Installation électrique indicatrice ou de mesure
La présente invention a pour objet une ilLstalla- tion électrique indicatrice ou de mesure. Elle concerne particulièrement des instruments indicateurs ou de mesure sensibles à de petits courants ou voltages unidirectionnels.
L'installation faisant l'objet de l'invention est caractérisée en ce qu'elle comprend un premier et un second élément réactif, ces éléments étant disposés en série aux bornes d'entrée d'un amplificateur, le second élément présentant une valeur supérieure à celle du premier élément, le tout étant agencé de manière que lorsqu'un petit courant ou voltage unidirectionnel à indiquer ou à mesurer est appliqué au premier élément réactif, l'amplificateur produit un courant de sortie qui s'écoule dans le second élément et à travers des moyens indicateurs ou de mesure, ce courant de sortie étant proportionnel au courant ou au voltage à indiquer ou mesurer.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, cinq formes d'exécution et une variante de l'installation selon l'invention.
Les fig. 1 à 5 sont respectivement des schémas de ces cinq formes d'exécution.
La fig. 6 est le schéma de la variante.
La fig. 7 est le schéma d'un amplificateur utilisé dans ces formes d'exécution.
Dans la forme d'exécution représentée à la fig. 1, un très faible courant il qui doit être mesuré ou indiqué est appliqué à des bornes 10 et charge ainsi un condensateur C1. Dans ce cas, la vitesse de variation du voltage aux bornes du condensateur est une fonction du courant d'entrée, car:
i1 = C, dv/dt où v et t sont respectivement le voltage et le temps.
Il est possible d'utiliser un tel arrangement en observant l'accroissement du voltage du condensateur, par exemple à l'aide d'un électromètre, pendant une période de temps donnée, mais la précision d'une telle méthode est diminuée si le courant appliqué varie pendant la période d'observation.
En conséquence, pour éviter cette limitation et pour disposer d'un instrument pouvant être utilisé avec un courant variable, le condensateur CL est couplé à l'entrée d'un amplificateur électromètre 11, en série avec un condensateur C2. Le condensateur C2 est monté aussi dans la sortie de l'amplificateur 11, où il est en série avec un dispositif sensible au courant 13, un ampèremètre par exemple.
On s'arrange pour que la capacité du condensateur Q soit beaucoup plus grande que celle du condensateur Cr, la capacité de ce dernier étant en général très petite, cette capacité pouvant être seulement la capacité d'entrée de l'amplificateur 11. Ce dernier est un amplificateur à courant continu présentant une très forte résistance d'entrée, et il est agencé de manière qu'un faible potentiel appliqué à ses bornes d'entrée produise un fort courant de sortie, la valeur de cette sortie étant pratiquement indépendante de la variation du potentiel entre les bornes de sortie. Il s'agit donc d'un amplificateur à forte impédance de sortie et à forte conductance de transfert.
Si le point E (fig. 1) est au potentiel 0, le courant i1 s'écoulant dans la direction indiquée rend un point A positif, de sorte qu'un potentiel d'entrée de l'amplificateur apparaît entre les points A et B. I1 se produit alors un courant de sortie i2 qui s'écoule dans le sens indiqué, de sorte que le point B devient positif par rapport au point E. 1l ne peut pas devenir plus positif que le point A cependant, car le courant i2 serait inversé. Si l'amplificateur présente une haute conductance de transfert, le potentiel de B suit celui die A étroitement et la vitesse d'accroissement du potentiel dv/dt est la même pour les deux condensateurs C1 et C2.
On a:
4 = C1 dv/dt
et i2 = C2 dv/dt
d'où j2/i1 = Q/Q
Si i, est mesuré et si le rapport des capacités est connu, on peut donc déterminer 4.
Un changement dans la valeur de 4 produit un changement de la vitesse d'accroissement du potentiel au point A, et i2 se règle automatiquement luimême pour maintenir le point B à un potentiel proche de celui du point A. Ce réglage ne se fait pas instantanément, car le potentiel d'entrée de l'amplificateur entre les points A et B doit changer pour entraîner le changement de 4, et ce changement est amené par une inégalité temporaire des vitesses d'accroissement des potentiels en A et B. On peut montrer que i2 suit les changements de il de manière exponentielle, avec une constante de temps proportionnelle à la somme de C1 et de la capacité d'entrée de l'amplificateur entre A et B, et inversement proportionnelle à la conductance de transfert de l'amplificateur.
Par un choix convenable du schéma, la constante de temps peut être rendue très faible.
Dans le circuit représenté à la fig. 1, l'amplificateur n'a pas de bornes d'entrée et de sortie communes. Cette disposition est en conséquence limitée aux types d'amplificateurs dans lesquels le circuit de sortie peut être isolé de l'entrée, par exemple des amplificateurs à condensateurs vibrants ou des amplificateurs à contacts modulés dans lesquelles l'interposition d'une section à courant alternatif permet d'utiliser un transformateur d'isolation. En outre, le potentiel du point A varie considérablement, ce qui peut, dans certaines applications, affecter la valeur de 4; ; et si le conducteur à travers lequel passe i1 aboutit à un appareil d'une capacité notable, celle-ci doit être ajoutée à Ct quand on détermine le rapport Q/Q.
Les amplificateurs à condensateurs vibrants susceptibles d'être utilisés avec le circuit représenté à la fig. 1 sont bien connus et ne sont pas envisagés ici. Les amplificateurs sont décrits dans l'article Schémas d'électromètres à condensateurs dynamiques de H. Palevsky, R.K. Swank et R. Grenchik, dans The Review of Scientific Instruments, Vol. 18, No 5, mai 1947.
La seconde forme d'exécution représentée à la fig. 2 minimise ces inconvénients et permet l'emploi d'un amplificateur à trois bornes avec une borne d'entrée et de sortie commune. Dans ce circuit, le faible courant 4 est appliqué directement des bornes 10 à deux bornes A et B d'un amplificateur 11 ayant des caractéristiques similaires à l'amplificateur décrit plus haut. Si la direction du courant est telle que le point A devient positif, le courant de sortie i2 se fait dans la direction indiquée. Ce courant de sortie, comme précédemment, passe dans un dispositif de mesure du courant et alimente un fort condensateur C2.
L'accroissement du potentiel résultant aux bornes de C2 rend un point D négatif par rapport aux points A et B, produisant ainsi un courant qui s'écoule depuis A dans le condensateur C1. Si l'amplificateur présente une conductance de transfert élevée, le potentiel entre A et B reste très petit, tandis que celui entre D et B augmente à une vitesse dv/dt suffisante pour absorber le courant il dans le condensateur Ci. Ce phénomène est régi par l'équation:
il = C1 dv/dt
Le voltage aux bornes de C2 augmente à la même vitesse.
Le courant dans ce condensateur est la différence entre 4 et il 4
i2-ij = C2 dv/dt I1 s'ensuit que: i2-il C2
il C' ou
4/4 - 1 = C2/Ct
Comme l'installation est conçue pour rendre 12 beaucoup plus grand que il, le rapport 4/4 est toujours beaucoup plus grand que 1, de sorte qu'on a, avec une approximation satisfaisante:
i2/il = Q/Q comme dans l'installation précédemment décrite.
Le potentiel aux bornes d'entrée 10 de l'installation varie très peu comparativement au potentiel aux bornes des condensateurs C1 et Q, de sorte que la capacité du conducteur d'entrée a peu d'effet sur le fonctionnement, la résistance d'entrée de toute l'installation étant basse, ce qui est désirable dans un instrument de mesure du courant.
Les deux installations décrites peuvent fonctionner pendant un temps limité seulement avant que l'amplificateur atteigne la saturation. Il est donc nécessaire de décharger les deux condensateurs en les court-circuitant individuellement afin de remettre l'installation en marche. Dans certains cas, cette période est adéquate pour faire les mesures désirées et l'opération de décharge peut être effectuée par des interrupteurs manuels. Cependant, il peut être nécessaire d'enregistrer la valeur de il sur une longue période, et il est alors avantageux d'effectuer la décharge automatiquement et sans perturber la lecture.
L'installation représentée à la fig. 3 est conçue dans ce but. Le courant il à mesurer est appliqué à un condensateur C1 comme précédemment, en série avec un condensateur C2 dans l'entrée d'un amplifi cafteur 11, de la manière décrite pour l'installation selon la fig. 2. Dans l'installation selon la fig. 3 cependant, le dispositif de mesure 13 est remplacé par une résistance 14 connectée à un contact d'interrupteur S1 à l'entrée d'un circuit comprenant un voltmètre à tubes 15 et un indicateur 16. Un condensateur C3 shunte l'entrée du voltmètre 15.
Le condensateur C1 est shunté par une résistance de décharge 17 en série avec un contact SS, et le condensateur Q est shunté par une résistance de décharge 18 en série avec un contact S.
En fonctionnement normal, le contact S1 est fermé et les contacts S2 et Ss sont ouverts.
Le courant i2 à travers la résistance 14, et par conséquent le voltage aux bornes de cette résistance sont en relation avec le courant d'entrée il comme décrit plus haut. Le condensateur Cs est porté à ce voltage et le courant est indiqué par l'indicateur 16.
A l'instant approprié, le contact Sj est ouvert, laissant le condensateur Q connecté au voltmètre à tubes et maintenant ainsi l'indication de l'indicateur 16. Les contacts S2 et S. se ferment pour décharger les condensateurs C1 et C2, puis ils s'ouvrent à nouveau pour permettre au courant i2 de reprendre sa valeur initiale. Finalement, le contact Sî se ferme à nouveau pour ramener l'installation dans ses conditions initiales.
Ce processus peut s'effectuer pendant une fraction de seconde. Si le courant il est constant pendant ce temps, aucun changement ne se produit dans la lecture du voltmètre à tubes. Si le courant it varie, la lecture reste fixe pendant la période de décharge, revenant ensuite à la valeur correcte. Les divers contacts peuvent être actionnés par un circuit à relais, la succession étant déclenchée soit à intervalles fixes par un dispositif horaire, soit par un circuit auxiliaire agencé pour agir quand le voltage aux bornes du condensateur C2 atteint une certaine valeur déterminée.
Les circuits représentés aux fig. 2 et 3 peuvent être construits en principe avec un type quelconque d'amplificateur à courant continu, mais. la méthode est particulièrement appropriée à l'emploi d'un amplificateur à condensateur vibrant. Une installation de ce genre, similaire à celle représentée à la fig. 2 mais qui pourrait être modifiée pour être similaire aux installations des fig. 1 et 3, est représentée à la fig. 4. Un condensateur vibrant Cv, en série avec une résistance 20, est connecté en parallèle avec les bornes d'entrée 10. La composante alternative du voltage du condensateur Cv est appliquée par un condensateur Q comportant une résistance de shunt 21 à l'entrée d'un amplificateur à courant continu et détecteur 22.
Des condensateurs C1 et Q et un indicateur 13 sont associés à l'entrée et à la sortie de l'amplificateur de la manière décrite plus haut.
Une telle installation présente l'avantage d'être vraiment électrostatique, ne consommant aucun courant continu à travers la résistance 20 d'entrée, sauf celui dû à l'imperfection du matériel isolant et celui requis pour charger sa capacité propre. Ainsi, le courant 4 s'écoule entièrement dans C1, aucune partie n'étant perdue dans l'amplificateur. Quand un condensateur vibrant est utilisé, le condensateur C1 peut agir aussi comme condensateur de couplage pour l'amplificateur à courant continu.
Un avantage important de l'installation décrite est que le glissement zéro de l'amplificateur affecte la précision de la mesure seulement si la vitesse de glissement est comparable à la vitesse d'accroissement du voltage aux bornes de C1. Ainsi, le glissement zéro n'a aucune importance pourvu qu'il soit lent.
L'amplificateur à condensateur vibrant présente donc non seulement l'avantage d'un glissement zéro inférieur à celui d'autres types d'amplificateurs, mais encore l'avantage d'être exempt de changements rapides.
La fig. 5 montre une forme d'exécution qui est une variante de celle représentée à la fig. 3. Dans cette dernière, la source du courant 4 est mise à la terre par sa borne inférieure alors que les deux extrémités de la résistance 14 présentent un potentiel variable par rapport à la terre. Ainsi, le voltmètre à tubes VV et l'indicateur 16 ne peuvent être mis à la terre en aucun point. I1 est avantageux dans certaines cas que l'entrée et la sortie soient à la fois mises à la terre d'un côté. C'est ce que donne l'installation selon la fig. 5.
Le voltage aux bornes d'un condensateur C2 est appliqué à l'entrée d'un amplificateur AMP2 présentant un gain a déterminé avec précision par une méthode connue utilisant une boucle de réaction interne. Le voltage de sortie de l'amplificateur AMP2 envoie un courant dans Q à travers une résistance 16'. Le gain a et la valeur de la résistance 16' sont en relation avec la valeur de la résistance 15' (correspondant à la résistance 14 de la fig. 3) de la manière suivante: R2/R1=(a-1)
Par exemple, si a = 2, il s'ensuit que R2, valeur de la résistance 16', est égale à R1, valeur de la résistance 15'.
Quand le voltage aux bornes de Q croît, le courant i2 dans C2 passe de plus en plus dans la résistance 16' et de moins en moins dans une résistance 15'. Si cela se maintient, on peut montrer que le voltage aux bornes du circuit formé par Q et par la résistance 15' est indépendant du voltage aux bornes de C2, mais est proportionnel à Q. Le voltmètre à tubes VV peut être connecté alors aux bornes de C2 et 15', comme on le voit à la fig. 5, au lieu de l'être aux bornes de 15' seulement. Les amplificateurs, le circuit d'entrée et l'instrument de mesure de sortie présentent une borne commune qui peut être mise à la terre.
Pour obtenir une capacité de Q suffisamment élevée, il est avantageux d'utiliser un condensateur à diélectrique de papier. Dans ce cas, la méthode de décharge de C2 décrite en rapport avec la fig. 3 présente l'inconvénient, dû à l'absorption diélectrique dans C2, de créer l'écoulement d'un faux courant pendant quelques secondes après. le changement soudain du potentiel. Ce courant produit une erreur temporaire dans la lecture du courant sur l'instrument de mesure immédiatement après la décharge. Cette difficulté peut être évitée Si, au lieu de décharger Q, on inverse ce dernier par deux contacts d'inversion SJI, S4' comme le montre la variante représentée à la fig. 6.
En même temps, C1 est connecté aux bornes de C2 par S2'. Le courant Q s'écoule maintenant dans C2 dans le sens opposé, de manière à réduire le potentiel de C2 graduellement jusqu'à zéro et à charger ce condensateur en sens opposé, après quoi le condensateur est renversé à nouveau.
La succession des opérations dans la variante de la fig. 6 est la suivante: a) S,' s'ouvre, b) S' se ferme, c) S,' et S4, s'inversent, d) SI' s'ouvre, e) S1' se ferme.
La fig. 7 donne le schéma d'un amplificateur à courant continu qui peut être utilisé dans l'installation représentée à la fig. 5. Cet amplificateur présente un gain nominal égal à 2, avec un faible réglage pour couvrir la tolérance dans les résistances 15, et 16' (fig. 5). Les valeurs des divers composants utilisés sont les suivantes 30 10 mégohms 38 transistor OC77 31 pentodeEF 86 39 1 mégohm 32 diode SX641 40 1 mégohm 33 500 pf 41 environ 320 kilo-ohms 34 transistor OC200 42 15 kilo-ohms 35 1 mégohm 43 400 ohms 36 1 kilo-ohm 44 15 kilo ohms 37 15 kilo-ohms 45 100 kilo-ohms
La résistance 40 et la résistance 39 prises ensemble servent à alimenter la moitié de la sortie de l'amplificateur vers l'écran de la pentode 31.
On maintient ainsi constant le potentiel écran-cathode et on évite une réaction d'écran indésirable. Le rapport de réaction du circuit est d'environ 300, atteignant ainsi un haut degré de stabilité.
Des amplificateurs similaires à celui représenté à la fig. 7 peuvent être utilisés dans les autres installations décrites: au lieu du voltmètre à tubes, un voltmètre à bobine mobile est connecté à la sortie.
Dans ce cas, le potentiomètre de réaction 43, dont le réglage permet de modifier le gain, peut être supprimé et la cathode du tube 31 connectée directement à la borne de sortie pour donner un gain unité.