CARACTÉRISATION DES CAPTEURS

DESCRIPTION DU SYSTÈME

Dans ce chapitre, une description complète du système analysé est présentée. Ce projet consiste en un système de mesure de la consommation électrique de bâtiments résidentiels de manière non intrusive dans le but d’offrir des mesures précises et détaillées de la consommation de la maison avec une installation simple. Pour y parvenir, le système discuté dans ce texte comprend un seul type de capteurs, installés directement dans le panneau de disjoncteurs. Un capteur est attaché sur chaque fil sortant des disjoncteurs. De cette manière, la consommation précise de chaque circuit est connue et la consommation totale est calculée en effectuant la somme de tous les capteurs. Comme les appareils les plus énergivores (réfrigérateur, cuisinière, laveuse, sécheuse, aspirateur, lave-vaisselle…) sont habituellement seuls sur un disjoncteur, la lecture de la consommation de ces appareils est très précise. Pour les plus petits appareils (grillepain, micro-onde, téléviseur, lumières…), le système permet de connaître la consommation d’un ensemble de ces appareils, souvent regroupés par pièce. Un autre objectif du projet est de concevoir un système à un prix compétitif. Ainsi, son coût d’acquisition sera vite remboursé par les économies effectuées grâce aux changements apportés aux habitudes de vie de l’utilisateur.

Le système présenté dans ce document est composé de plusieurs composants tels que montrés à la figure 1.1. Comme illustré, un capteur de courant est installé sur chacun des fils sortants des disjoncteurs du panneau électrique de la maison. Ces capteurs communiquent leurs données par le protocole de communication IEEE 802.15.4 à un module chargé d’agréger les données de tous les capteurs, de les manipuler mathématiquement et ensuite de les transmettre sur Internet (voir section 1.2.1). Une fois sur Internet, les données peuvent être consultées partout sur un ordinateur, une tablette ou un téléphone intelligent permettant ainsi à l’utilisateur de connaître sa consommation d’énergie et de poser des gestes concrets pour la réduire.

Capteurs de courant

Les capteurs de courant ont la fonction, comme leur nom l’indique, de mesurer le courant circulant dans le fil auquel ils sont rattachés. Pour effectuer cette tâche, chaque capteur est constitué de plusieurs éléments. La figure 1.2 représente l’architecture interne des capteurs. Chaque capteur est alimenté à partir d’une pile AAA qui lui offre une autonomie d’environ deux ans. Afin de pouvoir mesurer le champ magnétique du fil auquel le capteur est rattaché, l’effet Hall est utilisé. Pour convertir la sortie analogique du capteur à effet Hall en valeur numérique, un convertisseur analogique numérique (ADC) est employé. Ce convertisseur est intégré à l’intérieur du microcontrôleur. Ce dernier effectue quelques opérations mathématiques avec les données, gère la consommation d’énergie de chaque composant afin d’économiser la pile et finalement achemine les données au module de transmission radio. Le module radio prépare le paquet pour la transmission et envoie ce dernier à l’antenne. Chacune de ces composantes est assemblée sur un circuit imprimé tel qu’illustré à la figure 1.3. Ce circuit imprimé est ensuite inséré dans un boîtier de plastique spécialement conçu afin de pouvoir s’accrocher sur un fil électrique à l’aide de deux crochets, et aussi d’assurer une distance fixe par rapport à ce fil. Finalement, la dernière composante des capteurs de courant est le blindage magnétique. Ce dernier sert à diminuer les effets des changements de position par rapport à la position de calibration de même que les problèmes de diaphonie (crosstalk) dus à la proximité des autres fils. Il est constitué d’une tôle de mumétal découpée selon le gabarit déterminé à la section 2.1 et est installé sur le pourtour du boîtier de plastique.

Capteurs à effet Hall

Les capteurs à effet Hall ont été sélectionnés dans ce projet pour plusieurs raisons. Cette section explique les raisons qui ont orienté ce choix. Leur principe de fonctionnement est décrit ainsi que leurs avantages et inconvénients en comparaison avec les transformateurs de courant (CT) dans le cadre de ce projet. D’abord, lorsqu’un courant électrique circule dans un conducteur, un champ magnétique est généré autour de ce conducteur, tel qu’illustré à la figure 1.4. En considérant un conducteur de longueur infinie et en utilisant le théorème d’Ampère, l’intensité de ce champ magnétique est exprimée comme suit (Brander et al. (2009, p. 18)) : H = I (2 ・ π ・ r) (1.1) où H représente le champ magnétique en A/m, I représente le courant circulant dans le fil et r représente la distance entre le centre du fil et le capteur. C’est ce champ H que les capteurs à effet Hall mesurent. L’effet Hall peut être décrit de la manière suivante : lorsqu’un champ magnétique traverse une plaque métallique dans laquelle circule un courant électrique, une différence de potentiel apparaît entre les extrémités de cette plaque, orthogonalement au champ magnétique et au courant tel que montré à la figure 1.5. Les capteurs Hall étant basés sur ce phénomène, ils détectent les variations de tension qui se produisent aux bornes de leur coeur métallique.

Les capteurs à effet Hall peuvent avoir une petite taille et peuvent être intégrés dans des circuits intégrés (IC). Ceci représente le premier avantage des capteurs à effet Hall par rapport aux CT. En effet, les CT sont constitués d’un coeur ferromagnétique et de bobinage qui font généralement le tour du fil duquel ils mesurent le champ magnétique (voir figure 1.6). Cela implique donc une taille largement supérieure à celle des capteurs à effet Hall. Ils ne peuvent donc pas être insérés dans un IC. Ceci représente donc des coûts de fabrication plus élevés et une économie d’échelle moins profitable. Les capteurs à effet Hall étant créés à partir de silicium dopé, ils peuvent être intégrés dans des IC et ainsi, en grande quantité, les coûts de fabrication sont faibles. Avec le modèle sélectionné, c’est-à-dire le modèle A1393SEHLT-T (voir Allegro MicroSystems inc. (2011)), plusieurs autres composantes sont intégrées dans le circuit intégré afin d’offrir une sortie linéaire en fonction de l’intensité du champ magnétique qui le traverse. Un autre avantage majeur est la facilité d’installation reliée à la taille.

Dans plusieurs cas, l’espace disponible est insuffisant dans le panneau de disjoncteurs pour installer des capteurs de type CT. Parmi ces raisons, l’avantage de la taille a été déterminant dans le choix de la solution à retenir. En contrepartie, les capteurs à effet Hall n’ont pas la précision des CT. En effet, les CT étant placés tout autour des fils, ils capturent la quasi-totalité du champ magnétique à mesurer et offrent ainsi une mesure précise. Par leur design, ils sont aussi insensibles aux champs magnétiques générés par des sources externes. Ce n’est pas le cas des capteurs à effet Hall. Ces derniers sont sensibles à tous les champs magnétiques auxquels ils sont soumis, pourvu que ce champ magnétique soit perpendiculaire au plan de leur coeur métallique. En raison de cela, un travail supplémentaire a dû être fait pour contrer les champs magnétiques nuisibles (voir section 2.1). Malgré tout, avec une calibration satisfaisante et un blindage magnétique, les données recueillies sont suffisamment précises (voir chapitre 3) pour obtenir une bonne indication de la consommation électrique pour cette application.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 DESCRIPTION DU SYSTÈME
1.1 Capteurs de courant
1.1.1 Capteurs à effet Hall
1.1.2 Calculs effectués par le microcontrôleur
1.1.3 Gestion de l’énergie
1.1.3.1 Scénarios de prise de mesures
1.1.3.2 Autres moyens utilisés pour une meilleure gestion de l’énergie
1.2 Unité centrale de traitement
1.2.1 Fonctions à remplir
1.2.2 Réalisation matérielle
1.3 Conclusion
CHAPITRE 2 CONCEPTION ET FABRICATION DU BLINDAGE MAGNÉTIQUE
2.1 Méthodologie
2.2 Résultats du blindage
2.3 Conclusion
CHAPITRE 3 CARACTÉRISATION DES CAPTEURS
3.1 Variabilité des mesures
3.2 Variation des mesures selon le calibre du fil
3.3 Variation des mesures en fonction du capteur utilisé
3.4 Variation des mesures en fonction de la distance par rapport au disjoncteur
3.5 Variation des mesures lors de rotations dans le panneau de disjoncteurs
3.6 Sensibilité des capteurs à la proximité d’un fil chargé
3.7 Mesure de la puissance de transmission reçue en fonction de la distance
3.8 Conclusion
CONCLUSION
ANNEXE I SOUS-ÉCHANTILLONNAGE D’UNE ONDE SINUSOÏDALE
ANNEXE II ERREURS DE MESURES AVEC ET SANS LE BLINDAGE MAGNÉ-
TIQUE
ANNEXE III PLAN DU LABORATOIRE DU LACIME
LISTE DE RÉFÉRENCES