FR2983966A1

FR2983966A1 - DEVICE FOR MEASURING AN ELECTRICAL CURRENT

Info

Publication number: FR2983966A1
Application number: FR1161460A
Authority: FR
Inventors: Claude Cavoit
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite d Orleans UFR de Sciences
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite d Orleans UFR de Sciences
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2013-06-14

Abstract

Un dispositif (1) pour mesurer un courant électrique (I) traversant une surface (S) qui comprend un circuit magnétique fermé (2) entourant la surface, un bobinage (3) enroulé autour du circuit magnétique, un circuit de commutation (4) adapté pour alimenter le bobinage avec une tension d'alimentation pilotée par un signal de commande (7), un capteur (5) mesurant un courant de bobinage, une logique de commande (6) adaptée pour fournir le signal de commande, et un circuit de filtrage (8) pour extraire du courant de bobinage un signal (9) représentatif du courant électrique (I).A device (1) for measuring an electric current (I) passing through a surface (S) which comprises a closed magnetic circuit (2) surrounding the surface, a winding (3) wound around the magnetic circuit, a switching circuit (4) adapted to supply the winding with a supply voltage driven by a control signal (7), a sensor (5) measuring a winding current, a control logic (6) adapted to supply the control signal, and a circuit filtering device (8) for extracting from the winding current a signal (9) representative of the electric current (I).

Description

Dispositif pour mesurer un courant électrique La présente invention est relative à un dispositif pour mesurer un courant électrique. The present invention relates to a device for measuring an electric current.

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. More particularly, the invention relates to a device for measuring an electric current passing through a surface. Such devices are known. For example, Rogosky loop sensors make it possible to obtain AC current measurements from 1 Hz. However, such sensors do not give a DC value. Gate-gate or Hall-effect or magnetoresistance sensors make it possible to obtain DC current measurements and AC current measurements up to high frequencies. However, such sensors have a low sensitivity. It is an object of the present invention to provide a current measuring device for overcoming the aforementioned drawbacks. For this purpose, a device for measuring an electric current passing through a surface according to the invention comprises: a magnetic circuit enclosing in a closed manner said surface and formed of a magnetic material, a coil wound around the magnetic circuit, a switching circuit adapted to supply the winding with a supply voltage in a first direction or in a second direction, opposite to the first direction, said switching device being controlled by a control signal having a first value so that the switching device switching feeds the winding in the first direction and a second value so that the switching device 35 feeds the winding in the second direction, - a sensor adapted to measure a winding current flowing in the winding, - a control logic adapted to provide said control signal, said logic delivering said second value if the winding current becomes greater than a first and providing said second value if the winding current becomes less than a second threshold, and - a filter circuit adapted to extract a winding current, a measured signal representative of the electric current to be measured.

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. Thanks to these provisions, the device makes it possible to measure electrical currents crossing the continuous or alternating nature surface. In addition, the sensitivity of this device is very good and makes it possible to measure electrical currents lower than 0.1 pA. In various embodiments of the device according to the invention, one or more of the following arrangements may also be used: the filter circuit comprises a low-pass filter; the low pass filter has a cut-off frequency of less than 5 kHz. Other features and advantages of the invention will become apparent from the following description of one of its embodiments, given by way of non-limiting example, with reference to the accompanying drawings. In the drawings: FIG. 1 is a schematic view of the device according to the invention, FIG. 2 is a graph showing the winding current as a function of time. FIG. 1 shows a device 1 for measuring an electric current I passing through a 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. This device 1 comprises: - a magnetic circuit 2 which encloses the surface S in a closed manner, - a winding 3 around the magnetic circuit 2, - a switching circuit 4 for supplying the winding 2, - a sensor 5 for measuring a current of winding Ib traversing the winding 3, - a control logic 6 to control the switching 4, and - a filter circuit 8 to deliver the measurement I 'estimating the value of the electric current I passing through the surface S. The magnetic circuit 2 is formed of a magnetic material having a magnetic saturation threshold. In particular, the material is a soft magnetic material with low hysteresis. This can be iron, an iron-silicon alloy, or the like. These materials have a saturation magnetic field Bs of substantially 1 Tesla or less. The magnetic circuit 2 advantageously has the shape of a torus having an axis of revolution substantially perpendicular to the surface S. The toroid advantageously has a circular section. The electric current I to be measured crosses the surface S on either side of the torus. Winding 3 is wrapped around radial sections of the torus. It includes for example N turns. These turns are angularly regularly distributed around the magnetic circuit 2. This coil is adapted to generate a magnetic flux in the magnetic circuit. The switching circuit 4 supplies the winding with a supply voltage V in a first direction or in a second direction, opposite to the first direction. This switching circuit is controlled by a control circuit signal 7 having a first value for the switching circuit to supply the winding in the first direction and a second value for the switching circuit to supply the winding in the second direction.

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. In the embodiment shown, the switching circuit 4 comprises an analog switch 4a. The sensor 5 measures the coil current Ib flowing in the coil 3. This sensor is for example an electrical resistance 5a connected in series in the electrical circuit of the coil 3. The control logic 6 is adapted to supply the control signal 7 to the switching circuit from the measurement of the winding current Ib supplied by the sensor 5. For example, this control logic 6 delivers the second value if the winding current becomes greater than a first threshold and delivers the first value if the winding current Ib becomes smaller than a second threshold. The first and second thresholds are advantageously opposite in sign, and for example noted + sat and -sat. In the embodiment shown, the control logic 6 comprises: a differential amplifier 6a for amplifying the measurement of the winding current Ib to an amplified value. a first comparator 6c which compares the amplified value with the first threshold; a second comparator 6b which compares the amplified value with the second threshold; and a logic gate of the RS 6d flip-flop type which supplies the control signal. switching 4 and the control logic 6 constitute a feedback loop which oscillates the winding current Ib between a minimum value Ib 1 and a maximum value Ib 2 at an oscillation frequency Fosc = 1 / 4t, said oscillation frequency being to be predetermined by an electrical inductance value L of the winding, the value of the supply voltage V, and the first and second thresholds set in the control logic.

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. The filtering device 8 makes it possible to extract from the winding current Ib the signal 9 representing the measured electric current Imes. For example, the filtering device 8 comprises: an amplifier 8a, and a low pass filter 8b of cutoff frequency Fc less than the oscillation frequency Fosc of the winding current. The signal 9 then comprises a bandwidth ranging from continuous (zero frequency) to substantially the cut-off frequency 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. The oscillation frequency Fosc is for example several kHz, and for example greater than 10 KHz. The cutoff frequency Fc is for example less than 5 KHz. It can be less than 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. FIG. 2 is a graph showing the winding current Ib as a function of time t, when the device 1 is operating, the surface S being traversed by a current I. This time curve is designated by the reference numeral 10 in FIG.

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. The first and second thresholds are set so that the magnetic circuit is magnetically saturated periodically, in one direction and then in the other direction. On energizing V of the winding, the winding current increases regularly and linearly, substantially following the law of the inductance L: di / dt = V / L. As soon as the magnetic field reaches the saturation value of the material, the winding current Ib then exponentially increases. This nonlinear phenomenon is shown in areas 11 and 12 of the graph. This phenomenon is used to set the first and second thresholds of the control logic 6 so as to ensure that the magnetic field in the magnetic circuit 2 arrives at each cycle in this saturation zone.

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). The winding current Ib then reaches one of the thresholds of the control logic 6 which orders the inversion of the supply voltage V to the switching circuit 4. The winding current Ib thus varies alternately between a first value Ib 1 and a 10 second value Ib2, each corresponding to one of the thresholds of the control logic. When the electric current to be measured I is zero and if the thresholds and saturations are symmetrical (of opposite values), then the average current Ibm in the winding 3 is zero. When the electric current to be measured I is not zero as shown in FIG. 2, and if the thresholds and saturations are symmetrical (of opposite values), then the average current Ibm in the winding 3 is not zero. . This average current Ibm is represented by the curve 19 in the graph of FIG. 2. As will be shown below, the average current Ibm in the winding 3 is then substantially proportional to the electric current to be measured I. The current value measured I 'can be estimated as follows. The Ampère theorem in electromagnetism is written for the magnetic circuit 2 previously described: 1.H = Ei where 1 is the total length of the magnetic circuit 2, H is the magnetic excitation in this circuit, i represents each of the currents inducing the magnetic excitation H, and Ei is the sum of the currents flowing through the surface S. In the case of a toroidal circuit of diameter D, and a winding having a number N of turns, it is possible to write: nDH = N.Ib + II representing the sum of the currents to be measured (sum of the currents of several conductors as represented in FIG. 1, or flow of electrical charges crossing the 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. If the saturation of the magnetic circuit 2 occurs for the same value of the magnetic excitation H in one direction of supply and in the other supply direction, the magnetic excitations H are equal in absolute value and of opposite sign, and a: + B, = -HEU corresponding to: + Ei for + Bs, .et -Ei for -Bs. which leads to, when a current I crosses the surface S: N. Ibl + I = - (N. Ib2 + I) Which makes it possible to determine a measured value of the current: I '= -N / 2. (Ibl + Ib2) -N.Ibm The current to be measured I 'is then N times the value of the average current Ibm in the coil, if we consider a triangular signal approximation for this current. Thanks to the device according to the invention, it is possible to measure currents crossing a surface of the domain of the DC to a medium frequency AC range (a few kHz). The sensitivity of the device is important, and it is possible to measure a current less than 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 With such a device, it is possible to measure for example leakage currents for telecommunications systems, or leakage currents in insulating materials. In addition, this device is also suitable for measuring fluxes of charged particles passing through its surface S, such as ionization currents for fluorescent or discharge lighting. Finally, such a device implements inexpensive elements. 10

Claims

REVENDICATIONS1. Device (1) for measuring an electric current (I) passing through a surface (S), characterized in that it comprises: - a magnetic circuit (2) closedly surrounding said surface and formed of a magnetic material, - a winding (3) wound around the magnetic circuit, 10 - a switching circuit (4) adapted to supply the winding with a supply voltage in a first direction or in a second direction, opposite to the first direction, said switching device being controlled by a control signal (7) having a first value for the switching device to supply the winding in the first direction and a second value for the switching device to supply the winding in the second direction; 5) adapted to measure a winding current (Ib) flowing in the winding, 20 - a control logic (6) adapted to supply said control signal, said logic delivering said second value if the winding current e becomes greater than a first threshold and delivering said first value if the winding current becomes smaller than a second threshold, and - a filtering circuit (8) adapted to extract from the winding current, a measured signal (9) representative of electric current to be measured. 30

2. Device according to claim 1, wherein the filtering device (8) comprises a low-pass filter (8b).

3. Device according to claim 2, wherein the low-pass filter (8b) has a cut-off frequency (Fa) of less than 5 kHz.