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Pince ampèremétrique en utilisation

La pince ampèremétrique, aussi appelée sonde de courant sans contact est un type d'ampèremètre qui permet de mesurer le courant électrique circulant dans un fil conducteur sans avoir à ouvrir le circuit pour y placer un ampèremètre classique. Elle a été inventée dans les années 1930 par Chauvin-Arnoux.

Le fonctionnement de la pince ampèremétrique se base sur la mesure indirecte du courant circulant dans un conducteur à partir du champ magnétique ou du champ électrique que génère cette circulation de courant. Le nom de pince provient du fait que le capteur de champ magnétique est en forme de pince, de manière à pouvoir s'ouvrir et embrasser le fil à travers duquel le courant circule.

Cette méthode a deux principaux avantages :

• Elle évite d'avoir à ouvrir le circuit pour effectuer la mesure de courant, ce qui permet également d'éviter les chutes de tension qui seraient engendrées par l'insertion d'un ampèremètre dans le circuit. On peut donc mesurer l'intensité du courant dans un conducteur sans interrompre le circuit sous test.

• D'autre part, elle permet une sécurité pour l'opérateur qui réalise la mesure puisqu'aucun contact électrique avec le circuit n'est effectué. Il n'est donc pas nécessaire d'enlever l'isolant électrique entourant le fil lors de la mesure.

Types de pince ampèremétrique

Les pinces ampèremétriques peuvent mesurer des courant alternatifs ou continus selon leur mode de fonctionnement. On distingue notamment :

• Les capteurs utilisant l'induction électromagnétique, selon le même principe qu'un transformateur électrique, ne peuvent mesurer que des courants alternatifs. La pince ampèremétrique remplit alors les fonctions d'un ampèremètre associé à un transformateur de courant.
• Les capteurs de courant à effet Hall (voir cette animation pour comprendre un peu mieux le principe) peuvent mesurer les courants électriques qu'ils soient continus ou alternatifs.

Pince à induction électromagnétique

Lorsqu'un courant alternatif parcourt un conducteur électrique, selon l'équation de Maxwell-Ampère il va générer un champ magnétique alternatif autour de lui proportionnel à son intensité.

Champ magnétique généré par un fil parcouru par un courant

La pince entourant le fil électrique, composée d'un matériau ferromagnétique doux tel que le fer généralement, va capter toutes les lignes de champ et les diriger dans le circuit secondaire. Or, d'après la loi de Lenz-Faraday, une variation de flux magnétique à travers une surface induit une force électromotrice, c'est à dire une tension que l'on pourra mesurer facilement telle que :

$\quad \qquad \varepsilon =-{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}$ avec $\Phi =\iint _{S}{\vec {B}}\cdot {\vec {n}}\,\mathrm {d} S$

Ainsi, peu importe si le fil électrique est disposé parfaitement au centre de la pince ampèremétrique car la tension induite dépend du flux du champ magnétique qui traverse la surface formée par le noyau de fer doux, or ce dernier permet de capter la quasi totalité de ces lignes de champ. Si la pince entoure un câble ayant deux fils conducteurs dont le courant qui les traverse est égal et de sens opposé, cela donnera un flux magnétique total nul et donc un courant induit nul ce qui peut être source d'erreurs. Ainsi, à partir de la mesure de cette tension et connaissant la résistance du circuit, on pourra en déduit le courant i₂ induit dans la pince ampèremétrique.

Voici comment on remontera de la valeur de ce courant induit jusqu'à la valeur du courant circulant dans le fil électrique :

Les pinces ampèremétriques sont basées sur l'utilisation de transformateurs de courant. Un transformateur de courant est constitué par deux bobines (enroulement primaire et enroulement secondaire) reliées par un noyau magnétique en fer doux. Comme expliqué précédemment, lorsque l'on applique une tension alternative à l’enroulement primaire, un flux magnétique alternatif est créé et concentré dans le noyau magnétique, qui crée à son tour dans les deux bobines des forces électromotrices. Ces forces induites sont proportionnelles au nombre de tours dans la bobine et la relation entre le nombre de spire des enroulements et les tensions est la suivante : $v_{2}\times N_{2}=N_{1}\times v_{1}$ avec N₁ et N₂ le nombre de tours de l’enroulement primaire et secondaire.

Schéma de fonctionnement d'une pince ampèremétrique AC

Si l'on suppose que les résistances dans les deux bobines sont égales, alors la relation reliant les courants au nombres de spires est équivalente à celle reliant les tensions aux nombres de spires : $i_{2}\times N_{2}=N_{1}\times i_{1}$ avec N₁ et N₂ le nombre de tours de l’enroulement primaire et secondaire.

On en déduit ainsi la relation suivante :

$i_{2}={\frac {N_{1}\times i_{1}}{N_{2}}}$ ou $i_{1}={\frac {N_{2}\times i_{2}}{N_{1}}}$

Dans le cas de la pince ampèremétrique, l'enroulement primaire est remplacée par un fil dont on cherche à mesurer le courant, donc N₁ = 1. Le noyau en fer doux et l’enroulement secondaire sont eux contenus dans les mâchoires de la pince. Lorsque les mâchoires de la pince entourent le fil traversé par un courant i1 à mesurer, un courant i₂, proportionnel au nombre de spire dans l’enroulement secondaire, est créé dans celui-ci. On obtient ainsi :

$i_{2}={\frac {i_{1}}{N_{2}}}$ avec i₂ le courant circulant dans la pince et N2 le nombre de spire de l’enroulement secondaire.

Pince à effet Hall

Effet Hall

Lorsque le courant est continu, on le mesure grâce au principe de l’effet Hall, du nom du physicien Edwin Hall qui découvrit ce phénomène en 1879.

Lorsqu'un courant électrique I parcourt un matériau semi-conducteur soumis à un champ magnétique B perpendiculaire au déplacement du courant, il apparaît alors une tension de Hall $V_{h}$, perpendiculaire au champ magnétique. Cette tension est proportionnelle au courant qui circule ainsi qu'au champ magnétique présent, soit :

$V_{h}=k_{1}IB$, avec $k_{1}$ le coefficient de sensibilité en Volt par Ampère-Tesla (V/AT).

Dans le cas d’une pince ampèremétrique, nous souhaitons mesurer le courant qui circule dans le fil enserré par les mâchoires de la pince. Comme expliqué précédemment par l'équation de Maxwell-Ampère, le courant va générer un champ magnétique autour de lui, proportionnel à son intensité.

La pince entourant le fil électrique est composée d'un matériau ferromagnétique doux tel que le fer par exemple, et le capteur à effet Hall est placé dans l'entrefer du circuit magnétique. Le matériau ferromagnétique va capter toutes les lignes de champ induit B par le courant $I_{2}$ circulant dans le conducteur et les diriger dans le circuit secondaire.

Si le matériau ferromagnétique possède un champ coercitif faible, le champ magnétique B est proportionnel au courant $I_{2}$. En effet, si celui-ci est traversé longitudinalement par un courant constant, la mesure de sa tension de Hall transversale $V_{h}$ permettra de remonter au champ magnétique d'après la relation suivante :

$B=k_{2}I_{2}$, avec $k_{2}$ le coefficient de sensibilité en Volt par Ampère-Tesla (V/AT).

A partir du champ magnétique généré par le fil, on pourra finalement trouver la valeur du courant circulant dans le fil entouré par la pince par un simple calcul de magnétostatique en utilisant la relation de proportionnalité entre la tension de Hall mesurée et le courant traversant le conducteur suivante :

$V_{h}=k_{2}I_{2}I_{1}$

Intérieur d'une pince à effet Hall

La mesure du courant réalisée avec une pince à effet Hall est très précise car la force du champ magnétique varie avec le courant circulant dans le fil conducteur. Il est ainsi possible de détecter et mesurer des signaux alternatifs de formes complexes avec un faible déphasage jusqu'à 1kHz.

Remarque : la tension fournie n’étant que de quelques dizaines de millivolts nécessite une amplification avant conversion analogique-numérique.

Voir aussi

Articles connexes

• Transformateur de courant
• Ampèremètre
• Courant électrique