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Communications

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DJORDJEVIC S., BEHR R. and POIRIER W., « Next generation Programmable Quantum Current Generator », 2024 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM-2024), Denver (CO), USA, 8-12 juillet 2024, Proceedings: DOI: 10.1109/cpem61406.2024.10646087.

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IMANALIEV A., THEVENOT O. and DOUGDAG K., “Finite Element Analysis of Mechanical Imperfections in the LNE Thompson-Lampard Calculable Capacitor Standard”, 2024 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM-2024), Denver (CO), USA, 8-12 juillet 2024, Proceedings: DOI: 10.1109/cpem61406.2024.10646138.

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ZUCCA M., AL-ZUBAIDI-R-SMITH N., BARTOVA L., VAN DEN BROM H., CALLEGARO L., CULTRERA A., FAST L., GRANDINETTI B., HASSANZADEH M., MARISCOTTI A., MASOURAS A., MUSUMECI S., NICOL G., OUAMEUR M. and RIETVELD G., “The project metrology for static and dynamic characterization of supercapacitors – MetSuperCap”, 2024 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM-2024), Denver (CO), USA, 8-12 juillet 2024, Proceedings: DOI: 10.1109/cpem61406.2024.10646148.

SECK D., ALLAL D., and HADDADI K., “On-wafer TRL calibration design for microwave nanoscale and high impedance measurement”, 2024 IEEE Symposium on Wireless Technology & Applications (ISWTA), Kuala Lumpur, Malaysia, 20-21 July 2024, Proceedings in DOI: 10.1109/iswta62130.2024.10651788.

ZUCCA M.,…, OUAMEUR M. et al., “MetSuperCap: metrology for static and dynamic characterisation of supercapacitors”, XXIV IMEKO World Congress, Hamburg, Germany, 26-29 August 2024, Proceedings in Measurement: Sensors, 2024, 38, Suppl., 101434, DOI: 10.1016/j.measen.2024.101434.

TREYER P., HAMMER U., SAADEDDINE H., HAVUNEN J., HÄLLSTRÖM J.K., PASSON S. and MEISNER J., “Importance of impulse calibrator output impedance and method of all-waveform compensation”, 23rd International Symposium on High Voltage Engineering (ISH 2023), Glasgow, UK, 28 August - 1st Sept. 2023, IET Conference Proceedings released in 2024: DOI: 10.1049/icp.2024.0577.

Résumé de la thèse

La mesure de la puissance moyenne de signaux électriques de haute fréquence est primordiale dans plusieurs domaines majeurs dont la sécurité civile, le secteur militaire et l'industrie en général. Cette thèse est destinée à la conception et à la réalisation d'une sonde de transfert pour la mesure de puissance moyenne permettant d’assurer sa traçabilité au SI dans la bande de fréquence D, entre 110 GHz et 170 GHz. L’étalonnage par rapport à un étalon primaire d’une sonde de puissance de transfert permet de déterminer les deux paramètres suivants : son efficacité et son facteur d’étalonnage, ce dernier dépendant de l’efficacité et du coefficient de réflexion de la sonde. La sonde de puissance thermoélectrique développée par simulations numériques, se compose de trois parties : la partie haute fréquence (HF), la partie thermique et la partie tension continue.

La partie HF est formée d’un guide d’ondes rectangulaire, d’une transition entre ce dernier et une ligne coplanaire se terminant par une charge résistive. La partie thermique comprend une série de thermocouples destinés à mesurer l’échauffement de la charge. La partie tension continue permet d’effectuer une transposition de puissance entre HF et continu afin de déterminer la puissance HF.

Pour la sonde développée, les résultats de simulation obtenus sont un coefficient de réflexion inférieur à -15 dB, une efficacité supérieure à 0,85 et une sensibilité comprise entre 0,08 et 0,09 mV/mW. Ces résultats sont très encourageants et témoignent d'une conception réussie de la sonde. Nous avons réalisé le boîtier de la sonde, fabriqué la puce, ainsi que le circuit de mesure. Nous avons également préparé l'assemblage des composants dans le boîtier de la sonde et l’installation des connecteurs requis pour l'étalonnage de la sonde en vue de sa caractérisation ultérieure.

Mots clés

bande D, coefficient de réflexion, efficacité, métrologie, sensibilité, simulations électromagnétiques et thermiques, sonde de puissance thermoélectrique

Texte intégral

Consulter la thèse (FR) : TEL-04935745

Résumé de la thèse

Cette thèse se focalise sur l’établissement d’une métrologie des mesures de propriétés électriques à l’échelle submicrométrique. La technique Scanning Microwave Microscopy (SMM), qui permet d’accéder aux propriétés électriques d’un échantillon (impédance, permittivité électrique, et concentration de dopants), répond à ces critères. Il s’agit d’un microscope à force atomique interfacé à un analyseur de réseaux vectoriel (VNA). Si la métrologie associée au VNA est bien établie, ce n’est pas le cas pour les configurations SMM. Un VNA permet, s’il est étalonné, d’extraire des propriétés électriques à partir de la mesure du paramètre de réflexion. Pour une configuration SMM, la méthode la plus commune est dérivée de la méthode d’étalonnage Short-Open-Load utilisant trois impédances connues sur un échantillon de référence.

L’un des résultats clés de cette thèse est l’établissement du bilan d’incertitude associé à la mesure d’impédance par SMM. Pour ce faire, une caractérisation de l’échantillon de référence démontre que l’incertitude associée aux valeurs des impédances présentes (0,3 fF – 9,8 fF) est inférieure à 2,8 %. Fort de ce bilan d’incertitude, un second échantillon de référence est proposé et caractérisé avec une incertitude associée inférieure à 1,9 %. L’incertitude sur la mesure des capacités de référence par le SMM étalonné est inférieure à 3 %.

Un cas d’application est proposé : l’extraction de la permittivité d’échantillons piézoélectriques avec une incertitude inférieure à 11 %. L’incertitude due à l’humidité relative (RH) sur l’étalonnage du SMM a été étudiée empiriquement et par simulation numérique. Cette dernière impacte la calibration à hauteur de 0,4 % pour les capacités de 0,3 fF et devient négligeable pour les capacités au-dessus de 4 fF. Enfin, des courbes dC/dz ont été acquises par microscopie à force électrostatique (EFM) sur un matériau diélectrique connu afin d’assurer la traçabilité de la mesure de constante de raideur de la sonde employée.

Mots clés

microscopie à force atomique, mesure électrique à l’échelle submicrométrique, métrologie électrique, structure de référence capacitive

Texte intégral

Consulter la thèse (EN) : TEL-04748080

Publications

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Communications

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DJORDJEVIC S., « Générateur quantique de courant programmable : nouveaux développements », 21e Congrès International de Métrologie (CIM-2023), Lyon, France, 7-10 mars 2023.

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PIQUEMAL F., « Aperçu du projet EMPIR Elena », 21e Congrès International de Métrologie (CIM-2023), Lyon, France, 7-10 mars 2023.

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Résumé de la thèse

Le travail de cette thèse de doctorat porte sur le développement d'un système de mesure étalon pour assurer la traçabilité au SI des mesures de haute puissance pulsée dans le domaine nanoseconde et sub-nanoseconde (HPPNS). Cette traçabilité est nécessaire pour les mesures exactes et précises des formes d'onde de tension qui constituent l'élément clé des systèmes à base de haute puissance pulsée. Un système d'étalonnage a été développé pour la caractérisation d'impulsions de haute tension d'amplitude jusqu'à 500 kV avec des temps de montée aussi faibles que quelques centaines de picosecondes.

Le système de mesure HPPNS développé est constitué de quatre composants : le diviseur de tension, la charge de terminaison, les connecteurs haute tension et les cônes de transition. Le diviseur de tension est le composant central de ce système de mesure car il permet l'analyse des formes d'onde HPPNS à l’aide d’un oscilloscope calibré en abaissant les amplitudes de tension des formes d'onde HPPNS à des valeurs qui peuvent être mesurées à l’aide d’un oscilloscope sans déformation de forme d'onde. Le diviseur de tension conçu par calcul analytique et numérique a une valeur élevée du rapport de division, qui est relativement constante en fonction de la fréquence jusqu'à au moins 2 GHz, ainsi qu’une réponse en phase linéaire. Cependant, ses performances en termes de mesure exacte et précise des formes d'onde HPPNS incidentes dépendent également des caractéristiques de la charge de terminaison de ligne de transmission puisque les réflexions d'une charge de terminaison de ligne insuffisamment adaptée pourraient conduire à une mauvaise interprétation de la forme d'onde mesurée à la sortie du diviseur. Une charge de terminaison de ligne de 50 Ω est développée et caractérisée. Elle possède des propriétés d'isolation élevée pour des amplitudes de tension jusqu'à 500 kV et un coefficient de réflexion maximum de –27 dB en fonction de la fréquence, jusqu'à 2 GHz.

La caractérisation du système de mesure HPPNS complet a été réalisée en deux étapes. Premièrement, le système de mesure HPPNS a été caractérisé à de faibles valeurs de puissance d'entrée par deux méthodes différentes, à savoir la caractérisation au VNA et la caractérisation par une méthode de mesure d'atténuation de haute fréquence, traçable au SI. Les résultats obtenus à partir de ces deux méthodes ont été comparés aux résultats de la modélisation CST et tous ces résultats se sont avérés en bon accord les uns avec les autres. Ces caractérisations ont démontré que le système de mesure HPPNS développé possède un rapport de division élevé d'environ 85 dB, une bande passante de 2 GHz et une réponse linéaire en phase.

De plus, un atténuateur du commerce, ayant une bande passante de 7 GHz, a été ajouté en sortie du diviseur et tout ce système a été caractérisé par les deux méthodes en basse puissance. Les résultats obtenus sont les suivants : près de 110 dB de rapport de division, une bande passante de 2 GHz et une réponse linéaire en phase. Dans la deuxième étape de caractérisation, ce système a été testé à des valeurs élevées de puissance via un générateur de Marx. Différentes formes d'onde de haute tension dont le maximum peut atteindre 300 kV et de temps de montée très court jusqu’à 420 ps ont été caractérisées avec succès grâce à ce système de mesure et le bilan d'incertitude a été établi. L’incertitude de mesure de ces signaux de haute tension a été évaluée à 3,4 % pour le maximum de tension et à 87 ps pour les paramètres temporels.

Mots clés

haute puissance pulsée, étalon de mesure, diviseur de tension, étalonnage, incertitude de mesure

Texte intégral :

Consultez la thèse (EN) : HAL-04032644

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KHAN M.S., AGAZAR M. and LE BIHAN Y., “Development of a standard measuring system for the characterization of high voltage nanosecond pulses”, 8th Euro-Asian Pulsed Power Conference (EAPPC-BEAMS-MG), Biarritz, France, 29 August – 2 Sept. 2021.

SCHOPFER F., “User-friendly SI Quantum electrical standards with graphene”, IMEKO TC25 meeting on “Advances and Directions in Quantum Metrology”, 30 August 2021.

ALLAL D. and ZIADÉ F., “Measurement capability extensions in RF quantities in the domain of power and S parameters”, 20e Congrès international de métrologie (CIM 2021), Lyon, France, 7-9 sept. 2021, n° 174.

COUEDO F., THEVENOT O. et al., « Le projet EMPIR GIQS : étalon quantique d’impédance en graphène » / “The EMPIR Project GIQS: Graphene Impedance Quantum Standard”, 20e Congrès international de métrologie (CIM 2021), Lyon, France, 7-9 sept. 2021, n° 103.

LI Z., PIQUEMAL F. et al., “High throughput metrology for nanowire energy harvesting devices”, 20e Congrès international de métrologie (CIM 2021), Lyon, France, 7-9 sept. 2021, n° 104.

PIQUEMAL F., KAJA K. and MORAN J., “High throughput reliable nanoelectrical characterisation of NW solar cells”, 20e Congrès international de métrologie (CIM 2021), Session spéciale « NanoWires », Lyon, France, 7-9 sept. 2021.

RICHERT D., MORÁN-MEZA J.A., DELVALLÉE A., KAJA K., ALLAL D. and PIQUEMAL F., “Traceable nanoscale measurements of broadband dielectric constant by use of a scanning microwave microscope”, URSI GASS 2021, 1er septembre 2021 (online conf.). AGAZAR M. and SAADEDINNE H., “Studying the use of voltage amplifiers to generate microsecond rise time impulses up to 900 V”, 20e Congrès international de métrologie (CIM 2021), Lyon, France, 7-9 sept. 2021, n° 114.

SAADEDDINE H. and AGAZAR M., « Soutien à une normalisation des tests à haute tension avec des formes d’ondes composites et combinées » / “Support for standardisation of high voltage testing with composite and combined wave shape”, 20e Congrès international de métrologie (CIM 2021), Lyon, France, 7-9 sept. 2021, n° 122.

THEVENOT O., PIQUEMAL F., IMANALIEV A. and DOUGDAG K., « La traçabilité du Farad au SI au LNE » / “SI traceability of the Farad at LNE”, 20e Congrès international de métrologie (CIM 2021), Lyon, France, 7-9 sept. 2021, n° 109.

LI Z., PIQUEMAL F. et al., “High throughput metrology of energy harvesting devices based on nanowires”, 47th international conference on Micro and Nano Engineering (MNE2021), Torino, Italy, Online conference, 20-23 sept. 2021.

GOMÈS S., GRASSET F., MERABIA S. and PIQUEMAL F., “Overview and perspectives about WG1 and Round table on Current projects and calls about Nanomaterials for Energy”, Réunion plénière du GDR NAME (Nanomaterials for Energy Applications), ESIEE, Noisy le Grand, France, 4-6 oct. 2021.

KAJA K., RICHERT D., MORAN J. and PIQUEMAL F., “An Overview of scanning probe microscopy – based nano electrical metrology”, Réunion plénière du GDR NAME (Nanomaterials for Energy Applications), ESIEE, Noisy le Grand, France, 4-6 oct. 2021.

OUAMEUR M., VASCONCELLOS R. and AGAZAR M., “A double precision arbitrary waveform generator based calibration system for low-value AC resistors up to 20 kHz”, 12th Annual Information Technology, Electronics and Mobile Communication Conference (IEEE IEMCON 2021), Vancouver, BC, Canada, Online conference, DOI: 10.1109/IEMCON53756.2021.962318527-30 Oct. 2021.

AGAZAR M., SAADEDDINE H., MEISNER J., GERDINAND F., PASSON S. and PILLET J.M., “Determination of voltage dependence of capacitance in 100 kV and 300 kV compressed gas capacitors using kenitic method”, 22nd International Symposium on High Voltage Engineering (ISH), Xi’an, Chine, Online conference, 25-26 November 2021, 503-508, DOI: 10.1049/icp.2022.0052.

SAADEDDINE H., AGAZAR M. and MEISNER J., “Reference Calibrator For Combined And Composite High Voltage Impulse Tests”, 22nd International Symposium on High Voltage Engineering (ISH 2021), Xi'an, Shaanxi, Online conference, 21-25 November 2021.

Résumé de la thèse

Cette thèse traite de la caractérisation du diagramme de rayonnement des antennes afin d’améliorer l’utilisation des systèmes de mesure existants. Deux approches sont proposées en vue d'accélérer la mesure du diagramme de rayonnement des antennes en diminuant le nombre d'échantillons requis. La première exploite la décomposition parcimonieuse du champ rayonné par les antennes dans la base des ondes sphériques et nécessite seulement la connaissance de la dimension électrique maximale de l'antenne. La seconde approche utilise les dimensions externes de l'antenne et la surface de mesure afin de construire numériquement une base adaptée au problème de mesure d'antenne. Pour ces deux techniques, le nombre minimal d'échantillons du champ requis et une estimation du gain en temps de mesure à l'IETR sont donnés, montrant ainsi leur intérêt. En complément, une stratégie permettant d'optimiser le positionnement de l'antenne en post-traitement au sein de la base de mesure a été proposée afin d'améliorer la qualité du diagramme de rayonnement reconstruit. Toutes les procédures de mesure et traitements associés ont été validés sur des données numériques et expérimentales provenant d'antennes de types variés, opérant dans diverses bandes de fréquence et mesurées dans plusieurs chambres anéchoïdes, démontrant ainsi leur caractère général.

Mots clés

électromagnétisme, métrologie, antennes, reconstruction parcimonieuse, éléments finis

Le laboratoire de métrologie électrique haute tension du LNE est très engagé dans ce projet européen JRP HV-com2. Il s’agit pour les métrologues d’apporter toutes leurs compétences pour améliorer les essais d’équipements haute tension des réseaux électriques. En particulier, ce projet vise à développer la normalisation d'essais typiques à haute tension au cours desquels des impulsions de tension sont superposées aux tensions continues ou alternatives, comme cela peut se produire sur le réseau de transport d’électricité lors d’un choc de foudre ou lors de la connexion d’un élément au réseau. Pour ces essais, des signaux de tension composites ou combinées sont utilisés et doivent être mesurés (forme et amplitude). Au cours de ce JRP, des systèmes de mesure de ces signaux sont développés pour assurer leur traçabilité au SI et, à l'issue du projet, des services d'étalonnage fiables seront proposés pour les instruments de mesure utilisés pour acquérir ces signaux composites ou combinés. De plus des procédures de mesure seront développées et proposées à l'IEC pour faire évoluer les normes existantes pour les d’essais à haute tension d’équipements électriques.

Objectifs

Déterminer de façon fiable les interactions entre des impulsions de tension et les hautes tensions continues (HVDC) ou alternatives (HVAC) et les effets néfastes dus à cette combinaison de tensions sur les essais d’équipements haute tension.

Déterminer les performances métrologiques des diviseurs de tension, des échantillonneurs et des algorithmes de calcul pendant les essais mettant en œuvre des tensions composites ou combinées.

Développer la traçabilité des mesures de ces signaux de tension de forme d’onde composite et combinée par des systèmes de référence primaire et des services d’étalonnage, avec une incertitude cible de 2 % pour l’amplitude de tension.

Contribuer à la révision des normes IEC-60060-1&2 et IEC 61083-1&2 en fournissant les données, les méthodes et les recommandations nécessaires au comité technique IEC-TC42 « High voltage and high-current test techniques ».

Résumé et premiers résultats

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JRP EMPIR HN-com2
JRP EMPIR HV-com2

La fiabilité des réseaux électriques à haute tension et leur capacité à supporter des courants issus de sources d’énergies renouvelables dépendent essentiellement de la capacité à réaliser des essais pertinents sur les composants constituant ces réseaux de transport de l’énergie électrique. L’un de ces essais consiste à soumettre les composants à tester à des signaux de tension de forme d’onde composite et combinée. Mais la traçabilité des mesures de ces signaux déformés de haute tension est mal établie, ce qui pourrait entraîner des résultats d’essais incorrects.

Les signaux de tension à mesurer sont des tensions combinées et composites, où les ondes de choc de foudre 1,2 µs / 50 μs ou de manœuvre 250 µs / 2500 μs sont superposées aux hautes tensions alternatives ou continues.

Une tension combinée apparaît entre deux bornes d’un composant à trois bornes lorsque l’alimentation du composant est assurée par deux tensions différentes générées par deux sources de tension distinctes et appliquées sur deux bornes du composant à tester. Par exemple, une tension combinée est appliquée dans les essais d’isolation entre deux phases de matériels alimentés en triphasé, ou dans les essais d’isolation de matériels de commutation, de systèmes haute tension isolés avec du gaz (GIS), de lignes électriques à courant continu haute tension, des sectionneurs, des disjoncteurs, etc. En raison du couplage des deux sources d’alimentation, les formes et les amplitudes des deux tensions diffèrent de celles générées par les sources utilisées séparément. Une mesure de la tension combinée avec une méthode habituelle est difficile car il n’y a pas de potentiel de terre impliqué. Dans ce cas il est possible de calculer la tension combinée à partir de la mesure des deux composantes de tension. Mais dans certains essais, les phénomènes induits par l’onde combinée sur les systèmes à tester, ceux isolés au gaz notamment, peuvent créer une tension de claquage réduite dont les limites autorisées doivent être spécifiées dans la norme d’essai.

La tension composite est, quant à elle, la superposition de deux tensions d’essai différentes générées par la connexion de deux sources de tensions distinctes et appliquées sur une même borne du dispositif à tester. Chaque connexion des sources de tension dans le circuit d’essai dépend de l’élément qui couple une tension et bloque l’autre. Il peut également y avoir une interaction directe entre les sources connectées ensemble. Cela signifie que, en fonction de la nature du couplage et du blocage, les contraintes exercées sur le dispositif à tester et sur les sources peuvent varier. Les essais en tension composée sont typiquement adaptés pour les câbles haute tension alternative (HVAC) ou des câbles haute tension continue (HVDC). Les essais en tension composite avec des ondes de choc de foudre superposées aux hautes tensions continues sont aisés à réaliser tandis que les essais où les ondes de manœuvre sont superposées aux hautes tensions alternatives sont mal définis dans la norme actuelle, notamment concernant les paramètres temporels du signal de tension à appliquer.

En raison d’un manque de traçabilité des mesures de haute tension électrique (continue ou alternative) en présence de signaux perturbateurs (chocs de foudre ou ondes de manœuvre), des laboratoires nationaux de métrologie européens et des industriels de l’énergie électrique se sont regroupés pour élaborer ce projet européen (JRP HV-com2) afin de contribuer à faire évoluer la normalisation des essais en haute tension. Il s’agit principalement des normes (IEC 60060 et IEC 61083-1&2) élaborées par le comité technique TC42 de l’IEC (Commission électrotechnique internationale). L’objectif est de développer une infrastructure métrologique spécifique adaptée à la mesure des hautes tensions composites et combinées. Cela passe par le développement de systèmes de mesure traçables, de services d’étalonnage adaptés à des formes d’onde composites et combinées, et par l’étude de l’influence des tensions impulsionnelles sur la mesure des hautes tensions continues (HVDC) ou alternatives (HVAC).

Le programme d’actions de ce JRP HV-com2 a été réparti entre les 12 partenaires européens et il est coordonné par le PTB (Allemagne). Le projet est structuré en 3 lots de travail technique et 2 lots de management (WP4) et de diffusion des connaissances (WP5) :

Pour en savoir plus sur le JRP HV-com2, sa structure, ses partenaires, ses objectifs et ses résultats : https://www.ptb.de/empir2020/hv-com2.

Le LNE participe à tous les lots de travaux et coordonne le WP1 dont la finalité est de déterminer de manière fiable la mesure des hautes tensions continues (HVDC) ou alternatives (HVAC) lorsqu’il existe des impulsions de tension additionnelles et de déterminer les effets néfastes de ces impulsions sur les mesures et les composants à tester. Les travaux portent aussi bien sur les procédures d’évaluation et de mesure que sur l’instrumentation de mesure, afin de proposer in fine une évolution des normes d’essais des systèmes « haute tension » qui tiennent compte des formes complexes des signaux réels auxquels ils peuvent être soumis.

Il s’agit notamment pour le LNE de réaliser l’infrastructure métrologique pour l’étalonnage des instruments d’acquisition utilisés pour les mesures de tensions combinées et composites jusqu’à 1 kV, et en particulier de concevoir un calibrateur pour l’étalonnage des numériseurs utilisés pour mesurer les impulsions de tension.

L'approche choisie par le LNE est fondée sur l'utilisation d'amplificateurs de haute tension fonctionnant à haute vitesse. Lorsqu'ils sont connectés à un convertisseur numérique-analogique à haute vitesse, il est possible de générer n'importe quelle forme d'onde (signaux programmés) adaptée à la génération de tensions combinée ou composite. Le LNE a conçu et réalisé un calibrateur fonctionnant sur ce principe. Cet équipement fonctionne comme un amplificateur linéaire de haute tension capable de convertir des signaux de forme quelconque de basse tension en signaux de tensions plus élevées jusqu’à 900 V crête sur une durée de montée supérieure à 1 µs, avec une large bande passante et un gain de 150. Les résultats de test de performance du calibrateur basse tension sont prometteurs et sa traçabilité au SI est en cours d’étude.

Par ailleurs quatre amplificateurs aux caractéristiques différentes, trois de commerce et celui fabriqué par le LNE, ont été testés et étudiés. Les résultats comparés montrent que cette méthode peut atteindre des performances métrologiques élevées, au moins équivalentes à celles des calibrateurs traditionnels, qui nécessitent généralement un bloc électrique séparé pour toute forme d'onde supplémentaire. L'avantage de l'utilisation d'un amplificateur haute tension est sa flexibilité pour générer, en un seul bloc, toute forme d'onde avec un temps de montée supérieur à une microseconde. Cette nouvelle méthode, relativement moins couteuse que les calibrateurs traditionnels, révèle un intérêt certain dans ce domaine de mesure des hautes tensions électriques.

Publications et communications

SAADEDDINE H., AGAZAR M. et MEISNER J., “Reference calibrator for combined and composite high voltage impulse tests”, ISH 2021 (International Symposium on High Voltage Engineering), Xi’an, China, 21-25 Nov. 2021.

AGAZAR M. et SAADEDDINE H., “The usage of voltage amplifiers for reference impulse voltage calibrators up to 1 kV”, Measurement Science and Technologies (MST journal), à paraître.

AGAZAR M. et SAADEDDINE H., “Studying the use of voltage amplifiers to generate microsecond rise-time impulses up to 900 V”, 20e Congrès international de métrologie (CIM 2021), Lyon, France, 7-9 sept. 2021.

SAADEDDINE H. et AGAZAR M., “Support for standardisation of high voltage testing with composite and combined wave shapes”, 20e Congrès international de métrologie (CIM 2021), Lyon, France, 7-9 sept. 2021.

MEISNER J., GOCKENBACH E., SAADEDDINE H. et al., “Support for standardisation of high voltage testing with composite and combined wave shapes”, VDE High Voltage Technology 2020, ETG-Symposium, online 9-11 Nov. 2020.

Partenaires

Les partenaires du LNE dans ce projet européen (JRP) sont :

  • PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt), Allemagne
  • FFII (Fundación para el Fomento de la Innovación Industrial), Espagne
  • INRIM (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica), Italie
  • RISE (Research Institute of Sweden), Suède
  • TUBITAK (Turkiye Bilimsel ve Teknolojik Arastirma Kurumu), Turquie
  • VTT MIKES (Technical Research Centre of Finland), Finlande
  • AME (Accessori Macchine Elettriche), Italie
  • TAU (Tampereen korkeakoulusäätiö), Finlande
  • TUD (Technische Universität Dresden), Allemagne
  • TUG (Technische Universitaet Graz), Autriche
  • Haefely, Suisse

Impacts attendus du JRP

  • augmentation de la qualité de fabrication d’éléments de réseau électrique haute tension
  • amélioration de la pertinence des essais de dispositifs à haute tension
  • amélioration de la qualité des normes d’essais haute tension
  • nouvelles références et possibilités d’étalonnage pour les mesures de signaux déformés de haute tension.

Ce projet européen (JRP GIQS) est un projet de métrologie fondamentale visant à l’amélioration de la traçabilité des mesures d’impédance électrique (R, L, C) en développant de nouveaux étalons quantiques de résistance et d’impédance et de nouveaux ponts de comparaisons d’impédances, numériques ou fonctionnant avec des références de tension Josephson AC. Ce projet s’inscrit dans le prolongement de l’évolution, en 2018, des définitions des unités du SI qui permettent désormais une mise en pratique « quantique » de toutes les unités électriques.

Objectifs

Améliorer la compréhension de l'effet Hall quantique en régime de courant alternatif (AC) dans le graphène. Optimiser des dispositifs à base de graphène pour obtenir des étalons d’impédance à base de l'effet Hall quantique.

Faire progresser les ponts numériques pour la gamme de capacité de 10 pF à 10 nF à des fréquences élevées et développer un pont de mesure d'impédance fonctionnant avec des tensions de Josephson jusqu'à 50 kHz dans tout le plan complexe des impédances.

Combiner des dispositifs à base de graphène, une génération des tensions par l’effet Josephson (EJ) et un pont entièrement numérique afin d’établir la traçabilité des mesures de capacité jusqu'aux étalons de résistance quantique à effet Hall quantique (EHQ).

Mettre au point un nouveau système cryogénique accueillant un dispositif supraconducteur à EJ et un dispositif à EHQ en graphène, tous deux fonctionnant en courant alternatif (AC) et permettant la réalisation des étalons primaires quantiques de résistance et d'impédance dans le SI.

Faciliter le transfert des technologies et des dispositifs de mesure développés dans le cadre de ce projet vers les utilisateurs finaux (laboratoires de métrologie, fabricants de graphène, centres d'étalonnage…).

Résumé et premiers résultats

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Logo JRP GIQS
JRP EMPIR GIQS

L'objectif de ce projet européen est de fournir aux laboratoires nationaux de métrologie, aux centres d'étalonnage et à l'industrie la technologie nécessaire à la réalisation pratique des unités SI d'impédance électrique (ohm, farad, henry). Pour y parvenir, le consortium étudie la possibilité de combiner des nouveaux ponts numériques de mesure d'impédance (numérique ou Josephson) et des étalons quantiques de résistances réalisés à partir de graphène (pour la mise en œuvre de l’effet Hall quantique). Les dispositifs de mesure devront en particulier pouvoir être utilisés dans des dispositifs cryogéniques simples, pouvant à terme être exploités dans l’industrie.

Le projet européen a débuté en juin 2019 et s’étendra sur trois années. Le programme de travail a été réparti entre les 11 partenaires et est coordonné par le PTB (Allemagne). Le projet a été structuré en 3 lots de travail technique (WP) :

  • WP1 - Développement de dispositifs à effet Hall quantique à base de graphène afin d’obtenir des nouveaux étalons quantiques de résistance pour des applications en courant continu et en alternatif.
  • WP2 - Amélioration la précision des ponts d’impédances numériques comportant des références de tension Josephson alternatif ;
  • WP3 - Amélioration de la traçabilité des impédances à l’effet Hall quantique en combinant des dispositifs de résistances étalons à base de graphène en AC, des tensions Josephson alternatif et des ponts d’impédance numériques.

Par ailleurs, le lot WP4 sur la valorisation du projet, vise particulièrement à promouvoir les résultats obtenus auprès des acteurs industriels.

Pour obtenir plus d'informations sur le JRP GIQS : https://www.ptb.de/empir2019/giqs/home/

Dans ce projet, le LNE contribue à améliorer la compréhension de l'effet Hall quantique (QHE) en régime alternatif dans le graphène, et participe à l’optimisation des dispositifs étalons à base de graphène et de ponts d’impédances totalement numériques, afin d’assurer la traçabilité des mesures d'impédance à l'effet Hall quantique. Pour étudier le comportement en fréquence des barres de Hall, le LNE développe un dispositif de mesure, en courant continu et alternatif, spécifiquement adapté à son nouveau système de refroidissement cryomagnétique pour la mise en œuvre des étalons quantiques de résistances.

Publications et communications

COUËDO F., THEVENOT O. et al., « The EMPIR Project GIQS: Graphene Impedance Quantum Standard », 20e Congrès international de métrologie (CIM 2021), Lyon, France, 7-9 sept. 2021.

Partenaires & Collaborations

Ce projet européen (JRP) réunit 11 partenaires :

  • PTB, Allemagne
  • CMI, République Tchèque
  • INRIM, Italie
  • LNE, France
  • METAS, Suisse
  • RISE, Suède
  • VTT, Finlande
  • CNRS (CRHEA et C2N), France
  • NIMT (Institut national de métrologie de Thaïlande), Thaïlande
  • POLITO (Politecnico di Torino), Italie
  • KRISS (Korea Research Institute of Standards and Science), République de Corée

Impacts attendus

  • amélioration des étalons d’impédance électrique dans les instituts nationaux de métrologie par la réalisation de nouveaux étalons quantiques à base de graphène ;
  • amélioration de la traçabilité des impédances électriques (incertitude de mesure et conditions de mesure) ;
  • réduction de la chaîne de raccordement des instruments de mesure au SI par l’usage d’étalons quantiques simplifiés et facilitation de l’usage industriel d’instruments de mesure et d’étalons quantiques pour les impédances électriques.