Suivre la consommation de sa maison, poste par poste

Une étude : ce que consomme chaque circuit, mesuré de l’extérieur.

  • Électromagnétisme, électronique

Savoir ce que consomme chaque circuit d’une maison, poste par poste, sans ouvrir le tableau électrique ni rien démonter : on ouvre la porte, on colle une petite bobine sur la face de chaque disjoncteur, là où le champ magnétique du courant se concentre, et un Raspberry Pi retrouve le courant et la puissance de chaque circuit, démêle ce que chaque bobine capte de ses voisines, et affine ses réglages tout seul à chaque appareil qui s’allume ou s’éteint.

C’est une étude, du principe au câblage, en 25 planches dessinées dans l’ordre du chantier : comprendre, cartographier un disjoncteur avant de rien fabriquer, fabriquer l’électronique, installer les réglettes, étalonner, puis laisser l’apprentissage travailler. Une seconde version : la première posait les bobines sur la porte du tableau, trop loin du courant.

Rien n’est encore construit, et beaucoup de valeurs restent des estimations du modèle, à vérifier par la mesure sur un vrai tableau.

Dessin en perspective d’un tableau électrique de trois rangées de treize modules. Selon l’étape : le plastron retiré et une pince sur un câble, puis une bobine orange sur la face de chaque disjoncteur ; une coupe qui montre le champ autour de la bobine de déclenchement ; une seule bobine posée sur un disjoncteur, reliée à un petit appareil de mesure ; les nappes qui rejoignent un boîtier mural et le transformateur ; trois courbes, le signal de la bobine, le courant retrouvé, la puissance ; un disjoncteur qui commute et les bobines voisines qui réagissent ; un saut entre deux plateaux et une matrice.
À gauche, la coupe d’un disjoncteur sous la porte fermée : la manette, le trajet du courant qui traverse la bobine de déclenchement et ses lignes de champ, la bobine CMS collée sur la face, en orange, et en pointillé son ancienne place sur la porte ; la bobine est à 10 à 25 mm du courant sur la face, à 30 à 50 mm depuis la porte. À droite, le champ par ampère en quatre positions, sur une échelle logarithmique : 0,5 à 1 µT/A depuis la porte, 3 à 6 sur la face si seuls les conducteurs comptent, 9 à 27 à 10 mm de la bobine de déclenchement, 40 à 100 juste au-dessus.
En haut, une rangée de quatre disjoncteurs vue de dessus, avec la porte devant : sur la porte, la bobine est presque aussi loin de son disjoncteur que du voisin ; sur la face, le voisin est deux fois plus loin. En bas, pour quatre positions de la bobine, ce qu’un ampère dans les voisins à 18, 36 et 54 mm ajoute à la mesure : 0,42, 0,12 et 0,20 A depuis la porte ; 0,02, 0,01 et 0,01 A sur la face, au-dessus de la bobine de déclenchement.
Quatre courbes sur deux périodes : le courant d’une charge à harmoniques et son champ, la tension de la bobine en orange, aux pics plus nombreux, le courant retrouvé par intégration, identique au premier, et la puissance avec la tension en pointillé et sa moyenne en tirets orange. Une note : l’harmonique 3 pèse 30 % du courant mais 90 % de la tension.
Barres horizontales sur une échelle logarithmique : la tension crête à l’entrée du convertisseur dans cinq situations, de 16 A résistif (9 ou 18 mV) à l’appel de courant d’une alimentation (255 ou 509 mV), pour deux sensibilités de bobine, face aux pleines échelles des gains 128, 32, 16 et 8 ; les gains 16 et 8 sont en orange.
À gauche, deux courants de 10 A en quadrature et, en orange, ce que voit la bobine du premier quand 5 % du second s’y ajoutent. À droite, trois barres : le vrai courant, 10,00 A ; démixé échantillon par échantillon, 10,00 A ; démixé sur les valeurs efficaces, 9,51 A.

Ce qui a été fait

  1. 01

    Le modèle du champ

    Le champ magnétique autour de chaque disjoncteur, calculé pour des conducteurs de longueur finie, à chaque position possible de la bobine, et ce que chaque voisin y ajoute : de quoi choisir où coller.

    Loi de Biot et Savart

  2. 02

    La chaîne de mesure

    La bobine plate retenue, un filtre par voie, quatre convertisseurs de huit voies au gain choisi voie par voie, la voie de tension isolée, et le microcontrôleur qui les cadence et les lit.

    Bobines CMS · 4 × ADS131M08 · Raspberry Pi Pico 2

  3. 03

    Les réglettes

    Une bande de polycarbonate par rangée, avec une fenêtre par bobine au pas des disjoncteurs, des paires torsadées couchées sur la bande, une nappe plate assez fine pour passer porte fermée, et un ruban qui tient la chaleur.

    Kapton

  4. 04

    Le logiciel

    Le démêlage des signaux échantillon par échantillon, les phaseurs calculés chaque seconde, la détection d’un saut entre deux plateaux, le test de phase, l’attribution au bon circuit, la mise à jour par médiane et sa confiance ; les puissances par circuit gardées.

    Raspberry Pi · SQLite

  5. 05

    Le dossier

    Vingt-cinq planches dessinées, dans l’ordre du chantier, avec la liste d’achat, les règles de sécurité et la liste de ce qui reste à mesurer sur un vrai tableau.

    SVG

Dessin en perspective d’un tableau électrique de trois rangées de treize modules. Selon l’étape : le plastron retiré et une pince sur un câble, puis une bobine orange sur la face de chaque disjoncteur ; une coupe qui montre le champ autour de la bobine de déclenchement ; une seule bobine posée sur un disjoncteur, reliée à un petit appareil de mesure ; les nappes qui rejoignent un boîtier mural et le transformateur ; trois courbes, le signal de la bobine, le courant retrouvé, la puissance ; un disjoncteur qui commute et les bobines voisines qui réagissent ; un saut entre deux plateaux et une matrice.

Fonctionnement détaillé

  1. Faites défiler : le dessin suit.

  2. 01 / 07

    Une bobine sur chaque disjoncteur, porte ouverte

    Pour savoir ce que consomme chaque circuit d’une maison, on pose d’ordinaire un capteur sur chaque câble, plastron retiré. Ici, les capteurs se collent sur la face des disjoncteurs, là où leur manette dépasse : on ouvre la porte du tableau, et rien de plus. Une bobine plate de cinq millimètres par disjoncteur, 27, et une par interrupteur différentiel, 3.

  3. 02 / 07

    Le courant crée un champ, le champ fait naître une tension

    Un courant qui traverse un fil crée autour de lui un champ magnétique, proportionnel à ce courant. Une bobine placée dans ce champ voit naître à ses bornes une tension : c’est l’induction magnétique. Collée juste au-dessus de la bobine de déclenchement du disjoncteur, quelques spires que traverse tout le courant du circuit, elle capte un champ cent fois plus fort que depuis la porte, d’après le modèle.

  4. 03 / 07

    Trouver le bon point sur chaque disjoncteur

    Chaque marque place sa bobine de déclenchement ailleurs. Avant de fabriquer, une heure par modèle : une bobine tenue au ruban, une charge connue, un multimètre pour trouver le point où le signal est le plus fort, puis une carte son pour mesurer ce que la bobine capte des circuits voisins. Ce relevé fixe la position, l’orientation et le gain de chaque bobine.

  5. 04 / 07

    Trente signaux, lus ensemble

    Les bobines sont logées dans une réglette par rangée, tenue au ruban Kapton entre les appareils, jamais sur une manette. Leurs fils partent en nappe vers un boîtier mural : un filtre par voie, quatre convertisseurs de huit voies qui numérisent tout en même temps, et un Raspberry Pi Pico 2 qui cadence le tout. Un petit transformateur, tenu à trente centimètres, donne la tension du réseau.

  6. 05 / 07

    Du signal de la bobine au courant, puis à la puissance

    La bobine ne mesure pas le champ mais sa variation : son signal est la dérivée du courant. Un Raspberry Pi l’intègre pour retrouver la forme exacte du courant, harmoniques comprises, le multiplie par la tension, et la moyenne sur une période donne la puissance réellement consommée, déphasage compris. Circuit par circuit, au fil du temps.

  7. 06 / 07

    Chaque bobine entend aussi ses voisines

    Le champ d’un disjoncteur déborde sur les bobines d’à côté, quelques pour cent. Le Pi démêle les 27 signaux à chaque échantillon avec une matrice qui dit combien chaque circuit pèse sur chaque bobine. Les trois bobines des différentiels servent de contrôle : la somme des circuits d’une rangée doit égaler le courant de son différentiel.

  8. 07 / 07

    Le tableau s’étalonne tout seul

    Au départ, une charge connue par circuit fixe l’échelle de chacun. Ensuite, chaque appareil qui démarre ou s’arrête est une petite expérience : un seul circuit saute, les autres restent fixes. Le Pi repère ce saut, vérifie qu’il est propre, l’attribue au bon circuit et affine sa colonne de la matrice, par la médiane des trente derniers sauts. Rien n’est encore construit : c’est une étude de 25 planches, dont les valeurs restent à mesurer sur un vrai tableau.

Fiche technique

Technique
bobines CMS · 4 × ADS131M08 · Raspberry Pi Pico 2 · Raspberry Pi · SQLite
Échelle
30 circuits · 25 planches
Statut
étude