Brevet FR2983966A1 — publié le 20130614

Dispositif pour mesurer un courant électrique La présente invention est relative à un dispositif pour mesurer un courant électrique. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif pour mesurer un courant électrique traversant une surface. De tels dispositifs sont connus. Par exemple, des capteurs à boucle de Rogosky permettent d'obtenir des 10 mesures de courants alternatifs à partir de 1 Hz. Cependant de tels capteurs ne donnent pas de valeur de courant continu. Des capteurs de type flux-gate ou à effet Hall ou à magnétorésistance permettent d'obtenir des mesures de 15 courant du continu et des mesures de courant alternatif jusqu'à des hautes fréquences. Cependant de tels capteurs ont une sensibilité faible. La présente invention a pour but d'obtenir un 20 dispositif de mesure de courant permettant de palier aux inconvénients précités. A cet effet, un dispositif pour mesurer un courant électrique traversant une surface selon l'invention comprend : 25 - un circuit magnétique entourant de manière fermée ladite surface et formé d'un matériau magnétique, - un bobinage enroulé autour du circuit magnétique, - un circuit de commutation adapté pour alimenter le bobinage avec une tension d'alimentation dans un premier 30 sens ou dans un second sens, opposé au premier sens, ledit dispositif de commutation étant piloté par un signal de commande ayant une première valeur pour que le dispositif de commutation alimente le bobinage dans le premier sens et une seconde valeur pour que le dispositif de commutation 35 alimente le bobinage dans le second sens, - un capteur adapté pour mesurer un courant de bobinage circulant dans le bobinage, - une logique de commande adaptée pour fournir ledit signal de commande, ladite logique délivrant ladite seconde valeur si le courant de bobinage devient supérieur à un premier seuil et délivrant ladite seconde valeur si le courant de bobinage devient inférieur à un second seuil, et - un circuit de filtrage adapté pour extraire du courant de bobinage, un signal mesuré représentatif du courant électrique à mesurer. Grâce à ces dispositions, le dispositif permet de mesurer des courants électriques traversant la surface de nature continus ou alternatifs. En outre, la sensibilité de ce dispositif est très 15 bonne et permet de mesurer des courants électriques inférieurs à 0,1 pA. Dans divers modes de réalisation du dispositif selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : 20 - le circuit de filtrage comprend un filtre passe bas ; - le filtre passe bas a une fréquence de coupure inférieure à 5 kHz. 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'un de ses modes de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. Sur les dessins : 30 - la figure 1 est une vue schématique du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est un graphique représentant le courant de bobinage en fonction du temps. 35 La figure 1 représente un dispositif 1 pour mesurer un courant électrique I traversant une surface S. Ce dispositif 1 comprend : - un circuit magnétique 2 qui entoure de manière fermé la surface S, - un bobinage 3 autour du circuit magnétique 2, - un circuit de commutation 4 pour alimenter le bobinage 2, - un capteur 5 pour mesurer un courant de bobinage Ib parcourant le bobinage 3, - une logique de commande 6 pour commander le de commutation 4, et - un circuit de filtrage 8 pour délivrer la mesure I' estimant la valeur du courant électrique I traversant la surface S. Le circuit magnétique 2 est formé d'un matériau magnétique ayant un seuil de saturation magnétique. Notamment, le matériau est un matériau magnétique doux à faible hystérésis. Cela peut être du fer, un alliage fer-silicium, ou autre. Ces matériaux présentent un champ magnétique à saturation Bs de sensiblement 1 Tesla ou moins. Le circuit magnétique 2 a avantageusement la forme d'un tore ayant un axe de révolution sensiblement perpendiculaire à la surface S. Le tore présente avantageusement une section circulaire. Le courant électrique I à mesurer traverse la surface S de part et d'autre du tore. Le bobinage 3 est enroulé autour de sections radiales du tore. Il comprend par exemple N spires. Ces spires sont angulairement régulièrement réparties autour du 30 circuit magnétique 2. Ce bobinage est adapté pour générer un flux magnétique dans le circuit magnétique. Le circuit de commutation 4 permet d'alimenter le bobinage avec une tension d'alimentation V dans un premier 35 sens ou dans un second sens, opposé au premier sens. Ce circuit de commutation est piloté par un signal de circuit commande 7 ayant une première valeur pour que le circuit de commutation alimente le bobinage dans le premier sens et une seconde valeur pour que le circuit de commutation alimente le bobinage dans le second sens. Dans le mode de réalisation présenté, le circuit de commutation 4 comprend un commutateur analogique 4a. Le capteur 5 mesure le courant de bobinage Ib circulant dans le bobinage 3. Ce capteur est par exemple une résistance électrique 5a montée en série dans le 10 circuit électrique du bobinage 3. La logique de commande 6 est adaptée pour fournir le signal de commande 7 au circuit de commutation à partir de la mesure du courant de bobinage Ib fournie par le capteur 5. 15 Par exemple, cette logique de commande 6 délivre la seconde valeur si le courant de bobinage devient supérieur à un premier seuil et délivre la première valeur si le courant de bobinage Ib devient inférieur à un second seuil. Les premier et second seuils sont avantageusement opposés 20 en signe, et par exemple notés +sat et -sat. Dans le mode de réalisation présenté, la logique de commande 6 comprend : - un amplificateur différentiel 6a pour amplifier la mesure du courant de bobinage Ib en une valeur 25 amplifiée. - un premier comparateur 6c qui compare la valeur amplifiée au premier seuil, - un second comparateur 6b qui compare la valeur amplifiée au second seuil, et 30 - une porte logique de type bascule RS 6d qui fournie le signal de commande 7. Le circuit de commutation 4 et la logique de commande 6 constituent une boucle de rétroaction qui fait osciller le courant de bobinage Ib entre une valeur 35 minimale Ibi et une valeur maximale Ib2 à une fréquence d'oscillation Fosc = 1/4t, ladite fréquence d'oscillation pouvant être prédéterminée par une valeur d'inductance électrique L du bobinage, la valeur de la tension d'alimentation V, et les premier et second seuils réglés dans la logique de commande. Le dispositif de filtrage 8 permet d'extraire du courant de bobinage Ib le signal 9 représentant le courant électrique mesuré Imes- Par exemple, le dispositif de filtrage 8 comprend : - un amplificateur 8a, et - un filtre passe bas 8b de fréquence de coupure Fc inférieure à la fréquence d'oscillation Fosc du courant de bobinage. Le signal 9 comprend a alors une bande passante allant du continu (fréquence nulle) jusqu'à sensiblement la fréquence de coupure Fc. La fréquence d'oscillation Fosc est par exemple de plusieurs kHz, et par exemple supérieure à 10 KHz. La fréquence de coupure Fc est par exemple inférieure à 5 KHz. Elle peut être inférieure à 1 KHz. La figure 2 est un graphique représentant le courant de bobinage Ib en fonction du temps t, lorsque le dispositif 1 fonctionne, la surface S étant traversée par un courant I. Cette courbe temporelle est désignée par la référence numérique 10 en figure 2. Les premier et second seuils sont réglés de telle sorte que le circuit magnétique soit magnétiquement saturé périodiquement, dans un sens, puis dans l'autre sens. A la mise sous tension V du bobinage, le courant de bobinage augmente régulièrement et linéairement, en suivant 30 sensiblement la loi de l'inductance L : di/dt= V/L. Dès que le champ magnétique atteint la valeur de saturation du matériau, le courant de bobinage Ib croit alors exponentiellement. Ce phénomène non linéaire est 35 représenté dans les zones 11 et 12 du graphique. Ce phénomène est mis à profit pour régler les premier et second seuils de la logique de commande 6 de telle sorte à assurer que le champ magnétique dans le circuit magnétique 2 arrive bien à chaque cycle dans cette zone de saturation. Le courant de bobinage Ib atteint alors un des seuils de la logique de commande 6 qui ordonne l'inversion de la tension d'alimentation V au circuit de commutation 4. Le courant de bobinage Ib varie donc alternativement entre une première valeur Ibi et une 10 seconde valeur Ib2, chacune correspondant à l'un des seuils de la logique de commande. Lorsque le courant électrique à mesurer I est nul et si les seuils et saturations sont symétriques (de valeurs opposées), alors le courant moyen Ibm dans le 15 bobinage 3 est nul. Lorsque le courant électrique à mesurer I n'est pas nul tel que cela est représenté en figure 2, et si les seuils et saturations sont symétriques (de valeurs opposées), alors le courant moyen Ibm dans le bobinage 3 20 n'est pas nul. Ce courant moyen Ibm est représenté par la courbe 19 sur le graphique de la figure 2. Comme cela sera montré ci-dessous, le courant moyen Ibm dans le bobinage 3 est alors sensiblement proportionnel au courant électrique à mesurer I. 25 La valeur du courant mesuré I' peut être estimée comme suit. Le théorème d'Ampère en électromagnétisme s'écrit pour le circuit magnétique 2 précédemment décrit : 30 1.H = Ei où 1 est la longueur totale du circuit magnétique 2, H est l'excitation magnétique dans ce circuit, i représente chacun des courants induisant 35 l'excitation magnétique H, et Ei est la somme des courants qui traversent la surface S. Dans le cas d'un circuit torique de diamètre D, et d'un bobinage ayant un nombre N de spires, on peut écrire : n.D.H = N.Ib+I I représentant la somme des courants à mesurer (somme des courants de plusieurs conducteurs tels que représenté en figure 1, ou flux de charges électriques traversant la surface S). Si la saturation du circuit magnétique 2 intervient pour une même valeur de l'excitation magnétique H dans un sens d'alimentation et dans l'autre sens d'alimentation, les excitations magnétiques H sont égales en valeur absolue et de signe opposé, et on a : +B, = -HEU correspondant à : +Ei pour +Bs,.et -Ei pour -Bs. ce qui conduit à, lorsqu'un courant I traverse la surface S : N. Ibl+I = - (N. Ib2+I) Ce qui permet de déterminer une valeur mesurée du courant : I' = -N/2. (Ibl+Ib2) - -N.Ibm Le courant à mesurer I' est alors N fois la valeur du courant moyen Ibm dans le bobinage, si l'on considère une approximation de signal triangulaire pour ce courant. Grace au dispositif selon l'invention, il est possible de mesurer des courants traversant une surface du domaine du continu à un domaine alternatif moyenne fréquence (quelques kHz). La sensibilité du dispositif est importante, et il est possible de mesurer un courant inférieur à 0,1 pA. Grâce à un tel dispositif, il est possible de mesurer par exemple des courants de fuite pour des systèmes de télécommunications, ou des courants de fuite dans des matériaux isolants. En outre, ce dispositif est également adapté pour mesurer des flux de particules chargées traversant sa 5 surface S, tel que des courants d'ionisation pour des éclairages à fluorescence ou à décharge. Enfin, un tel dispositif met en ouvre des éléments peu coûteux. 10 REVENDICATIONS1. Dispositif (1) pour mesurer un courant électrique (I) traversant une surface (S), caractérisé en ce qu'il 5 comprend : - un circuit magnétique (2) entourant de manière fermée ladite surface et formé d'un matériau magnétique, - un bobinage (3) enroulé autour du circuit magnétique, 10 - un circuit de commutation (4) adapté pour alimenter le bobinage avec une tension d'alimentation dans un premier sens ou dans un second sens, opposé au premier sens, ledit dispositif de commutation étant piloté par un signal de commande (7) ayant une première valeur pour que 15 le dispositif de commutation alimente le bobinage dans le premier sens et une seconde valeur pour que le dispositif de commutation alimente le bobinage dans le second sens, - un capteur (5) adapté pour mesurer un courant de bobinage (Ib) circulant dans le bobinage, 20 - une logique de commande (6) adaptée pour fournir ledit signal de commande, ladite logique délivrant ladite seconde valeur si le courant de bobinage devient supérieur à un premier seuil et délivrant ladite première valeur si le courant de bobinage devient inférieur à un second seuil, 25 et - un circuit de filtrage (8) adapté pour extraire du courant de bobinage, un signal mesuré (9) représentatif du courant électrique à mesurer. 30 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de filtrage (8) comprend un filtre passe bas (8b). 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le 35 filtre passe bas (8b) a une fréquence de coupure (Fa) inférieure à 5 kHz.