Specialists meeting of NPCCI electronic equipaent to ochiev electromagnetic comtobility (EEMC), Winfrith, U.K. 28 Febroory -2 Korch 1978 CEA-CONF 4289
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1 SERVICES D'ELECTRONIQUE DE SACLAY SERVICE D'INSTRUMENTATION POUR LES Saclay, le 1 Février 1978 APPLICATIONS INDUSTRIELLES JB/JCL/JZ Objectif 4130 Classement C5 Affaire SES 1038 Specialists meeting of NPCCI electronic equipaent to ochiev electromagnetic comtobility (EEMC), Winfrith, U.K. 28 Febroory -2 Korch 1978 CEA-CONF 4289 (USURES DE LA SENSIBILITÉ AUX PERTURBATIONS ÉLECTRIQUES DES INSTALLATIONS DE CONTROLE NEUTRONIQUE SUR LES CENTRALES NUCLEAIRES J.C. LECOMPTE - J. BUISSON 5ES/INTERNE/SAI/78-02O
2 \ MESURES DE TA SENSIBILITE AUX PERTURBATIONS ELECTRIQUES INSTALLATIONS DE CONTROLE NEUTRONIQUE SUR LES CENTRALES NUCLEAIRES DES J.C. LECOMPTE - J. BUISSON Commissariat à l'energie Atomique Centre d'etudes Nucléaires de Saclay (France) 1 - INTRODUCTION L'installation dans sa configuration normale est mise à la terre côté amplificateur de mesure et est isolée de celle-ci en tous les autres points. On a constaté qu'un champ électromagnétique perturbateur engendrait sur la chaîne de mesure un cjurant qui a toujours une fréquence préférentielle correspondant â celle définie par une longueur d'onde égale à environ quatre fois la longueur de la liaison entre le détecteur et la chaîne de mesure (câbles, connecteurs, traversée ét.mche). On peut donc considérer que l'ensemble des liaisons se comporte comme une antenne résonnant en A/4, Du fait de l'isolement du détecteur par rapport à la terre, le maximum de courant est observé au niveau de l'électronique. Dans les méthodes de mesure décrites ci-après, c'est donc en ce point qu'on effectuera préférentiellement l'injection du courant permettant de réaliser les mesures. 2 - PRINCIPE DE MESURE DE LA SENSIBILITE AUX PARASITES On injecte au moyen d'un transformateur à noyau de ferrite un courant sinusoïdal sur le blindage du système à étudier. Ce transformateur est attaqué par un amplificateur de puissance lui-même piloté par un générateur sinusoïdal. Le transformateur est consititué par un tore de ferrite sur
3 - 2 - lequel sont bobinés deux enroulements afin d'adapter au mieux l'impédance de sortie de l'amplificateur de puissance à celle représentée par la charge. Le secondaire du transformateur étant la boucle constituée par le câble et le chemin de câble de l'installation. On mesure le courant "I" circulant sur la gaine du râble de liaison entre le sous-ensemble de mesure et le détecteur à l'aide d'une pince ampèremétrique et d'un oscilloscope. On mesure d'autre part le rapport entre le signal obtenu a l'entrée de l'amplificateur du sous-ensemble et le courant de gaine. Cette dernière mesure peut être faite par deux procédés différents. 3 - PROCEDES DE MESURES La mesure de sensibilité aux perturbations électriques de l'installation doit inclure le contrôle des systèmes de raccordement et en particulier des connecteurs situés à l'entrée de la voie de mesure. Le ce fait, la mesure du signal sur l'âme centrale du câble est faite â partir du signal observé à la sortie de l'amplificateur d'entrée de la voie normalement utilisée en exploitation. Les caractéristiques de l'amplificateur qui nous intéressent sont les suivantes : - Gain en tension 80 décibels. - Bruit de fond électronique en sortie 200 millivolts. - Bande passante 10 KHz - 20 MHz. Loœqu'on a affaire à une installation bien réalisée, on dispose alors dans ces conditions à la sortie de l'amplificateur d'un signal de quelques millivolts noyé dans 200 millivolts de bruit. Les deux procédés de mesure se différencient par la façon d'extraire du bruit le signal à la sortie de l'amplificateur de la chaîne. 3.1 Méthode par échantillonnage : On procède à un échantillonnage synchrone du signal, la synchronisation étant obtenue à l'aide d'une pince ampêremétrique qui mesure le courant injecté sur le câble. Le résultat d'un échantillonnage est ajouté au précédent et ainsi de suite. A chaque accumulation le bruit de fond aléatoire donne une composante alternative nulle, alors que l'amplitude du signal à mesurer augmente. Le schéma synoptique de la méthode est représenté sur la figure I. Pour échantillonner le signal, on utilise un analyseur multicanaux comportant 200 mémoires. Une horloge extérieure commande l'avance des canaux de 1' analyseur afin de ranger l'échantillon en mémoire. Le démarrage d'un second échantillonnage est déclenché par un signal synchrone du signal à échantillonner. L'analyseur n'admet que des signaux à basse fréquence, il est donc nécessaire d'effectuer une transposition de fréquence du signal pour le ramener à quelques dizaines de hertz. Ce changement de fréquence est réalisé au moyen d'un oscilloscope à échantillonnage (Sampling). Ce système présente l'avantage,
4 - 3 - en agissant sur la base de temps de l'oscilloscope, de délivrer en sortie une fréquence constante quelle que soit la fréquence du signal d'entrée. Le signal à la sortie de l'oscilloscope a échantillonnage est noyé dans le bruit, et il est synchrone de la rampe de balayage, qui sert alors à synchroniser les échantillons entre eux ?I Ç dure_de_me sure : La courbe de l'impédance de transfert est tracée point par point en fonction de la fréquence du courant injecté. La procédure â suivre pour effectuer les mesures est la suivante : 1) On mesure le courant de gaine en envoyant la tension délivrée par la pince ampèremétrique sur l'oscilloscope par l'intermédiaire d'un atténuateur, comme indiqué sur la figure 2. On obtient après N(j) accumulations un signal d'amplitude S(i)> Si a est l'atténuation de l'atténuateur. E la tension délivrée par la pince. h le rapport de conversionde la pince entre le courant à mesurer et la tension délivrée, k la fonction de transfert de l'oscilloscope à la fréquence de travail. On a : I «he et : I - ha k -&- 2) On applique ensuite directement sur l'oscilloscope sans modification de réglage, le signal qui sort de l'amplificateur, comme indique sur la figure 3. Après N/ g \ passages, il apparaît une sinusoïde sur l'écran de visualisation d'amplitude S/ e \. La tension à l'entrée de l'amplificateur est égale â : 6 = G k ^(O N (e) avec G = gain en tension de l'amplificateur. L'impédance de transfert est alors égale à : 1 h.g.a N (I) S (e) Elle ne dépend ni de la fonction de transfert du changeur de fréquence ni de l'analyseur. Les principales causes d'erreurs sont dues aux incertitu es des circuits de synchronisation du changeur de fréquence. Pour des impédances de transfert faibles (< I0~7fl) le temps d'accumulation nécessaire pour extraire le signal venant de l'amplificateur peut dépasser trente minutes. Une défaillance momentanée des circuits de synchronisation peut alors passer inaperçue et fausser la mesure. Pour des impédances inférieures à I0~7fi un recoupement au moyen d'une seconde mesure s'impose.
5 Méthode par analyse spectrale : On explore en fréquence le signal de part et d'autre de la fréquence du courant injecté avec un filtre à bande étroite (quelques Hertz) et à grand pouvoir de coupure. L'énergie donnée par le bruit est très faible dans la bande de fréquences du filtre. Lorsque la fréquence du signal correspond à la fréquence centrale du filtre, un pic d'énergie apparaît. Le schéma synoptique de la méthode est représenté sur la figure ?E2Çédure_de_mesure : Pour une fréquence donnée du courant de gaine : I) On envoie le signal provenant de la pince ampèremétrique qui mesure le courant de gaine sur l'analyseur de spectre. On fait?'analyse spectrale de ce signal et l'on stocke le résultat sur l'une des deux mémoires de l'unité de visualisation de l'analyseur. L'écran de visualisation â une dynamique de 100 décibels. Un atténuateur incorporé permet de porter cette dynamique à 190 décibels. On obtient un signal dont l'amplitude en fonction de la fréquence est égale 2 : K + 20 log i K est une constante d' étalonnage qui s'élimine comme on le verra plus loin au cours de la seconde mesure. 2) On envoie sur l'analyseur le signal sortant de l'amplificateur de mesure. Cet amplificateur a une impédance d'entrée égale à 50 fi. Si on appelle i le courant sur son entrée, on stocke sur l'autre mémoire un signal dont l'amplitude est : K log 50 i Le terme 80 correspond au gain en décibels de l'amplificateur. La différence des signaux enregistrés sur les deux mémoires donne : log 50h.i Ce terme est obtenu par la soustraction des amplitudes des signaux provenant de l'amplificateur et de la pince ampèremétrique, A partir du rapport C on en déduit l'impédance de transfert : C log h z T - io 2 0 Cette méthode se prête mieux à la mesure d'une autre grandeur, caractéristique elle aussi, de la protection de l'installation vis-à-vis des perturbations. Il s'agit de l'atténuation du courant de gaine exprimée par le rapport entre le courant circulant sur le blindageet le courant mesuré sur l'âme
6 - 5 - centrale du câble a l'entrée de l'amplificateur de mesure. Cette attenuation a pour expression : A - 20 log i Ce qui donne, en introduisant le terme C, résultant des mesures : A - C log 50 h Cette notion d'atténuation de courant correspond â une caractéristique générale que l'on tend de plus en plus â substituer â la notion d'impédance de transfert. A titre d'exemple on peut considérer qu'une installation bien conçue devra présenter un coefficient d'atténuation de l'ordre de 100 décibels. 4 - CONCLUSIONS Les résultats de mesures obtenues par les deux méthodes sont comparables : a) Méthode_gar_échantillonnage : Cette méthode demande un matériel important, volumineux pour le transport sur un site. Les réglages sont nombreux, ce qui augmente les risques d'erreurs L'oscilloscope à échantillonnage est un appareil délicat et fragile. Les mesures sont longues. Une aberration des résultats suite à une erreur de manipulation ne s'aperçoit que lorsque les mesures sont déjà bien avancées. Cette méthode présente cependant l'avantage d'accepter toutes les formes de signaux noyés dans le bruit à condition qu'ils soient récurrents. On peut remplacer le générateur sinusoïdal par un générateur d'impulsions et étudier ainsi la réponse en impulsion d'un système. b) Mét.hode_2ar_analy_se_s2eçtrale : Cette méthode demande peu de matériel. Mais ce matériel est coûteux, la mise en oeuvre de la méthode est très simple. Les mesures sont rapides, dans certains cas immédiates. Il faut moins de cinq minutes pour effectuer les mesures, toutes manipulations comprises, ce qui les rendent indépendantes de la dérive des grandeurs physiques mises en jeu. Il est donc facile de corriger très rapidement une éventuelle erreur. Oh ne peut travailler qu'en régime sinusoïdal pour extraire le signal du bruit. Le spectre d'une impulsion étant très large, ses raies sont réparties sur la même g.imnu de fréquence que celle du bruit et il devient impossible de les distinguer de ce dernier. L'analyseur de spectre permet d'élargir la gamme des essais possibles sur une installation. On peut par exemple mesurer la répartition spectrale du bruit, ou détecter des parasites locaux (émetteur radio, radio phare, etc.). Pour détermine: l'impédance de transfert d'une installation la methot par analyse spectrale est la plus opérationnelle.
7 - 6 - Dans un laboratoire les deux méthodes peuvent se compléter, pour d'autres applications où il est nécessaire d'étendre le charm et la diversité des mesures. J
8 Générateur sinusoidal Amplifica - teur dp puissance.transformateur d'injection.pince ampéremètrique Oscilloscope à échantillonnage Synchro. Rampe externe balay. Analyseur multicanaux Ordre de démarrage Entrée 50Q Rampe balay, Entrée Signal Visualisation Mesure de l'impédance de transfert. Schéma de principe de la méthode par échantillonnage. FIG. I
9 Ampli. I Générateur Sinusoïdal I Jjnpli fixateur if puissance \^***^L ransforaateur d'injection I Pinces ampérenètriques Oscilloscope à échantillonnage Analyseur Multicanaux Synchro. Synchro Atténuateur (a) 00 Entrée Signal I Visualisation '(D Méthode de mesure par échantillonnage. Mesure de I. F1G. 2
10 Générateur Sinusoïdal Amplificateur de Amplified teur m L ar puissance 5 Pince ampéremètrique ^ Oscilloscope à échantillonnai Analyseur Multicanaux Synchro. Synchro. Sipr.al noyé dans le bruit (k) Entrée Signal N (e) Méthode de mesure par échantillonnage. Mesure de e. FIG. 3
11 Générateur Sinusoidal I Amplificateur de puissance..transformateur d'injection -Pince ampéremetrique Oscilloscope \1 Analyseur de Spectre Mesure de l'impédance de transfert. Schema de principe de la méthode par analyse spectrale. F1G. 4
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