Brevet FR2417751A1 — publié le 19790914

La présente invention concerne lm système de transmission basse fréquence par induction à travers une paroi en matériau amagnétique. Elle s'applique notamment à la transmission à travers une paroi de signaux de mesure à variation relativement lente qui sont délivrés par un dispositif capteur à la sortie duquel il est difficile ou peu pratique d'avoir directement accès. A titre d'exemple d'application possible de l'invention, on peut citer le contrôle de fabrication de tubes de grande longueur dont l'état de la surface interne doit être contrôlé au fur et à mesure de sa fabrication pour apporter le plus rapidement possible les rectifications nécessaires aux paramètres de la fabrication en cas de défaut constaté. En particulier; la fabrication des guides d'ondes circulaires formées par un bobinage autour d'un mandrin d'une hélice de cuivre renforcée par une couche de "mylar". Il est connu que le diamètre d'un 1ide d'ondes circulaires doit être maintenu constant avec une grande précision. Actuellement, pour effectuer la mesure du diamètre d'un tel guide, on utilise un capteur à induction mutuelle porté par le mandrin.Pour des raisons pratiques, il n'est pas possible de faire sortir les fils de sortie du capteur à travers le mandrin, ce qui conduit à prévoir des fils d'une longueur supérieure à la longueur maximale des guides fabriqués, soit 71 mètres, et qui sortent par ltextrémité ouverte du guide en fabrication. Cette technique est peu pratique, d'une part,parce que ces fils doivent être déconnectés de l'appareil de mesure après chaque fabrication d'une unité de guide et, d'autre part,parce- qu'ils sont susceptibles de capter des parasites électriques industriels perturbant le signal de mesure à bas niveau issu du capteur. Bien entendu, on rencontre un problème analogue quand on désire transmettre des informations de l'intérieur d'une enceinte étanche vers l'extérieur et qu'il ntest pas possible ou souhaitable de prévoir des passages de fils à travers la paroi de l'enceinte. Un objet de la présente invention consiste donc pour éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus de prévoir un système de liaison sans fil entre l'intérieur d'une enceinte et l'extérieur à travers une paroi opaque en matériau amagnétique, mais bon conducteur de l'électricité. I1 est évident que de nombreux systèmes de liaison sans fil existent. Toutefois, dans l'application considérée, les systèmes à porteuses radioélectriques haute fréquence ne sont pas pratiques car les ondes à fréquence élevée se propagent mal ou pas du tout à travers les parois bonnes conductrices de l'électricité. Un objet de l'invention consiste à prévoir un système de liaison sans fil qui résoud le problème de la transmission à travers une paroi en matériau bon conducteur, tout en permettant une alimentation autonome au moyen de piles électriques et consommant peu d'énergie pour augmenter son temps de fonctionnement autonome. ' Suivant une caractéristique de la présente invention, il est prévu un système de liaison basse fréquence par induction à travers une paroi en matériau amagnétique basse fréquence, lequel comprend d'un coté de la paroi, à une faible distance de celle-ci, une première bobine d'induction enroulée autour d'un premier noyau magnétique et de l'autre côté de la paroi, également à une faible distance de celle-ci, une seconde bobine d'induction enroulée autour d'un second noyau magnétique, les première et seconde bobines étant alignées, la première bobine étant montée en série avec un condensateur et en parallèle avec une résistance, la borne de la première bobine non reliée audit condensateur étant à la masse, le condensateur étant relié à la sortie d'un modulateur délivrant des impulsions modulées en largeur par le signal à transmettre, la seconde bobine ayant une borne à la masse et son autre borne reliée à l'entrée d'un démodulateur, les masses et les alimentations du modulateur et du démodulateur n'étant pas communes. Suivant une autre- caractéristique, le modulateur est constitué par un amplificateur opérationnel fonctionnant en comparateur dont la première entrée est reliée au circuit délivrant le signal à transmettre et dont la seconde entrée est reliée à la sortie d'un générateur de dents de scie symétriques. Suivant une autre caractéristique, le démodulateur est constitué par un circuit trigger de Schmitt suivi d'un filtre passe-bas délivrant le signal transmis démodulé. Les caractéristiques de la présente invention mentionnées ci-dessus ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. 1 est le schéma bloc d'un système de transmission suivant l'invention, la Fig. 2 est le schéma détaillé de la partie émission du système de transmission de la Fig. 1, la Fig. 3 est le schéma détaillé de la partie réception du système de transmission de la Fig. î, la Fig. 4 montre des formes d'onde utiles pour illustrer le fonctionnement des circuits des Figs. 2 et 3, la Fig. 5 est le schéma d'un circuit d'enregistrement de lecture oui peut être associé avec la partie réception de la Fig. 3, la Fig. 6 est le schéma d'un circuit qui peut être associé avec les circuits de la partie réception de la Fig. 3, et la Fig. 7 est le schéma d'un circuit d'alimentation utilisable aussi bien avec le circuit d'émission que celui de réception. Le système de transmission basse-fréquence de la Fig. 1 est destiné à transmettre des signaux engendrAs par un capteur de mesure 1 vers un circuit d'utilisation 2 de ces signaux, à travers une paroi 3 amagnétique. Il comprend une partie émission située du même coté de la paroi 3 que le capteur 1 et une partie réception du même coté de la paroi 3 que le circuit 2. La partie émission comprend un circuit d'adaptation 4 dont l'entrée est reliée à la sortie du capteur 1 et dont la sortie est reliée à l'entrée d'un émetteur 5 dont la sortie est reliée aux bornes d'lme bobine d'induction 6 enroulée autour d'un noyau magnétique 7. La partie réception comprend une bobine d'induction 8 enroulée autour d'un noyau magnétique 9 et ayant ses bornes reliées à un récepteur 10 dont la sortie est reliée à l'entrée du circuit d'utilisation 2. Les axes des bobines 6 et 8, et donc de leurs noyaux 7 et 9, sont orientés perpendiculairement à la paroi 3 et sont alignés. Les bobines 6 et 8 sont placées le plus près possible de la paroi 3, tout en laissant entre elles et la paroi un jeu suffisant compte tenu des condictions pratiques d'utilisation au cours desquelles la paroi peut, par exemple, se déplacer entre les bobines. A titre indicatif, l'émetteur 5 peut appliquer au circuit de la bobine 10 une porteuse à 240 Hz modulée en impulsions de largeur variable fonction du signal délivré par le capteur 1. Le champ magnétique créé par la bobine 6 induit, à travers la paroi non magnétique 3, un courant électrique qui est appliqué au récepteur 10. En pratique, les bobines 6 et 8 et leurs noyaux respectifs, peuvent être constituées par des bobines de relais, telles que des bobines de relais commercialisées par la Société SIEMENS sous la référence V23154-D-0722-F104. L'exemple de réalisation de la partie émission qTli est montré à la Fig. 2 est supposé etre associé à un capteur 1 utilisé, porté par un mandrin, pour le contrôle de la fabrication d'un guide d'ondes circulaire. Un tel capteur classique fonctionne avec txn palpeur il qui actionne le noyau d'une bobine dont l'induction mutuelle varie. Le capteur 1 est alimenté sous 10 V entre une source de tension de + 5 V et une source de tension de - 5 V et délivre entre ses bornes de sortie + et -, un signal de 1 , 3 mV par variation de 1 pm de la position du palpeur 11, auquel est superposée une composante continue de 1 V environ. La borne - du capteur est, à cet effet, reliée au curseur d'un potentiomètre P1 monté entre - 5 V et la masse pour fournir une tension pouvant être réglée entre # 0,8 et - 1,2 V. La borne + du capteur est reliée à l'entrée + d'un amplificateur opérationnel Al du circuit 4. L'amplificateur Al du circuit d'adaptation 4 est monté en amplificateur non inverseur. La sortie de l'amplificateur Ai est reliée à son entrée - par une résistance R1 et l'entrée - est reliée à la masse par une résistance R2. L'amplificateur A1 a une impédance d'entre de plusieurs mégohms et est choisi à faible consommation. Le qain de cet amplificateur défini par le rapport des valeurs R1 et est tel que sa sortie délivre une tension à haut niveau, de l'ordre du volt, pour la plage de mesure considérée. La sortie du circuit 4, qui est celle de Al, est reliée à l'entrée de signal de l'émetteur 5 qui comprend notamment un générateur de dents de scie symétriques 12 et un comparateur 13. Le générateur de dents de scie 12 comprend deux amplificateurs opérationnels à faible consommation A2 et A3 alimentés par des sources de tensions symétriques de + 5 V et de - 5 V. L'amplificateur A2 est monté en intégrateur inverseur avec sa sortie reliée à son entrée - par un condensateur C7 et son entrée + reliée à la masse. Entre ses deux entrées est monté un condensateur de stabilisation C7. L'amplificateur 13 est monté en comparateur sommateur non-inverseur avec son entrée - à la masse et son entrée + reliée à la sortie de A2 par une résistance R26. Entre sa sortie et son entrée + est montée une résistance R3. Enfin, la sortie de A3 est reliée à l'entrée - de A2 par une résistance R4. On peut alors vérifier que le signal délivré par l'amplificateur A2 est une suite de dents de scie symétriques de période T oscillant entre une tension + E et - E comme le montre la Fig. 4a, avec: E rsr R26 S R3 et R26 T# 4 R3 R4C1 où S est la valeur de la tension de saturation des deux amplificateurs, quel que soit son signe. Le comparateur 13 est constitué par un amplificateur opérationnel rapide A4 monté en comparateur sommateur non inverseur dont l'entrée - est à la masse tandis que l'entrée + est, d'une part, reliée à la sortie du circuit d'adaptation 4 par une résistance R5 et, d'autre part, à la-sortie du générateur 12, c'est à dire de A2, par une résistance R6. Quand la tension appliquée par 4 à R5 est supérieure à la valeur - R5 V12, R6 out V12 représente la sortie de A2, la tension de sortie de l'amplificateur A4 est égale à sa tension de saturation positive + S, tondis que quand la tension appliquée à PS est inférieure à la valeur - R6 V12 la tension de sortie R6 de A4 est égale à sa tension de saturation négative - S.On a représenté à la Fig. 4a une tension constante V4 représentant, sur un certain intervalle de temps, la tension de sortie du circuit 4, qui se déduit par amplification de la tension délivrée par le capteur 1, qui coupe le signal en dents de scie - R6 V12 aux instants ti, t2, t3, etc. La Fig. 'b montre l'allure de la R6 tension de sortie de A4 qui est commutée aux instants tl, t2, t3, etc., de la valeur + S à la valeur - S et vice versa.Il apparaît que le signal de sortie du comparateur 13 est un signal de période T qui peut être considé comme un signal présentant des impulsions négatives, comme entre ti et t2, dont la largeur est variable linéairement en fonction de l'amplitude de V4. On a donc transformé le signal du capteur t en un signal modulé par impulsions de largeurs variables présentant une pseudo-période sensiblement égale à celle des dents de scie, c'est à dire à T. La sortie de l'amplificateur A4 est reliée à la borne, non reliée à la masse, de la bobine 6, par un condensateur C2. Par ailleurs, aux bornes de la bobine 6 sont montés en parallèle une résistance R7 et un condensateur C3. Le condensateur C2 constitue avec la résistance R7 un circuit dérivateur qui ne laisse passer vers la bobine 6 que des impulsions courtes obtenues par dérivation de la courbe de la Fig. 4b, comme le montre la courbe de la Fig. 4c. Le condensateur C3 permet d'améliorer la courbe-de réponse de la bobine en fonction de la.nature de la paroi 3, comme on le verra dans la suite. En se référant maintenant à la Fig. 3, on sait que les variations du champ magnétique engendré par la bobine 6 recevant les impulsions courtes de la Fig. 4c crèent une force électromotrice induite qui est délivrée aux bornes de la bobine 8 sous la forme d'impulsions courtes semblables à celles de la Fig. 4c, comme le montre la Fig. 4d, mais affaiblies suivant la nature du milieu de transmission, constitué essentiellement par la paroi 3 et la distance entre les bobines 6 et 8. Une borne de 8 étant à la masse1 l'autre borne est reliée à l'entrée d'un amplificateur opérationnel A5, qui fait partie du récepteur 10. L'amplificateur A5 est un amplificateur rapide monté en "trigger de Schmitt" alimenté par une source à + 5 V et une source à - 5 V. La sortie de A5 est reliée à son entrée + par une résistance R8. Entre l'entrée + et la masse, est montée une résistance R9, qui avec R8 constitue un diviseur de tension. La tension de sortie de A5 ne peut prendre que les deux valeurs + V ou - Vsat et se maintient à la valeur qu'elle a prise tant que le signal appliqué à l'entrée n'a pas franchi le seuil de signe opposé défini classiquement par R8 et R9.Les tensions de seuil sont, choisies d'une valeur absolue juste inférieure à l'amplitude des impulsions constituant le signal recru, lequel est illustré A la Fig. 4d. Dans ces conditions, la sortie de l'amplificateur A5 délivre le signal montré à la Fig. 4e, qui correspond au signal de la Fig. 4b. On pourrait vérifier que la valeur moyenne du signal délivré par A5 n'est pas directement proportionnelle au signal V4 appliqué au comparateur t3, mais décalé d'une valeur proportionnelle à l'écart entre les valeurs des tensions de saturation de A5 et avec un signal contraire à celui de V4. La sortie de A5 est reliée à entrée d'un filtre passe-bas 14 qui constitue avec le circuit trigger de Schmitt 15 le récepteur 10. Le filtre 14 comprend un amplificateur opérationnel A6 à faible consommation, alimenté par deux sources de + 5 V et - 5 V, et monté en filtre actif passe-bas inverseur du premier ordre. L'entrée - de A6 est reliée à la sortie de A5 par deux résistances R10 et R11, le point commun à R10 et R11 étant relié à la masse par un condensateur C4. L'entrée + de A6 est reliée au curseur d'un poten tioitiètre P2. La sortie de A6 est reliée à son entrée - par un condensateur C5 et une résistance réglable R12. Le potentiomètre P2 est monté entre + 5 V et - 5 V.La sortie de A6 délivre le signal Vs, Fig. 4f qui constitue le signal de sortie du système de transmission. Dans le filtre 14, les composants R10 à R11 et C4 et G5 ont des fonctions classiques. Le potentiomètre P2 permet par son réglage de décaler le signal de sortie de A6 de manière à ce que Vs soit égale à la tension de sortie V4 de A4 et donc proportionnel au signal délivré par le capteur 1. A noter que le filtre passif constitué par R10, R11 et C4 à l'entrée du filtre actif du premier ordre constitué par A6 fait que le filtre 14 est en réalité un filtre passe-bas du second ordre. La fréquence de coupure du filtre est évidemment inférieure à la fréquence de fonctionnement du générateur de dents de scie 12.Pour une transmission correcte des signaux délivrés par le capteur, il faut bien entendu également que le spectre de ces signaux ne comporte que peu d'énergie aux fréquences supérieures à la fréquence de coupure du filtre. Entre la sortie de la bobine 8 et l'entrée - de A5 est prévu un contact de repos X1 tandis qu'entre la sortie de A5 et le filtre 14 est prévu un contact de repos X2, les contacts Xi et X2 étant soit tous les deux au repos, soit tous les deux au travail, réalisant ainsi la fonction classique d'un inverseur double. En position de repos, Fig. 5, le contact X2 relié l'entrée d'un appareil d'enregistrement magnétique à bande 16 au point commun à un condensateur C6 et à une résistance 1 3, qui constituent un circuit dérivateur dont l'entrée est reliée à la sortie du "trigger de Schmitt" 15, cette sortie étant elle-mne reliée au condensateur G6, en série avec la résistance R13 mise à la masse, et l'entrée du "trigger de Schmitt" 15 étant reliée à la bobine 8 par le contact de repos X1.En position de travail, le contact X2 met en relation la sortie, confondue avec l'entrée, de l'appareil 16 avec un diviseur de tension composé d'une résistance R14 et d'un ootentiomètre P3 montés en série, le point commun à R14 et P3 étant relié à l'entrée du "trigger de Schmitt" 15 par le contact Xi. Le fonctionnement du circuit de la Fig. 5 est le suivant. Quand X1 et X2 sont au repos, le signal capté par la bobine 8 est traité directement comme on l'a décrit plus haut par 15~et 14, et les signaux sortant de 15 sont, après dérivation dans le circuit C6 - R13 qui délivre un signal du type de celui de la Fig. 4d mais de signe contraire dans le cas représenté, transmis à l'entrée de l'appareil 16 qui les enregistre sur sa bande magnétique. Il faut noter que la fréquence des signaux est suffisamment basse pour obtenir un bon enregistrement sur un appareil du type domestique à cassette. Gland X1 et X2 sont au travail, la bobine réception n'est plus reliée à l'entrée du gtrigger de Schmitt" 15 mais est reliée par le contact travail X1 à la sortie du circuit diviseur de tension constitué par R14 et P3 qui reçoit par le contact X2 au travail le signal lu par l'appareil 16.Le diviseur de tension R14, P3 permet d'ajuster le niveau des impulsions appliquées à l'entrée du circuit 15 de façon que ce niveau soit comparable à celui des impulsions issues de la bobine 8. D1 fait de l'inversion des phases entre lecture et enregistrement, le signe du signal de sortie Vs est régénéré automatiquement car il y a également inversion de phase entre la porteuse reçue et le signal recul. Toutefois, le magnétophone introduit de faibles déphasages qui entratnent un décalage de zéro et un changement de sensibilité du signal de mesure. C'est pourquoi, il est prévu, en cas d'utilisation du magnétophone, de relier à la sortie de 14 un circuit de correction, tel que celui montré à la Fig. 6. Le circuit de la Fig. 6 comprend un amplificateur opérationnel A7 monté en suiveur avec son entrée + reliée, d'une part, à la sortie de 14 par l'intermédiaire d'un potentiomètre P5 et, d'autre part, à un circuit décaleur de zéro composé d'un diviseur de tension cons-titué d'une résistance R17 en série avec une résistance R15 mise à la masse et d'une résistance ajustable R16 montée entre une source - 5 V et le point commun à R15 et R17. La sortie de l'amplificateur A7 est reliée à son entrée directement. Le potentiomètre P5 permet de régler le gain, donc la sensibilité, tandis que la résistance R16 permet de régler le zéro de la tension délivrée par A7.Le récepteur 10 associé aux circuits des Figs. 5 et 6 permet donc, d'une part, lorsque les contacts X1 et X2 sont al repos, de démoduler le signal reçu par la'bobinie 8 et de l'enregistrer sous une forme régénérée au moyen d'lm appareil d'enregistrement magnétique à bande 16, et d'autre part losque les contacts X1 et X2 sont au travail, de démoduler le signal enregistré et lu sur la bande magnétique de l'appareil 15. Dans les deux cas de fonctionnement du démodulateur, le signal démodulé est identique a" signal de mesure délivré par l'amplificateur A4. La Fig. 7 montre un exemple de réalisation d'une alimentation à piles utilisable aussi bien pour la partie émission que pour la partie réception du système de transmission. En pratique, il est prévu deux circuits identiques, l'un pour délivrer la tension de + 5 V et l'autre pour délivrer la tension de - 5 V. Le premier circuit comprend une pile B1 de 9 volts qui peut astre reliée par un contact X4 à un circuit intégré régulateur de tension RG1 commercialisé par exemple sous la référence SFC 2200, dont la tension de sortie est réglée au moyen d'un pont diviseur R18-R19 et réglée exactement à 5 V par les résistances R20-R21 en parallèle avec R18-R19. Le second circuit a la meme structure avec la pile B2, le circuit RG2 et les résistances R22 à R25.Le point commun à R19 et R21 et à R22 et R24 est à la masse, la tension de - 5 V étant délivrée au point commun à R18 et R20 tandis que la tension de - 5 V est délivrée au point commun à R23 et R25. Des expériences ont été menées sur le systeme de transmission en utilisant comme milieu de transmission une paroi 3 constituée par la paroi d'un guide d'ondes circulaire où le système trouve naturellement son application. Les expériences ont concerné deux stades de fabrication: tout d'abord, le bobinage de l'hélice de cuivre renforcée de mylar en couche, ensuite, juste avant la mise en place dans le tube d'acier la protection, l'hélice de cuivre avec mylar sur laquelle est retreint un écran d'aluminium. On a constaté que, pour des distances de transmission inférieures à 10 mm, on pouvait avoir avec les deux milieux de transmission un affaiblissement inférieur à 35 dB pour des fréquences du générateur 12 de tordre de 200 à 300 Hz.Notamment, avec une bobine 6 dont la résistance propre est de 1,7 kilohm et l'inductance de 1,8 henry, on obtient de bons amortissements de la bobine avec une résistance R7 de 12 kilohms pour la transmission à travers l'hélice de cuivre et l'écran d'aluminium et avec une résistance R7 de 2,2 kiohms et un condensateur C3 de 47 nanofarads pour la transmission à travers l'hélice de cuivre seule. A titre d'exemple, on peut avoir pour les divers composants mentionnés dans la description ci-dessus les valeurs suivantes: R1 = 68 k#; R2 = 10 k#; R3 = 39 kn; R4 = 27 kfl; R5 = 27 ka; F6 = 12 k#; R7 = 12 kfl- ou 2,2 kR; Fa = 100 k#; R9 = 330 kQ; R10 = 100 kQ; R11= 100 ka; R12 = de 182 à 229 kR; F13 = 100 ka; R14 = 200 ka; R15= 10 k#; R16 = de 2,7 à 4,9 kSl; ; F17 = 100 k#; R18 = 5,6 k#; R19= 3,9 k#; R22 = 5,6 k#; F23 = 3,9 k2; F26 = 15 k#; C1 = 100 nF: C2 = 3,3 nF; C3 = 47 nF; C4 = 220 nF; C5 = 220 nr; Les amplificateurs opérationnels: - à faible consommation peuvent être choisis du type A776 [A1,A2,A3,A6,A7] - rapides , peuvent être choisis du type #A709 [A4,A5] Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec un exemple particulier de réalisation, il faut comprendre que ladite description n'a été faite qu'S titre d'exemple et ne limite Pas la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1) Système dr.transmission basse fréquence par induction magnétique à travers une paroi enmatériau amagnétique, caractérisé en ce qu'il comprend, d'un côté de la paroi, à une faible distance de celle-ci, une première bobine d'induction enroulée autour d'un premier noyau magnétique et, de l'autre côté de la paroi, également à faible distance de celle-ci, une seconde bobine d'induction enroulée autour d'un second noyau magnétique, les première et seconde bobines étant alignées, une borne de la première bobine étant à la masse et l'autre étant reliée à travers un condensateur à la sortie d'un modulateur délivrant des impulsions modulées en largeur par le signal d'inforfliation à transmettre, la seconde bobine ayant une borne à la masse et son autre borne reliée à l'entrée d'un démodulateur, les alimentations et les masses respectives des circuits d'émission (modulation) et de réception (démodulateur) étant indépendants et isolées. 2! Système de transmission suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la première bobine est shuntée par une résistance d'amortissement. 3) Système de transmission suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'un condensateur est monté en parallèle avec la résistance d'amortissement. 4) Système de transmission suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le modulateur est constitué par un comparateur dont la première entrée est reliée au circuit délivrant le signal d'information et dont la seconde entrée est reliée à la sortie d'un générateur de dents de scie symétriqte, le comparateur délivrant un signal d'un niveau haut quand la somme de la tension en dents de scie et du signal d'information a un signe positif, et un signal de niveau bas dans le cas contraire. 5) Système de transmission suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le démodulateur est constitué par un circuit trigger de Schmitt suivi d'un filtre passe-bas délivrant le signal d'information reçu. 6) Système de transmission suivant les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le trigger de Schmitt permet l'enregistrement sous une forme modulée du signal d'information au moyen dtun appareil d'enregistrement magnétique à bande de type domestique à cassette, le démodulateur permettant soit simultanément à cet enregistrement de restituer le signal d'information transmis, soit de façon différée, de restituer au moyen- du meme appareil enregistreur un signal d'information précédemment enregistre sur la bande magnétique.