ii. transformateur d`injection

1
Dossier d’alternance
Fabrication de transformateurs étalons
Thomas LAFOREST
2009
MT3
- 2 -
Sommaire
I.
PRESENTATION GENERALE ...................................................................... 4
A.
1.
2.
B.
1.
2.
3.
4.
5.
LE LNE ......................................................................................................................................... 4
Historique : .......................................................................................................................................... 4
Ses missions ......................................................................................................................................... 4
EXPRIMER L’UNITE DE RESISTANCE (Ω) EN UNITES SI ...... 5
Notion sur l’effet Hall quantique : ....................................................................................................... 5
Détermination directe du farad - Capacité calculable. ....................................................................... 6
Chaîne de mesure ................................................................................................................................. 7
Pont de comparaison d’impédances .................................................................................................... 9
Système d’injection : .......................................................................................................................... 10
II. TRANSFORMATEUR D’INJECTION ................................................ 11
A.
1.
2.
3.
4.
5.
B.
1.
2.
3.
C.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
CONCEPTION...................................................................................................................... 11
Des tores magnétiques adaptés .......................................................................................................... 11
Un bobinage peu sensible aux parasites ............................................................................................ 12
Un transformateur avec un étage métrologique ................................................................................ 14
Des écrans électriques ....................................................................................................................... 16
Stabilité mécanique du bobinage : ..................................................................................................... 16
REALISATION : ................................................................................................................. 17
Moulage des guides............................................................................................................................ 17
Bobinage : .......................................................................................................................................... 17
Assemblage ........................................................................................................................................ 18
TEST : .......................................................................................................................................... 18
Vérification du nombre de spire : ...................................................................................................... 18
Transformateur saturé : ..................................................................................................................... 19
Désaturation : .................................................................................................................................... 19
Test de comparaison et de qualification : .......................................................................................... 20
Résultats : .......................................................................................................................................... 22
Conclusion : ....................................................................................................................................... 23
III.
TRANSFORMATEURS ETALONS :............................................... 24
A.
CONCEPTION : .................................................................................................................. 24
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
IV.
Autotransformateur ............................................................................................................................ 24
Dimensionnement des tores magnétiques .......................................................................................... 25
Choix du bobinage ............................................................................................................................. 26
Stabilité mécanique du bobinage : ..................................................................................................... 28
Ecran électrique ................................................................................................................................. 30
Boîtier & connectique ........................................................................................................................ 31
Réalisations des plans ........................................................................................................................ 32
CONCLUSION ET REFLEXION DE L’APPRENTI ... 33
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES .......................................................... 34
ANNEXES .............................................................................................................................................. 35
- 3 -
- 4 -
I. PRESENTATION GENERALE
A. LE LNE
1. Historique :
Fondé en 1901, le Laboratoire National de métrologie et d’Essais (LNE), à l’époque
laboratoire du CNAM (Conservatoire National des Arts et Métiers), avait pour but d’effectuer
des essais de conformité pour divers domaines (thermomètre, métaux, matériaux de
construction…). En 1978, la loi Scrivener lui donne le statut d’EPIC (Etablissement Public à
caractère Industriel et Commercial). Par la suite le LNE continuera de s’agrandir via
l’acquisition et le rattachement d’autres laboratoires.
Le LNE fournit des prestations aux entreprises dans bon nombre de domaines tels que la
métrologie, la santé, la construction, l’environnement, l’électrotechnique. Il est également
pilote de la métrologie française et, à ce titre, est laboratoire national pour le maintient des
étalons nationaux tous domaine confondus.
Je travaille au sein d’un pôle de recherche ayant pour mission de conserver et développer
les étalons nationaux dans les domaine de l’électricité et du magnétisme
2. Ses missions
Les missions de service public du LNE sont précisées dans le cadre d’un contrat
d’objectifs signé tous les quatre ans avec l’Etat.
Elles impliquent l’engagement financier de l’Etat sous forme de subventions annuelles, qui
permettent au laboratoire :
- d’être le laboratoire national de référence, pour l’industrie, en matière de métrologie.
- de poursuivre son développement scientifique et technique pour anticiper les besoins
nouveaux en matière de mesure et d’essai, liés aux évolutions technologiques et aux
attentes nouvelles de la société dans les domaines de la sécurité, de la santé, de la qualité
ou encore de la protection de l’environnement;
- de donner une assistance technique aux pouvoirs publics et aux acteurs économiques pour
l’élaboration de nouvelles réglementations et normes aux niveaux, international, européen et
national, la mise au point de nouvelles méthodes d’essai, et la surveillance du marché.
Sur la figure 1 est représenté la répartition des activités de recherche en métrologie au sein
du LNE.
Figure I.1 - Répartition des activités de recherche au sein du LNE [1]
- 5 -
Le laboratoire Lampard, au sein duquel j’effectue mon apprentissage, travaille dans le
domaine de la métrologie électrique et plus particulièrement sur la représentation directe du
Farad et de l’ohm dans le système international d’unités.
B. EXPRIMER L’UNITE DE RESISTANCE (Ω) EN UNITES SI
Jusqu’en 1990 l’unité de résistance électrique était représenté par le rapport entre une
tension et un courant électrique. Cette méthode a le défaut de cumuler les erreurs des
mesures effectuées pour déterminer le volt et l’ampère. Par conséquent, en 1990, le comité
international des poids et mesures (CIPM) a recommandé aux divers laboratoires de
métrologie électrique à travers le monde d’utiliser l’effet Hall quantique (EHQ) pour réaliser
l’étalon de résistance.
1. Notion sur l’effet Hall quantique :
Lorsqu’un courant traverse un barreau conducteur et si un champ magnétique B et
appliqué perpendiculairement au sens de passage de courant, une tension appelée tension
de hall VH, proportionnelle à B apparaît sur les faces latérales du barreau Voir Schéma de la
figure I.2. On définit la résistance de Hall comme étant le rapport R H 
VH
. Cette résistance
I
varie linéairement avec le champ magnétique (Figure I.2). Il s’agit de l’effet hall
« classique ».
RH
Variation linéaire
(section et courant constant)
B
Figure I.2 – Schéma de principe de l’effet hall [2] & Courbe
représentant la variation linéaire de RH en fonction de B
De façons similaire, l'Effet Hall Quantique (EHQ) apparaît dans un gaz d'électrons
bidimensionnel parcouru par un courant longitudinal et soumis à un champ magnétique
perpendiculaire (Figure I.3). Ce gaz est en pratique réalisé à l'interface d'une hétérostructure
AlGaAs/GaAs ou au niveau du canal Drain-Source d'un MOSFET Silicium. Le puits de
potentiel de confinement, dont l'épaisseur (~3-4 nm) est très inférieure à la longueur d'onde
de Fermi, contraint les électrons à se mouvoir dans le plan de l'interface. La figure I.4
présente un échantillon étalon au sein duquel se produit l’effet hall quantique.
- 6 -
Figure I.3 - Schéma d'un gaz d'électrons
bidimensionnel avec une géométrie de
barre de Hall [2].
Figure I.4 - Etalon de Hall connecté sur son
support en céramique [2].
A basse température (typiquement 1,5 K) et sous fort champ magnétique (typiquement 9 T),
VH RK
(figure I.5), avec i un

I
i
h
entier et RK, la constante de von Klitzing, définie par la relation RK = 2 [2].
e
la résistance de Hall prend les valeurs quantifiées RH 
Figure I.5 - Courbe représentant la variation de RH en fonction
de B à basse température pour un échantillon de Hall [2]
Cependant cette relation n’est vérifiée actuellement qu’avec une incertitude limité. En effet,
le rapport
h
est connu à 6,8.10-10 (à partir de la constante de structure fine) alors que la
2
e
détermination directe de RK n’est réalisée au LNE qu’a 5,3.10-8 [3]. Cette détermination
directe est réalisée grâce à la capacité étalon de Thomson-Lampard.
2. Détermination directe du farad - Capacité calculable.
Un étalon calculable de Thompson-Lampard (figure I.6) génère une variation de capacité
proportionnelle à la longueur du déplacement d’un écran électrostatique dans sa section
inter-électrodes. Il permet donc de raccorder directement le farad au mètre par
l’intermédiaire de la permittivité du milieu (dans notre cas : c). L’étalon du LNE est
constitué de cinq électrodes cylindriques, de sections circulaires, placées en position
horizontale, et disposées aux cinq sommets d’un pentagone régulier.
- 7 -
Figure I.6 - Vue de coté et en coupe de l’étalon calculable de capacité du LNE [4 p6-7]
Dans le vide, et pour un étalon à cinq électrodes parfaitement symétrique, la capacité par
unité de longueur, , entre deux électrodes non adjacentes est la solution de l’équation de
Lampard :
expexp
Ce qui donne:
 
0
2
ln

5 1
Entre une électrode et les deux électrodes opposées et adjacentes, la capacité linéique
théorique d’un système parfait est donc : 2 = 2,71247…pF/m. Un déplacement de la garde
mobile (mesuré à l’aide d’un interféromètre) de L=138,25 mm produit une variation de
capacité, C=2L, égale à 3/8 pF [4 p6-7].
3. Chaîne de mesure
La détermination de la valeur SI de la constante de von Klitzing, RK, est basée sur la
comparaison des valeurs de la même résistance électrique, obtenues d’une part en courant
alternatif par rapport à l’étalon calculable de capacité, et d’autre part en courant continu par
l’utilisation de l’effet Hall quantique (QHE). Les mesures en courant alternatif sont effectuées
à trois fréquences, correspondant aux pulsations de 2500, 5000, et 10000 rad/s.
Un schéma général de l’ensemble de la chaîne de mesures est représenté sur la Figure I.7.
Le déroulement étant le suivant :
- Un condensateur (C1pF) de valeur 1 pF est comparé à une variation de capacité
générée par l’étalon calculable de Thompson-Lampard, à l’aide d’un pont de
comparaison de rapport 3/8. Cette opération assure le raccordement du farad au
mètre et à la permittivité du vide 0.
- Deux ponts de rapport 10/1 sont ensuite utilisés pour mesurer deux condensateurs
de 10 nF par rapport au condensateur C1pF. Les étalons de transfert de 1, 10, et 100
pF sont des condensateurs en silice métallisée, ils sont placés dans des enceintes
régulées en température. L’étalon de transfert de 1000 pF est un condensateur à
plaques d’aluminium, sous azote, et immergé dans un bain d’huile. Les deux
condensateurs de 10 nF, qui ont été réalisés au laboratoire, sont à plaques d’invar,
placés sous vide.
- Trois paires de résistances sont alors comparées aux condensateurs de 10 nF à
l’aide d’un pont dit « pont de quadrature », assurant ainsi la détermination directe de
l’ohm par rapport au mètre, à la seconde et à 0. Pour les fréquences de mesure
correspondant à =2500 rad/s,  =5000 rad/s et  =10 000 rad/s, les valeurs des
résistances sont respectivement de 40 kΩ, 20 kΩ et 10 kΩ.
- 8 -
- Enfin, après correction de leurs variations en fréquence, ces trois paires de
résistances sont également comparées à l’étalon quantique de résistance (QHR), en
courant continu. On déduit de cette comparaison une valeur SI de la constante de
von Klitzing, RK. Les mesures en continu sont effectuées en utilisant un système
composé de deux sources de courant associées à un comparateur cryogénique de
courants (CCC).
QHE
Capacité
calculable
 0 ln
2
5-1
pF/m
METRE
RK
RH (i)= i
h/e et 
2
h
i.e 2
1
2
5
4
3
Pont de capacités
2 paires de bornes
Raccordement des
Centres d’étalonnages
1, 10 et 100 pF
100 à 1000 pF
CCC
Pont de capacités
4 paires de bornes
R
D C
R().C. =1
100 
200 
ou
10 k
Pont de quadrature
4 paires de bornes
1000 à 10000 pF
SECONDE
i=1 ou 2
1 600 Hz
 k
800 Hz
 k
 k
400 Hz
AC
DC
Résistance
calculable
coaxiale
Figure I.7 - Méthode de mesures, schéma général [4 p4-5].
D’éventuelles différences entre les valeurs mesurées de RK en fonction des résistances de
10, 20 ou 40 kΩ sont dues à l’effet de fréquence de l’étalon calculable de capacité, qui est le
seul élément de la chaîne de mesures, non corrigé en fréquence. Afin d’éliminer cet effet, la
valeur de RK est déduite des trois valeurs mesurées, par une extrapolation à fréquence nulle.
Les composantes d’incertitude qui interviennent dans le calcul de l’incertitude globale de la
détermination de RK ont été individuellement identifiées et évaluées [4 p4-5]. Quelques unes
des composantes intervenant dans la mesure de RK sont listées dans le tableau 1.
- 9 -
Parts d’incertitude
Longueur d’onde du laser
Indice de l’air
Alignement laser
Déformation du pentagone formé par les électrodes
Défauts de cylindricité des électrodes
Efficacité de la garde mobile
Déplacement latéral du « spike »
Rapport des ponts de comparaison (0,35)
Injection du signal d’équilibre
Défauts de coaxialité des ponts
Charge des autotransformateurs
Effet de tension (10, 100 and 1 000 pF)
Effet de fréquence des résistances (à 5 000 rad/s pour 20 kΩ)
Valeur relative  108
(1
0,003
0,013
0,09
0,02
2,4
0,2
3
1,5
0,3
0,5
0,3
1,0
1,7
Tableau 1 – Principales composantes d’incertitudes, intervenant dans la mesure de RK (10-8,
1σ) [4 p27].
Les incertitudes grisées sont les principaux points à améliorer pour pouvoir diminuer
l’incertitude sur RK. Concernant le défaut de cylindricité des électrodes et le déplacement
latéral du « spike », un nouvel étalon calculable de Thomson-Lampard est en cours de
réalisation au sein du laboratoire. L’amélioration des points passe par la l’amélioration des
ponts de comparaison et la construction de nouveau transformateur étalon.
4. Pont de comparaison d’impédances
Parmi les méthodes permettant de comparer des impédances, la méthode utilisant un
transformateur permet d’atteindre les incertitudes les plus faibles. Un pont à transformateur
(Figure I.9) permet de comparer une impédance inconnue à une impédance de même nature
dont le rapport des valeurs est déterminé par le rapport des nombres de spires des
enroulements d’un transformateur étalon.
Les conditions d’équilibre du pont sont :
A VD = 0 V
V1 Z x n1
n
où Z x  1  Z c


V2 Z c n2
n2
G
VD
D : détecteur
G : source de tension alternative
Zx : impédance inconnue
Zc : impédance connue / étalon
Figure I.9 - Pont de comparaison d'impédances à transformateur
En pratique les imperfections de réalisation du transformateur étalon entraînent que le
rapport de tension n’est pas exactement égal au rapport du nombre de spires. Il existe une
- 10 -
erreur
 que l’on peut écrire sous la forme :
V1 n1
  1    . Afin d’obtenir une incertitude
V2 n2
relative sur les mesures d’impédances inférieures à 1.10-8, il est nécessaire de connaître
cette erreur avec une incertitude de l’ordre de quelques 10-9. Les transformateurs utilisés
doivent donc au préalable être parfaitement caractérisés (ou étalonnés). L’incertitude sur le
terme d’erreur des transformateurs actuels étant supérieure à 5.10-9, il s’est avéré
nécessaire d’en fabriquer de nouveaux fournissant des rapports de tension avec une
meilleure exactitude.
5. Système d’injection :
Afin de réaliser la condition d’équilibre VD= 0 V, on injecte une tension dans une des mailles
du circuit. Cette tension, à l’image des impédances comparées, possède une composante
réelles (en phase) et une composante imaginaire (en quadrature). Pour la réaliser, on utilise
un système d’injection comme celui présenté à la figure I.10. Deux diviseurs inductifs
appliquent chacun une tension fraction de la tension d’alimentation U aux entrées du boîtier
d’injection. Celui-ci est constitué de trois circuits électroniques. Le premier conditionne un
des deux signaux au moyen d’un suiveur qui assure une impédance d’entrée élevée pour le
diviseur inductif placé en amont. Le deuxième circuit déphase l’autre signal de 90° et assure
une impédance d’entrée élevée pour l’autre diviseur inductif. Enfin le troisième circuit fait la
somme de ces deux signaux. Cette tension est alors injectée en amont de la capacité Cinj à
l’aide d’un transformateur de rapport 100:1 dont le secondaire est constitué par un des
câbles du circuit.
Diviseur inductif
Système
d’injection
V1
Cx
Vinj
U
V2
CE
Boîtier
d’injection
Transformateur
d’injection
Figure I.10 - Pont de comparaison d'impédances avec système d'injection
Pour les comparaisons effectuées au sein du laboratoire, le signal nécessaire à l’équilibre
injecté par le transformateur d’injection est au plus, en relatif, de 1.10-4 du signal
d’alimentation du pont. Il doit donc être connu à quelques 10-5 près en phase et en
quadrature pour ne pas introduire d’incertitude supérieure à 10-9.
Lors de cette période professionnelle, j’ai été amené à concevoir puis fabriquer un
transformateur d’injection. Ce travail est décrit au chapitre II. A l’aide des connaissances
ainsi acquises, j’ai ensuite participé à la conception d’un transformateur étalon. Ce travail est
décrit au chapitre III.
- 11 -
II. TRANSFORMATEUR D’INJECTION
A. CONCEPTION
Le but est de réaliser un transformateur de rapport 100 de tension primaire nominale de
quelques millivolts pour des fréquence allant de 400 à 1600 Hz. Le bobinage primaire est
composé de 100 spires, le secondaire de ce transformateur est constitué par une spire
formée par le câble dans lequel la tension est injectée.
Comme vue précédemment, il est nécessaire que l’erreur maximale sur le système
d’injection soit de l’ordre de 1.10-5 pour maîtriser la tension d’injection à 1.10-9. Ce niveau
d’erreur impose de prendre certaines précautions décrites dans les parties suivantes.
1. Des tores magnétiques adaptés
Un transformateur est constitué d’un fil de cuivre bobiné autour d’un circuit magnétique.
Les matériaux employés pour réaliser le noyau magnétique du transformateur sont des
alliages de fer-nickel, connus sous des appellations commerciales telles que supermumétal
ou supermalloy. Ces matériaux ont une perméabilité initiale très élevée (jusqu’à 100 000
pour le supermalloy), ce qui permet de minimiser sensiblement les pertes magnétiques. Pour
limiter les fuites magnétiques les noyaux employés sont de forme torique et sans entrefer
[5 p37]. Ces tores sont réalisés en enroulant une grande quantité de fois une fine bande de
supermalloy de quelques dizaines de micromètres d’épaisseur afin de limiter les courants de
Foucault. Pendant l’utilisation, le transformateur est le siège d’une induction magnétique B.
Si la valeur de B atteint une valeur maximale (Bmax) le tore est saturé. Pour éviter ce
phénomène, il faut choisir un tore pouvant supporter le champ magnétique auquel il sera
soumis. La loi de Faraday illustrer à la figure II.1 permet d’évaluer la tension maximale que
l’on peut appliquer à un bobinage effectué autour d’un tore magnétique sans atteindre
l’induction de saturation.
Flux  (t )
V(t)
Figure II.1 – Représentation de la loi de Faraday pour une spire
D’après la loi de Faraday :
Dans une spire pour une tension V(t) :
d (t )
V (t )  
dt
Donc avec N spires V (t )   N
d(t )
dt
Pour un flux  (t ) sinusoïdal d’amplitude
 max et à une fréquence f :
(t )   max . sin 2. . f .t 
d  max . sin 2. . f .t 
dt
V (t )   N .2. . f . max . cos(2. . f .t )
V (t )   N .
Soit en valeur efficace :
Veff  N .2. . f . eff
2.
.N . f . max
2
 2. .N . f .Bmax .S
Veff 
Veff
avec S surface fer ou effective du tore en m² (Section du tore – section des isolants
enveloppant la bande de mumétal), Bmax l’induction de saturation exprimé en tesla, f la
fréquence en Hertz, V la tension en volt et  le flux magnétique en Weber.
Si la surface est donnée en cm² la formule précédente devient alors :
Veff  2. .  10 4  N . f .Bmax .S soit Veff 
N . f .Bmax .S
2250
Pour la réalisation du transformateur d’injection, trois tores ont été présélectionnés. Pour ces
trois tores, Bmax et S sont fournis par le constructeur [6]&[7] :
Constructeur Matériaux
Induction
Surface
Dimension
de
Référence
effective
(Dext x Dint x H en mm)
saturation
(cm²)
(Tesla)
MAGNETICS mumétal 50222-1F
MECAGIS Nanophy® 0F70327
MAGNETICS mumétal 50128-1F
66 x 42 x 15
78,5 x 48 x 22
92.2 x 60.2 x 15.9
0.907
2.01
1.21
0.4
1.25
0.4
Perméabilité
μ (à 10kHz)
40 000 à 100 000
> 70 000
40 000 à 100 000
À 400 Hz et pour 100 spires la tension efficace maximale est :
- Magnetics 50222-1F : Veff = 9.67 V
- Mecagis 0F70327 : Veff = 14.3 V
- Magnetics 50128-1F : Veff = 12.9 V
Tous permettent d’être utilisés dans les conditions exigées. Le choix s’est porté vers le tore
50222-1F présent en nombre plus important dans le laboratoire.
2. Un bobinage peu sensible aux parasites
Il existe plusieurs techniques de bobinage. La plus simple consiste en un bobinage de 100
spires autour du tore magnétique en avançant toujours dans la même direction comme
illustré à la figure II.1.
Figure II.1 - Bobinage simple [8]
Cependant, ce bobinage forme une spire de taille égale au diamètre moyen du tore dans le
plan de ses faces planes (figure II.3). Le champ magnétique environnant induit alors un
courant parasite dans celle-ci. Ceci a pour effet de modifier de manière non négligeable le
flux induit dans le tore magnétique et donc par voie de conséquence de modifier la tension
aux bornes de l’enroulement (Figure II.2 & II.3).
- 13 -
Equivalent à
Figure II.2 - visualisation du
chemin champs extérieur [8]
Figure II.3 - spire équivalente du
bobinage simple [8]
L’ajout d’une spire de retour permet de diminuer ce phénomène. Celle-ci peut être
schématisée comme une spire en opposition à la spire équivalente que constitue le
bobinage. Le champ parasite induit un courant de valeur identique mais en opposition de
phase dans chacune de ces spires. Le deuxième bobinage reprend directement ce principe
(figure II.4).
Equivalent à
Figure II.4 - Bobinage avec spire de retour et son schéma équivalent [8]
Une autre méthode consiste à bobiner la moitié des spires avant d’effectuer une spire de
retour puis de continuer à bobiner le reste des spires (figure II.5). Ceci permet de réduire
l’effet des capacités de fuites.
Equivalent à
Figure II.5 - Bobinage avec spire de retour au niveau de la moitié du bobinage et son schéma
équivalent [8]&[9]
Des test ont été effectués sur ces trois types de bobinages. Ces tests consistaient à réaliser
3 transformateurs chacun bobinés avec une méthode différente. Pour tous, le secondaire
était constitué d’un fil formant une spire autour du tore. Une tension alternative de 1 V à 1
kHz a été appliquée au bobinage primaire. Un voltmètre mesurait la tension générée aux
bornes du secondaire. Les transformateurs dont les primaires ont été bobinés selon les
- 14 -
méthodes illustrées aux figures II.1 et II.4, présentaient des fluctuations de rapport de
tension pouvant atteindre 0.2%. Nous n’avons pu détecter aucune fluctuation du rapport du
transformateur bobiné selon la méthode décrite à la figure II.5. c’est ce type de bobinage qui
sera employé pour le transformateur d’injection.
3. Un transformateur avec un étage métrologique
Pour diminuer le terme de correction du transformateur, on superpose au bobinage un étage
dit métrologique. Le schéma de principe d’un transformateur double étage est présenté à la
figure II.6.
e1 = Tension appliquée aux
bornes des enroulements
primaires.
e2 = Tension générée aux
bornes de l’enroulement
secondaire.
Figure II.6 - Vue en coupe d'un transformateur double étage [10]
Ce type d'appareil comporte deux tores magnétiques. Un premier enroulement primaire, dit
enroulement magnétisant, enveloppe le tore 1 seulement. Un deuxième enroulement, dit
enroulement métrologique, est bobiné autour de l'ensemble des deux tores 1 et 2, il peut
comporter des sorties intermédiaires qui définissent les rapports de transformation. Les
enroulements magnétisants et métrologiques ont le même nombre de spires et sont généralement
alimentées par la même source. Dans le cas d’un transformateur non étagé l’erreur du rapport de
tension est de la forme
z1
où Z1 est l’impédance d’entré du bobinage magnétisant et z1 son
z1  Z 1
impédance de fuite. Pour un transformateur étagé on montre [5 p44-45] que cette erreur prend

z
 z 
1
 2  où Z2 est l’impédance d’entré du bobinage métrologique et z2 son
la forme : 
 z1  Z 1  Z 2 
impédance de fuite. L’erreur du rapport dans le cas d’un tore seul est de l’ordre de quelque 10-3.
Le nouvel étage ajoute un terme qui est lui aussi de l’ordre de quelques 10-3. L’erreur du rapport
de tension pour un transformateur double étage est alors de l’ordre de quelques 10-6. Il est donc
plus intéressant de réaliser un transformateur double étage pour une utilisation métrologique.
Ce genre de transformateur de tension assure l’isolement entre les circuits primaires et
secondaires. L’interposition d’écrans diminue le couplage électrostatique entre eux ; le
- 15 -
potentiel d’un point déterminé de l’enroulement induit peut alors être fixé au gré de
l’utilisateur.
- 16 -
4. Des écrans électriques
Le courant capacitif circulant entre deux enroulements peut être diminué en disposant entre
eux un écran électrique piloté en potentiel. En ajoutant un écran supplémentaire venant
couvrir le bobinage métrologique on diminue également le courant de fuite entre ce bobinage
et le milieu extérieur (figure II.7).
Enroulement
métrologique
Ecran électrique
Enroulement
secondaire
Tore 2
e2
e1
Tore 1
isolant
écran en
cuivre
Enroulement
magnétisant
Figure II.7 - vue en coupe d'un
transformateur double étage + écran
Figure II.8 - tore magnétisant
avec écran
Ces écrans sont constitués d’un feuillard en cuivre enroulé autour des bobinages. Pour éviter
tout contact électrique avec les conducteurs environnant, on vient coller un isolant sur les
faces de ces écrans. Il est également nécessaire d’éviter de créer une spire en court circuit
car elle serait destructrice pour le transformateur. Pour cela on vient placer un isolant entre
les deux extrémités du feuillard en cuivre (Figure II.8).
5. Stabilité mécanique du bobinage :
La méthode de bobinage choisie présente une grande stabilité mécanique (peu sensible aux
vibrations). Toutefois pour que cette propriété n’évolue pas avec le temps il est nécessaire
de fixer la position des fils. Afin de figer le bobinage, des guides de fils à déposer sur les
faces planes du tore ont été réalisés (figure II.9). Pour se faire un moule en aluminium
(Figure II.10) a été conçu sous Solidworks et réalisé à l’atelier de mécanique du LNE. La
matière moulée est de l’ABS car ce matériau est facile à découper et la température (180°C)
de moulage peut être atteinte facilement à l’aide d’une simple étuve.
Figure II.9 - Dessin en trois dimension du
tore avec les deux guides moulés
Figure II.10 - Dessin en trois dimensions du
moule pour guides de fils
- 17 -
B. REALISATION :
1. Moulage des guides
Afin de prévoir la fabrication d’un autre transformateur huit guides ont été moulés. Avec
quatre guides par transformateur, il est possible d’en réaliser deux. Pour mouler un guide il
faut découper un carré d’ABS de huit à dix centimètres de coté. On place ensuite ce
morceau entre les deux disques qui composent le moule. Trois vis permettent de pré
contraindre l’ensemble. Le moule est alors placé pendant trente à quarante cinq minutes à
180°C. Une fois le délai passé, il faut à nouveau serrer les vis pour que l’ABS prenne la
forme du moule. L’opération (chauffage + serrage) est répétée encore une fois pour un
moulage efficace. Une fois ces opérations terminées, il suffit de laisser refroidir l’ensemble à
l’air libre puis d’enlever les vis pour récupérer le guide.
2. Bobinage :
Le bobinage magnétisant a été effectué en enroulant 100 spires autour d’un tore selon la
méthode présentée à la figure II.5. La longueur de fil de cuivre à été choisie de la manière
suivante : longueur d’une spire x nombre de spires. un écran de cuivre isolé électriquement
est venu envelopper ce bobinage. Le bobinage métrologique a été réalisé selon la même
méthode autour de la superposition d’un second tore et de l’enroulement magnétisant. Un
second écran en cuivre isolé électriquement enveloppe le bobinage métrologique. Le
bobinage secondaire n’est composé que d’une spire réalisé avec un câble coaxial. Afin
d’éviter de créer un cours circuit avec la gaine de ce câble, celle-ci a été coupée. Sa
continuité électrique est assurée par un fil lui étant soudé circulant par l’extérieur du
transformateur (figure II.11).
Écran de
l’enroulement
Fil garantissant la continuité de la gaine
métrologique
Tore de
l’enroulement
métrologique
Tore de
l’enroulement
magnétisant
Soudure
Partie de la gaine supprimée
Figure II.11 - Vue en coupe du transformateur d’injection
- 18 -
3. Assemblage
Métrologique
Secondaire
Magnétisant
Boîtier
Figure II.12 - Vue éclatée 3D du transformateur d'injection
Les différents éléments composant le transformateur ont été assemblés selon le schéma
représenté sur la figure II.12. Après bobinage le transformateur est placé dans un boîtier en
aluminium sur lequel est installé la connectique.
C. TEST :
Une fois l’assemblage terminé, il a fallu tester ce transformateur.
1. Vérification du nombre de spire :
Tout d’abord, il a était nécessaire de vérifier que les 100 spires de chacun des enroulements
du primaire ont bien été bobinées sur les tores. Ces tests sont réalisés au fur et à mesure de
la fabrication, après la réalisation de chacun des bobinages. Ils consistent simplement à
appliquer une tension U1 au primaire et de mesurer la tension U2 au secondaire. Si le
transformateur a été correctement réalisé : U 2 
U1
. La figure II.13 présente un schéma
100
simplifié de ce type de transformateur.
Figure II.13 - Schéma simplifié du
transformateur d'injection
- 19 -
Au cours de ces tests, la tension appliqué sur le primaire a dépassé la tension maximum
calculé précédemment à 400 Hz. (Voir la première partie du cahier des charges). Le
transformateur a donc été saturé.
2. Transformateur saturé :
Considérons une bobine comme celle représenté figure II.1. En appliquant une tension U et
un courant i on génère une force magnétomotrice (FMM) qui crée des lignes de champ
traversant le tore magnétique. Plus on augmente cette FMM, plus on crée de lignes de
champ. Après une certaine valeur de FMM, le matériau n’en crée plus, on dit qu’il est saturé
[11].
3. Désaturation :
Pour désaturer le tore, il faut appliquer au bobinage de la figure II.14 un courant alternatif
d’amplitude décroissante. L’amplitude maximale du courant à générer doit être suffisamment
élevé pour être sur de travailler à l’induction de saturation Bmax. La décroissance de
l’amplitude va peu à peu amener le transformateur en deçà de Bmax et ainsi le désaturer.
Pour s’assurer d’avoir atteint l’induction de saturation, il faut que le courant i traversant le
bobinage ait cette forme :
Courant (Ampère)
I2
I1
Temps
(seconde)
Figure II.14 - Oscillogramme du courant circulant dans le transformateur
Avec I2 = 10xI1
Ensuite le générateur est programmé pour faire décroître l’amplitude jusqu’à 0 A. L’opération
est répétée plusieurs fois.
Un schéma de montage possible permettant de désaturer le tore magnétique est Présenter à
la figure II.15.
- 20 -
oscilloscope
R
Générateur
programmé
Transformateur
~
T
Figure II.15 - Schéma électrique permettant de désaturer le tore magnétique
Ici l’oscilloscope affiche la tension R.I . On utilise une résistance de 100 Ω pour retrouver I
avec facilité.
4. Test de comparaison et de qualification :
Introduction :
La procédure de test fait l’objet d’une mode opératoire au sein du laboratoire. Celui-ci décrit
toutes les étapes permettant de qualifier le transformateur. Cette méthode consiste à
comparer le transformateur fabriqué à un transformateur de référence afin de déterminer s’il
est possible de l’utiliser sur un banc de mesures. Ce mode opératoire est disponible en
annexe (annexe 1). La figure II.16 présente le montage permettant de réaliser cette
qualification.
U
U
D
k1.U
Dispositif
d’injection
k1.k2.U
k4.k3.U
k3.U
TM2E1
Bloc 1
Bloc 2
Figure II.16 - Montage électrique utilisé pour qualifier le
transformateur d'injection
Bloc 1 :
On multiplie la tension d’alimentation U par un coefficient k 1 à l’aide d’un diviseur inductif.
Ensuite, on multiplie la tension obtenue par un coefficient k2 à l’aide du dispositif d’injection
composé d’un boîtier d’injection et du transformateur que l’on souhaite comparer. Ce
coefficient k2 est estimé à environ
1
.
100
- 21 -
Bloc 2 :
Le transformateur de référence TM2E1 multiplie la tension d’alimentation U par un coefficient
k3=
1
.
100
Cette tension k3.U est alors multipliée par un coefficient k4 à l’aide d’un autre diviseur inductif.
Les tensions obtenues en sortie du bloc 1 (k1.k2.U) et en sortie du bloc 2 (k4.k3.U) sont alors
comparées grâce au détecteur D. En pilotant k1 on annule la différence entre ces deux
tensions. On peut alors écrire l’équation suivante :
k1.k2.U = k4.k3.U
soit k 2 
k3 .k 4
(1)
k1
on peut alors connaître le rapport de transformation k2 du dispositif d’injection.
1
1
1    par ailleurs k3= 1 . On peut alors
on peut écrire : k 2 
100
100
100
k
1
écrire l’équation (1) sous cette forme :
1     1  4 soit :
100
100 k1
On sait que : k2≈

k4
 1 (2)
k1
 représentant alors le terme d’erreur (par rapport au coefficient
1
) du dispositif
100
d’injection. Il s’agit d’un rapport de coefficient sans unité.
Matériel utilisé :
Nous avons comparé le transformateur réalisé au transformateur de référence TM2E1 puis,
pour comparaison ainsi que deux anciens transformateurs d’injection au même
transformateur de référence :
T1
T2
T3
Toutes les mesures ont été effectuées avec le boîtier d’injection de T1. Ce boîtier est réglé
pour obtenir la meilleure précision du dispositif d’injection utilisant T1. Le transformateur que
j’ai fabriqué est le transformateur T2.
- 22 -
5. Résultats :
Deux séries de mesures on été effectuées pour estimer la reproductibilité de la mesure du
coefficient  . Les deux essais ont été espacés d’une semaine. Les valeurs n’avaient varié
que de 1.10-6. On peut donc considérer les mesures comme reproductibles.
Voici une série de mesures sur les trois transformateurs T1 (figure II.17), T2 (figure II.18) et
T3 (Figure II.19) :
Pour T1 :
Figure II.17 - Courbes de la correction du système d’injection en fonction de la tension avec
le transformateur T1, à trois fréquence données
Pour T2 :
Figure II.18 - Courbes de la correction du système d’injection en fonction de la tension avec
le transformateur T2, à trois fréquence données
- 23 -
Pour T3 :
Figure II.19 - Courbes de la correction du système d’injection en fonction de la tension avec
le transformateur T3, à trois fréquence données
6. Conclusion :
Le transformateur T2 donne des résultats semblables à ceux du transformateur T3. Or ce
dernier est qualifié et offre une bonne précision. On peut donc considérer le transformateur
T2 comme qualifié pour les prochains essais. Toutefois pour pouvoir l’utiliser, il faudra
fabriquer un nouveau boîtier d’injection afin d’obtenir la meilleure précision du système
d’injection.
- 24 -
III. TRANSFORMATEURS ETALONS :
Un élément essentiel des ponts de comparaison d’impédances est le transformateur
étalon. Il permet de comparer des impédances avec des niveaux d’exactitude excellents. Les
transformateurs construits dans les règles de l’art sont capables de fournir des rapports de
tension (le plus souvent 1:1, 1:10 et 8:3) variant très peu, au plus de quelques 10-9, avec le
temps et les conditions d’environnement (température, pression, humidité…) [5 p 34]. Les
précautions prises pour la réalisation de ces transformateurs seront encore plus drastiques
que celles prises lors de la fabrication du transformateur d’injection afin d’obtenir l’incertitude
sur le rapport de tension souhaitée.
 Précédentes réalisations :
Il existe deux générations de transformateurs étalons au sein du laboratoire Lampard. Les
transformateurs utilisées actuellement (Figure III.1) ne possèdent pas d’écrans magnétique,
ce qui les rend sensibles aux perturbations magnétiques extérieures. De plus, la tension
maximale supportée par ces transformateurs est limité à environ 70 V à 400Hz. Une nouvelle
génération réalisé avec de nouvel dimensions de tores magnétiques et des précautions
similaires à celles décrites précédemment (Figure III.2). Cependant, leur caractérisation à
mis en évidence une erreur sur les rapports de tensions supérieure à 1.10-6.
Figure III.1 – Transformateur actuellement utilisé
Figure III.2 – dernière génération de transformateur
A. CONCEPTION :
Ce transformateur diffère du précédent. Il s’agit ici d’un autotransformateur dont la
puissance supporté nominal est plus importante. Il a été nécessaire de redimensionner les
tores magnétiques et de modifié les pièces garantissant la stabilité mécanique de
l’enroulement métrologique, celui-ci étant bobiné de façon différente.
1. Autotransformateur
Un autotransformateur est un transformateur dans lequel l'enroulement aux bornes duquel
la tension est la plus faible est constitué par une partie de l'enroulement aux bornes duquel
la tension est la plus élevée. Cet appareil se réduit à un circuit magnétique à un seul
enroulement, muni de prises de potentiel intermédiaires. La figure III.3 reproduit
schématiquement un autotransformateur. Il peut être considéré comme un transformateur à
deux enroulements indépendants dont l'un serait l'enroulement BA, et l'autre l'enroulement
- 25 -
DC. Ce sont les connexions établies entre les extrémités de ces enroulements qui
déterminent le fonctionnement en autotransformateur.
i1
D
D
B
n2
n1-n2
u1
A
n1
C
B
C
n2
i2
u2
A
Figure III.3 - représentation d'un autotransformateur
Soit n1 le nombre total de spires, n2 le nombre de spires de la partie commune AB, les
tensions u1 et u2 sont reliées par la relation :
u1 n1

u 2 n2
(II-6)
i1 n2

i2 n1
(II-7)
et les courants i1 et i2 par la relation :
Les avantages d'un autotransformateur par rapport à un transformateur sont multiples : outre
la diminution du nombre d'enroulements, il possède un meilleur rendement et permet de
s'affranchir d'éventuelles fluctuations entre les enroulements primaire et secondaire [5 p3637].
Afin d’accroître les possibilité d’utilisation de l’autotransformateur, on divise le bobinage
métrologique en 12 enroulements ou sections (ayant le même nombre de spires) connectés
en série. Ceci permet de travailler avec différents rapports de tension.
2. Dimensionnement des tores magnétiques
Pour cet autotransformateur on utilise la disposition à deux étages précédemment
évoquée. Cependant les spécifications initiales sont différentes. L’autotransformateur doit
pouvoir fonctionner à une tension maximale de 200V à 400 Hz. Afin de ne pas saturer les
tores magnétiques durant l’utilisation de cet autotransformateur, on vérifie à l’aide de la
formule démontrée en II.1.1 que Bmax n’est pas dépassée pour la section S et le nombre de
spire N choisies.
Pour choisir les tores il a fallu faire un compromis entre l’induction de saturation (Bmax), le
nombres de spires (N) et la surface effective (S).
Le choix s’est porté sur des tores MECAGIS N11E3 (diamètre externe :162 mm diamètre
interne :128 mm et hauteur : 52 mm) pour le tore de l’étage magnétisant et MECAGIS
N19E3 (162 x 128 x 27 mm) pour le tore de l’étage métrologique. Leurs surfaces effectives
sont respectivement de 5.70 cm² et 2.85 cm². Leur induction magnétique de saturation est de
1.25 Tesla [6].
En bobinant 240 spires autour de ces tores la tension maximale admissible vaut alors
environ 300 Volts. Ceci amène une marge de sécurité suffisante.
- 26 -
3. Choix du bobinage
Le bobinage magnétisant a été bobiné en seulement 4 sections (de 20, 100, 100 et 20
spires). Ces parties sont bobinées de manière à réaliser le bobinage vue à la figure II.5.
L’enroulement métrologique quant à lui est bobiné différemment. Il est divisé en 12 sections
de 20 spires, afin de maximiser le nombre de comparaisons réalisables.
Les performances d'un transformateur peuvent être optimisées selon la manière dont sont
bobinés les différents enroulements destinés à fournir les rapports étalons.
Malheureusement, la minimisation des inductances et capacités de fuite sont mutuellement
exclusives. La réduction des inductances de fuite impose d'avoir des enroulements aussi
proches que possible les uns des autres mais ceci a pour effet d'augmenter les capacités de
fuite. Inversement, réduire les capacités inter-enroulement conduit à éloigner les
enroulements les uns des autres, ce qui augmente les inductances de fuite. Afin de trouver
le meilleur compromis, deux types de bobinages sont principalement employés dans la
construction de transformateur étalon : le premier, constitué de fils torsadés, vise à diminuer
les inductances de fuite, le second, constitué de fils en nappes, permet de réduire les
capacités entre enroulements.
 Bobinages constitués de fils torsadés
Les différents conducteurs destinés à former les enroulements sont torsadés, la torsade
ainsi formée est bobinée sur un nombre de tours suffisant autour du tore magnétique
(Figure III.4). Si la position de chacun des conducteurs tout au long de la torsade est
suffisamment aléatoire, alors les capacités inter-enroulements seront sensiblement égales.
Pour minimiser le courant capacitif entre les différentes sections, on prendra soin de
connecter entre eux les enroulements présentant la plus forte capacité, pour les soumettre à
une faible tension.
Figure III.4 - enroulements torsadés [5 p47]
Cette méthode a été choisie pour bobiner les enroulements du précédent transformateur. J’ai
effectué sur celui-ci plusieurs étalonnages lors de ma première session professionnelle. Ces
mesures ont permis de conclure que l’erreur sur les rapports de tension fournis par ce
transformateur était de l’ordre de quelques 10-6. L’une des causes possible de cette erreur
élevée est une valeur trop importante des capacités de fuite inhérentes à ce type de
bobinage. C’est pourquoi une autre méthode de bobinage a été choisie lors de la conception
du nouveau transformateur étalon. Il s’agit d’un bobinage constitué de nappes de fils.
- 27 -
 Bobinages constitués de nappes de fils
Une meilleure répartition des capacités inter-enroulements est obtenue en bobinant des
nappes de fils (Figure III.6). Les conducteurs sont disposés les uns à coté des autres, aussi
serrés que possible. Les différents enroulements sont connectés comme précédemment.
Figure III.6 - enroulements en nappe [5 p47]
Pour réduire les capacité inter-enroulements on répartit les potentiels comme présenté à la
figure III.7
11.U
-U
0
Figure III.7 – Répartition des potentiel sur la vue en coupe de la nappes
Répartis de cette façon, les potentiels les plus forts sont éloignés des potentiels les plus
faibles. Ainsi, les capacités pouvant se créer entre les fils sont réduites. Cette disposition
d'enroulements présente l'inconvénient de répartir davantage dans l'espace les conducteurs
qu'un bobinage en torsade. Ceci a pour effet de rendre le transformateur plus sensible au
flux de fuite, et d'augmenter les inductances de fuite. Une nappe de douze conducteurs est
connectée comme indiqué sur la figure III.8 pour former les rapports souhaités.
+11.U
+10U
+10.U
+9U
+9.U
+8U
+U
0
-U
Figure III.8 - schéma des connexions des différents conducteurs dans un transformateur de
douze sections [5 p47]
Cette nappe constitue un enroulement de 20 spires autour des tores magnétiques. Elle sera
bobinée selon la méthode Ayrton-Perry (figure III.9). Lors du bobinage on bobine la moitié
des spires autour des tores dans un sens. L’autre moitié est bobinée par dessus dans le
- 28 -
même sens mais dans la direction opposée. Cette méthode permet de diminuer les
perturbations dues au champ magnétique environnant [5 p47].
Cette méthode permet également de stabiliser mécaniquement le bobinage plus
efficacement qu’avec la méthode vue à la figure II.5.
Figure III.9 - Bobinage selon la méthode Ayrton-Perry [5 p47]
4. Stabilité mécanique du bobinage :
Pour le bobinage magnétisant, les mêmes précautions que pour le transformateur
d’injection ont été prises (soit 2 guides fils moulés). Cette fois, il a fallu mouler dans de l’ABS
242 gorges (240 spires + 2 pour séparer clairement les extrémités du bobinage) pour des
tores de plus grands diamètres. Un moule a été construit pour les réaliser. Le moulage a été
effectué par l’atelier de mécanique du LNE.
L’enroulement métrologique a nécessité un soin supplémentaire. En effet, si la nappe de fils
le composant se déplaçait, les capacités et les inductances de fuite fluctuerait et par voie de
conséquence modifierait l’erreur du rapport de tension. C’est pourquoi il est nécessaire de
stabiliser mécaniquement cet enroulement. Le procédé visant à réaliser cet objectif consiste
à guider la nappe de fils du bobinage tout le long de l’enroulement. De cette manière on
garantit une position fixe de la nappe.
Pour se faire deux guides en nylon (bonnes propriétés isolantes) et des tiges guide ont été
réalisés. Ces guides garantissent le chemin de la nappe de fils bobinée selon la méthode
Ayrton-Perry. Ces guides sont placés sur les tores de la manière présentée à la figure III.10.
- 29 -
Figure III.10 – Vue 3D des guides fils et des tiges guides assemblés
Voici les points importants de la conception de ces guides :
 Guides nylon :
Paires de
gorges
Dégagement pour le
passage des fils de
l’enroulement
magnétisant
Perçage pour
fixer les tiges
guides
intérieures
(Perçage
débouchant)
Perçage pour
fixer les guides
extérieures
Deux niveaux
de bobinages
Rainure triangulaire
stabilisant les tiges
guides
Figure III.11 – Guides de fils en Nylon en vue du respect de la méthode Ayrton-Perry
Forme des gorges :
Lors d’un bobinage de type Ayrton-Perry, les spires se croisent sur les faces planes
supérieure et inférieure du tore. Ceci explique la forme des gorges dessinées. Celles-ci n’ont
pas la même profondeurs afin de ne pas meurtrir la nappe et de conserver la disposition des
fils lors d’un croisement. Pour ne pas endommager les fils émaillés et éviter tous risques de
court-circuit, il a été choisi de chanfreiner le bord des gorges (Figure III.11).
Nombre de gorges :
Le nombre de gorges à dessiner dépend du nombre de fils dans la nappe constituant
l’enroulement métrologique. Par ailleurs, on a souhaité pouvoir disposer de 12 sections (12
- 30 -
points de connections intermédiaires) sur cet enroulement. Cela signifie que la nappe sera
constitué de 12 fils, nécessitant 20 gorges pour obtenir les 240 spires souhaitées (voir
chapitre III.2).
Passage de fil du magnétisant :
Le guide nylon posé sur la face supérieur de l’écran électrique possède un dégagement de
manière à laisser déborder la cheminée par laquelle ressortent les fils de l’enroulement
magnétisant.
 Tiges guides :
Des tiges guides relient entre eux deux anneaux guide en nylon. Ces tiges sont disposées
comme indiqué sur la figure III.12.
Guide interne
Guide externe
Figure III.12 – Disposition des tiges guides
Maintien des tiges :
Afin d’améliorer la tenue mécanique de l’ensemble « guide nylon + tiges », une rainure
circulant autour de la face extérieure des guides a été réalisée. Cette rainure a une forme
triangulaire. Cette forme est reprise sur les tiges. De cette manière tous les degrés de liberté
sont supprimés (Figure III.12).
5. Ecran électrique
Tout comme pour le précédent transformateur, il est également nécessaire de figer les
capacités de fuite. Ceci est réalisé en ajoutant un écran électrique entre le bobinage
magnétisant et métrologique. Toutefois il s’agira ici d’un écran rigide réalisé en cuivre. Cette
écran est présenter à la figure III.13.
Il est composé de 5 parties : la face supérieure, extérieure, inférieure, intérieure et de
recouvrement. L’isolant permet d’éviter toute continuité électrique qui créerait une spire en
court-circuit endommagerai les performances métrologique du transformateur. La forme de
la face intérieure a été conçue afin de venir épouser le tore « métrologique » pour que cet
assemblage soit stable.
- 31 -
Face supérieure
Cheminée d’évacuation des fils
Tore + bobinage
magnétisant
Face extérieure de l’écran
Jeu de 0.5 mm
Face intérieure de l’écran
Face inférieure
isolant
Face de recouvrement
tore « métrologique »
Cales
Figure III.13 - écrans électriques entre les tores
6. Boîtier & connectique
Il a été choisi de monter les transformateur dans les boîtiers existant. Ils ont été installés
de telles sortes que les tores magnétiques soient horizontaux, de façon à éviter les
déformations des circuits magnétiques par flambage sous l'effet de leur propre poids. Afin de
limiter les chocs mécaniques et les vibrations qui sont préjudiciables aux qualités
magnétiques du mumétal et d'éviter les problèmes microphoniques, les transformateurs sont
suspendus sur un support reposant sur quatre amortisseurs.
- 32 -
Les deux enroulements (métrologique et magnétisant) aboutissent à deux plaques à bornes
disposées sur deux faces opposées du boîtier, afin de diminuer leurs couplages magnétique
et capacitif [5 p57-58]. Les plaques à bornes sont conductrices et assurent le raccordement
électriques des embases coaxiales (UHF) entres elles. L’ensemble du boîtier, plaques à
bornes comprises constitue une cage de Faraday à l’intérieure de laquelle le transformateur
est protégé des couplages électrostatiques avec l’extérieur Ceci marque une différence par
rapport aux précédents transformateurs pour lesquels un blindage en mumétal jouant le rôle
d’écran électrostatique avait été fabriqué. Cette disposition permet de relier toutes les
embases en un seul point pour assurer leur équipotentialité.
Les montages électriques les plus souvent utilisés imposent de dédoubler les prises 0, 1, 3,
6, 9, 11, 12. Les bornes coaxiales ont alors été disposées sur la plaque comme présenté à la
figure III.14.
Figure III.14 - disposition des bornes de l'enroulement métrologique
7. Réalisations des plans
Cette tâche a consisté en une mise en plan de chacune des pièces conçues en vue d’une
réalisation à l’atelier de mécanique du LNE. Des modifications ont parfois été nécessaire afin
d’adapter la gamme d’usinage au matériel disponible. Par exemple, cela a été le cas de
l’épaisseur des faces extérieures et intérieures de l’écran électrique. Celles-ci, trop fines,
n’auraient pas été réalisables. Initialement de 0.5 mm, les épaisseurs ont été corrigées pour
passer à 2 mm. Quelques un des plans nécessaires à la réalisation des pièces sont
disponibles en annexe (annexe 2).
- 33 -
IV. CONCLUSION ET REFLEXION DE L’APPRENTI
Le travail effectué durant cette période professionnelle a été divisé en deux principaux
points. Tout d’abord il a consisté à assembler et à qualifier le transformateur d’injection. Ceci
a pu être réalisé avec succès.
J’ai ensuite participé à la conception mécanique de l’autotransformateur étalon. Elle est, à ce
jour, terminé et les pièces mécaniques dessinées ont été réalisées et sont prêtes à être
assemblées.
 Difficultés
Bien que moins laborieuse que durant ma première période en entreprise, la rédaction de
mon rapport n’a pas été aisée ce qui a mis en évidence quelques notions mal maîtrisées.
 compétences améliorées
-
Techniques :
o CAO : Cohérence des dessins par rapport au cahier des charges, prise en
compte de la facilité de fabrication ainsi que du coût.
o Transformateurs : Réalisation de transformateurs double-étages
-
Documentation : La conception de l’autotransformateur étalon implique des notions
qu’il m’a fallu comprendre en effectuant des recherches documentaire. Grâce à cela,
j’ai maintenant plus d’efficacité dans ce domaine.
-
Métrologie : Ce travail m’a permis de mieux comprendre la chaîne de mesure de RK.
-
Relationnelle : L’interaction avec l’atelier mécanique du LNE a permis de simplifier
certaines pièces et d’en diminuer le coût.
 Lien entre les séquences universitaires et le monde professionnelle :
Les cours de CAO effectués durant mes séquences universitaires, m’ont permis de
concevoir plus efficacement les pièces mécaniques du transformateur. Ensuite, les cours
d’électronique de puissance et d’électromagnétisme m’ont donné des notions élémentaires
utiles pour le travail que j’ai eu à réaliser.
 Développement :
Durant ma prochaine session professionnelle, mon travail consistera à assembler puis à
étalonner cet autotransformateur. Ensuite, il sera employé dans les ponts de comparaison
d’impédances utilisés pour la détermination de la constante de von Klitzing RK.
- 34 -
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
[1] Site Internet LNE, «QUELQUES CHIFFRES » http://www.lne.fr/fr/lne_bref/quelqueschiffres.asp
[2] Wilfrid
Poirier,
Félicien
Schopfer,
«
EFFET
HALL
QUANTIQUE
»
http://www.lne.fr/fr/r_et_d/metrologie_electrique/metrologie-electrique-quantique-EHQ.asp »
[3] Codata NIST, http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html
[4] G. Trapon, O. Thévenot, J.C. Lacueille, W. Poirier, « Détermination directe de la
constante de von Klitzing, RK, et de la constante de structure fine, α, à partir de la capacité
calculable de BNM-LNE. Résumé de quinze années d’investigation »
[5] O. Thévenot, « ETALONNAGE DE TRANSFORMATEURS ETALON »
[6] Mécagis, « TORES NANOCRISTALINS Notice technique éditions 4 » ,
http://www.mecagis.com/files/catalogue-fr.pdf
[7] Magnetics, «Strip Wound Cores catalog 2006 » ,
http://www.mag-inc.com/pdf/StripWoundCoresCatalog2006.pdf
[8] Pages 102-103-104, B.P. Kibble , G.H. Rayner, « Coaxial AC Bridges »
[9] Page 2, W.J.M Moore & P.N. Milijanic, « The Current Comparator », édition IEE
ELECTRICAL MEASUREMENT SERIES 4, ISBN : 0-86341-112-6
[10] O. Thévenot, G. Trapon, A. Bounouh,
« FABRICATION ET ETALONNAGE DE TRANSFORMATEURS ETALONS AU LNE »,
http://www.lne.fr/publications/actes_12e_congres_metrologie/fabrication_etalonnage_transfo
rmateurs_etalons.pdf
[11] Pages 173-174, WILDI, SYBILLE, « ELECTROTECHNIQUE 4e éditions », édition de
boeck, ISBN : 2-8041-4892-0
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ANNEXES
Annexe 1 : Procédure de désaturation
Fiche de mode opératoire
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Annexe 2 : Plans de l’autotransformateur étalon
 Guidage des fils
Plan du guide fils
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Plan des tiges guides intérieures
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Plan des tiges guides extérieures
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 Ecran électrique :
Plan de la face supérieur
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Plan de la face intérieure
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Plan de la face extérieures
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Plan de la face inférieure
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Plan de la face de recouvrement
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Résumé
L’amélioration de la mesure de la constante de von Klitzing RK
implique d’améliorer les ponts de comparaison d’impédances. Cette
étude traite de la réalisation d’une partie essentielle de ces ponts
de mesure : l’autotransformateur étalon. Ce travail a été divisé en
deux parties. Premièrement, afin d’acquérir les notions élémentaires
nécessaires à la fabrication de cet autotransformateur, un
transformateur d’injection a été réalisé puis qualifié. La seconde
partie de ce travail a consisté en la conception mécanique sous
Solidworks de l’autotransformateur étalon. Par la suite, les pièces
mécaniques nécessaires à sa réalisation ont été fabriquées.
Expression générale
Fabrication de transformateurs étalons.
Mots clés

Transformateur double étage

Transformateur d’injection

Pont de comparaison d’impédances

Fabrication de transformateurs