Brevet FR2220793A1 — publié le 19741004

La présente invention concerne un circuit électrique à la fois sensible et réactif à des influences telles que celles de la chaleur, de la lumière, des champs magnétiques, de la pression, de la viscosité, du son, du mouvement, et autres phénomènes analogues. Selon un premier aspect, l'invention-realise un circuit électrique incorporant un pont de Wheatstone dont une branche contient un élément "résistif11, ce terme désignant, dans la présente description, un élément dont la résistance électrique varie à la perception d'un phénomène déterminé, cette variation de résistance faisant entrer en oscillation, par rétroaction positive, un amplificateur à entrée différentielle, à gain élevé, et à facteur de différence, et faisant cesser son fonctionnement par rétroaction négative. Selon un autre aspect, l'invention réalise uncircuit électrique en forme de système oscillateur bistable à boucle fermée comprenant : un pont de Wheatstone à quatre branches comportant des résistances dont l'une peut recevoir un élément résistif ; et unamplificateur à entrée différentielle, à gain élevé, et à facteur de différence, comportant un organe de rétroaction raccordé inductivement à l'entrée dudit pont de Wbeatstone, l'entrée positive dudit amplificateur étant raccordée à une première sortie dudit pont de Wheatstone située entre deux de ses branches, tandis que son entrée négative est raccordée à une seconde sortie dudit pont située entre les deux autres branches ; toute variation de résistance dudit élément résistif due à la détection d'un phénomène ayant pour effet de modifier ltéquilibre du pont et d'appliquer une tension provenant du pont à l'entrée de l'amplificateur pour le faire fonctionner, un signal d'une polarité déclenchant les oscillations de l'amplificateur pour l'entrainement dudit pont, et'un signal de polarité opposée entrainant l'interruption immédiate desdites oscillations. Les variations du phénomène à détecter sont ainsi représentées par l'oscillation du circuit ou par son état de repos. Ceci dispense de devoir contrôler les niveaux de tension continue dans les diverses parties du circuit. Les écarts du niveau de fonctionnement continu dus à la température, à l'usure des éliments, ou à d'autres causes, n'affectent pas la fiabilité du circuit. Seul l'état d'équilibre du pont à l'entrée commande le point d'oscillation, et l'aptitude des ponts à quatre branches (ponts de Wheatstone) à compenser d'eux-mêmes l'usure, les changements de température, et autres influences, est bien connue. Les ponts de Wheatstone sont également connus pour la précision de leur résolution d'un point d'équilibre, et c'est cette caractéristique qui confère une extrême précision au dispositif selon la présente invention. Comme le point d'oscillation est principalement déterminé par le point d'équilibre du pont, un changement de 2 à 1 du gain de l'amplificateur n'affectera pas sensiblement l'exactitude de la détection et rendra ainsi la fiabilité du circuit pratiquement indépendante des semi-conducteurs ou des tubes électroniques composant l'amplificateur. Les circuits classiques très sensibles, à gain élevé, présentent des inconvénients en pratique car ils captent de multiples bruits et parasites électriques étrangers. Un circuit mettant la présente invention en pratique utilise un circuit accordé à grande puissance réactive dans sa boucle de rétroaction, ne donnant un gain élevé que pour une fréquence étroite déterminée. L'amplificateur ne détecte donc que les signaux se trouvant dans cette bande très étroite. Les émetteurs classiques, et autres dispositifs utilisant des bandes de fréquence très étroites souffrent des écarts de fréquence de l'émetteur ou du récepteur faisant émettre des signaux à une fréquence différente de celle de la réception et ayant pour conséquence un fonctionnement défectueux. Le circuit de la présente invention utilise une bande de fréquence très étroite pour son fonctionnement de façon à obtenir une élimination des parasites très élevée. Nais comme l'é- metteur est un pont entrainé depuis l'amplificateur par un circuit accordé, ce dernier détermine la sélectivité de fréquence de l'amplificateur et la fréquence appliquée au pont (émetteur) pour actionner l'amplificateur. il est évident que, dans un tel système, il ne peut y avoir qu'unie fréquence accordée puisqu'un seul circuit détermine la fréquence de fonctionnement. L'invention va être décrite en détail au moyen de quelques exemples, non limitatifs, d'application, représentés aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de montage représentant le circuit fondamental utilisé dans la présente invention - la figure 2 est un schéma de montage dlun circuit additionnel raccordé au circuit de la figure 1 au point A pour fournir un signal de sortie continu pouvant être envoyé à une charge d'utilisation - la figure 3 est un schéma de montage d'un circuit additionnel raccordé au circuit de la figure 1 au point B et uti lisant une source de lumière et une résistance photosensible ; - la figure 4 représente une partie du circuit de la fi gure 1 dans laquelle la résistance 23 est une résistance sen 3 sible aux champs magnétiques - la figure 5 représente le montage raccordé au point B de la figure 1 mais dans lequel la résistance R3 est remplacée par une bobine et un condensateur, la puissance réactive de ce dernier ensemble donnant une résistance~efficace - la figure 6 est une variante du circuit de la figure 1 dans laquelle la résistance R3 est un haut-parleur utilisé pour détecter un mouvement ; et - la figure 7 est une variante du circuit de la figure 1 dans laquelle on utilise un système de diodes. Le circuit de la figure 1 représente un pont de Wheatstone 10 comportant : une première branche comprenant un résistor R1 i une seconde branche comprenant un résistor R2 ; une troisième branche comprenant un résistor R3 ; et une quatrième branche comprenant un résistor Rq. Le pont est équilibré, dans ce montage, quand on a R3 Ra = R3 + R4 Ra + R2 La borne du point réunissant les résistors R2 et R3 est reliée à la terre. Un conducteur 12 est raccordé, à une de. ses extrémités, à la borne réunissant les résistors R1- et 22 et, à son autre extrémité, à ltentrée négative d'un amplificateur 13 à entrée différentielle, à gain élevé CI 000 000/1, par exemple), et à facteur de différence. L'amplificateur est relié à la terre par un conducteur 14. La sortie de l'amplificateur est raccordé à l'entrée D Cu-pont par un conducteur de rétroaction 16. Un conducteur 18 est raccordé, à une de ses extrémités, à la borne réunissant les résistors R3 et R4 et, à son autre extrémité, à l'entrée positive de l'amplificateur 13. Un élément sélecteur de fréquence est constitué par un circuit accordé 20 comprenant une bobine 22 et un condensateur 24. Un circuit à cristal ou un autre circuit sensible à la fréquence pourrait être utilisé au lieu du circuit résonnant. Le résistor R3 sert ici d'élément détecteur. Dans le présent brevet, ce résistor est dénommé "élément résistif". On entend par là tout élément produisant un effet de résistance en ce point du pont. I1 comprend des appareils tels que des résistors sensibles à la chaleur, aux champs magnétiques ou à la lumière, des éléments à puissance réactive variable, des appareils percevant la pression, la viscosité, l'absorption phonique, les déplacements, et autres phénomènes pouvant être traduits par un changement de résistance en R3. La présente invention est susceptible de multiples applications. L'élément résistif pourra être placé en n'importe lequel des points R1, R2, R3 ou N selon que la résistance augmente ou non, ou diminue ou non, avec le phénomène en cours d'examen. Si, par exemple, on utilise R3 une augmentation de résistance produira une augmentation de tension positive à l'amplificateur' Une diminution de la résistance de R4 produira une augmentation de tension positive à l'amplificateur. Une diminution de résistance de R2 produira une augmentation de tension positive à l'amplificateur. Une augmentation de résistance de R1 produira une augmentation de tension positive à l'amplificateur. I1 est évident que, bien qu'une oscillation puisse servir à représenter une condition, l'état opposé (ou de repos) peut, au contraire, servir à représenter une condition, ou vice-versa. Tout résistor du pont peut être choisi comme élément résistif selon qu'on désire une oscillation ou un état de repos sous l'influence d'une augmentation de résistance. Le circuit de la figure 1 est, normalement, en état de repos. Supposons que R3 soit un résistor sensible à la chaleur dans lequel l'augmentation de chaleur provoque une augmentation de la résistance et qu'il lui soit appliqué une source de chaleur0 L'augmentation de chaleur fera croltre la résistance de R3 et le pont cessera d'être équilibré. Il y aura augmentation de la tension positive appliquée au côté positif de l'amplificapteur par le conducteur 18. Dès que ceci se produit, mêne faiblement, l'amplificateur comnlence ss osciller et le circuit entre rapidement en fonctionnement. Un signal alternatif de sortie est transmis à une charge d'utilisation à la fréquence fixée par le circuit accordé 20. Le signal peut d'abord être multiplié ou démultiplié au moyen d'un transformateur, si on le désire. Quand on interrompt l'arrivée de chaleur à R3 la tension retombe rapidement entre R3 et R4. Dès qu'elle est descen 3 R4. due au point où il ne se produit plus d'amplification par rétroaction positive, l'oscillation s' arrête rapidement. On voit donc que ce montage constitue un circuit fondamental simple, efficace et répondant rapidement. 3ien qu'il soit de nature électronique, il n'exige pas d'éléments spéciaux polarisateurs ou compensateurs, ou autres. La figure 2 représente un circuit de sortie de courant continu raccordé au point Â au circuit de la figure 1. Cette portion de circuit sert à appliquer une tension continue de sortie à l'entrée d'une charge L. Un condensateur 26 est inséré dans le conducteur 28 pour faire passer la tension de sortie alternative au point h, laquelle est transmise à la fréquence du circuit accordé 20. Une diode est insérée dans le conducteur 32 qui mène à la terre. Ceci convertit la tension de sortie au point en une tension continue. Un condensateur 34 est inséré dans le conducteur 36 qui mène à la terre. Ce condensateur constitue un filtre qui contribuera à filtrer la composante alternative vers la terre. Une tension continue apparaîtra alors aux bornes de la charge L. Celle-ci pourra être l'entrée d'un appareil d'utilisation tel que ceux connus sous le nom déposé de "ordinateurs", par exemple. Si on le désire, la tension recueillie au point A pourra également faire passer le signal alternatif à travers l'enroulement primaire d'un transformateur élévateur de tension (non représenté). La figure 3 représente un circuit additionnel raccordé au point B du circuit de la figure 1. Dans cette variante, R est un résistor sensible à la lumière. Sa résistance diminue à réc action d'un flux lumineux. En l'absence de lumière, ce circuit additionnel oscille du fait d'une rétroaction positive élevée gagnant l'amplificateur 13 par le conducteur 18. On y voit une source de lumière 38 et une lentille convergente 40. La source de lumière peut être raccordée à une source quelconque d'énergie, ou la lumière peut provenir d'une source naturelle telle que le soleil. Quand la lumière frappe le résistor R3 sa résistance diminue, ce qui affaiblit la rétroac tion positive gagnant l'entrée positive de l'amplificateur 13 par le conducteur 18 et, par conséquent, étouffe l'oscillation de l'amplificateur. Quand la source de lumière 38 est interrompue, il se produit une rétroaction positive par le conducteur 18 vers l'en- trée positive de l'amplificateur 13, ce qui déclenche l'oscillation de l'amplificateur. I1 est évident que si le résistor R4 était l'élément sensible à la lumière, ce serait le contraire qui se produirait. Le montage peut être conçu de façon que la source de lu:nie- re 38 soit raccordée à la sortie de l'amplificateur 13 au point B, comme représenté en traits interrompus, de façon à constituer un système d'oeil électrique ne fonctionnant que sous l'action de la lumière en provenance d'une source déterminée. La source de lumière est une lampe centrée sur le résistor R3. Quand l'os- cillateur est au repos, la lampe est éteinte et la résistance de R3 est élevée. Ceci produit une rétroaction positive et les oscillations commencent. L'oscillation-fait allumer la lampe, abaissant la résistance de R3 et interrompant les oscillations. Le système clignote donc autour de sa fréquence propre. La constante de temps étant essentiellement établie par la lampe et le résistor photo-sensible. Quand une source de lumière clignotante auto-alimentée est montée en système d'oeil électrique, le clignotement ne peut se produire que s'il existe un chemin libre entre la lampe alimentée par l'amplificateur et le résistor photo-sensible. Une lumière étrangère, même atteignant la cellule photo-électrique et en modifiant la résistance, ne peut pas provoquer de clignotement. Ce système est très fiable comme système de sécurité puisqu'il ne détecte exclusivement qu'une source déterminée de lumière et ne peut pas être déréglé par une lumière parasite ou des réflexions en provenance d'autres sources. Dans le montage de la figure 4, le résistor R3 a une résistance sensible aux champs magnétiques. Quand l'aimant 41 s'approche de R3 à une distance déterminée, la résistance de R3 augmente. Ceci fait osciller l'amplificateur 13 par rétroaction positive. Quand l'aimant s'éloigne d'une certaine distance, l'oscillation de l'amplificateur est arrêtée par la rétroaction négative. Si l'aimant 41 est monté sur le chariot d'une machine et que le résistor R3 soit placé sur un autre élément de ladite machine, ce circuit fonctionnera comme disjqncteur de sécurité. Quand l'aimant monté sur le chariot s'approche de l'élément résistif R3 sa position est détectée par la variation de résistance de R3. La figure 5 représente un circuit additionnel raccordé au point B du circuit de la figure 1. C'est un circuit accordé utilisant une bobine 43 montée en parallèle avec un condensateur 42. Sa résistance efficace dépend de la proximité d'un élément ou organe conducteur 44 du champ produit par la bobine 43. Quand tous les éléments conducteurs sont situés en dehors du champ de la bobine 43, la résistance efficace du circuit est grande et ne dépend que des caractéristiques propres de la bobine et du condensateur. Mais quand un conducteur 44 pénètre dans ce champ, la résistance efficace du circuit s'abaisse du fait de la charge du champ magnétique de la bobine par l'élément conducteur qui y pénètre. Ce principe est utilisé dans les disjoncteurs de proximité et les détecteurs de mines. On notera que, lorsque le circuit accordé de la figure 5 est utilisé comme élément de circuit du pont, il sert d'élément sélecteur de fréquence pour la totalité du circuit et le circuit selecteur de fréquence 20 de la figure 1 n'est pas utilisé à la sortie de l'amplificateur. Dans le montage de la figure 6, l'élément résistif de R3 est constitué par un dispositif à haut-parleur. I1 comprend un conte de haut-parleur 46 autour du noyau duquel est enroulée une bobine 48 et un condensateur 49 en parallèle avec la bobine 48. Quand le cône 46 du haut-parleur est environné d'air, il exerce un certain effet résistif aux bornes de la bobine 48, mais s'il est en contact avec un autre élément, du sable par exemple, l'effet résistif qu'il exercera aux bornes de la bobine diminuera du fait du changement de viscosité sur le cône du haut-parleur. Ici aussi, quand on utilise le circuit accordé de ce montage, le circuit accordé 20 de la figure 1 devient inutiles On pourra utiliser un cristal piézo-électrique (non représenté) pour détecter, comme décrit ci-dessus, un changement de viscosité par rapport au haut-parleur, car la résistance efficace dans un cristal piézo-électrique est fonction de lanli- berté de déplacement matériel du cristal. Une jauge de contrainte (non représentée) pourra etre utilisée pour faire varier l'effet résistif de R3, toute contrain te sur la jauge ayant pour résultat une modification inhérente de sa résistance. Si une jauge de contrainte est reliée à une barre de section transversale rectiligne, un certain poids produira une certaine contrainte et provoquera de même un changement connu dans la résistance de la jauge de contrainte. De cette façon, la présente invention peut s'appliquer à un détecteur de cotes ou de poids. De même une jauge de contrainte reliée à un récipient sous pression (non représenté) peut donner un changement de résistance en cas de changement de pression, pour actionner le circuit. Comme les jauges de contrainte à élément unique sont sujettes à des écarts thermiques, le circuit à pont à quatre branches peùt servir de pont de jauge de contrainte à quatre branches dont la caractéristique auto-compensatrice est connue. Le montage de la figure 7 comporte des diodes 50 et 52, montées dos à dos en parallèle, ce montage parallèle étant luimême en série avec le résistor R5, et l'ensemble série diodesrésistor 25 étant monté en parallèle avec le résistor R2. Ce montage procure un passage très brusque de l'état d'oscillation à l'état de repos, et vice-versa. Tant que l'ensemble du circuit est au repos ou oscille à très faible amplitude, la tension aux bornes de R2 est trop basse pour que les diodes conduisent. De ce fait, le résistor R5 n'a aucun effet dans le circuit. Au fur et à mesure que la tension de sortie de l'amplificateur augmente, la tension aux bornes de R2 augmente et les diodes 50 et 52 commencent à conduire, mettant effectivement le résistor R5 en parallèle avec le résistor R2 et abaissant ainsi la résistance efficace de la branche du pont contenant 22. L'abaissement de 13 résistance efficace de R2 augmente la rétroaction positive vers l'amplificateur et y produit des oscillations plus élevées. L'amplificateur fonctionne donc dans deux états stables, soit oscillant à amplitude élevée quand les diodes 50 et 52 conduisent, soit fonctionnant à un niveau très bas (niveau de repos) quand les diodes ne conduisent pas. REVENI)I CATI ONS =========================== 1.- Circuit électrique incorporant un pont de Wheatstone, caractérisé en ce qu'une branche du pont contient un élément résistif dont la résistance électrique varie à la perception d'un phénomène déterminé, cette variation de résistance faisant entrer en oscillation, par rétroaction positive, un amplificateur à entrée différentielle, à gain élevé, et à facteur de différence, et interrompant le fonctionnement dudit amplificateur par rétroaction négative. 2.- Circuit électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplificateur à entrée différentielle, à gain élevé, et à facteur de différence, comporte un organe de rétroaction raccordé non inductivement à l'entrée dudit pont de Wheatstone, l'entrée positive dudit amplificateur étant raccordée à une première sortie dudit pont de Wheatstone situé entre deux de ses branches, tandis que son entrée négative est raccordée à une seconde sortie dudit pont située entre les deux autres branches ; toute variation de résistance dudit élément résistif due à la détection d'un phénomène ayant pour effet de modifier l'équilibre du pont et d'appliquer une tension provenant du pont à l'entrée de l'amplificateur pour le faire fonctionner, un signal d'une polarité déclenchant les oscillations de l'amplificateur pour l'entraînement dudit pont, et un signal de polarité opposée entraînant l'interruption immédiate deadi- tes oscillations. 3.- Circuit électrique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel l'élément résistif est un circuit accordé comprenant un condensateur et une bobine sensible à la présence rapprochée d'un conducteur électrique modifiant la puissance réactive de la bobine et la résistance efficace du circuit accordé dans le pont. 4.- Circuit électrique selon une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, dans lequel l'élément résistif comporte un dispositif à haut-parleur comprenant un cône, un noyau, une bobine enroulée autour dudit noyau et un condensateur en parallèle avec ladite bobine, ledit cône de haut-parleur percevant un changement de milieu ambiant et réagissant, par modification de mouvements, de façon à modifier la résistance efficace dudit élément résistif. 5.- Circuit électrique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel une paire de diodes montées dos à dos sont placées entre la sortie dlun pont de Wheatstone et l'entrée d'un amplificateur. 6.- Circuit électrique selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, dans lequel un élément sélecteur de fréquence est disposé dans le circuit amplificateur. 7.- Circuit électrique selon la revendication 6, construit et disposé de façon que 11 élément résistif soit également l'élément sélecteur de fréquence. 8.- A titre de produit industriel nouveau, circuit électrique selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, construit et fonctionnant comme décrit dans la description ci-dessus et comme représenté aux figures I à 7 des dessins annexés.