Calcul de l incertitude d une chaîne de mesure de transformateurs de courant

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1 Lieu de stage : Trench Switzerland & France 16 rue du Général Cassagnou BP F SAINT-LOUIS Cedex Tuteur entreprise : 24, boulevard de la victoire Strasbourg cedex Responsable de stage : Eddie SMIGIEL Christian BERHNARD Calcul de l incertitude d une chaîne de mesure de transformateurs de courant Stagiaire : Ping YU Filière : Génie électrique option énergie Date de la soutenance : Le 15 juin 2011

2 Fiche d objectifs Sous la demande de plus en plus pressante des clients de la société Trench France, la direction à pris la décision de faire accréditer les plateformes d'essais par le COFRAC, suivant la norme ISO/CEI (prescriptions générales concernant la compétence des laboratoires d étalonnage et d essais) qui sert à définir les exigences des compétences des laboratoires d étalonnages et d essais. Cette accréditation sera mise en place pour les mesures de précision de rapport de transformation des réducteurs de mesures (transformateurs de courant et de tension). Le projet est de réaliser la mise en place de la documentation, tel que les instructions de mesure, spécification, notes de service, et de préparer le dossier de calcul de incertitudes de la chaîne de mesure des laboratoires d'essai, etc. 2

3 Introduction Mon stage de 5ème année «génie électrique» s est déroulé dans l entreprise TRENCH France SAS pour une durée de vingt semaines (du 14 Février au 3 Juillet). Durant cette période j ai travaillé avec les ingénieurs et techniciens dans le laboratoire d essai sur le projet de calcul des incertitudes dans la chaîne de mesure. Vous trouverez dans ce rapport les différentes étapes de mon travail afin d atteindre mes objectifs. Nous verrons dans un premier temps la présentation de l entreprise TRENCH France SAS, puis nous nous intéresserons aux missions réalisées. Introduction In order to accomplish my senior year of INSA Strasbourg Electrical Engineering, I have landed an internship in the company TRENCH FRANCE SAS from February 14 th to July 3 th During this period, I have worked with the engineers and technicians in the test laboratory together for the uncertainty of the measurement equipments project. I will show you, in this report, those different stages of my work. First, we will have an overview of the company TRENCH France SAS, and then we will focus on the missions that I have done. 3

4 Remerciement Je tiens à remercier la société Trench France SAS, le directeur de la société Trench M. EHRET Jean-Michel et particulièrement mon tuteur le responsable de la plateforme d essais M.BERHNARD Christian, pour m'avoir accueilli et permis d'effectuer mon stage dans les meilleures conditions durant une durée de 20 semaines. Je tiens aussi à remercier le responsable du service qualité M.MALLET, ainsi que tout le personnel de la plateforme d essai et de montage qui m ont accompagné et avec qui j'ai travaillé, pour les connaissances et les conseils qu'ils m'ont apporté, ainsi que pour l expérience dont j'ai pu bénéficier. Je remercie aussi tous les autres membres de la société qui m'ont aidé durant cette période et qui m'ont donné tous les renseignements nécessaires à la réalisation de mes projets, ainsi qu'au bon déroulement de mon stage. 4

5 Sommaire Fiche d objectifs... 2 Introduction... 3 Remerciement Généralités Le groupe Trench Trench France Historique L'entreprise actuelle Organigramme général TSF Les Moyens techniques et installations Les Moyens humains Activités de Trench Suisse-France Les Produits Les essais de routine dans le laboratoire de test : Mon stage : Mes missions : Mon planning : Présentation du transformateur de courant : La norme ISO/CEI Pourquoi la norme 17025? Comment obtenir un laboratoire accrédité ISO17025? Le fonctionnement de la chaîne de mesure de précision d un transformateur de courant : Part I: Record of performance Description du pont de mesure de précision Description du comparateur de courant Description de la charge électronique Partie II : Incertitude Etape 1 : Spécifier le mesurande Etape 2 : Identifier toutes les sources d incertitudes Etape 3 : Quantification des composants d incertitudes à l aide des différentes méthodes Etape 4 : Calcul de l incertitude composée Appliquer les méthodes dans notre cas : Ce que ce stage m a apporté : Conclusion : Bibliographie : Table de figure :

6 1. Généralités Trench France est un producteur en France, d appareillage de moyenne à très haute tension, tels que condensateurs, transformateurs de mesure, inductances... Il fait la gamme complète de produits destinés au transport et à la distribution de l'électricité sous haute-tension. 1.1 Le groupe Trench Chiffre d affaire du groupe Trench en 2009 : 490 M Le groupe trench se compose de 11 sites de production pour un effectif de 2700 personnes : Canada : Produits bobinés et produits de réseaux (3 sites) Brésil : Produits bobinés Chine : Produits de réseaux (2 sites) Grande Bretagne : Traversées Autriche : Produits bobinés Allemagne : Produits de réseaux Italie : Produits de réseaux France/Suisse : Produits de réseaux 1.2 Trench France Historique Emil Haefely, le fondateur de la société a été l'inventeur de nombreux procédés qui ont fortement contribué au développement de l'industrie électrotechnique au début du siècle. La société fondée en 1904 à Bâle (Suisse) a rapidement étendu son activité aux domaines des condensateurs, des transformateurs de mesure, des traversées et des équipements destinés aux essais haute tension et très haute tension. En 1921 fut créée à Saint-Louis (France) la Compagnie Française des Procédés Haefely dénommée Haefely SA jusqu'en En 1994, la société est devenue la propriété d'un groupe multinational anglais BBA. En 1997, le groupe BBA a cédé le capital et l'ensemble des activités de Haefely Trench au groupe anglais CVC. La raison sociale était Haefely Trench SA. En 1999, Trench France SA est devenue la nouvelle raison sociale. En 2000, les activités de Trench France SA et de Trench Switzerland AG ont été réunies sous une même Direction. Cette unité s'appelle Trench Suisse-France (TSF). 6

7 Louis. En 2001, transfert des activités de production de Bâle sur le site de Saint- En 2004, Trench Suisse-France devient une filiale de la division PTD (3.66 milliards ) du groupe SIEMENS L'entreprise actuelle Trench Suisse-France est l'entité de gestion qui regroupe Trench France SAS (capital de Euros) et Trench Switzerland AG (capital de CHF). Elle emploie environ 270 personnes et réalise un chiffre d'affaire de M (2009).Trench Suisse-France est une société du groupe Trench rattachée à la division ENERGY de Siemens Organigramme général TSF Fig1 : L organigramme général 7

8 1.2.4 Les Moyens techniques et installations Terrain : surface totale du site à Saint-Louis est m² Surface couverte m² (dont m² d'ateliers) Fig2 : Le plan du site Les équipements de chaque département : a) Département Réducteurs de mesure 2 machines pour le bobinage des transformateurs du type VT-T1 1 machine pour le bobinage des transformateurs TMC 1 machine pour le bobinage des transformateurs du type VT-T11 1 convoyeur pour le montage des transformateurs 8 autoclaves séchages partie active 2 autoclaves séchages + imprégnation 6 stations d'imprégnation huile automatique (têtes multiples) 3 stations de traitement de l'huile 2 postes à souder SAF-MIG + 1 robot de soudure 1 poste de contrôle d étanchéité 1 cabine de peinture 1 four pour partie active 1 four pour retraitement des appareils 20 postes de scellement 8

9 b) Département Traversées 6 machines enroulement fuseau papier imprégné huile 2 machines enroulement fuseau papier bakélisé 9 autoclaves (séchage - imprégnation) 3 stations de remplissage huile automatique (têtes multiples) 2 stations de traitement de l'huile 1 poste à souder SAF-MIG 1 manipulateur (pour traversées du type FdV) 2 cabines de peinture c) Département Produits Spéciaux 7 machines pour le bobinage des éléments capacitifs (salle climatisée) 3 presses hydrauliques (compression éléments capacitifs) 7 autoclaves (séchage - imprégnation) 2 stations imprégnation huile synthétique semi-automatique (20 postes de remplissage) 1 station imprégnation huile minérale semi-automatique (12 postes de remplissage) 4 stations de traitement de l'huile 1 four séchage éléments capacitifs 2 fours pour essai d'étanchéité 1 cabine de peinture 1 automate de soudure TIG/MIG d) Atelier Bâle 1 machine pour le bobinage des tores pour LPCT 2 fours 1 station de remplissage-pompage SF6 1 machine de production de shunt 1 installation pour le mélange des moulages polyuréthanes e) Principaux équipements de contrôle, de mesure et d'essais 1 laboratoire d'analyse chimique 1 local pour le contrôle des composants achetés 9 plates-formes d'essais électriques : mesure diélectrique AC : maxi 1.3 MV CC : maxi 400 kv Tension de choc : jusqu'à 2.6 MVolts mesure de précision Tension AC : maxi 1.0 MV Courant AC : maxi 5000 A f) Informatique L'étude et la conception des produits sont réalisées à l'aide d'un logiciel de DAO (ME10). 9

10 La documentation interne (normes, plans, procédures et instructions, procès verbal d'essai électrique...) est accessible à tous les collaborateurs équipés d'un PC au travers d'un réseau type intranet appelé Web-Access. Un système de gestion globale des données et informations (MOVEX) type "Enterprise Ressources Planning" permet d'optimiser la gestion des ressources & des flux des domaines : ventes et marketing logistique (achat/stockage) production finances Aire de stockage des porcelaines Fig3: Une ligne de production des transformateurs Les Moyens humains Le personnel est formé directement au poste de travail sous la tutelle d'une personne confirmée. Les audits internes sont effectués par des personnes formées et habilitées. Les agents de fabrication sont en autocontrôle. Les procédés spéciaux tels que la soudure MIG aluminium ou des contrôles d'étanchéité imposent que le personnel ait satisfait à une qualification interne ou par un organisme habilité. 10

11 Les mesures et essais électriques sont sous la responsabilité de techniciens formés et expérimentés Activités de Trench Suisse-France L'activité de Trench Suisse-France consiste en : la conception, la production et la commercialisation d'équipements électriques pour les réseaux haute tension. assurer le soutien technique auprès des clients et des appareils après mise en service Les Produits Les différents produits chez TRENCH France SAS: a) Les réducteurs de mesure : transformateur de courant (TC) Fig4 : Transformateur de courant du type IOSK 72.5 kv à 550 kv 11

12 transformateur de tension inductive et capacitif Fig5 : Transformateur de tension transformateur combiné de tension et de courant du type coaxial et juxtaposés : Fig6 : Transformateur Combiné de tension et de courant 12

13 b) Les traversées pour : alternateur générateur de type FdV murale transformateur de puissance c) Les produits spéciaux chez Trench : Fig7 : Les traverées Condensateurs : réservoir d'énergie et de filtrage de couplage pilote diviseurs de tension résistifs, et / ou capacitifs haute tension (Type RC- VT) Les essais de routine dans le laboratoire de test : Mon stage s est déroulé dans une plateforme d essai qui sert à tester le bon fonctionnement de chaque transformateur de courant et de tension afin de contrôler que ses performances soit conforment aux normes. Il y a trois types d essais de routine qui peut être testé dans la plateforme d essais : les essais diélectriques en haute tension, en basse tension et les mesure de précision. Essai diélectrique Haute Tension Mesure de Décharges Partielles Mesure de Capacité et de Tan δ 13

14 Essais diélectriques Basse Tension entre secondaires et terre entre spires (un transformateur de courant) entre enroulements secondaires Mesure de précision des tores (Transformateur de courant) des enroulements (Transformateur de tension) de l appareil complet (Transformateur combiné de courant et de tension) Principaux essais de type Pour tous les produits, il faut passer des tests de type: l Essai diélectrique (sous pluie si Um 300kV), choc de manœuvre (sous pluie si Um 300 kv), choc de foudre, l essai d'échauffement et l essai mécanique...il y a aussi des tests supplémentaires pour les différents types de transformateurs : Transformateur de courant: Essai de tenue au court-circuit primaire Précision des tores Transformateur de tension : Essai de court-circuit secondaire Transformateur de tension capacitif : Ferro-résonance 14

15 2. Mon stage : 2.1 Mes missions : Mon projet chez Trench France est de mettre en œuvre avec les ingénieurs et les techniciens de la plateforme d essai toute la documentation de l accréditation ISO/CEI Ce travail se scinde en deux grandes parties, l une technique, l autre qui couvre l assurance qualité. Je suis en charge de la partie technique. Il faut donc : Préparer les documents pour réaliser l accréditation ISO (Exigences générales concernant la compétence des laboratoires d étalonnages et d essais). Calcul de l incertitude dans la chaîne de mesure des transformateurs de courant. Mise en place des instructions et des fiches de vie de tous les appareils de mesures de précision des transformateur (transformateurs de courant et de tension) dans une plateforme d essais pour faire accréditer celle-ci par le COFRAC (comité français accréditation), suivant la norme CEI La partie la plus conséquente est le calcul de l incertitude. Je vais détailler les différentes étapes et les méthodes pour réaliser ce calcul dans ce rapport. 2.2 Mon planning : Avec l aide de M.BERHNARD Christian (le responsable du laboratoire de test, et également la personne qui a suivi mon travail tout au long de ce stage), j ai réalisé le planning. Il est important, avant de commencer, pour un projet de cette ampleur de planifier les différentes étapes. S1 et S2 : Passer l accueil sécurité, visiter le site, comprendre le sujet du stage, chercher la documentation, lire toutes les normes concernant les mesures de précision. S3 S8 : Identifier tous les erreurs possibles à l aide de la méthode «5M», faire les mesures sur un transformateur de courant avec les différents paramètres d incertitudes dans la mesure. S9 et S10 : Calculer les incertitudes suivi du guide ICE 115 et GUM S11 S20 : Rédiger le rapport du projet de fin d étude S12 S14 : Faire les mesures de précision S14 S19 : Réaliser le dossier de calcul des incertitudes et les documents annexes. S20 : Préparation de la soutenance 15

16 2.3 Présentation du transformateur de courant : «Un transformateur de courant est un transformateur de mesure dans lequel le courant secondaire est, dans les conditions normales d'emploi, pratiquement proportionnel au courant primaire et déphasé par rapport à celui-ci d'un angle approximativement nul pour un sens approprié des connexions. Un transformateur de courant doit être raccordé à une charge de faible impédance. Sa précision est a son maximale quand son secondaire est en courtcircuit. Il est très précis si la charge connectée est de puissance (au courant nominal) inférieure à une puissance limite c est à dire une puissance de précision. Au secondaire, hors de la charge, une tension élevée peut apparaître aux bornes du transformateur de courant ; on ne doit donc pas laisser un transformateur de courant connecté à un secondaire ouvert.»-wikipédia Les différentes parties d un transformateur de courant : Fig8 : Représentation d un transformateur de courant 16

17 Il est utilisé pour mesurer les forts courants électriques. Il sert à adapter entre le courant élevé circulant dans un circuit électrique (circuit primaire) (courant élevé) et l'instrument de mesure (circuit secondaire) qui sont prévus pour mesurer des courants de l'ordre de l'ampère. Le principe de fonctionnement et la structure d un transformateur de courant : Fig9 : La structure d un transformateur Le rapport de transformation est l une des caractéristiques les plus importante d'un transformateur de courant, il est souvent exprimé sous la forme 600 A/1 A, c'est-à-dire 600A au primaire dans le circuit électrique et 1 A au secondaire dans le circuit de mesure. Donc dans notre cas, la barre primaire est le circuit primaire du transformateur de courant qui a n 1 =1 spire et le circuit secondaire qui est bobiné autour du tore comme dans le schéma ci-dessus égale à n 2 spires. A l aide de la formule du transformateur, si on a le courant du secondaire égale à 1 A, le courant qui traverse dans la barre primaire est égale à n 2 A. Souvent sur la plaquette d un transformateur de courant, il est gravé 600/1, c'est-à-dire que le courant primaire est 600A et le courant dans le secondaire est 1A. Ma mission est de calculer les incertitudes dans les chaînes de mesure de précision des transformateurs et les documents d instruction des instruments de mesure dans le but d obtenir l accréditation. Il y a deux chaînes de mesure de précision : une sert à mesurer les transformateurs de courant l autre sert à mesurer 17

18 les transformateurs de tension. Je suis en charge de calculer les incertitudes dans le système de mesure pour un transformateur de courant. 2.4 La norme ISO/CEI ISO est une norme internationale (publié par l'organisation internationale de normalisation) qui spécifie les exigences concernant la compétence pour effectuer des essais et des étalonnages. Il y a 15 exigences de gestion et 10 exigences techniques. Ces exigences sont les lignes directrices de ce qu un laboratoire doit pouvoir présenter pour obtenir cette accréditation. ISO s'applique à toutes les organisations effectuant des tests et des étalonnages. Elle s'applique à tous les laboratoires, indépendamment du nombre de personnel ou de l'étendue de la portée des essais et l activité d'étalonnage visés par cette norme internationale. Cette norme doit être utilisée par les laboratoires qui élaborent leur système de management pour la qualité ainsi que les activités administratives et techniques. Elle peut également être utilisée par des clients dans des laboratoires, les autorités réglementaires et les organismes d'accréditation engagés dans des activités de confirmation ou de reconnaissance de la compétence des laboratoires. Cette norme n'est pas destinée à être utilisée comme référentiel pour la certification des laboratoires. 2.5 Pourquoi la norme 17025? De manière générale, l utilisation des systèmes de management est de plus en plus importante, elle conduit à la nécessité grandissante d assurer que les laboratoires qui font partie d organisation plus grandes ou qui offrent d autre prestations puissent fonctionner selon un système de management de la qualité. La validation des résultats d essai et d étalonnage d un pays à l autre devrait être facilitée si les laboratoires se conforment à cette norme internationale et s ils ont cette l accréditation auprès d organismes prenant part à des accords de reconnaissance avec des organismes équivalant qui utilisent cette norme dans d autre pays. La norme ISO/CEI 17025, comporte deux grandes parties : l exigence relatives au management et l exigence technique. Je suis en charge de la partie technique. Pour prouver la conformité à cette norme afin d obtenir l accréditation par la comite française d accréditation, il faut satisfaire aux exigences de ces deux points. 18

19 C est pour assurer aux clients la bonne délivrance des résultats d essais ou d étalonnage, ainsi que des prestations conformes à leur besoins. 2.6 Comment obtenir un laboratoire accrédité ISO17025? Un laboratoire doit documenter un système de gestion de la qualité. Un manuel de qualité documenté est une exigence fondamentale sur la voie de l'accréditation des laboratoires. En outre, les procédures de gestion de la qualité doivent être établies de façon à ce que le système soit maintenu. Une fois que le système est documenté il doit être mis en œuvre dans le laboratoire. Il accompagnera également la demande du laboratoire d'accréditation. La période de mise en œuvre nécessitera plusieurs mois pour établir les dossiers que l'organisme d'accréditation examinera à un audit d'accréditation. Enfin, le laboratoire est soumis à l'évaluation ISO par un organisme d'accréditation qui est certifié pour effectuer l'accréditation des laboratoires. 2.7 Le fonctionnement de la chaîne de mesure de précision d un transformateur de courant : La chaîne de mesure est constituée de plusieurs parties : Le transformateur de courant étalon, le transformateur d essai et deux machines de mesure. Le principe de cette chaîne de mesure est de comparer les deux courant secondaires du transformateur de mesure étalon et un transformateur de courant en essai à l aide du pont de mesure TETTEX 2767 (instrument de mesure automatique des transformateurs courant) et d une charge électronique TETTEX type En changeant la valeur de charge dans le circuit de mesure, on peut visualiser la stabilité d un transformateur de courant en essai. Les deux transformateurs de courant sont alimentés en série avec une source de courant variable qui peut être contrôlée par le banc de test. Un instrument sert à ajouter une charge dans le circuit du transformateur en test. Et un deuxième instrument (pont de mesure) est utilisé pour relever l erreur d amplitude et le déphasage dû TC en test en comparant les deux courants secondaires des transformateurs. 19

20 Source de courant alternatif variable Comparateur de courant étalon Transformateur de courant en test Pont de mesure Fig10 : Schéma bloc du circuit de mesure On doit relever 2 grandeurs mesurées à l aide du pont de mesure TETTEX 3691: l erreur de rapport, différence d amplitude entre les transformateurs de courant étalon et en essai et le déphasage entre le courant primaire et le courant secondaire en régime établi et à la fréquence nominale du réseau (50Hz, 60Hz). Il faut vérifier par comparaison la conformité des résultats obtenus par rapport aux normes, spécifications et documents de référence. 20

21 Théoriquement les erreurs de rapport et le déphasage du transformateur étalon sont négligeables. Mais due à l imperfection des appareils liés aux influences de l environnement, ces valeurs sont entachées d erreurs. Il est donc nécessaire de définir l incertitude de mesure dans la chaîne. Une autre partie de mon projet de fin d étude est de réaliser un dossier «Record of performance» qui comporte les spécifications des machines utilisées dans la chaîne de mesure de précision. Je vais commencer à vous présenter cette partie pour que l on puisse comprendre le fonctionnement de l ensemble de la chaîne de mesure. 3. Part I: Record of performance Record of performance: Il faut donc noter toutes les spécifications techniques des instruments dans la chaîne de mesures de précision. Il y a 3 parties principales : la charge électronique de type TETTEX 3691, le comparateur de courant étalon de type TETTEX 4764 et le pont de mesure de précision de type Présentation de la composition de la chaîne de mesure de la précision du courant : Objet : chaîne de mesure de précision des transformateurs de courant Fabricant : TETTEX Instruments N de série : Comparateur de courant 4764 Pont de mesure de précision 2767 La charge de courant électronique 3691 L ensemble des ces machines forme la chaîne de mesure qui est utilisé pour mesurer l erreur d amplitude et le déphasage entre les transformateurs de courant en essai et étalon. Le fonctionnement de cette chaîne de mesure a été présenté dans la deuxième partie de ce rapport. Je commence à présenter le fonctionnement de chaque machine séparément. 3.1 Description du pont de mesure de précision Description générale : Objet : Fabricant : Pont de mesure de précision TETTEX Instruments 21

22 Type : Pont de mesure de précision 2767 Fig11 : Automatic instrument transformer test set Type 2767 Cette machine peut mesurer de précision d un transformateur de tension ou d un transformateur de courant, selon son branchement. Spécification technique de pont de mesure de précision : X-input (transformateur d essai) : Courant nominal du secondaire : I SXR Maximum intervalle d opération : 1 210%I SXR N-input (transformateur d étalon) : Courant nominal du secondaire : I SNR Maximum intervalle d opération : 1 210%I SNR Le facteur limite de fonctionnement du pont: Pour 0,5 k 2 (précision max.) Pour 2 k 10 (précision tendue) Valeur limite d entrée: Pour le courant primaire : 50mA 1000kA Pour le courant secondaire : 50mA 5A 22

23 Il y a quatre afficheurs situé sur le panneau de ce transformateur d essai automatique instrument : RATIO ERROR, PHASE ANGLE et EXCITATION. L afficheur au milieu indique les instructions pour les opérateurs et l affichage des messages erreur. On peut relever directement les valeurs d erreur d amplitude en% et le déphasage en min à l aide de ce pont. 3.2 Description du comparateur de courant Le schéma électrique du comparateur de courant : Fig12 : Schéma électrique du comparateur de courant Description générale : Objet : Comparateur de courant Fabricant : TETTEX Instruments N de série : Comparateur de courant

24 Fig13 : Comparateur de courant Les erreurs d un transformateur de courant standard dépendent de la charge. Le flux magnétique dans le tore va créer une force électromotrice qui alimente le courant secondaire dans la charge. Mais cet inconvénient peut être éliminé par ce comparateur de courant type Un circuit indicateur mesure le flux magnétique dans le tore quand le courant est régulé par le circuit de compensation, ce qui assure le flux dans le tore autour de zéro. Dimensions et plaque signalétique du comparateur de courant Intervalle de courant : Secondaire : 1-8A Primaire : 5 500A A Précision: Erreur de précision dans l intervalle de % IN: ± % Déphasage: ± 0.05 min Fréquence : Hz L intervalle de A sont produits par 2 or 1 tours. Secondaire: 1-5 A Output: max. 5 VA Alimentation: 115/230 V, 50/60Hz, 20VA Les rapports entre les positions des interrupteurs et la valeur de courant primaire du comparateur de courant : 24

25 3.3 Description de la charge électronique La spécification de la charge électronique : Puissance variable: 0.1 à 75 VA Facteur de puissance : 0.5 à 1 25

26 Intervalle opération : 1 à 200% In Fréquence des essais de tension : 48Hz à 62Hz Précision : 1% Fig14 : Charge de courant électronique Tettex type 3691 Cette charge est utilisée pour tester l efficacité des instruments des transformateurs de courant. Quand il est utilisé avec le pont de mesure de type 2767, cette charge peut être intégrée dans un système d essai contrôlé par un PC. Il y a trois afficheurs en haut sur cet appareil : le premier pour la puissance apparente, le second pour le facteur de puissance et le dernier pour l affichage du courant au secondaire. La charge électronique peut être remplacée par une charge passive traditionnelle : la résistance et l inductance. La plupart des charges standards nationales et internationales ou les besoins spécifiques des clients peuvent être réglés par cette charge électronique. Le placement des machines de mesure : 26

27 paroi paroi Fig15 : Le placement des machines de mesure Pour obtenir l accréditation ISO17025, il est aussi nécessaire de définir le placement des chaque appareil de mesure pour minimiser l influence de champ magnétique entre eux. Pour avoir le niveau de sécurité exigé, il faut séparer les parties sous tension des opérateurs à l aide d une paroi. 27

28 4. Partie II : Incertitude Dans cette deuxième partie, je vais présenter la démarche pour évaluer l incertitude dans notre système. Démarche pour l estimation de l incertitude des mesures et des résultats d essais : A l aide de la guide FD X , on peut trouver la démarche pour l estimation de l incertitude des mesures qui peut être appliqué dans l estimation de notre chaîne de mesure. 28

29 Fig16 : Diagramme pour estimer l incertitude Afin de réaliser le dossier de calcul de l incertitude, nous avons simplifié la démarche de l estimation de cette incertitude de la norme FD X à l aide des étapes suivantes : Etape 1 : Spécifier le mesurande Etape 2 : Identifier toutes les sources d incertitudes Etape 3 : Quantification des composants d incertitudes à l aide des différentes méthodes. Etape 4 : Calcul de l incertitude combinée à la loi de propagation de l incertitude 4.1 Etape 1 : Spécifier le mesurande Lorsqu on réalise un mesurage, la première étape consiste à spécifier le mesurande, c est-à-dire la grandeur à mesurer. Le mesurande dans notre cas est de mesurer l erreur de rapport E (%) et de déphasage ε (min) qui doivent conformer aux différentes normes. Ici il nous faut préciser deux définitions dans ce rapport : Mesurage : Une série d opérations ayant pour but de déterminer la valeur d une grandeur. Mesurande : Grandeur particulière soumise à mesurage 4.2 Etape 2 : Identifier toutes les sources d incertitudes Il y a plusieurs méthodes pour identifier les incertitudes dans une chaîne de mesure de précision, j ai choisi d utiliser la méthode des «5M», plus facile à mettre en œuvre. La méthode «5M» est : Méthode, Moyen, Milieu, Main d œuvre et Matière. Suivant ces cinq lignes, je cherche les causes d erreurs possibles dans le système de mesure. Les causes d erreurs possibles dans notre chaine de mesure à l aide de cette méthode «5M» sont répertorié ci dessous: 29

30 Méthode Nombre de mesure Durée de mesure Ordre de mesure Moyen Résistance interne Section du câble Stabilité d affichage de la machine Nombre points de mesure Justesse Dérive Milieu Banc de test Incertitude des appareils Fréquence de la source d alimentation Pression Température Hygrométrie Mesurande Reproductibilité Variation sur le résultat Habileté de l opérateur Expérience Vieillissement Stabilité dans la journée Main d'œuvre Connaissance (précision) Matière Après avoir analysé toute les incertitudes dans la chaîne de mesure de précisons, je peux supprimer certaines causes qui ont moins d influence que les autres paramètres. Nombre de mesure (stabilité de mesure) La section du câble (valeur de résistance insignifiante) La durée de mesure (stabilité de mesure) Nombre de points de mesure La stabilité d affichage de la machine La pression (le paramètre qui ne varie pas beaucoup dans la plateforme d essais) Habileté, expérience, stabilité dans la journée et connaissance (très peu d impact lié à l opérateur) Le vieillissement des instruments de mesure (calibration) 30

31 4.3 Etape 3 : Quantification des composants d incertitudes à l aide des différentes méthodes Il faut distinguer deux types d'incertitudes : Erreurs systématiques : elle modifie toujours le résultat de la même manière. Comme le vieillissement des composants ou encore le réglage du zéro des appareils, etc. Donc l'erreur systématique est une déviation, par rapport à la valeur la plus précise pouvant être mesurée, qui possède la même valeur à chaque fois que la mesure est effectuée. La moyenne d erreur systématique est différent de zéro donc le mesurage donne une valeur qui s éloigne toujours de la véritable valeur. L erreur systématique n est pas une variable aléatoire, elle peut être difficile à trouver comme une erreur de parallaxe pour la lecture d un résultat (bille d un débitmètre, aiguille). L'erreur systématique intervient dans la notion de justesse : pour qu une méthode d'analyse soit juste il faut éliminer l'erreur systématique. Il est alors possible de corriger les valeurs mesurées en leur ajoutant une correction compensant pour l'erreur systématique.cette correction se réalise le plus souvent grâce à des étalons qui ne doivent pas contenir eux-mêmes une erreur. En règle générale, on peut conclure que l erreur systématique n est jamais évaluée car elle est : - Soit inconnue, - Soit connue et donc corrigée. Erreurs accidentelles : répéter les mesures, calculer la moyenne et évaluer l'incertitude en utilisant la statistique. Par exemple : température, humidité, pression atmosphérique, Lorsqu'on répète plusieurs fois le mesurage d'une grandeur physique ou chimique constante, on a généralement différentes valeurs plus ou moins différente (et qui sont souvent distribuées suivant une loi normale, voir plus loin) : à partir de cette "population" (résultats des mesurages), on va pouvoir estimer la qualité du mesurage et faire un certain nombre de tests. Ces deux types d'erreurs peuvent être illustrés par le schéma suivant : 31

32 Par définition, la valeur moyenne de l erreur aléatoire est nulle et la valeur moyenne de l erreur systématique est non nulle. Souvent, les erreurs accidentelles suivirent une distribution normale. Cette hypothèse de distribution normale est valable dans 99% des cas, provient du fait que plusieurs sources indépendantes contribuent à cette erreur. Or le Théorème Central Limite nous démontre qu'une combinaison linéaire de nombre suffisamment grand de variables de distributions quelconques tend vers une distribution normale. Donc pour le résultat final, nous avons l équation suivante : Résultat = valeur vraie + erreur systématique + erreur aléatoire Nous devons d abord établir quelques définitions dans cette étape : Incertitudes absolues et relatives L incertitude absolue: Si une grandeur vraie est u et la valeur mesurée est u 0, Δu est l incertitude absolue. Le résultat peut s'écrire: u ± Δu (u et Δu ont la même unité de mesure). Incertitude relative: il est souvent exprimé en pourcentage, et le résultat est toujours suivi de son incertitude. Incertitude relative = (incertitude absolue) / résultat 32

33 Les méthodes pour calculer les incertitudes : Il existe deux méthodes pour évaluer les incertitudes : le type A et le type B. Type A : dans le cas de plusieurs mesures indépendantes, l incertitude se calcule à l aide de l écart-type : Cette estimation de la variance ainsi que sa racine carrée appelée écart type expérimental, caractérisent la variabilité des valeurs observées ou leur dispersion autour de leur moyenne. La valeur moyenne des n mesures : La variance de la moyenne est donnée par : Écart type: Incertitude sur la moyenne : L évaluation de type A est calculée à l aide d une série d observations répétées qui utilisent des méthodes statistiques, on utilise cette méthode pour calculer l incertitude sur la répétabilité. 33

34 Type B : Pour les grandeurs n'ont pas été obtenue à partir d'observations répétées, on applique la méthode de type B. Il y a quatre méthodes principales pour calculer les incertitudes du type B : Loi normale : On peut appliquer cette loi dans le cas d une grande partie des mesures, on peut estimer l'erreur donc l incertitude due à des phénomènes aléatoires par une série de n mesures: u 1, u 2,, u i,, u n Lorsque le nombre des mesures indépendantes, si n augmente, la distribution des mesures tend vers une courbe gaussienne qui montre dessous. Si l incertitude suit la loi normale, alors on peut trouver une expression suivante : K est l incertitude du rapport d'étalonnage : si k=2, on aura un intervalle de confiance à 95% et si l Incertitude du rapport d'étalonnage k=3, on aura un intervalle de une confiance à 99%. 34

35 Loi rectangulaire : La loi rectangulaire répond à une fonction de densité de probabilité d'équation générale : Pour les valeurs dans [v-a ; v+a], on a une densité de probabilité est 1/2a, et pour les valeurs dans (x < (v-a)) ou (x > (v+a)), on a une densité de probabilité de 0. La probabilité des valeurs qui sont compris entre v-a et v+a est de 1 (c'est à dire aussi x compris entre v±u* 3). Dans ce cas a est l incertitude type. La probabilité de x inférieur à v-a (c'est à dire aussi v-u* 3) est nulle. La probabilité de x supérieur à v+a (c'est à dire aussi v+u* 3) est nulle. L incertitude type u peut être exprimée avec la loi rectangulaire : Loi triangulaire : La loi triangulaire est une loi de probabilité discrète. La loi triangulaire répond à une fonction de densité de probabilité p d'équation générale : p(x) = 1/a 2 * x + (a - v)/a 2 Pour les valeurs x dans [v - a ; v] p(x) = -1/a 2 * x + (a + v)/a 2 Pour les valeurs x dans [v ; v + a] et p(x) = 0pour les valeurs (x < (v-a)) ou (x > (v+a)) L incertitude peut être exprimée avec la loi de triangulaire : La loi en forme de U : La loi en forme de U est souvent utilisée pour le contrôle climatique et de l humidité. Donc l incertitude u peut être obtenir par : 35

36 Donc on a fait un tableau pour distinguer l utilisation des différentes méthodes dans les différents paramètres : Lois Représentation Variance Ecart-type Cas d application Normale -a 3 3 +a a² u² 9 a u 3 La loi normale est assignée quand l incertitude est tirée. Si l incertitude type est déjà donnée. Rectangulaire -a -a 3 3 +a +a a² u² = 3 a u = 3 Par exemple pour les balances analytiques à lecture numérique, les certificats d'étalonnage indiquent la linéarité 2 a Triangulaire u² = u a 6 Par exemple pour de nombreuses verreries volumétriques, les certificats d'étalonnage indiquent un volume V ± a ml. En forme de U a² u² = 2 a u = 2 Electromagnétique -a 3 3 +a 36

37 4.4 Etape 4 : Calcul de l incertitude composée Incertitude-type : C est l incertitude du résultat d un mesurage exprimée sous la forme d un écart-type. Incertitude type composée : C est l incertitude-type du résultat d un mesurage, quand ce résultat est obtenu à partir des valeurs d autres grandeurs, et quelle sont égale à la racine carrée d une somme de termes ; ces termes sont les variances ou covariances de ces grandeurs, pondérées selon la dispersion du résultat en fonction de celle de leurs grandeurs. L incertitude type composée peut être calculée par la formule suivante avec l incertitude des différents paramètres d influence : Incertitude élargie : C est une Grandeur qui définit un intervalle, autour du résultat d un mesurage, dont on puisse s attendre à ce qu il comprenne une fraction élevée de la distribution des valeurs qui pourraient être attribuées raisonnablement au mesurande. L incertitude élargie s obtient en multipliant l incertitude-type composée par un facteur d élargissement k. U = k *u avec k = 2 pour un intervalle de confiance à 95 %. k = 3 pour un intervalle de confiance à 99 %. 4.5 Appliquer les méthodes dans notre cas : On peut calculer l incertitude type des différents paramètres à l aide des différentes méthodes présentées dessus. On va simplifier l évaluation de l incertitude de mesure pour mieux comprendre. Normalement on doit mesurer deux valeurs à la fois : le déphasage et l erreur d amplitude. Pour chaque changement de paramètre d incertitude, il nous faut six points de mesure. J ai effectué au moins cinquantaine mesures en tout. Pour alléger ce rapport j ai choisis de ne présenter que les incertitudes sur le déphasage et l erreur d amplitude entre le transformateur en essai et le comparateur en changeant qu un seul paramètre d erreur : 37

38 1) Identification des facteurs d influence significatifs : Grandeur U1 U2 U3 U4 U5 Source d incertitude Reproductibilité Température Humidité Ordre de mesure Certificat d étalonnage 2) Répétabilité de mesure : J ai choisis de calculer l incertitude sur le paramètre de la répétabilitée de mesure, c est une incertitude due à une réalisation répétée de la même condition de mesure il suit la méthode du type A avec loi normale qui est présentée dans le dernière chapitre. est l incertitude type à la moyenne. est la valeur moyenne d une série de mesures. n est le nombre de mesure. Par exemple, on relève 4 fois les mesures avec la même condition de mesure : les valeurs d erreur d amplitude entre transformateur d étalon et le transformateur en test et le déphasage entre eux à 50Hz : 1ère mesure I : Courant secondaire du transformateur en test In : Courant secondaire nominal du transformateur en test Enroulement Calibre I/Inx100(%) Charge (VA) E(%) Déphasage δ(min) 2S1-2S2 600/ cosb=0, cosb=0, cosb=0, cosb=0, cosb=0, cosb=0, Enroulement Calibre I/Inx100(%) Charge (VA) E(%) Déphasage δ(min) 38

39 2ème mesure 3ème mesure 4ème mesure 2S1-2S2 600/ cosb=0, cosb=0, cosb=0, cosb=0, cosb=0, cosb=0, Enroulement Calibre I/Inx100(%) Charge (VA) E(%) Déphasage δ(min) 2S1-2S2 600/ cosb=0, cosb=0, cosb=0, cosb=0, cosb=0, cosb=0, Enroulement Calibre I/Inx100(%) Charge (VA) E(%) Déphasage δ(min) 2S1-2S2 600/ cosb=0, cosb=0, cosb=0, cosb=0, cosb=0, cosb=0, On détermine l écart-type de cette série à l aide des formulaires de la méthode du type A ci dessus : Ecart type I/Inx100(%) Charge (VA) E(%) Déphasage δ(min) cosb=0, cosb=0, cosb=0, cosb=0, cosb=0, cosb=0, E(%) δ(min) 50Hz 20% >20% 20% >20% Valeur moyenne Erreur max // l'étalon de ref

40 Donc on peut obtenir dans ce tableau l incertitude sur le paramètre d influence de répétabilité : Sur l erreur d amplitude : E(%) 50Hz 20% >20% Valeur moyenne Erreur max // l'étalon de ref Sur le déphasage : δ(min) 50Hz 20% >20% Valeur moyenne Erreur max // l'étalon de ref ) Budget d incertitude : On peut calculer tous les incertitudes des paramètres d influences avec la même façon. On peut réaliser le tableau suivant avec tous les paramètres d incertitudes à l aide des incertitudes type calculé. Erreur de l'amplitude (%) à 50Hz Le courant secondaire du transformateur en essai 20%* le courant nominal composant d'incertitude Mode d'estimation Ecart type expérimental (max) Incertitude type=ecart type expérimental / racine de n (n: nombre de mesure) Répétabilité Loi du type A Précision Loi uniforme Température Loi uniforme Hygrométrie Loi uniforme Charge interne (perte) Loi uniforme Certificat d'étalonnage Loi normale

41 d) Incertitude composé : L incertitude type composée peut être calculée par la formule suivante avec les différents paramètres d influence : Donc à 50Hz l incertitude sur l erreur d amplitude est : e) Incertitude élargie : Elle s obtient en multipliant l incertitude-type composée par un facteur d élargissement k. On prend k = 2 pour avoir un intervalle de confiance à 95 %. Le résultat final peut être énoncé sous la forme : E= (E mesuré U)% 41

42 5. Ce que ce stage m a apporté : Sur le plan technique : Ce stage m a permis de découvrir le domaine de la haute tension et courant, et surtout les méthodes de métrologie pour trouver les incertitudes dans la chaîne de mesure. En effet mes connaissances acquises à mon école m ont aidé : A comprendre plus rapidement le fonctionnement des transformateurs de tension et de courant. A comprendre le fonctionnement de la mesure précision. Mais toutes ces connaissances n étaient pas suffisantes pour mener à bien mon projet. Ainsi grâce à ce stage j ai pu découvrir des méthodes de travail et un nouveau domaine que l on n apprend pas à l école. Cette expérience m a permis d approfondir mes connaissances sur les transformateurs en haute tension et courant ainsi que sur les chaînes de mesure de précision. J ai également demandé de suivre la chaîne production. Ce fut pour moi très intéressant. Sur le plan relationnel : Tout au long de mon stage j ai rencontré beaucoup de personnes : de l opérateur au chef du site et du plus jeune entrant dans l entreprise au plus ancien (plus de 15 ans d expérience). Il m a fallu à chaque fois m adapter à la personne que j avais en face de moi. Ce stage reste pour moi une expérience très enrichissante sur le plan relationnel. Du fait de la sympathie du personnel dans la plateforme d essais ainsi que les autres plateformes de l usine, mon intégration a été facile et rapide, et j ai lié des relations amicales. 42

43 6. Conclusion : Ce stage au sein du Trench France SAS fut pour moi une expérience qui je l espère, se renouvellera. La vie que j ai découverte dans l entreprise est très agréable et cela se ressent sur le travail. Cette expérience m a fait progresser sur le plan technique et sur le plan relationnel. Ce stage m a permis d approfondir mes connaissances dans le domaine de la haute tension, des transformateurs et sur l accréditation ISO J ai pu m apercevoir également des enjeux et des difficultés dans les domaines. Avec ce stage j ai pu travailler sur un projet d une durée de 20 semaines avec des objectifs à remplir, en terme de qualité et de délai. Tous les objectifs que l on m avait fixé ont pratiquement tous été atteints ; j ai terminé de calculer l incertitude d une chaîne de mesure mais également finit le dossier «record of performance». En définitive, ce stage a été pour moi un excellent complément à ma formation d ingénieur en m apportant une vision encore plus large du domaine génie électrique au sein d une entreprise que je n avais pas encore pu découvrir. Je garde un très bon souvenir de ce stage qui m a permis de m insérer dans la vie active, et qui a été une expérience agréable et très enrichissante. 43

44 7. Bibliographie : [1] GUM : Guide pour l'expression de l'incertitude de mesure, [2] ISO/CEI (septembre 2005) Exigences générales concernant la compétence des laboratoires d'étalonnages et d'essais, [3] ISO (aout 2007) Laboratoires de biologie médicale - Exigences particulières concernant la qualité et la compétence, [4] ISO (septembre 2003) Systèmes de management de la mesure - Exigences pour les processus et les équipements de [5] X (décembre 1997) Métrologie - Métrologie dans l'entreprise - Fiche de vie des équipements de mesure, de contrôle et d'essai, [6] FD X (octobre 1999) Normes fondamentales - Métrologie et application de la statistique - Aide à la démarche pour l'estimation et l'utilisation de l'incertitude de mesure et des résultats d'essais, [7] FD X (décembre 2004) Métrologie et application de la statistique - Utilisation des incertitudes de mesure : présentation de quelques cas et pratiques usuelles, [8] Organisation Internationale de Métrologie Légale (OIML), «Vocabulaire International des Termes de Métrologie Légale (VIML)», 2000 [9] Organisation Internationale de Métrologie Légale (OIML), «Éléments pour une loi de métrologie, document OIML D 1», 2004 [10] ILAC - International Laboratory Accreditation Cooperation, «ILAC Policy on Traceability of Measurement Results (ILAC P10:2002)»,

45 8. Table de figure : Fig1 : L organigramme général Fig2 : Le plan du site Fig3 : Une ligne de production des transformateurs Fig4 : Transformateur de courant du type IOSK 72.5 kv à 550 kv Fig5 : Transformateur de tension inductif du type VEOT et VEOS 72,5 kv to 550 kv Fig6 : Transformateur Combiné de tension et de courant Fig7 : Les traverées Fig8 : Représentation d un transformateur de courant Fig9 : La structure d un transformateur Fig10 : Schéma bloc du circuit de mesure Fig11 : Automatic instrument transformer test set Type 2767 Fig12 : Schéma électrique du comparateur de courant Fig13 : Comparateur de courant Fig14 : Charge de courant électronique Tettex type 3691 Fig15 : Le placement des machines de mesure Fig16 : Diagramme pour estimer l incertitude 45