Voltmètre à résistance d'entrée très élevée.
Un grand nombre de mesures de tension exige l'emploi d'appareils n'absorbant prati quement pas de courant. Les voltmètres à tubes électroniques répondent à cette condition, mais ils se prêtent mal à la mesure des tensions élevées surtout continues. Les voltmètres électrostatiques sont en général fragiles et leur échelle de lecture est incommode, la déviation étant proportionnelle au carré de la différence de potentiel à mesurer.
La présente invention a pour objet un voltmètre dont la résistance d'entrée est très élevée, pratiquement infinie, et qui peut être agencé aussi bien pour mesurer des tensions relativement basses que des tensions de plusieurs centaines de kilovolts. Il permet, en outre, une construction extrêmement robuste et remarquablement compacte.
Le voltmètre conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une petite génératrice électrostatique à influence, com- portant au moins un inducteur destiné à être relié à l'une des bornes de la source de courant dont on désire mesurer la tension, et au moins un induit destiné à être relié à la seeonde borne de ladite source à travers un cir- cuit à pertes négligeables et comportant un appareil de mesure du courant passant dans ledit circuit, des moyens étant prévus pour déterminer un mouvement de rotation relative à vitesse sensiblement constante, de l'indueteur et de l'induit.
Le nouveau voltmètre permet les mesures des tensions continues et alternatives. Pour faciliter l'exposé de l'invention, on envisagera d'abord, dans les exemples de réalisation qui vont être décrits, la mesure des tensions continues, puis l'on indiquera, les précautions et corrections à introduire pour la mesure des tensions alternatives.
On a représenté aux dessins ci-joints dif férents exemples de réalisation du voltmètre objet de l'invention.
Dans ces dessins :
Fig. 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation du voltmètre.
Fig. 2 représente schématiquement un autre mode de réalisation.
Fig. 3 représente un détail d'une variante.
Fig. 4 représente schématiquement un troi- sième mode de réalisation du voltmètre.
Fig. 5 est une vue en coupe longitudinale du voltmètre selon la fig. 4.
Fig. 6 est une vue par en dessus d'un détail de ce voltmètre.
Fig. 7 est une vue en bout de ce voltmètre.
Fig. 8 représente un dispositif correcteur faisant varier l'intensité du courant traversant l'appareil de mesure en fonction inverse de la fréquence de ce courant.
Fig. 9, 9a et 10, 10"sont des diagrammes relatifs aux mesures de tension respectivement en courant continu et en courant alternatif.
Tel qu'il est représenté à la fig. 1, le voltmètre comprend un stator inducteur formé par deux coquilles cylindriques 1 et 1'reliées à une borne 2. Deux autres coquilles cylindri- ques 3 et 3'également fixes et formant écrans sont intercalées entre les coquilles 1 et 1'et sont reliées à la masse.
Un rotor induit est constitué par deux paires de coquilles eylindri- ques 4-4'et 5-5'formant transporteurs, placées coaxialement avee les coquilles 1-1' et 3-3'et reliées respectivement à des lames collectrices 6-6'et 7-7'avee lesquelles peuvent coopérer des balais 8-8'reliés directement à la masse et des balais 9-9'reliés également à la masse, mais par l'intermédiaire d'un appareil de mesure de courant 10 tel qu'un galvanomètre à cadre mobile.
Les balais sont calés de telle manière que chacune des coquilles de l'induit est reliée à la masse à partir du moment où elle vient en regard d'une coquille inductrice 1 ou 1'jusqu'au mo- ment où elle commence à dépasser cette co- quille et, entre temps, à l'appareil de mesure, c'est-à-dire à partir du moment où elle vient en regard d'un des écrans 3 ou 3'jusqu'au moment où elle commence à dépasser cet écran. Un moteur non représenté, par exemple un moteur asynchrone synchronisé, permet de faire tourner le rotor à une vitesse aussi constante que possible.
La source, dont on désire mesurer la tension If, a une de ses bornes connec- tée à la borne 2 et l'autre à une borne 11 reliée à la masse. Les lames 6-6'et 7-7'du collecteur occupent le même angle que les coquilles rotoriques, soit sensiblement 90 dans l'exemple représenté, et sont placées en regard de ces coquilles.
Le fonctionnement de l'appareil est le suivant :
Si l'on suppose que la borne 2 est positive de l'électricité négative est induite sur les transporteurs 4'lorsque ces derniers sont en regard des inducteurs 1-1'et qu'ils sont reliés à la masse par les balais 8-8'. Dès que les transporteurs commencent à sortir des indueteurs, les lames 6-6'cessent d'être en contact avec les balais 8-8'pour être mises en contact avec les balais 9-9'. Les transpor- teurs sont ainsi connectés à 1'appareil de mesure 10.
Lorsque les transporteurs sont com- plètement sortis des inducteurs, ils ont dé- bité toute leur charge dans l'appareil de mesure 10 aidés en cela par les écrans 3-3' portés au potentiel zéro. Ces écrans ne sont pas indispensables, mais, ainsi qu'on vient de le voir, ils améliorent le fonctionnement de l'appareil.
On voit que le voltmètre comprend en fait une petite génératrice électrostatique à influence, excitée par la tension inconnue F à mesurer. Cette génératrice débite dans un circuit de mesure dont la résistance est négli- geable ainsi que, par conséquent, la tension à ses bornes et les pertes. Elle travaille en court-circuit.
Dans ces conditions, toutes choses égales par ailleurs, en particulier la vitesse de rotation des transporteurs étant constante, le courant débité i dans l'appareil de mesure 10 est proportionnel à la tension d'exci- tation U. En effet, si l'on désigne par q la charge portée par les transporteurs à un moment donné et par C la capacité entre lesdits transporteurs et les inducteurs 1-1', le courant débité a pour valeur : dq U dC
dt dt
Si la valeur moyenne de-est constante.
dt on a le courant moyen i.,,, = A.
A= d étant la constante de proportionnalite de l'appareil.
De la mesure du courant i débité par la génératrice, on peut don. déduire la tension d'excitation U et l'appareil de mesure 10 peut être gradué directement, par exemple en volts ou en kilovolts. Le courant i est de l'ordre de quelques microampères et peut éventuellement être amplifié par un amplificateur 12 avant de traverser l'appareil de mesure.
Il est évident que la génératrice ne réalise aucune transformation énergétique : on applique à ses inducteurs une tension sans consom- mation de courant (l'impédance d'entrée est done infinie, aux pertes près), et elle débite un courant sous une tension pratiquement nulle.
Le moteur d'entraînement a seulement à compenser les pertes mécaniques.
La sensibilité du voltmètre s'exprime par le rapport 1 =-du courant débité par la tension d'excitation. Toutes choses égales par ailleurs, le courant débité est proportionnel à la quantité d'électricité accumulable sur les électrodes induites, donc à la densité superficelle que l'on peut y fixer.
Or, la densité d'électricité maximum portée par les transporteurs est proportionnelle à l'induction électrostatique maximum, e.. E,, I pouvant exister dans le milieu fluide entourant les organes électriques de la machine, E désignant le pouvoir inducteur spécifique de ce milieu et E", sa rigidité diélectrique. On augmente donc le courant i transporté par les induits et, par suite, la sensibilité du voltmètre, en utilisant un milieu de grande rigi- dité diélectrique et de pouvoir inducteur spé eifique élevé.
L'utilisation d'air comprimé, par exemple, permet d'augmenter considéra blement cette sensibilité : à 19 atmosphères on a, par exemple, c = 1, 01, E", = 450 kVJcm, et le produit E. lX 54, 5 kV cm, done su- périeur à 300 liviem.
D'autre part, les électrodes sont de préfé- rence réalisées de façon que le champ électri- que soit homogène et aussi voisin que possible du champ maximum admissible dans 1'espace interélectrodes.
La génératrice représentée à la fig. 1 com- porte quatre transporteurs, donc quatre pôles.
Hn augmentant le nombre de poles, on augmente] le débit et, par suite, la sensibilité.
Enfin, lorsque le courant' est amplifié, la sensibilité résultante est égale à la sensimilité propre de l'appareil multipliée par le gain de l'amplificateur 12.
Dans la génératrice électrostatique de la fig. 1, un collecteur à lames redresse le cou- rant alternatif engendré dans les organes mobiles et le conduit à des organes fixes, comme dans une machine électromagnétique à cou- rant continu. La génératrice électrostatique peut être à courant alternatif, auquel cas le courant de charge et de décharge des transpor- teurs passe par un contact glissant tel qu'une bague solidaire du rotor, sur laquelle frotte le balai.
Comme les appareils de mesure à con- rant alternatif sont, en général, peu sensibles, il est préférable d'utiliser un appareil à con- rant continu à bobine mobile combiné avec un ou plusieurs redresseurs, connectés de façon telle qu'ils permettent le passage des courants de charge et de décharge des transporteurs dans le circuit de débit de la génératrice, mais qu'ils ne laissent passer, dans l'appareil de mesure, qu'un courant unidirectionnel. Les redresseurs peuvent être des diodes à cathodes chaudes ou des contacts à conductibilité dys symétrique à semi-conducteurs.
Un voltmètre ainsi conçu est représenté à la fig. 2. Dans ce voltmètre, les transporteurs l l'sont reliés à une bague 13 au contact de laquelle se trouve un frotteur 14. Ce dernier est relié à deux redresseurs 15 et 15'dont l'un laisse passer le courant dans un sens et l'autre dans l'autre. Le redresseur 15 est relié à la masse par l'intermédiaire d'un appareil à bobine mobile ou d'un dispositif similaire et est parcouru par le courant de décharge, alors que le redresseur 15'est relié à la masse directement et est parcouru par le courant de charge.
Les redresseurs peuvent être montés en pont, ainsi qu'on le voit à la fig. 3 ; cette disposition double la sensibilité du voltmètre, puisque les courants de charge et de décharge passent tous deux dans le galvanomètre 10.
Au lieu de constituer le rotor par les induits et le stator par les inducteurs, comme dans les dispositifs qui viennent d'être décrits, on peut permuter les rôles du stator et du rotor, les induits constituant alors le stator et les inducteurs le rotor. Ce mode de réalisation est particulièrement intéressant lorsque la liaison électrique entre le rotor et la partie fixe du voltmètre est réalisée au moyen d'un contact glissant. On évite ainsi le contact glissant à basse tension qui est parcouru par le courant de débit de l'appareil de mesure pour le remplacer par un contact glissant haute tension, dans lequel aucun courant ne passe en régime permanent aux pertes près, toujours très faibles.
Une fois que les éléments du rotor sont chargés, il est sans importance que le contact glissant soit de mauvaise qualité et même une forte résistance de contact reste sans incon vénient.
Un voltmètre de ce dernier type est repré- senté schématiquement. à la fig. 4 ; il comprend un rotor inducteur formé par quatre coquilles cylindriques 16 occupant ehaeune un angle d'environ 45 et reliées à une bague 17 coopérant avec un frotteur 18. Ce dernier est connecté à la borne 2 à travers une résistance de protection 19 destinée à limiter le courant en cas de décharges et de valeur relativement élevée de l'ordre de 100 mégohms. Un moteur asynchrone synchronisé 23 permet d'entraîner le rotor à une vitesse sensiblement constante.
Le stator induit comporte huit coquilles ey- lindriques 20 et 21 coaxiales avec les coquilles 16. Les coquilles 20 sont reliées directement à la masse et les coquilles 21, intercalées entre les coquilles 20 et en nombre égal à celles-ci, sont également reliées à la masse, mais par l'intermédiaire de l'appareil de mesure 10 et d'm pont comprenant quatre diodes 22 à ca- thodes chaudes qui pourraient être remplacées par des redresseurs à semi-conducteurs. On pourrait éventuellement supprimer les coquil- les 20, seules les coquilles 21 ayant un rôle actif,
mais ces coquilles 20 ont pour effet de stabiliser la capacité d'entrée du voltmètre qui est alors constante et ne fluctue pas au cours de la rotation, puisqu'à tout moment les quatre coquilles rotoriques 16 ont en face d'elles des coquilles à potentiel nul ou prati quement nul. De la sorte, la charge des coquil- les rotoriques est constante au cours de la rotation et aucun courant alternatif ne circule dans le circuit haute tension. Durant cette rotation, les coquilles 21 se chargent et se déchar- gent alternativement dans l'appareil de mesure 10 auquel elles sont reliées par des contacts fixes et parfaits.
Un dispositif de protection est intercalé entre les coquilles 21 et les diodes 22. Ce dispositif comprend trois résistances 24 et trois tubes à néon 25 interposés entre la masse et les extrémités de ces résistances. Ce dispositif protège l'appareil de mesure contre les ondes à front raide pouvant résulter de décharges et qui sont dérivées par les tubes, et contre toute surcharge du voltmètre ; en effet, si le courant débité devient trop grand, la différenee de potentiel aux bornes des tubes 25 augmente et atteint la tension d'amorçage de ces tubes. Ces derniers constituent donc des shunts automatiques dérivant l'excédent de courant.
L'appareil de mesure est constitué par exemple par un microampèremètre à cadre mobile et est shunté par des résistances 26 pouvant être mises en circuit par un commutateur 27. Une résistance 98 est placée en série avec le microampèremètre et est destinée à limiter le courant des diodes 22 à une valeur si petite que les pertes du circuit sont négli- gables.
L'alimentation basse tension comprend un transformateur 29 à deux secondaires 81 et
Sur le primaire, qui est universel, est in tercalé un interrupteur 30. Le secondaire S, sert à l'alimentation du moteur 23 et un con densateur 31 relié à l'une des bornes de ce secondaire est utilisé pour l'alimentation de la phase auxiliaire du moteur. Le secondaire $2 sert à chauffer les diodes'2 et à alimenter une lampe témoin 32.
Il est avantageux de constituer le voltmètre en deux ensembles dont l'un est consti- tué par la génératrice, le moteur d'entraîne- ment et le pont de redressement et dont l'autre est constitué par un pupitre de mesure comprenant les organes de commande et l'ap- pareil de mesure 10. Ces deux ensembles sont reliés par un câble souple à sept conducteurs 33, qui peut être aussi long qu'on le désire. On peut ainsi monter la partie génératrice près de l'installation à haute tension. alors que le pupitre de commande et de mesure peut être éloigné de cette installation en étant, par exemple, incorporé à un tableau général de commande.
Il v a lieu de remarquer que le pont de redressement doit être monté dans l'ensemble comprenant la génératrice ; en effet la capacité avec la masse du fil de liaison parcouru par un courant alternatif est une capacité parasite qui diminue la sensibilité du voltmètre. Au contraire, le courant continu obtenu après redressement peut être transporté sans inconvénients aussi loin qu'on le désire, jusqu'au pupitre de commande.
On a représenté aux fig. 5 à 7 un exemple de réalisation pratique du voltmètre montré . sehématiquement à la fig. 4. Ce voltmètre comprend un boîtier 34 renfermant la génératrice ainsi que son moteur d'entraînement et obturé à chacune de ses extrémités, de façon étanche, par des chapeaux 35 et 36 maintenus par des écrous 37.
Les coquilles rotoriques 16 sont fixées a une masse en matière isolante 38 dans laquelle sont noyés deux axes 39 et 40 à tête sphérique constituant l'arbre du rotor. L'axe 40 est à la masse et est relié au moteur d'entraînement 23. L'axe 39 est connecté électriquement avec les coquilles rotoriques 16 et un frotteur 18 est appuyé par un ressort 41 sur l'extrémité 17 dudit axe 39. La résistance de protection 19, qui est noyée dans un bloc de matière isolante 42, relie ce frotteur 18 à l'un des conducteurs 2 d'un câble 43 d'entrée haute ten- don à deux eonducteurs, le second de ces conducteurs étant à la masse.
Les coquilles statoriques 20 et 21 sont fixées à leurs extrémités dans deux masses annulaires en matière isolante 44 et 45. La masse 44 est appuyée contre le bloc 42 et est munie d'un joint d'étanchéité 46.
La masse 46 est logée dans une masse isolante anmu- laire 47 entourant l'accouplement 48 de l'axe 40 et de 1'arbxe du moteur d'entraînement 23.
fie chapeau 36 comporte une cloison trans versale 49 munie de traversées étanches 50 pour le passage des conducteurs d'alimentation du moteur 23 et du conducteur reliant les coquilles statoriques 21 au pont de redres sement. La cloison 49 est également munie d'un conduit 51 terminé par une valve 52 et permettant d'introduire sous pression dans le boîtier 34 un gaz comme par exemple de l'air.
Dans ce chapeau 36 sont logés le pont de redressement constitue par deux duo-diodes 22 et le dispositif de protection comprenant les tubes à néon 25. Le fond 53 du chapeau est amovible de facon à permettre le changement éventuel des diodes et des tubes à néon.
Les organes de commande et de mesure sont renfermés dans un coffret 54 qui peut être rendu solidaire du boîtier 34 au moyen de deux colliers en deux parties 55 et 55a qui servent en même temps de pieds-supports pour l'ensemble. Le coffret 54 peut être relié électriquement au boîtier 34 par un câble 56 contenant les sept conducteurs 33 et terminé par deux fiches pouvant s'enfoncer dans des prises 57 et 58. Une prise 59 permet d'alimenter le primaire du transformateur 29.
Le microampèremètre 10 est gradué direc- tement en kilovolts et le commutateur 27, qui est à trois positions, permet de relier en pa rallèle avec ce microamperemètre des shunts de valeur telle que le maximum de déviation du mieroampèremètre corresponde respectivement, par exemple, à des tensions de 25, 50 et 75 kilovolts. Les graduations sont sensiblement linéaires. Si l'on interposait entre les coquilles 21 et l'appareil de mesure 10 un am plificateur à lampes ayant un gain de 200 par exemple, le maximum de déviation du microampèremètre correspondrait respectivement à des tensions de 125, 250 et 375 V.
Ainsi qu'il a été dit précédemment, le cou- rant i débité par la génératrice est proportionnel à la tension IT à mesurer : i =. 1 l7.
Le coefficient de proportionnalité l dé- pend des dimensions géométriques de la gé- nératrice ainsi que de la vitesse de rotation du moteur d'entraînement. Les dimensions géométriques n'ont guère l'occasion de varier et on a supposé ci-dessus que la vitesse de rotation était constante. Mais cette dernière hypothèse n'est pas entièrement exacte ; en effet, la vitesse de rotation du moteur dépend de la fréquence du secteur. Cette fréquence peut varier durant la mesure et, si elle ne varie pas, elle peut être différente de la fré- quenee d'étalonnage, auquel cas les indications données par le voltmètre sont erronées.
Par exemple, si la fréquence du secteur était de 50 au moment de l'étalonnage et n'est que de 48 au moment de l'utilisation du voltmètre, toutes les mesures effectuées présentent une erreur de 4 /o par défaut. Il est peu probable que la fréquence varie sensiblement durant la mesure. On peut donc effectuer des mesures qui sont exactes, selon toute vraisemblance, en déterminant la fréquence du secteur/ au moment de la mesure et en multipliant la tension lue an voltmètre par le rapport',/,.
t. étant la fréquence du secteur au moment de l'étalonnage.
Ce procédé présente l'inconvénient de né- cessiter la mesure de la fréquence du secteur au moment où l'on a à déterminer la valeur inconnue d'une tension. De plus, il laisse sub- sister une certaine incertitude : la fréquence du secteur peut avoir légèrement varié entre le moment où l'on mesure la fréquence et celui où on détermine la valeur de la tension.
On peut éviter ces inconvénients en interealant entre la génératrice et le microampèremètre un circuit électrique correcteur faisant varier l'intensité du courant débité par la gé- nératrice en sens inverse de la fréquence de ce courant.
On a représenté à ia fig. 8 un tel circuit correcteur. Tel qu'il est représenté, il est formé par un circuit bouchon comprenant une inductance 60 et une capacité 61. Le pont de redressement 22 et l'appareil de mesure] 0 sont placés dans la branche de l'inductance 60. Les valeurs de l'inductance et de la capacité sont déterminées de façon que la fré- quence de résonance du circuit bouchon ne soit pas comprise entre les limites possibles de variation de fréquence du courant produit par la génératrice et qu'à une variation de cette fréquence corresponde une variation dans le même sens de l'impédance du circuit bouchon.
Les applications du voltmètre objet de l'in- vention qui viennent d'être décrites sont relatives à la mesure des tensions continues. En tant que structure fondamentale, un voltmètre destiné à mesurer des tensions alternatives est tout à fait analogue ; les considérations déve loppées ei-dessous permettent de déterminer les corrections qu'il convient d'apporter aux indications lues sur l'appareil et, éventuellement, les modifications à apporter à la construction du voltmètre, pour qu'il soit mieux adapté aux tensions alternatives.
L'appareil qui mesure le courant dans des voltmètres décrits (généralement un microampèremètre à cadre mobile associé à un redresseur) est, en réalité, influencé par le débit moyen de la génératrice électrostatique : en d'autres termes, on lit Ja valeur moyenne des charges induites sur les coquilles de la génératriee par les coquilles inductrices portées au potentiel à. mesurer.
En courant continu, aucune indétermina- tion n'est possible : la valeur moyenne des charges induites et du courant débité est proportionnelle à la tension d'excitation que l'on se propose de mesurer. En se reportant aux fig. 9 et 9a, on se rend compte du fonctionnement du voltmètre. A la fin de chaque période de charge de durée teç la tension d'excitation à mesurer est la tension constante 7', (fig. 9 et la charge induite correspondante q = C Z/e,
C étant la capacité maximum entre coquilles.
Pendant la période de décharge suivante, de durée td, la charge q s'écoule en donnant un
CUe courant i = - (fig. 9a) dont la va,leur
td moyenne dans le temps est i, n = CT
où T = te + td sera appelé dans ce qui suit : période de la génératrice.
En courant alternatif, sinusoïdal ou non, le processus est un peu plus compliqué. On considérera le cas d'une tension sinusoïdale représentée par la fig. 10. Soit I71 l'amplitude de la tension à mesurer, à la fin de la période de charge cl, la eharge de la coquille induite étant alors C Z¯j ; le courant débité pendant la période de décharge #, suivante (fig. 10a) est done :
(1 U
@@@
il =
td
On supposera que la constante de temps de charge est petite par rapport à la période T de la génératrice.
A la fin de la période de charge suivante, c2, 1'amplitude de la tension à mesurer est T ! 2, et la charge prise par la coquille induite
C IJ2 ; le courant débité pendant la période de décharge 42 suivante est done :
CU2
t'i
t, i et ainsi de suite.
La valeur moyenne, dans le temps, des courants il, i2, i3..., qui fait dévier le microampèremètre de mesure, prend donc une valeur qui, à priori, n'a pas forcément de rapport défini avec la tension à mesurer.
En particulier, si la période T de la génératrice est égale à la période de la tension à mesurer, l'indication sera fonction du dépha- sage entre les deux phénomènes. Pour un déphasagenul, l'indieation sera nulle ; elle erol- tra avee le déphasage et donnera la valeur de la tension maximum pour m déphasage de valeur-. dans le cas d'une tension sinnsoï-
2 dale.
Cependant, la valeur moyenne des courants il, i2, i3... résultant d'une intégration, il est manifeste que cette valeur tendra vers une limite, lorsque la période de la génératriee deviendra de plus en plus différente de la période de la tension à mesurer.
Si la période de la génératrice devient très petite par rapport à l'autre, ce qui implique que la génératrice tourne vite et comporte un grand nombre de pôles, le voltmètre donnera une indication définie qui sera dans un rapport déterminé avec la valeur moyenne de la tension à mesurer. A la limite, lorsque la période T tend vers zéro (e'est-à-dire que le produit de la vitesse de la machine par le nombre de ses pôles tend vers l'infini), 1'indica- tion tendra à devenir rigoureusement proportionnelle à la valeur moyenne de la tension à mesurer.
Pour illustrer d'une façon plus concrète ce qui vient d'être dit, on va considérer le cas d'un voltmètre du type représenté par les fig. 4 à 7, dont la génératrice comporte quatre coquilles. Il y a donc, à chaque tour de rotation, quatre temps de charge et quatre temps de décharge. La génératrice étant entraînée par un moteur asynchrone monophasé à deux pôles, alimenta par du courant alternatif à .) 0 Hertz, au glissement près, la vitesse de rotation est, par conséquent, de 50 tours par seconde. A raison de quatre périodes par tour, la frequence de débit de la génératrice du voltmètre est voisine de 200 et sa période est donc de 1/200 seconde.
Des mesures faites avec un voltmètre fonc- tionnant dans ces conditions ont donné comme valeur de la tension indiquée la moitié de la valeur de crête V, de la tension alternative, alors que théoriquement, en admettant que la tension soit parfaitement sinusoïdale et que la période de la génératrice soit infiniment petite, on aurait dû mesurer une tension v = vmoy = vd # 2/# et non Ve/2
La différence vient du fait que le rapport entre les deux périodes n'est que de 4, mais il suffit, après étalonnage, de faire la correc- tion.
D'autre part, si le moteur d'entraînement est asynchrone et possède de ce fait nn cer- tain glissement, il en résulte un léger battement du courant moyen : l'aiguille de l'appareil de mesure oscille alors de quelques pourcent autour de la valeur moyenne.
Very high input resistance voltmeter.
A large number of voltage measurements require the use of devices which absorb practically no current. Electron tube voltmeters meet this condition, but they are poorly suited to measuring high voltages, especially continuous ones. Electrostatic voltmeters are generally fragile and their reading scale is inconvenient, the deviation being proportional to the square of the potential difference to be measured.
The present invention relates to a voltmeter the input resistance of which is very high, practically infinite, and which can be arranged both to measure relatively low voltages as well as voltages of several hundreds of kilovolts. It also allows for an extremely robust and remarkably compact construction.
The voltmeter in accordance with the invention is characterized in that it comprises a small electrostatic influence generator, comprising at least one inductor intended to be connected to one of the terminals of the current source whose voltage is to be measured. , and at least one armature intended to be connected to the second terminal of said source through a circuit with negligible losses and comprising an apparatus for measuring the current flowing in said circuit, means being provided for determining a relative rotational movement at substantially constant speed, the inductor and the armature.
The new voltmeter allows measurements of direct and alternating voltages. To facilitate the description of the invention, the measurement of the DC voltages will first be considered in the embodiments which will be described, then the precautions and corrections to be introduced for the measurement of the alternating voltages will be indicated. .
Various embodiments of the voltmeter that is the subject of the invention have been shown in the accompanying drawings.
In these drawings:
Fig. 1 schematically represents a first embodiment of the voltmeter.
Fig. 2 schematically shows another embodiment.
Fig. 3 shows a detail of a variant.
Fig. 4 schematically represents a third embodiment of the voltmeter.
Fig. 5 is a longitudinal sectional view of the voltmeter according to FIG. 4.
Fig. 6 is a view from above of a detail of this voltmeter.
Fig. 7 is an end view of this voltmeter.
Fig. 8 shows a correcting device varying the intensity of the current flowing through the measuring device as an inverse function of the frequency of this current.
Fig. 9, 9a and 10, 10 "are diagrams relating to the voltage measurements respectively in direct current and in alternating current.
As shown in fig. 1, the voltmeter comprises an inductor stator formed by two cylindrical shells 1 and 1 connected to a terminal 2. Two other cylindrical shells 3 and 3 'also fixed and forming screens are interposed between the shells 1 and 1 and are connected to ground.
An armature rotor consists of two pairs of cylindrical shells 4-4 'and 5-5' forming carriers, placed coaxially with the shells 1-1 'and 3-3' and respectively connected to 6-6 'collector blades. and 7-7'avee which can cooperate 8-8 'brushes connected directly to ground and 9-9' brushes also connected to ground, but by means of a current measuring device 10 such as a movable frame galvanometer.
The brushes are wedged in such a way that each of the shells of the armature is connected to the mass from the moment when it comes opposite an inductor shell 1 or until the moment when it begins to exceed this. shell and, in the meantime, to the measuring device, that is to say from the moment when it comes opposite one of the screens 3 or 3 'until the moment when it begins to exceed this screen. A motor not shown, for example a synchronized asynchronous motor, makes it possible to rotate the rotor at a speed as constant as possible.
The source, whose voltage If it is desired to measure, has one of its terminals connected to terminal 2 and the other to a terminal 11 connected to ground. The blades 6-6 ′ and 7-7 ′ of the manifold occupy the same angle as the rotor shells, ie substantially 90 in the example shown, and are placed opposite these shells.
The operation of the device is as follows:
If we assume that terminal 2 is positive, negative electricity is induced on carriers 4 'when the latter are opposite inductors 1-1' and they are connected to ground by brushes 8-8 '. As soon as the conveyors start to come out of the inductors, the blades 6-6 'stop being in contact with the brushes 8-8' to be brought into contact with the brushes 9-9 '. The conveyors are thus connected to the measuring device 10.
When the conveyors are completely removed from the inductors, they have discharged all their charge into the meter 10 aided by the screens 3-3 'brought to zero potential. These screens are not essential, but, as we have just seen, they improve the operation of the device.
It can be seen that the voltmeter in fact comprises a small electrostatic generator with influence, excited by the unknown voltage F to be measured. This generator delivers through a measuring circuit whose resistance is negligible as well as, consequently, the voltage at its terminals and the losses. She works in short circuit.
Under these conditions, all other things being equal, in particular the speed of rotation of the conveyors being constant, the current delivered i into the measuring device 10 is proportional to the excitation voltage U. Indeed, if the we denote by q the load carried by the transporters at a given moment and by C the capacity between said transporters and the inductors 1-1 ', the current delivered has the value: dq U dC
dt dt
If the mean value of-is constant.
dt we have the average current i. ,,, = A.
A = d being the constant of proportionality of the device.
From the measurement of the current i delivered by the generator, we can don. deduce the excitation voltage U and the measuring device 10 can be directly graduated, for example in volts or in kilovolts. The current i is of the order of a few microamperes and can optionally be amplified by an amplifier 12 before passing through the measuring device.
It is obvious that the generator does not carry out any energy transformation: a voltage is applied to its inductors without current consumption (the input impedance is therefore infinite, except for losses), and it delivers a current under a voltage practically nothing.
The drive motor only has to compensate for mechanical losses.
The sensitivity of the voltmeter is expressed by the ratio 1 = - of the current delivered by the excitation voltage. All other things being equal, the current delivered is proportional to the quantity of electricity that can be accumulated on the induced electrodes, and therefore to the surface density that can be fixed there.
However, the maximum electricity density carried by the transporters is proportional to the maximum electrostatic induction, e .. E ,, I being able to exist in the fluid medium surrounding the electrical parts of the machine, E designating the specific inducing power of this medium and E ", its dielectric strength. We therefore increase the current i carried by the armatures and, consequently, the sensitivity of the voltmeter, by using a medium of great dielectric strength and of high specific inducing power.
The use of compressed air, for example, makes it possible to considerably increase this sensitivity: at 19 atmospheres we have, for example, c = 1, 01, E ", = 450 kVJcm, and the product E. lX 54, 5 kV cm, therefore greater than 300 liviem.
On the other hand, the electrodes are preferably made so that the electric field is homogeneous and as close as possible to the maximum admissible field in the interelectrode space.
The generator shown in FIG. 1 has four carriers, therefore four poles.
Hn increasing the number of poles, one increases] the flow and, consequently, the sensitivity.
Finally, when the current 'is amplified, the resulting sensitivity is equal to the own sensitivity of the device multiplied by the gain of the amplifier 12.
In the electrostatic generator of FIG. 1, a blade collector rectifies the alternating current generated in the moving parts and leads it to fixed parts, as in an electromagnetic machine with direct current. The electrostatic generator can be alternating current, in which case the charging and discharging current of the conveyors passes through a sliding contact such as a ring integral with the rotor, on which the brush rubs.
As AC measuring devices are generally not very sensitive, it is preferable to use a DC device with moving coil combined with one or more rectifiers, connected in such a way that they allow the flow of the load and discharge currents of the carriers in the flow circuit of the generator, but they only allow a unidirectional current to pass through the measuring device. Rectifiers can be hot cathode diodes or solid-state dys-symmetrical conductivity contacts.
A voltmeter thus designed is shown in fig. 2. In this voltmeter, the carriers are connected to a ring 13 in contact with which there is a wiper 14. The latter is connected to two rectifiers 15 and 15 ′, one of which allows current to flow in one direction and the other in the other. The rectifier 15 is connected to ground by means of a moving coil device or similar device and is traversed by the discharge current, while the rectifier 15 ′ is connected to ground directly and is traversed by charge current.
The rectifiers can be mounted in bridge, as seen in fig. 3; this arrangement doubles the sensitivity of the voltmeter, since the charge and discharge currents both pass through the galvanometer 10.
Instead of constituting the rotor by the armatures and the stator by the inductors, as in the devices which have just been described, the roles of the stator and the rotor can be swapped, the armatures then constituting the stator and the inductors the rotor. This embodiment is particularly advantageous when the electrical connection between the rotor and the fixed part of the voltmeter is made by means of a sliding contact. This avoids the low voltage sliding contact which is traversed by the flow current of the measuring device to replace it by a high voltage sliding contact, in which no current passes in steady state except for very low losses.
Once the rotor elements are loaded, it is irrelevant that the sliding contact is of poor quality and even a high contact resistance remains without inconvenience.
A voltmeter of the latter type is shown schematically. in fig. 4; it comprises an inductor rotor formed by four cylindrical shells 16 occupying an angle of approximately 45 and connected to a ring 17 cooperating with a slider 18. The latter is connected to terminal 2 through a protective resistor 19 intended to limit the current in case of discharges and relatively high value of the order of 100 megohms. A synchronized asynchronous motor 23 makes it possible to drive the rotor at a substantially constant speed.
The armature stator comprises eight eyelindrical shells 20 and 21 coaxial with the shells 16. The shells 20 are connected directly to the mass and the shells 21, interposed between the shells 20 and in a number equal to these, are also connected to the mass. ground, but through the meter 10 and a bridge comprising four hot-cathode diodes 22 which could be replaced by solid-state rectifiers. We could possibly remove the shells 20, only the shells 21 having an active role,
but these shells 20 have the effect of stabilizing the input capacitance of the voltmeter which is then constant and does not fluctuate during the rotation, since at all times the four rotor shells 16 have potential shells opposite them. nil or practically nil. In this way, the load on the rotor shells is constant during the rotation and no alternating current circulates in the high voltage circuit. During this rotation, the shells 21 are charged and discharged alternately in the measuring apparatus 10 to which they are connected by fixed and perfect contacts.
A protection device is interposed between the shells 21 and the diodes 22. This device comprises three resistors 24 and three neon tubes 25 interposed between the ground and the ends of these resistors. This device protects the measuring device against the waves with a steep front which can result from discharges and which are diverted by the tubes, and against any overload of the voltmeter; in fact, if the delivered current becomes too large, the potential difference across the terminals of the tubes 25 increases and reaches the starting voltage of these tubes. The latter therefore constitute automatic shunts deriving the excess current.
The measuring device consists for example of a microammeter with a movable frame and is shunted by resistors 26 which can be switched on by a switch 27. A resistor 98 is placed in series with the microammeter and is intended to limit the current of the diodes 22 at such a small value that circuit losses are negligible.
The low voltage power supply comprises a transformer 29 with two secondaries 81 and
On the primary, which is universal, is intercalated a switch 30. The secondary S, is used to supply the motor 23 and a capacitor 31 connected to one of the terminals of this secondary is used for the supply of the motor. auxiliary phase of the motor. The secondary $ 2 is used to heat the diodes' 2 and to supply a pilot light 32.
It is advantageous to constitute the voltmeter in two assemblies, one of which is constituted by the generator, the drive motor and the rectifying bridge and the other of which is constituted by a measuring console comprising the control members. control and measuring apparatus 10. These two assemblies are connected by a flexible seven-conductor cable 33, which can be as long as desired. We can thus mount the generator part near the high voltage installation. while the control and measurement console can be removed from this installation by being, for example, incorporated into a general control panel.
It should be noted that the rectifier bridge must be mounted in the assembly comprising the generator; in fact the capacitance with the mass of the connecting wire traversed by an alternating current is a parasitic capacitance which reduces the sensitivity of the voltmeter. On the contrary, the direct current obtained after rectification can be transported without inconvenience as far as desired, to the control panel.
There is shown in FIGS. 5 to 7 an example of a practical embodiment of the voltmeter shown. sehematically in fig. 4. This voltmeter comprises a housing 34 enclosing the generator and its drive motor and sealed at each of its ends, in a sealed manner, by caps 35 and 36 held by nuts 37.
The rotor shells 16 are fixed to a mass of insulating material 38 in which are embedded two spherical-headed pins 39 and 40 constituting the rotor shaft. The axis 40 is earthed and is connected to the drive motor 23. The axis 39 is electrically connected with the rotor shells 16 and a slider 18 is supported by a spring 41 on the end 17 of said axis 39. The protective resistor 19, which is embedded in a block of insulating material 42, connects this wiper 18 to one of the conductors 2 of a high-tension entry cable 43 with two conductors, the second of these conductors being at the mass.
The stator shells 20 and 21 are fixed at their ends in two annular masses of insulating material 44 and 45. The mass 44 is pressed against the block 42 and is provided with a seal 46.
The mass 46 is housed in an anomalous insulating mass 47 surrounding the coupling 48 of the shaft 40 and the shaft of the drive motor 23.
fie hat 36 comprises a transverse partition 49 provided with airtight feedthroughs 50 for the passage of the supply conductors of the motor 23 and of the conductor connecting the stator shells 21 to the rectification bridge. The partition 49 is also provided with a conduit 51 terminated by a valve 52 and making it possible to introduce under pressure into the housing 34 a gas such as, for example, air.
In this cap 36 are housed the rectifier bridge constituted by two duo-diodes 22 and the protection device comprising the neon tubes 25. The bottom 53 of the cap is removable so as to allow the possible change of the diodes and the neon tubes. .
The control and measuring devices are enclosed in a box 54 which can be made integral with the box 34 by means of two collars in two parts 55 and 55a which at the same time serve as support feet for the assembly. The box 54 can be electrically connected to the box 34 by a cable 56 containing the seven conductors 33 and terminated by two plugs which can be inserted into sockets 57 and 58. A socket 59 is used to supply the primary of the transformer 29.
The microammeter 10 is graduated directly in kilovolts and the switch 27, which has three positions, makes it possible to connect in parallel with this microammeter shunts of a value such that the maximum deviation of the mieroammeter corresponds respectively, for example, to voltages of 25, 50 and 75 kilovolts. The graduations are substantially linear. If one interposed between the shells 21 and the measuring apparatus 10 a tube amplifier having a gain of 200 for example, the maximum deviation of the microammeter would correspond respectively to voltages of 125, 250 and 375 V.
As stated previously, the current i delivered by the generator is proportional to the voltage IT to be measured: i =. 1 l7.
The proportionality coefficient l depends on the geometrical dimensions of the generator as well as on the rotational speed of the drive motor. The geometric dimensions have little opportunity to vary and it has been assumed above that the speed of rotation is constant. But this last assumption is not entirely correct; in fact, the speed of rotation of the motor depends on the frequency of the mains. This frequency may vary during the measurement and, if it does not vary, it may be different from the calibration frequency, in which case the indications given by the voltmeter are incorrect.
For example, if the mains frequency was 50 at the time of calibration and is only 48 when the voltmeter was used, all measurements made have an error of 4 / o by default. The frequency is unlikely to vary significantly during measurement. It is therefore possible to carry out measurements which are in all likelihood exact by determining the frequency of the mains / at the time of measurement and by multiplying the voltage read by the voltmeter by the ratio ', / ,.
t. being the mains frequency at the time of calibration.
This method has the drawback of requiring the measurement of the frequency of the mains when one has to determine the unknown value of a voltage. In addition, it leaves a certain uncertainty: the frequency of the mains may have varied slightly between the moment when the frequency is measured and when the value of the voltage is determined.
These drawbacks can be avoided by inserting a corrective electric circuit between the generator and the microammeter, varying the intensity of the current delivered by the generator in the opposite direction to the frequency of this current.
There is shown in ia fig. 8 such a correction circuit. As shown, it is formed by a trap circuit comprising an inductor 60 and a capacitor 61. The rectifying bridge 22 and the measuring device] 0 are placed in the branch of the inductor 60. The values of the inductance and the capacitance are determined in such a way that the resonance frequency of the trap circuit is not between the possible limits of frequency variation of the current produced by the generator and that a variation of this frequency corresponds to a variation in the same direction of the impedance of the trap circuit.
The applications of the voltmeter which is the subject of the invention which have just been described relate to the measurement of direct voltages. As a basic structure, a voltmeter for measuring alternating voltages is quite analogous; the considerations developed below make it possible to determine the corrections to be made to the indications read on the device and, possibly, the modifications to be made to the construction of the voltmeter, so that it is better adapted to alternating voltages .
The device which measures the current in the voltmeters described (generally a microammeter with a movable frame associated with a rectifier) is, in reality, influenced by the average flow rate of the electrostatic generator: in other words, we read the average value of the charges induced on the shells of the generator by the inducing shells brought to the potential at. measure.
In direct current, no indeterminacy is possible: the average value of the induced charges and of the delivered current is proportional to the excitation voltage that we propose to measure. Referring to fig. 9 and 9a, one realizes the functioning of the voltmeter. At the end of each charging period of duration teç, the excitation voltage to be measured is the constant voltage 7 ', (fig. 9 and the corresponding induced charge q = C Z / e,
C being the maximum capacity between shells.
During the following discharge period, of duration td, the charge q flows giving a
This current i = - (fig. 9a) whose value, their
td time average is i, n = CT
where T = te + td will be called in what follows: period of the generator.
In alternating current, sinusoidal or not, the process is a little more complicated. We will consider the case of a sinusoidal voltage represented by FIG. 10. Let I71 be the amplitude of the voltage to be measured, at the end of the charging period cl, the induced shell eharge then being C Z¯j; the current drawn during the following discharge period #, (fig. 10a) is therefore:
(1 U
@@@
he =
td
It will be assumed that the charging time constant is small compared to the period T of the generator.
At the end of the next charging period, c2, the magnitude of the voltage to be measured is T! 2, and the load taken by the induced shell
C IJ2; the current delivered during the following discharge period 42 is therefore:
CU2
you
t, i and so on.
The average value, over time, of the currents il, i2, i3, etc., which causes the measurement microammeter to deviate, therefore takes a value which, a priori, does not necessarily have a defined relationship with the voltage to be measured.
In particular, if the period T of the generator is equal to the period of the voltage to be measured, the indication will depend on the phase shift between the two phenomena. For a dephasagenul, the indieation will be zero; it will override the phase shift and will give the value of the maximum voltage for m value phase shift. in the case of sinnsoï-
2 dale.
However, the average value of the currents il, i2, i3 ... resulting from an integration, it is obvious that this value will tend towards a limit, when the period of the generatrix will become more and more different from the period of the voltage to measure.
If the period of the generator becomes very small compared to the other, which implies that the generator is spinning fast and has a large number of poles, the voltmeter will give a definite indication which will be in a determined relationship with the average value of the voltage to be measured. Ultimately, when the period T tends to zero (that is, the product of the speed of the machine times the number of its poles tends to infinity), the indication will tend to become rigorously proportional to the mean value of the voltage to be measured.
To illustrate in a more concrete way what has just been said, we will consider the case of a voltmeter of the type represented by FIGS. 4 to 7, the generator of which has four shells. There are therefore, at each revolution, four charge times and four discharge times. The generator being driven by a single-phase two-pole asynchronous motor, supplied with alternating current at.) 0 Hertz, except for slip, the speed of rotation is, therefore, 50 revolutions per second. At the rate of four periods per revolution, the flow rate of the voltmeter generator is close to 200 and its period is therefore 1/200 second.
Measurements made with a voltmeter operating under these conditions gave as the value of the indicated voltage half of the peak value V, of the alternating voltage, whereas theoretically, assuming that the voltage is perfectly sinusoidal and that the period of the generator is infinitely small, we should have measured a voltage v = vavg = vd # 2 / # and not Ve / 2
The difference comes from the fact that the ratio between the two periods is only 4, but it suffices, after calibration, to make the correction.
On the other hand, if the drive motor is asynchronous and therefore has some slippage, a slight fluttering of the average current results: the needle of the measuring device then oscillates a few percent around the average value.