FR2695210A1 - Three-dimensional em field measuring device - comprises three pairs of detector coils arranged along three orthogonal axes. - Google Patents

Three-dimensional em field measuring device - comprises three pairs of detector coils arranged along three orthogonal axes. Download PDF

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Abstract

The measuring device measures an em field at a given point in space (O) using several sensors (CX1-CZ2) arranged in three pairs aligned along three orthogonal axes (X1-X2, Y1-Y2, Z1-Z2) to measure a magnetic field. The axes pass through the point in space (O). Each detector comprises a magnetisable core, with a coil wound around it. The detector coils are connected together in pairs in series in a feedback circuit, and the terminals of the feedback circuit are then connected to the measuring circuit. ADVANTAGE - Measures field components along three axes, without causing perturbation of field.

Description

La présente invention concerne un dispositif pour la mesure d'un champ électromagnétique en un point déterminé de l'espace. The present invention relates to a device for measuring an electromagnetic field at a determined point in space.

L'invention concerne plus particulièrement un dispositif permettant de mesurer les composantes du champ électromagnétique selon trois axes de mesure perpendiculaires et concourant au point de mesure. The invention relates more particularly to a device making it possible to measure the components of the electromagnetic field along three perpendicular measurement axes and contributing to the measurement point.

Un capteur élémentaire de champ, par exemple du type comportant une barre inductive, mesure la valeur moyenne du champ embrassé par le noyau magnétique. En considérant que le champ mesuré est globalement constant, le centre de mesure se trouve sensiblement au milieu de la longueur du noyau. An elementary field sensor, for example of the type comprising an inductive bar, measures the average value of the field embraced by the magnetic core. Considering that the field measured is generally constant, the center of measurement is located approximately in the middle of the length of the core.

I1 est possible de mesurer les composantes du champ selon deux axes perpendiculaires au moyen par exemple d'un capteur à noyau fermé du type utilisant un cadre magnétique. It is possible to measure the components of the field along two perpendicular axes by means, for example, of a closed-core sensor of the type using a magnetic frame.

Le centre de mesure est situé au centre de la surface délimitée par le circuit magnétique si l'on suppose que le champ est constant. The measurement center is located at the center of the surface delimited by the magnetic circuit if we assume that the field is constant.

Si l'on ajoute un autre capteur à noyau axial pour mesurer le champ selon un troisième axe perpendiculaire au plan du noyau fermé, les centres magnétiques propres à chaque capteur ne peuvent être confondus en un seul point et la précision des mesures ainsi obtenues est insuffisante, notamment dans le cas d'une mesure d'un champ électromagnétique proche, par rapport aux dimensions globales du dispositif de mesure, et il est notamment difficile d'identifier un champ vectoriel à partir des valeurs des composantes orthogonales issues de points de mesure différents. If we add another sensor with an axial core to measure the field along a third axis perpendicular to the plane of the closed core, the magnetic centers specific to each sensor cannot be confused at a single point and the accuracy of the measurements thus obtained is insufficient , in particular in the case of a measurement of a close electromagnetic field, with respect to the overall dimensions of the measurement device, and it is in particular difficult to identify a vector field from the values of the orthogonal components originating from different measurement points .

La présente invention a pour but de proposer un dispositif permettant d'effectuer la mesure selon les trois axes orthogonaux en un même point et qui ne perturbe pas le champ mesure.  The present invention aims to provide a device for performing the measurement along the three orthogonal axes at the same point and which does not disturb the measurement field.

Dans ce but, l'invention propose un dispositif de mesure caractérisé en ce que, pour chacun des trois axes de mesure, le dispositif comporte deux capteurs élémentaires de champ à contre-réaction de flux dont chacun est constitué d'un noyau en matériau magnétisable qui est entouré d'une bobine de contre-réaction et d'une bobine de mesure, en ce que les deux capteurs élémentaires sont agencés sur l'axe de mesure de manière que leurs bobines de mesure soient positionnées symétriquement par rapport au point de mesure, et en ce que les enroulements des deux bobines de contre-réaction sont montés en série dans un circuit de contre-réaction dont les bornes sont reliées aux bornes d'un circuit de mesure associant les enroulements des deux bobines de mesure. To this end, the invention provides a measuring device characterized in that, for each of the three measuring axes, the device comprises two elementary field sensors with flow feedback, each of which consists of a core of magnetizable material which is surrounded by a feedback coil and a measurement coil, in that the two elementary sensors are arranged on the measurement axis so that their measurement coils are positioned symmetrically with respect to the measurement point , and in that the windings of the two feedback coils are connected in series in a feedback circuit, the terminals of which are connected to the terminals of a measurement circuit associating the windings of the two measurement coils.

Selon d'autres caractéristiques de l'invention
- le circuit de mesure comprend les deux enroulements des bobines de mesure montés en série ou en parallèle et un circuit d'amplification de la tension aux bornes du montage, en série ou en parallèle, des enroulements des bobines de mesure
- le circuit de contre-réaction comporte le montage en série des enroulements des deux bobines de contreréaction dont une des bornes est reliée à la sortie du circuit d'amplification à travers une résistance de contre-réaction ;
- le dispositif comporte une ossature de support en forme d'étoile à trois dimensions à six branches orthogonales dont chacune supporte un capteur élémentaire de champ à contre-réaction de flux
- chaque branche est un cylindre qui est reçu dans un alésage coaxial du noyau du capteur.
According to other features of the invention
the measurement circuit comprises the two windings of the measurement coils mounted in series or in parallel and a circuit for amplifying the voltage at the terminals of the mounting, in series or in parallel, of the windings of the measurement coils
- The feedback circuit includes the series mounting of the windings of the two feedback coils, one of the terminals of which is connected to the output of the amplification circuit through a feedback resistor;
- the device includes a three-dimensional star-shaped support frame with six orthogonal branches, each of which supports an elementary field sensor with flow feedback
- each branch is a cylinder which is received in a coaxial bore of the sensor core.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels
- La figure 1 est un schéma illustrant le principe de conception d'un dispositif de mesure réalisé conformément aux enseignements de 1 invention et comportant six capteurs élémentaires de champ à contre-réaction de flux;
- la figure 2 est une vue en perspective à plus grande échelle d'un des capteurs élémentaires illustrés sur la figure 3
- la figure 3 est un schéma illustrant un premier exemple du raccordement des bobines de mesure et de contre-réaction pour les deux capteurs élémentaires associes sur l'un des axes de mesure
- la figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 3 illustrant une variante de réalisation ; et
- la figure 5 est une vue en coupe par un plan contenant deux des axes de mesure d'un exemple de réalisation d'un dispositif de mesure de champ dont le principe est illustré à la figure 1.
Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the detailed description which follows for the understanding of which reference will be made to the accompanying drawings in which
- Figure 1 is a diagram illustrating the principle of design of a measuring device produced in accordance with the teachings of the invention and comprising six elementary field sensors with flow feedback;
- Figure 2 is a perspective view on a larger scale of one of the elementary sensors illustrated in Figure 3
- Figure 3 is a diagram illustrating a first example of the connection of the measurement and feedback coils for the two elementary sensors associated on one of the measurement axes
- Figure 4 is a view similar to that of Figure 3 illustrating an alternative embodiment; and
FIG. 5 is a sectional view through a plane containing two of the measurement axes of an exemplary embodiment of a field measurement device, the principle of which is illustrated in FIG. 1.

Comme on peut le voir sur la figure 1, le dispositif de mesure 10 conforme aux enseignements de l'invention comporte six capteurs élémentaires disposés géométriquement de la manière suivante. As can be seen in FIG. 1, the measuring device 10 in accordance with the teachings of the invention comprises six elementary sensors arranged geometrically in the following manner.

En considérant le point central 0 auquel on désire effectuer la mesure des composantes d'un champ électromagnétique selon trois axes perpendiculaires concourants en 0, chacun de ces axes X1-X2, Y1-Y2 et Z1-Z2, comporte deux capteurs élémentaires de mesure qui sont agences symétriquement par rapport au centre de mesure 0. By considering the central point 0 at which it is desired to measure the components of an electromagnetic field along three perpendicular axes concurrent at 0, each of these axes X1-X2, Y1-Y2 and Z1-Z2, has two elementary measurement sensors which are agencies symmetrically to measurement center 0.

Ainsi, l'axe X1-X2 comporte deux capteurs élémentaires CX1 et CX2 agencés respectivement de part et d'autre du point 0. Thus, the axis X1-X2 comprises two elementary sensors CX1 and CX2 arranged respectively on either side of the point 0.

Comme on peut le voir sur la figure 2, chacun des capteurs élémentaires C est un capteur de champ électromagnétique à contre-réaction de flux qui comporte, selon une conception connue, un noyau central cylindrique N en matériau magnétisable qui est entouré par l'enroulement d'une bobine de contre-réaction CR. As can be seen in FIG. 2, each of the elementary sensors C is an electromagnetic field sensor with flow feedback which comprises, according to a known design, a central cylindrical core N of magnetizable material which is surrounded by the winding of a CR feedback coil.

Le capteur élémentaire C comporte également une bobine de mesure M qui entoure la bobine de contreréaction et le noyau N. The elementary sensor C also includes a measurement coil M which surrounds the feedback coil and the core N.

Chacun des capteurs élémentaires C est positionné de manière que l'axe de mesure correspondant soit coaxial au noyau N. Each of the elementary sensors C is positioned so that the corresponding measurement axis is coaxial with the core N.

Le positionnement relatif de deux capteurs élémentaires d'un même axe de mesure doit être très précis et tel que chaque noyau et la bobine de mesure M qui lui est associée occupent une position symétrique de celle des composants de 1 ' autre capteur du même axe, par rapport au centre de mesure 0. The relative positioning of two elementary sensors of the same measurement axis must be very precise and such that each core and the measurement coil M which is associated with it occupy a position symmetrical to that of the components of the other sensor of the same axis, relative to the center of measurement 0.

Le noyau N est par exemple un noyau ferrite en forme de tube. The core N is for example a ferrite core in the form of a tube.

Les deux capteurs élémentaires d'un meme axe de mesure doivent etre identiques (noyaux, bobines de mesure, bobines de contre-réaction). The two elementary sensors of the same measurement axis must be identical (cores, measurement coils, feedback coils).

On décrira maintenant en se référant à la figure 3 et à titre d'exemple, le schéma de raccordement électrique des enroulements des deux capteurs élémentaires équipant l'axe de mesure X1-X2.  We will now describe with reference to Figure 3 and by way of example, the electrical connection diagram of the windings of the two elementary sensors equipping the measurement axis X1-X2.

Comme on peut le constater sur la figure 3, les enroulements des deux bobines de contre-réaction CRX1 et
CRX2 sont montés en série de meme que, dans cet exemple de réalisation les deux enroulements des deux bobines de mesure MX1 et MX2.
As can be seen in Figure 3, the windings of the two feedback coils CRX1 and
CRX2 are mounted in series, as in this embodiment the two windings of the two measuring coils MX1 and MX2.

La tension recueillie à la sortie du montage en série des enroulements des deux bobines de mesure MX1 et
MX2 est appliquée à l'entrée d'un circuit d'amplification 12 à la sortie duquel on prélève, sous la forme d'une tension de sortie, un signal SX qui est proportionnel à la moyenne arithmétique des champs que mesurerait chacun des deux capteurs élémentaires CX1 et CX2 si ces capteurs étaient montés indépendamment l'un de l'autre.
The voltage collected at the output of the series connection of the windings of the two measuring coils MX1 and
MX2 is applied to the input of an amplification circuit 12 at the output of which an SX signal is taken in the form of an output voltage which is proportional to the arithmetic mean of the fields that each of the two sensors would measure elementary CX1 and CX2 if these sensors were mounted independently of each other.

La tension de sortie de l'amplificateur est également appliquée au montage en série des enroulements des deux bobines de contre-réaction, par l'intermédiaire d'une résistance de contre-réaction, conformément au principe connu de fonctionnement des capteurs de champ à contre-réaction de flux. The amplifier output voltage is also applied to the series connection of the windings of the two feedback coils, via a feedback resistor, in accordance with the known principle of operation of the counter field sensors. - flow reaction.

Le schéma de raccordement illustré à la figure 4 diffère du précédent en ce que les enroulements des deux bobines de mesure MX1 et MX2 sont montés en parallèle, la sortie de ce montage en parallèle étant reliée à l'entrée du circuit d'amplification 12. The connection diagram illustrated in FIG. 4 differs from the previous one in that the windings of the two measuring coils MX1 and MX2 are mounted in parallel, the output of this assembly in parallel being connected to the input of the amplification circuit 12.

Le- raccordement des capteurs sur les deux autres axes de mesure est identique. The connection of the sensors to the other two measurement axes is identical.

Le signal de sortie est ici également proportionnel à la moyenne des champs que mesurerait chacun des deux capteurs élémentaires si ils étaient montés indépendamment l'un de l'autre. The output signal is here also proportional to the average of the fields that each of the two elementary sensors would measure if they were mounted independently of each other.

Les capteurs élémentaires associés conformément à l'invention ne perturbent pas le champ mesuré. The elementary sensors associated in accordance with the invention do not disturb the measured field.

En effet, selon le principe de fonctionnement d'un capteur de champ à contre-réaction de flux, et si le gain de l'amplificateur ou du circuit d'amplification était infini, le flux dans le noyau serait annulé. La perméabilité apparente du noyau serait égale à 1 et la présence du capteur ne perturberait pas le champ local. Indeed, according to the principle of operation of a field sensor with flux feedback, and if the gain of the amplifier or of the amplification circuit was infinite, the flux in the nucleus would be canceled. The apparent permeability of the core would be equal to 1 and the presence of the sensor would not disturb the local field.

Par rapport à cette analyse théorique, et en pratique, on constate que la perméabilité apparente est très proche de 1 et qu'ainsi la perturbation apportée par le capteur au champ mesuré est pratiquement nulle. Compared to this theoretical analysis, and in practice, we note that the apparent permeability is very close to 1 and that thus the disturbance brought by the sensor to the measured field is practically zero.

On décrira maintenant le mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention illustré à la figure 5. The embodiment of a device according to the invention illustrated in FIG. 5 will now be described.

Ce dispositif comporte un boîtier 14 de forme générale parallélépipédique rectangle relié à un bras de manipulation 16 dont la direction longitudinale est, dans cet exemple, confondue avec l'axe X1-X2.  This device comprises a box 14 of generally rectangular parallelepiped shape connected to a manipulation arm 16 whose longitudinal direction is, in this example, coincident with the axis X1-X2.

Les parois latérales du boîtier 14, autres que celle à laquelle est fixé le bras 16, en association avec une cloison interne 18 délimite un volume interne cubique 20 à l'intérieur duquel sont agencés les six capteurs élémentaires schématisés à la figure 1. The side walls of the housing 14, other than that to which the arm 16 is fixed, in association with an internal partition 18 delimits a cubic internal volume 20 inside which are arranged the six elementary sensors shown diagrammatically in FIG. 1.

Pour maintenir les capteurs dans leurs positions géométriques respectives par rapport au point de mesure 0 sensiblement confondu avec le centre du cube 20, le dispositif 10 comporte une ossature ou squelette 22. To keep the sensors in their respective geometric positions relative to the measurement point 0 substantially coincident with the center of the cube 20, the device 10 comprises a framework or skeleton 22.

L'ossature 22 comporte un élément central 24 en forme de cube qui porte six branches cylindriques orthogonales dont quatre sont visibles à la figure 5, respectivement 26X1, 26X2, 26Z1 et 26Z2.  The framework 22 comprises a central element 24 in the form of a cube which carries six orthogonal cylindrical branches, four of which are visible in FIG. 5, respectively 26X1, 26X2, 26Z1 and 26Z2.

Chacune des six branches est un cylindre sur lequel est monté coaxialement un capteur élémentaire correspondant dont le noyau central est traversé par la branche. Each of the six branches is a cylinder on which is mounted coaxially a corresponding elementary sensor whose central core is crossed by the branch.

Les capteurs sont positionnés avec précision par rapport au centre 0 grâce à la mise en appui contre les faces du cube central 24 des extrémités axiales correspondantes des noyaux, ainsi que par la coopération des faces transversales des bobines de mesure tournées vers le centre 0. The sensors are positioned precisely with respect to the center 0 by pressing the corresponding axial ends of the cores against the faces of the central cube 24, as well as by the cooperation of the transverse faces of the measurement coils facing the center 0.

A cet effet, chacune de ces faces 28X1 à 28Z2 est une face de contour carré et chanfreinée de manière à être en appui mutuel avec les autres faces pour délimiter un cube central 30. To this end, each of these faces 28X1 to 28Z2 is a face of square outline and chamfered so as to be in mutual support with the other faces to delimit a central cube 30.

La structure du montage illustré à la figure 5 permet donc d'assurer avec précision le positionnement des différents capteurs élémentaires sur chaque axe et par rapport au centre de mesure 0. The structure of the assembly illustrated in FIG. 5 therefore makes it possible to precisely ensure the positioning of the various elementary sensors on each axis and relative to the measurement center 0.

Le boîtier 14 est associé à un boltier électronique complémentaire (non représenté) dans lequel sont agencés les différents circuits pour le raccordement des bobina ges et un traitement des signaux de sortie sur chacune des trois voies de mesure associée à un des axes de mesure.  The box 14 is associated with a complementary electronic bolt (not shown) in which the various circuits are arranged for connecting the coils and processing the output signals on each of the three measurement channels associated with one of the measurement axes.

Claims (5)

REVENDICATIONS 1. Dispositif (10) pour la mesure d'un champ électromagnétique en un point (O) déterminé de l'espace du type comportant plusieurs capteurs (CX1 - CZ2)) agencés de manière à mesurer les composantes du champ magnétique selon trois axes de mesure (X1-X2, Y1-Y2, Z1-  1. Device (10) for measuring an electromagnetic field at a determined point (O) of the space of the type comprising several sensors (CX1 - CZ2)) arranged so as to measure the components of the magnetic field along three axes measure (X1-X2, Y1-Y2, Z1- Z2) perpendiculaires et concourants au point de mesure (O), caractérisé en ce que pour chacun des trois axes de mesure, le dispositif comporte deux capteurs élémentaires de champ à contre-réaction de flux dont chacun est constitué d'un noyau (N) en matériau magnétisable qui est entouré d'une bobine de contre-réaction (CR) et d'une bobine de mesure (M), en ce que les deux capteurs élémentaires sont agencés sur l'axe de mesure de manière que leurs bobines de mesure (M) soient positionnées symétriquement par rapport au point de mesure (O), et en ce que les enroulements des deux bobines de contreréaction (CR) sont montés en série dans un circuit de contre-réaction dont les bornes sont reliées aux bornes d'un circuit de mesure associant les enroulements des deux bobines de mesure (M).Z2) perpendicular and concurrent to the measurement point (O), characterized in that for each of the three measurement axes, the device comprises two elementary field sensors with flow feedback, each of which consists of a core (N) made of magnetizable material which is surrounded by a feedback coil (CR) and a measurement coil (M), in that the two elementary sensors are arranged on the measurement axis so that their measurement coils (M) are positioned symmetrically with respect to the measurement point (O), and in that the windings of the two feedback coils (CR) are connected in series in a feedback circuit, the terminals of which are connected to the terminals of a measurement circuit associating the windings of the two measurement coils (M). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de mesure comprend les deux enroulements des bobines de mesure (M), montés en série ou en parallèle, et un circuit d'amplification (12) de la tension aux bornes du montage en série ou en parallèle des enroulements des bobines de mesure (M). 2. Device according to claim 1, characterized in that the measurement circuit comprises the two windings of the measurement coils (M), mounted in series or in parallel, and an amplification circuit (12) of the voltage across the terminals of the series or parallel mounting of the windings of the measuring coils (M). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de contre-réaction comporte le montage en série des enroulements des deux bobines de contre-réaction (CR) dont une des bornes est reliée à la sortie du circuit d'amplification (12) à travers une résistance de contre-réaction (R). 3. Device according to claim 2, characterized in that the feedback circuit comprises the series mounting of the windings of the two feedback coils (CR), one of the terminals of which is connected to the output of the amplification circuit ( 12) through a feedback resistor (R). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une ossature de support (22) en forme d'étoile à trois dimensions à six branches orthogonales dont chacune supporte un capteur élémentaire de champ à contreréaction de flux. 4. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises a support framework (22) in the shape of a three-dimensional star with six orthogonal branches, each of which supports an elementary field sensor with flow feedback. . 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque branche est un cylindre qui est reçu dans un alésage coaxial du noyau (N) du capteur (C).  5. Device according to claim 4, characterized in that each branch is a cylinder which is received in a coaxial bore of the core (N) of the sensor (C).
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