Brevet FR2428825A1 — publié le 19800111

L'invention concerne la transmission de grandeurs physiques entre deux pièces en mouvement de rotation relative. Les grandeurs physiques sont classiquement représentées par des signaux électriques analogiques. Pour transmettre un tel signal par fil, il faut prévoir des contacts glissants entre les deux pièces en-rotation. De tels contacts sont le siège de variations de tensions de contacts, qui produisent des bruits ; de plus, lorsque l'arbre de rotation est de grande taille, et ses extrémités non accessibles, il en résulte une vitesse périphérique très grande, qui rend impossible l'usage de contacts glissants. Une autre solution consiste à faire une transmission sans fil. On peut à cet effet moduler une fréquence d'une manière proportionnelle à la valeur de la grandeur physique mesurée. De nombreuses difficultés techniques (non linéarité, bruit de transmission, diaphonie) limitent la précision qu'il est possible d'atteindre par ce moyen, et ce-d'autant plus que la dynamique du signal analogique représentant la grandeur physique est plus grande. Dans le même esprit, on peut encore faire correspondreàla grandeur mesurée une impulsion, dont la largeur est proportionnelle à la valeur de la grandeur. Si l'on évite ainsi les défauts inhérents au système à modulation de fréquence, il faut néanmoins, dès que la dynamique du signal analogique à transmettre est importante, connattre de manière très précise la position dans le temps des fronts d'impulsion (à quelques dizaines de nanosecondes près). Les difficultés viennent alors de l'influence des parasites à front raide, ainsi que des variations du temps de propagation du signal porteur, soit sur l'onde elle-même dans l'espace, soit au cours de sa création dans les circuits de modulation. D'une façon générale, le moyen consistant à moduler une onde porteuse avec le signal analogique représentant la grandeur à mesurer souffre du fait qu'une grande bande passante est nécessaire à la transmission, ce qui conduit à utiliser des fréquences porteuses élevées, e-t par conséquent des récepteurs importants, nécessitant de surcrort un personnel spécialisé. La présente invention propose la transmission des grandeurs physiques sous forme de modulation par impulsions codées (M.I.C., ou encore P.C.M.), le codage étant réalisé sur la partie mobile ; un transformateur tournant permet l'alimentation des organes de codage sur la partie mobile, tandis qu'un autre transformateur tournant permet le transfert des impulsions de codage de la partie mobile à la partie fixe. Plus précisément, le dispositif de transmission de l'invention comporte en combinaison, * sur l'une des pièces en rotation relative (rotor) - au moins un capteur délivrant un signal électrique analogique représentatif d'une grandeur physique, - un dispositif d'échantillonnage et de numérisation du signal analogique, - un circuit apte à un redressement et filtrage, circuit qui est couplé au secondaire du transformateur tournant d'alimentation, - un circuit d'alimentation apte à délivrer des tensions d'alimentation au moins au dispositif de numérisation à partir de la sortie du circuit de redressement et de filtrage,et - un circuit d'émission apte à appliquer des signaux numériques issus du numériseur au primaire du transformateur tournant de signal, * sur l'autre pièce (stator) - un générateur d'alimentation connecté à ltenroule- ment primaire du transformateur tournant d'alimentation pour lui appliquer une tension alternative d'alimentation, - un circuit de réception connecté au secondaire du transformateur tournant de signal, et - un circuit d'utilisation connecté au circuit de réception, et apte à recouvrer les signaux numériques de mesure. Bien entendu, des amplificateurs sont associés aux capisrs, On peut leur adjoindre également des filtres, ainsi que des dispositifs de protection d'entrée. Dans le cas où plusieurs capteurs sont utilisés, il est intéressant de réunir toutes les voies des différents capteurs à 11 entrée d'un multiplexeur, qui délivrera des portions de signal analogique séquentielles, émanant selon un ordre prédéterminé dans chaque cycle des différents capteurs. Le dispositif de numérisation du signal analogique comprend avantageusement un échantillonneur bloqueur, suivi d'un convertisseur analogique-numérique. Une logique de commande actionnera le multiplexeur, ltéchantillonneur bloqueur et le convertisseur, de manière à synchroniser le fonctionnement de ces différents dispositifs, et à recueillir les informations numériques séquentielles en sortie du convertisseur, tout en conservant leurs correspondances avec le capteur de mesure dont elles proviennent. Dans ces conditions, le circuit d'alimentation alimente évidemment non seulement le convertisseur analogiquenumérique et son échantillonneur bloqueur, mais aussi la logique de commande, le multiplexeur, les amplificateurs et filtres d'entrée, et le dispositif de protection d'entrée, ainsi que les capteurs eux-mêmes le cas échéant. Dans certains cas, il est avantageux d'alimenter séparément les capteurs. On prévoit alors un circuit d'alimentation de capteurs séparé, à grande stabilité, également connecté à la sortie du circuit de redressement et de filtrage. Le circuit d'émission peut transmettre tel quel par simple couplage magnétique dans le transformateur tournant de signal des impulsions qui correspondent exactement aux impulsions présentes en sortie du convertisseur analogique-numérique. De préférence, on module ces impulsions sur une onde porteuse, avantageusement par modulation de fréquence, et c'est le signal ainsi modulé qui est transmis à travers le transformateur tournant de signal. Dans ce cas, le circuit de réception réalise tout d'abord une démodulation de fréquence, de manière à recouvrer les impulsions de codage. Un circuit de synchronisation primaire permet de repérer individuellement chaque bit dans le signal ainsi obtenu. Un circuit de synchronisation secondaire retrouve le cycle de multiplexage. Ensuite, une channe de décommutation permet de reconstituer chacune des valeurs numériques associées à l'un des capteurs. On peut alors si on le désire reconvertir les signaux numériques sous forme analogique, aux fins de mesure et d'enregistrement. On peut également utiliser un affichage ou un enregistrement numérique et s'abstenir d'une telle reconversion. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, illustrant à titre non limitatif un mode de réalisation de l'invention, et sur lesquels - la figure 1 illustre un schéma d'ensemble de l'installation de transmission de grandeurs physiques selon l'invention, avec l'ensemble fixe de restitution des données, et - la figure 2 illustre plus en détail la partie embarquée, c'est-à-dire mobile, de cette installation. Sur la figure 1, la partie fixe du dispositif comporte tout d'abord un générateur d'alimentation, qui fournit de l'énergie à la fréquencede 24Hz en0trwaun enxllement primaire 11, qui constitue avec l'enroulement secondaire 21 un transformateur tournant d'alimentation. Cette alimentation est transmise à l'ensemble embarqué 20 monté sur la partie tournante, qui est reliée à des capteurs 30. La liaison comprend une liaison d'alimentation de l'ensemble 20 aux capteurs 30, et en retour une liaison des signaux analogiques représentatifs des grandeurs physiques mesurées, depuis les capteurs 30 jusqu'à l'ensemble embarqué 20. Celui-ci transforme les signaux analogiques en une modulation par impulsions codées, qui l'applique à l'enroule- ment primaire 22 d'un transformateur tournant de signal. Cet enroulement primaire 22 coopère avec un enroulement secondaire 12 monté sur la partie fixe, et qui est connecté à une tête de réception 13, suivie d'un circuit d'utilisation 14 à 17 que l'on décrira plus loin. La figure 1 montre clairement que les transformateurs tournants sont montés tous autour de l'axe de rotation. Physiquement, les enroulements sont disposés de telle manière que les enroulements 11 et 21 soient fortement couplés entre eux, tout comme les enroulements 12 et 22, mais par contre que les couplages en croix entre les enroulements 21 et 12 et 22 et 11 soient assez faibles, tout comme les couplages entre les deux enroulements de la partie mobile 21 et 22 et les deux enroulements de la partie fixe 11 et 12. Ces enroulements seront montés coaxialement à l'axe de rotation. On trouvera des exemples d'enroulements de ce genre dans la demande de brevet au nom de la demanderesse, intitulée "Dispositif de transmission de signal numérique pour appareillage tournant", dans la description faite en référence aux figures 2 et 3 de cette demande de brevet. On va maintenant définir en référence à la figure 2 la réalisation détaillée de l'ensemble embarqué 20 de la figure 1. Les capteurs 30 fournissent sur n paires de lignes conductrices n signaux de sortie analogiques qui représentent les grandeurs physiques qu'ils mesurent respectivement. Ces signaux sont tout d'abord appliqués à des circuits respectifs de protection d'entrée 201, qui protègent les amplificateurs en cas de court-circuits ou d'ouverture des cafteurs, La sortie des circuits de protection d'entrée 201 est appliquée à des circuits amplificateurs et filtres d'entrée 202 respectifs. Et les sorties de tous ces amplificateurs sont réunies dans un multiplexeur 203, qui prélève séquentiellement suivant un cycle prédéterminé une portion de signal analogique présent à la sortie de chaque amplificateur, et correspondant par conséquent à un capteur respectif. Ces portions de signal analogique successives sont appliquées ensuite au circuit numériseur, qui se compose d'un échantillonneur bloqueur 204 suivi d'un convertisseur analogiquenumérique 205. Alors que les portions de signal analogique disponibles à la sortie du multiplexeur 203 peuvent chacune varier pendant leur brève durée, l'échantillonneur 204 les bloque à une valeur donnée, prise à un instant choisi. Le convertisseur analogique-numérique 205 peut alors effectuer son opération de conversion sur un signal qui ne varie plus. Une logique de commande 206 agit sur le multiplexeur l'échantillonneur et le convertisseur pour définir leurs séquences respectives de fonctionnement à partir d'une horloge incorporée. Ainsi, la logique 206 délivre au multiplexeur des cycles d'impulsions qui le font balayer les différentes voies relatives aux différents capteurs.Pendant chaque impulsion qui maintient le multiplexeur sur l'une des voies, la logique 206 produit une impulsion plus courte adressée à l'échantillonneur bloqueur, pour lui permettre de fixer une valeur constante d'échantillon, prélevée dans la portion de signal analogique concerne. Toujours pendant la même impulsion de commande du multiplexeur, la logique délivre au convertisseur analogiquenumérique 205 des impulsions d'horloge nécessaires pour lui permettre de mesurer l'amplitude de l'échantillon obtenu, et le convertisseur délivre en retour à la logique de commande 206 des signaux numériques impulsionnels correspondant à la valeur de l'échantillon. Après avoir éventuellement stocké temporairement ses informations numériques, la logique 206 adresse les impulsions qui codent la valeur numérique de chaque échantillon à un circuit d'émission 207. Le circuit d'émission 207 module une onde porteuse par décalage de fréquence suivant le niveau des impulsions binaires fourni par la logique 206. De préférence, la logique 206 délivre les impulsions numériques sous forme de code biphase, et le circuit d'émission 207 comporte deux décalages de fréquence pour représenter les deux états haut et bas de ces impulsions. Le circuit d'émission 207 peut aussi appliquer directement les impulsions simplement amplifiées à l'en- roulement primaire 22 du transformateur de signal, si et seulement si le code bi-phase est utilisé. Dans les deux cas, on retrouve sur l'enroulement secondaire 21 du transformateur tournant de signal une tension correspondant aux impulsions représentatives de la valeur numérique de chaque échantillon. Cette tension est transmise à la tête de réception 13 déjà décrite à propos de la figure 1, qui réalise à cet effet une démodulation de l'onde porteuse, le cas échéant. De son côté, le générateur d'alimentation 10 couplé à ltenroulement primaire 11 du transformateur d'alimentation produit une basse fréquence d'alimentation, qui est transmise par l'enroulement secondaire 12 à des circuits de redressement et de filtrage 210. Un premier circuit d'alimentation 211 ra- lise l'alimentation des différents éléments du circuit embarqué, c'est-à-dire des circuits 201 à 207.Un second circuit d'alimentation 212 peut être avantageusement prévu pour réaliser l'alimentation des capteurs de mesure eux-memes. Ce circuit 212 est avantageusement un module particulier à haute régulation, qui alimente les capteurs soit par des tensions symétriques (- 5 ou t 10 Volts, à + 1010 4 de 0 à 750C), soit sous forme de courant constant à très haute impédance (jusqu'à 10 milli Ampères, à 1 % près de O à 125 C). Cette alimentation est protégée contre les court-circuits possibles sur les câblages en raison de chocs mécaniques, Dans un mode de réalisation, les caractéristiques des amplificateurs 202 sont les suivantes, dans une plage de température s'étendant de O à 759C - gain 1 à 1 000 - échelle d'entrée + 2,5 mV à + 2,5 V - dérive (offset) 0,5 à 1 yV/ C - dérive réglable et fonctionnement à zéro décalé - éjection de mode commun 80 dB minimum - tension de mode commun admissible : égale à la tension d'alimentation, protégé jusqu'à 30V - bande passante de 0,5 Hz à 1 kHz - filtres du troisième ordre. Le nombre des voies commutables à la même cadence par les multiplexeurs 203 est compris entre 3 et 62, et la cadence globale d'échantillonnage est voisine de 10 000 échantillons par seconde ou plus Le convertisseur peut effectuer une conversion sur 8 bits, 10 ou 12 bits par exemple. La modulation par impulsions codées est elle-même définie d'après la sortie numérique du convertisseur, et une fréquence d'horloge qui définit le taux de répétition des impulsions. Les impulsions sont comme on l'a indiqué précédemment trasformées sous forme biphasée, c'est-à-dire avec des valeurs positives et des valeurs négatives alternées. Les impulsions numériques codées attaquent alors une modulation de fréquence à décalage de fréquence linéaire à faible indice de modulation. La précision globale du système, incluant la chaîne de réception, va de 1.10-2 à 1.10-3 suivant les composants employés. RSVENDICATIONS 1. Dispositif de transmission de grandeurs physiques 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 dispositif de numérisation du signal analogique, - un circuit apte à un redressement et filtrage, circuit qui est couplé au secondaire du transformateur tournant d'alimentation, - un circuit d'alimentation apte à délivrer des tensions d'alientation au moins au dispositif de numérisation à partir de la sortie du circuit de redressement et de filtrage,et - un circuit d'émission apte à appliquer des signaux numériques issus du numériseur au primaire du transformateur tournant de signal, * 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 connecté au secondaire du transformateur tournant de signal,-et - un circuit d'utilisation connecté au circuit de réception, et apte à recouvrer les signaux numériques de mesure. 2. Dispositif de transmission selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif de numérisation du signal analogique comprend un échantillonneur bloqueur, suivi d'un convertisseur analogique-numérique. 3. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il comporte sur l'une des pièces une pluralité de capteurs, et que les signaux électriques analogiques issus de ces différents capteurs sont réunis dans un multiplexeur avant d'être appliqués au dispositif de numérisation. 4. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'à chaque capteur sont associés un circuit de protection d'entrée, ainsi qu'un circuit d'amplication et de filtrage. 5. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il comprend un circuit d'alimentation séparé, couplé au circuit de redressement et filtrage, et destiné à fournir les alimentations des capteurs. 6. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comporte un circuit logique de commande, recevant les signaux numériques de sortie du convertisseur, et les transformant sous forme de modulation par impulsions codées à fréquence prédéterminée, et que le circuit d'émission réalise la modulation en fréquence d'une onde porteuse par décalages de fréquence en fonction de la valeur binaire des impulsions codées. 7. Dispositif de transmission selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la logique de commande fournit les impulsions sous forme biphasée, et que le circuit d'émission réalise deux décalages de fréquence symétriques, suivant la phase desdites impulsions. 8. Dispositif de transmission selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé par le fait que ladite modulation par décalages de fréquence est à faible indice de modulation. 9. Dispositif de transmission selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le circuit d'utilisation comprend un circuit de synchronisation primaire apte à détecter les impulsions individuelles de modulation, et un circuit de synchronisation secondaire apte à recouvrer les groupes d'impulsions constituant un signal numérique, ainsi que les groupes de signauxnumériques. 10. Dispositif de transmission selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le circuit d'utilisation comprend encore une channe de décommutation et de restitution des signaux sous forme analogique, ainsi qu'un circuit de mesure et d'enregistrement des signaux analogiques individuels ainsi obtenus, qui correspondent à la valeur de la ou des grandeurs physiques per çues par les capteurs.