Capteur innovant sans contact pour la mesure de courants dans plusieurs conducteurs // novel contactless ac/dc current sensor for multiple currents identification

Topic description

Contexte:
Au G2Elab, l'Equipe Champs Magnétiques Faibles est experte en identification de sources électromagnétiques en champ faible et très faible fréquence (DC-kHz) ; l'Equipe Matériaux, Machines et Dispositifs Electromagnétiques Avancés conçoit et dimensionne des capteurs, dispositifs et microsystèmes basés sur l'exploitation des propriétés physiques des matériaux, notamment magnétiques. Depuis, nos équipes co-inventent des capteurs de courant (AC & DC) basés sur l'analyse du champ magnétique [MSAED, ], [WILSCH, ].
La technologie HarmoSens2D, issue de la thèse de B. Wilsch, a été validée sur 3 premiers prototypes. Elle exploite les harmoniques d'espace des champs rayonnés, et est particulièrement adaptée à la mesure sans contact du courant dans un conducteur, applicable aux réseaux électriques (triphasé aérien, ferroviaire…). Des démonstrateurs à gamme de mesure étendue ont été développés en phase de maturation au sein de la SATT Linksium Grenoble Alpes (voir lien Web, -24). HarmoSens2D est protégée par un brevet licencié [BREVET, ], un logiciel et un savoir-faire.
Notre objectif désormais est un capteur pour la mesure simultanée des courants dans plusieurs conducteurs.

Positionnement:
La mesure du courant dans un conducteur est souvent invasive, nécessitant soit l'insertion dans le circuit d'un shunt ou d'un transformateur de courant, soit une sonde entourant le câble ; cette seconde solution est plus souple car elle ne requiert ni l'ouverture du circuit ni l'arrêt momentané de l'alimentation, mais requiert toutefois l'accès au câble pour l'entourer.
Si de nombreux capteurs de courant exploitent les champs magnétiques, peu le font de manière non invasive, simplement positionnés à proximité. Cette configuration de mesure subit des difficultés, en premier lieu les champs perturbateurs provenant d'autres câbles, ainsi que l'incertitude de position du capteur vis-à-vis du conducteur étudié.
Le projet HS2D a levé ces deux principaux verrous pour des applications où l'on rejette les sources perturbatrices sans les identifier, alors qu'elles pourraient provenir de conducteurs d'intérêt :
la thèse vise donc à faire évoluer ce capteur, pour mesurer au moins deux conducteurs proches. Parmi les applications d'une telle configuration multi-câbles, la plus contrainte regroupe dans une même gaine des brins multiphasés.

Déroulement:
Les travaux seront de nature à la fois théorique et expérimentale.
Le premier objectif sera d'adapter le principe de mesure à deux conducteurs dont la distance et les courants relatifs sont paramétrés.
Notre approche inclut des étapes analytiques, pour identifier les principaux paramètres influenceurs permettant d'établir la géométrie du capteur, notamment sa distance aux câbles, ainsi que l'agencement des magnétomètres individuels en son sein. Nos outils d'optimisation et de calcul seront mis en œuvre pour valider l'approche, et explorer particulièrement certains paramètres :
- un premier principe de mesure sera validé sur une maquette simple, dans un cas idéal (sans perturbations, géométrie connue) ;
- ensuite, les perturbateurs seront spécifiquement analysés, notamment leur proximité maximale, potentiellement indicée par le rapport avec les courants dans les conducteurs d'intérêt. Cette réjection des perturbateurs sera prise en compte ab initio. L'impact du bruit des capteurs disponibles sur le marché sera analysé.
- on étudiera un principe d'auto-calibration : la capacité du capteur à déterminer la relation entre les grandeurs mesurées et les courants à déterminer, sans connaître a priori tous les paramètres géométriques, notamment sa position relative aux câbles d'intérêt. L'approche sera testée numériquement, puis sur la maquette ;
- un dernier volet étudiera les performances attendues, la complexification du cas d'étude (par ex. forte proximité des conducteurs dans une gaine), ou la miniaturisation du capteur, en environnement perturbé ou non.
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Context:
At G2Elab, the Weak Magnetic Fields Team specializes in the identification of electromagnetic sources in weak fields and very low frequencies (DC-kHz); the Advanced Electromagnetic Materials, Machines and Devices Team designs sensors, devices and microsystems exploiting the physical properties of materials, particularly magnetics. Since, our teams have been co-inventing current sensors (AC & DC) based on magnetic field analysis [MSAED, ], [WILSCH, ].
The HarmoSens2D technology, stemming from B. Wilsch's thesis, was validated on 3 initial prototypes. It exploits the space harmonics of radiated fields, and is particularly well suited to non-contact measurement of current in a conductor, applicable to electrical networks (three-phase overhead, railway...). Extended measurement range demonstrators were developed during maturation within SATT Linksium Grenoble Alpes (see weblink, -24). HarmoSens2D is protected by a licensed patent [BREVET, ], software and know-how.

Position:
Our goal now is a sensor for simultaneous measurement of currents in multiple conductors.
Measuring current in a conductor is often invasive, requiring either the insertion into the circuit of a shunt or current transformer, or a probe surrounding the cable; the latter solution is more flexible, as it requires neither opening the circuit nor momentarily stopping the power supply, but does require access to the cable for wrapping the sensor around it.

Course :
The work will be both theoretical and experimental in nature.
The first objective will be to adapt the measurement principle to two conductors whose distance and relative currents are parameterized.
Our approach includes analytical steps to identify the main influencing parameters for establishing the sensor geometry, in particular its distance from the cables, and the arrangement of the individual magnetometers within it. Our optimization and calculation tools will be used to validate the approach, and explore certain parameters in particular:
- a first measurement principle will be validated on a simple demonstrator, in an ideal case (no disturbances, known geometry) ;
- then, the disturbances will be specifically analyzed, in particular their maximum proximity, potentially indicated by the relationship with the currents in the conductors of interest. This disturbance rejection will be taken into account ab initio. The impact of noise from commercially available sensors will be analysed, as it will affect sensor performance, particularly accuracy.
- a principle of self-calibration will be studied: the ability of the sensor to determine the relationship between the measured quantities and the currents to be determined, without knowing a priori all the geometrical parameters, in particular its position relative to the cables of interest. The approach will be tested numerically, then on the demonstrator;
- a last section will study the expected performance, the complexity of the study case (e.g. close proximity of conductors in a sheath), or the miniaturization of the sensor, in a disturbed or undisturbed environment.
While many current sensors exploit magnetic fields, few do so non-invasively by simply positioning them in close proximity. This measurement configuration is fraught with difficulties, first and foremost interfering fields from other cables, as well as the uncertainty of the sensor's position relative to the conductor under study.
The HS2D project solved these two main obstacles for applications where disturbance sources are rejected without being identified, even though they may come from conductors of interest:
this thesis thus aims to develop this sensor to measure two or more nearby conductors. The most constrained of the many applications for such a multi-cable configuration involves multi-phase strands housed inside the same sheath
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Début de la thèse : 01/10/
WEB :

Funding category

Funding further details

Financement d'un établissement public Français