Mesurer des courants forts par USB

Mesurer des courants forts par USB

On nous demande souvent si nous avons un module pour mesurer la consommation électrique sur un circuit de puissance. En effet, le Yocto-Watt convient bien pour mesurer la puissance consommée par un appareil électrique, mais sa conception limite le courant mesurable à 16A. Cela n'est pas suffisant par exemple pour surveiller la consommation électrique globale d'une maison, ni pour une installation électrique industrielle un peu conséquente ou une installation triphasée. Voyons donc quelles solutions existent pour ce genre d'applications.


Pourquoi la limitation à 16A

La manière la plus simple et la plus générale pour mesurer un courant alternatif ou continu, pouvant aller de quelques milliampères à une dizaine d'ampères, consiste à le faire passer à travers un conducteur (appelé shunt) dont la résistance, très faible, est connue précisément. On peut ainsi calculer à tout instant le courant en mesurant la différence de potentiel aux bornes du shunt. C'est ce que fait le Yocto-Watt plusieurs centaines de fois par seconde, afin de calculer une puissance réelle instantanée.

Cette technique exige malheureusement de faire passer le courant à mesurer à travers le module, à travers le shunt. Lorsque le courant est conséquent, cela produit un échauffement du shunt et des pistes du circuit imprimé. Jusqu'à 16A, cet échauffement se dissipe sans problème dans l'air ambiant, car le shunt et les pistes du circuit ont été dimensionnées pour. Mais si l'on dépasse les limites prévues, la chaleur ne parvient plus entièrement à se dissiper assez rapidement et au fur et à mesure que le temps passe, le tout se met à chauffer, au risque de dessouder le shunt, brûler le vernis isolant du circuit imprimé et surtout d'enflammer le boîtier dans lequel est mis le Yocto-Watt. Voilà pourquoi il ne faut pas dépasser le courant maximal spécifié pour le Yocto-Watt et le Yocto-Amp.

Image thermique d'un Yocto-Watt mesurant un courant important
Image thermique d'un Yocto-Watt mesurant un courant important



Par ailleurs, lorsqu'il s'agit de mesurer la consommation d'une maison, il ne serait pas raisonnable de brancher un module USB de ce type directement au tableau électrique. Il y a des normes assez stricte sur ce qu'il convient de brancher dans un tableau électrique pour éviter les accidents. La meilleure solution consiste à ajouter au sacro-saint tableau électrique un composant d'interface spécifique, certifié conforme aux normes, dimensionné pour la puissance que vous allez mesurer, et qui vous permettra de sortir sans risque un signal mesurable par votre module USB préféré.

Les interfaces de mesure de puissance

La solution pour mesurer des fortes puissances par USB consiste donc à utiliser un capteur de puissance intermédiaire, capable de mesurer une forte puissance et de fournir un signal correspondant plus facilement mesurable par USB.

On peut identifier trois familles parmi ces capteurs de puissance, que nous allons détailler plus bas:

  1. les transformateurs de courant, pratiques et peu cher, mais limités;
  2. les transducteurs de courant, plus souples et plus précis;
  3. les transducteurs de puissance, le nec-plus-ultra mais avec le prix en conséquence
  4. .


1. Le transformateur de courant

Un transformateur de courant (en anglais current transformer) utilisé pour la mesure de courants forts est en général un transformateur avec une seule "spire" au primaire, formée par le passage rectiligne du câble porteur de courant au centre d'une bobine secondaire en forme de tore. Le courant induit sur la bobine secondaire est égal au courant du cable porteur divisé par le nombre de spires secondaires.

Un transformateur de courant grand public
Un transformateur de courant grand public



Par exemple, le petit transformateur de courant ci-dessus (acheté pour environ $10 chez Seed Studio) transforme un courant de 0A à 100A en un courant de 0mA à 50mA (facteur 2000). Le tore secondaire peut être ouvert et refermé, ce qui est très pratique pour l'installer autour d'un fil à mesurer sans même devoir le débrancher.

Pour mesurer le courant induit, on place une petite résistance (par exemple 20 Ohm) entre les deux fils et on mesure la différence de potentiel U aux bornes de la résistance (U = I R). Ainsi, par exemple une tension de 10mV (AC) révèle un courant induit de 0.5mA (AC), donc 1A (AC) sur le câble primaire. La formule est proportionnelle, donc on peut déduire le courant primaire par une simple multiplication de la tension aux bornes de la résistance. Pour mesurer cette tension par USB, vous pouvez utiliser un Yocto-Volt, mais pour avoir suffisamment de précision, demandez-nous (au moment de votre commande) la version spéciale pour la plage 0 à 5V.

Branchement d'un transformateur de courant à un module Yocto-Volt
Branchement d'un transformateur de courant à un module Yocto-Volt



Parfois, le transformateur de courant contient directement la résistance, et sa sortie est donc spécifiée en Volt ou mV à la place de mA. Mais il s'agit néanmoins d'un signal alternatif.

Voilà pour le côté pratique du transformateur de courant. Maintenant les limitations...

  • un transformateur ne fonctionne qu'avec du courant alternatif. Inutilisable donc pour les fortes charges en courant continu;
  • le courant induit à mesurer étant lui-aussi alternatif, sa mesure sera difficilement très précise
  • le calcul de la puissance consommée sur la base du courant seulement n'est pas exact dans le cas d'une charge inductive

Néanmoins, dans bien des cas où l'on s'intéresse principalement aux variations de consommation d'une installation connue connectée au secteur, c'est une bonne solution.

2. Le transducteur de courant

Contrairement au transformateur vu précédemment, le transducteur de courant (en anglais current transducer) est un circuit électronique actif, qui mesure (par induction ou par effet Hall) le courant passant dans un fil et retranscrit cette mesure sous forme d'un signal électrique calibré. Le signal de sortie étant généré explicitement, il est plus facile à mesurer précisément. De plus, pouvant utiliser des techniques de mesures comme l'effet Hall, ce type de capteur n'est pas forcément limité au courant alternatif. Son champ d'application est donc plus large.

Un transducteur de courant alternatif 50A (LEM AT-B420L)
Un transducteur de courant alternatif 50A (LEM AT-B420L)



Par exemple, le transducteur de courant alternatif ci-dessus (fabriqué par LEM, disponible pour environ $50 chez DigiKey) mesure un courant alternatif de 0 à 50A et produit un signal 4-20mA correspondant qui peut être relu précisément avec un Yocto-4-20mA-Rx. Autre exemple, le transducteur ci-dessous (fabriqué par CR Magnetics, environ $185 chez DigiKey, fixable sur un rail DIN) mesure un courant continu de 0 à 100A et produit le signal 4-20mA correspondant.

Un transducteur de courant continu 100A (CR Magnetics CR5220S-100)
Un transducteur de courant continu 100A (CR Magnetics CR5220S-100)



Le seul défaut de cette solution pour mesurer une puissance est le fait qu'en cas de courant alternatif, le calcul de la puissance par la mesure de courant surestime la consommation des charges inductives. On peut compenser cela si l'on connaît le facteur de puissance de la charge, ou alors passer à la catégorie suivante...

3. Le transducteur de puissance

Extension naturelle du précédent, le transducteur de puissance (en anglais power transducer) ne se contente pas de mesurer le courant, mais calcule directement le produit instantané du courant et de la tension pour calculer la puissance instantanée consommée. C'est cette valeur qui est transmise sous forme d'un signal électrique (au standard 0-10V, 4-20mA ou autre). Il existe des modèles relativement compacts, comme le module de CR Magnetics ci-dessous, capable de mesurer la puissance sur un circuit triphasé 500V / 20A, et dont la sortie peut être lue et enregistrée directement avec un Yocto-4-20mA-Rx.

Un transducteur de puissance triphasée 20A (CR Magnetics CR6260-500-20)
Un transducteur de puissance triphasée 20A (CR Magnetics CR6260-500-20)



D'autres modèles plus volumineux utilisent des transformateurs de courant pour mesurer le courant sur chaque phase, en plus d'une connection directe pour mesurer la tension afin de pouvoir calculer la puissance instantanée. Par exemple l'appareil WattsOn-1200 ci-dessous calcule tous les paramètres de consommation sur les trois phases, et permet de transmettre deux paramètres sur les sorties analogique 0-10V (qui peuvent être lues et enregistrées à l'aide d'un Yocto-0-10V-Rx). Les transducteurs de puissance évolués comme celui-ci disposent en général même d'une sortie numérique au standard RS485 qui permet d'accéder à plus de paramètres mesurés. Évidemment, ce n'est pas aussi commode à utiliser qu'un module Yoctopuce, mais... il n'est pas exclu que nous essayions d'arranger cela à l'occasion. N'hésitez pas à nous contacter si vous êtes intéressé.

Un transducteur de puissance pour courant fort, utilisant un transformateur de courant par phase (WattsOn-1200)
Un transducteur de puissance pour courant fort, utilisant un transformateur de courant par phase (WattsOn-1200)



Conclusion

Certes, la mesure de fortes puissances ne peut pas se faire avec un simple petit module Yoctopuce. Néanmoins, en vous dotant du transformateur ou transducteur électrique qui correspond le mieux à votre application, vous pourrez quand même profiter de la librairie de programmation Yoctopuce pour faire l'acquisition de vos mesures dans l'environnement avec lequel vous êtes le plus productif.

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