Brevet FR3019903A1 — publié le 20151016

- 1 " Transducteur de champ magnétique à excitation en quadrature." Dans le domaine de la mesure des champs magnétiques (magnétomètres) ou de la mesure de courants électriques par l'intermédiaire de leurs champs magnétiques (transducteur de courant sans contact), on utilise souvent une ou plusieurs bobines à noyaux magnétique non linéaire, connectées à un générateur de courant alternatif à fréquence fo, appelé excitation. Le noyau magnétique non linéaire d'une telle bobine, agit comme un mélangeur entre le champ magnétique à mesurer (orienté au long de son axe) et le champ magnétique créé par le courant d'excitation, ce qui génère des harmoniques supplémentaires aux fréquences combinées n.f0±m.fp où fp est la fréquence du champ à mesurer et n et m des nombres entiers. On s'intéresse souvent à la deuxième harmonique 2* fo car son amplitude, obtenue, par exemple, par détection synchrone, représente la grandeur du champ magnétique à mesurer lorsque fp=0 (cas d'un champ DC). Des exemples de telles applications seraient des magnétomètres fluxgate notamment décrits dans les documents US6278272, US3638074 et EP1730542B1, et des transducteurs de courant notamment décrits dans les documents FR2953028A1, W02009153485A1 et W02013045778A1. Pour tous ces magnétomètres et transducteurs de courant utilisant une fréquence d'excitation, se pose le problème des possibles interférences provoquées par un signal extérieur au système mais ayant la fréquence très proche de la fréquence de détection (par exemple 2*f0). En effet, il devient impossible au traitement du signal de discriminer entre le signal à mesurer et le signal d'interférence provoquant un phénomène de brouillage. Aussi des risques de perturbations avec des signaux externes existent à d'autres fréquences en fonction de l'architecture exacte du système. Comme contremesures on utilise classiquement des solutions de blindage pour les câbles et les boitiers électroniques et même pour les bobines de capture du champ magnétique. Dans certaines situations les moyens de blindage sont trop contraignants en terme de coût ou de compacité et parfois ils ne sont pas suffisants face à la grandeur du brouillage. Dans le cas des capteurs de courant, les signaux de brouillage peuvent venir du courant primaire lui même par effet transformateur entre le conducteur primaire et les bobines. - 2 Afin de pallier les inconvénients de l'art antérieur, la présente invention propose un transducteur de champ magnétique à excitation en quadrature comportant : - au moins deux bobines à noyau non-linéaire, sensiblement identiques, chaque bobine pouvant faire partie d'un groupe de bobines de telle sorte que l'on peut constituer deux groupes de bobines, et - au moins deux générateurs de courant alternatif pour exciter lesdites bobines. Selon l'invention : - les courants d'excitation dans les deux groupes de bobines sont déphasés de telle sorte que les groupes de bobines produisent des signaux de détection en antiphase dans les agencements où les signaux de perturbations captés par induction (par effet transformateur) sont en phase ou produisent des signaux de détection en phase dans les agencements où les signaux de perturbation captés par induction (par effet transformateur) sont en antiphase. - les signaux de détection délivrés par les deux groupes de bobines sont additionnés ou soustraits afin de rejeter les signaux de perturbations induites par effet transformateur dans lesdites bobines. Le transducteur selon l'invention propose un un agencement des bobines permettant d'éliminer les signaux de brouillage directement par mesure des signaux de détection. Le nombre de générateurs de courant n'est pas limitatif. On peut envisager plusieurs ou un seul générateur associé à un dispositif de déphasage sur une branche d'alimentation. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le déphasage électrique des excitations entre les groupes de bobines est de ±90°. L'invention concerne également un dispositif de mesure de courant électrique sans contact mettant en oeuvre un transducteur de courant tel que décrit ci-dessus. Ce transducteur de champ magnétique à excitation en quadrature est utilisé pour évaluer ou déterminer le courant à mesurer par l'intermédiaire de son champ magnétique. On prévoit également un dispositif de mesure de courant électrique sans contact mettant en oeuvre un transducteur de courant tel que décrit ci- dessus. Ce transducteur de champ magnétique à excitation en quadrature est - 3 utilisé pour évaluer ou déterminer la différence entre un champ magnétique de contre réaction et le champ magnétique du courant à mesurer afin de permettre à un régulateur à boucle fermée à réaction négative de maintenir un champ magnétique total quasi nul dans la région de détection du transducteur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et de l'unique figure 1 annexée décrivant deux groupes de deux bobines produisant des signaux de détection en antiphase. Bien que l'invention n'y soit pas limitée, on va maintenant décrire une topologie différentielle d'un transducteur à réjection d'induction. Selon la présente invention, pour discriminer le signal utile (obtenu par mélange dans le noyau entre le champ à mesurer et le champ d'excitation) par rapport aux signaux captés par induction dans les bobines de mesure, on peut utiliser deux systèmes de bobines de capture, identiques, placés dans le même champ à mesurer et orientés de la même façon. Les deux systèmes de bobines sont excités à la même fréquence fo mais les deux excitations sont décalées dans le temps d'un quart de période (on dit en quadrature). La forme du courant d'excitation peut être quelconque, sinusoïdal, triangulaire ou autre. Dans ces conditions les signaux utiles d'harmonique 2 correspondant aux deux systèmes sont déphasées de 2*90°=180° (on dit en antiphase). Le brouillage arrive dans les deux systèmes de bobines par induction directe (effet transformateur) de la même façon. Il suffit donc de soustraire les deux signaux en antiphase pour faire disparaitre le signal de brouillage qui est le même car les systèmes de bobines sont identiques et captent par effet transformateur le même champ magnétique. Observons que le changement de phase électrique de 90° sur l'excitation permet de capter le champ magnétique continu avec un changement de phase électrique de 180° du signal à la fréquence harmonique 2, comme si on avait tourné géométriquement la ou les bobine(s) de capture de 180° par rapport au champ magnétique à mesurer sans pour autant la bouger et donc sans modifier la capture de signal par induction. On peut dire aussi que le changement de phase électrique de 180° dans le signal détecté correspond à un changement de polarité du détecteur - O- de champ. Quand on opère un tel changement de phase du signal de mesure par l'intermédiaire de la phase de l'excitation, la différence par rapport à la rotation de la bobine ou au changement de polarité du champ à mesurer est que la polarité des signaux captés par induction ne change pas. De cette façon on gagne la liberté de combiner deux ou plusieurs bobines afin d'éliminer ou réduire les signaux indésirables captés par induction. Un exemple non-limitatif de réalisation de la présente invention est décrit dans la figure 1. Pour la mesure du champ magnétique on utilise quatre bobines (2) et (4), sensiblement identiques, à noyaux non-linéaire, par exemple ferromagnétique ou superparamagnétique. Les bobines ont la même orientation dans le champ magnétique à mesurer. Les deux bobines à gauche (2) sont excitées par deux générateurs de tension alternative (1) connectés en antiphase. Ce montage d'excitation différentielle est avantageux dans le transport à distance des signaux et dans le point commun (5) des bobines (1) le signal d'excitation est rejeté par rapport à la masse. Les deux autres bobines (4) à droite sont excitées de façon similaires, par les deux générateurs (3) en antiphase. Les tensions des générateurs sont marquées avec sin(cot) et cos(cot) pour expliquer que ceux à droite (3) sont déphasés de 90° par rapport aux générateurs (1) à gauche. Chaque branche produit par rapport à la masse le même signal de brouillage capté par induction. De ce fait la différence entre la tension de brouillage à la sortie (5) des bobines gauche et la tension de brouillage à la sortie (6) des bobines droite est nulle. La réjection du brouillage capté par induction est ainsi réalisée. En ce qui concerne le signal de mesure utile porté sur l'harmonique 2*f0, la composante en sortie (5) des bobine (2) à gauche est un signal Um*cos(2cot) et la composante en sortie (6) des bobines (4) à droite est un signal -Um*cos(2cot). Ainsi la différence est de 2*Um*cos(2cot). On peut dire qu'aux sorties (5) et (6) on a en mode différentiel le signal de détection et en mode commun le signal perturbateur par induction. On peut facilement imaginer un arrangement spatial des deux groupes de bobines (2) et (4) tel que la capture par induction des signaux de brouillage soit en antiphase aux sorties (5) et (6). Dans ce cas les composantes utiles sont en phase et donc il faut opérer leur addition afin d'obtenir la réjection du brouillage. Dans les cas où la détection n'est pas faite sur l'harmonique 2 comme d'habitude, mais, disons sur l'harmonique 4 par exemple, le déphasage des - 5 générateurs doit être différent. Dans cet exemple il serait de 45° car ainsi à l'harmonique utile il se traduira en : 4*45°=180°. Ainsi à d'autres harmoniques de détection correspondent d'autres déphasages des générateurs d'excitation ayant la même finalité : déphaser le signal utile entre bobines de gauche et de droite de 180°. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.10 REVENDICATIONS1. Transducteur de champ magnétique à excitation en quadrature comportant : - au moins deux bobines à noyau non-linéaire, sensiblement identiques - au moins deux générateurs de courant alternatif pour exciter lesdites bobines caractérisé en ce que : - les courants d'excitation dans les deux groupes de bobines sont déphasés de telle sorte que les groupes de bobines produisent des signaux de détection en antiphase dans les agencements où les signaux de perturbations captés par induction sont en phase ou produisent des signaux de détection en phase dans les agencements où les signaux de perturbation captés par induction sont en antiphase, et - les signaux de détection délivrés par les deux groupes de bobines sont additionnés ou soustraits afin de rejeter les signaux de perturbations induites par effet transformateur dans lesdites bobines. 2. Transducteur de champ magnétique à excitation en quadrature conformément à la revendication 1, caractérisé en ce que le déphasage électrique des excitations entre les groupes de bobines est de ±90°. 3. Dispositif de mesure de courant électrique sans contact mettant en oeuvre un transducteur de courant conformément à la revendication 1, caractérisé en ce que le transducteur de champ magnétique à excitation en quadrature est utilisé pour évaluer le courant à mesurer par l'intermédiaire de son champ magnétique. 4. Dispositif de mesure de courant électrique sans contact mettant en oeuvre un transducteur de courant conformément à la revendication 1, caractérisé en ce que le transducteur de champ magnétique à excitation en quadrature est utilisé pour évaluer la différence entre un champ magnétique de contre réaction et le champ magnétique du courant à mesurer afin de permettre à un régulateur à boucle fermée à réaction négative de maintenir un champ magnétique total quasi nul dans la région de détection du transducteur.