Brevet FR2298111A1 — publié le 19760813

La présente invention concerne un dispositif permettant de mesurer la valeur efficace d'un signal électrique, généralement sous la forme d'une tension alternative, périodique ou aléatoire, le dispositif permettant d'engendrer une tension continue égale ou proportionnelle à cette valeur efficace. Avec le développement des charges non linéaires et des réglages par découpage sur les réseaux alternatifs, il est important de connattre la valeur efficace vraie d'une tension ou d'un courant, car cette valeur peut différer notablement de celle qui aurait été déduite de la mesure d'une valeur moyenne ou de crête, en supposant le signal sinusotdal. La connaissance de la valeur efficace est aussi nécessaire pour les faibles signaux non périodiques1 éventuellement avec composante continue, tels que ceux qui sont fournis par les capteurs de bruit, de vibration, de force ou de déplacement. Les appareils de mesure du type électromagnétique à fer mobile ont une consommation importante et une précision limitée, spécialement dès que la fréquence dépasse une centaine de Hertz. On connatt aussi les appareils mesurant la valeur efficace d'un signal au moyen d'une analogie thermique. Ces appareils présentent des inconvénients aux points de vue de la rapidité de réponse, de la sensibilité et de la fragilité. On connatt enfin des appareils utilisant des générateurs de fonction effectuant sur le signal les opérations mathématiques d'élévation au carré, d'obtentionde la valeur moyenne et d'extraction de la racine carrée. Ces circuits peuvent utiliser les techniques connues des dispositifs à semi-conducteurs, tels que les fonctions non linéaires engendrées par des segments de droite, les modulations d'amplitude et de durée, ou le passage par les fonctions logarithmiques. On sait qu'il est aussi possible d'éviter d'extraire la racine carrée au moyen d'un asservissement permettant de diviser le carré de la valeur instantanée par la valeur de sortie de l'appareil. Ces techniques sont décrites, à titre d'exemple, dans l'article "Instrument EMS Measurements", publié dans la revue Instruments and Control Systems - Vol. 47 ne 8 - Âott 1974, pages 49 à 52. Les appareils effectuant les opérations mathématiques ont des performances satisfaisantes. Ils utilisent cependant des circuits électroniques relativement complexes et onéreux, dont les caractéristiques doivent titre précises et doivent rester stables à long terme. La présente invention est relative à un appareil réalisant les opérations d'élévation au carré, d'obtention de la valeur moyenne et d'asservissement évitant d'avoir à extraire la raciale carrée, ces opérations étant réalisées au moyen de fonctions simples pour lesquelles on peut se placer dans des conditions où la dérive n'intervient pas, ou dont la stabilité n'est nécessaire que pendant un court instant. Suivant l'inventions la valeur instantanée du signal électrique à mesurer, transformé en une tension redressée, est comparée à la partie croissante dans le temps d'une tension en dent de scie. Au moment de l'égalité de ces deux tensions, la valeur de la surface du triangle défini par la pente montante de la dent et les axes de coordonnées est représentative du carré de la valeur instantanée du signal d'entrée. Si la période de la tension en dent de scie est suffisamment faible vis-à-vis de la vitesse de variation du signal à mesurer, l'échantillonnage réalisé par les aires des triangles successifs est représentatif du carré de la valeur du signal d'entrée. Suivant l'invention, après avoir fait une exploration du signal à mesurer, la tension en dent de scie va ensuite explorer de la même manière une tension continue de signe opposé à celui du signal redressé, cette tension continue provenant de la sortie d'un intégrateur intégrant successivement les deux sortes de triangles de signes opposés. Selon une réalisation préférée de l'invention, le signal à mesurer est exploré par la pente montante ainsi que par la pente descendante d'une dent, tandis que la dent suivante de polarité opposée explore aussi deux fois la tension continue. De la sorte, la surface totale des triangles est doublée, ainsi que la cadence dtexploration, et il n'est pas nécessaire que les pentes montantes et descendantes des dents soient les mimes, pourvu que ces pentes restent constantes pendant la mesure. Suivant une réalisation particulière de l'invention, lorsque le signal à mesurer est périodique, le sommet de la dent positive est asservi de façon à être légèrement supérieur à la valeur de crete de la tension du signal à mesurer, et le sommet de la dent négative est asservi de façon à etre légèrement supérieur à la tension continue de sortie de l'intégrateur. L'intégrateur travaillant ainsi au voisinage de ses caractéristiques optimales, on améliore donc la sensibilité de l'appareil. D'autres particularités de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif : la Figure 1 est le schéma de principe de l'appareil conforme à l'invention et la Figure 2 est un chronogramme de fonctionnement de l'appareil. En référence à la Figure 1, le signal électrique à mesurer1 supposé être mis sous la forme d'une tension X, est appliqué à un élément redresseur (1). La tension de sortie de ce redresseur est appliquée à une entrée d'un comparateur (2), dont l'autre entrée reçoit une tension en dent de scie provenant d'un générateur (3). Cette tension en dent de scie est aussi appliquée à une entrée d'un deuxième comparateur (4), dont l'autre entrée reçoit une tension continue dont il sera question plus loin. Les sorties des comparateurs (2 et 4) sont appliquées à l'entrée de commande d'un dispositif de commutation (5) par l'inter- médiaire d'une porte "OU" (6). Les comparateurs (2 et 4) sont agencés pour délivrer un signal de sortie tant que la valeur absolue de la tension en dent de scie est supérieure à la valeur absolue de la tension comparée.Le dispositif de commutation (5) est agencé pour fermer un interrupteur lorsque son entrée de commande est actionnée. Cet interrupteur met à la masse la tension en dent de scie, cette dernière étant d'autre part appliquée à un intégrateur (7) muni d'un condensateur de contre-réaction (8) et d'une résistance d'entrée (9). Une résistance (10) est interposée entre la sortie du générateur en dent de scie (3) et l'entrée de l'intégrateur (7), en amont du dispositif de commutation (5). La tension de sortie S de l'intégrateur est envoyée sur la deuxième entrée du deuxième comparateur (4) comme il a été vu ci-dessus. Cette tension S peut alimenter un appareil indicateur à courant continu non représenté sur la Figure 1. Le fonctionnement du dispositif est illustré par la Figure 2. La tension à la sortie de l'élément redresseur est représentée par la courbe (77). La pente montante (12) de la tension en dent de scie rencontre la courbe (11) en (13). A ce moment, la sortie du comparateur (2) provoque la fermeture du dispositif de commutation (5), ce qui annule la tension à la sortie de la résistance (10). L'intégrateur (7) intègre donc une grandeur proportionnelle à la surface du triangle (14). Au point (15) la tension en dent de scie est plus supérieure à la tension redressée (11), le comparateur (2) n'émet plus de signal de sortie et le dispositif de commutation se rouvre en définissant un nouveau triangle (16). L'intégrateur (7) intègre donc ensuite une grandeur proportionnelle à la surface du triangle (16). On voit que les surfaces des triangles (i4, 16...) sont proportionnelles au carré des valeurs instantanées de la tension X du signal à mesurer. De même, au point (17), la tension en dent de scie est égale à la tension continue (18) de sortie de l'intégrateur (7) et le comparateur (4) émet un signal de sortie qui provoque la fermeture du dispositif de commutation (5). Un triangle (19) est ainsi défini, en corrélation avec la pente descendante (20) du signal en dent de scie. Enfin, au point (21), la tension en dent de scie n'est plus supérieure, en valeur absolue, à la tension continue (18), le comparateur (4) n'émet plus de signal de sortie et le dispositif de commutation se rouvre en définissant un nouveau triangle (22). Après avoir intégré des grandeurs proportionnelles aux surfaces des triangles (14 et 16), l'intégrateur (7) intègre donc ensuite des grandeurs de signes opposés et proportionnelles aux surfaces des triangles (19 et 22). On voit que les intégrations successives se poursuivent à la cadence définie par le générateur en dent de scie (3). Lorsque le système est en équilibre, la somme des carrés des valeurs instantanées de la tension à mesurer X est égale au carré de la tension continue (18). On voit donc que la tension continue apparaissant en S est proportionnelle à la valeur efficace de la tension X. L'étalonnage peut entre fait simplement en appliquant une tension continue connue à l'entrée de l'élément redresseur (1). On voit que la précision de l'appareil n'exige pas la constance dans le temps de caractéristiques non linéaires, telles que celles qui sont nécessaires dans les dispositifs multiplieurs. De plus, du fait que chacune des pentes de signes opposés (12 et 20) définissent chacune deux triangles donnant lieu à des intégrations de signes opposés, on voit qu'une des pentes des dents de scie peut changer d'inclinaison par rapport à l'autre sans affecter la précision de la mesure. En se référant à nouveau à la Figure 1, il a été représenté en (23) un dispositif permettant de mesurer la valeur de crête de la tension X. Cette mesure est transmise au générateur de dents de scie (3). Ce dernier reçoit aussi la tension continue de sortie de l'intégrateur (7). Un asservissement, non représenté sur la Figure 1, mais indiqué sur la Figure 2, permet de régler le sommet de la dent de scie positive à une valeur (24), légèrement plus grande que la valeur de cette (25) de la tension X, et de régler le sommet de la dent de scie négative à une valeur (26), également légèrement plus grande que la tension continue (18) de l'intégrateur. Ces légers dépassements de tension peuvent entre, par exemple, obtenus par les tensions de seuil de diodes mises dans les deux circuits d'asservissement. Ainsi, lorsque la tension X est périodique, on est assuré que toutes les parties de la courbe de omette tension en fonction du temps seront prises en considération par l'échantillonnage, quel que soit le facteur de crête de cette tension. De plus, lorsque la valeur efficace de la tension X peut varier dans un certain rapport, par exemple de 1 à 10, le niveau d'entrée de l'intégrateur (7) varierait dans ce cas dans le rapport de 1 à 100 s'il n'y avait pas d'asservissement, ce qui diminuerait la sensibilité de cet intégrateur. Au contraire, avec l'asservissement décrit ci-dessus, le niveau d'entrée de l'intégrateur (7) ne varie, dans le cas cité, que dans le rapport d'environ 1 à 10, ce qui réduit l'erreur relative de la mesure. Lorsque la valeur de crête de la tension X diminue, l'asservissement qui diminue les sommets des dents de scie est de préférence réalisé en diminuant entre certaines limites les pentes des dents plutôt qu'en augmentant la fréquence de la tension en dent de scie, de façon à ne pas introduire de distorsions qui apparaissent lorsque la fréquence est trop élevée pour la technologie utilisée. Sur la Figure 1, il a été également ajouté en (27) un dispositif à seuil de tension branché sur la sortie du dispositif (23) mesurant la valeur de crête de la tension X. Le seuil de tension du dispositif (27) est réglé de façon à donner une indication lorsque la valeur de crotte (25) de la tension X est égale ou supérieure à la valeur maximale qui peut être donnée à la tension en dent de scie (24). Ainsi, lorsqu'on mesure une tension X ayant un facteur de crête important, une indication est donnée dès qu'une partie de la courbe (11) de la tension X ne peut plus être prise en compte par l'appareil, provoquant ainsi une erreur de lecture. Cette indication peut être utilisée pour provoquer, manuellement ou automatiquement, un changement de gamme de mesure. Les fonctions auxquelles il est fait référence dans les Figures 1 et 2, ainsi que les asservissements décrits, relèvent de la technique connue. L'homme de l'art pourra facilement les réaliser, en y apportant les perfectionnements ou modifications technologiques souhaitables. Ainsi, à titre d'exemple, l'élément redresseur peut comporter un amplificateur asservi de façon à éviter la chute de tension qu'on aurait dans une simple diode. De même, au lieu de mettre à la masse à travers une résistance (10) la liaison entre le générateur de tension en dent de scie (5) et l'intégrateur (7), le dispositif de commutation (5) peut être agencé pour couper cette liaison lorsque son entrée de commande est actionnée. De plus, dans le cas d'une tension X non périodique, le dispositif (23) de mesure de la valeur de crête peut dtre périodiquement remis à zéro, ou bien son condensateur d'intégration de la valeur de crête peut être déchargé avec une certaine constante de temps. Enfin, l'entrée de l'appareil peut comporter tout dispositif atténuateur, filtre, amplificateur ou convertisseur, afin de mesurer des grandeurs de différentes natures et de différentes valeurs. Sans sortir du domaine de l'invention, il est aussi possible d'envisager un fonctionnement différent du dispositif de commutation (5), ce dernier restant fermé à partir du moment où son entrée de commande a été actionnée, jusqu'à ce que la tension en dent de scie repasse par zéro. On n'aurait ainsi intégré que les grandeurs proportionnelles aux surfaces des triangles (14 et 19). Le dispositif, objet de l'invention, peut être utilisé dans des appareils portatifs ou fixes, analogiques ou numériques, destinés à mesurer, enregistrer ou régler avec précision, sensibilité et fidélité, la valeur efficace vraie d'une grandeur pouvant être mise sous la forme d'une tension électrique. REVDICATIONS 1. Dispositif permettant d'engendrer une tension continue égale à la valeur efficace d'un signal électrique à mesurer, comprenant un générateur de tension en dent de scie à deux pentes de signes opposés définissant des dents positives et négatives, deux compa rateurs, une porte "OUt' à deux entrées, un dispositif de commutation, un intégrateur et un dispositif redresseur, caractérisé en ce que la sortie du générateur en dent de scie est connectée, d'une part à une première entrée de chacun des deux comparateurs et, d'autre part, à l'entrée de l'intégrateur par l'intermédiaire du dispositif de commutation, en ce que la sortie de l'intégrateur est reliée à une seconde entrée de l'un des deux comparateurs, en ce que le signal dont on veut mesurer la valeur efficace est appliqué à l'entrée du dispositif de redressement dont la sortie est connectée à la seconde entrée de l'autre comparateur, la polarité du signal redressé étant opposée à celle de la tension de sortie de l'inté grateur, en ce que chacun des deux comparateurs est agencé pour délivrer un signal de sortie tant que la valeur absolue de la tension en dent de scie est supérieure à la valeur absolue de la tension comparée, en ce que les signaux de sortie de chacun des deux comparateurs sont respectivement appliqués aux deux entrées de la porte "OU" et en ce que la sortie de la porte "OU" est appliquée à l'entrée de commande du dispositif de commutation, lequel est agencé pour ne laisser passer le signal de sortie du générateur en dent de scie à destination de l'intégrateur qu'en l'absence de signal sur son entrée de commande. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commutation est agencé pour relier à la masse, à travers une résistance, la sortie du générateur de tension en dent de scie, lorsque son entrée de commande est actionnée. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commutation est agencé pour couper la liaison entre la sortie du générateur de tension en dent de scie et l'entrée de 1'intégrateur, lorsque son entrée de commande est actionnée. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant un dispositif mesurant la valeur de crête du signal électrique à mesurer, ce dernier étant périodique, caractérisé en ce que le générateur de tension en dent de scie est relié, d'une part à la sortie du dispositif mesurant la valeur de crête, et d'autre part à la sortie de l'intégrateur, et est asservi de façon à ce que la dent de scie positive ait une valeur maximale légèrement supérieure à la valeur de crête du signal électrique à mesurer, et de façon à ce que la dent de scie négative ait une valeur maximale légèrement supérieure à la tension continue de sortie de l'intégrateur, cet asservissement étant de préférence réalisé en modifiant entre certaines limites la pente des dents de scie et en conservant une période sensiblement constante. 5. Dispositif selon la revendication 4, comprenant un dispositif à seuil de tension, caractérisé en ce que le dispositif à seuil de tension est relié à la sortie du dispositif de mesure de la tension de crête du signal électrique à mesurer et est agencé de façon à donner une indication lorsque cette tension de crête dépasse la valeur maximale que peut prendre la dent de scie positive en fonc tion de l'asservissement. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie de l'intégrateur est reliée à un appareil indicateur.