Nouveaux oscillographes pour l’inscription des courbes périodiques des courants alternatifs

É. Hospitalier

Nouveaux oscillographes pour l’inscription des courbes périodiques des courants alternatifs

Congrès international d’électricité de 1900 (Partie 2), 1903 (p. 7-32).

NOUVEAUX OSCILLOGRAPHES POUR L’INSCRIPTION DES COURBES PÉRIODIQUES DES COURANTS ALTERNATIFS^[1]

Par M. André BLONDEL,

Ingénieur des Ponts et Chaussées,

Professeur d’Électricité à l’École des Ponts et Chaussées, à Paris.

Depuis longtemps, on s’est préoccupé de trouver des méthodes pour inscrire et analyser les variations très rapides des courants électriques. L’étude de ces variations présente en effet aujourd’hui une importance de premier ordre, surtout pour l’étude des courants alternatifs, dans les laboratoires aussi bien que dans l’industrie.

Les méthodes employées pour ces recherches sont de deux espèces : les méthodes indirectes ou méthodes par points, et les méthodes directes. Les premières, qui ont été seules connues jusqu’à une époque récente, n’ont été l’objet que de peu de perfectionnements depuis quelques années, tandis que les secondes paraissent appelées à être seules employées dans un prochain avenir.

Le desideratum de ces méthodes directes est d’inscrire sans retard et aussi fidèlement que possible les valeurs successives du courant étudié^[2].

Les premières tentatives furent faites dans ce sens en réduisant l’inertie des galvanomètres ordinaires, comme le firent d’Arsonval, Arnoux, Éric Gérard ; mais il ne s’agissait encore que d’étudier des variations lentes, et ces galvanomètres ne pouvaient analyser des courants rapides. D’autre part, Colley, en 1885, voulant étudier les décharges oscillantes, ne se préoccupa que d’en déter- miner la période par un galvanomètre analogue à l’électrodynamomètre de Bellati, et ne présentant pas de force directrice ; un essai analogue fut fait par M. Nichols à l’aide d’un filet de mercure tombant parcouru par un courant et oscillant dans un champ magnétique. On voit par ces appareils sans force directrice qu’à cette époque on connaissait peu les conditions à remplir. Cependant, Frölich et E. Thomson, en 1887 et 1888, s’en rapprochaient davantage en employant comme instrument de mesure un téléphone muni d’un miroir collé sur la membrane. Mais le téléphone était un bien mauvais type d’instrument de mesure à cause de la complexité de la vibration de sa membrane et des effets d’hystérésis et courants de Foucault dont il est le siège.

Ces différents essais ne furent suivis d’aucune application. Quelques années plus tard, en 1893, l’auteur, partant d’une analyse de la solution théorique^[3], trouva une première solution du problème par la création des oscillographes^[4] qu’on peut définir des galvanomètres à oscillations très rapides par rapport à celles du courant, dépassant 1000 périodes propres par seconde, et susceptibles d’être réglés à l’amortissement critique.

Une seconde solution fut donnée en 1897 par M. Abraham sous le nom de rhéographe. Les rhéographes peuvent être définis des galvanomètres à oscillations moins rapides que celles du courant et dans lesquels l’inertie et l’amortissement sont compensés par des effets d’induction électromagnétique.

Enfin, à la même époque, M. F. Braun, reprenant et réalisant pour la première fois une idée indiquée déjà en 1894 par M. Hess, utilisa la déviation des rayons cathodiques par un champ magnétique, pour obtenir dans un tube à rayons cathodiques une image de la courbe du courant traversant un solénoïde voisin du tube. Nous proposerons pour cette étude le nom d’oscilloradiographie^[5].

Chacune de ces trois méthodes peut avoir sa raison d’être dans telle ou telle application. Mais on peut reprocher aux deux dernières d’exiger des expérimentateurs habiles et un matériel assez compliqué. L’oscilloradiographie surtout, en dépit de sa perfection théorique, manque de commodité et de précision.

Au contraire, les oscillographes sont faciles à manier, très simples de construction ; les derniers types que je vais décrire ici pour la première fois laissent à cet égard les autres très loin en arrière, et, grâce à leur prix de revient relativement bas, ils pourront, j’espère, être bientôt d’un emploi général, de préférence aux anciennes méthodes. Comme on le verra ci-dessous, tous les accessoires ont été étudiés de façon à en rendre l’emploi facile et rapide.

Principes. — La théorie des oscillographes est une généralisation de la belle théorie de la synchronisation de M. Cornu. Pour obtenir le résultat désiré, il faut que les oscillations soient non seulement svnchroniques, mais, autant que possible, à chaque instant proportionnelles au courant à mesurer. Si l’on se reporte à l’équation générale des galvanomètres amortis

$\mathrm {K} {\frac {d^{2}\theta }{dt^{2}}}+\mathrm {A} {\frac {d\theta }{dt}}+\mathrm {C} \theta ={\rm {GI}}$,

où ${\rm {K}}$ est le moment d’inertie, ${\rm {A}}$ le coefficient d’amortissement, ${\rm {C}}$ le couple de torsion, ${\rm {G}}$ la constante galvanométrique, ${\rm {I}}$ le courant à étudier, on voit qu’il faut rendre les deux premiers termes négligeables devant le troisième. La discussion se fait aisément en développant ${\rm {I}}$ et $\theta$ en séries de Fourier.

Supposons ce résultat obtenu ; en étalant les déviations dans le sens perpendiculaire, à l’aide des méthodes de composition optique bien connues, dont on parlera plus loin, on traduit le mouvement oscillatoire par une courbe.

D’après la théorie que l’on ne reproduira pas ici, les conditions

à remplir sont au nombre de cinq ; les deux premières, d’ordre générai, applicables à toute espèce d’indicateurs, les autres spéciales aux oscillographes électriques.

1° L’instrument doit avoir une période d’oscillation propre très courte par rapport à celle des oscillations électriques. En particulier, pour les courants alternatifs ordinaires, ayant une fréquence comprise entre 40 et 100 périodes par seconde, un bon oscillographe doit vibrer avec une fréquence 50 fois plus grande, c’est-à-dire au moins 5000 périodes par seconde.

2° L’amortissement doit être réglé à une valeur aussi voisine que possible de l’apériodicité critique toutes les fois que les oscillations électriques ne sont pas bien continues, ou que les variations brusques ne sont pas supprimées par un artifice de correction. L’auteur a montré la nécessité de réaliser cet amortissement en plongeant les équipages mobiles dans des liquides visqueux, baumes ou huiles (vaseline, ricin), choisis empiriquement et auxquels on donne la température convenable.

Lorsque la fréquence des vibrations propres de l’appareil est très grande, la précision de l’amortissement perd son importance, car il est facile de rétablir le tracé exact sous les dentelures, d’ailleurs toujours vite amorties.

La self-induction propre doit être assez faible pour ne pas altérer la loi de variation du courant mesuré. On verra plus loin comment on peut la compenser.

4“ Les phénomènes d’hystérésis et les courants de Foucault dans l’appareil doivent être négligeables.

5° La sensibilité doit être suffisante, ce qui entraîne l’emploi de parties mobiles excessivement petites.

Les conditions 1°, 3° et 5°, plus ou moins opposées entre elles, sont plus difficiles à concilier.

L’auteur a étudié et indiqué dès le début (1893) trois types satisfaisant, avec des sensibilités diverses, à ces conditions : l’oscillographe bifilaire, l’oscillographe à barreau mobile et l’oscillographe à plaque vibrante. Tous ceux qui ont été construits depuis rentrent dans ces types. Mais dans ce qui suit, nous ne considérerons que deux catégories, car mon dernier type d’oscillographe à fer doux est une combinaison du barreau et de la plaque vibrante en un seul organe

Fig. 1. — Schéma du premier oscillographe bifilaire de l’auteur, construit en 1893.Oscillographe bifilaire. — C’était en 1893 une forme complètement nouvelle du galvanomètre (fig. 1) dérivant indirectement d’un galvanomètre à cadre mobile, l’inertie du cadre et la sensibilité étant toutes deux proportionnelles au nombre de spires ; par conséquent, il n’y a pas d’intérêt à en avoir un nombre supérieur à deux ; l’auteur en a conclu que la plus simple des solutions consistait à supprimer le cadre et à le remplacer par un simple bifilaire formé de deux fils parallèles très rapprochés traversés par le courant étudié et portant un miroir collé en leur milieu ; ce bifilaire était placé entre deux pôles d’électro-aimant allongés et aussi rapprochés que possible, comme le montre la fig. 1, et donnant au champ magnétique la plus grande intensité possible.

Les grands avantages de ce dispositif sont la simplicité de la suspension, l’absence de toute vibration parasite, la très faible self-induction et la grande intensité réalisable pour le champ magnétique qui donne beaucoup de sensibilité. Les Inconvénients sont la nécessité de ce champ puissant, la finesse des fils nécessaires et la difficulté de faire tenir le miroir sur le bifilaire d’une façon durable.

Divers perfectionnements ont été apportés à l’oscillographe bifilaire dans ces dernières années. Les deux fils de cuivre furent remplacés en 1897, par M. Duddell, par deux bandes de bronze phosphoreux fortement tendues, ce qui permit d’accroître le nombre de vibrations jusqu’à 10 000 par seconde en même temps que la sensibilité ; mais, faute d’une étude théorique suffisante. les meilleures conditions n’étaient pas encore réalisées. L’auteur croit avoir résolu plus complètement ce problème par l’emploi raisonné de bandes d’aluminium de section convenable et l’application à l’électro-aimant inducteur de principes de construction rationnels, inspirés des études de Ewing et de Weiss. La sensibilité a été ainsi triplée.

Élévation.

Plan.

Fig. I. — Disposition des pièces polaires et des pièces de concentration en fer doux des oscillographes bifilaires.Les pôles coniques de Ewing sont utilisés en remplaçant l’isthme par de petites pièces polaires en biseau (fig. 2), entre lesquelles on ménage un petit entrefer de 0,6 mm à 1 mm ; la fig. 3 indique en gros le mode de construction pour un oscillographe double.

Dans ce cas, il y a deux entrefers semblables séparés par une petite pièce de fer, et chacun comprend un bifilaire. L’ensemble n’occupe pas plus de 20 mm de largeur, et grâce à la forme conique des pôles adjacents, le champ est très concentré et atteint un maximum élevé dans les entrefers, même avec un électro-aimant de 30 kg seulement, dont les diverses parties sont parfaitement proportionnées. On fait également des oscillographes triples avec un électro de 55 kg. Le montage et l’emploi de l’appareil sont grandement facilités par le dispositif que j’ai adopté pour les bifilaires et les pièces polaires de l’électro ; celles-ci forment, avec des

entretoises en bronze qui en maintiennent l’écartement et une

Fig. 3. Partie principale de l’oscillographe bifilaire de 1900.

a, a, bornes-attaches des bandes — P, P, pièces polaires en fer, qui s’appliquent contre les pôles libres de l’électro-aimant. c, c, crochets-supports. — F. F, bifilaires, en bandes d’aluminium ou de bronze. — m, m, miroirs collés à cheval sur les bandes, et miroir de repère collé sur une tête de vis. — E, appui inférieur des bandes en ivoire. — D, D, appuis supérieurs en ivoire. — A, pivot commun des appuis supérieurs (deux vis placées derrière l’appareil permettent d’obliquer l’un ou l’autre de ces appuis en les faisant tourner autour du pivot central A). — p, p, poulies tendeuses. — T. T, tiges tendues par des ressorts spiraux contenus dans la boite B. — b, b, attaches mobiles des extrémités supérieures des ressorts tendeurs.

lentille plan convexe fixée sur le devant, une boîte amovible qui

porte toute la partie délicate de l’appareil, et dans laquelle on introduit de l’huile et un thermomètre. Chacun des bifilaires est tendu séparément sur deux chevalets d’ivoire, celui du bas fixe, celui du haut orientable par une vis tangente. Les attaches des brins des bifilaires se font sur une plaque d’ébonite fixée en dessous de la boîte ; leur tension est produite pour chacun à l’aide d’une petite poulie embrassée par le bifilaire au-dessus du chevalet supérieur. Chaque poulie est tendue individuellement par un ressort étalonné et réglable. On amène les images en concordance avec celles d’un miroir fixe à l’aide des vis tangentes. Le montage et le remplacement des bifilaires se fait avec la plus grande facilité, grâce à des dispositifs étudiés en vue de rendre cette manœuvre commode. En outre, chaque appareil peut être muni de plusieurs boîtes interchangeables établies suivant des données différentes, ce qui permet d’utiliser l’instrument pour des applications variées exigeant plus ou moins de sensibilité, plus ou moins de lumière, etc.

Avec des bifilaires très courts (10 à 15 mm) en aluminium, et des miroirs très petits collés à la gomme laque, on atteint des nombres de vibrations de 10 000 à 15 000 par seconde et des sensibilités de 600 à 800 mm par ampère à 1 m de distance. On obtient ainsi de très bons appareils de laboratoire. Pour certains usages, on peut quadrupler la sensibilité en se contentant de 5 à 6 000 vibrations par seconde.

L’équipage bifilaire de ces appareils peut être considéré (et c’est là son grand avantage) comme un appareil à vibrations tournantes, étant donné (pie les fils ou bandes sont très rapprochés et parfaitement solidarisés en leur milieu par le miroir, de manière que toute torsion de celui-ci imprime aux deux brins, non seulement des déplacements transversaux, mais des torsions. Or, on sait, d’après les travaux de Saint-Venant, que les vibrations tournantes d’une tige prismatique peuvent avoir une fréquence beaucoup plus élevée que ses vibrations transversales ; sans qu’il soit nécessaire d’appliquer au bifilaire des tensions très grandes, on peut donc accroître la fréquence propre en augmentant le nombre des vibrations tournantes des deux brins.

On démontre que le nombre de vibrations est la racine carrée de la somme des carrés du nombre des vibrations dues à l’élasticité de torsion et du nombre des vibrations transversales ; on peut donc le faire varier dans certaines limites en tendant plus ou moins le ressort auquel est attachée la poulie égalisatrice. Pour réduire la période de vibration propre, sans accroître trop la tension par unité de section ${\frac {T}{\sigma }}$. il convient d’employer des bandes assez épaisses relativement à leur largeur (l’idéal serait des fils carrés ou ronds très rapprochés), et de réduire au minimum le rapport ${\frac {\bar {\omega }}{E}}$ du poids spécifique au coefficient d’élasticité par le choix convenable du métal.

La discussion de la sensibilité, pour un nombre de vibrations donné, conduit aux mêmes desiderata.

Élévation

Coupe horizontale par le centre du barreau M

Fig. 4. — Schéma du premier oscillographe à fer doux de l’auteur, construit en 1893.

N, S, pôles d’un aimant ou éloctro-aimant. — P, P, pièces polaires plates feuilletées. — M. petit barreau mobile en fer doux, doublé d’un miroir et pivoté entre pointes, ou collé sur un fil métallique.

L’auteur a pu, grâce au précieux concours de M. Charpentier-Page, satisfaire à ces conditions en employant des bifilaires d’aluminium très élastiques, en fils plats et ronds de très petites sections, qui donnent de très bous résultats, comme le montrent les chiffres cités plus haut. Le bronze phosphoreux ou siliceux donne aussi de suffisants résultats et il est plus facile à préparer.

Oscillographe à fer doux. — Dans l’appareil primitif, dont la fig. 4 donne le schéma, un très petit barreau de fer doux portant un miroir était suspendu dans un champ magnétique très intense, produit par un aimant ou mieux par un électro-aimant puissant ; le courant à étudier passait dans deux bobines placées de part et d’autre des pièces polaires (très aplaties pour laisser la place nécessaire), et produisait un champ oscillatoire perpendiculaire au champ directeur. Pour réduire le moment d’inertie, le barreau était plus haut que large. Pour éviter les courants de Foucault, les pièces polaires étaient faites en tôles assemblées feuilletées horizontalement.

Par suite des attractions auxquelles le barreau mobile était soumis dans le champ intense, on était obligé de le maintenir mécaniquement par des pivots ou de le fixer à une petite bande métallique tendue verticalement ; la fréquence était au début seulement de 1 000 à 1 500 périodes par seconde.
Fig. 4. — Fac-similé de courbes périodiques d’un arc alternatif (crayons homogènes, circuit inductif) obtenues par l’oscillographe double de 1897.

En 1897, l’auteur a présenté à l’Exposition de la Société de Physique un appareil de ce genre déjà plus perfectionné, construit avec le concours de MM. Jigouzo et Pellin, permettant la vision directe des courbes et donnant 5 000 à 6 000 vibrations propres par seconde, ce qui assurait une assez grande précision pour l’étude des courants industriels.

L’appareil était double et donnait à la fois (ce qu’on n’avait pas réalisé encore à cette époque) les courbes de l’intensité de courant et de la différence de potentiel, dans leurs phases relatives, sur un même écran ou sur une même plaque photographique, qui recevait, en outre, une image de l’axe des temps, comme le montre la fig. 5. Chacun des oscillographes était analogue à celui de la fig. 2 et avait son champ produit par un électro-aimant^[6]. Le barreau réduit à 1 mm de largeur était contenu avec ses pivots dans une petite boite à huile fermée par une lentille (fig. 6).

Fig. 6. — Détail de la boîte à huile des oscillographes de 1897, contenant le barreau de fer doux entre pivots.

Malgré les grands progrès réalisés, l’oscillographe à barreau mobile ne donnait que des fréquences encore trop faibles à mon gré, et l’emploi de pivots, malgré leur perfection, était sujet à quelques inconvénients.

En reprenant, pour le supprimer, le montage du barreau sur une bande métallique, j’ai été amené par une étude théorique à prendre comme barreau la bande elle-même, en la faisant en fer doux. La combinaison ainsi réalisée, qui m’a donné des résultats inespérés, peut être appelée oscillographe à bande vibrante.

Oscillographe à bande vibrante. — Ce nouveau dispositif consiste simplement dans l’emploi d’une bande plate très mince et très étroite (0,2 à 0,3 millimètre de largeur sur quelques centièmes d’épaisseur) tendue verticalement dans le champ magnétique de la fig. 2, entre deux chevalets distants de 10  mm à 30  mm, et portant un très petit miroir en son milieu. Pour la commodité du montage et des réglages, cette bande est renfermée dans une boîte à huile (fig. 7) munie d’une lentille analogue à celle de la fig. 6, mais plus compliquée, car elle est munie d’un tendeur et susceptible d’orientation et de déplacement vertical ; de cette manière, le fer doux n’a plus besoin de pivots ni de fil de suspension.

Chaque élément horizontal de la bande se comporte comme un petit aimant, et les déviations produites par l’effet des bobines se cumulent des extrémités au centre de la bande, ce qui augmente beaucoup la sensibilité ; les déviations totales indiquées par le miroir sont proportionnelles au courant.

Grâce aux propriétés des vibrations tournantes, beaucoup plus rapides que les vibrations transversales, cet équipage mobile tend à présenter une périodicité très élevée, qu’augmentent encore les Influences de la tension et du champ magnétique. On démontre, en effet, que le nombre de vibrations propres est la racine carrée de la somme des carrés des nombres de vibrations dues respectivement à l’élasticité de torsion, à la tension (nombre des vibrations transversales) et enfin au champ magnétique.

L’auteur a pu obtenir depuis un an par ce dispositif, avec l’habile et persévérant concours de son assistant M. Dobkévitch, aujourd’hui constructeur, des fréquences propres de 40 à 500 000 périodes par seconde^[7] avec une sensibilité convenable. Cette sensibilité peut être grandement accrue si l’on se contente de 10 000 à 20 000 périodes ; elle atteint alors aisément 100 mm par ampère à 1 m et même davantage, si le fer employé est très pur et bien recuit.

Il semble que ce procédé donne le maximum d’avantages dans l’emploi du fer doux, parce qu’il permet d’atteindre des intensités d’aimantation très élevées de la bande, même avec les champs relativement faibles produits par un aimant permanent. Ces champs Page:Congrès international d’électricité de 1900 (Partie 2).djvu/29 Page:Congrès international d’électricité de 1900 (Partie 2).djvu/30 Page:Congrès international d’électricité de 1900 (Partie 2).djvu/31 Page:Congrès international d’électricité de 1900 (Partie 2).djvu/32 Page:Congrès international d’électricité de 1900 (Partie 2).djvu/33 Page:Congrès international d’électricité de 1900 (Partie 2).djvu/34 Page:Congrès international d’électricité de 1900 (Partie 2).djvu/35 Page:Congrès international d’électricité de 1900 (Partie 2).djvu/36 Page:Congrès international d’électricité de 1900 (Partie 2).djvu/37 Page:Congrès international d’électricité de 1900 (Partie 2).djvu/38 Page:Congrès international d’électricité de 1900 (Partie 2).djvu/39 Page:Congrès international d’électricité de 1900 (Partie 2).djvu/40 Page:Congrès international d’électricité de 1900 (Partie 2).djvu/41

Comme exemple de ces applications, l’auteur renvoie le lecteur à ses récentes applications sur l’arc électrique et sur l’interrupteur Wehnell^[8], et à une autre Note présentée au Congrès, sur l’étude des alternateurs. Les courbes qui y figurent démontrent mieux qu’on ne pourrait le dire l’utilité de ces recherches, qui eussent été presque impossibles sans ces instruments.

---

1. Toutes les figures de cette Note ont été prêtées gracieusement par la Revue générale des Sciences.
2. Pour plus de détails sur les méthodes directes autres que les oscillographes, voir un Rapport de l’auteur : Sur l’inscription directe des courants variables, au Congrès international de Physique en 1900.
3. Conditions générales que doivent remplir les instruments indicateurs ou enregistreurs (Comptes rendus, t. CXVI, p. 748 ; 1893).
4. Oscillographes, nouveaux appareils pour l’étude des oscillations électriques lentes (Comptes rendus, t. CXVI, p. 502 ; 1893).
5. Plus récemment M. Ader et mon regretté camarade Cauro ont employé pour la télégraphie ou la téléphonie des appareils analogues à l’oscillographe bifilaire, mais ne comportant qu’un seul fil relativement long, et sans miroir oscillant dans un champ magnétique puissant. Ces appareils présentent d’' oscillations propres bien trop longues pour pouvoir reproduire exactement les courants dont il s’agit ; ils peuvent seulement inscrire des signaux ou mesurer des courants alternatifs sinusoïdaux. Il en est de même de l’emploi du téléphone indiqué en 1891 par Wien comme instrument de mesure. Ces appareils, qu’on peut appeler des oscilloscopes, ne constituent pas une solution du problème ici considéré.
6. Pour plus de détails, voir L’Industrie électrique, 10 avril 1899.
7. L’auteur a été également fort utilement assisté par MM. Duris, Tchernosvitoff et Farmer. Les bandes de fer doux ont été préparées non sans difficultés par MM. Gaiffe et Pellin, constructeurs.
8. Comptes rendus des séances de l’Académie des Sciences, décembre 1899, mars et avril 1900.