Brevet FR2788344A1 — publié le 20000713

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 au moins un capteur magnétique muni de moyens formant circuit magnétique se présentant sous la forme par exemple d'un tore magnétique disposé autour du conducteur et sur lesquels sont placés des moyens formant o10 bobinage, raccordés à des moyens d'alimentation en courant de compensation pour engendrer dans le circuit magnétique, un champ magnétique opposé à celui créé dans celui-ci par le courant à mesurer afin d'obtenir un champ nul dans les moyens formant circuit magnétique, 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. Les moyens formant circuit magnétique d'un tel dispositif portent en général des moyens formant bobinage constitués de Nc spires, tandis que le courant à mesurer Ip rayonne dans ces moyens formant circuit magnétique, un champ magnétique Hp. Un courant Ic, dit de compensation, est injecté dans ces moyens formant 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 = 0, ou bien encore Ip - Nc x Ic = 0. Lorsque cette condition est remplie, il suffit de mesurer le courant Ic pour en déduire la valeur de lp, c'est-à-dire du courant à mesurer. La condition d'asservissement Ht = 0 est déterminée par exemple grâce à une sonde placée dans un entrefer des moyens formant circuit magnétique, cette sonde étant par exemple une sonde à effet Hall ou magnétorésistive. 3 o En fait, ces sondes ne déterminent pas exactement Ht = 0, mais Bt = 0, Bt étant l'induction dans le tore. Or, cette condition ne reflète pas exactement la condition Ht = 0. La différence est liée aux perturbations engendrées par l'hystérésis magnétique avec la présence de l'induction rémanente Br du matériau magnétique des moyens formant circuit magnétique. De plus, de tels dispositifs sont en général très sensibles à la tempéra- ture. 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 des moyens formant circuit magnétique. Cette proximité interdit toute mesure en milieu sévère, c'est-à-dire dans lequel la température est supérieure à 150 C. Par ailleurs, les dispositifs de mesure de l'état de la technique fonction- nent souvent avec des alimentation symétriques +/- Vcc, Vcc pouvant varier de 6 à 24 V. Ces tensions symétriques sont relativement difficiles à obtenir dans des applications automobiles o 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. Enfin, les dispositifs connus dans l'état de la technique sont également relativement complexes et donc coûteux à réaliser, présentent un encombrement relativement important, sont sensibles aux champs magnétiques parasites et présentent une plage de mesure relativement peu aisée à adapter. 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, I'invention a pour objet un dispositif de mesure d'un courant circulant dans un conducteur, de type comportant au moins un capteur magnétique associé au conducteur et comportant des moyens formant circuit magnétique et des moyens formant bobinage raccordés à des moyens d'alimentation en courant de compensation pour engendrer dans les moyens formant circuit magnétique, un champ magnétique opposé au champ créé dans celui-ci par le courant à mesurer et des moyens d'analyse du courant de compensation pour déterminer le courant à mesurer, caractérisé en ce que le capteur magnétique est un capteur différentiel comprenant au moins deux transducteurs magnétiques à circuit magnétique et bobinage, placés à des distances différentes du conducteur et dont les bobinages sont raccordés en série et en opposition. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente un schéma synoptique illustrant la structure et le fonctionnement d'un dispositif de mesure de courant selon l'invention; - la figure 2 représente un schéma synoptique illustrant la structure et le fonctionnement d'une variante de réalisation d'un dispositif de mesure de courant 3 5 selon l'invention; et - la figure 3 représente un schéma synoptique illustrant la structure et le fonctionnement d'une autre variante de réalisation d'un dispositif de mesure de courant selon l'invention. On reconnaît en effet sur ces figures, un dispositif de mesure d'un courant Ip circulant dans un conducteur désigné par la référence générale 1. Ce dispositif comporte au moins un capteur magnétique la associé au conducteur 1 et muni de moyens formant circuit magnétique, désignés par la référence générale 2 sur ces figures, sur lesquels sont placés des moyens formant bobinage, désignés par la référence générale 3, raccordés à des moyens d'ali- mentation en courant de compensation qui seront décrits plus en détail par la suite. En fait, le capteur magnétique la est un capteur différentiel comprenant au moins deux transducteurs magnétiques lb et lc à circuit magnétique et bobi- nage, placés à des distances différentes du conducteur 1 et dont les bobinages sont raccordés en série et en opposition. C'est ainsi que sur cette figure 1, les transducteurs magnétiques 1b et 1c sont distincts et séparés l'un de l'autre et comportent chacun un circuit magnéti- que 2a, 2b, respectivement, et un bobinage 3a, 3b, respectivement. Comme cela est illustré sur cette figure, ces transducteurs magnétiques lb et lc peuvent être disposés côte à côte et parallèlement dans un plan transver- sal à l'axe du conducteur 1 traversé par le courant Ip à mesurer. Comme cela est également illustré sur cette figure 1, les bobinages 3a et 3b respectivement de ces transducteurs sont raccordés en série et en opposi- tion. Le courant de compensation est désigné par la référence Ic sur ces figures. Les moyens d'alimentation sont quant à eux désignés de façon géné- rale par la référence 4 et sont adaptés pour délivrer aux moyens formant bobinage 3, c'est-à-dire aux bobinages 3a et 3b raccordés en série et en opposition, un courant de compensation Ic permettant d'engendrer dans les moyens formant circuit magnétique, c'est-à-dire dans les circuits magnétiques respectifs des trans- ducteurs, un champ magnétique opposé au champ créé dans ceux-ci par le courant à mesurer. De plus, le dispositif de mesure comporte des moyens 5 d'analyse du courant de compensation Ic pour déterminer le courant Ip à mesurer. A cet effet, les moyens d'alimentation 4 comprennent des moyens 6a de superposition sur le courant de compensation lc d'un courant périodique radio- fréquence, par exemple sinusoïdal, désigné par la référence Irf sur ces figures et des moyens 6b d'analyse d'un harmonique pair de la tension résultante présente aux bornes des moyens formant bobinage 3 du capteur, pour asservir l'amplitude de celui-ci à zéro en faisant varier le courant de compensation Ic. On conçoit alors que la tension aux bornes de ces moyens formant bobinage 3 comporte un deuxième harmonique V2f = V12f + V22f, qui est en fait la somme du deuxième harmonique de la tension présente aux bornes du premier transducteur lb plongé dans un champ magnétique H1 et du deuxième harmoni- que de la tension présente aux bornes du deuxième transducteur lc plongé dans un champ magnétique H2. La tension résultante V2f est nulle dans le cas o les champs magnéti- ques H1 et H2 sont identiques en raison du montage en série et en opposition des bobinages. Par contre, il apparaît un signal V2f quand le champ magnétique moyen sur le premier transducteur est différent du champ magnétique moyen sur le deuxième transducteur. On conçoit en effet que le champ total vu par le transducteur 1 b est la somme du champ créé par le courant Ip à une première distance dl et du champ magnétique parasite. Le champ total vu par le transducteur lc est la somme du champ créé par le courant Ip à une seconde distance d2 et du champ magnétique parasite. La contribution à V2f du champ magnétique parasite est nulle et la tension V2f différence des contributions du courant Ip et fonction des distances dl et d2 est proportionnelle à Ip. Cette structure différentielle permet ainsi d'éliminer l'influence des champs magnétiques parasites uniformes, comme le champ magnétique terrestre, et d'éviter l'utilisation de blindages magnétiques pour améliorer la résolution du dispositif. La mesure du courant Ip dérive alors directement de ce qui a été expliqué ci-dessus. En effet, le courant lc de compensation est proportionnel au courant Ip à mesurer selon la relation: Ip = K x Ic. Le coefficient de sensibilité K est obtenu par étalonnage précis. Celuici est fonction des distances séparant respectivement les premier et second trans- ducteurs du conducteur, du nombre de spires des bobinages et de la géométrie de ceux-ci. Ce coefficient implique, pour des mesures précises, un étalonnage individuel des capteurs et la prise en compte de la dérive en température de ce coefficient de sensibilité. Le courant périodique radio-fréquence Irf se présente par exemple sous la forme Irf(t) = 10 x Sin (2itxFOxt) et est superposé au courant de compensation Ic dans les moyens formant bobinage 3 du capteur. Ce courant Irf engendre un champ Hrf dans les moyens formant circuit magnétique. Si 10 est suffisamment grand, ce champ sature de part et d'autre le matériau présent dans ces moyens en l'absence de champ continu dans le capteur. Lorsque le champ Ht est égal à 0, le matériau magnétique est saturé de part et d'autre périodiquement et de façon symétrique. L'induction B et le flux f induits présentent alors également par définition une symétrique. La tension induite aux bornes des moyens formant bobinage 3 est fonction du flux f variant dans le temps (loi de Lentz). Cette tension présente donc une symétrie par rapport à la tension de référence des moyens formant bobinage et la décomposition harmoni- que 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, o Ht est différent de 0, on montre que dans les mêmes conditions d'excitation, le signal de tension induit aux bornes des moyens formant 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 fonctions du champ Ht. Les moyens d'alimentation sont alors adaptés pour analyser par exemple le second harmonique présent dans la tension aux bornes des moyens formant bobinage 3 et pour asservir le courant de compensation lc sur cette 2 0 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 ces figures. 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 aux moyens formant bobi- 3 0 nage 3. Les moyens d'analyse 6b comprennent quant à eux un amplificateur passebande désigné par la référence générale 10, qui est raccordé aux moyens formant bobinage 3 pour amplifier et sélectionner l'harmonique pair correspondant du signal de tension présent aux bornes de ceux-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 2F0, 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 aux moyens formant 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 les moyens formant 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 compensa- tion Ic et donc au courant à mesurer Ip lorsque les conditions évoquées précé- demment 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 des moyens formant bobinage 3. L'amplificateur passe-bande 10 effectue une pré-sélection et une amplification du second harmonique, tandis que l'ensemble multiplicateur 11 et filtre passe-bas 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 des moyens formant 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 aux moyens formant bobinage. Les modules d'oscillateur, de diviseur et de mise en forme 7, 8, 9, respectivement, engendrent le courant périodique Irf à la fréquence F0 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 con- vertisseur 14, dans les moyens formant bobinage 3. Le courant circulant dans ces moyens, c'est-à-dire Irf + Ic est prélevé grâce à la résistance 15 qui peut être une résistance shunt de précision et l'amplifi- cateur 16. L'information haute fréquence est éliminée par le filtre passe-bas 17 pour fournir en sortie une tension Vs = A x Ip, A étant un coefficient déterminé, ce qui permet d'obtenir le courant à mesurer Ip. Différentes technologies de fabrication des moyens formant circuit magnétique et des moyens formant bobinage peuvent être envisagées. C'est ainsi par exemple qu'une technologie de bobinage linéaire avec du fil classique ou thermo-adhérent peut être utilisée. Une autre technologie, dite planar, peut également être envisagée, le bobinage étant réalisé alors par gravure et raccordement de pistes de cuivre. On conçoit alors que le dispositif selon l'invention présente un certain nombre d'avantages au niveau de sa miniaturisation importante, de ses coûts de fabrication réduits, de sa sensibilité réduite aux champs magnétiques parasites, ce qui permet d'éviter l'utilisation de blindages magnétiques auxiliaires et de l'adapta- tion aisée de la plage de mesure de celui-ci sans changement de capteur, par un simple réglage de la distance séparant le conducteur et le capteur. Un tel dispositif de mesure constitue un élément métrologique alimenté o sous une tension unipolaire d'un système de gestion d'un courant électrique et les différents moyens électroniques associés aux moyens formant circuit magnétique et bobinage peuvent être placés à distance de ceux-ci et être reliés à ceux-ci par l'intermédiaire de lignes de transmission de signaux, ce qui permet d'assurer un traitement de ceux- ci 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, 2 0 etc.... A titre d'exemple, le circuit magnétique de chaque transducteur peut présenter une section droite magnétique dont la surface est comprise entre 0,05 mm2 et 0,4 mm2. Le bobinage de chacun de ceux-ci peut être déterminé quant à lui de façon classique. Il va de soi bien entendu que différents modes de réalisation de ce dispositif peuvent être envisagés comme ceux illustrés sur les figures 2 et 3, dans lesquelles des numéros de référence identiques désignent des pièces identiques ou analogues à celles représentées sur la figure 1. Le dispositif représenté sur cette figure 2 diffère de celui représenté sur la figure 1, essentiellement par une disposition différente des deux transducteurs magnétiques lb, lc du capteur différentiel la. En effet, alors que sur la figure 1, les transducteurs lb, lc sont disposés côte à côte et parallèlement, dans le dispositif représenté sur la figure 2, ces transducteurs lb et lc sont disposés avec leurs axes inclinés et décalés par rapport au conducteur 1 et ceux-ci peuvent par exemple être alignés l'un avec l'autre. Dans l'exemple illustré, les transducteurs lb et lc comprennent chacun un circuit magnétique 2a,2b et un bobinage 3a, 3b séparés. Il va de soi qu'un circuit magnétique commun aux deux transducteurs peut également être utilisé. On dispose alors sur ce circuit magnétique commun, les deux bobinages des deux transducteurs en ayant soin d'inverser leur sens de bobinage pour permettre leur raccordement en série et en opposition. Le fonctionnement de cette variante de réalisation est identique à celui du dispositif représenté sur la figure 1, de sorte qu'on ne le décrira pas dans le détail. D'autres modes de réalisation encore de ce dispositif peuvent être envisagés comme celui représenté sur la figure 3, dans lequel le conducteur 1 est placé à égale distance entre les transducteurs lb et lc. La contribution du courant lp est la somme des contributions des transducteurs lb et lc. Le dispositif fonctionne alors en différentiel mais unique- ment pour les champs parasites. Bien entendu, des circuits magnétiques et des bobinages de formes variées peuvent être utilisés. On peut choisir des formes de circuits magnétiques diverses, identiques pour les deux transducteurs, et disposées symétriquement par rapport à un axe, dans un plan perpendiculaire au conducteur de courant, comme par exemple des arcs de cercle ou d'ellipse. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de mesure d'un courant circulant dans un conducteur (1), du type comportant au moins un capteur magnétique (la) associé au conducteur (1) et comportant des moyens (2) formant circuit magnétique et des moyens (3) formant bobinage raccordés à des moyens d'alimentation (4) en courant de compensation (Ic) pour engendrer dans les moyens formant circuit magnétique (2) un champ magnétique opposé au champ créé dans celui-ci par le courant à mesurer, et des moyens d'analyse (5) du courant de compensation pour détermi- ner le courant à mesurer (Ip), caractérisé en ce que le capteur magnétique (la) est un capteur différentiel comprenant au moins deux transducteurs magnétiques (lb, lc) à circuit magnétique et bobinage, placés à des distances différentes du conducteur et dont les bobinages (3a, 3b) sont raccordés en série et en opposition. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trans- ducteurs magnétiques (lb, lc) sont distincts et séparés l'un de l'autre et sont disposés parallèlement côte à côte. 3.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trans- ducteurs (lb, l c) sont disposés avec leurs axes inclinés et décalés par rapport au conducteur (1). 4.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les trans- 2 0 ducteurs (lb, 1 c) comportent des circuits magnétiques et des bobinages séparés. 5.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les trans- ducteurs (lb, lc) sont disposés dans l'alignement l'un de l'autre et comprennent chacun un bobinage disposé sur un circuit magnétique commun. 6.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 2 5 caractérisé en ce que les moyens d'alimentation (4) comprennent des moyens (6a) de superposition sur le courant de compensation (Ic) d'un courant périodique radio- fréquence (Irf) et des moyens (6b) d'analyse d'un harmonique pair de la tension résultante présente aux bornes des moyens formant bobinage (3) pour asservir l'amplitude de celui-ci à zéro, en faisant varier le courant de compensation (Ic). 7.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation comprennent un oscillateur (7) délivrant un signal à une fréquence multiple de celle du courant périodique (lrf) 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 aux moyens 3 5 formant bobinage (3). 8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation comprennent un amplificateur passe-bande (10) dont l'entrée est raccordée aux moyens formant bobinage (3) pour amplifier et sélectionner l'har- monique 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 la sortie est reliée à l'entrée d'un filtre passe-bas (12) pour une analyse synchrone du signal et délivrer un signal de tension (V2h) proportionnel à l'amplitude et à la phase de l'harmonique correspondant. 9.- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la sortie du filtre passe-bas (12) est reliée à rl'entrée d'un correcteur de type PID (13) dont la sortie est reliée à un convertisseur tension-courant (14) dont la sortie est raccordée aux moyens formant bobinage (3) pour délivrer à celui-ci le courant de compensa- o0 tion (Ic). 10.- 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 les moyens formant 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 un signal de sortie (Vs) proportionnel au courant de compensation (Ic). 1il.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que l'harmonique correspondant est le second harmonique. 12.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou chacun des circuits magnétiques présente une section droite magnétique dont la surface est comprise entre 0,05 mm2 et 0,4 mm2. 13.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens formant circuit magnétique (2) et les moyens formant 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.