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PERFECTIONNEMENTS AUX APPAREILS DE MESURE POUR TRES .FAIBLES DIFFERENCES DE.POTENTIEL.CONTINUES.
L'invention se rapporte à un appareil pour déceler ou pour mesurer des différences de potentiel extrêmement faibles en courant continu.
Jusqu'à présent on a éprouvé des difficultés pour dé- celer ou pour mesurer exactement les très petites différences de potentiel en courant continu, telles que celles de l'ordre du mi- crovolt ou de fractions de microvolt, et cela pour dé nombreuses raisons, parmi lesquelles on doit mentionner le genre de l'appa- reil de mesure utilisé, ainsi que la valeur de sa résistance in- térieure qui empêche la détermination exacte du potentiel appli- qué.
Un des buts de la présente invention est la réalisa- tion d'un nouvel appareil, simple et efficace pour déceler ou pour mesurer exactement de faibles différences de potentiel en courant continu.
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L'invention a également pour but de réaliser un appa- reil de l'espèce indiquée dans lequel la mesure des petites dif- férences de potentiels se fait en introduisant automatiquement une tension antagoniste opposée à la tension à mesurer et susceptible d'une mesure précise.
Il est prévu par l'invention de réaliser un appareil de l'espèce indiquée, dans lequel le potentiel inconnu à mesurer sera l'objet d'interruptions susceptibles d'engendrer un courant alternatif lequel sera ensuite amplifié et utilisé pour introduire automatiquement la tension antagoniste ci-dessus mentionnée.
L'invention fait usage dans ce but de l'action d'une source d'énergie pour introduire la tension antagoniste d'équili- brage ladite source d'énergie pouvant être employée de diverses autres façons pour actionner des dispositifs de commande.
Un autre but de l'invention est de prévoir un appareil comportant un dispositif manoeuvré à la ma.in pour déterminer la position du zéro de la lecture à faire sur l'échelle.
L'invention prévoit enfin des moyens d'enregistre- ment des mesures exécutées.
Conformément à l'invention pour parvenir aux buts ci- dessus mentionnés et d'autres encore, la source de faible poten- tiel est intercalée dans un circuit qui comprend aussi le primai- re d'un transformateur et un interrupteur dont le rôle sera de couper le courant à une périodicité régulière. Cet interrupteur peut être entraîné de n'importe quelle façon convenable, mais telle que les interruptions de courant dans le primaire du trans- formateur puissent engendrer dans le secondaire dudit transforma- teur un courant alternatif susceptible d'amplification. L'éner- gie débitée par l'amplificateur est utilisée à régler automatique- ment les conditions de fonctionnement dans le circuit primaire.
Un tel réglage peut être accompli, par l'intermédiaire d'un moteur diphasé dont l'un des enroulements est excité par une tension en-
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gendrée par une source entraînée par la source d'entraînement de l'interrupteur ou de toute autre manière désirée susceptible de donner naissance à une tension excitatrice de même fréquence que celle de l'énergie de sortie de l'amplificateur précité. Cette tension dont la phase sera prise comme référence est en relation telle avec ladite énergie de sortie de l'amplificateur que celle- ci sera envoyée dans le second enroulement du moteur avec un dé- calage de tension de 90 degrés par rapport à la tension de réfé- rence, de telle sorte que, si l'on inverse la phase de la tension de l'amplificateur le moteur tournera en sens inverse.
Le moteur diphasé agit sur un potentiomètre qui peut introduire dans le circuit primaire des tensions d'un ordre de grandeur très minime, cette introduction étant autômatique et pré- sentant, par rapport à la tension à mesurer, le caractère d'une tension antagoniste. Le moteur entraîne encore une échelle sur laquelle on peut lire la valeur de la tension antagoniste intro- duite par le potentiomètre et l'on peut, en outre, utiliser le disque support de l'échelle pour entraîner un mécanisme d'enre- gistrement fournissant le graphique des mesures.
En sus du potentiomètre à manoeuvre automatique qui introduit des tensions antagonistes dans le circuit primaire, un second potentiomètre introduit des tensions dans un sens quelcon- -,que dans le circuit primaire dans le but de ramener au zéro (ou à toute autre position voulue) le mécanisme enregistreur au début de chaque opération.
D'autres détails, d'autres buts et avantages de l'in- vention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'une réalisation préférée, cette description étant ac- compagnée de dessins qui sont :
La figure 1 un diagramme des circuits électriques d' un appareil faisant usage des procédés de l'invention;
La figure 2, une variante des circuits électriques de la figure 1.
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Si l'on se reporte à la figure 1 on constate que le numéro de référence 10 désigne une source de très faible tension d'un type quelconque: thermocouple ou autre organe engendrant de faibles tensions. En circuit avec la source 10 se trouvent un in- terrupteur 11, le primaire 12 d'un transformateur T et des résis- tances 14 et 15. L'interrupteur 11 est shunté par une capacité 16 dont le rôle sera expliqué plus loin. L'interrupteur rotatif est entraîné par un moteur 17 quelconque, mais de préférence, synchrone et tournant à 1800 tours à la minute. Une génératrice 18 fournissant la phase de référence, est entraînée aussi par un moteur 17 et, si on le désire sur le même arbre que l'interrup- teur 11. Le courant de sortie de la génératrice 18 est amplifié si nécessaire, par l'amplificateur 19 et alimente un des enroule- ments 20 d'un moteur diphasé 21.
Le secondaire 22 du transformateur T est relié à un amplificateur 24 dont la sortie alimente le second enroulement 25 du moteur 21. Le rotor du moteur 21 agit par l'intermédiaire d' un engrenage réducteur 26 sur le bras mobile 27 du potentiomètre 28. La même arbre peut aussi, si on le désire, entraîner un dis- que gradué 29 portant des graduations 30. Le potentiomètre 28 est associé à une source de courant contraire qui peut être une batte- rie et à une résistance 32 le monta,ge étant réalisé de telle sorte que la tension qui se développe dans la résistance 14 soit en sens inverse de la tension de la source 10.
Un second potentiomètre 34 dont la prise porte le nu- méro de référence 35 est associé à une source de courant contraire 36, qui peut aussi être une batterie, et à deux résistances 37 et 38 choisies de telle sorte qu'un faible potentiel de sens arbitrai- re puisse être introduit aux bornes de la résistance 15, dans le circuit du primaire K du transformateur T.
L'interrupteur 11 est- entraîné par le moteur 17 et coupe le courant dans le circuit primaire du transformateur T à une cadence que l'on peut fixer arbitrairement mais qui sera choi-
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sie de préférence de 90 par seconde. Par suite de ces interrup- tions à la cadence indiquée un courant alternatif sera engendré dans le secondaire 22 du transformateur T et ensuite amplifié par l'amplificateur 24. La capacité 16 qui shunte l'interrupteur 11 est, par exemple, de 8 miorofarads et son rôle est d'augmenter la tension au secondaire du transformateur T. Ce transformateur com- porte également un entrefer dans son circuit magnétique, de fa- con à accroître la vitesse des variations de flux et par suite la tension au secondaire.
Le rapport de transformation peut être quelconque, mais il est de préférence choisi le plus élevé possi- ble en pratique.
L'amplificateur 24 peut être d'un modèle quelconque mais il est préférable d'employer un amplificateur accordé sur la valeur de 90 cycles par seconde qui caractérise le courant alter- natif engendré dans le transformateur T.
Il résulte des dispositions adoptées que lorsqu'un courant continu d'un certain sens circule dans le circuit primaire, le courant alternatif amplifié à 90 périodes aura une certaine phase et que lorsque le sens du courant continu sera inversé au primaire, la phase du courant alternatif du secondaire s'inverse- ra aussi.
Le moteur 21 est un appareil sélectif de phase et, quand on inverse la phase dans l'enroulement 25 alimenté par l' amplificateur 24, le moteur se cômporte de façon à corriger auto- matiquement cette inversion ou à équilibrer le circuit primaire.
Le moteur 21, comme déjà indiqué est un moteur déphasé et peut être choisi de n'importe quel type convenable mais on utilisera de préférence un'moteur du type caractérisé par une faible iner- tie des rotors, ce qui rend inutile l'emploi d'organes ou de cir- cuits anti-glissement. Un tel moteur"diphasé tourne dans un cer- tain sens si les deux enroulements sont excités sous des tensions décalées de 90 degrés et si l'une des tensions vient à être in-
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versée en phase, le sens de rotation du moteur est aussi inversé.
De plus, si un seul des enroulements est excité, le moteur ne tourne pas.
Pour réaliser les conditions de fonctionnement voulues, l'enroulement 20 du moteur 21 sera excité de façon continue par la source 18 sous une tension constante et à phase constante (phase de référence), à travers l'amplificateur 19. La génératrice 18 qui peut être une commutatrice ou un générateur de tout autre type, est entraînée, comme déjà indiqué, par le moteur 17 pour engendrer, sous 199 volts, une tensions à 90 cycles par seconde dont la phase constituera la phase de référence. En utilisant le même mo'teur d'entraînement 17 et le même arbre pour l'interrupteur 11 et pour la génératrice de référence 18 on obtiendra bien le synchronisme entre la phase de référence et les interruptions de courant dans le circuit primaire.
D'autres méthodes pourraient être employées pour en- gendrer la phase de référence, par exemple des génératrices indé- pendantes à 90 périodes, ou des sources d'énergie d'une autre es- pèce telles que des génératrices harmoniques ou des multi-vibra- teurs, ou une combinaison de ces divers appareils. Dans tous ces cas, il serait indispensable de disposer en même temps d'un moteur synchrone (ou de son équivalent) pour entraîner l'interrupteur 11, mais, conformément au mode de réalisation préféré suivant lequel les deux éléments rotatifs 11 et 18 sont montés sur le même arbre le fait que le moteur d'entraînement 17 soit ou non en synchro- nisme avec l'alimentation du système est relativement sans impor- tance.
L'amplificateur 24, comme il a été dit plus haut est, de préférence, accordé sur la fréquence choisie, par exemple, sur 90 cycles; l'accord de l'amplificateur lui assurant le gain maxi- mum et la diminution des bruits. ¯ Mais, si l'amplificateur est ac- cordé, il est nécessaire que le moteur d'entraînement de l'inter- rupteur 17 soit tel que le courant alternatif engendré par les in-
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terruptions soit à une fréquence très voisine de la fréquence d' accord de l'amplificateur. En rendant moins serré l'accord de @ l'amplificateur, ou même en le supprimant, on ferait fonctionner le système entier d'une facon indépendante de la fréquence.
Le fonctionnement de l'appareil qui vient d'être dé- crit va être exposé maintenant de façon complète.
Supposons que la graduation du disque 29 soit initia- lement disposée pour que le zéro de cette graduation soit en face du repère. 50.
Si une tension inconnue est introduite en 10 dans le circuit primaire, le courant engendré par cette différence de po- tentiel'.' sera interrompu à 90 cycles par seconde et un courant al- ternatif à 90 périodes sera engendré dans le secondaire du trans- formateur T, amplifié et envoyé dans l'enroulement 25 du moteur
21. Le moteur 21 se mettra à tourner,'-sa vitesse de rotation dé- pendant de la valeur de la tension fournie à l'enroulement 25.
Les deux enroulements 20 et 25 du moteur 21 sont orientés de façon que, lorsque la tension augmente dans le cir- cuit primaire, ce qui entraîne la circulation d'un courant alter- natif dans l'enroulement 25, le moteur tourne dans le sens voulu pour que le déplacement de la prise 27 du potentiomètre introdui- se une tension antagoniste dans le circuit primaire, par l'inter- médiaire de.la résistance 14. La rotation du moteur se poursuit jusqu'à ce que ladite tension antagoniste introduite par le po- tentiomtre dans le circuit primaire équilibre le voltage incon- nu engendré par la source 10. A ce moment le courant cesse de circuler dans le circuit primaire, et par suite également le cou- rant alternatif dans l'enroulement 25, ce qui entraîne l'arrêt du moteur 21.
Les déplacements de la prise 27 du potentiomètre sont conjugués avec les déplacements du cadran gradué 29, lequel de préférence est entraîné par le même arbre que la prise 27, et l' on a, par le cadran 29, l'indication à moins.de 0,5 % pris de la
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tension introduite par le potentiomètre dans le circuit primaire.
Comme cette tension est exactement égale et opposée au voltage inconnu de la source 10, il s'ensuit que les indications de ca- dran gradué 29 fournissent la valeur exacte du voltage inconnu que l'on devait mesurer.
D'un autre côté, après que l'équilibre a été obtenu avec un courant nul dans le circuit primaire, si la tension en- gendrée par la source 10 venait à tomber au-dessous de la valeur qui vient d'être mesurée, un courant de sens inverse circulerait dans le circuit primaire et la tension alternative qui apparaî- trait au secondaire, et par suite aux bornes de l'enroulement 25 du moteur 21, serait en opposition de phase avec celle présente auparavant. Dans ces conditions, le moteur 21 tournerait en sens inverse, la prise 27 du potentiomètre serait également déplacée en sens inverse et la tension antagoniste que ce potentiomètre introduit dans le circuit primaire serait diminuée jusqu'à ce que le zéro soit à nouveau atteint dans ce circuit.
Le cadran gradué s'arrêterait aussi devant son index et fournirait la nouvelle in- dication de la tension engendrée en 10.
Ainsi le sens de circulation du courant dans le cir- cuit primaire détermine le sens de rotation du moteur 21 et les deux enroulements 20 et 25 de ce moteur sont orientés de telle fa- çon que le moteur tourne toujours dans le sens qui entraîne l'in- troduction d'une tension antagoniste dans le circuit primaire pour équilibrer toutes les autres tensions qui peuvent agir sur ce circuit et pour arrêter toute circulation de courant dans le- dit circuit.
Puisque la position que prend automatiquement la prise 27 du potentiomètre est déterminée exclusivement par l'éga- lité de la tension antagoniste développée dans la résistance.14 et de la tension inconnue qui agit par ailleurs sur le circuit primaire, il s'ensuit que la position finale de cette prise, ain- si que celle du disque gradué 29 seront indépendantes du gain de l'amplificateur 24, de la tension de la source qui fournit la puis-
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sance, de la fréquence, des caractéristiques du moteur et de la résistance du circuit d'entrée.
Le potentiomètre 34 dont la prise 35 est manoeuvrée à la main, est utilisée pour introduire dans le circuit primaire un faible potentiel, de sens arbitraire, de manière à ce que, avant usage de l'appareil pour effectuer une mesure, le potentio- mètre automatique 28 et le cadran gradué 29 atteignent la position pour laquelle le zéro du oadran est en face de la graduation 50.
Ce réglage du potentiomètre 34 se fait généralement en l'absence de tension en 10. Cependant, dans certains cas, il peut-être dé- sirable de situer le cadran gradué de manière à ce qu'un autre chiffre que le zéro soit en face de l'index 50 au début des opé- rations de mesure, par exemple si l'on veut mesurer des potentiels de part et d'autre d'un potentiel intermédiaire.
Pour certaines applications, il est désirable que la valeur du potentiel de la source 10 soit évalué de façon continue pendant une certaine période de temps. A ce desideratum répond un dispositif d'enregistrement tel qu'un style 60 éorivant sur un pa- pier sensible 61 supporté par un rouleau entraîneur 62 convenable- ment mis à la terre. L'entraînement du rouleau 62 n'a pas été re- présenté sur la figure, mais il peut se faire au moyen d'un moteur synchrone ou par tout autre prooédé, capable de faire tourner le- dit,rouleau à une vitesse donnée. D'autre part que les déplace- ments angulaires du cadran 29 sont traduits en déplacements liné- aires du style 60 par le moyen d'un organe à courroie (ou autre disposition convenable) embrassant la périphérie du massif du oa- dran 29 ainsi que celle d'une poulie folle 65.
Comme le cadran 29 est entraîné par le moteur 21 (étant de préférence sur le même ar- bre que la prise 27 du potentiomètre 28) il s'ensuit que la force motrice sera suffisante pour entraîner la courroie 64 et, par sui- te, pour déplacer le style 60 sur le papier sensible 61. Le style est relié par une résistance 67 à une source convenable d'énergie.
Le papier 61 est revêtu d'un enduit convenable pour que le passage
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du courant du style au rouleau à travers ledit papier provoque l'effet qui change le caractère de l'enduit et rend le tracé du style apparent sur le papier. Comme ce qui touche l'enregistre- ment sur le papier ne fait pas partie de l'invention et est bien connu dans la technique, il n'est pas nécessaire d'en pousser la description plus loin.
Il est parfois nécessaire, quand on enregistre les tensions sur un graphique s'étendant sur une longue période de temps, de mettre en évidence certains points du graphique par un réperage spécial. On peut réaliser cette condition par le monta- ge d'un condensateur 70, chargé, normalement par la source d'é- nergie 60 qui alimente le style. Quand on veut placer un repère distributif sur le papier, on appuie sur un bouton 71 qui ferme un circuit local et excite le relais 72 lequel ferme le contact 74 qui permet au condensateur 70 de se décharger à travers le sty- le. La décharge de ce condensateur suffit à produire sur le papier la marque de repérage caractérisant la position qu'occupait le style au moment où l'on a appuyé sur le bouton, car à cet endroit, l'inscription est plus intense que le trait continu ordinaire tra- cé par le style sur le papier.
L'inscription du repère ne peut avoir lieu qu'à l'instant où le bouton 71 a été pressé et aussi- tôt que le condensateur 70 a été déchargé, il est nécessaire de relâcher le bouton 71, ce qui ramène au repos le relais 72 et per- met au condensateur 70 de se recharger en vue d'un nouveau fonc- tionnement éventuel.
Il est évident que plusieurs circuits de repérage peu- vent être montés en parallèle sur le style 61, si on le désire, et que ceci n'a pas besoin d'être représenté sur le dessin.
Si l'avancement du rouleau 62 est connu en fonction du temps, on aura sur le graphique continu enregistré par le style, les valeurs de tensions au primaire en fonction du temps.
Il est absolument évident que d'autres moyens d'enre- gistrement, tels que, l'enregistreur à siphon, celui à rouleau en-
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creur, etc ... peuvent être substitués à l'enregistrement par un style électrique.
De plus, puisque le moteur d'entraînement 21 et, par suite, l'arbre auxiliaire qui entraîne la prise du potentio- mètre et le cadran gradué sont animés d'une puissanoe notable, on peut envisager de retransmettre à distanoe, par des moyens d' autosynchronisation bien connus des hommes de l'art, les indica- tions du cadran gradué. De plus, également l'emploi d'un poten- tiomètre d'une source d'énergie et de résistances convenables per- met d'utiliser n'importé quel type d'appareil enregistreur. En- fin,. parmi les aûtres possibilités dë l'invention l'arbre en- traîné par le moteur 21 peut être utilisé pour commander d'autres organes mécaniques associés au système d'une façon qui n'a pas besoin d'être représentée sur les dessins.
Si la source 10 n'est susceptible d'introduire des tensions que dans un seul sens, le potentiomètre équilibreur 28 n'a besoin aussi, comme il est représenté sur la figure 1 de pro- duire que des tensions à sens unique. Mais si la source 10 était susceptible d'engendrer des tensions de sens variable, ou bien si ,,des courants alternatifs à très basse fréquence étaient en oircu- lation dans le circuit primaire, le potentiomètre équilibreur 28 devrait lui aussi, pouvoir introduire à volonté des tensions an- tagonistes positives ou négatives.
La modification de ce poten- tiomètre est représentée par la figure 2 dans laquelle la prise
27' du potentiomètre ainsi que sa batterie 31' sont inchangées, mais au lieu d'employer une résistance unique 32, on y fait usage de deux résistances 32', égales entre elles et reliées par leur point commun au circuit primaire. De cette façon des tensions antagonistes positives ou négatives peuvent être introduites à volonté dans le circuit primaire.
L'exemple suivant donnera une idée des tensions que l'on peut mesurer avec l'appareil. Supposons que la résistance du potentiomètre 28 soit d'environ 20.000 ohms, la résistance 32
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de 500. 000 ohms, la batterie 31 de 4,5 volts et la résistance 14 de 1,2 ohms.
L'échelle de l'indicateur 29 est graduée de 0 à 100 et, dans les conditions ainsi fixées la déviation de l'échelle entière correspond à 10 microvolts.
La sensibilité est pratiquement indépendante de la résistance de la source 10, jusqu'à des valeurs de 100 ohms. Ce- la résulte de ce que l'équilibre est produit par l'annulation du courant dans le circuit primaire et de ce que la chute de tension intérieure dans la source n'intervient pas lorsque le courant est nul .
La fixation du chiffre de 10 millivolts pour la dévia- tion de l'échelle entière repose sur le fait que la batterie 31 est exactement de 4,5 volts. Comme la batterie débite extrême- ment peu, il s'ensuit qu'elle conservera bien sa force électro- motrice. De plus, la tension de la batterie peut être facilement vérifiée au moyen d'un voltmètre et si elle est différente de 4,5 volts on peut effectuer la correction en calculant le rapport de la tension réelle à la tension de base 4,5 et en multipliant la lecture par ce rapport.
Comme l'échelle de l'indicateur 29 est divisée en 100 graduations, chacune d'entre elles représente 100 x 10-9volts, ou 3 x 10-9 ampères, dans le circuit primaire. En agrandissant le diamètre de l'indicateur 29, on pourrait augmenter le nombre des graduations. Par exemple, en portant ce nombre à 400 au lieu de 100, chaque graduation représenterait 25 x 10-9 volts ou 0,75 x 10-9 ampères dans le circuit primaire.
Pour un appareil dont les constantes (résistances ou autres) seraient ainsi fixées, le potentiomètre auxiliaire 34 aurait également une résistance de 20. 000 ohms et 150. 000 ohms pour chacune des résistances 37 et 38. On aurait encore 1,5 volts pour la batterie 36 et enfin 1 ohm pour la résistance 15, avec ces valeurs on peut orienter l'échelle de l'indicateur 29 de toutes
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les façons utiles en pratique.
L'exemple fourni vaut seulement pour donner une idée de la sensibilité de l'appareil, puisque en ohargeant, les con- stantes des deux potentiomètres et des circuits associés on peut entreprendre la mesure d'autres ordres de grandeur de tensions, dans les limites permises par l'amplificateur 24.
Il résulte de tout ce qui précède que l'invention fournit un nouvel appareil simple et efficace pour la mesure de très faibles différences de potentiel, en courant contraire, de l'ordre du microvolt ou d'une fraction de microvolt. Les mesures sont d'une extrême précision et exemptes d'erreurs introduites par les appareils utilisés et e celles des autres appareils de mesure dans lesquels l'exactitude de la mesure est influencée par des résistances intérieures, des facteurs d'amplification variables ou d'autres causes encore.
Il'est bien entendu que des variantes sont possibles sans sortir de l'esprit de l'invention.