Conception, modélisation et étalonnage d un shunt pour la mesure de courant à 10 A et 1 MHz

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1 Conception, modélisation et étalonnage d un shunt pour la mesure de courant à 10 A et 1 MHz OUAMEUR Mohamed Journée des doctorants du GEEPS Encadrant au LNE : M. François ZIADE. Directeur de thèse : M. Yann LE BIHAN. Date début de la thèse : 09/03/2015 Laboratoire national de métrologie et d essais

2 Plan Présentation du LNE Contexte Etat de l art Avancement de la thèse 2

3 Plan Présentation du LNE Contexte Etat de l art Avancement de la thèse 3

4 Présentation du LNE Statut du Laboratoire National de Métrologie et d Essais Etablissement public à caractère industriel et commercial (EPIC) dépendant du ministère de Ministère du Redressement Productif. Historique Créé en 1901 comme département du Conservatoire national des arts et métiers (CNAM), il a d'abord effectué des essais physiques sur les matériaux puis s'est intéressé à la sécurité des produits de consommation : sécurité d'emploi, protection de l'utilisateur. En 1978, il devient un EPIC et regroupe différents centres techniques chargés d'essais de différents produits industriels (emballages, matériels médicaux, etc.). En 2005, il intègre les activités de métrologie du Bureau national de métrologie et devient le laboratoire national de métrologie et d'essai 4

5 Plan Présentation du LNE Contexte Etat de l art Avancement de la thèse 5

6 Contexte En métrologie électrique, la mesure du courant est primordiale. Capteurs de courant large bande (mesure de courant AC et impulsionnel) Bobine de Rogowski : Caractéristiques : 1 Hz 1 MHz ; I rms : 10 A 2000A Sensibilité : 0,1 mv/a Capteur Pearson : Caractéristiques : 1 Hz 4 MHz ; I rms : 10 A plusieurs centaines A Sensibilité : 10 mv/a Capteur à effet Hall : Caractéristiques : 1 Hz 100 MHz ; I rms : 10 A plusieurs centaines A Sensibilité : 1 mv/a Le rapport K du capteur de courant (mv/a) : K = U capteur_de_courant I capteur_de_courant 6

7 Contexte Actuellement, l étalonnage des capteurs de courant à 1MHz est limité en courant à 1A. actuellement incertitudes élevées sur la mesure de K. Besoin industriel : demandes reçues pour étalonner des capteurs de courant au-delà de 1 A et 1 MHz car : Les capteurs PEARSON, ROGOWSKI sont utilisés à des courants supérieurs à 1 A. Le rapport K des capteurs à 1 MHz génère du bruit sur la mesure de tension K du capteur PEARSON K du capteur ROGOWSKI K du capteur à effet Hall 10 mv/a 0,1 mv/a 1 mv/a Objectif de la thèse Etalonnage des capteurs de courant à 10 A et 1 MHz. réduire les incertitudes de mesure d un facteur 10. 7

8 Contexte Les shunts étalons Qualité de connaissance de la sensibilité ( Ex : K = 10 mv/a ±5) Grande incertitude de mesure. Appareils nonétalonnés Bonne qualité de connaissance de la sensibilité, (Ex : K = 10mV/A ± 0,01) Incertitude de mesure faible. Appareils étalonnés 8

9 Contexte Travail de la thèse Axes de recherche de la thèse Développement du shunt de courant Connaissance du shunt Calcul analytique Mesure : méthode d étalonnage 9

10 Contexte Travail de la thèse Axes de recherche de la thèse Développement du shunt de courant Connaissance du shunt Calcul analytique Mesure : méthode d étalonnage 10

11 Contexte Les shunts étalons : Shunt (mesure de courant DC et AC). L écart de transposition : Déphasage : δ = R DC Z in Z in φ = arctan( I[Z in] R[Z in ] ) Coefficient de température TC : TC = R DC T 1 R DC (T 2 ) R DC0 ( T 1 T 2 ) Coefficient de puissance PC : Shunt = Résistance de faible valeur PC = R DC P R DC0 R DC0 P Stabilité dans le temps (généralement en ppm/an). Shunt dont la variation en fréquence est la plus faible possible Modèle électrique simple : circuit R DC, L, C 11 Juin 2015 Journée des doctorants du GEEPS 11

12 Contexte Travail de la thèse Axes de recherche de la thèse Développement du shunt de courant Connaissance du shunt Calcul analytique Mesure : méthode d étalonnage 12

13 Contexte Etalonnage des capteurs de courant au LNE Méthodes d étalonnage à 1 MHz : 3 méthodes sont utilisées pour étalonner les capteurs de courant. Détermination du rapport K du capteur de courant (mv/a) : K = U out I AC Shunt étalon Z R1W mesuré avec une méthode par résonance K = U out I AC = U out Z R1Ω U R1Ω u(k) = 2% à 1 MHz 11 Juin 2015 Journée des doctorants du GEEPS 13

14 Plan Présentation du LNE Contexte Etat de l art Avancement de la thèse 14

15 tat de l art : «shunt : conception et modélisation» Des shunts coaxiaux ont été fabriqués selon deux structures différentes : Structure en cage Structure à base de feuilles résistives Les principaux résultats des développements de shunts sont résumés ici : A 100 khz d < et f < I max = 1 A à 1 MHz Les structures développées ne permettent pas de monter à 10 A - 1 MHz. Axes de recherche: - Développement d un shunt étalon de valeur inférieure à 2Ω et entièrement calculable jusqu à 1 MHz. - A 1 MHz d et f respectivement inférieurs à et Juin 2015 Journée des doctorants du GEEPS 15

16 Etat de l art : «shunt : étalonnage jusqu à 1 MHz» Les principales méthodes d étalonnage développées en Europe ces dernières années sont résumées ici : Méthodes : Méthode par comparaison directe. Méthode par transfert thermique. Ces méthodes ne permettent pas de mesurer, à la fois, l erreur de d et f. Axes de recherche: - Une méthode proposée : adaptateur d impédance + analyseur de réseau vectoriel (VNA). - Une méthode de mesure donnant accès à la fois l angle de phase et l écart de transposition jusqu à 1 MHz, quelle que soit la valeur du shunt 16

17 Plan Présentation du LNE Contexte Etat de l art Avancement de la thèse 17

18 Avancement de la thèse Avancement : (E1) Etude Bibliographie : Les shunts de courant. Les méthodes d étalonnage. Adaptation d impédance. (E2) Etape suivante : Développement du shunt de courant. - Etude de structures. - Modélisation analytique, numérique. - Etude de sensibilité aux paramètres perturbateurs. 18

19 Merci pour votre attention Laboratoire national de métrologie et d essais