Brevet FR3133677A1 — publié le 20230922

Capteur de champ magnétique pour la mesure d’un courant continu comprenant un transducteur (3) formé de bobines à noyau super-paramagnétique SPM en série ; un module d’excitation (2) générant un courant d’excitation Ie à une fréquence d’excitation Fe, via une bobine (P11/P12) à point milieu, un générateur de tension d’excitation (VEXC) et une impédance d’excitation (Ze) ; un module d’analyse (1) comprenant une impédance d’analyse (Za) couplée à la bobine à point milieu (P11/P12), et un moyen d’analyse du courant traversant l’impédance d’analyse (Za) pour extraire une composante à une fréquence d’analyse Fa égale à un multiple pair de la fréquence d’excitation Fe ; l’impédance d’excitation formant avec les bobines SPM un premier circuit RLC série de fréquence de résonance Fres_e sensiblement égale à la fréquence d’excitation Fe, et un deuxième circuit de type RLC série de fréquence de résonance d’analyse Fres_a sensiblement égale à la fréquence d’analyse Fa. Figure pour l’abrégé : Fig 1. CAPTEUR DE CHAMP MAGNETIQUE POUR LA MESURE D’UN COURANT CONTINU La présente invention concerne un dispositif de mesure sans contact d’un courant électrique circulant dans un conducteur par l’intermédiaire de la mesure du champ magnétique induit par ce courant. L’invention concerne plus particulièrement un capteur de champ magnétique intégrant un transducteur à base d’un matériau super-paramagnétique, adapté pour la mesure de courant continu. Pour mesurer un courant I, différents principes physiques peuvent être exploités pour générer une grandeur physique représentative de ce courant I. Par exemple, les capteurs magnétiques mettent en œuvre des transducteurs qui sont sensibles à des grandeurs magnétiques, tels que le champ magnétique, induites par le courant à mesurer. On connaît notamment les capteurs de courant mettant en œuvre la technologie dite à Effet Néel® décrite par exemple dans le document FR2891917. La particularité de cette technologie repose sur l’utilisation d’un transducteur constitué de bobines dont les noyaux sont à base d’un composite chargé de nanoparticules présentant des propriétés super-paramagnétiques. Le matériau super-paramagnétique utilisé ayant la particularité d’être exempt d’hystérésis, ce type de transducteur présente ainsi l’avantage de ne pas présenter d’offset magnétique. De façon simplifiée, la bobine à noyau super-paramagnétique (ou bobine SPM) agit comme un mélangeur de fréquences. Lorsqu’une bobine SPM est parcourue par un courant d’excitation de fréquence Fexc connu, et en l’absence de champ magnétique extérieur à mesurer Hext, la force électromotrice (f.é.m.) induite aux bornes de cette bobine ne présentera pas d’harmonique de rang pair. Au contraire, l’apparition d’un champ magnétique extérieur à mesurer Hext induira l’apparition d’harmoniques de rang pair portant l’information sur le champ magnétique à mesurer. En pratique, l’amplitude et la phase des harmoniques paires et en particulier celle de l’harmonique de rang 2 permettent respectivement d’accéder à l’amplitude et à la polarité du champ primaire. Un circuit de contre-réaction peut être couplé au système pour réduire d’éventuelles informations parasites dues aux distorsions induites par le système, et délivrer une grandeur de mesure plus exploitable, par exemple directement proportionnelle au courant à mesurer. Un tel capteur de courant est par exemple décrit de manière succincte dans le document FR2980581, mais la configuration proposée suppose l’utilisation d’un générateur de signaux spécifique capable de générer un signal d’excitation d’onde idéal, c’est-à-dire un signal dont les amplitudes des harmoniques paires sont nulles. Or, un signal généré par l’intermédiaire d’un générateur de type PWM (« pulse width modulation » ou « modulation à largeur d’impulsion ») ou d’un convertisseur analogique-numérique (CAN) contient nécessairement des harmoniques, et notamment l’harmonique de rang 2 dont le niveau peut être non négligeable et qui se retrouve dans le signal fourni par la bobine SPM, nécessitant la mise en œuvre d’un traitement complexe pour extraire le signal utile. Le document FR3038063 propose un capteur intégrant un transducteur formé de quatre bobines SPM et couplé à deux générateurs d’excitation, à savoir un générateur haute fréquence F HF de courant I HF et un générateur basse fréquence F BF de courant I BF . Le capteur est notamment configuré pour que les bobines soient parcourues par des courants d’excitation qui permettent d’obtenir au niveau de la sortie du transformateur un signal ne contenant que les fréquences utiles F HF -F BF et F HF +F BF . De cette manière, même en présence de résidus harmoniques dans les signaux I HF et I BF , le signal utile en sortie notamment du transformateur utilisé pour la détection n’est pas affecté par la qualité des signaux d’excitation. Cette configuration impose cependant de choisir une fréquence F BF très inférieure à la fréquence F HF , de sorte que les deux fréquences présentes dans le signal utile de sortie sont relativement proches et distantes de 2.F BF seulement. Ce faible écart fréquentiel conduit à la nécessité d’utiliser un filtre de démodulation de fréquence de coupure relativement basse, notamment inférieure à 2.F BF , ce qui engendre un temps de réponse long et à une bande passante limitée du système. Par ailleurs, le déséquilibre inévitable des bobines SPM provoquera également l’apparition d’une composante à la fréquence F HF proche des deux fréquences utiles F HF -F BF et F HF +F BF . La forte amplification des fréquences utiles pour obtenir un bon rapport signal sur bruit étant nécessaire, la présence de cette composante F HF est donc gênante et difficile à filtrer à cause de sa proximité avec les fréquences utiles. Un filtre coupe bande sélectif peut être ajouté pour limiter le problème, mais outre la réalisation complexe et délicat d’un tel filtre sélectif, son intégration accroît le temps de réponse du système. Par ailleurs, l’utilisation de deux générateurs d’excitation pour l’injection des deux fréquences induit un coût non négligeable à la solution. L’objet de la présente invention vise donc à proposer une solution alternative de capteur de champ magnétique continu ou de courant continu, intégrant des bobines à noyau super-paramagnétique. L’invention vise notamment à proposer une configuration permettant d’améliorer le rapport signal sur bruit du système, qui ne nécessite pas l’utilisation de composants très couteux, ni la mise en œuvre de circuits encombrants, ni une réalisation complexe. L’invention a ainsi pour objet un capteur de champ magnétique pour la mesure d’un courant continu, formé d’au moins un transducteur à matériau super-paramagnétique SPM destiné à être soumis à un champ magnétique extérieur à mesurer, et couplé électriquement à un module d’excitation et à un module d’analyse. Selon l’invention, le transducteur comprend au moins une paire de bobines à noyau super-paramagnétique SPM, les bobines SPM étant sensiblement identiques et étant connectées en série entre deux bornes extrêmes du transducteur, le point de connexion commun des bobines SPM étant relié à un potentiel de référence. En outre, le module d’excitation est configuré pour générer et injecter dans le transducteur un courant d’excitation Ie à une fréquence d’excitation Fe prédéfinie, et comprend au moins : . une bobine à point milieu montée en parallèle aux bornes du transducteur ; . un générateur de tension d’excitation monté entre le potentiel de référence et ledit point milieu, ce générateur de tension étant de préférence à fréquence ajustable ou réglable ; et . une impédance d’excitation configurée pour former avec les bobines SPM un premier circuit de type RLC série de fréquence de résonance Fres_e sensiblement égale à la fréquence d’excitation Fe. Par ailleurs, le module d’analyse comprend au moins : . une impédance d’analyse connectée aux bornes extérieures de la bobine à point milieu, l’impédance d’excitation étant configurée pour former avec les bobines SPM un deuxième circuit de type RLC série de fréquence de résonance d’analyse Fres_a sensiblement égale à une fréquence d’analyse Fa ; et . un moyen d’analyse du courant traversant l’impédance d’analyse à la fréquence d’analyse Fa pour extraire une composante à ladite fréquence d’analyse Fa égale à un multiple pair de la fréquence d’excitation Fe. Avantageusement, la fréquence d’analyse Fa est égale à 2.Fe. Selon un mode de réalisation, l’impédance d’excitation est connectée entre le générateur d’excitation et le point milieu de la bobine à point milieu. Selon un autre mode de réalisation, l’impédance d’excitation est connectée entre le potentiel de référence et le point de connexion commun des bobines SPM. Selon une variante, l’impédance d’excitation comprend au moins un condensateur d’excitation. Selon une autre variante, l’impédance d’excitation comprend au moins un condensateur d’excitation et une inductance d’excitation, l’inductance d’excitation étant connectée entre le condensateur d’excitation et le générateur de tension d’excitation. En pratique, la bobine à point milieu peut être constituée de deux enroulements sensiblement identiques bobinés sur un même noyau magnétique. Avantageusement, l’impédance d’analyse peut être constituée par un condensateur d’analyse et une résistance d’analyse montés en série entre les deux bornes extérieures de la bobine à point milieu. L’impédance d’analyse peut également comprendre une inductance d’analyse montée en série avec le condensateur d’analyse et la résistance d’analyse entre les bornes extérieures de la bobine à point milieu. Selon un autre mode de réalisation, le capteur de champ magnétique peut en outre comprendre un transformateur monté entre la bobine à point milieu et l’impédance d’analyse, ledit transformateur étant constitué par un enroulement primaire et un enroulement secondaire, l’enroulement primaire étant connectée aux bornes extérieures de la bobine à point milieu, et l’enroulement secondaire étant connecté aux bornes de l’impédance d’analyse. Selon un autre mode de réalisation, le capteur champ magnétique peut en outre comprendre un transformateur comprenant un enroulement primaire formé de la bobine à point milieu et d’un enroulement secondaire connecté aux bornes de l’impédance d’analyse. Selon un autre mode de réalisation, les bobines SPM du transducteur forme une première paire de bobines SPM, et le capteur peut en outre comprendre une deuxième paire de bobines SPM sensiblement identique à ladite première paire de bobines SPM. Dans cet autre mode de réalisation, les bobines SMP de la deuxième paire sont montées en série, la borne extrême de la première paire de bobines SPM est connectée à l’une des bobines de la deuxième paire, et la borne extrême de la première paire de bobine SPM est connectée à l’autre bobine de la deuxième paire. Avantageusement, le capteur peut en outre comprendre un module de contre-réaction formé d’au moins un générateur de tension de contre-réaction configuré pour générer un courant de contre-réaction. Dans le cas d’un capteur à deux bobines SPM, le générateur de tension de contre-réaction est de préférence monté aux bornes extrêmes du transducteur, et dans le cas d’un capteur à quatre bobines SPM, le générateur de tension de contre-réaction est de préférence monté entre les bobines SPM de la deuxième paire et configuré pour générer un courant de contre-réaction. Selon une variante, le générateur de tension de contre-réaction peut être formé de deux sources de tension référencées au potentiel de référence. Selon un autre mode de réalisation, le capteur de champ magnétique peut en outre comprendre un module de calibration configuré pour rechercher une valeur optimale Fopt de la fréquence d’excitation Fe à injecter dans le transducteur. Dans une variante, le module de calibration peut être configuré pour : - faire varier la fréquence d’excitation Fe du générateur d’excitation dans une plage de fréquences [Fe_min ; Fe_max] et mesurer les courants d’excitation Ie correspondants ; et - identifier la fréquence optimale d’excitation Fopt_e correspondant à la fréquence d’excitation Fe pour laquelle le niveau de courant d’excitation Ie est maximum. Par exemple, le module de calibration peut être configuré pour mesurer le courant d’excitation aux bornes d’une résistance montée entre le potentiel de référence et le point commun de connexion des bobines SPM du transducteur. Le module de calibration peut également être configuré pour mesurer le courant d’excitation aux bornes du condensateur d’excitation lorsque l’impédance d’excitation est montée entre le potentiel de référence et le point de connexion commun des deux bobines SPM du transducteur. Dans une autre variante, le module de calibration peut être configuré pour : - faire varier la fréquence d’excitation Fe du générateur d’excitation dans une plage de fréquences [Fe_min ; Fe_max] et mesurer la sensibilité S du module d’excitation ; - identifier la fréquence optimale d’excitation Fopt_e correspondant à la fréquence d’excitation Fe pour laquelle ladite sensibilité S est maximale. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquels : La est un schéma électronique simplifié du capteur selon un mode de réalisation, dans lequel l’impédance Ze est formée d’un condensateur Ce. La est un schéma électronique simplifié du capteur selon un autre mode de réalisation, dans lequel une inductance Le est ajoutée à l’impédance d’excitation Ze. La est un schéma électronique simplifié du capteur selon un autre mode de réalisation, dans lequel une inductance La est ajoutée à l’impédance d’analyse Za. La est un schéma électronique simplifié du capteur selon un autre mode de réalisation, dans lequel un transformateur d’adaptation T1 est ajouté. La est un schéma électronique simplifié du capteur selon un autre mode de réalisation, dans lequel les fonctions du transformateur T1 et de la bobine à point milieu de la sont regroupées dans un seul composant T2. La est un schéma électronique simplifié du capteur selon un autre mode de réalisation, dans lequel l’impédance d’excitation Ze est montée entre la borne commune du transducteur et le potentiel commun. La est un schéma électronique simplifié du capteur selon un autre mode de réalisation, comprenant deux bobines SPM supplémentaires. La est un schéma électronique simplifié du capteur de la comprenant un circuit de contre-réaction, selon un autre mode de réalisation. La est un schéma électronique simplifié du capteur de la comprenant un circuit de contre-réaction, selon un autre mode de réalisation. La est un diagramme sommaire des étapes de la calibration pour la recherche de la fréquence optimale d’excitation, selon une méthodologie. La est un diagramme sommaire des étapes de la calibration pour la recherche de la fréquence optimale d’excitation, selon une autre méthodologie. La est un graphique montrant l’atténuation à la fréquence d’analyse Fa d’un signal parasite présent dans la tension d’excitation, avec l’ajout de l’inductance Le de la . La est un graphique illustrant la différence de sélectivité recherchée entre l’excitation et l’analyse, selon un mode de réalisation. Capteur de champ magnétique pour la mesure d’un courant continu, formé d’au moins un transducteur (3) à matériau super-paramagnétique SPM destiné à être soumis à un champ magnétique extérieur à mesurer, et couplé électriquement à un module d’excitation (2) et à un module d’analyse (1), caractérisé en ce que : - le transducteur comprend au moins une paire de bobines (LN1, LN2) à noyau super-paramagnétique SPM, les bobines SPM étant sensiblement identiques et étant connectées en série entre deux bornes extrêmes (31, 32) du transducteur, le point de connexion commun (30) des bobines SPM (LN1, LN2) étant relié à un potentiel de référence ; - le module d’excitation (2) est configuré pour générer et injecter dans le transducteur (1) un courant d’excitation Ie à une fréquence d’excitation Fe prédéfinie, et comprend au moins : . une bobine (P11/P12) à point milieu (20) montée en parallèle aux bornes du transducteur ; . un générateur de tension d’excitation (VEXC) monté entre le potentiel de référence et ledit point milieu (20) ; . une impédance d’excitation (Ze) configurée pour former avec les bobines SPM (LN1, LN2) un premier circuit de type RLC série de fréquence de résonance Fres_e sensiblement égale à la fréquence d’excitation Fe ; - le module d’analyse (1) comprenant au moins : . une impédance d’analyse (Za) connectée aux bornes extérieures (21, 22) de la bobine à point milieu (P11/P12), l’impédance d’excitation étant configurée pour former avec les bobines SPM (LN1, LN2) un deuxième circuit de type RLC série de fréquence de résonance d’analyse Fres_a sensiblement égale à une fréquence d’analyse Fa ; . un moyen d’analyse du courant traversant l’impédance d’analyse (Za) à la fréquence d’analyse (Fa) pour extraire une composante à ladite fréquence d’analyse Fa égale à un multiple pair de la fréquence d’excitation Fe. Capteur de champ magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fréquence d’analyse Fa est égale à 2.Fe. Capteur de champ magnétique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’impédance d’excitation (Ze) est connectée entre le générateur d’excitation (VEXC) et le point milieu (20) de la bobine à point milieu (P11-P12). Capteur de champ magnétique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’impédance d’excitation (Ze) est connectée entre le potentiel de référence et le point de connexion commun (30) des bobines SPM (LN1, LN2). Capteur de champ magnétique selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’impédance d’excitation (Ze) comprend au moins un condensateur d’excitation (Ce). Capteur de champ magnétique selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’impédance d’excitation (Ze) comprend au moins un condensateur d’excitation (Ce) et une inductance d’excitation (Le), l’inductance d’excitation (Le) étant connectée entre le condensateur d’excitation (Ce) et le générateur de tension d’excitation (VEXC). Capteur de champ magnétique selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la bobine à point milieu (P11-P12) est constituée de deux enroulements sensiblement identiques bobinés sur un même noyau magnétique. Capteur de champ magnétique selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l’impédance d’analyse (Za) est constituée par un condensateur d’analyse (Ca) et une résistance d’analyse (Ra) montés en série entre les deux bornes extérieures (21, 22) de la bobine à point milieu (P11-P12). Capteur de champ magnétique selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’impédance d’analyse (Za) comprend en outre une inductance d’analyse (La) montée en série avec le condensateur d’analyse (Ca) et la résistance d’analyse (Ra) entre les bornes extérieures (21, 22) de la bobine à point milieu (P11/P12). Capteur de champ magnétique selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en qu’il comprend en outre un transformateur (T1) monté entre la bobine à point milieu (P11-P12) et l’impédance d’analyse (Za), ledit transformateur (T1) étant constitué par un enroulement primaire (P1) et un enroulement secondaire (S1), l’enroulement primaire (P1) étant connecté aux bornes extérieures (21, 22) de la bobine à point milieu (P11-P12), et l’enroulement secondaire (S1) étant connecté aux bornes de l’impédance d’analyse (Za). Capteur de champ magnétique selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en qu’il comprend en outre un transformateur (T2) comprenant un enroulement primaire formé de la bobine à point milieu (P11-P12) et d’un enroulement secondaire connecté aux bornes de l’impédance d’analyse (Za). Capteur de champ magnétique selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les bobines SPM (LN1, LN2) du transducteur forme une première paire de bobines SPM, et en ce que le capteur comprend en outre une deuxième paire de bobines SPM (LN3, LN4) sensiblement identique à ladite première paire de bobines SPM (LN1, LN2), les bobines SMP (LN3, LN4) de la deuxième paire étant montées en série, la borne extrême (31) de la première paire de bobines SPM (LN1, LN2) étant connectée à l’une des bobines (LN3) de la deuxième paire et la borne extrême (32) de la première paire de bobine SPM (LN1, LN2) étant connectée à l’autre bobine (LN4) de la deuxième paire. Capteur de champ magnétique selon l’une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un module de contre-réaction, ledit module de contre-réaction comprend au moins un générateur de tension de contre-réaction (VCR) monté aux bornes extrêmes (31, 32) du transducteur et configuré pour générer un courant de contre-réaction. Capteur de champ magnétique selon l’une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un module de contre-réaction, ledit module de contre-réaction comprend au moins un générateur de tension de contre-réaction (VCR) monté entre les bobines SPM (LN3, LN4) de la deuxième paire et configuré pour générer un courant de contre-réaction. Capteur de champ magnétique selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que le générateur de tension de contre-réaction (VCR) est formé de deux sources de tension (VCR1, VCR2) référencées au potentiel de référence. Capteur de champ magnétique selon l’une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un module de calibration configuré pour rechercher une valeur optimale Fopt de la fréquence d’excitation Fe à injecter dans le transducteur. Capteur de champ magnétique selon la revendication 16, caractérisé en ce que le module de calibration est configuré pour : - faire varier la fréquence d’excitation Fe du générateur d’excitation (VEXC) dans une plage de fréquences [Fe_min ; Fe_max] et mesurer les courants d’excitation Ie correspondant ; et - identifier la fréquence optimale d’excitation Fopt_e correspondant à la fréquence d’excitation Fe pour laquelle le niveau de courant d’excitation Ie est maximum. Capteur de champ magnétique selon la revendication 17 combinée à la revendication 3, caractérisé en ce que le module de calibration est configuré pour mesurer le courant d’excitation aux bornes d’une résistance montée entre le potentiel de référence et le point commun de connexion des bobines SPM (LN1, LN2) du transducteur. Capteur de champ magnétique selon la revendication 17 combiné à la revendication 4, caractérisé en ce que le module de calibration est configuré pour mesurer le courant d’excitation aux bornes du condensateur d’excitation (Ce). Capteur de champ magnétique selon la revendication 16, caractérisé en ce que le module de calibration est configuré pour : - faire varier la fréquence d’excitation Fe du générateur d’excitation (VEXC) dans une plage de fréquences [Fe_min ; Fe_max] et mesurer la sensibilité S du module d’excitation ; - identifier la fréquence optimale d’excitation Fopt_e correspondant à la fréquence d’excitation Fe pour laquelle ladite sensibilité S est maximale.