Mesureur et calibrateur d'intensité de champ magnétique

Les champs magnétiques sont présents presque partout. Cependant, les moyens pratiques d'évaluer l'intensité du champ magnétique sur de larges plages d'intensité et de fréquence (20 Hz à 150 kHz) ne sont pas largement disponibles. Malgré les limitations, il existe encore de nombreuses raisons pour lesquelles vous pourriez avoir besoin de ces mesures. Un exemple est la détection des interférences d'un câble non blindé ou mal blindé.

Dans ce projet, nous développerons une méthode pour évaluer les émissions de champ magnétique à des fréquences allant jusqu'à 150 kHz à partir de câbles électriques à courant élevé sans couper ni perturber le câble.

Pour commencer, nous aurons besoin de deux instruments analogiques simples :

En général, il est peu probable que des mesures de haute précision soient réalisables ou utiles. En effet, de nombreuses intensités de champ magnétique, en particulier à des fréquences élevées, peuvent varier considérablement même sur de courtes périodes et sur de courtes distances. De plus, il est important de noter que le vérificateur surmonte une exigence pour l'instrument d'avoir une précision intrinsèque élevée, mais sa stabilité est normalement plus qu'adéquate.

Plongeons-nous dans le développement et les composants de l'unité d'intensité de champ magnétique portable. Pour commencer, regardons un schéma fonctionnel du compteur et du vérificateur illustré à la figure 1.

A noter que le multimètre est alimenté par une seule pile 9 V. À partir de là, nous décomposerons les différents composants nécessaires.

La sonde est constituée d'un inducteur de 1,6 μH de 8 mm de long et de 7,5 mm de diamètre. Il est enroulé sur un gabarit isolant et comporte environ 22 spires. Un écran électrostatique (une seule spire de feuille de cuivre isolée et superposée) est fourni. En ce qui concerne la réponse en fréquence, la valeur de l'inductance n'est pas critique, mais les dimensions physiques affectent la sensibilité. La sonde est connectée à un câble coaxial avec le blindage électrostatique connecté au blindage du câble.

La sonde est directionnelle, et normalement elle est placée avec son axe vertical (en supposant un câble horizontal) et détecte la composante verticale du champ magnétique. Néanmoins, l'utilisateur peut le régler horizontalement pour mesurer la composante horizontale.

Globalement, l'intensité totale du champ en un point est la racine carrée de la somme des carrés du champ vertical, Hv, et des deux composantes du champ horizontal, Hx et Hy.

$$H_{total} = \sqrt{H^2_v + H^2_x + H^2_y}$$

Le schéma de la sonde et du préampli est illustré à la figure 2.

Le préampli est physiquement intégré à l'amplificateur principal et partage une masse commune. La sortie, X, du préampli se connecte à l'entrée, X, du schéma de l'amplificateur principal illustré ci-dessous à la figure 3.

Le préampli est constitué d'un amplificateur à transconductance avec une très faible impédance d'entrée. Cette technique produit une réponse en fréquence plate à partir d'une source à inductance mutuelle. Cependant, il peut être impossible d'obtenir une impédance d'entrée suffisamment faible par rapport à la réactance de 1,6 μH à 20 Hz. Une façon de surmonter cela consiste à augmenter l'inductance par une inductance toroïdale série 1 mH insensible aux champs magnétiques externes. La résistance de la bobine et la résistance ajoutée de 15 Ω sont compensées en incluant un condensateur en série avec la résistance de rétroaction de 1 kΩ.

Cette inductance est constituée d'environ 20 spires sur un tore en ferrite, de 9,6 mm de diamètre extérieur, 4,7 mm de diamètre intérieur et 3,2 mm d'épaisseur. La référence Digi-Key du tore est 240-2522-ND. Les inducteurs de 1 mH disponibles dans le commerce sont des pièces physiquement volumineuses conçues pour transporter des courants importants et ne conviennent pas ici.

L'amplificateur n'a qu'un petit gain et comprend deux filtres. Lors de la commande d'une charge à haute impédance, la sonde, le préampli et l'amplificateur principal fournissent une sensibilité de 1 mV pour une intensité de champ de 1 A/m au niveau de la sonde. L'unité SI A/m (ampères par mètre) est une "petite" unité, par opposition au farad, par exemple, qui est une "grande" unité, donc nous utilisons normalement des pièces dont la capacité est une très petite fraction d'un farad . Comment petit? Eh bien, 1 A/m produit une densité de flux de 1,26 μT (microtesla) dans l'air ou dans le vide, alors que l'aimant d'un écouteur produit environ 1 T.

Précédemment dans la figure 3, nous avons montré le schéma de l'amplificateur principal. Dans celui-ci, le premier étage est un filtre passe-bas du 3e ordre pour éliminer le bruit au-dessus d'environ 200 kHz.

Le filtre passe-bas est suivi d'un filtre passe-haut de 3ème ordre, dont la fréquence -3dB peut être commutée entre 8 Hz et 800 Hz à l'aide des commutateurs S1a, S1b et S1c. Les interrupteurs peuvent être mis en œuvre à l'aide d'un seul interrupteur tripolaire à 2 voies (ou marche-arrêt).

Sur la figure 3, les commutateurs du deuxième étage sont représentés configurés pour produire une fréquence -3 dB de 8 Hz à partir du filtre du deuxième étage. Cette réponse à 8 Hz est idéale pour atténuer le bruit de scintillement dans ce mode de réponse à large bande. Dans cette configuration, l'amplificateur principal complet fournit une sortie large bande avec une réponse sensiblement plate de moins de 20 Hz à 100 kHz et une chute limitée jusqu'à 150 kHz, comme le montre la figure 4. En raison de l'effet d'autres condensateurs de couplage (C2, C7, C11, C18), la fréquence -3 dB de la réponse complète de l'amplificateur principal est de 11 Hz.

Pour la réponse passe-haut à 800 Hz, des résistances de 1,5 kΩ sont connectées en parallèle avec R8, R9 et R11 pour atténuer la fréquence d'alimentation et les composantes harmoniques inférieures à 2 kHz. La réponse en fréquence de l'amplificateur principal avec la configuration du filtre passe-haut à 800 Hz est illustrée à la Figure 5.

Les filtres ressemblent à des filtres Butterworth de 3e ordre à valeur de composante égale de Sallen-Key, mais pas exactement. Pour de véritables réponses de Butterworth, les premières sections passives doivent être suivies de tampons afin que les secondes sections soient alimentées à partir de faibles impédances. Mais pour nos besoins dans ce projet, ce n'est pas nécessaire.

La sortie du filtre passe-haut du deuxième étage est appliquée à l'amplificateur basse puissance du troisième étage qui fournit une sortie qui pilotera une charge de 50 Ω (ou plus).

Un moyen simple de produire une grande intensité de champ magnétique consiste à utiliser un solénoïde. L'intensité du champ et l'inductance peuvent être calculées avec précision à partir des dimensions physiques et du courant. La valeur mesurée de l'inductance agit comme un contrôle de l'intensité de champ calculée.

Le solénoïde mesure 50 mm de long, 16 mm de diamètre et compte 200 tours. Il est enroulé sur un gabarit en carton (qui ne fondra pas au contact d'un fer à souder). L'ancien alésage doit être suffisamment grand pour accueillir la sonde, bien sûr. Il peut être équipé d'un connecteur phono collé à une extrémité (d'où nécessité de soudure), de sorte qu'il puisse être relié par un câble blindé à l'amplificateur vérificateur.

L'amplificateur vérificateur est un amplificateur de faible puissance utilisant un LM386 fonctionnant à partir d'une alimentation de 15 V. Il est configuré comme une sortie de source de courant pour produire un courant sensiblement constant à n'importe quelle fréquence de 20 Hz à 100 kHz, avec une réduction limitée jusqu'à 150 kHz.

Le schéma du vérificateur est illustré à la figure 6.

La sonde et le solénoïde sont illustrés à la figure 7.

La réponse en fréquence de la sortie de courant du vérificateur est illustrée à la figure 8. Le champ magnétique dans le solénoïde est, bien sûr, strictement proportionnel au courant car l'air a une perméabilité magnétique constante.

Ce serait trop s'attendre à ce que l'amplificateur audio LM386 produise 250 mA à 150 kHz et 1000 A/m dans le solénoïde. Il produira 250 mA jusqu'à 15 kHz, 25 mA jusqu'à 100 kHz et 12,5 mA jusqu'à 150 kHz. Des champs magnétiques puissants à hautes fréquences sont rarement rencontrés.

En raison de la charge hautement inductive, l'appareil devient assez chaud lorsqu'il produit 250 mA. Un dissipateur thermique peut être collé dessus si le courant doit être fourni pendant plus d'une minute ou deux, ce qui est normalement assez long pour vérifier l'étalonnage.

La bobine de sonde est insérée dans le solénoïde pour se trouver approximativement à mi-chemin pour utiliser le vérificateur. Le déplacement de la sonde vers l'intérieur et vers l'extérieur montre à quel point l'intensité du champ magnétique est uniforme à l'intérieur du solénoïde ; il ne change que lorsque la sonde est proche de la fin.

La figure 9 montre la réponse en fréquence globale du vérificateur à la sortie de l'amplificateur principal, avec l'amplificateur principal en mode large bande (11 Hz à 150 kHz).

Avec tout cela à l'esprit, explorons quelques exemples de cas d'utilisation pour ce compteur d'intensité de champ magnétique.

Bien que les transformateurs secteur soient remplacés par la technologie à découpage, des milliards sont encore utilisés et, à certaines fins, ils peuvent être préférés. Cependant, ils produisent un champ magnétique externe et le courant n'est souvent pas sinusoïdal car le transformateur alimente un redresseur avec un condensateur de filtrage. Le champ comprend ainsi des composantes aux harmoniques de la fréquence industrielle jusqu'à au moins 10 kHz. Cela peut provoquer des interférences importantes dans les circuits audio à proximité. Spikey hum n'est pas un grognement bas : le contenu harmonique est exagéré par le processus de couplage magnétique, où la tension induite est proportionnelle à sa fréquence. Cela s'appelait autrefois "griddy hum" à l'époque des tubes/vannes avec des grilles au lieu de bases ou de portes.

La direction du champ magnétique est circulaire, centrée sur le conducteur, et sa force, H, est précisément donnée par la formule :

$$H = \frac{I}{2πr}$$

Où:

A distance du câble, par rapport à l'espacement des deux conducteurs porteurs de courant, les champs magnétiques des courants opposés s'annulent presque, mais à proximité du câble, ils ne le font pas. L'intensité du champ peut être calculée avec précision. La figure 10 montre le résultat d'un calcul simplifié de la composante verticale du champ produit par deux conducteurs distants de 1 cm, les conducteurs étant supposés extrêmement fins. On peut voir que l'intensité du champ diminue très rapidement avec la distance, mais peut être assez forte à proximité du câble.

Dans les sections suivantes, nous aborderons les différentes mesures d'intensité de champ de ce projet.

Fuite de champ magnétique d'un transformateur secteur

A une distance de 25 mm de l'enceinte du transformateur, l'intensité du champ mesurait 50 A/m. La forme d'onde était une onde sinusoïdale déformée de 50 Hz. Cette intensité de champ est suffisamment grande pour induire un signal audible de « bourdonnement aigu » dans un circuit à proximité.

Les résultats d'une mesure d'un conducteur horizontal droit long (1 m) transportant 10 A à 50 Hz sont donnés dans le tableau 1.

Distance du centre du conducteur (mm)

Tension de sortie du compteur (mV)

Intensité du champ magnétique (A/m)

Les émissions mesurées à différentes distances d'un câble horizontal à deux conducteurs, avec des conducteurs distants de 6 mm, sont présentées dans le tableau 2.

Distance du centre du conducteur le plus proche (mm)

Tension de sortie du compteur (mV)

Intensité du champ magnétique (A/m)

Le câble transportait le courant d'une charge résistive de 400 W graduée à mi-intensité. Le résultat ne peut être comparé numériquement à la figure 9 car le diamètre des conducteurs (1,6 mm) n'est pas petit par rapport à leur espacement. Cependant, le tableau 2 montre comment l'intensité du champ diminue avec la distance.

La figure 11 montre le spectre du champ en tension avec la composante 50 Hz à 7 mV, correspondant à 7 A/m.

La figure 12 montre la même réponse en dB (mV), décibels appelés 1 mV, pour mieux mettre en évidence les forces des composants à haute fréquence. Ici, nous pouvons voir que la composante 150 Hz est inférieure de 7 dB à la fondamentale 50 Hz, soit un rapport de 0,45. Les harmoniques s'étendent en fait jusqu'à environ 10 MHz, mais l'analyseur de spectre ne s'étendra pas à de telles fréquences.

Les deux prototypes complets ont été construits sur un plugboard avec des parasites plus élevés que les cartes imprimées. Les performances des cartes imprimées seraient probablement un peu meilleures.

Les schémas ont été produits à l'aide du simulateur gratuit et très puissant LTspice (www.analog.com), avec lequel je n'ai aucun lien au-delà d'être un utilisateur satisfait. Ils sont reproduits sous forme de graphiques, qui ne fonctionneront pas pour la simulation. Les résultats des simulations sont basés sur des parties quelque peu idéalisées avec des valeurs exactes. Les tolérances des composants peuvent affecter légèrement le gain des fréquences moyennes et provoquer des variations de gain aux extrêmes de la réponse en fréquence. Bien que ceux-ci puissent être corrigés en ajoutant plusieurs composants prédéfinis, le vérificateur rend cela inutile.

Les réponses en fréquence et les spectres sont des mesures réelles capturées et tracées à l'aide d'un module complémentaire abordable pour un PC, l'oscilloscope USB Instrustar ISD205C (www.instrustar.com). Encore une fois, je suis simplement un utilisateur satisfait. L'interface utilisateur nécessite un peu d'apprentissage.