Brevet FR2752059A1 — publié le 19980206

La présente invention concerne un dispositif de mesure d'un courant circulant dans un conducteur. De tels dispositifs sont par exemple utilisés pour mesurer des courants continus ou variables dans le temps. On connaît déjà dans l'état de la technique (voir par exemple le document WO-A-94/23305), un certain nombre de dispositifs de mesure de ce type, qui comportent un transducteur magnétique muni d'un tore magnétique disposé autour du conducteur et sur lequel est placé au moins un bobinage raccordé à des moyens d'alimentation en courant de compensation pour engendrer dans le tore, un champ magnétique opposé au champ créé dans celui-ci par le courant à mesurer afin d'obtenir un champ nul dans le tore, et des moyens d'analyse du courant de compensation pour déterminer le courant à mesurer. Ces dispositifs de mesure dits à isolation galvanique, fonctionnent en effet sur le principe de la compensation magnétique. Le tore d'un tel dispositif porte en général un bobinage constitué de Nc spires, tandis que le courant à mesurer Ip rayonne dans ce tore un champ magnétique Hp. Un courant Ic dit de compensation est injecté dans ce bobinage et rayonne un champ magnétique Hc opposé au champ Hp. Les moyens d'alimentation sont alors adaptés pour asservir le courant Ic, de telle manière que Ht (total) = Hp + Hc = O, ou bien encore Ip - Nc x Ic = O. Lorsque cette condition est remplie, il suffit de mesurer le courant Ic pour en déduire la valeur de Ip, c'est-à-dire du courant à mesurer. La condition d'asservissement Ht = O est déterminée par exemple grâce à une sonde placée dans un entrefer du tore, cette sonde étant par exemple une sonde à effet Hall ou magnétorésistive. En fait, ces sondes ne déterminent pas exactement Ht = 0, mais Bt = O, Bt étant l'induction dans le tore. Or, cette condition ne reflète pas exactement la condition Ht = O. La différence est liée aux perturbations engendrées par l'hystérésis magnétique avec la présence de l'induction rémanente Br du matériau magnétique du tore. De plus, de tels dispositifs sont en général très sensibles à la température. On constate en effet, une dérive de la tension d'offset de la sonde avec la température. Les moyens d'alimentation asservis dont le premier composant est la sonde de mesure, se trouvent en général à proximité du tore magnétique. Cette proximité interdit toute mesure en milieu thermique sévère, c'est-à-dire dans lequel la température est supérieure à 1500C. De plus, les dispositifs de mesure de l'état de la technique fonctionnent souvent avec des alimentations symétriques +/- Vcc, Vcc pouvant varier de 9 à 15 V. Ces tensions symétriques sont relativement difficiles à obtenir dans des applications automobiles où les dispositifs de mesure sont alimentés par la tension de la batterie de celui-ci, cette tension étant une tension unipolaire variant entre 6 et 16 V par exemple. Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes, en proposant un dispositif de mesure qui soit simple, fiable, d'un encombrement et d'un poids réduits et dont le coût de fabrication soit également le plus réduit possible. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de mesure d'un courant circulant dans un conducteur, du type comportant un circuit magnétique associé au conducteur et sur lequel est placé au moins un bobinage raccordé à des moyens d'alimentation en courant de compensation, pour engendrer dans le circuit un champ magnétique opposé au champ créé dans celui-ci par le courant à mesurer afin d'obtenir un champ nul dans le circuit, et des moyens d'analyse du courant de compensation pour déterminer le courant à mesurer, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation comprennent des moyens de superposition sur le courant de compensation d'un courant périodique radio-fréquence et des moyens d'analyse d'un harmonique pair de la tension résultante présente aux bornes du bobinage pour asservir l'amplitude de celui-ci à zéro en faisant varier le courant de compensation. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig.l représente un schéma synoptique illustrant la structure et le fonctionnement d'un dispositif de mesure de courant selon l'invention; et - la Fig.2 représente un exemple de réalisation d'un transducteur magnétique entrant dans la constitution d'un tel dispositif. On reconnaît en effet sur ces figures et en particulier sur la figure 1, un dispositif de mesure d'un courant Ip circulant dans un conducteur désigné par exemple par la référence générale 1. Ce dispositif comporte un transducteur magnétique muni d'un circuit magnétique désigné par la référence générale 2 et se présentant par exemple sous la forme d'un tore disposé autour du conducteur 1, et sur lequel est placé au moins un bobinage, désigné par la référence générale 3, raccordé à des moyens d'alimentation en courant de compensation. Ce courant de compensation est désigné par la référence Ic sur cette figure. Les moyens d'alimentation sont quant à eux désignés de façon générale par la référence 4 et sont adaptés pour délivrer au bobinage 3 un courant de compensation Ic permettant d'engendrer dans le tore 2, un champ magnétique opposé au champ créé dans celui-ci par le courant à mesurer Ip afin d'obtenir un champ nul dans le tore. De plus, le dispositif de mesure comporte des moyens 5 d'analyse du courant de compensation pour déterminer le courant Ip à mesurer. Selon l'invention, les moyens d'alimentation 4 comprennent des moyens 6a de superposition sur le courant de compensation Ic d'un courant périodique radio-fréquence, par exemple sinusoïdal, désigné par la référence Irf sur cette figure et des moyens 6b d'analyse d'un harmonique pair de la tension résultante présente aux bornes du bobinage 3 pour asservir l'amplitude de celui-ci à zéro en faisant varier le courant de compensation Ic. Dans le cas décrit, le conducteur 1 parcouru par le courant Ip à mesurer, traverse le tore magnétique 2. Bien entendu, différents modes de réalisation de cette partie du dispositif peuvent être envisagés. C'est ainsi par exemple que le conducteur qui, sur la figure 1, traverse le tore dans la partie centrale de celui-ci, peut également être enroulé en partie autour de ce tore en formant Np spires. On conçoit que dans l'exemple représenté Np = 1 du fait de la disposition du conducteur dans le tore. Le courant Ip rayonne dans le tore magnétique un champ Hp. On injecte dans le bobinage 3 comprenant Nc spires jointives réparties uniformément sur la totalité du tore, un courant de compensation Ic, sur lequel est superposé Irf. Ce courant Ic crée un champ magnétique Hc opposé à Hp et le champ Ht résultant dans le tore est égal à Ht = Hp + Hc. Comme dans un dispositif de mesure classique, le rôle des moyens d'alimentation 4 est d'asservir le courant de compensation Ic à la condition Ht = O. Si cette condition est respectée, alors Hp + Hc = 0, c'est-à-dire que Np x Ip = Nc x Ic ou bien avec Np = 1, Ip = Nc x Ic. I1 suffit alors de mesurer le courant Ic pour en déduire le courant Ip. Dans le dispositif selon l'invention, la condition Ht = 0 est déterminée en analysant la composition harmonique du signal de tension disponible aux bornes du bobinage 3. I1 est à noter que ce dispositif pourrait également fonctionner en utilisant deux bobinages secondaires, l'un pour la compensation et l'autre, pour l'analyse de la condition Ht = 0, mais l'utilisation d'un seul bobinage permet de réduire les coûts d'une telle structure et de transmettre les signaux sur une ligne bifilaire non blindée. Ainsi que cela a été expliqué précédemment, le rôle des moyens d'alimentation 4 est de détecter la condition de compensation Ht = Hp + Hc = O, et d'asservir le courant de compensation Ic afin de toujours remplir cette condition. Le courant périodique radio-fréquence Irf se présente par exemple sous la forme Irf(t) = 10 x Sin (2wFOt) et est superposé au courant de compensation Ic dans le bobinage 3. Ce courant Irf engendre un champ Hrf dans le tore. Si IO est suffisamment grand, ce champ sature de part et d'autre, le matériau présent dans le tore en l'absence de champ continu dans le transducteur. Lorsque Ht = 0, le matériau magnétique est saturé de part et d'autre périodiquement et de façon symétrique. L'induction B et le flux induits présentent alors également par définition une symétrie. La tension V1 induite aux bornes du bobinage 3 est fonction du flux 8 variant dans le temps (loi de Lentz). Cette tension V1 présente donc une symétrie par rapport à la tension de référence du bobinage et la décomposition harmonique d'un tel signal de tension montre que les harmoniques d'ordre 2n, c'est-à-dire pairs, n étant un entier positif différent de 0, sont nuls. Dans le cas contraire, où Ht est différent de O, on montre que dans les mêmes conditions d'excitation, le signal de tension V1 induit aux bornes du bobinage n'est plus symétrique. L'analyse harmonique d'un tel signal montre l'apparition d'harmoniques d'ordre 2n, n étant un entier positif différent de 0, dont l'amplitude et la phase sont fonction du champ Ht. Les moyens d'alimentation sont alors adaptés pour analyser par exemple le second harmonique présent dans la tension aux bornes du bobinage 3 et pour asservir le courant de compensation Ic sur cette information d'amplitude du second harmonique égale à 0. On notera également que cet asservissement peut s'effectuer sur n importe quel autre harmonique pair du signal. A cet effet, les moyens de superposition désignés par la référence générale 6a comprennent par exemple un oscillateur désigné par la référence générale 7 sur cette figure 1. Dans le cas de l'analyse du second harmonique du signal de tension, cet oscillateur délivre un signal à une fréquence double de celle du courant périodique Irf, à l'entrée d'un diviseur de fréquence par deux désigné par la référence générale 8, dont la sortie est reliée à un module de mise en forme de signaux désigné par la référence générale 9, relié au bobinage 3. Les moyens d'analyse 6b comprennent quant à eux un amplificateur passe-bande désigné par la référence générale 10, qui est raccordé au bobinage 3 pour amplifier et sélectionner l'harmonique pair correspondant du signal de tension présent aux bornes de celui-ci, la sortie de cet amplificateur passe-bande étant reliée à un multiplicateur 11 recevant également en entrée un signal issu de l'oscillateur 7 à la fréquence 2FO, pour assurer une détection synchrone. La sortie de ce multiplicateur est reliée à un filtre passe-bas 12 qui délivre un signal de tension V2h proportionnel à l'amplitude et à la phase de l'harmonique correspondant, à un correcteur de type PID par exemple, désigné par la référence générale 13. La sortie de ce correcteur de type PID est reliée à un convertisseur tension-courant désigné par la référence générale 14 délivrant le courant Ic de compensation au bobinage 3. Les moyens d'analyse 5 du courant de compensation Ic comprennent quant à eux une résistance désignée par la référence générale 15 sur cette figure, en série avec le bobinage 3 et aux bornes de laquelle sont raccordées les entrées d'un amplificateur 16, dont la sortie est reliée à un filtre passe-bas 17, délivrant une tension Vs proportionnelle à ce courant de compensation Ic et donc au courant à mesurer Ip lorsque les conditions évoquées précédemment sont remplies. On conçoit alors que, dans ce qui vient d'être décrit, on met en oeuvre une méthode de détection synchrone pour l'analyse du second harmonique du signal de tension présent aux bornes du bobinage 3. L'amplificateur passe-bande 10 effectue une présélection et une amplification du second harmonique, tandis que l'ensemble multiplicateur 11 et filtre passebas 12, réalise l'analyse harmonique et délivre en sortie la tension V2h proportionnelle à l'amplitude et à la phase du second harmonique de la tension V1 aux bornes du bobinage. Cette tension V2h image du second harmonique est traitée par le correcteur 13, par exemple de type PID, et le convertisseur tension-courant 14 délivre le courant de compensation Ic au bobinage 3. Les modules d'oscillateur, de diviseur et de mise en forme 7,8,9 respectivement, engendrent le courant périodique Irf à la fréquence FO et le signal de référence à la fréquence 2F0 pour la détection synchrone, le courant périodique radio-fréquence résultant Irf étant superposé sur le courant Ic délivré par le convertisseur 14, dans le bobinage 3. Le courant circulant dans le bobinage, c'est-àdire Irf + Ic est prélevé grâce à la résistance 15 qui peut être une résistance shunt de précision et l'amplificateur 16. L'information haute fréquence est éliminée par le filtre passe-bas 17 pour fournir en sortie une tension Vs = k x Ip, K étant un coefficient déterminé, ce qui permet d'obtenir le courant à mesurer Ip. Différentes technologies de fabrication du tore magnétique 2 et du bobinage 3 peuvent être envisagées. C'est ainsi par exemple qu'une technologie de bobinage linéaire avec du fil classique ou thermo-adhérent peut être utilisée. En effet, une technologie de bobinage torique conviendrait également, mais présenterait l'inconvénient d'être relativement coûteuse pour une application automobile. Une autre technologie dite planar peut également être envisagée, le bobinage étant réalisé alors par gravure et raccordement de pistes de cuivre. Il est à noter également que pour la mesure de courant faible, la résolution de ce dispositif peut être dégradée par la présence d'offsets dus en grande partie aux champs magnétiques parasites semi-statiques incidents sur le dispositif de mesure et notamment le champ magnétique terrestre. On peut alors disposer des moyens de blindage spécifiques autour du tore pour diminuer très fortement l'influence de ces champs magnétiques parasites et augmenter ainsi très sensiblement la résolution de la mesure. Un exemple de réalisation de tels moyens de blindage est représenté sur la figure 2. Sur cette figure, le conducteur dans lequel circule le courant à mesurer est toujours désigné par la référence générale 1, tandis que le tore magnétique est désigné par la référence générale 2. Des moyens de blindage magnétique sont disposés autour de ce tore, ces moyens étant désignés par la référence générale 18 sur cette figure. Ces moyens de blindage comprennent avantageusement un cylindre de support désigné par la référence générale 19, sur lequel est disposé un matériau magnétique à perméabilité magnétique élevée, désigné par la référence générale 20 sur cette figure. Ces moyens de blindage peuvent être réalisés en enroulant sur un support approprié une tôle magnétique très fine et très souple en matériau amorphe, nanocristallin ou mumétal, etc... On conçoit alors que pour des courants Ip élevés, le matériau magnétique du blindage se sature et la protection est détruite. Cependant, dans ce cas, le courant Ip étant très élevé, la résolution souhaitée reste suffisante pour la mesure de celui-ci. Un tel dispositif de mesure constitue un élément métrologique alimenté sous une tension unipolaire d'un système de gestion d'un courant électrique et les différents moyens électroniques associés au tore et au bobinage peuvent être placés à distance de celui-ci et être reliés à celui-ci par l'intermédiaire de lignes de transmission de signaux, ce qui permet d'assurer un traitement de ceuxci à distance, la détection synchrone permettant le rejet des parasites électromagnétiques présents. Cette télémesure permet de disposer un ou plusieurs capteurs de ce type sur un réseau électrique d'un véhicule automobile par exemple et d'inclure les moyens électroniques dans un calculateur placé en milieu protégé, tel que par exemple un calculateur de contrôle du fonctionnement du moteur du véhicule, etc... A titre d'exemple, le circuit magnétique peut présenter de préférence une section droite magnétique dont la surface est comprise entre 0,05 mm2 et 0,4 mm2 et un rayon moyen compris entre 5 et 50 mm. Le bobinage peut quant à lui être déterminé de façon classique. Enfin, un tel dispositif présente une structure facilement adaptable à différentes gammes de courant à mesurer. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure d'un courant circulant dans un conducteur (1), du type comportant un circuit magnétique (2) associé au conducteur (1) et sur lequel est placé au moins un bobinage (3) raccordé à des moyens (4) d'alimentation en courant de compensation (Ic), pour engendrer dans le circuit (2), un champ magnétique opposé au champ créé dans celui-ci par le courant à mesurer (Ip) afin d'obtenir un champ nul dans le circuit, et des moyens d'analyse (5) du courant de compensation pour déterminer le courant à mesurer (Ip), caractérisé en ce que les moyens d'alimentation (4) comprennent des moyens (6a) de superposition sur le courant de compensation d'un courant périodique radio-fréquence (Irf) et des moyens (6b) d'analyse d'un harmonique pair de la tension résultante présente aux bornes du bobinage (3) pour asservir l'amplitude de celui-ci à zéro en faisant varier le courant de compensation (Ic). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation comprennent un oscillateur (7) délivrant un signal à une fréquence multiple de celle du courant périodique (Irf) à l'entrée d'un diviseur de fréquence (8) dont la sortie est reliée à l'entrée d'un module de mise en forme de signaux (9) dont la sortie est raccordée au bobinage (3). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation comprennent un amplificateur passe-bande (10) dont l'entrée est raccordée au bobinage (3) pour amplifier et sélectionner l'harmonique pair correspondant et dont la sortie est reliée à l'entrée d'un multiplicateur (11) recevant également en entrée le signal de sortie de l'oscillateur (7), et dont là sortie est reliée à l'entrée d'un filtre passe-bas (12) pour une analyse synchrone de signal et délivrer un signal de tension (V2h) proportionnel à l'amplitude et à la phase de l'harmonique correspondant. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la sortie du filtre passe-bas (12) est reliée à l'entrée d'un correcteur de type PID (13) dont la sortie est reliée à un convertisseur tension-courant (14) dont la sortie est raccordée au bobinage (3) pour délivrer à celui-ci le courant de compensation (Ic). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (5) d'analyse du courant de compensation (Ic) comprennent une résistance (15) en série avec le bobinage (3), un amplificateur (16) raccordé aux bornes de cette résistance (15) et un filtre passe-bas (17) raccordé à la sortie de l'amplificateur, pour délivrer en sortie un signal de tension (Vs) proportionnel au courant de compensation (Ic). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'harmonique correspondant est le second harmonique. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des moyens de blindage magnétique (18) sont disposés autour du circuit (2). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de blindage magnétique (18) comprennent un cylindre de support (19), sur lequel est disposé un matériau magnétique à perméabilité élevée (20). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit magnétique (2) présente une section droite magnétique dont la surface est comprise entre 0,05 mm2 et 0,4 mm2 et un rayon moyen compris entre 5 et 50 mm. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit magnétique (2) et le bobinage (3) d'une part, et les différents moyens du dispositif raccordés à ceux-ci, d'autre part, sont disposés à distance les uns des autres et sont raccordés par des lignes de transmission de signaux. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit magnétique (2) se présente sous la forme d'un tore.