cesse de croître lorsque le champ généré par ce dernier dans le tore (3) devient régal à celui qui est généré par le courant continu (I) circulant dans le conducteur (1), la mesure du courant de ré-équilibrage (i) du champ magnétique continu, par L'intermédiarie d'un deuxièie amplificateur (14) relié à la sortie dudit premier amplificateur (11), permettant, en multipliant le courant de ré-équilibrage (i) par le nombre (n) de tours du deuxième bobinage (13), de connaître la valeur du courant (I) circulant dans ledit conducteur (1). 2. - Dispositif de mesure d'un courant continu de faible valeur circulant dans un conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un tore magnétique (3) présentant un orifice central (0') apte à être traversé par un conducteur (1), ce tore magnétique (3) comportant au moins deux bobinages (5, 13) dont l'un (5) est connecte à un générateur de signaux carrés de quelques kilocycles par seconde, ledit dispositif comprenant également un système de redressement double alternance (6, 7, 8, 9) connecté aux bornes dudit premier bobinage (5), les sorties de ce systèie de redressement (6, 7, 8, 9) étant connectées à un sommateur algébrique (10) suivi d'un aiplificateur (11) lequel est connecté au deuxième bobinage (13), la sortie de ce premier amplificateur (11) étant également reliée à un deuxième amplificateur (14) permettant la lecture du courant image (i) à la sortie dudit premier amplificateur (11). 3. - Procédé de mesure d'un courant électrique continu de faible valeur circulant dans un conducteur, selon la revendication 1, caractérise en ce que l'on fait passer le conducteur (1) à travers les orifices centraux (0, O') de deux tores iagnétiques superposes identiques (2, 3) dont les enroulements primaires (4, 5) présentant des caractéristiques identiques sont connectés en opposition de phase et alimentés en série par le générateur de signaux carrés (6), et dont les deux autres enroulements (12, 13) présentant des caractéristiques identiques sont connectés en série et parcourus par le même courant de ré-injection issu d'un ensemble comprenant un système de redressement et de filtrage (6, 7, 8, 9), un sonnateur algébrique (10) et un amplificateur (11), de sorte que - le champ magnétique développe dans l'un (2) des tores iagnétiques (2, 3) se trouve en opposition de phase avec celui qui est développé dans le second (3) desdits tores, afin que les forces électromotrices induites dans le conducteur (1) par le courant issu du générateur (6) s'opposent et donnent une résultante nulle ; - les tores magnétiques sont soumis au même champ continu issu du courant (I) circulant dans le conducteur (1) diminué du champ de coMpensation dû au courant circulant dans les enroulements (12, 13) de ré-injection, nais ils sont également sounis à des champs alternatifs créés par les enrouleients primaires (4, 5) connectes en opposition de phase et dont l'effet résultant dans Le fil (1) est ainsi annule ; la mesure du courant de ré-équilibage (i) du champ magnétique continu, s'effectuant par l'intermédiaire d'un deuxième amplificateur (14) relié à la sortie dudit premier amplificateur (11) et perMettant, en nultipliant le courant de ré-équilibrage (i) par le nonbre de tours (n) du deuxième bobinage (13) du tore magnétique de mesure (3) de connaître la valeur du courant continu (I) circulant dans ledit conducteur (1). 4. - Dispositif de mesure d'un courant continu de faible valeur circulant dans un fil conducteur, selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend deux tores iagnétiques identiques superposés l'un sur l'autre (2, 3) et présentant des orifices centraux coaxiaux (0, 0') susceptibles d'être traverses par un conducteur (1), chacun de ces tores magnétiques (2, 3) comportant au moins deux bobinages ou enrouleients (4, 12 ; 5, 13), les enrouleients primaires (4, 5) desdits tores magnétiques présentant des caractéristiques identiques et étant relies à un générateur (G) de signaux carrés, lesdits enroulenents priMaires (4, 5) entant connectés en opposition de phase et relies à un système de redressement double alternance (6, 7, 8, 9) dont Les sorties sont connectees à un sommateur algébrique (10) suivi d'un aiplificateur (11) lequel est connecte aux enrouleients de ré-injection (12, 13) de l'ensemble de tores iagnétlques (2, 3), les enroulements (12, 13) présentant des caractéristiques identiques et entant connectés en série, la sortie dudit amplificateur (11) étant également reliée à un deuxième amplificateur (14) permettant la lecture du courant image (i) à la sortie dudit preMier aiplificateur. 5. - Dispositif suivant l'une des revendications 2 ou 4, caractérisé en ce que le système de redressement et de filtrage comprend deux diodes de redressement (6, 7) et deux condensateurs (8, 9).