Brevet FR2121343A1 — publié le 19720825

La présente invention concerne un procédé de surveillance photoélectrique de processus dynamiques au moyen d'un ou plusieurs éléments photoélectriques. L'invention convient particulièrement bien pour la surveillance d'au moins un fil dans les machines pour l'industrie textile et, notamment, pour la surveillance de la présence du fil,de sa résistance,etdel'établissement correct de liaisons entre fils (noeuds). On sait que, dans les éléments photoélectriques, par exemple au silicium, le courant de court-circuit croit linéairement avec 1' éclairement tandis que la tension à vide croît également avec l'éclai- rement, mais suivant une loi logarithmique. Cette croissance de tension logarithmique très importante dans la pratique atteint, toutefois, pour une intensité d'éclairement déterminée, un domaine de saturation qui fausse la loi logarithmique. En pratique, cela signifie que la région de saturation n'est plus utilisable à des fins de mesure. Si un tel élément photoélectrique reçoit, outre, la lumière de mesure, une lumière étrangère, par exemple par insolation directe ou indirecte, l'intensité d'éclairement peut atteindre aisément une valeur telle que le domaine de saturation est atteint et que, par conséquent, une surveillance correcte n'est plus possible. Dans la surveillance photoélectrique de processus dynamiques et, en particulier, dans la surveillance d'un ou plusieurs fils dans les machines pour l'industrie textile, par exemple dans les casse-fil, les épurateurs de fil électroniques ou les dispositifs de vérification des noeuds, on utilise ce qu'on pourrait appeler des "enceintes à lumière alternative" car les processus dynamiques provoquent une variation continuelle du flux lumineux qui vient frapper ltélément photoélectrique. Par contre, la lumière extérieure perturbatrice,par exemple, la lumière du soleil peut être pratiquement considérée comme une lumière "continue" car elle ne subit que des variations lentes s'étendant sur des périodes de temps considérables.Pour séparer 1' influence de la lumière continue pert-rbatrice de celle de la lumière alternative utile, il est connu de connecter à l'élément photoélectrique un circuit résonnant shunt inductif-capacitif ou "circuit oscillant te" et d'accorder ce circuit oscillant de telle manière qu' il soit en résonance avec la fréquence de la lumière alternative utile. En conséquence, la composante de tension continue de l'élément photo électrique créée par la lumière continue perturbatrice est court-circuitée par la faible résistance ohmique de l'inductance, de sorte que l'élément photoélectrique, en ce qui concerne l'influence de la lumière continue, fonctionne pratiquement en court-circuit. ta composante de tensionalternative de l'élément photoélectrique est, par contre, chargée par la résistance de résonance du circuit oscillant LC dqnt le facteur de qualité Q peut être calculé de telle manière que la résistance de résonance soit très élevée et ne représente, par eonséquent, qu une très faible charge pour l'élément photoélectrique. Etant donné qu'ainsi l'élément photoélectrique ne fonctionne plus pratiquement à vide qu'en ce qui concerne sa composante de tension alternative, l'effet de saturation de la lumière continue perturbatrice est rendu inoffensif.Cette solution du problème qui se pose présente, toutefois, deux inconvénients majeurs 1 - Dans les processus dynamiques à basse fréquence, il est né- cessaire d'utiliser des inductances relativement grandes qui doivent être accordées et qui sont coûteuses. En outre, il est souvent difficile de disposer de l'espace nécessaire. 2 - Si des champs magnétiques alternatifs sont engendrés, par exemple, par la machine à surveiller ou par des machines voisines, ces champs font naître, dans l'inductance, des tensions parasites qui peuvent atteindre l'ordre de grandeur de la tension alternative utile. Pour éviter de telles influences magnétiques perturbatrices, il est nécessaire de prévoir un blindage magnétique qui entraine une complexité mécanique importante et coûteuse. Le problème que l'invention a pour but de résoudre est donc de rechercher de nouveaux moyens pour exclure les influences de la lumière étrangère perturbatrice et d'éviter en même temps les inconvénients ci-dessus mentionnés de l'utilisation de circuits oscillants LG. La solution de ce problème proposée par l'invention réside en ce que la tension alternative de l'élément photoélectrique résultant des influences de la lumière alternative est déchargée par une tension additionnelle de même phase qu'elle et qui lui est proportionnelle, de telle manière que l'élément photoélectrique fonctionne pratiquement à vide en ce qui concerne la tension alternative.Ainsi, alors qu' avec l'utilisation connue d'un circuit oscillant tC, la tension alternative de l'élément photoélectrique est appliquée à une impédance de- résonance tres élevée dans le domaine des fréquences utiles, de sorte que l'élément photoélectrique n'est chargé que faiblement par la tension alternative utile, il se produit, lorsqu'on applique le procédé suivant l'invention, une décharge de l'élément photoélectrique dans la région de la tension alternative utile grâce au fait qu' on ajoute à celle-ci une tension additionnelle proportionnelle et de même phase, calculée de telle manière que l'élément photoélectrique fonctionne pratiquement à vide en ce qui concerne la tension aiternative. Pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, il convient d'utiliser un dispositif comportant un élément photoélectrique avec lequel, comme dans le circuit oscillant 10 connu, est branchée en parallèle une résistance ohmique d'une valeur telle que l'élément photoélectrique soit pratiquement court-circuité en ce qui-concerne la composante de courant continu. Toutefois, contrairement à ce qui se passe dans le dispositif connu à circuit oscillant SC, la résistance ohmique du dispositif suivant l'invention fait partie d'un filtre passe-bande travaillant en dessous de la limite d'oscillation et constitué par un générateur RC qui, d'une manière connue en soi, contient exclusivement des résistances ohmiques et capacitives. La bande passante de ce filtre correspond sensiblement à la fréquence utile à surveiller. On peut encore obtenir avec le dispositif suivant l'invention , des avantages particuliers en utilisant comme générateur RC, un circuit RC à trois étages et en branchant l'élément photoélectrique en parallèle avec la résistance ohmique disposée dans la partie médiane de ce circuit RC à trois étages. Toutefois, avec le dispositif ui vient d'être décrit, la largeur de bande de la tension alternative résultant des influences de la lumière alternative et qui doit être amplifiée reste étroite. Or, pour la mesure de processus dynamiques tels que ceux qu'implique la surveillance d'au moins un fil dans les machines pour l'industrie textile et tout particulièrement la surveillance du nouage correct de deux fils, il peut être désirable de conserver le large spectre de fréquence des tensions alternatives résultant de ces processus tout en introduisant, néanmoins, une charge relativement élevée pour la composante de tension continue de l'élément photoélectrique pour éviter la saturation par la lumière extérieure.On peut y parvenir, suivant une autre forme d'exécution de l'invention, grâce au fait que la résistance ohmique montée en parallèle avec l'élément photo électrique fait partie d'un amplificateur de tension alternative à large bande dont la réaction positive est toujours plus faible que la contre-réaction déterminant le gain. Ledit amplificateur de tension alternative à large bande peut être constitué par un élément d' amplification connecté à la résistance de charge par l'intermédiaire d'un condensateur et d'une résistance de dérivation. Cet élément d' amplification peut être constitué, par exemple, par un ou plusieurs transistors.On obtient une forme d'exécution particulièrement avantageuse et simple de l'invention en réalisant l'élément d'amplifica tion sous la forme d'un amplificateur opérationnel, du type connu en soi, généralement utilisé pour les opérations de calcul, dont la réaction positive compensant l'amortissement dû à la résistance ohmique est toujours plus faible que sa contre-réaction déterminant le gain. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple, les Fig. 1 et 2 montrent des schémas de deux modes de réalisation de l'invention. Sur la fig.l,on voit deux éléments photoélectriquesau silicium l et 2 montés en série avec lesquels est montée en parallèle une résistance ohmique 3 d'une valeur telle que leséléments photoélectriques 1 et 2 sont pratiquement court-circuités en ce qui concerne la composante de courant continu. Cette résistance ohmique fait partie d' un filtre passe-bande constitué par un générateur RC fonctionnant au-dessous de la limite d'oscillation, avec les résistances ohmiques supplémentaires 4 et 5, et les résistances capacitives 6, 7 et 8 et par le transistor 9. tes résistances capacitives et ohmiques sont adaptées entre elles de telle manière que la fréquence propre du générateur RC corresponde pratiquement à la fréquence qui doit être filtrée en tant que fréquence utile.Si le gain du transistor 9 est maintenu inférieur à 29 au moyen de la résistance dé contre réactionll,on obtient, d'une manière connue en soi, au lieu d'un générateur, un filtre passe-bande comportant un facteur de qualité ajustable qui peut être réglé entre 1 et 28. La largeur de bande désirée du filtre passe-bande est ainsi déterminée automatiquement. La résistance 10 forme, en combinaison avec la résistance 5, un diviseur de tension qui sert, d'une manière connue en soi, à déterminer le point de fonctionnement du transistor 9. La résistance 12 est la résistance de charge de l'amplificateur à l'intérieur du filtre passe-bande et le condensateur 15 sert au couplage avec l'étage amplificateur suivant. Dès qu'on applique une tension continue d'alimentation aux points 17 et 14 du dispositif, toutes les composantes de tension alternative des éléments photoélectriaues 1 et 2 comprises dans la bande passante du filtre passe-bande sont déchargées par les composantes de tension additionnelles proportionnelles et de meme phase dudit filtre, dans une mesure correspondant au gain affiché sur la résistance 11. Alors que, grâce à cette disposition, les éléments photoélectriques 1, 2 fonctionnent pratiquement à vide pour les tensions alternatives, les influences de la lumière extérieure sont courtcircuitées par la résistance 3 et ge peuvent agir sur le résuitat des mesures. Toutefois, outre les influences perturbatrices de la lumière continue pure, des influences perturbatrices de lumière alternative peuvent également se produire. Cependant, comme le spectre de fréquences de ces dernières influences est très différent de celui des influences de la lumière utile, le filtre passe-bande peut être réglé aisément au moyen de la résistance li de telle manière que la différence entre la tension utile et la tenson parasite puisse être maintenue suffisamment grande. Cet avantage est particulièrement précieux dans la surveillance de fils extrêmement fins car, dans ce cas, le signal utile, en dépit de l'utilisation d'un élément photoélectrique double, est très faible. En principe, il est Possible d'utiliser, au lieu du circuit RC à trois étages représenté, un circuit de ce genre comportant un autre nombre d'étages. De meme, il est possible de brancher en parallèle l'élément photoélectrique non plus avec la résistance 3, mais avec la résistance 4 ou la résistance 5. Toutefois, si conformément à l'exemple d'exécution représenté, l'élément photoélectrique est branché en parallèle avec la résistance ohmique 3 située dans la partie médiane d'un circuit RC à trois étages, on obtient encore un avantage supplémentaire dans de nombreux cas d'utilisation.Dans la surveillance de fils, on sait que, lors de l'insertion du fil dans l'enceinte à lumière de mesure, il se produit un saut de tension qui peut dépasser le signal engendré pendant le mouvement du fil dans une mesure pouvant atteindre le quintuple de la valeur de ce signal. En outre, le fil au repos mais soumis à l'action de courants d'air, par exemple provoqués par un ventilateur mobile, peut être le siège d'oscillations qui certes, sont en dehors des fréquences du filtre passe-bande, mais dont la grande amplitude peut, dans certains cas, avoir une influence nuisible. Grace à l'alimentation symétrique appliquée à la résistance 3, ces influences perturbatrices sont différenciées et largement amorties. Sur la Fig. 2, les éléments photoélectriques 21 et 22 forment avec un système optique,-non représenté, et une diode à l'arséniure de gallium comme source de rayons infra-rouges, l'enceinte à lumière de mesure. Avec cette disposition, la surface utile photosensible est répartie entre deux éléments photoélectriques pour abaisser la capacité de la couche d'arrêt.Cet avantage est facile à reconnaître sur la Fig. où l'on a représenté en trait interrompu les capacités 23 et 24 des couches d'arrêt qui ne représentent à elles deux, pour l'ensemble des deux éléments photoélectriques, que la moitié de la capacité de la couche d'arrêt qui correspondrait à l'utilisation d'un unique élément photoélectrique de surface utile double de celle de chacun des deux éléments photoélectriques représentés et dont le montage en série assure positivement une réduction de la capacité totale de la couche d'arrêt de 75 %.Cet abaissement de la capacité de la couche d'arrêt est particulièrement important en raison de la réduction correspondante du facteur de filtrage en haute-fréquence du fait que la diode à l'arséniure de gallium est alimentée avec un courant continu pulsé dont la fréquence de récurrence des impulsions est, par exemple, de 10 kHz, de sorte que l'irradiation par la lumière alternative des éléments photoélectriques est également de cet ordre de grandeur, l'amplitude de ladite lumière alternative étant modulée par l'occultation provoquée par le ou les fils. En parallèle avec les éléments photoélectriques 21 et 22 est branchée la résistance de charge 25 de faible valeur ohmique, cette valeur étant calculée de telle façon que les éléments photoélectriques fonctionnent pratiquement en court-circuit en ce qui concerne l'influence de la lumière continue. Un condensateur 27 sépare la tension continue résiduelle et est calculé de telle manière qu'il présente, en combinaison avec la résistance de dérivation 28, une très faible constante de temps afin que les fréquences voisines de la fréquence du réseau ne scient pas transmises. L'amplificateur opérationnel 34, de type connue soi, utilisé pour les opérations de calcul et qu'on trouve aisément dans le commerce, a pour fonction d'amplifier les tensions alternatives engendrées par les éléments photoélectriques 21 et 22 dcnt la fréquence est de l'ordre de 10 kHz, dans toute la mesure du possible, tandis que les impulsions de tension des éléments photoélectriques 21 et 22 résultant de variations relativement lentes des influences de la lumière étrangère ne sont pas amplifiées. t'amplification de la tension alternative est déterminée, d'une manière connue en soi, par les ré sistances de contre-réaction 30 et 29 ainsi que par le condensateur 31.Par un choix convenable d'une constante de temps aussi petite que possible pour les résistances 28 et 29 et les condensateurs 27 et 31, on élimine les composantes de tension continue et les fréquences très basses, de sorte que la distribution de tension dans le canal de contre-réaction devient suffisamment favorable pour qu' aucune amplification ne se produise dans la bande passante disponible. Pour obtenir la compensation d'amortissement désirée de la résistance de charge 25, c'est-à-dire l'augmentation apparente de cette résistance de charge dans une mesure correspondant à l'utilisation d'une aractéristique de fonctionnement à vide adjacente, pour les tensions alternatives, à partir d'une fréquence limite inférieure, par exemple, de 150 Hz, on utilise une réaction positive qui doit toujours etre, de préférence, inférieure de quelques unités pour cent à la contre-réaction précédemment décrite, pour éviter une autoexcitation. La résistance de charge 25 représente, avec la résistance 26, la résistance de charge de sortie de l'amplificateur opérationnel 34. Le rapport de division de ces deux résistances détermine le niveau de la réaction positive. Etant donné que l'amplificateur opérationnel 34, comme déjà mentionné, assure une forte amplification de la tension alternative pour les fréquences relativement élevées mais ne produit aucune amplification de la tension continue ni des tensions alternatives de basse fréquence, l'amortissement de la résistance 25 est fortement compensé, comme désiré, pour les tensions alternatives faisant partie de la gamme de fréquences utiles. On obtient, en conséquence, pour la gamme de fréquences utiles des tensions alternatives, une élévation apparente de la résistance de charge tandis que, pour la tension continue, la valeur de résistance plus faible de la résistance de charge 25 est maintenue. Les condensateurs 35 et 36 ainsi que la résistance 37 sont prévus pour la compensation usuelle de fréquence de l'amplificateur opérationnel et sont souvent incorporés à celui-ci. La résistance 38 représente la résistance de découplage usuelle dans le cas d'une charge capacitive par le condensateur 39. L'alimentation de l'amplificateur opérationnel s'effectue aux bornes 40, 41 à partir d'une source à courant constant. Aux points de connexion 43a et 43b, est recueilli le signal de tension alternative de sortie qui est pratiquement exempt de toute composante de tension continue. Ce signal de sortie peut - éventuellement, par l'intermédiaire Q' amplifica- teurs supplémentaires - être transmis à un démodulateur qui sépare les variations d'amplitude de la fréquence fondamentale résultant de l'occultation par le fil. L'exemple de montage représenté sur la Fig. 1 peut être modifié de diverses manières. Ce qui importe, au point de vue de la présente invention, est que la résistance de charge ohmique 5, montée en parallèle avec les éléments photoélectriques 1 et 2, fasse partie d'un amplificateur de tension alternative à large bande comportant une contre-réaction déterminant le gain et comprenant une réaction positive compensant l'amortisselent de la résistance ohmique et qui, comme précédemment décrit, doit toujours être plus faible que la contreréaction. Grace à cette disposition, la résistance 5 représente une forte charge pour les tensions continues mais seulement une très faible charge pour les tensions alternatives sans qu'on ait à supporter les inconvénients des inductances, des cellules de filtrage, des circuits résonnants ou analogues. On peut, par exemple, remplacer l'amplificateur opérationnel 14 par tout autre élément d'amplification désiré tel que, par exemple, un simple transistor dont la tension alternative de sortie peut alors être transmise à d'autres étages amplificateurs. L'utilisation de l'amplificateur opérationnel 14 comme élément d'amplification présente toutefois l'avantage, outre sa grande stabilité, de rendre en même temps inutile l'utilisation de plusieurs amplificateurs successifs. Néanmoins, il peut,dans certains cas, rester avantageux de transmettre le signal de tension alternative de sortie recueilli aux points de connexion 23a et 23b, par l'intermédiaire d'autres étages amplificateurs. Revendications 1 - Procédé de surveillance photo électrique de processus dynamiques et, notamment, de surveillance d'au moins un fil dans des machines pour l'industrie textile, au moyen d'un élément photoélectrique au silicium qui fonctionne pratiquement en court-circuit en ce qui concerne l'influence de la lumière continue, ledit procédé étant caractérisé en ce que la tension alternative de l'élément photoélectrique résultant des influences de la lumière alternative est déchargée par une tension additionnelle de même phase qu'elle et qui lui est proportionnelle, de telle manière que l'élément photoélectrique fonctionne pratiquement à vide en ce qui concerne la tension alternative. 2 - Dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, du type comportant un élément photoélectrique au silicium en parallèle avec lequel est montée une résistance ohmique d'une valeur telle que l'élément photoélectrique soit pratiquement court-circuité en ce qui concerne la composante de courant continu, ledit dispositif étant caractérisé en ce que la résistance ohmique fait partie d'un filtre passe-bande constitué par un générateur RC fonctionnant au-dessous de la limite d'oscillation. 3 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément photoélectrique est monté en parallèle avec la résistance ohmique disposée dans la partie médiane d'un circuit RC à trois étages. 4 - Dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance ohmique montée en parallèle avec l'élément photoélectrique fait partie d'un am- plificateur de tension alternative à large bande dont la réaction positive compensant l'amortissement de la résistance ohmique est toujours plus faible que la contre-réaction déterminant le gain. 5 - Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'amplificateur de tension alternative à large bande est constitué par un élément d'amplification (tel qu'un transistor) connecté à la résistance de charge au moyen d'un condensateur et d'une résistance de dérivation. 6 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'élément d'amplification est constitué par un amplificateur opérationnel d'un type connu en soi pour les opérations de calcul et dont la réaction positive compensant l'amortissement de la résistance ohmique est toujours plus faible que sa contre-réaction déterminant le gain.