FR2719379A1

FR2719379A1 - Electrical current sensor for multi-phase electricity meter

Info

Publication number: FR2719379A1
Application number: FR9405358A
Authority: FR
Inventors: Bach Guy
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1994-04-28
Publication date: 1995-11-03
Anticipated expiration: 2014-04-28
Also published as: FR2719379B1

Abstract

The sensor includes a generator (8) which generates a voltage signal applied to a module (5) which supplies two identical separated signals. One of the signals is applied to a coder-comparator (3) while the other is applied to the analogue input of a sample generator (7).A converter (2) generates an image voltage which is representative of the current measured (I) which flows through a cable (1). The voltage is applied to the coder-comparator where it is compared with the reference signal. A second module (4) receives the coded output of the coder and sends it to a controller (6) which constitutes the operator interface.

Description

I La présente invention concerne un procédé de mesure permettant d'obtenirI The present invention relates to a measurement method making it possible to obtain

de manière isolée des échantillons d'un courant de forte intensité isolated samples of a high current

circulant dans un fil électrique.circulating in an electric wire.

Dans le domaine de l'électronique, il est tout à fait usuel de mesurer un courant circulant dans un fil. Si l'intensité du courant à mesurer est élevée (une centaine d'ampères, par exemple), si ce courant peut aussi bien être continu que alternatif, si le capteur de courant doit assurer l'isolation entre le fil parcouru par ledit courant et le circuit exploitant le signal de sortie dudit10 capteur, si le capteur doit pouvoir retrouver ses caractéristiques initiales après une surintensité transitoire plusieurs fois supérieure au courant maximal devant être mesuré (30 fois, par exemple), si une précision élevée doit être garantie pendant une longue durée (1.5% pendant 20 ans, par exemple) et s'il faut absolument atteindre le prix le plus bas pour la fonction recherchée, alors parmi15 la multitude de capteurs de courants existant actuellement il ne reste que les capteurs de courant utilisant un magnéto-élément (sonde à effet Hall, In the field of electronics, it is quite usual to measure a current flowing in a wire. If the intensity of the current to be measured is high (a hundred amps, for example), if this current can be both direct and alternating, if the current sensor must insulate between the wire traversed by said current and the circuit exploiting the output signal of said sensor, if the sensor must be able to recover its initial characteristics after a transient overcurrent several times greater than the maximum current to be measured (30 times, for example), if high precision must be guaranteed for a long time duration (1.5% for 20 years, for example) and if it is absolutely necessary to reach the lowest price for the desired function, then among 15 the multitude of current sensors existing only the current sensors using a magneto- element (Hall effect probe,

magnéto-résistance, film à couche mince, pour ne citer que les types les plus couramment employés). magneto-resistance, thin film, to name only the most commonly used types).

Tous les capteurs de courant utilisant un magnéto-élément exploitent le champ magnétique régnant au voisinage du fil lorsque celui-ci est All current sensors using a magneto-element exploit the magnetic field prevailing in the vicinity of the wire when the latter is

parcouru par le courant à mesurer, garantissent l'isolation entre ledit fil et la sortie dudit capteur, sortent un signal analogique, sont robustes et peu chers. Ils peuvent être classés en deux familles selon que le principe de mesure est direct25 ou par annulation du flux magnétique. traversed by the current to be measured, guarantee the insulation between said wire and the output of said sensor, output an analog signal, are robust and inexpensive. They can be classified into two families depending on whether the measurement principle is direct25 or by canceling the magnetic flux.

Un capteur de courant à magnéto-élément utilisé en mesure directe est généralement constitue d'un tore en matériau magnétique, fendu, entourant le fil parcouru par le courant à mesurer et comportant dans sa fente le30 magnéto-élément. Le champ magnétique régnant au voisinage du fil parcouru par le courant à mesurer induit dans le tore un flux magnétique traversant le magnéto-élément, celui-ci délivrant alors un signal dépendant du flux. Cet élément est toujours suivi d'un circuit électronique associé, destiné à amplifier le signal de sortie tout en corrigeant certains défauts (non linéarités, dérives A magneto-element current sensor used in direct measurement generally consists of a torus of magnetic material, split, surrounding the wire traversed by the current to be measured and comprising in its slot the magneto-element. The magnetic field prevailing in the vicinity of the wire traversed by the current to be measured induces in the torus a magnetic flux passing through the magneto-element, the latter then delivering a signal dependent on the flux. This element is always followed by an associated electronic circuit, intended to amplify the output signal while correcting certain faults (non-linearities, drifts

thermiques, etc...).etc.).

Un capteur de courant a magnéto-élément dont le fonctionnement repose sur l'annulation du flux magnétique ne diffère d'un modèle à mesure directe que par le fait que la sortie du circuit électronique associé est reliée à un bobinage supplémentaire réalisé sur le tore, dit bobinage de compensation. Le 5 circuit électronique associé ayant dans ce cas pour fonction d'annuler le signal fourni par le magnéto-élément, donc le flux magnétique total dans le tore, en A magneto-element current sensor whose operation is based on the cancellation of the magnetic flux differs from a direct measurement model only in that the output of the associated electronic circuit is connected to an additional winding produced on the toroid, says compensation winding. The 5 associated electronic circuit in this case having the function of canceling the signal provided by the magneto-element, therefore the total magnetic flux in the torus, in

contrôlant le courant circulant dans le bobinage de compensation. Toute variation du flux magnétique total, due au courant à mesurer, étant constamment annulée par le courant de compensation, celui-ci est alors une image du courant10 à mesurer. controlling the current flowing in the compensation winding. Any variation in the total magnetic flux, due to the current to be measured, being constantly canceled out by the compensation current, this is then an image of the current10 to be measured.

Avec les capteurs de courant à magnéto-élément, quel que soit le principe de mesure retenu, direct ou a compensation, le fait d'avoir ne serait-ce qu'un très court instant un courant ne pouvant être mesuré (surintensité15 transitoire ou fréquence trop élevée, par exemple), modifie inévitablement le champ magnétique rémanent dans le tore fendu. Cette modification est alors With magneto-element current sensors, whatever the measurement principle, direct or compensated, the fact of having even a very short instant a current which cannot be measured (transient overcurrent15 or frequency too high, for example), inevitably changes the remanent magnetic field in the split torus. This modification is then

interprété par le magnéto-élément comme étant un courant continu à mesurer. Le capteur indiquera alors la présence d'un courant continu qui est en réalité inexistant. Ce défaut est difficilement admissible dans le cas de la mesure précise20 de courants continus. interpreted by the magneto-element as being a direct current to be measured. The sensor will then indicate the presence of a direct current which is actually non-existent. This fault is hardly acceptable in the case of the precise measurement20 of direct currents.

Cette analyse montre que dans l'état actuel de la technique il n'y a pas de solution économique permettant de mesurer de manière isolée, avec précision, sur une longue durée, un courant de forte intensité, continu ou25 alternatif et capable de retrouver son fonctionnement initial après une surintensité transitoire plusieurs fois supérieure au courant maximal devant être This analysis shows that in the current state of the art there is no economic solution allowing to measure in isolation, with precision, over a long period, a current of high intensity, continuous or alternating and capable of recovering its initial operation after a transient overcurrent several times greater than the maximum current to be

mesuré (30 fois, par exemple).measured (30 times, for example).

L'objet de la présente invention est de fournir un procédé de mesure permettant d'obtenir de manière isolée des échantillons d'un courant de The object of the present invention is to provide a measurement method making it possible to obtain samples of a current of

forte intensité pouvant aussi bien être continu que alternatif, garantissant une bonne précision sur une longue période, économique et insensible à des surintensités transitoires plusieurs fois supérieure au courant maximal devant être35 mesuré (30 fois, par exemple). high intensity can be both continuous and alternating, ensuring good accuracy over a long period, economical and insensitive to transient overcurrents several times greater than the maximum current to be measured (30 times, for example).

Le procédé de mesure selon la présente invention consiste à: * générer une tension alternative ayant la forme d'une rampe de tension invariable, revenant en son point de départ selon un parcours de forme quelconque et de durée variable. * reproduire cette tension en deux points distincts l'un de l'autre, l'une de ces deux tensions étant totalement isolée, les deux tensions étants rigoureusement identiques; * convertir le courant à mesurer en une tension-image représentative dudit courant, * comparer cette tension-image, éventuellement amplifiée, avec la rampe de tension isolée précitée, le changement de résultat de la comparaison servant à déclencher la génération d'un échantillon; * transmettre de manière isolée à un générateur d'échantillons l'ordre déclenchant la génération d'un échantillon; * produire avec ledit générateur d'échantillons un échantillon de tension à partir de la rampe de la seconde tension précitée, cet échantillon étant représentatif de la tension-image à un instant donné; * obtenir un retard négligeable ou variant lentement entre le moment o le résultat de la comparaison change et le moment o l'échantillon est effectivement généré; * substituer régulièrement après N échantillons de la tension- image du courant à mesurer, représentatifs du courant à mesurer, pour la durée d'un échantillon, la tension-image du courant à mesurer par une tension- image25 correspondant à un courant à mesurer nul (échantillonnage du "zéro"); * fournir un moyen permettant d'identifier l'échantillon généré (échantillon de la tension-image d'un courant ou échantillon du "zéro"); * changer de façon pseudo aléatoire le temps séparant deux rampes consécutives, donc la fréquence de la tension alternative générée, afin de permettre une exploitation juste des mesures en cas de sous échantillonnage; Le procédé de mesure selon la présente invention génère des échantillons entachés d'une erreur sur le "zéro" due aux différents offsets des circuits et au retard préciteé. La comparaison se faisant avec une rampe invariable, le retard va donc produire un décalage de "zéro" supplémentaire Le décalage de "zéro" total variant lentement, le procédé de mesure selon la présente invention fournit des moyens permettants de corriger The measurement method according to the present invention consists in: * generating an alternating voltage in the form of an invariable voltage ramp, returning to its starting point along a path of any shape and of variable duration. * reproduce this voltage at two points distinct from each other, one of these two voltages being completely isolated, the two voltages being strictly identical; * convert the current to be measured into an image voltage representative of said current, * compare this image voltage, possibly amplified, with the above-mentioned isolated voltage ramp, the change in the result of the comparison serving to trigger the generation of a sample; * transmit in isolation to a sample generator the order triggering the generation of a sample; * producing with said sample generator a voltage sample from the ramp of the aforementioned second voltage, this sample being representative of the image voltage at a given time; * obtain a negligible delay or one that varies slowly between the moment when the result of the comparison changes and the moment when the sample is actually generated; * regularly replace after N samples of the image voltage of the current to be measured, representative of the current to be measured, for the duration of a sample, the image voltage of the current to be measured by a voltage-image25 corresponding to a zero current to be measured ("zero" sampling); * provide a means of identifying the sample generated (sample of the image voltage of a current or sample of "zero"); * pseudo-randomly change the time separating two consecutive ramps, therefore the frequency of the alternating voltage generated, in order to allow a fair exploitation of the measurements in the event of undersampling; The measurement method according to the present invention generates samples marred by an error on "zero" due to the different offsets of the circuits and to the aforementioned delay. The comparison being made with an invariable ramp, the delay will therefore produce an additional "zero" offset. The total "zero" offset varying slowly, the measurement method according to the present invention provides means making it possible to correct

les échantillons représentatifs du courant mesuré. La correction consistant à soustraire à chaque échantillon représentatif du courant mesure une copie du 5 dernier échantillon du "zéro" obtenu. representative samples of the current measured. The correction consisting in subtracting from each representative sample of the current measures a copy of the last 5 sample from the "zero" obtained.

La précision des échantillons obtenus par le procédé selon la présente invention reste tributaire du moyen permettant de convertir le courant à The accuracy of the samples obtained by the method according to the present invention remains dependent on the means making it possible to convert the current to

mesurer en une tension-image dudit courant. Or les multiples moyens existants10 effectuants cette conversion sont parfaitement connus de l'homme du métier, celui-ci n'ayant qu'à choisir en fonction des performances désirées. measure in an image voltage of said current. However, the multiple existing means10 carrying out this conversion are perfectly known to those skilled in the art, the latter having only to choose according to the desired performance.

Le procédé selon la présente invention permet d'obtenir de manière isolée des échantillons d'un courant de forte intensité pouvant aussi bien être continu que alternatif De plus le procédé selon la présente invention est économique, précis même a long terme et insensible à des surintensités transitoires pouvant être plusieurs fois supérieure au courant maximal devant The method according to the present invention makes it possible to obtain samples of a high intensity current which can be both direct and alternating in isolation. Furthermore, the method according to the present invention is economical, precise even in the long term and insensitive to overcurrents. transients which may be several times greater than the maximum current in front

être mesuré, à condition que le moyen assurant la conversion du courant à mesurer en une tension-image dudit courant permette cela. be measured, provided that the means ensuring the conversion of the current to be measured into an image voltage of said current allows this.

D'autres caractéristiques et avantages du procédé de mesure de la présente invention ressortirons de la description donnée ci-après faisant Other characteristics and advantages of the measurement method of the present invention will emerge from the description given below making

référence au dessin annexe o: * la figure I représente un schéma-bloc illustrant les connexions reference to the annexed drawing o: * figure I represents a block diagram illustrating the connections

entre les différents moyens nécessaires pour pouvoir mesurer selon le procédé de mesure de la présente invention. between the different means necessary to be able to measure according to the measuring method of the present invention.

En se référant à la figure I on voit que le procédé de mesure de la présente invention permet à l'utilisateur 9 d'obtenir de manière isolée des Referring to FIG. 1, it can be seen that the measurement method of the present invention allows the user 9 to obtain, in isolation,

échantillons du courant I circulant dans le fil 1, l'isolation se faisant au niveau des blocs d'isolation 4 et 5. samples of the current I flowing in the wire 1, the insulation being made at the level of the insulation blocks 4 and 5.

Un signal électrique constitué d'une rampe de tension invariable, revenant à son point de départ selon un parcours de forme quelconque et de An electrical signal consisting of an invariable voltage ramp, returning to its starting point along a path of any shape and

durée variable est fourni par le générateur 8. variable duration is provided by generator 8.

Ce signal est reproduit en deux points distincts par le bloc d'isolation 5, ces deux copies étants rigoureusement identiques entre elles, l'une This signal is reproduced at two distinct points by the isolation block 5, these two copies being strictly identical to each other, one

d'elle étant complètement isolée et reliée à l'une des entrée du comparateur codeur 3 tandis que l'autre copie se trouve reliée à l'entrée analogique d'un 5 générateur d'échantillons 7. of it being completely isolated and connected to one of the inputs of the encoder comparator 3 while the other copy is connected to the analog input of a sample generator 7.

Le convertisseur 2 fournit une tension-image représentative du courant à mesurer I circulant dans le fil 1, ladite tension-image étant appliquée à l'entre entrée du comparateur codeur 3.10 Le comparateur codeur 3 compare la tension provenant du convertisseur 2, éventuellement amplifiée, avec la rampe de tension provenant du bloc d'isolation 5. A l'instant même o le résultat de la comparaison change, un signal est transmis au bloc d'isolation 4. Cycliquement après N transmissions d'un15 signal relatif à la tension fournie par le convertisseur 2 et pour la durée d'une seule nouvelle transmission, le comparateur codeur 3 simule sur l'entrée reliée au The converter 2 supplies an image voltage representative of the current to be measured I flowing in the wire 1, said image voltage being applied to the input of the encoder comparator 3.10 The encoder comparator 3 compares the voltage coming from the converter 2, possibly amplified, with the voltage ramp coming from the isolation block 5. At the very instant when the result of the comparison changes, a signal is transmitted to the isolation block 4. Cyclically after N transmissions of a signal relating to the supplied voltage by converter 2 and for the duration of a single new transmission, the encoder comparator 3 simulates on the input connected to the

convertisseur 2 la présence d'une tension correspondant à celle fournie par le convertisseur 2 lorsque le courant a mesurer est nul. converter 2 the presence of a voltage corresponding to that supplied by converter 2 when the current to be measured is zero.

Le signal transmis par le comparateur codeur 3 vers le bloc d'isolation 4 est codé afin de permettre l'identification de la tension venant d'être comparée avec la rampe (tension fournie par le convertisseur 2 correspondant à un courant à mesurer ou tension correspondant à celle fournie par le convertisseur 2 lorsque le courant à mesurer est nul).25 Le bloc d'isolation 4 à pour fonction de transmettre de manière isolée les signaux codés provenants du comparateur codeur 3 vers l'une des The signal transmitted by the encoder comparator 3 to the isolation block 4 is coded in order to allow the identification of the voltage which has just been compared with the ramp (voltage supplied by the converter 2 corresponding to a current to be measured or corresponding voltage to that supplied by the converter 2 when the current to be measured is zero) .25 The function of the isolation block 4 is to transmit the coded signals coming from the encoder comparator 3 in isolation to one of the

entrées du contrôleur 6.controller inputs 6.

Le contrôleur 6 décode les signaux fournis par le comparateur codeur 3 au travers du bloc d'isolation 4, commande le générateur d'échantillons 7 et dialogue avec l'utilisateur 9. Dès l'arrivée d'un nouveau signal codé en provenance du comparateur codeur 3, le contrôleur 6 ordonne au générateur The controller 6 decodes the signals supplied by the encoder comparator 3 through the isolation block 4, controls the sample generator 7 and dialogues with the user 9. As soon as a new coded signal from the comparator arrives encoder 3, controller 6 orders the generator

d'échantillons 7 de présenter sur sa sortie reliée à l'utilisateur 9 un échantillon de35 la rampe de tension présente à ce moment sur son entrée analogique. of samples 7 to present on its output connected to the user 9 a sample of the voltage ramp present at this time on its analog input.

En même temps le contrôleur 6 informe l'utilisateur 9 de la nature et de la présence d'un nouvel échantillon en sortie du générateur d'échantillons 7. At the same time the controller 6 informs the user 9 of the nature and the presence of a new sample at the output of the sample generator 7.

A partir de ce moment la, le contrôleur 6 interdit la génération de tout nouvel échantillon jusqu'à l'obtention de la part de l'utilisateur 9 d'un signal indiquant la fin du traitement du dernier échantillon présenté. Les échantillons fournis par le générateur d'échantillons 7 sont représentatifs de la tension ayant été comparée avec la rampe par le comparateur From this moment on, the controller 6 prohibits the generation of any new sample until the user 9 obtains a signal indicating the end of the processing of the last sample presented. The samples supplied by the sample generator 7 are representative of the voltage having been compared with the ramp by the comparator

codeur 3.encoder 3.

Le retard existant entre le moment o le résultat de la comparaison effectuée par le comparateur codeur 3 change jusqu'au moment o l'échantillon est effectivement généré fausse les échantillons obtenus. La comparaison effectuée par le comparateur codeur 3 se faisant entre la tension à15 échantillonner et une rampe, le retard précité aura donc pour effet de rajouter un offset de tension à l'échantillon généré. Ledit retard pouvant varier, ledit offset The delay existing between the moment when the result of the comparison carried out by the encoder comparator 3 changes until the moment when the sample is actually generated distorts the samples obtained. Since the comparison made by the encoder comparator 3 takes place between the voltage to be sampled and a ramp, the aforementioned delay will therefore have the effect of adding a voltage offset to the sample generated. Said delay may vary, said offset

de tension sera donc un offset de tension dynamique pouvant varier dans le même rapport que le retard. voltage will therefore be a dynamic voltage offset that can vary in the same ratio as the delay.

Les échantillons fournis par le générateur d'échantillons 7 sont affectés d'un offset de tension égal à la somme des offsets de tension des divers circuits électroniques utilisés augmentée de l'offset de tension dynamique précité. La somme de tous ces offsets de tension est un offset de tension variant lentement dans le temps.25 Le procédé de mesure selon la présente invention permet de corriger cet offset de tension variant lentement. En effet, lorsque l'utilisateur 9 est informé de la présence d'un échantillon correspondant à la tension fournie par le convertisseur 2 lorsque le courant à mesurer est nul, ledit utilisateur 9 doit30 mémoriser cet échantillon et le soustraire aux N échantillons suivants The samples supplied by the sample generator 7 are assigned a voltage offset equal to the sum of the voltage offsets of the various electronic circuits used plus the above-mentioned dynamic voltage offset. The sum of all these voltage offsets is a slowly varying voltage offset. The measurement method according to the present invention makes it possible to correct this slowly varying voltage offset. When the user 9 is informed of the presence of a sample corresponding to the voltage supplied by the converter 2 when the current to be measured is zero, said user 9 must store this sample and subtract it from the following N samples

(échantillons représentatifs du courant à mesurer). Le choix de N dépend de la vitesse à laquelle varie l'offset de tension total. (samples representative of the current to be measured). The choice of N depends on the speed at which the total voltage offset varies.

Les échantillons fournis par le générateur d'échantillons 7 et ainsi corrigés sont représentatifs du courant à mesurer I. Dans le cas ou les échantillons représentatifs du courant à mesurer I risqueraient de donner lieu a un sous échantillonnage, l'utilisateur 9 a The samples supplied by the sample generator 7 and thus corrected are representative of the current to be measured I. In the case where the samples representative of the current to be measured I would risk giving rise to undersampling, the user 9 has

la possibilité de varier de façon pseudo aléatoire la fréquence du signal sortant du générateur 8. Ceci permet une exploitation juste des échantillons de courants 5 même en cas de sous échantillonnage. the possibility of pseudorandomly varying the frequency of the signal leaving the generator 8. This allows fair exploitation of the current samples 5 even in the event of undersampling.

Le procédé de mesure selon la présente invention permet de réaliser de façon économique les capteurs de courant isolés et précis à long terme nécessaires pour la fabrication de compteurs électroniques d'énergie The measurement method according to the present invention makes it possible to economically produce the isolated and precise long-term current sensors necessary for the manufacture of electronic energy meters.

électrique polyphases.electric polyphases.

Claims

1) Measuring method making it possible to obtain samples of a high current flowing in an electric wire in isolation, characterized in that it consists in: * generating an alternating voltage having the form of a voltage ramp invariable, returning to its starting point along a route of any shape and variable duration; * reproduce this voltage at two points distinct from each other, one of these two voltages being completely isolated, the two voltages being strictly identical; * convert the current to be measured into an image voltage representative of said current; * compare this image voltage, possibly amplified, with the aforementioned isolated voltage ramp, the change in the result of the comparison serving to trigger the generation of a sample; * transmit in isolation to a sample generator the order triggering the generation of a sample; * producing with said sample generator a voltage sample from the ramp of the aforementioned second voltage, this sample being representative of the image voltage at a given time; * obtain a negligible or slowly varying delay between the time when the result of the comparison changes and the time when the sample is actually generated; 25 * regularly replace after N samples of the voltage-image of the current to be measured, representative of the current to measuring, for the duration of a sample, the image voltage of the current to be measured by an image voltage corresponding to a zero current to be measured (sampling of "zero"); * provide a means of identifying the sample generated (sample of voltage - image of a current or sample of "zero"); * pseudo-randomly changing the time separating two consecutive ramps, therefore the frequency of the alternating voltage generated, in order to allow a fair exploitation of the measurements in the event of undersampling;