Brevet FR2136940A1 — publié le 19721229

La présente invention concerne la combinaison du calcul analogique et du calcul numérique de façon très simple et fondamentale appliquée à la resolution d'équations-complexes , à la linéarisation des mesures non linéaires et également a la courbe d'évolution de phénomènes heuristiques L'état actuel de la technique des calculateurs exige l'emploi de calculateurs numériques et de programmes de calculs difficiles ou longs à établir , ou l'emploi de calculateurs analogiques peu répandus et aux réglages délicats où notamment les fonctions complexes sont obtenues par des amplificateurs opérationnels dans lesquels on ne peut normalement obtenir que des soustractions et des additions .Sn outre , malgré les tres grands progrès des amplificateurs opérationnels contemporains , les dérives de ceux-ci ne sont pas nulles L'invention a pour objet d'éviter ces inconvénients et de réaliser un dispositif qui fournit directement selon une loi fondamentale de ltélectro- magnétisme , l'élévation au carré ou l'extraction de racine . Les fonctions exponentielles sont obtenues plus directement par l'introduction d'un simple coefficient dans une chaîne amplificatrice . Les dérives sont totalement supprimées par principe .Le dispositif permet la simplification de l'appareillage dans le cas où les paramètres ne sont pas nombreux Le dispositif permet également, à l'aide d'une variante de réglage , de linéariser les courbes de forme parabolique , sans être obligé de prévoir des cadrans gradués spécialement Une autre application du dispositif selon l'invention est la prévision dans le temps de phénomènes heuristiques , l'introduction des paramè- tres dans ce cas est très simple ( exemple : prévision de l'évolution entropique des entreprises ou de tout autre phénomène ) Les phénomènes électromagnétiques étant par essence réversibles le rôle des moteurs électrodynamiques ou des galvanomètres utilisés peut être inversé de sorte que par exemple l'extraction des racines se transforme automatiquement en élévation au carré et que la linéarisation d'une fonction exponentielle peut être également inversée pour permettre d'obtenir une fonction exponentielle définie à partir d'un ou plusieurs phénomènes linéaires ou non La conception modulaire des différentes bobines et pots d'excitation ( wield ) , permet de combiner les fonctions en associant les uns ou les autres modules, en mécano.Cela ouvre la possibilité de résoudre facilement, pratiquement une quantité infinie de fonctions Le présent dispositif ne concurrence nullement les calculateurs analogiques totalement statiques , mais au contraire , peuvent s'y incorporer en permettant des réalisations plus simples de certaines fonctions en particulier, carrés, racines carrées, exposants. En outre , par la possibilité d'isolement total, même pour des tensions élevées entre les entrées et les sorties , il permet aux-dits calculateurs de couvrir des emplois qui leur étaient jusqu'à présent difficilement accessibles .La possibilité d'obtenir l'information de sortie sous une forme d'interface , entre le calcul de fonctions analogiques et leur exploitation numérique Le dispositif permet de modifier manuellement les parametres pour approcher une fonction désirée et se servir des données analogiques résultantes comme données de départ d'un système de programmation d'un calculateur numérique , car on voit directement l'impact de l'une des données sur la résultante finale On se fixe au départ cette résultante à obtenir à la sortie et on fait varier les paramètres d'entrée jusqu'à supersposer la courbe prédéterminée avec celle obtenue par approximation .On élimine ainsi une grande partie de l'analyse mathématique et de sa programmation en vue du traitement par ordinateur numérique, ce qui en général est très long et complexe et requiert un personnel hautement qualifié et spécialisé Dans un mode de réalisation préféré de l'invention , le dispositif est constitué principalement par un moteur-force électrodynamique rectiligne ou galvanométrique rotatif à aimant ou cadre mobile dont le principe de construction permet à la force engendrée de suivre une loi linéaire, quadratique ou exponentielle par rapport au courant d'excitation ( le système linéaire ne présente d'intérêt par rapport au système totalement électroniqx qu'en ce qu'il permet la séparation des potentiels des fonctions d'entrée et de sortie - séparation qu'il est extrêmement complexe de réaliser en électronique ) Ce moteur électrodynamique contrebalance un ou plusieurs moteurs du m8me genre, de sorte que le courant d'excitation est la résultante des courants appliqués au deuxième moteur électrodynamique selon la combinaison des lois de chacun d'entre eux . La pondération des courants d'entrée permet d'appliquer tous les coefficients désirables nécessaires à la reproduction sous forme électrique de diverses fonctions mathématiques .Le courant d'excitation du moteur principal est automatiquement réglé à l'équilibre exact des différentes forces par un servo-mécanisme amplificateur associé à un système de détection de zéro Un moteur seul fournit des lois linéaires, exponentielles ou quadratiques - le carré ou la racine étant un cas particulier de l'exponentielle exposant 2. Si dans une disposition dont le principe est défini plus haut on excite un second moteur-force ou galvanomètrique , à partir des informa tions du premier , on applique une nouvelle fois exposant ou la racine. ; t o ~ Si on excite un troisième moteur ou galvanomètre et que l'on applique encore une fois le résultat du second , on obtient un exposant 8 ou la racine 8ème de l'information entrée et ainsi de suite ta technologie actuelle des microcadres galvanomètriquas et l'exis-. tence des circuits intégrés peut permettre la multiplication de ces dispositifs sous un faible encombrement couvrant ainsi une possibilité d'exécuter des calculs perticulièrement complexe pour un codt peu élevé D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, d'exemples de réalisation et en se réfé rant aux dessins annexés dans lesquels - La figure 1 représente le schéma d'un dispositif selon l'invention, destiné à extraire la racine carrée de la somme de deux fonctions - La figure 2 représente le schéma d'un dispositif destiné à fournir la somme algébrique de deux mesures linéaires - La figure 3 représente le schéma d'un dispositif destiné à fournir une mesure linéaire de la somme de deux phénomènes exponentiels - La figure 4 représente le schéma d'un dispositif destiné à fournir la racine carrée de la somme algébrique de plusieurs carrés - La figure 5 représente le schéma d'un dispositif destiné à feurnir une exploitation linéaire de la somme de plusieurs exponentielles - La fanure 6 représente la coupe de l'ensemble schématique de la figure 1 - La figure 7 représente une autre réalisation selon la figure 1 où les moteurs électrodynamiques rectilignes sont remplacés par des systèmes à moteurs-forces électrodynamiques galvanomètriques rotatifs à cadre ou à aimant mobile, pour couvrir les mêmes applications linéaires - La figure 8 représente une autre réalisation selon la figure 7 où l'on associe à un galvanomètre à aimant permanent, un galvanomètre à champ engendré par une bobine ( de champ ) mise en série avec la bobine de mesure Le dispositif selon la figure 1 comporte un premier moteur-force électrodynamique A composé d'une bobine mobile 1 plongée dans le champ magnétique engendré par l'aimant 2 et la culasse 3 . La bobine mobile 1 est liée rigidement à la bobine mobile 4 du moteur-force électrodynamique B. L'équipage mobile C constitué par les bobines 1 et 4 comporte un détecteur d'écarts 5 . Cet ensemble est maintenu sans frottement dans l'entrefer des moteurs-forces par les flectors 6 et 7 qui assurent un centrage rigoureux sans présenter de retour élastique mesurable. L'ensemble magnétique du moteur-force B se compose de la pièce polaire centrale 8 excitée par la bobine 9 . La culasse 10 referme le champ. Ce dispositif comporte aussi un amplificateur de type usuel pour servo-mécanisme qui recueille l'information du détecteur d'écarts 5 et fournit la puissance au moteur B dans le sens qui convient à l'annulation de l'erreur . Dans le cas de la figure 1 , la bobine mobile 1 est figurée avec deux enroulements , ce qui permet d'obtenir la somme algébrique de deux fonctions f(x),f(y), appliquées simultanément aux entrées x et y . Ce procédé permet un isolement total entre les entrées entre elles d'une part et ces entrées et la sortie d'autre part La mesure s'effectue par lecture directe du courant traversant le moteur-force B , ou par prise de potentiel aux bornes d'une résistance série de faible valeur et très stable , insérée dans le même circuit .Cette mesure peut être soit une lecture sur appareil conventionnel à échelle linéaire, soit recueillie par tout dispositif usuel d'enregistrement De plus, il est possible d'ajouter dans le circuit un compteur ampère-heure mètrique à courant continu , qui fournit l'intégrale par rapport au temps de la fonction f(x),f(y) Tel qu'il est représenté sur la figure 1 , le dispositif fonctionne de la manière suivante. Les fonctions f(x),f(y), sont appliquées sous forme de courant proportionnel aux enroulements respectifs de la bobine mobile 1 La force engendrée se présente selon la forme F = BLI B = champ magnétique dans l'entrefer, L = longueur du fil de chaque enroulement , I = intensité traversant chaque enroulement. La force résultante tend à déplacer l'équipage mobile C . Le détecteur d'écarts 5 traduit ce déplacement par une information qui est appliquée à l'amplificateur 11 . Cet amplificateur,corrigé pour tenir compte des rei tards de phase , alimente la bobine mobile 4 placée en série avec la bobine de champ 9 du moteur-force B et l'appareil de mesure 12 La force engendrée par ce courant de la forme ( aux coefficients près) 7 = ILI = I. I2 , ramène l'équipage mobile C vers sa position primitive. Cet ensemble reviendra d'autant plus près du zéro que le gain de l'amplificateur Il est élevé . L'intensité du courant mesuré par l'appareil 12 constitue , au moment de l'équilibre exact entre les deux moteurs A et B l'analogie électrique précise des phénomènes appliqués en x et y , par la loi quadratique du dispositif : on extrait donc effectivement la racine carrée vraie de la somme algébrique des deux fonctions f(x), f(y) On peut inverser les fonctions des moteurs-forces A et B . En particulier le moteur-force A peut être constitué d'une bobine de champ en série avec chacune des bobines correspondant aux entrées x et y Le moteur-force B a son champ entretenu par un aimant permanent .Dans ce cas la foroe déve.loppée par le moteur A n'est plus la somme des carrés des fonctions f(x),f(y), mais une fonction plus complexe dans laquelle inter- vient un terme uultiplicateur . En effet, chaque enroulement de la bobine mobile est excitée non seulement par le champ engendré par son propre courant, mais en outre par le champ engendré par l'autre enroulement Si l'on désire en rester à la somme de deux carrés, il faut scinder le moteur-force A en deux appareils ( au point de vue champ magnétique seulement ) La figure 2 représente le schéma d'un dispositif selon l'invention destiné à fournir la somme algébrique de deux mesures linéaires ( cas où l'isolement des entrées entre elles et.par rapport à la sortie est indis pensable) . il se compose des mêmes éléments que dans le cas de figure 1 sauf le moteur-force 5 dans lequel le champ magnétique est engendré par un aimant permanent identique à celui du moteur-force A, la bobine 9 est supprimée .La mesure s'effectue par l'intermédiaire ddl'appareil 12 selon la loi directe F = 3LI Le fonctionnement est rigoureusement identique à celui du dispositif décrit sur la figure 1 La figure 3 représente le schéma d'un dispositif selon l'invention destiné à fournir une mesure linéaire de la somme algébrique de deux phénomènes exprimés par des lois exponentielles. Ce dispositif se compose des mêmes éléments que dans le cas décrit dans la figure 1 à l'exception du moteur-force TB et d'un amplificateur supplémentaire 13 . La particularité de ce nouveau moteur-force-D réside dans la combinaison d'un aimant permanent 14 et d'une bobine de champ 15 Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant : en l'absence de tout courant dans la bobine 15 , le dispositif se comporte d'une façon rigoureu sement semble à celui décrit sur a figure 2 . Si, grâce à l'amplificateur 13, on fait passer un courant électrique proportionnel au signal dans la bobine 15, le champ engendré n'est plus constant , mais varie en fonction du signal selon le gain de l'amplificateur 13 .Le gain de cet amplificateur usuel ( amplificateur opérationnel intégré plus circuit de puissance ) peut être réglé avec une très grande précision. Lorsque le gain est égal a -l'unité , on peut régler le courant de la bobine 15 au voisinage de zéro Au contraire , lorsque le gain sera élevé , le courant de la bobine 15 croîtra beaucoup plus vite que le signal de sorte que le champ varie tr s rapidement et d'une manière connue, en fonction de ce signal . Le réglage du gain correspond donc à introduire un exposant connu dans la mesure qui sera traduite par l'appareil 12 .Le signe de cet exposant , pour autant que les pièces constitutives du moteur-force D ne soient jamais saturées, sera celui du sens du courant appliqué dans la bobine 15 La figure 4 représente un dispositif selon l'invention destiné à extraire la racine carrée de la somme algébrique de plusieurs carrés . Il se compose des mêmes éléments que ceux décrits figure 1 et 2 , c'est-à-dire de l'association de deux fois deux ensembles F et G conformes à la description de la figure 1 . Les sous-ensembles F et G, semblables,ne sont pas liés mécaniquement mais seulement interconnectés électriquement . Ils peuvent donc être séparés " géographiquement " .Les deux fonctions f(x),f(y), de la figure 1 sont celles qui "interconnectent" les sous-ensembles F et G et qui , d'autre part, sont appliquées au moteur-force linéaire de G Pour la clarté du dessin, il n'a été représenté que deux fonctions, mais ce nombre n'est pas limitatif .Seule , la décroissance du champ entrainée par l'augmentation de l'entrefer nécessitée par la mise en place de nombreux enroulements peut limiter le nombre de fonctions pour un seul appareil il est alors possible d > interconnecter plusieurs ensembles mécaniquement ou électriquement Le fonctionnement de ce dispositif est semblable à celui décrit sur la figure 1 . il en diffère cependant par le fait que les fonctions f(x) f(y), sommées par le moteur A de la figure 1, sont calculées par le moteurforce linéaire A2 de l'ensemble G L'élévation au carré de la somme f(x),f(y), est effectuée par le moteur-force quadratique B2 et le résultat est envoyé sur la bobine du moteur A1 ; on obtient avec une grande précision la racine carrée de la somme algébrique de deux carrés.La résultat, comme dans la figure 1 est exploité par l'appareil de mesure 12 La figure 5 représente un autre dispositif selon l'invention destiné à fournir une exploitation linéaire de la somme algébrique de plusieurs fonctions exponentielles Ce dispositif se compose de deux sous-ensembles K et L, indépendants mécaniquement et interconnectés comme dans le cas décrit sur la figure 4 Chaque sous-ensemble est lui-même composé par des élements semblables à ceux utilisés dans le cas de la figure 3 , c'est-à-dire un moteur-force linéaire A3 associé à un moteur-force exponentiel El Le fonctionnement est en tous points semblable à celui décrit dans a figure 4 , à ceci près que les moteurs-forces quadratiques, dans ce cas particulier où l'exposant est égal à 2, sont remplacés par des moteursforces où la grandeur de l'exposant est définie par le gain des amplificateurs selon 13 , figure 3 Cas particulier d'application de ce montage : mesure directe et très simple du débit tqtal d'un cours d'eaufranchissant plusieurs passes parallèles sur déversoir ( irrigation, hydroélectricité ) ta figure. 6 est la réalisation d'un dispositif conforme au schéma de la figure 1 . Il comporte une calasse 1, un aimant 2, une pièce polaire 3 asssmblée par la vis amagnétique 4 . Un manchon d'assemblage 5 centré sur la culasse 1 reçoit six méplats 5 et 8 qui pincent sans l'écraser à l'aide des vis 9 le flector 7, lequel est serré au entre sur l'axe 12 par la série d'entretoise 10,11,17,19, qui fixent également la rondelle-disque 13 armature du condensateur de détection d'erreurs, ainsi que le flector 18 l'ensemble est complété par les deux bobines mobiles 11 et 20 et constitue n 1'equipage mobile de l'appareil" Le deuxième flector 18 est pincé comme le flector 7 par les pièces 21, 22.et les vis 23 contre le manchon d'assemblage 24 .Trois méplats 34 serrés également par les vis 23 supporteÇl'armature fixe, isolée, du condensateur de détection d'erreurs 14 , par l'intermédiaire des entretoises 15 et des vis 16 . Cette armature fixe 14 est constituée à partir de Copperp clad " par exemple, gravé de manière a constituer un condensateur isolé par le matériau de base ( verre, résine par exemple ) Dans le cas où l'on décide de donner à l'appareil des dimensions suffisantes, tout l'amplificateur électronique peut être logé en circuits imprimés et intégrés sur cette même pièce 14, à l'exception des organes dégageant éventuellement de la chaleur La culasse 25 est magnétisée par la bobine 2R dont le circuit magnétique se referne par la pièce polaire 29 et par le fond 25. L'assemblage étant réalisé par les vis 27 et la vis centrale magnétique 30 . Les deux manchons 24 et 25 supportant les culasses sont assemblés par les tiges filetées 32 les entretoises 31 et les écrous 33 La bobine 37 plongée dans l'entrefer de la culasse 1 et de la pièce polaire 3, reçoit une ou plusieurs bobines , isolées entre elles et par rapport à la masse. Les extrémités de ces bobines sont arrêtées sur les plots 35 par où arrive le courant électrique.La bobine est dotée des Les dispositions et les arrivées de courant se font sur les plots 36 Le fonctionnement de l'appareil est décrit par ailleurs La figure 7 représente une altre forme de réalisation selon l'iven tion dans laquelle la translation rectiligne d'un équipage mobile selon l'équilibrage de deux forces antagonistes, est remplacée par la rotation de l'équipage mobile autour d'un axe Les éléments moteurs opposés pouvant recevoir la forme de cadre mobie de galvanomètre, on retrouve dans ce cas le moteur-force linéaire constitué par un aimant permanent engendrant un champ constant dans lequel se meut la bobine mobile totative. On retrouve également le même dispositif dans lequel l'aimant permanent- est remplacé par une bobine de champ .La combinaison des deux systèmes pre'ce'dents , nous ramène au moteur-force exponentiel selon la figure 8 . Les possibilités d'emploi de ces divers dispositifs sont les mêmes que ceux dotés de moteurs-forces à dép]acement rectiligne, à la différence près que les forces engendrées seront plus faibles , mais quten compensation, le développement de l'industrie des appareils de mesure permet d'escompter pour des dispositifs de ce type , une miniaturisation poussée. il en résulte une possibilité de multiplier les éléments ( modu Paires),.les sous-éléments et les ensembles, et ainsi, d'atteindre le calcul des fonctions très complexes à peu de frais Le dispositif objet de l'invention peut être utilisé à la résolution fondamentale (graphique par exemple) par l'interLédiaire d'un enregistreur classique d'équations elliptiques,paraboliques,hyperboliques, d'équations algébriques complexes, d'équations intégrales par rapport au temps, de fonctions linéaires ou non . On peut également l'utiliser pour réaliser des alimentations stabilisées à haute tension : isolement facile entre la haute tension et les circuits amplificateurs ( accélérateurs linéaires, rayons X). - alimentation de klystron - balance de comparaison de courbes - courbes heuristiques ( entropie d'entreprise et de son produit ou de tout autre phénomène ) - linéarisation de mesures non linéaires. Exemple : linéarisation et exploi- tation numérique en provenance d'un thermocouple ou de sonde à résistance. ( cette mesure directe est actuellement impossible avec les appareils tra ditionnels. En effet, ou bien l'échelle des températures n'est pas linéal ou bien il faut utiliser un convertisseur redresseur de courbe complexe et souvent imprécis .) - Calcul de débits de grands ouvrages hydroliques dans le cas de passes multiples - problèmes d'interface entre le calcul de fonctions analogiques et leur exploitation numérique REVENICÀT7 ONS 1 - Dispositif utilisant le principe de l'opposition de force (mesure de zéro) appliqué au calcul analogique et à sa pondération en système numérique binaire ou autre, permettant la résolution de façon fondamentale d'équations algébriques complexes, elliptiques,paraboliques et hyperboliques équations intégrales par rapport au temps, fonctions linéaires et non linéaires par exemple , par l'intermédiaire d'un système électromagnétique associé à des amplificateurs électroniques , analogiques ou numériques dont le gain est quasi infini ( la précision de la mesure est très grande du fait de l'absence de frottement et de retour élastique mesurable caractérisé par le fait que chaque sous-ensemble élémentaire , doté de son amplificateur,est constitué par un moteur-force électrodynamique rectiligne de calcul et un autre moteur-force ( également rectiligne) d'injection de données qui peut être simple ou composé 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les moteurs-forces rectilignes peuvent être remplacés par des moteurs-forces galvanomètriques rotatifs, à cadre mobile par exemple 3 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les entrées sont isolées entre elles et également isolées par rapport à la sortie .Cet isolement ne perturbe pas la linéarité de l'injection des paramètres à l'entrée 4 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les sous-ensembles peuvent être combinés entre eux de façon modulaire pour obtenir un ensemble de calcul conforme à l'étude d'une série de phénomènes définis 5 - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par le fait que les liaisons des sous-ensembles de calcul peuvent être assurés par des codes numériques 6 - Dispositif selon la revendication f caractérisé par le fait que 1'on peut séparer les sous-ensembles de calcul , les liaisons étant effectuées normalement par de simples courants continus 7 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'on peut simplifier ou même supprimer certains programmes de calcul interface dans l'emploi des ordinateurs , par calcul préalable direct dans le dispositif R - Dispositif selon la revendication 1 aractérisé par le fait que 'es servo-mécanismes internes de chaque sous-ensen.bTe.fournissent directement des données numériques, ce qui permet d'introduire sans conversion les données numériques dans les ordinateurs ( fonctionnement comparable à celui des voltmètres numériques asservis )