FR2749664A1 - Low current measuring device using current lever effect - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne un dispositif de mesure de courants faibles par pince ampèremètrique, avantageusement à sortie en tension, du type comprenant des moyens capteurs du flux magnétique engendré par le courant à mesurer et montés dans un circuit d'asservissement de l'annulation du flux. The invention relates to a device for measuring low currents by amperometric clamp, advantageously with voltage output, of the type comprising means for sensing the magnetic flux generated by the current to be measured and mounted in a circuit for controlling the cancellation of the flux. .
Les dispositifs de ce type, qui sont connus, présentent des limitations dues principalement à une faible sensibilité du capteur, du bruit de celui-ci et du bruit du reste de la chaîne de mesure lié à la nécessité d'une amplification importante du signal de mesure. Des nouveaux matériaux basés sur des structures métalliques multicouches à magnétorésistance géante (GMR) s'ils étaient utilisés dans les capteurs pourraient permettre d'augmenter considérablement la sensibilité des magnéto-résistances. A cet avantage d'une sensibilité importante s'ajoute celle d'un bruit faible, d'une résistance élevée limitant le courant nécessaire pour alimenter le capteur, une faible hystérésis et le nonretournement de la résistance pour les champs forts. Devices of this type, which are known, have limitations due mainly to a low sensitivity of the sensor, of the noise of the latter and of the noise of the rest of the measurement chain linked to the need for a significant amplification of the signal. measured. New materials based on gigantic magnetoresistance (GMR) multi-layer metallic structures if used in sensors could considerably increase the sensitivity of magneto-resistances. To this advantage of a high sensitivity is added that of a low noise, a high resistance limiting the current necessary to supply the sensor, a low hysteresis and the non-reversal of the resistance for strong fields.
Cependant, un tel capteur présenterait les inconvénients majeurs que la variation de la résistance ne tient pas compte de la polarité du champ magnétique et que la plage de fonctionnement linéaire est limitée. However, such a sensor would have the major drawbacks that the variation in resistance does not take account of the polarity of the magnetic field and that the linear operating range is limited.
Jusqu'à présent il n'a pas été possible de concevoir un dispositif du type indiqué plus haut qui permet de tirer bénéfice des avantages sus-mentionnés, sans présenter les inconvénients qui viennent également d'être invoqués. Until now, it has not been possible to design a device of the type indicated above which makes it possible to take advantage of the abovementioned advantages, without having the drawbacks which have also just been invoked.
La présente invention a pour but de proposer un dispositif qui résoud ce problème. The object of the present invention is to propose a device which solves this problem.
Pour atteindre ce but, le dispositif de mesure selon l'invention est caractérisé en ce que le circuit d'asservissement d'annulation du flux comprend un premier capteur formé par un élément magnéto-résistif du type GMR et un second capteur ayant une plage de fonctionnement plus étendue et sensible à la polarisation du flux, tel qu'un capteur à cellule à effet Hall qui sont montés alternativement dans ce circuit d'asservissement à l'aide d'un commutateur commandé par un double comparateur connecté au circuit de sortie du capteur de Hall. To achieve this goal, the measuring device according to the invention is characterized in that the flow cancellation control circuit comprises a first sensor formed by a magneto-resistive element of the GMR type and a second sensor having a range of more extensive operation and sensitive to polarization of the flow, such as a Hall effect cell sensor which are alternately mounted in this servo circuit using a switch controlled by a double comparator connected to the output circuit of the Hall sensor.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels
- la figure 1 montre, sous forme d'un schéma bloc la structure du dispositif de mesure selon la présente invention ; et
- la figure 2a, b montre les diagrammes de fonctionnement respectivement du capteur GMR et des comparateurs, du dispositif selon la figure 1.The invention will be better understood and other objects, characteristics, details and advantages thereof will appear more clearly in the explanatory description which follows, made with reference to the appended schematic drawings given solely by way of example illustrating an embodiment. of the invention and in which
- Figure 1 shows, in the form of a block diagram the structure of the measuring device according to the present invention; and
FIG. 2a, b shows the operating diagrams respectively of the GMR sensor and of the comparators, of the device according to FIG. 1.
Conformément à la figure 1, le dispositif de mesure selon l'invention comprend un tore magnétique 1 pourvu d'un entrefer 2 dans lequel sont montés un capteur magnétorésistif du type GMR 3 et un capteur de Hall 4. Sur cette figure, le courant qui doit être mesuré est indiqué en 5. In accordance with FIG. 1, the measuring device according to the invention comprises a magnetic toroid 1 provided with an air gap 2 in which are mounted a magnetoresistive sensor of the GMR type 3 and a Hall sensor 4. In this figure, the current which must be measured is indicated in 5.
Le capteur GMR 3 et le capteur de Hall 4 sont susceptibles d'être montés, alternativement, dans un circuit 7 d'asservissement d'annulation du flux magnétique présent dans l'entrefer 2, à l'aide d'un commutateur analogique 8 à deux contacts fixes 9, 10 auxquels sont reliés les deux capteurs 3 et 4, chacun par l'intermédiaire d'un amplificateur de mesure 11 ou 12. Chaque amplificateur de mesure est pourvu d'une entrée 0, indiquée schématiquement en 11 et 12. The GMR sensor 3 and the Hall sensor 4 can be mounted, alternately, in a circuit 7 for controlling the cancellation of the magnetic flux present in the air gap 2, using an analog switch 8 to two fixed contacts 9, 10 to which the two sensors 3 and 4 are connected, each by means of a measurement amplifier 11 or 12. Each measurement amplifier is provided with an input 0, indicated diagrammatically in 11 and 12.
Le circuit d'asservissement 7 comprend en outre, relié au contact mobile 15 du commutateur 8, un montage en série, d'un amplificateur d'asservissement 16, d'une bobine 17 enroulée autour du tore 1 et destinés à produire le flux magnétique destiné à annuler le flux magnétique produit par le courant à mesurer 5 et d'une résistance 18. Une borne de cette dernière est reliée à un potentiel de référence indiqué en 19 tandis que l'autre borne est reliée à une borne d'entrée d'un amplificateur de mesure 20 pourvue d'une deuxième entrée de référence et dont la sortie constitue la sortie du dispositif. The servo circuit 7 further comprises, connected to the movable contact 15 of the switch 8, a series connection, of a servo amplifier 16, of a coil 17 wound around the torus 1 and intended to produce the magnetic flux intended to cancel the magnetic flux produced by the current to be measured 5 and a resistor 18. A terminal of the latter is connected to a reference potential indicated in 19 while the other terminal is connected to an input terminal d a measurement amplifier 20 provided with a second reference input and the output of which constitutes the output of the device.
La sortie de l'amplificateur de mesure 12 du capteur de
Hall 4 est reliée à une première entrée de chacun de deux comparateurs 22, 23 dont les secondes entrées sont reliées respectivement à des potentiels de référence 24, 25 constituant deux seuils différents. La sortie du comparateur est reliée à la borne de commande du commutateur analogique 8 et à un indicateur visuel 26 par exemple du type DEL destiné à produire un signal si le dispositif n'est plus asservi normalement, par exemple lors d'une surcharge.The output of the measuring amplifier 12 from the
Hall 4 is connected to a first input of each of two comparators 22, 23 whose second inputs are respectively connected to reference potentials 24, 25 constituting two different thresholds. The output of the comparator is connected to the control terminal of the analog switch 8 and to a visual indicator 26, for example of the LED type intended to produce a signal if the device is no longer servo-controlled normally, for example during an overload.
On expliquera ci-après le fonctionnement du dispositif de mesure représenté sur la figure 1. The operation of the measuring device shown in FIG. 1 will be explained below.
La figure 2a montre le diagramme de fonctionnement du capteur GMR, c'est-à-dire l'évolution de la tension de sortie
V du capteur en fonction du champ magnétique H présent dans l'entrefer 2 du tore 1. Pour bénéficier de la sensibilité du capteur magnéto-résistif GMR et s'affranchir de ses limitations, on fait fonctionner le capteur de façon que son point de fonctionnement Pf se trouve sensiblement au milieu de la branche linéaire ascendante du capteur. Grâce à ce choix du point de fonctionnement Pf du capteur pour un champ nul, celui-ci est en mesure de travailler hors du point de rebroussement Pr.Figure 2a shows the GMR sensor operating diagram, i.e. the evolution of the output voltage
V of the sensor as a function of the magnetic field H present in the air gap 2 of the torus 1. In order to benefit from the sensitivity of the GMR magneto-resistive sensor and to overcome its limitations, the sensor is operated so that its operating point Pf is located appreciably in the middle of the ascending linear branch of the sensor. Thanks to this choice of the operating point Pf of the sensor for a zero field, the latter is able to work outside the reversal point Pr.
Par conséquent à l'état de mesure normal, le commutateur analogique 8 occupe sa position indiquée sur la figure 1. C'est alors le capteur GMR qui est disposé dans le circuit d'asservissement et assure celui-ci. Dans ce cas, le champ magnétique créé par le courant primaire 5 est annulé par le courant s'écoulant dans le circuit d'asservissement. Consequently, in the normal measurement state, the analog switch 8 occupies its position indicated in FIG. 1. It is then the GMR sensor which is arranged in the servo circuit and ensures it. In this case, the magnetic field created by the primary current 5 is canceled out by the current flowing in the servo circuit.
Dans ces conditions, le capteur de Hall 4 est soumis à un champ sensiblement nul et la sortie de l'amplificateur de mesure 12 qui lui est associée est à zéro. Par conséquent les deux comparateurs 22, 23 sont au repos, commandant ainsi le commutateur analogique 8 pour aiguiller l'amplificateur d'asservissement 16 vers l'amplificateur de mesure du capteur
GMR 3. Under these conditions, the Hall sensor 4 is subjected to a substantially zero field and the output of the measurement amplifier 12 which is associated with it is at zero. Consequently, the two comparators 22, 23 are at rest, thus controlling the analog switch 8 to direct the servo amplifier 16 towards the measuring amplifier of the sensor.
GMR 3.
Si pour une raison quelconque, par exemple lors de la mise sous tension, d'une période transitoire ou d'une surcharge, l'asservissement n'est plus réalisé, un champ apparaît dans l'entrefer 2 et une tension est présente en sortie de l'amplificateur de mesure 12 associée au capteur à effet Hall 4. L'un des deux comparateurs 22, 23 bascule alors et commande le commutateur analogique 8 pour mettre en circuit le capteur de Hall 4. L'indicateur visuel 26 signale que le dispositif n'est plus asservi normalement. La figure 2b qui montre la tension de sortie Vc du dispositif comparateur en fonction du champ magnétique illustre cette limitation de la zone de fonctionnement du dispositif à la partie linéaire de la caractéristique tension-champ magnétique du capteur GMR. If for any reason, for example during power-up, a transient period or an overload, the servo is no longer performed, a field appears in the air gap 2 and a voltage is present at the output of the measurement amplifier 12 associated with the Hall effect sensor 4. One of the two comparators 22, 23 then switches and controls the analog switch 8 to switch on the Hall sensor 4. The visual indicator 26 signals that the device is no longer servo normally. FIG. 2b which shows the output voltage Vc of the comparator device as a function of the magnetic field illustrates this limitation of the operating zone of the device to the linear part of the voltage-magnetic field characteristic of the GMR sensor.
Dès que la tension à la sortie de l'amplificateur de mesure 12 associée au capteur de Hall 4 passe en dessous de la valeur de déclenchement du dispositif comparateur formée par les deux comparateurs 22, 23, la tension de sortie de ce dispositif comparateur redevient zéro et commande le commutateur 8 de façon qu'il occupe à nouveau la position représentée sur la figure 1 dans laquelle le capteur GMR est inclus dans le circuit d'asservissement qui fonctionne donc à l'état normal et le capteur de Hall 4 est déconnecté. As soon as the voltage at the output of the measuring amplifier 12 associated with the Hall sensor 4 drops below the triggering value of the comparator device formed by the two comparators 22, 23, the output voltage of this comparator device becomes zero and controls the switch 8 so that it again occupies the position shown in FIG. 1 in which the GMR sensor is included in the servo circuit which therefore operates in the normal state and the Hall sensor 4 is disconnected.
Si l'asservissement ne peut pas être rétabli, par exemple en cas de surcharge, le dispositif reste à l'état de déconnexion du capteur GMR et donne en sortie, en 20, une tension qui est l'image fausse, mais la plus proche possible du courant primaire 5. If the servo cannot be re-established, for example in the event of an overload, the device remains in the disconnection state of the GMR sensor and gives at output, at 20, a voltage which is the false image, but the closest primary current possible 5.
Il ressort de la description précédente, que la solution au problème indiqué au début, proposé par l'invention et consistant à utiliser deux voies de mesure incluant alternativement le capteur GMR 3 ou le capteur de
Hall 4 procure les avantages d'une grande sensibilité du dispositif permettant la mesure de courant continu ou alternatif de faible niveau, d'une plage de fonctionnement importante, d'une sécurité de fonctionnement évitant le décrochage de l'asservissement, et d'un coût de réalisation très inférieur au dispositif connu de l'état de la technique. It appears from the preceding description, that the solution to the problem indicated at the beginning, proposed by the invention and consisting in using two measurement channels alternately including the GMR 3 sensor or the
Hall 4 provides the advantages of a high sensitivity of the device allowing the measurement of low level direct or alternating current, a large operating range, an operational safety avoiding the release of the servo, and a cost of production much lower than the device known from the prior art.
Claims (7)
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FR2749664A1 true FR2749664A1 (en) | 1997-12-12 |
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FR9606936A Expired - Lifetime FR2749664B1 (en) | 1996-06-05 | 1996-06-05 | DEVICE FOR MEASURING LOW CURRENTS BY AMPEREMETRIC CLAMP |
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