Brevet FR2384238A1 — publié le 19781013

La présente invention est relative à un circuit électronique pour le traitement de signaux de capteurs de débit, notamment applicable aux signaux fournis par les capteurs associés à des débitmètres à émission de tourbillons. On sait que pour la mesure du débit de fluide dans une conduite, on utilise dans certains cas des débitmètres à émission de tourbillons, du type à obstacle engendrant une allée de tourbillons alternés de Karman, ou du type à émission de tourbillons provoqués par un déflecteur. La fréquence des tourbillons ainsi engendrés est liée par une relation linéaire à la vitesse locale d'écoulement du fluide et la mesure de cette fréquence permet de déduire le débit dans la conduite. Cette mesure de fréquence s'effectue au moyen de capteurs sensibles à l'émission ou au passage des tourbillons et capables de dé- tecter les variations de pression locales qui accompagnent l'émission de ces tourbillons. Cependant, ces capteurs fournissent en plus du signal électrique contenant le signal utile à la fréquence fondamentale qui est représentative de la vitesse d'écoulement du fluide, des composantes de fréquences parasites dues à des bruits ou à des vibrations d'origines diverses. Ces fréquences parasites ont le double inconvénient, d'une part, de rendre difficile la restitution du signal utile à la fréquence fondamentale traduisant le débit réel du fluide, d'autre part d'induire des signaux représentatifs de débits fictifs, mEme lorsque l'écoulement du fluide est nul. Comme la loi qui lie linéairement la fréquence du signal utile au débit reste précise dans une large étendue de mesure, il est très important de pouvoir exploiter ce signal dans toute cette étendue, et donc de pouvoir l'isoler des signaux parasites dOs à l'écoulement du fluide lui-meme, aux vibrations des conduites, aux pulsations dans le fluide, ainsi qu'aux influences électriques. Pour tenter d'isoler le signal utile, diverses solutions ont déjà été proposées, telles que : filtre de bande à fréquence centrale suiveuse, oscillateur commandé en tension dans une boucle d'asservissement de phase, etc .. Mais ces solutions sont généralement complexes et croûteuses, et d'une mise en oeuvre délicate. En observant les signaux recueillis à la sortie des capteurs débitmétriques, la Demanderesse a constaté qu'il était nécessaire d'effectuer sur ces signaux un traitement différent à l'extrèmité inférieure de l'étendue de mesure et à ltextremité supérieure de cette étendue de mesure. L'invention a donc pour objet un circuit de traitement de signaux issus de capteurs débitmétriques qui effectue un traitement sélectif suivant la fréquence de ces signaux sans présenter la complexité des circuits antérieurement connus, et qui permet d'augmenter l'étendue de mesure utile. Le circuit de traitement suivant l'invention, comporte un préamplificateur d'entrée branché à la sortie du capteur de mesure de débit, et il est caractérisé en ce qu il comprend en outre - deux voies branchées en parallèle à la sortie dudit amplificateur, l'une à basse fréquence, apte à amplifier les signaux entre une fréquence de coupure minimale et une fréquence de transition, l'autre à haute fréquence, apte à amplifier les signaux entre ladite fréquence de transition et une fréquence de coupure maximale, - un premier comparateur ayant une entrée reliée à la sortie de la voie basse fréquence et-une seconde entrée sur laquelle est appliqué un signal correspondant à ladite fréquence de coupure minimale, et commandant un interrupteur relié à la sortie de la voie basse-fréquence, - et un second comparateur ayant une entrée reliée à la sortie de la voie haute fréquence et une seconde entrée sur laquelle est appliqué un signal correspondant à ladite fréquence de transition, et commandant un commutateurinverseur ayant une borne d'entrée reliée à la sortie de la voie haute fréquence et une autre borne d'entrée reliée à la sortie dudit interrupteur, de telle sorte qu'au plus une voie est mise en communication avec la sortie du circuit. Le circuit comprend ainsi deux voies différentes, respectivement pour le traitement des signaux à basse fréquence et des signaux à haute fréquence, et les comparateurs de sortie commandent des organes de commutation assurant automatiquement - soit l'aiguillage vers la sortie du circuit des signaux traités sur l'une des deux voies, suivant la valeur du débit à mesurer par rapport à une valeur de débit dit de transition - soit leur interruption, suivant la valeur du débit à mesurer vis-à-vis d'une valeur minimale de débit prédéterminée. Les deux voies sont calculées pour présenter des courbes de transmission ayant des fronts abrupts au voisinage de la fréquence de transition, de telle sorte que l'ensemble constitue un filtre de bande dont une seule partie, d'un côte ou de l'autre de la fréquence de transition, est finalement passante en sortie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre en relation avec le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif d'un mode de réalisation de l'invention. Sur ce dessin - la figure 1 représente un circuit de traitement conforme à l'invention, - la figure 2 montre la courbe de transmission de ce circuit. En se référant à la fig. 1, on voit le circuit de traitement 10 ayant son entrée ll branchée à la sortie d'un capteur débitmétrique 12. Ce circuit comporte essentiellement: un préamplificateur 13 permettant d'obtenir un niveau suffisant de signal ; deux voies de traitement des signaux, respectivement à basse fréquence et à haute fréquence, désignées de façon générale par I et Il, qui sont branchées en parallèle à la sortie du préamplificateur 13 et qui seront décrites plus en détail ei-après ; et un circuit de commutation comportant deux comparateurs analogiques-logiques 14 et 15, respectivement branchés à la sortie des voies I et II et commandant un interrupteur 16 également relié à la sortie de la voie I, et un commutateur-inverseur 17.Ce commutateur 17 a deux bornes d'entrée, l'une reliée à la sortie de l'interrupteur 16, l'autre reliée à la sortie de la voie II, et il peut mettre ainsi la sortie 18 du circuit de traitement en communication soit avec la sortie de l'interrupteur 16, soit avec la sortie de la voie II. La sortie 18 peut être reliée, de façon connue, à une fréquencemètre et à un compteur d'impulsions qui indiquent respectivement le débit instantané et le débit cumulé du fluide à mesurer. De façon plus précise, la voie I comprend un réseau passe-bas en L à résistance-capacité 21, constitué par une résistance 22 et un montage en parallèle d'un condensateur 23 et d'une résistance 24. Ce réseau 21 est suivi d'un amplificateur basse fréquence 25 constitué par un amplificateur différentiel avec un réseau de contreréaction 26 à résistances-capacité. La voie I comporte en outre à sa sortie un monostable 27 relié à la sortie de l'amplificateur 25 à travers un autre filtre passe-bas en L à résistance 28 - capacité 29. Ce monos table (ou circuit "timer") a une durée de basculement T et est apte à fournir des impulsions calibrées de durée et d'amplitude constantes. De manière analogue, la voie à haute fréquence II comprend un réseau passehaut en L 31 constitué par un condensateur 32 et une résistance 33 ; en outre, un montage anti-parallèle de redresseurs 34 est branché aux bornes de cette résistance. Le réseau 31 est suivi d'un amplificateur haute fréquence 35 constitué par un amplificateur différentiel avec un réseau de résistances de contreréaction 36. Cette voie II comporte aussi à sa sortie un monos table 37 relié à la sortie de l'amplificateur 35 à travers un autre filtre passe-haut en L à capacité 38 - résistance 39. Le monostable 37 a une durée de basculement t et fournit des impulsions calibrées d'amplitude et de durée constantes. A la sortie des voies I et II, les impulsions calibrées des monos tables 27 et 37 sont respectivement converties en tensions continues proportionnelles à leur fréquence de répétition au moyen de deux réseaux de filtrage en L 41 42 à résistance-capacité de constantes de temps différentes, la constante de temps du circuit 41 étant la plus longue. Les tensions continues ainsi obtenues, désignées par VBF et VHF,sont appliquées respectivement - la tension VBF sur l'une des entrées de l'amplificateur différentiel consti tuant le comparateur 14 - la tension VHF sur l'une des entrées de l'amplificateur différentiel constituant le comparateur 15. Le comparateur 14 reçoit sur sa seconde entrée une tension continue Vmin. correspondant à la fréquence minimale de coupure Fmin correspondant au débit minimal à mesurer. La sortie de l'amplificateur 14 est reliée à l'entrée de commande de l'interrupteur 16 qui est par exemple constitué par une porte analogique MOS. Le comparateur 15 reçoit sur sa seconde entrée une tension continue Vo correspondant à la fréquence de transition Fo et sa sortie est reliée à l'entrée de commande du commutateur 17, également constitué d'éléments statiques à semi-conducteurs. Le fonctionnement de ce circuit de traitement va etre explicité en relation avec la fig. 2 qui représente, en fonction de la fréquence portée en abscisses, les courbes de transmission TI et TII des deux voies I et II à front abrupt au voisinage de la fréquence de transition Fo et la courbe de transmission résultante TR. La courbe A représente la variation quadratique de l'amplitude des signaux en fonction de la fréquence. La voie d'amplification I à basse fréquence élimine les signaux-parasites de fréquence plus élevée que la fréquence de transition Fo gracie aux filtres passe-bas successifs constitués par les circuits 21, 25, 28-29 et convertit les signaux de fréquence inférieure en impulsions de durée T au moyen du monostable 27, la durée T étant choisie en fonction de la gamme de débit à mesurer, par exemple de l'ordre de plusieurs millisecondes. Parallèlement, la voie II à haute fréquence à une bande passante telle que les signaux de fréquence inférieure à Fo sont fortement attenués afin d'éviter l'influence des perturbations parasites à basse fréquence particulièrement importantes lorsque le débit augmente, et qui sont dues à des phénomènes d'écoule- ment et à des vibrations mécaniques. Cette protection est assurée grace aux filtres successifs constitués par les circuits 31, 35, 38-39.En particulier, l'efficacité du filtre 31 est améliorée par la présence des redresseurs 34 dont la résistance diminue quand l'amplitude des signaux augmente, ce qui a pour conséquence une diminution de la constante de temps du réseau 31, donc un filtrage passe-haut dont la fréquence de coupure augmente lorsque 11 amplitude A des signaux, c'est-à-dire le débit du fluide à mesurer, augmente. La séparation du signal utile à haute fréquence des signaux parasites à basse fréquence devient ainsi plus efficace lorsque l'amplitude des signaux d'entrée augmente. Le monos table 37 convertit les signaux de fréquence supérieure à Fo en impulsions de durée t, choisie de l'ordre de la milliseconde en fonction du débit maximal à mesurer. Les durées de basculement T et t des monos tables 27 et 37 sont choisies de manière à assurer, pour une gamme de fréquence respective, une protection pendant cette durée contre un redéclenchement intempestif du monos table sous l'effet d'une impulsion parasite brève qui se produirait entre deux fronts du signal utile et dont l'amplitude serait retombée en dessous, puis repasserait au delà de leur seuil de déclenchement.On voit que si la voie de traitement des signaux était unique, il serait nécessaire de choisir une durée de basculement t telle que 2t soit inférieure à la période du signal correspondant au débit maximal pour ne pas perdre de signaux utiles à la fréquence du débit maximal. Gracie au doublement des voies et au traitement sélectif de leurs signaux il est possible de choisir les durées de basculement des monostables 27 et 37 des valeurs t et T différentes dans un rapport de 5 à 10, ce qui permet une immunisation accrue contre les signaux parasites pour chaque bande de fréquence respective des voies I et II. Les impulsions de sortie élaborées par les monos tables 27 et 37 sont ensuite converties en tensions continues proportionnellesà leur fréquence de répétition dans les filtres 41 et 42, respectivement VBF et VHF. la constante de temps de chacun de ces circuits 41 et 42 est choisie de telle façon que des impulsions parasites isolées en nombre limité ne contiennent pas une énergie suffisante pour charger le condensateur à une tension suffisante capable de faire basculer la sortie du comparateur 14 ou 15. En vue de protéger le débitmètre contre les perturbations qui peuvent se produire à débit nul ou aux débits très faibles, hors de l'étendue de mesure du débitmètre, il est prévu- d'élaborer la tension continue Vmin correspondant au débit minimal à mesurer et de lui comparer la tension VBF issue du circuit 41. Cette comparaison s'effectue au moyen du comparateur 14 et suivant le signal logique fournit par ce comparateur à sa sortie, l'interrupteur 16 est ouvert si VBF( Vmin, et il est fermé si Vmin D'autre part, la tension VHF est comparée à la tension Vo qui correspond à la fréquence de transition Po dans le comparateur 15. Si l'on a VHFV Vo le comparateur fournit à 1'inverseur 17 un signal logique qui a pour effet d'établir la liaison entre la sortie de l'interrupteur 16 avec la sortie 18, isolant la voie II. Si au contraire VHF > VO, le comparateur 15 fournit le signal logique complémentaire qui a pour effet de relier la sortie de la voie II à la sortie 18, isolant la voie I. Finalement, suivant que le débit à mesurer se trouve dans une gamme de débit très faible, compris entre le débit minimal et le débit correspondant à la fréquence de transition, ou supérieur à ce dernier, on recueille à la sortie 18 soit un signal nul, soit les signaux traités uniquement sur la voie I, soit les signaux traités uniquèment sur la voie II. A titre d'exemple, on a obtenu d'excellents résultats avec les caractéristiques suivantes pour le traitement des signaux d'un débitmètre à tourbil lons étendue de mesure : 10 - 300 impulsions/seconde fréquence Fo : 55 Hz durées de basculement ( T 6,5 ms ( t 1 ms REVENDICATIONS 1. Circuit électronique pour le traitement de signaux fournis par un capteur de mesure de débit de fluide, comportant un préamplificateur d'entrée branché à la sortie dudit capteur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre - deux voies branchées en parallèle à la sortie dudit amplificateur, l'une à basse fréquence, apte à amplifier les signaux entre une fré quence de coupure minimale et une fréquence de transition, l'autre à haute fréquence, apte à amplifier les signaux entre ladite fréquence de transition et une fréquence de coupure maximale - un premier comparateur ayant une entrée reliée à la sortie de la voie basse fréquence et une seconde entrée sur laquelle est appliqué un si gnal correspondant à ladite fréquence de coupure minimale, et comman dant un interrupteur relié à la sortie de la voie basse-fréquence, et - un second comparateur ayant une entrée reliée à la sortie de la voie haute fréquence et une seconde entrée sur laquelle est appliqué un si gnal correspondant à ladite fréquence de transition, et commandant un commutateur-inverseur ayant une borne d'entrée reliée à la sortie de la voie haute fréquence et une autre borne d'entrée reliée à la sortie du dit interrupteur, de telle sorte qu'au plus une voie est mise en compu- nication avec la sortie de circuit. 2. Circuit suivant la revendication 1 , caractérisé en ce que chaque voie est constituée par le montage en série d'au moins un réseau de filtrage, d'un amplificateur de bande, et d'un monos table fournissant des impulsions ca librées. 3. Dispositif suivant la revendication 2 , dans lequel le réseau de filtrage de la voie à haute fréquence comporte un filtre en L à capacité-résistance caractérisé en ce que la résistance dudit filtre est branchée en parallèle avec un montage de deux redresseurs en antiparallèle. 4. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les mono stables respectifs de chacune des deux voies ont des durées de basculement différentes. 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la durée de basculement des impulsions du monostable de la voie à basse fréquence est de 5 à 10 fois plus longue que celle des impulsions du monos table de la voie à haute fréquence. 6. Dispositif suivant la revendication 2 , caractérisé en ce que, entre la sortie d'une voie et l'entrée du comparateur correspondant est branché un circuit de filtrage fournissant une tension proportionnelle à la fréquence de répétition des impulsions du monostable à la sortie de cette voie. 7. Dispositif suivant la revendication 6 , caractérisé en ce que ledit cir cuit de filtrage à la sortie de la voie à basse fréquence a une constante de temps plus longue que celle du circuit de filtrage à la sortie de la voie à haute fréquence.