Circuit électrique de mesure comprenant un instrument à échelle étalée à la fin
La présente invention a pour objet un circuit électrique de mesure comprenant un instrument à échelle étalée à la fin.
On connaît déjà de nombreuses méthodes pour étaler, à la fin, l'échelle d'un instrument de mesure mais les dispositions connues jusqu'ici présentent des inconvénients qui les rendent souvent inutilisables.
Une des méthodes pour obtenir le but susmentionné consiste à employer des circuits en pont, comprenant des résistances non linéaires dans les branches. Ces ponts sont équilibrés pour une valeur déterminée de la tension appliquée et donnent des indications pour les variations de la tension s'écartant de cette valeur.
Ces montages, toutefois, présentent trois graves inconvénients, à savoir: leurs dimensions excessives, leur prix de revient élevé et leur poids souvent inadmissible.
On peut aussi réaliser l'étalage de l'échelle de l'instrument de mesure en lui appliquant une tension de polarité opposée à celle soumise à la mesure, de manière à neutraliser une partie de la tension à mesurer et en employant un voltmètre très sensible pour mesurer la différence de ces deux tensions. Le voltmètre peut être étalonné pour la tension à mesurer ou pour les différences de tensions. Dans les deux cas, la précision de la mesure dépend de la stabilité de la source étalon utilisée pour équilibrer une partie de la tension à mesurer. Les tensions des sources étalons sont, cependant, le plus souvent instables et il faut par conséquent procéder à de fréquents réglages et étalonnages. De plus, cette méthode est également désavantageuse au point de vue de l'encombrement, du poids et du prix de revient.
Une autre méthode connue pour atteindre le même but consiste à donner une tension préliminaire au ressort de l'aiguille d'un instrument de mesure ordinaire, de sorte que l'aiguille est sollicitée contre la butée qui correspond à la position zéro. La tension préliminaire du ressort est calculée de manière que l'aiguille ne puisse effectuer aucune déviation tant que la tension à mesurer se maintient au-dessous d'une valeur déterminée. L'étalage est ici obtenu par des moyens mécaniques. Cette méthode, qui peut convenir dans des cas particuliers, est par contre désavantageuse pour trois raisons.
Tout d'abord, le courant qui traverse l'instrument est souvent sensiblement supérieur à la valeur du courant nominal, ensuite la tension plus élevée du ressort a pour conséquence un frottement accru qui provoque une instabilité mécanique et, enfin, lorsque le courant est coupé, l'aiguille de l'instrument, ramenée brusquement dans la position de repos, heurte violemment contre la butée et risque de se déformer.
La présente invention a pour but de réaliser un circuit de mesure qui ne présente aucun des inconvénients susmentionnés. Le circuit électrique de mesure selon l'invention, qui comprend un instrument à échelle étalée à la fin, est caractérisé en ce que l'instrument de mesure est connecté en série avec au moins une diode sèche polarisée de manière qu'elle travaille sur sa caractéristique inverse tension- courant, cette caractéristique étant telle qu'au point correspondant à la tension critique le courant soit faible par rapport au courant susceptible de provoquer la déviation totale de l'élément indicateur de l'instrument, la résistance dynamique étant au moins approximativement constante pour un courant inverse supérieur au courant inverse correspondant à ladite tension critique.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, quelques formes d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 montre un circuit pour la mesure de tensions continues;
la fig. 2 est un circuit semblable à celui de la fig. 1, dans lequel cependant le voltmètre a une résistance en série et une résistance shunt et est protégé par un dispositif de protection contre les dommages qui pourraient être provoqués par une inversion de la tension à mesurer;
la fig. 3 représente une variante du circuit de la fig.
I, dans laquelle plusieurs dispositifs non linéaires sont montés en série dans un circuit à tension plus élevée;
les fig. 4, 5 et 6 montrent les caractéristiques tension-courant de dispositifs non linéaires susceptibles d'être utilisés dans les circuits des fig. 1 à 3
la fig. 7 montre le cadran gradué d'un instrument de mesure à échelle étalée à la fin;
la fig. 8 représente un circuit pour la mesure du courant alimentant la charge d'un montage à courant continu et
les fig. 9 et 10 montrent des circuits pour la mesure de tensions alternatives.
Le circuit représenté à la fig. 1 comprend simplement un instrument de mesure pour courant continu, ci-après appelé galvanomètre et, monté en série avec un dispositif conducteur non linéaire 2. Ce dernier doit avoir au moins deux gammes de résistances dynamiques à peu près constantes mais sensiblement différentes. Un dispositif qui est particulièrement indiqué à cet effet est une diode au silicium qu'on peut facilement trouver dans le commerce et qui présente une résistance dynamique à peu près constante sur la plus grande partie de la gamme des courants inverses qu'elle peut supporter.
Pour obtenir un bon fonctionnement du circuit représenté, la diode doit travailler dans la gamme des courants inverses et par conséquent le branchement du dispositif 2 de la fig. 1 doit être fait de façon que celui-ci présente la moindre conductibilité pour les tensions ayant la polarité indiquée aux bornes T1 et To. Lorsque cette tension augmente lentement, à partir de zéro, presque toute la tension appliquée est neutralisée par la chute de tension aux bornes du dispositif 2, de sorte que le galvanomètre 1 n'indique qu'une déviation très petite.
Mais, lorsque la tension critique est atteinte, il suffit d'une petite variation de la tension appliquée pour provoquer de rapides déviations de l'aiguille du galvanomètre. De plus, ces déviations sont approximativement proportionnelles aux variations de la tension appliquée et cette proportionnalité rend le circuit de mesure décrit particulièrement avantageux.
Pour mieux comprendre le fonctionnement du circuit représenté, on peut se reporter aux fig. 4, 5 et 6. La partie de la caractéristique sur laquelle le dispositif non linéaire doit travailler, correspond aux courants inverses et occupe le troisième quadrant de la fig. 4. D'après cette courbe, on voit que pour des variations de la tension comprises entre zéro et cinq volts environ, les variations de courant ne sont que de quelques milliampères. Dans cet intervalle, la résistance dynamique est très élevée et se rapproche de celle d'une résistance linéaire. A partir de ce point, le courant augmente de manière pratiquement linéaire pour de faibles variations de la tension appliquée.
Cela est représenté par la partie presque linéaire comprise entre les points A et B de la courbe tracée sur les fig. 4 et 6, partie où la résistance dynamique est beaucoup plus basse. La fig. 6 représente, à plus grande échelle, la partie de la caractéristique inverse de la fig. 4 pour des tensions appliquées comprises entre 5 et 5,6 volts. Sur la fig. 6 sont aussi tracées deux courbes caractéristiques pour deux températures différentes. La courbe du milieu, qui correspond à la caractéristique de la fig. 4, se rapporte à une température de 200 C tandis que les deux autres courbes se rapportent respectivement à des températures de + 600 C et de - 200 C, ainsi qu'il est indiqué.
I1 est intéressant de remarquer que ces trois courbes sont sensiblement parallèles sur leurs parties rectilignes et que l'influence de la température n'est pas trop sensible, même pour de forts écarts de température. Si l'on veut obtenir une compensation des effets de la température, on peut employer du fil de cuivre pour tout ou pour une partie d'une résistance additionnelle disposée en série avec le galvanomètre 1 et non représentée à la fig. 1 en tenant compte toutefois de la résistance du conducteur de cuivre de la bobine du galvanomètre.
Les diodes qui peuvent être employées pour le circuit décrit ont, en pratique, de faibles dimensions et se prêtent à être facilement montées à l'intérieur des instruments de mesure usuels. Il s'ensuit que leur emploi n'augmente pratiquement ni le poids ni l'encombrement des instruments de mesure d'usage courant. I1 faut souligner, en outre, que grâce à la disposition décrite, la bobine du galvanomètre n'est pas parcourue par un courant supérieur au courant nominal.
Dans le circuit décrit ci-dessus. la diode travaille sur sa caractéristique inverse, entre les points A et B de la fig. 4. On ne prévoit pas d'utiliser la caractéristique directe car en comparant les courbes des fig.
5 et 6, on peut voir que les caractéristiques inverses (fig. 6) sont plus linéaires que la caractéristique directe (fig. 5). n faut tenir compte en outre du fait que les courbes des fig. 5 et 6, de même que les courbes du premier et du troisième quadrant de la fig. 4, ont été tracées à des échelles différentes, de sorte que la caractéristique inverse apparaîtrait bien plus linéaire par rapport à la caractéristique directe, si ces deux courbes étaient tracées à la même échelle.
Dans le circuit représenté à la fig. 2, une diode de protection 3, une résistance en série 4 et une résistance shunt 5 ont été ajoutées au circuit. La diode de protection 3 est montée de manière à être polarisée dans le sens contraire à celui de la diode 2, de sorte que, si la tension d'entrée est inversée par erreur, le galvanomètre 1 ne risque pas d'être endommagé par le passage d'un courant excessif. La diode 3 doit avoir une gamme de tensions inverses dont la tension la plus élevée est supérieure à la tension qui doit être appliquée aux bornes T1 et T2. Les résistances 4 et 5 peuvent être choisies variables, d'une manière connue. Dans ce cas, il convient de régler la résistance 4 de manière à obtenir une déviation minimum de l'aiguille du galvanomètre 1 à l'extrémité la plus basse de l'échelle.
La résistance shunt 5 peut être ensuite réglée de manière à donner la déviation totale pour la tension maximum qui doit être mesurée.
Si la tension à mesurer est supérieure à celle qu'une seule diode 2 peut supporter, on peut monter en série plusieurs diodes, ainsi qu'il est montré, à titre d'exemple, à la fig. 3, où deux diodes supplémentaires 21 et 22 sont connectées en série dans le circuit de mesure.
La fig. 7 montre comment peut se présenter l'échelle du galvanomètre des circuits décrits. Si l'on considère l'échelle de la fig. 7 et l'allure et non pas l'échelle des caractéristiques inverses des fig. 4 et 6, on voit que lorsque le courant est nul l'aiguille de l'instrument reste dans la position O de la fig. 7, qui correspond à l'origine O de la fig. 4. Au fur et à mesure que la tension à mesurer augmente, à partir de zéro jusqu'à 45 volts, la tension aux bornes de la diode 7 varie d'une quantité correspondant à la distance entre l'origine O et le point A de la courbe caractéristique de la fig. 4. Le courant relativement faible, correspondant sur la fig. 4 à la distance du point A à l'axe vertical, ne provoque qu'une petite déviation de l'aiguille, du point O au point A, qui correspond au point 45 volts de l'échelle de la fig. 7.
Ensuite, un accroissement de la tension appliquée ne provoque qu'un faible accroissement de la chute de tension aux bornes de la diode 2, mais le courant augmente rapidement, de manière sensiblement proportionnelle aux variations de la tension, de sorte que l'échelle de l'instrument est pratiquement uniforme, ainsi que cela se voit à la fig. 7. Par exemple, si la tension varie de 45 à 55 volts, le courant augmente du point A au point B de la caractéristique de la fig. 4, qui correspondent respectivement aux points
A et B de l'échelle de la fig. 7. La déviation totale de l'aiguille qu'on peut obtenir est déterminée par les propriétés de la diode choisie, par la gamme des tensions à mesurer et par les constantes de l'appareil de mesure utilisé.
On peut disposer d'une grande variété de caractéristiques différentes, puisqu'on trouve facilement dans le commerce des diodes dont les caractéristiques couvrent des gammes de tensions inverses comprises entre 3 et 300 volts environ.
Les circuits décrits peuvent être facilement employés pour la mesure de courants, en utilisant une résistance shunt 6, ainsi qu'il est indiqué à la fig. 8.
Le circuit de mesure, comprenant un galvanomètre 1 et une diode 2, est semblable à ceux des fig. 1 et 2.
La chute de tension aux bornes du shunt 6 est proportionnelle, ainsi qu'on le sait, au courant total absorbé par la charge Z. Ce courant total peut être mesuré par un instrument 8, moins sensible, monté en série avec une résistance variable 7 et une source de courant continu S. Bien qu'il soit un instrument de grande sensibilité, le galvanomètre 1 n'entre en action qu'après que l'instrument 8 ait accusé une déviation sensible et que la chute de tension aux bornes du shunt 6 soit suffisante pour provoquer un accroissement de conductibilité de la diode 2. Après quoi, les déviations du galvanomètre 1 sont uniformes et indiquent les variations du courant absorbé par la charge Z. Si on le veut, le galvanomètre 1 peut être étalonné pour indiquer directement les valeurs réelles de ce courant.
Les fig. 9 et 10 montrent des circuits de mesure de courants alternatifs. Ici, le galvanomètre 9 doit être prévu pour pouvoir mesurer des courants alternatifs. En série avec le galvanomètre 9 et la source de courant alternatif Ss sont montées en opposition deux diodes 2 et 2A, non linéaires, mais présentant les mêmes caractéristiques dissymétriques.
Pour les circuits à courant alternatif des fig. 9 et 10, un courant pratiquement négligeable traverse l'instrument de mesure 9 tant que la tension de la source S, se maintient au-dessous d'une valeur déterminée. Cette valeur déterminée correspond au point d'amorçage qui se trouve par exemple, à proximité du point A de la courbe des fig. 4 et 6. Pour des tensions appliquées supérieures à cette valeur, une des diodes commence à devenir conductrice, en provoquant ainsi la déviation de l'aiguille de l'instrument 9. n est clair que pour une alternance de la tension alternative une des diodes, 2 ou 2A, devient conductrice dans le sens direct, et que par conséquent la chute de tension à ses bornes est très faible.
Pour cette alternance, l'étalement de l'échelle est effectué par l'autre diode. Pour l'autre alternance de la tension, le rôle des diodes 2 et 2A est inversé. Par exemple, dans le montage de la fig. 9, si la tension à la borne supérieure de la source St augmente dans le sens positif la diode 2 devient conductrice dans le sens direct tandis que la diode 2A travaille sur sa caractéristique inverse et ne laisse passer qu'un faible courant dans le circuit de l'instrument de mesure jusqu'à ce que la tension ait atteint une valeur correspondant au point A de sa caractéristique inverse.
Lors de l'alternance suivante la diode 2A devient conductrice dans le sens direct tandis que la diode 2 fonctionne sur sa caractéristique inverse et. effectue l'étalement de l'échelle, comme précédemment décrit.
De même que dans le cas de la mesure des courants continus, les circuits des fig. 9 et 10 peuvent servir à mesurer un courant alternatif au moyen d'une résistance shunt, comme il a été indiqué à la fig. 8.
Tous les circuits décrits précédemment se prêtent facilement à la mesure de la tension ou du courant d'un wattmètre à échelle étalée à la fin. Si le circuit doit être connecté à la bobine de tension du wattmètre, on utilisera les montages représentés aux fig.
1, 2 ou 9, tandis que pour la bobine d'intensité du wattmètre on employera le montage de la fig. 8.
I1 ressort de ce qui précède que les circuits décrits présentent des avantages qui n'ont pas été atteints jusqu'ici dans les montages connus. Les diodes employées ont une grande stabilité et rapidité de fonctionnement, de sorte que les mesures peuvent être répétées sans crainte d'erreurs. Ces diodes sont d'un type courant dans le commerce, avec des gammes de tensions comprises entre 3 et 300 volts. Les dispositifs décrits qui assurent l'étalement des échelles peuvent être appliqués à un instrument de mesure avec peu de frais. Leur ensemble est léger et peut être placé à l'intérieur du boîtier de l'instrument.
Enfin, la bobine de l'instrument n'est pas sujette à être traversée par un courant supérieur au courant nominal.