Brevet FR2428826A1 — publié le 19800111

L'invention concerne la transmission de la valeur d'une ou plusieurs grandeurs physique entre deux pièces en mouvemant de rotation relative. Les grandeurs physiques sont généralement représentées par un signal électrique analogique. On peut transmettre directement un tel signal électrique analogique entre deux pièces en rotation relative, à l'aide de contacts glissants qui forment un collecteur tournant. De tels contacts glissants sont générateurs de bruits, et leur durée de vie est limitée. De plus, sur les grosses archines tournantes dont ltarbre est plein et les extrémités non accessibles, l'usage des contacts glissants est rendu impossible par une vitesse périphérique excessive, ou par le fait que l'arbre est inaccessible à ses extrémités. On a également recherché une transmission sans fil, qui utilise une double modulation de fréquence. Le signal analogique de mesure à transmettre module tout d'abord une sousporteuse, qui à son tour module une onde porteuse. Les deux modulations sont en fréquence. En utilisant plusieurs sousporteuses, on peut transmettre des signaux analogiques relatifs à,plusieurs grandeurs physiques. Mais le nombre des sous-porteuses est limité, de même que les bandes passantes. Avec ce type de transmission, on rencontre deux défauts importants : manque de fidélité, et bruit d'intermodulation élevé, ce qui limite aussi bien la précision que la dynamique du dispositif de transmission.Ces défauts qui sont quelquefois acceptables en utilisation normale, rendent souvent un matériel inutilisable dès que la plage de température de fonctionnement est très large, ce qui est le cas pour les machines tournantes (20 à 1500C par exemple). La présente invention offre un dispositif de transmission d'un genre différent, qui utilise un circuit convertisseur tension-temps capable de transformer des tensions de signal analogique en des impulsions respectives dont la largeur est modulée selon l'amplitude de la portion du signal analogique, et la modulation en fréquence d'une onde porteuse en fonction des impulsions ainsi obtenues. Très avantageusement, on transmet outre les signaux analogiques de mesure, des signaux analogiques de référence qui représentent le zéro et la pleine échelle de transmission associés aux valeurs de largeur des impulsions utilisées. Dans le cas où l'on transmet plusieurs grandeurs physiques, un multiplexage des signaux analogiques représentatifs de celles-ci sera réalisé, ce multiplexage pouvant alors comprendre la transmission des deux voies de référence, zéro et pleine échelle. Pour réaliser l'alimentation en énergie des circuits incorporés à l'une des pièces en mouvement relatif, on utilise un générateur de tension d'alimentation, couplé au primaire d'un transformateur tournant, dont le secondaire est placé sur l'autre pièce. Sur celle-ci, un circuit d'alimentation réalise un redressement et un filtrage de la tension alternative, et produit le cas échéant des tensions stabilisées en vue des différents circuits, dont le circuit convertisseur tension-temps et les capteurs, au moins. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de transmission comporte, en combinaison, * sur l'une des pièces - au moins un capteur délivrant un signal électrique analogique représentatif d'une grandeur physique, - un circuit convertisseur tension-durée apte à délivrer des impulsions successives de largeur modulée et selon l'amplitude de portions successives de signal analogique, - un circuit d'alimentation comprenant des moyens de redressement et filtrage couplés à l'enroulement secondaire d'un transformateur tournant d' & mentation, afin d'alimenter au moins le circuit convertisseur tension-durée, ainsi que les capteurs s'il s'agit de capteurs actifs, et - un circuit d'émission comprenant une antenne pour émettre un signal porteur modulé en fréquence suivant la largeur des impulsions successives précitées, * sur l'autre pièce - un générateur d'alimentation connecté à l'enroule- ment primaire du transformateur tournant d'alimentation, pour lui appliquer une tension alternative d'alimentation, - un circuit de réception comprenant une antenne, pour recevoir le signal porteur modulé en fréquence, et - un circuit d'utilisation connecté au circuit de réception pour recouvrer les impulsions de largeur modulée, et par là les valeurs des grandeurs physiques. Dans la pratique, on associe avantageusement aux capteurs des circuits d'amplification et de filtrage individuels, qui peuvent être précédés de circuits de protection entrée. Pour plusieurs capteurs, les sorties des capteurs font l'objet d'un multiplexage, auquel s'ajoutent avantageusement des références de tension de zéro et de pleine échelle, dont on décrira plus loin l'obtention. Après le convertisseur tension-durée, il est prévu de préférence un circuit de mise en forme et de synchronisation, suivi d'un modulateur et d'un émetteur à modulation de fréquence. L'ensemble est contrôlé par une logique de commande, qui fournit les tensions de service au modulateur, au circuit de mise en forme et de synchronisation, au circuit convertisseur tensiondurée, ainsi qu'au multiplexeur. Le circuit d'alimentation réalise l'alimentation de tous ces éléments ; il lui est ajouté un circuit d'alimentation séparé à haute régulation pour les capteurs, destiné à alimenter des capteurs actifs d'un genre particulier si nécessaire. Enfin, un autre circuit d'alimentation élabore les références de tension de zéro et de pleine échelle qui seront appliquées au multiplexeur comme on l'a indiqué ci-dessus. De l'autre coté, le circuit de réception comprend un filtre de bande de haute fréquence, suivi d'un récepteur de télémesure en modulation de fréquence, qui démodule les signaux pour recouvrer les impulsions successives de la largeur modulée. Il est avantageusement suivi d'un circuit de mise en forme, après lequel on peut soit transformer les impulsions sous forme numérique par simple comptage de leur durée, soit les décommuter les remettre à 11 échelle et les restituer sous forme analogique. Autres caractéristiques et avPntag.es de l'invention apparat tront à la lecture de la description dêtallc'e qui va ivre, faie en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif, et sur lesquels - la figure 1 illustre le schéma électrique d'ensemble du dispositif de transmission selon l'invention - la figure 2 illustre de manière plus détaillée l'ensemble situé à gauche du trait d'axe sur la figure 1, qui correspond à la partie mobile dans le cas d'une machine tournante - la figure 3 illustre un mode de réalisation de convertisseur tension-durée convenant pour la mise en oeuvre de l'invention, et - les figures 4E et 4B illustrent respectivement le schémae - trique de principe d'un mode de réalisation particulier du multiples xeur, et la séquence de sortie des signaux pour ce même multiplexeur. Sur la figure 1, la partie droite correspond au stator d'une machine tournante, et la partie gauche à son rotor. Sur le stator est monté un générateur d'alimentation 1C qui éla- bore une tension alternative d'alimentation, par exemple à une fréquence voisine de 32 kHz, pour l'enroulement primaire ll d'un trans- formateur tournant d'alimentation. L'enroulement secondaire 21 de celui-ci, monté sur le rotor, reçoit cette tension. Les enroulements primaires et secondaires du transformateur tournant sont accordés. Les deux enroulements Il et 21 sont montés coaxialement sur l'axede rotation relative. L'enroulement secondaire 21 transmet la tension d'alimentation à l'ensemble 20, qui élabore si nécessaire des alimentations pour les capteurs 30, et en reçoit en retour des signaux analogiques, qu'il traite après amplification et multiplexage par modulation de largeur d'impulsions, puis modulation de fréquence, pour les transmettre ensuite sur une antenne 22. Côté stator, l'antenne 12 reçoit ces signaux et les applique à un filtre de bande haute fréquence 15, qui 7es transmet à son tour à un récepteur de télémesure en modulation de fréquence 44. De manière connue en soi, celui-ci délivre en sortie les impulsions de largeur modulée, qui sont appliques à un circuit de mise en forme 15, lequel leur redonne la forme abrupte propre à l'utilisation. près le circuit de mise en forme 15, les impulsions de largeur modulée peuvent être appliquées soit à une chaîne numériue à calculateur 47, dont l'entrée comprend un compteur qui va compter la durée des impulsions, soit à une chaine de décommutation mise à échelle et restitution analogique 16, qui fournira en sortie une pluralité de signaux analogiques correspondant à ceux qui ont été respectivement émis par les capteurs 30. La figure 2 illustre plus en détail 11 ensemble 20 de la figure 1. On y voit l'enroulement secondaire 21 du transformateur tournant d'alimentation. Ce transformateur tournant peut être du type décrit dans la demande de brevet au nom de la demanderesse, intitulée Dispositif de transmission d'énergie électrique pour appareillage tournant" La tension alternative ainsi recueillie dans l'enrou- lement secondaire 21 est appliquée un circuit d'alimentation général 210, qui comprend d'autres transformateurs si nécessaire pour abaisser ou relever les tensions, et de toute façon des circuits de redressement et de filtrage. Cette alimentation 210 alimente directement les circuits 201 à 208.Un circuit séparé 211 est prévu pour définir avec une grande précision des références de tension zéro et de tension positive de pleine échelle, qui sont appliquées à un multiplexeur 203. Un autre circuit séparé 212 réalise des alimentations régulées, pour les capteurs actifs. Le circuit 212 est avantageusement constitué d'un module particulier à haute régulation, qui délivre les alimentations des capteurs soit sous forme de tension symétrique ou non (+ 0,6 Volts à - 15 Volts ou t 70 Volts), soit sous forme de courant constant à très haute impédance (jusqu'à 10 milliampères, de O à 30 Volts, stable à 1 % de O à 1250C) permettant la mesure des contraintes dynamiques avec un seul extensomètre.Ces alimentations sont protégées contre les ouvertures ou court-circuit possiblessur les câblages de capteurs. Le circuit d'alimentation 210 s'applique également à la fréquence de 32 kHz qui le reçoit depuis le générateur du stator comme référence à un circuit logique de commande 208, qui recrée à partir de la fréquence de 32 kHz des signaux d'horloge, et délivre à partir de ceux-ci des signaux de service nécessaires aux différents modules, qui seront décrits plus loin, Les signaux issus des capteurs 30 sont envoyés dans des amplificateurs-filtres de haute précision 202, à travers des circuits de protection d'entrée 201, qui comportent des diodes à faible fuite. Les amplificateurs 202 sont alimentés sous basse tension (+ 5 Volts), et réalisent leur amplification et filtrage en satisfaisant les trois conditions suivantes - en cas de dépassement des échelles d'entrée, présenter à leur sortie une tension qui n'entraîne pas d'invalidation ou d'erreur sur les signaux des autres voies mesurées, compte tenu de la modulation par largeur d'impulsions qui est réalisée dans la suite de la chaîne, - assurer un isolement avec bonne réjection de mode commun et un filtrage en accord avec les impératifs de l'échan- tillonnage réalisés dans le multiplexeur situé en aval, et - permettre un multiplexage convenable à haut niveau sans entrn s d'erreurs par fausses droites d'étalonnage ou phénomènes "de pump-out". A titre d'exemple, on donne ci-après les performances des amplificateurs utilisées dans le mode de réalisation préférentiel de l'invention, performances qui doivent être satisfaites dans la plage de température s'étendant de O à 1400C - gain de 1 à 1000, - échelle d'entrée + 1;5 mV à t 2,5 V, - dérive (offset) : 0,5 à 1 rV/OC, - réjection de mode commun 80 dB, - tension de mode commun admissible égale à la tension d'alimentation, - protection d'entrée jusqu'à 30 V, - bande passante de 0,5 à 1 kHz, - filtre du troisième ordre, - courant d'entrée 1,5 nanoampères. Les sorties des amplificateurs 202 sont ensuite réunies dans un multiplexeur 203, qui reçoit également les références de tension zéro et de pleine échelle PE fournies par la source 211. Ce multiplexeur produit des portions de signal analogique correspondant cycliquement aux différents capteurs, ainsi qu a ses deux valeurs de tension 0 et PE. Les figures 4A et 4B montrent un exemple de multiplexeur qui a donné satisfaction. Ce multiplexeur est réalisé à deux étages, avec un multiplexeur principal à 4 canaux et 2 multiplexeurs satellites à 4 canaux également, ce qui conduit à un nombre de voies de mesure compris entre 3 et 16, en y incluant les voies de recalage. En référence à la figure 4A, on peut par exemple faire fonctionner cycliquement le multiplexeur principal 40, et incrémenter d'un pas les multiplexeurs satellites 41 et 42 à chaque cycle de multiplexage du multiplexeur principal 40. Au premier cycle de celui-ci, on aura donc les tensions représentées dans la case 43 de la figure 4B, au second cycle du multiplexeur principal 40 on aura les tensions de la case 44, ainsi de suite au troisième cycle de ce multiplexeur on aura les tensions de la case 45, et au quatrième cycle celles de la case 46. Finalement, en admettant que le multiplexeur principal fonctionne à la cadence de 32 000 échantillons par seconde, il apparaît que les voies de capteurs C et H sont commutées à la cadence de 8 000 échantillons par seconde, les autres voies étant sous commutées à la cadence de 2 000 échantillons par seconde. La sortie du multiplexeur 203 est appliquée à un convertisseur tension-durée 204, qui est de préférence du type illustré sur la figure 3. Cette conception particulière du convertisseur tension-durée élimine la diaphonie, et, du fait de l'emploi d'un recalage continu sur deux points de référence définis par les tensions VO et VpE (ou V+ réf) la précision du système est de - 1 eSo sur une plage de température allant de O à 1400C, tandis que sa résolution dépasse 110 3. Le convertisseur tension-durée ou tension-temps 204, tel qu'illustré à la figure 3, utilise pour chaque voie de mesure une durée maximale de 32 lus,et l'impulsion de mesure dont la largeur est modulée peut durer de 4 à 28 usus, en étant centré sur le milieu de l'intervalle disponible, c'est-à-dire 16 jis. Quel que soit l'état du convertisseur, l'impulsion débute au top d'horloge, qui déclenche une rampe de tension, produite par la source de courant 30 aux bornes du condensateur 31. Le début de la rampe de tension est réalisé par ltouverture du commutateur 32, sous l'action de la logique de commande interne 33 du convertisseur, qui est elle-même contrôlée par un signal d'horloge venant de la logique e commande principale 208 de la figure 2. Cette trame logique de commande 7,5 génère en même temps le début de l'impulsion de largeur modulée. Lorsque la tension aux bornes du condensateur 31 atteint la tension de l'échantillon à mesurer, un comparateur 35 en informe la logique de commande 33, qui produit alors la fin de l'impulsion de dure modulée. Il apparat immédiatement que la durée de cette impulsion est proportionnelle à la valeur du signal à mesurer. Ainsi, on obvient une impulsion de largeur modulée nui dure au minimum 4 s et au maximum 28 s, ce qui assure une garde de 4 ps entre deux impulsions de largeur modulée consécutive. Le front amont de chacune des impulsions permet de reconstituer le rythme d'horloge, et c'est le front aval qui est modulé, dans la plage 16 + 12 s, ce qui permet de repré- senter aussi bien les valeurs positives que les valeurs négatives du signal analogique issu des capteurs. Du fait que la durée de ces impulsions est limitée d'une manière commandée par la logique, on évite ainsi les effets d'un dépassement d'échelle à l'entrée du convertisseur. La limitation intervient au-delà d'une valeur située à + 1,2 fois la pleine échelle, qui est elle-même fixée à 10 ps (à comparer au ±, 12 ps d'excursion possible autour du milieu qui est lui-meme à 16 s). Par ailleurs, du fait -ue 1' on laisse la rampe générée aux bornes du condensateur 31 continuer jusqu'à sa valeur maximale dans tous les cas, la fin du cycle de mesure est identique pour toutes les voies, ce qui simplifie le circuit, et surtout évite toute diaphonie au niveau du convertisseur. Enfin, en chargeant par la source de courant 50 le condensateur à courant constant, on obtient une très grande . linéarité (erreur inférieur à 1.10 4), ce qui conduit à a possibilité d'un recalage en deux points, pour faire la correction de zéro et de pleine échelle sur la mesure, à partir des tensions O et + PE déjà mentionnées, ou encore une correction de zéro et de pente de la droite de conversion Les caractéristiques des impulsions de largeur modulée sont alors les suivantes - pour la valeur zéro de référence, largeur voisine de 16 - pour la valeur de référence de pleine échelle posi tive, valeur voisine de 28 ps, et - pour les valeurs de mesure, durée d'impulsions comprise entre 4 et 28 usus. Après le convertisseur 204 est placé un circuit de mise en forme et de synchronisation 205 qui conditionne et adapte les signaux sous forme logique, et introduit une impulsion de synchronisation dans le temps libre situé en aval de l'impulsion fixe de référence zéro, qui constitue le début du cycle de mesure défini à propos de la figure 4B. Comme on sait que cette impulsion de référence zéro ne dépasse que très peu 16 ps, on peut ainsi placer après elle une impulsion de synchronisation sans réduire le nombre de voies de mesure. Après ce circuit de mise en forme 205, un modulateur 206 filtre les impulsions de manière à limiter la largeur du spectre de fréquence qu'elles occupent à la valeur optimale nécessaire à une bonne transmission par modulation de fréquence. Ensuite, la sortie du modulateur 206 est appliquée à un émetteur à modulation de fréquence 207, qui délivre une puissance importante (30 à 50 mW par exemple), avec un rendement élevé supérieur à 20 %0, et peut n'utiliser que deux transistors. La modulation de la fréquence porteuse, égale par exemple à 60 MHz, s'effectue par rapport au signal modulant constitué par les impulsions de largeur modulée disponibles en sortie du convertisseur 204, après leur mise en forme par leur circuit 205, la modulation proprement dite s'effectuant dans le circuit 206. L'émetteur à modulation de fréquence 207 réalise l'amplification de puissance indiquée plus haut, et comporte un circuit d'adaptation d'impédance couplé à l'antenne d'émission 22. Du coté de la partie fixe ou stator, après le filtre de bande de haute fréquence 13, le récepteur de télémesure à modulation de fréquence 14 comporte une compensation automatique de gain, ainsi qu'une démodulation qui restitue en sortie les impulsions de largeur modulée, telles qu'elles ont été modifiées par le circuit de mise en forme 205, et éventuellement par les aléats de transmission. Ces impulsions sont remises en forme dans le circuit 15 de la figure 1. Après cela, on peut les utiliser sous forme numérique ou sous forme analogique, de la manière précédemment décrite. Dans les deux cas, on tient compte bien entendu des valeurs de pleine échelle qui sont transmises en même temps que les signaux de mesure, ces valeurs de pleine échelle ayant été définies à priori par des tensions de référence fixes délivrées par le circuit 211 du rotor. Dans le cas d'une reconstitution sous forme analogique, le circuit 16 comporte bien entendu un convertisseur duréetension, asservi par rapport à ces deux signaux de référence, et qui assure le recalage de la chaîne pour obtenir la précision voulue (+ 1 ). Lorsqu'on désire une plus grande résolution de mesure, on numérise alors les impulsions, et les recalages sont assurés par calcul dans la chaîne numérique 17. Dans la pratique, la partie embarquée du dispositif, c'est-à-dire celle qui se place sur le rotor est réalisée sous forme de modules qui sont matériellement très condensés, et moulés dans une résine dure. Ces circuits sont prévus pour des utilisations sévères (accélération jusqu'à 5 000 g centrifuges, vide et vapeur humide, température jusqu'à 1450 en fonctionnement, ou 1600 hors tension). Par rapport aux solutions de la technique antérieure, le dispositif de la présente invention offre les avantages suivants - bonne précision, - forte résolution qui n'est pas altérée par diaphonie ni les non-linéarités, - possibilité de transmettre un nombre de voies assez grand, - bandes passantes importantes, - alimentation des capteurs de mesure, qui permet l'utilisation des capteurs actifs. - alimentation par trans-formateur tournant - transmission par ligne radio-électrique. REVENDICATIONS 1. Dispositif de transmission de la valeur d'une grandeur physique entre deux pièces en mouvement de rotation relative, caractérisé par le fait qu'il comporte, en combinaison, * sur l'une des pièces - au moins un capteur délivrant un signal électrique analogique représentatif d'une grandeur physique, - un circuit convertisseur tension-durée apte à délivrer des impulsions successives de largeur modulée selon l'amplitude de portions successives de signal analogique, - un circuit d'alimentation comprenant des moyens de redressement et filtrage couplés à l'enroulement secondait d'un transformateur tournant d'alimentation, afin d'alimenter le circuit convertisseur tension-durée au moins, et - un circuit d'émission comprenant une antenne pour émettre un signal porteur modulé en fréquence suivant la largeur des impulsions successives précitées, * sur l'autre pièce - un générateur d'alimentation connecté à l'enroulement primaire du transformateur tournant d'alimentation pour lui appliquer une tension alternative d'alimentation, - un circuit de réception comprenant une antenne pour recevoir le signal porteur modulé en fréquence, et - un circuit d'utilisation connecté au circuit de réception pour recouvrer les impulsions de largeur modulée, et par là les valeurs des grandeurs physiques. 2. Dispositif de transmission selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit d'émission comprend un circuit de mise en forme et de synchronisation des impulsions de largeur modulée, un modulateur en fréquence, et un amplifie cateur émetteur couplé à l'antenne. 3. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il comporte plusieurs capteurs délivrant plusieurs signaux électriques analogiques représentatifs de grandeurs physiques différentes, et un multiplexeur pour délivrer des portions successives provenant des différents signaux analogiques au circuit convertisseur tension-durée. 4. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour délivrer périodiquement au circuit convertisseur tensiondurée au moins deux tensions d'étalonnage de valeurs prédéterminées. 5. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'à chaque capteur sont associés des circuits d'amplification et de filtrage, ainsi que des circuits de protection d'entrée. 6. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le circuit d'alimenstation comporte une alimentation stabilisée séparée pour définir la référence de tension appliquée périodiquement au circuit convertisseur tension-durée, et un autre circuit d'alimentation séparé pour délivrer l'alimentation de certains au moins des capteurs, du type actif. 7. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comporte une logique de commande pour actionner au moins le convertisseur, et lui délivrer une fréquence de commande obtenue à partir d'une horloge synchronisée d'après la fréquence du courant d'alimentation provenant du transformateur tournant d'alimentation. 8. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le circuit convertis seur tension-durée produit le début de ses impulsions de tension à une cadence fixe prédéterminée. 9. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le circuit de réception comprend un filtre de bande couplé à l'antenne, et un récepteur de télémesure comprenant une démodulation de fréquence. 10. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé pa le fait que le circuit d'utilisation comprend un circuit de mise en forme apte à restituer sous forme logique les impulsions successives de largeur modulée disponibles en sortie du circuit de réception. 11. Dispositif de transmission selon la revendication 10, caractérisé par le fait que le circuit d'utilisation comprend encore une chaîne de calcul numérique apte à reconsti; tuer la valeur des signaux électriques analogiques des capteurs après recalage numérique par rapport aux valeurs de référence. 12. Dispositif de transmission selon la revendication 10, caractérisé par le fait que le circuit d'utilisation comprend une décommutation, une remise à échelle des impulsions de largeur modulée par rapport aux valeurs de référence, et une restitution sous forme analogique des signaux issus des capteurs à l'aide d'un convertisseur durée-tension.