Introduction aux Pinces Ampèremétriques
Les pinces sont conçues pour étendre les capacités de mesure de courant des multimètres numériques, des instruments de puissance, des oscilloscopes, des oscilloscopes portables, des enregistreurs ou des enregistreurs de données et d'autres instruments divers. La pince est placée autour du conducteur porteur de courant pour effectuer des mesures de courant sans contact, sans interrompre le circuit en test. La pince émet des signaux de courant ou de tension directement proportionnels au courant mesuré, fournissant ainsi des capacités de mesure et d'affichage de courant à des instruments avec des entrées de courant ou de tension basses. Lors de la réalisation d'une mesure, le circuit du conducteur porteur de courant n'est pas interrompu et reste électriquement isolé des bornes d'entrée de l'instrument. En conséquence, la borne d'entrée basse de l'instrument peut être flottante ou mise à la terre. Il n'est pas nécessaire d'interrompre l'alimentation électrique lors de l'utilisation d'une pince ampèremétrique pour effectuer des mesures, ce qui permet d'éliminer les temps d'arrêt coûteux. Des mesures RMS véritables dans la réponse en fréquence de la pince sont possibles en utilisant la plupart des pinces ampèremétriques Chauvin-Arnoux avec un multimètre vrai RMS. Dans la plupart des cas, les mesures RMS ne sont pas limitées par les pinces, mais par l'instrument auquel elles sont connectées. Les meilleurs résultats sont obtenus avec des pinces offrant une précision intrinsèque élevée, une bonne réponse en fréquence et un déphasage minimal. Plusieurs pinces Chauvin Arnoux® sont brevetées pour leur circuit et leur conception uniques.
Pinces Ampèremétriques de Courant Alternatif
• Théorie de fonctionnement :
Une pince de courant alternatif peut être vue comme une variante d'un transformateur de courant simple. Un transformateur (figure 1) est essentiellement deux bobines enroulées sur un noyau de fer commun. Un courant I1 est appliqué à travers la bobine B1, induisant à travers le noyau commun un courant I2 dans la bobine B2. Le nombre de spires de chaque bobine et le courant sont liés par :
N1 x I1 = N2 x I2 où N1 et N2 sont le nombre de spires dans chaque bobine. À partir de cette relation : I2 = N1 x I1/N2 ou I1 = N2 x I2/N1.
Ce même principe est appliqué à une pince de courant (figure 2). Le noyau magnétique articulé tient la bobine B2 et est fixé autour d'un conducteur où circule le courant I1. B1 est simplement le conducteur où l'utilisateur mesure le courant avec le nombre de spires N1 égal à un. Le capteur de courant fixé autour du conducteur fournit une sortie proportionnelle au nombre de spires dans sa bobine B2, de sorte que :
I2 (sortie de la pince) = N1/N2 x I1 où N1 = 1 ou sortie de la pince = I1/N2 (nombre de spires dans la bobine de la pince).
Il est souvent difficile de mesurer I1 directement en raison de courants qui sont trop élevés pour être directement alimentés dans un compteur ou simplement parce que l'interruption du circuit n'est pas possible. Pour fournir un niveau de sortie gérable, un nombre connu de spires est réalisé dans la bobine de la pince.
Le nombre de spires dans l'enroulement de la pince est généralement un nombre entier (par exemple, 100, 500 ou 1 000). Si N2 est égal à 1 000, alors la pince a un rapport de N1/N2 ou 1/1 000, qui est exprimé comme 1 000:1. Une autre façon d'exprimer ce rapport est de dire que la sortie de la pince est de 1 mA/A - la sortie de la pince est de 1 mA (I2) pour 1 A (ou 1 A @ 1 000 A) circulant dans la fenêtre de la mâchoire. Il existe de nombreux autres rapports possibles : 500:5, 2 000:2, 3 000:1, 3 000:5, etc. pour différentes applications.
L'application la plus courante est l'utilisation d'une pince de courant avec un multimètre numérique. Prenons comme exemple une pince de courant avec un rapport de 1 000:1 (modèle C100) avec une sortie de 1 mA/A. Ce rapport signifie que tout courant circulant à travers les mâchoires de la sonde entraînera un courant circulant en sortie :
| Entrée conducteur |
Sortie de pince |
| 1000A |
1A |
| 750A |
750mA |
| 250A |
250mA |
| 10A |
10mA |
La sortie de la pince est connectée à un multimètre numérique réglé sur la plage de courant alternatif pour gérer la sortie de la pince. Ensuite, pour déterminer le courant dans le conducteur, multipliez la lecture du multimètre par le rapport (par exemple, 150 mA lus sur la plage de 200 mA du multimètre représentent 150 mA x 1 000 = 150 A dans le conducteur mesuré).
Les pinces de courant peuvent être utilisées avec d'autres instruments ayant des plages de courant, à condition que ces instruments aient l'impédance d'entrée requise. (Voir la figure 3).
Les pinces de courant peuvent également avoir des sorties de tension alternative ou continue pour accommoder les mesures de courant avec des instruments (enregistreurs, oscilloscopes, etc.) avec des plages de tension uniquement. (Voir figure 4 et figure 5)
Cela se fait simplement en conditionnant la sortie de la pince de courant à l'intérieur de la pince pour fournir une tension. Dans ces cas, la sortie en mV de la sonde est proportionnelle au courant mesuré.
• Principe de Fonctionnement
Les capteurs AmpFlex® et MiniFlex® fonctionnent selon le principe de la bobine de Rogowski. Le circuit primaire est constitué par le conducteur portant le courant alternatif à mesurer, tandis que le circuit secondaire est formé par une bobine spéciale enroulée sur un support flexible. Cette bobine génère une tension à ses bornes qui est proportionnelle à la dérivée du courant primaire mesuré.
u = μ0.n/(2πr) S di/dt
où μ0 = perméabilité au vide, S = surface d'un tour, n = nombre de tours, r = rayon du noyau.
Ce voltage alternatif u est ensuite transmis via un câble blindé au boîtier contenant toute l'électronique de traitement et l'alimentation électrique de la batterie. Étant donné qu'il n'y a pas de circuits magnétiques sur ces capteurs, ils sont très légers et flexibles. Sans circuits magnétiques, il n'y a pas d'effet de saturation ni de surchauffe. Cette caractéristique garantit une excellente linéarité et un faible déphasage.
SONDES DE COURANT À PINCE AC/DC
• Théorie de fonctionnement (effet Hall)
Contrairement aux transformateurs de courant AC traditionnels, la mesure du courant AC/DC repose souvent sur la détection de l'intensité d'un champ magnétique généré par un conducteur porteur de courant en utilisant le principe de l'effet Hall dans une puce semi-conductrice. Lorsqu'un matériau semi-conducteur mince (comme illustré dans la figure 6) est placé perpendiculairement à un champ magnétique (B) et qu'un courant électrique (Id) le traverse, une tension (Vh) est générée à travers le semi-conducteur. Cette tension est appelée tension de Hall, en hommage au scientifique américain Edwin Hall, qui a observé ce phénomène pour la première fois.
Lorsque le courant d'entraînement du dispositif Hall (Id) est maintenu constant, le champ magnétique (B) est directement proportionnel au courant dans un conducteur. Ainsi, la tension de sortie de Hall (Vh) est représentative de ce courant.
Un tel agencement présente deux avantages importants pour la mesure universelle du courant. Tout d'abord, puisque la tension de Hall ne dépend pas d'un champ magnétique réversible, mais seulement de son intensité, le dispositif peut être utilisé pour la mesure de courant continu (DC). Deuxièmement, lorsque l'intensité du champ magnétique varie en raison du flux de courant variable dans le conducteur, la réponse au changement est instantanée.
Ainsi, des formes d'onde de courant alternatif (AC) complexes peuvent être détectées et mesurées avec une grande précision et une faible déviation de phase. La construction de base d'un ensemble de mâchoires de serrage est illustrée dans la figure 7 (note : un ou deux générateurs de Hall sont utilisés selon le type de pince ampèremétrique).
Les pinces ampèremétriques AC/DC de Chauvin Arnoux ont été développées en utilisant le principe précédemment mentionné, conjointement avec des circuits électroniques brevetés intégrant un conditionnement de signal pour une sortie linéaire et une compensation de température. Ces pinces offrent une large plage dynamique et une réponse en fréquence, offrant une sortie linéaire de haute précision pour une application dans tous les domaines de mesure de courant, jusqu'à 1 500 A. De plus, elles peuvent mesurer les courants continus sans avoir besoin de dérivations coûteuses et énergivores, ainsi que les courants alternatifs de plusieurs kHz avec précision pour répondre aux exigences des signaux complexes et des mesures RMS.
Les sorties des pinces sont en mV (mV CC lors de la mesure de courant continu et mV CA lors de la mesure de courant alternatif) et peuvent être connectées à la plupart des instruments avec une entrée de tension, tels que les multimètres numériques, les enregistreurs, les oscilloscopes, les oscilloscopes portables, les enregistreurs, etc. De plus, Chauvin Arnoux propose différentes technologies pour les mesures de courant continu, comme dans le K1 et le K2, conçus pour mesurer de très faibles courants continus en utilisant une technologie de circuit magnétique saturé.
Les pinces AC/DC offrent également la possibilité d'afficher ou de mesurer des valeurs efficaces vraies en courant alternatif ou en courant alternatif plus continu.
Mesure du courant alternatif (AC) ou continu (DC):
- Connectez la pince à l'instrument.
- Sélectionnez la fonction et la plage.
- Pincez la pince autour d'un seul conducteur.
- Lisez la valeur de courant du conducteur.
Exemples (Figure 8):
AC: Modèle de pince: Y2N
Ratio: 1000:1
Sortie: 1 mA AC/A AC
DMM réglé sur la plage de 200 mA AC
Lecture du DMM: 125 mA AC
Courant dans le conducteur: 125 mA x 1000 = 125 A AC
DC: Modèle de pince: PAC 21
1 mV DC/A DC (capteur Hall)
DMM réglé sur la plage de 200 mV DC
Lecture du DMM: 160 mV DC
Courant dans le conducteur: 160 A DC
AC: Modèle de pince: PAC 11
Sortie: 1 mV AC/A AC (capteur Hall)
DMM réglé sur la plage de 200 mV AC
Lecture du DMM: 120 mV AC
Courant dans le conducteur: 120 A AC
DC: Micro pince K1
Sortie: 1 mV/mA
DMM réglé sur la plage de 200 mV DC
Lecture du DMM: 7.4 mV DC
Courant dans le conducteur: 7.4 mA
Mesures de courants faibles, de boucles de processus et de courants de fuite
Plusieurs pinces sont proposées pour les mesures de courant faible. Par exemple, les modèles K1 et K2 offrent une sensibilité de 50 mA en courant continu (DC), et le modèle K2 peut être utilisé dans des boucles de processus de 4-20 mA.
Exemple : boucle de 4-20 mA
Modèle de pince : K2
Sortie : 10 µV/mA
DMM réglé sur la plage de 200 mV DC
Lecture du DMM : 135 mV DC
Courant dans la boucle : 13.5 mA DC
Lorsque le courant à mesurer est trop faible pour la pince ou qu'une plus grande précision est nécessaire, il est possible d'insérer le conducteur plusieurs fois à travers les mâchoires de la sonde. La valeur du courant est alors le rapport entre la lecture et le nombre de tours.
Exemple : Figure 9
Modèle de pince : C100
Ratio : 1000:1
DMM réglé sur la plage de 200 mA AC
Tours dans la mâchoire de la pince : 10
Lecture du DMM : 60 mA AC
Courant dans le conducteur : 60 mA x 1,000 / 10 = 6,000 mA = 6 A
Lorsque la pince est placée autour de deux conducteurs avec des polarités différentes, la lecture résultante sera la différence entre les deux courants. Si les courants sont identiques, la lecture sera zéro (figure 10). Lorsqu'une lecture différente de zéro est obtenue, cela indique la quantité de courant de fuite sur la charge.
Pour mesurer les courants faibles ou les fuites, vous avez besoin d'une pince qui puisse mesurer avec précision des valeurs basses, comme les modèles B102 ou C173. Cependant, les courants de fuite à la terre peuvent également être mesurés directement avec un modèle basique (Figure 11).
Exemple : Figure 11
MINI 05
Ratio : 1 mV AC/mA AC
DMM réglé sur la plage de 200 mA
AC Lecture du DMM : 10 mV
AC Courant de fuite : 10 mA AC
Comment sélectionner la pince ampèremétrique ?
Pour choisir la sonde de courant appropriée à vos applications, prenez en compte les questions suivantes :
- Déterminez si vous mesurez du courant alternatif (AC) ou continu (DC) (les sondes de courant continu sont généralement catégorisées comme AC/DC car elles peuvent mesurer les deux types).
- Quelle est la valeur maximale et minimale du courant que vous allez mesurer ? Vérifiez si la précision aux niveaux bas est appropriée, ou optez pour une sonde de mesure de basse courant. Gardez à l'esprit que de nombreuses sondes offrent une meilleure précision aux niveaux de courant élevés. Certaines sondes sont spécifiquement conçues pour les courants continus ou alternatifs très faibles.
- Tenez compte de la taille du conducteur sur lequel vous allez fixer la sonde. Cela déterminera la taille des mâchoires de la sonde dont vous avez besoin.
- Décidez quel type de sortie de sonde vous avez besoin ou avec lequel vous pouvez travailler (par exemple, mA, mV, AC, DC, etc.). Vérifiez l'impédance maximale du récepteur pour vous assurer que la sonde fonctionnera selon vos spécifications.
D'autres facteurs que vous pourriez vouloir prendre en compte sont :
- Quelle est la tension de travail du conducteur à mesurer ? Assurez-vous de ne pas utiliser des pinces ampèremétriques qui ne supportent pas la tension à mesurer.
- De quel type de terminaison avez-vous besoin : connecteurs, câbles de type banane ou BNC ?
- La sonde sera-t-elle utilisée pour mesurer des harmoniques ou pour la mesure de puissance ?
- Consultez les spécifications de fréquence et les spécifications de changement de phase.
- Lors de l'utilisation de pinces ampèremétriques pour mesurer la fréquence ou des signaux haute fréquence, la bande passante de la pince ampèremétrique doit être prise en compte.
