Brevet FR2924814A1 — publié le 20090612

La présente invention concerne un dispositif de mesure sans contact de la puissance et de l'énergie électrique sur un fil dans le cadre d'une installation électrique basse tension telle qu'on en rencontre dans les usines, les bâtiments ou encore les logements. La mesure de la puissance électrique circulant au travers de fils conducteurs, nécessite des capteurs de courant et de tension et un moyen de calcul du produit de ces grandeurs, puis d'intégration pour obtenir un cumul d'énergie électrique. Ces mesures peuvent se faire sur un seul fil si le fil de retour du courant est à une tension de référence telle que le neutre ou la terre. La mesure sans contact du courant électrique traversant un conducteur est obtenu de manière simple et bien connue au moyen de capteurs tels que les transformateurs de courant, les capteurs à effet hall ou encore les bobines de Rogowski. La mesure de la tension électrique d'un conducteur par rapport à une référence est également possible sans contact au moyen de capteurs capacitifs. Cette mesure est préférablement réalisée pour une tension alternative et en utilisant un condensateur constitué par le fil à mesurer d'une part, et par une surface conductrice placée à proximité d'autre part. Ces deux parties étant isolées électriquement et suffisamment rapprochées pour obtenir une capacité de l'ordre du picofarad. Ce type de capteur est par exemple décrit dans le brevet US5,017,859. Des appareils simples utilisant un capteur capacitif sont produits par des fabricants tels que Fluke, Extech Instruments, Chauvin Arnoux, et sont disponibles dans le commerce mais effectuent seulement une détection de tension sans contact. Ils indiquent la présence d'une tension alternative supérieure à un certain seuil, généralement de l'ordre de 50 à 100 Volts. Dans le cas habituel de la mesure d'un fil au travers de sa gaine isolante, la faible valeur de la capacité de couplage génère une sensibilité très forte de l'appareil à tout type de perturbation, et conduit à une forte incertitude de mesure tant sur la valeur de la tension que sur son déphasage par rapport à la valeur du courant. Par ailleurs, dans le cas d'un appareil portatif utilisable sur différents types de fil, la capacité de couplage n'est pas constante et dépend aussi du positionnement du capteur.35 2 Le brevet US5,473,244 décrit un appareil et une méthode permettant d'évaluer la capacité de couplage entre le fil et la surface du capteur, et ainsi, de mesurer plus précisément la tension alternative du fil. Un signal alternatif d'amplitude connu est injecté dans le capteur à une fréquence différente de la fréquence du réseau, et la capacité de couplage est évaluée par la mesure du courant circulant dans le capteur. Mais l'incertitude de la mesure de tension et du déphasage entre le courant et la tension ainsi réalisés restent entachés d'une erreur généralement inacceptable. L'objet de la présente invention est de proposer un appareil et une méthode permettant de résoudre ces inconvénients dans le cas, présenté ici à titre d'exemple, d'une installation électrique basse tension alternative triphasée 230/400 volts 50 Hz. II s'agit de mesurer la tension et le courant circulant dans le fil d'alimentation d'un appareil électrique quelconque de l'installation afin de 15 déterminer la puissance et l'énergie absorbées par cet appareil. Si l'on néglige les chute de tension dues à la résistance du fil, la tension d'alimentation dudit fil est égale à celle de l'une des phases de l'alimentation triphasée du bâtiment. Les tensions de l'alimentation du bâtiment peuvent généralement être mesurées facilement par une méthode classique en un 20 endroit du site tel qu'un tableau électrique, puis transmises à distance, par liaison filaire ou radio. Le système de mesure, objet de la présente invention, utilise la mesure de tension sans contact sur le fil à mesurer de manière à reconnaître la phase du réseau électrique du bâtiment qui alimente ledit fil. La puissance et 25 l'énergie électrique sont alors calculées à partir du courant mesuré localement et de la tension de ladite phase, mesurée à un endroit où cela est le plus pratique. Un capteur ouvrable réunissant à la fois un capteur de courant et un capteur capacitif peut ainsi être réalisé afin de permettre des mesures sur une installation existante sous tension, sans nécessiter d'ouverture de circuit. 30 Le système trouve son application dans la mesure détaillée des consommations d'énergie électrique dans les usines ou dans les bâtiments. Il sera mieux compris en référence aux figures 1 et 2. 3 La figure 1 présente l'état antérieur de la technique. Un capteur de tension capacitif 1 située à proximité du fil à mesurer 9 et un conditionneur 2 fournissent une mesure de la tension tandis qu'un capteur de courant 6 permet d'obtenir une valeur du courant i transitant dans le fil à mesurer 9. Un multiplieur 7 et un intégrateur éventuel conduisent aux résultats de puissance et d'énergie souhaités. L'intérêt de la solution selon l'art antérieur est limité par la faible précision de la mesure de puissance obtenue. En référence à la figure 2, le système de mesure selon l'invention comporte un capteur de tension capacitif 1 constitué par une surface de matériau conducteur d'électricité situé à proximité du fil à mesurer 9 et un amplificateur 2 à forte impédance d'entrée qui génère une tension de sortie Uc. Un dispositif annexe 4 mesure les tensions des phases U1, U2 et U3 du réseau électrique en un endroit où cette mesure peut se faire sans difficulté de raccordement et sans danger. Le dispositif 4 transmet ces mesures au comparateur de phase 3 et à un sélecteur 5 par une liaison filaire, ou optique ou utilisant des ondes hertziennes 10. Le comparateur 3 évalue le déphasage entre chacune des tensions U1, U2, U3 d'une part, et la tension Uc mesurée par le capteur capacitif 1 d'autre part. Le sélecteur 5 retient la valeur de la tension U1, U2 ou U3 pour laquelle l'écart de phase est compris entre -90° et 0°. En effet, la tension de sortie d'un capteur capacitif est en avance de phase de 0 à 90° par rapport à la tension à mesurer, l'angle exact dépendant de plusieurs paramètres dont la valeur de la capacité de couplage et de l'impédance d'entrée de l'amplificateur. La détermination de la phase est bien déterminée dans la mesure où les tensions U1, U2 et U3 sont déphasées de 120° dans le cas d'une installation triphasée. Pour une installation biphasée, l'écart entre les 2 tensions à mesurer serait de 180° permettant ainsi également la reconnaissance automatique de la phase d'alimentation du fil 9. Le multiplicateur 7 effectue le produit de la valeur de tension sélectionnée u par le courant mesuré i par le capteur 6. Il en résulte une mesure de la puissance qui peut être affichée et/ou convertie par l'intégrateur 8 en une valeur d'énergie.35 4 Dans une variante de l'invention, le multiplicateur 7 effectue le produit des valeurs quadratiques moyennes de la tension sélectionnée u et du courant mesuré par le capteur 6. La mesure de puissance est obtenue en corrigeant la sortie du multiplicateur par le cosinus de l'angle de déphasage mesuré entre le courant i mesuré par le capteur 6 et la tension sélectionnée u.10 REVENDICATIONS 1. Système de mesure de la puissance et de l'énergie électrique sans contact sur un fil 9 appartenant à un réseau électrique biphasé ou triphasé comprenant un capteur de courant 6, un capteur de tension capacitif 1, caractérisé en ce que la mesure de tension sans contact est utilisée pour reconnaître la phase d'alimentation dudit fil, alors que la tension est mesurée par un dispositif annexe 4 connecté aux phases du réseau. 2. Système de mesure selon la revendication 1 caractérisé en ce que la reconnaissance de la phase s'effectue au moyen d'un calcul de déphasage entre la valeur mesurée localement sans contact et les valeurs des tensions mesurées par le dispositif annexe 4 connecté aux phases du réseau. 3. Système de mesure selon la revendication 1 caractérisé en ce que les tensions du réseau mesurées par un dispositif annexe 4 sont transmises par une liaison filaire 10 . 4. Système de mesure selon la revendication 1 caractérisé en ce que les tensions du réseau mesurées par un dispositif annexe 4 sont transmises par une liaison optique ou utilisant des ondes hertziennes 10. 5. Système de mesure selon la revendication 1 caractérisé en ce que le calcul de la puissance électrique est réalisé par le produit des valeurs quadratiques moyennes du courant i et de la tension transmise u multiplié par le cosinus du déphasage mesuré entre i et u 6. Système de mesure selon la revendication 1 caractérisé en ce que capteur de tension capacitif 1 et le capteur de courant 6 sont placés sur un même support.25