FR2496896A1 - Dispositif de mesure de puissance ou d'energie electriques - Google Patents

Abstract

DISPOSITIF DE MESURE DE PUISSANCE OU D'ENERGIE ELECTRIQUES COMPORTANT UN MULTIPLICATEUR. LE MULTIPLICATEUR EST CONSTITUE PAR DES COUCHES MINCES MAGNETORESISTIVES FERROMAGNETIQUES 1 A 4 QUI FORMENT UN PONT 5. A CHAQUE COUCHE MINCE 1 A 4 EST APPLIQUEE, DANS LA DIRECTION DE L'AXE D'AIMANTATION DIFFICILE, UN CHAMP MAGNETIQUE AUXILIAIRE. LES COUCHES MINCES 1 A 4 SONT EXPOSEES PAR COUPLAGE SANS NOYAU MAGNETIQUE A UN CHAMP MAGNETIQUE EXTERIEUR H PROPORTIONNEL A UN COURANT DE MESURE I. UN COURANT I PROPORTIONNEL A UNE TENSION DE MESURE U APPARAISSANT A LA SORTIE DU PONT 5 CORRESPOND A LA PUISSANCE ELECTRIQUE U.I. APPLICATION A LA REALISATION DE COMPTEURS STATIQUES D'ELECTRICITE.

Description

-1 - La présente invention concerne un dispositif

de mesure de puissance ou d'énergie électriques compor-

tant un multiplicateur auquel est appliqué un signal électrique proportionnel à la tension de mesure et qui est exposé à un champ magnétique extérieur proportion- nel au courant de mesure passant sur un conducteur de mesure. On connaît déjà un dispositif de mesure de

puissance ou d'énergie électriques de ce type (H.H.

Wieder, Hall Generators and lagnetoresistors) (Généra-

teurs Hall et magnétorésistances), Pion Limited, Londres 1971, page 86), dans lequel on utilise comme multiplicateur un générateur Hall. Le champ magnétique extérieur est couplé avec l'intérieur du générateur Hall au moyen d'un noyau magnétique. D'après l'ouvrage cité ci-dessus (pages 74 et 77), on connaît également

un multiplicateur, qui comporte un montage en pont for-

mé de deux sources de tension ou résistances fixes et

de deux magnétorésistances ("llagnetoresistors").

2G0 Dans les générateurs Hall et les magnéto-

résistances, il est bien connu qu'on utilise un effet

galvanomagnétique se produisant dans les semi-conduc-

teurs. Le champ magnétique à mesurer est ainsi couplé

perpendiculairement au plan principal du semi-conduc-

teur en forme de plaquette, ce qui, en raison de la sensibilité sans cela faible du générateur Hall ou des magnétorésistances ne serait possible qu'au moyen d'un

noyau magnétique d'efficacité suffisante. Les inconvé-

nients sont en outre la grande dépendance de la tempé-

0 rature et la faible linéarité.

On connaît en outre un détecteur de courant pour la mesure d'un courant de mesure passant sur un conducteur de mesure (IEEL Transactions ou Magnetics, nov. 1976, pages 813-815), dans lequel quatre paires >, de couches minces magnétorésistives ferromagnétiques -2 - forment un pont. Les couches minces de chaque paire sont couplées magnétostatiquement entre elles de telle manière que le courant passant dans l'une des couches minces de chaque paire engendre un champ magnétique auxiliaire dans l'autre couche mince de la même paire. Le champ magnétique extérieur engendré par le courant de mesure aimante les couches minces dans la direction de leur axe d'aimantation difficile. Comme l'intensité

du champ auxiliaire est fonction du courant d'alimen-

IC tation du pont, ce détecteur de courant ne peut pas

être utilisé comme multiplicateur.

L'invention a pour objet de créer un dispo-

sitif de mesure de puissance ou d'énergie électriques, qui se caractérise par une plus faible dépendance de la température et qui ouvre la possibilité de coupler

le champ magnétique extérieur avec l'intérieur du mul-

tiplicateur sans noyau magnétique.

A cet effet, suivant l'invention, le multi-

plicateur est un pont électrique constitué par quatre couches minces magnétorésistives ferromagnétiques et alimenté par le signal électrique précité; un champ

magnétique auxiliaire indépendant dudit signal élec-

trique est appliqué à chaque couche mince dans la di-

rection de l'axe d'aimantation difficile de telle ma-

nière que l'aimantation dans chaque couche mince tourne en sens inverse de l'aimantation dans les deux couches minces qui sont directement reliées électriquement à la couche mince considérée; enfin, les couches minces sont exposées au champ magnétique extérieur de telle manière qu'elles soient aimantées par celui-ci dans la

direction de leur axe d'aimantation difficile.

Suivant d'autres caractéristiques de l'inven-

tion:

- les couches minces sont disposées dans un plan com-

mun et sont couplées sans noyau magnétique avec le champ magnétique extérieur; - le conducteur de mesure est un conducteur plat ou une bobine plate et les couches minces sont disposées dans un plan parallèle audit conducteur de mesure; - il est prévu un second pont analogue au premier, alimenté par une source de courant ou de tension et exposé au champ magnétique extérieur, tandis que sa

sortie est connectée à des entrées d'un amplifica-

teur différentiel, et un second signal électrique proportionnel au courant de mesure est appliqué à une autre entrée dudit amplificateur différentiel, tandis que la sortie de celui-ci est reliée à une boucle conductrice, dont le courant engendre le champ magnétique extérieur;

- il est prévu un troisième pont analogue aux deux pre-

miers, alimenté par la source de courant ou de ten-

sion précitée et exposé par couplage sans noyau ma-

gnétique à un champ magnétique de mesure engendré par le courant de mesure passant sur le conducteur

de mesure ainsi qu'à un champ magnétique de compensa-

tion, troisième pont dont la sortie est connectée à un second amplificateur différentiel, et la sortie

de celui-ci est reliée à une seconde boucle conduc-

trice, dont le courant engendre le champ magnétique de compensation; pour engendrer les champs auxiliaires, il est prévu une troisième boucle conductrice parcourue par le courant; - en variante du paragraphe précédent, la génération des champs auxiliaires est assurée par des couches à

aimantation permanente.

L'invention sera mieux comprise à la lecture

de la description détaillée qui suit et à l'examen des

dessins joints qui en représentent, à titre d'exemples

non limitatifs, quelques formes d'exécution.

-4- Sur ces dessins: la Fig. 1 est un schéma de principe d'un compteur statique d'électricité;

la Fig. 2 est une vue en perspective de par-

ties d'un multiplicateur; les Fig. 3 et 4 représentent des variantes d'un pont, et la Fig. 5 est un autre schéma de principe de

compteur statique d'électricité.

Sur la Fig. 1, les références 1 à 4 désignent

quatre couches minces magnétorésistives ferromagnéti-

ques, qui forment un pont électrique 5. Ce pont 5 re-

présente un multiplicateur muni de bornes de sortie 6, 7; il est relié, par l'intermédiaire d'un diviseur de tension constitué par deux résistances 8, 9, à une tension de mesure Xl et, par conséquent, est alimenté par un courant I0 proportionnel à la tension de mesure Um. Un courant de mesure IM passant sur un conducteur de mesure 10 engendre un champ magnétique extérieur Ha avec lequel les couches minces 1 à 4 sont couplées sans noyau magnétique. La tension Ub du pont, qui apparait aux bornes de sortie 6, 7, est appliquée à l'entrée d'un amplificateur différentiel 11, qui amplifie ladite tension Ub du pont avec un gain constant et dont la tension de sortie Ua est appliquée à un convertisseur

tension/fréquence 12. Un compteur 13 compte les impul-

sions de sortie du convertisseur tension/fréquence 12.

Sur la Fig. 2 qui n'est pas dessinée à l'é-

chelle, les couches minces 1 à 4 s'étendent dans un plan commun. Audessous des couches minces 1 à 4 est

disposé le conducteur 9, 10. Au-dessus des couches min-

ces 1 à 4 et en alignement avec celles-ci sont dispo-

sées dans un plan commun quatre couches à aimantation permanente 14 à 17. Le conducteur de mesure 10, les couches minces 1 à 4 et les couches 14 à 17 sont isolés -5-

entre eux par des couches d'isolement non représentées.

Le courant de mesure I présent sur le conduc-

teur de mesure 10 passe dans la direction de l'axe

d'aimantation facile LA des couches minces 1 à 4.

Comme conducteur de mesure 10, on utilise avantageuse-

ment un conducteur plat ou une bobine plate, tandis que les couches minces 1 à 4 du pont 5 sont disposées

dans une zone, dans laquelle le champ magnétique exté-

rieur Ha engendré par le courant de mesure I est ho-

1G mogène et aimante les couches minces 1 à 4 dans la di-

rection de leur axe d'aimantation difficile HA. Comme les couches minces 1 à 4 et le conducteur de mesure 10 peuvent être disposés à très faible distance les unes au-dessus de l'autre dans des plans parallèles entre eux et n'ont besoin d'être isolés entre eux que par une couche de faible épaisseur, aucun noyau magnétique n'est nécessaire et le couplage sans noyau magnétique du champ extérieur úa dans les couches minces 1 à 4

s'effectue néanmoins avec une grande efficacité.

do10 Comme représenté sur la Fig. 3, les deux ex-

trémités arrière (sur les Fig. 2 et 3) des couches minces 1,.2 et les deux extrémités avant des couches minces 3, 4 sont connectées au diviseur de tension 8, 9

(Fig. 1), qui injecte le courant I0 dans le pont 5.

L'extrémité avant de la couche mince 2 ainsi que l'ex-

trémité arrière de la couche mince 4 sont reliées à la borne de sortie 6 du pont 5 et l'extrémité avant de la

couche mince I ainsi que l'extrémité arrière de la cou-

cne mince 5 sont reliées à la borne de sortie 7 dudit

)C ront.

L'aimantation orientée vers la droite +H de la couche à aimantation permanente 14 (Fig. 2) engendre dans la couche mince 1 s'étendant audessous d'elle (ou au-dessus d'elle) un champ auxiliaire orienté vers la gauche it I rig. moyennant quoi le vecteur d'aiman- tation M dans la couche mince 1 tourne dans le sens anti-horaire d'un angle déterminé vers l'extérieur à partir de l'axe d'aimantation facile EA. D'une manière analogue, l'aimantation +H de la couche 17 produit dans la couche mince 4 un champ auxiliaire +Hb et une

rotation du vecteur d'aimantation 1. dans le sens anti-

horaire. L'aimantation -H des couches 15 et 16 produit dans les couches minces 2 et 3 un champ auxiliaire orienté vers la droite -Hb et une rotation du vecteur

d'aimantation M dans le sens horaire.

Les champs auxiliaires +Hb et -Ib, respecti-

vement, sont donc appliqués dans la direction de l'axe

d'aimantation difficile HA de telle manière que l'ai-

mantation dans chacune des couches minces 1 à 4 tourne en sens inverse de l'aimantation dans les deux couches minces 2, 3 ou 1,4, respectivement, directement reliées

électriquement à la couche mince considérée. La varia-

tion de résistance résultant de cette rotation de l'ai-

mantation est la même dans toutes les couches minces

1 à 4 et le pont 5 reste en équilibre.

Dès que le pont 5 est exposé au champ magné-

tique extérieur Ha, la résistance électrique varie de

façon différente dans les diverses couches minces pré-

magnétisées 1 à 4 et il apparaît une tension de pont

Ub.

A l'intérieur de la gamme de variation admis-

sible, qui est limitée par le fait que l'une des cou-

ches minces de chacune des paires de couches minces 1, 2 et 3, 4 se sature, on a - 2. z.,R 1 h h b =o2 * b a o:

àR est la variation de résistance maximale des cou-

ches minces, -7- -=Ms, un facteur de démagnétisation normalisé, Hk N, le facteur de démagnétisation dans les couches minces, MJi, la saturation magnétique, Xk, l'intensité de champ d'anisotropie, hb= et Hk Ha ha a

La tension de pont Ub est donc proportionnelle au cou-

rant I0 ainsi qu'au champ magnétique extérieur Ha et,

par conséquent, au produit Um.Im. À la sortie de l'am-

plificateur différentiel 11, une tension Ua rapportée au potentiel zéro, séparée galvaniquement du conducteur de mesure 10, est disponible en tant que représentation de la puissance électrique et, sur le compteur 13, on peut lire l'énergie électrique. En comparaison de ce qui se passe dans les multiplicateurs constitués par

des générateurs Hall ou des magnétorésistances, la for-

mation du produit Um Im n'est affectée que d'une er-

reur de température beaucoup plus faible.

L'intensité des champs auxiliaires Hb doit être constante et en outre, indépendante du courant I, car elle intervient directement dans le résultat de la mesure. La tension de pont Ub et, par conséquent, la précision de mesure qu'on peut obtenir sont maximales si l'on choisit 1t 1 +y hb b 2 Comme représenté sur la Fig. 4, la génération des champs auxiliaires Hb peut s'effectuer au moyen d'une boucle conductrice 18 qui est disposée, au lieu des couches à aimantation permanente 14 à 17, à faible

- -8- X

distance au-dessous ou au-dessus des couches minces 1 à 4, est isolée de celles-ci et est parcourue par un

courant auxiliaire Ib.

Le convertisseur tension/fréquence 12 peut fonctionner selon le procédé connu de l'inversion de polarité périodique, qui se caractérise par une grande

précision et par la suppression d'erreurs de point zéro.

L'inversion périodique alors nécessaire du signe de la

multiplication peut s'effectuer au moyen d'un commuta-

teur analogique qui, par exemple, inverse la polarité

du courant I, du courant auxiliaire I ou de la ten-

0 b sion de pont Ub., Sur la Fig. 5 les éléments identiques à

ceux de la Fig.-1 sont désignés par les mêmes carac-

tères de référence que sur celle-ci. Outre le pont 5,

il est prévu un second pont analogue 19, qui est ali-

menté par une source de courant ou de tension 20 et

est exposé, conjointement avec le pont 5, au champ ma-

gnétique extérieur H. Ce champ extérieur H est bien gne a a proportionnel au courant de mesure I ou à une tension d'entrée Ux mais il n'est pas engendré directement par le courant de mesure Im mais par un courant Ia passant dans une boucle conductrice 21. La boucle conductrice 21 prend donc sur la Fig. 2 la place du conducteur de mesure 10. La sortie du pont 19 est connectée à des entrées d'un amplificateur différentiel 22 à gain très

élevé. A une autre entrée de l'amplificateur différen-

tiel 22 est appliquée la tension Ux proportionnelle au courant de mesure I Le pont 19, l'amplificateur différentiel 22

et la boucle conductrice 21 forment une boucle de régu-

lation, qui règle le champ extérieur Ha de telle manière que la différence entre la tension de sortie Ubl du pont 19 et la tension d'entrée Ux soit minimale, de sorte qu'avec une tension d'alimentation constante du -9 -

pont 19, un champ extérieur H a proportionnel à la ten-

sion d'entrée Ux est établie. A la sortie de l'amplifi-

cateur différentiel 11 apparaît une tension Ua pro-

portionnelle au produit Uc XUm. Les non-linéarités éventuelles des ponts 5 et 19 en fonction du champ extérieur H a se compensent mutuellement, de sorte que

seule la différence entre les deux erreurs de linéari-

té peut encore agir sur le résultat de la mesure.

Pour engendrer la tension d'entrée Ux à par-

tir du courant de mesure I. avec une séparation galva-

nique des deux circuits, on peut utiliser un convertis-

seur de courant classique. Il est toutefois plus avan-

tageux de prévoir à cet effet un troisième pont 23

analogue aux ponts 5 et 19 et également alimenté à par-.

tir de la source de courant ou de tension 20. Le pont 23 est exposé par couplage sans noyau magnétique à un

champ magnétique de mesure H ainsi qu'à un champ ma-

gnétique de compensation H h orienté en sens inverse du

champ Hm. Le champ magnétique de mesure Hm est engen-

dré par le courant de mesure Im passant sur le conduc-

teur de mesure 10. La sortie du pont 23 est connectée à un amplificateur différentiel 24, qui présente un gain très élevé et dont la sortie est. reliée à une

boucle conductrice 25. En série avec la boucle conduc-

ë5 trice 25 est montée une résistance 26, à travers la-

quelle la tension d'entrée Ux s'abaisse.

Le courant de compensation Ih passant dans la boucle conductrice 25 engendre le champ magnétique de compensation Hh. Par suite de l'action de la boucle

de régulation constituée par le pont 23, l'amplifica-

teur différentiel 24 et la boucle conductrice 25, le courant de compensation Ih s'établit,de telle manière que la différence entre le champ magnétique de mesure

Hm et le champ magnétique de compensation Hh est mini-

male et qu'on a 'h I. Par suite de l'équilibrage du maleet q'on I m

-1 (-,-

champ différentiel 1Hm - Hh agissant sur le pont 23, la proportionnalité entre la tension d'entrée Ux et le

courant de mesure Im n'est pas influencée par des er-

reurs de linéarité éventuelles du pont 23.

Le compteur statique d'électricité décrit en référence à la Fig. 5 se caractérise, grâce aux deux boucles de régulation, par une précision de mesure

particulièrement bonne. La complexité technique pour-

rait, il est vrai, sembler assez grande au premier abord mais en fait elle n'entre pas en ligne de compte car des noyaux magnétiques ne sont pas nécessaires et

les couches minces des ponts 5, 19 et 23, les compo-

sants électroniques et les boucles conductrices 21 et , éventuellement réalisées sous forme de bobines à couche mince, peuvent être fabriqués en technique de circuits intégrés et être rassemblés sur une seule et

même plaquette de semi-conducteurs.

-11-,;

- REVEj'iDIC TI0NS -,v

1 - Dispositif de mesure de puissance ou d'.

nergie électriques comportant un multiplicateur, auquel est appliqué un signal électrique proportionnel à la tension de mesure, et qui est exposé à un champ magné-

tique extérieur proportionnel au courant de mesure pas-

sant sur un conducteur-de mesure, ledit dispositif étant caractérisé en ce que le multiplicateur est un

pont électrique (5) constitué par quatre couches minces-

magnétorésistives ferromagnétiques (1 à 4) et alimenté -.' par le signal électrique (I), en ce qu'à chaque couche'' o

mince (1 à 4) un champ magnétique auxiliaire (Rb) indé-

pendant du signal électrique (I) est appliqué dans la-' o direction de l'axe d'aimantation difficile (HA), en ce que l'aimantation (M) dans chaque couche mince (1 à 4) tourne en sens inverse de l'aimantation (M) dans les

deux couches minces (2; 3 ou 1; 4) directement re-

liées électriquement à la couche mince (1, 2, 3 ou 4) considérée et en ce que les couches minces (1 à 4) sont exposées au champ magnétique extérieur (Ha) de telle

manière qu'ils sont aimantés par ce champ dans la di-

rection-de leur axe d'aimantation difficile (HA).

2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les couches minces (1 à 4) sont disposées dans un plan commun et sont couplées avec le

champ magnétique extérieur (H a) sans noyau magnétique.

3 - Dispositif suivant la revendication 2,

caractérisé en ce que le conducteur de mesure (10) est'.

un conducteur plat ou une bobine plate, et en ce que les couches minces (1 à 4) sont disposées dans un plan

parallèle audit conducteur de mesure (10).

4 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est prévu un second pont (19) analogue au premier, alimenté à partir d'une source de

courant ou de tension (20) et exposé au champ magné-

-12- tique extérieur (Ha), second pont dont la sortie est

connectée à des entrées d'un amplificateur différen-

tiel (22), en ce qu'un second signal électrique (UX) proportionnel au courant de mesure (Im) est appliqué à une autre entrée de l'amplificateur différentiel

(22), et en ce que la sortie de l'amplificateur diffé-

rentiel (22) est reliée à une boucle conductrice (21),

dont le courant (Ia) engendre le champ magnétique ex-

térieur (Ha).

5 - Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est prévu un troisième pont (23) analogue aux deux premiers, alimenté à partir de la source de courant ou de tension (20) et exposé par couplage sans noyau magnétique à un champ magnétique de

mesure (H) engendré par le courant de mesure (1M) pas-

sant sur le conducteur de mesure (10) ainsi qu'à un champ magnétique de compensation (Hh), troisième pont dont la sortie est connectée à un second amplificateur différentiel (24), et en ce que la sortie du second

amplificateur différentiel (24) est reliée à une se-

conde boucle conductrice (25), dont le courant (Ih)

engendre le champ magnétique de compensation (Hh).

6 - Dispositif suivant l'une des revendica-

tions 1 à 5, caractérisé en ce que, pour engendrer les champs auxiliaires (Hb,), il est prévu une autre boucle

conductrice (18) parcourue par le courant.

7 - Dispositif suivant l'une des revendica-

tions 1 à 5, caractérisé en ce que, pour engendrer les champs auxiliaires (Hb), il est prévu des couches à

aimantation permanente (14 à 17).