Brevet FR2458946A1 — publié le 19810102

i 2458946 La présente invention concerne une cellule intégrateur entrant dans la constitution d'un circuit de filtrage, du type comportant un condensateur branché entre une borne de sortie et un point à potentiel stabilisé et une résistance branchée entre une borne d'entrée et l'une des bornes du condensateur. L'invention concerne aussi un filtre comprenant au moins une cellule de ce type. L'invention concerne également un dispositif de détection de niveaux vibratoires, faisant application de ce filtre, et uti- lisé dans un système tournant. L'invention a notamment pour but de proposer une cellule permettant la constitution d'un filtre à fréquence de coupure pilotable. Ce but est atteint, conformément à l'invention, du fait que cette cellule comporte un interrupteur en série avec la résis- tance, cet interrupteur étant commandé par un signal périodique de période réglable, pour successivement établir et interrompre la liaison, via la résistance, entre ladite borne d'entrée et le condensateur, en fonction de la valeur du signal de commande. Avantageusement, le point à potentiel stabilisé est la borne d'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel sur lequel est monté, en contre-réaction, le condensateur. Le filtre à fréquence pilotable conforme à l'invention est caractérisé, conformément à l'invention, en ce qu'il comprend au moins une cellule intégrateur telle que définie ci-dessus et un générateur de signal périodique de commande dont la borne de sortie est reliée à la borne de commande de l'interrupteur de ladite cellule. Avantageusement, le filtre passe bas est constitué par une cellule intégrateur munie d'une seconde résistance branchée en parallèle sur le condensateur et des moyens de commutation pour établir ou interrompre la liaison entre ladite seconde résistance et ledit condensateur du côté adjacent ou point à potentiel stabilisé. Avantageusement, le filtre comprend deux cellules inté- grateurs montées en série, en contre-réaction sur une première entrée d'un amplificateur opérationnel monté en additionneur in- verseur et dont une deuxième entrée est reliée à la sortie d'une première cellule intégrateur, par l'intermédiaire d'une cellule inverseur, la deuxième cellule intégrateur étant reliée, par sa sortie, à ladite première entrée de l'additionneur, moyennant quoi on obtient un filtre passe bande entre une troisième entrée de l'additionneur et la sortie de la première cellule intégrateur, un filtre passe bas entre ladite troisième entrée et la sortie de la première cellule intégrateur, et un filtre passe haut entre 2 2458946 cette même troisième entrée et la sortie de l'additionneur. Avantageusement, le filtre passe bas comprend une suite d'au moins trois cellules intégrateurs montées en série, en contre- réaction sur l'amplificateur additionneur, dit premier additionneur, l'amplificateur inverseur est un amplificateur monté en addition- neur et chaque intégrateur de la suite est relié par sa sortie à une entrée d'un additionneur, l'intégrateur suivant, de la suite, étant relié à l'autre additionneur, le premier intégrateur - celui dont l'entrée est reliée à la sortie du premier additionneur - étant relié par sa sortie à l'autre additionneur. Le dispositif de mesure de niveaux vibratoires faisant application de ce filtre est caractérisé, conformément à l'invention, en ce que ce dispositif comprend un détecteur de mouvement du carter du système tournant, un filtre tel que défini ci-dessus, dont la borne d'entrée est reliée à la borne de sortie du détec- teur de mouvement, et dont le générateur de signal de commande est un dispositif mesurant la fréquence de rotation d'au moins un élément du système tournant et fournissant un signal de commande dont la fréquence est un multiple de cette fréquence de rotation, et un dispositif de mesure de l'amplitude du signal filtré par le filtre. - Avantageusement, le dispositif de mesure est un détec- teur de crête, comprenant un condensateur de stockage de signal et un circuit de décharge dudit condensateur, ce circuit compre- nant une résistance en série avec un interrupteur commandé par ledit signal de commande pour assurer ou interrompre la décharge du condensateur par l'intermédiaire de la résistance, selon la valeur dudit signal de commande. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma électrique d'une cellule intégra- teur selon un mode de réalisation de l'invention - la figure 2 est un diagramme d'un signal de commande utili- sable pour la cellule de la figure 1 - la figure 3 est un schéma électrique d'un filtre passe bas du premier ordre selon un mode de réalisation de l'invention - la figure 4 est un schéma électrique d'un filtre universel selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 5 est un schéma synoptique d'un dispositif de dé- tection de niveaux vibratoires selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 6 est un schéma électrique du circuit générateur 28 de la figure 5, selon un mode de réalisation de l'invention; - les figures T7a à 7c représentent des diagrammes de signaux présents en différents points du circuit de la figure 6, selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 8 est un schéma électrique du circuit de mesure d'amplitude 29 de la figure 5, selon un mode de réalisation de l'invention; - les figures 9a à 9c représentent des diagrammes de signaux présents en différents points du circuit de la figure 8, selon un mode de réalisation de l'invention. La cellule représentée sur la figure 1 est du type inté- grateur à amplificateur opérationnel. Cette cellule comprend une borne d'entrée 1, une borne de sortie 2, et un amplificateur opé- rationnel 3 dont l'entrée non inverseuse 3a est reliée à la masse 4, dont l'entrée inverseuse 3b est reliée à la borne d'entrée 1 par l'intermédiaire d'une résistance 5, et dont la borne de sortie 6 est reliée à la borne de sortie 2 de la cellule. Un condensateur T est branché en contre-réaction entre la sortie 6 et l'entrée in- verseuse 3b de l'amplificateur opérationnel 3. Un interrupteur électronique 8 est interposé entre la résistance 5 et le point de jonction 9 entre le condensateur 7 et la borne d'entrée inverseuse 3b. Cet interrupteur 8 reçoit un signal de commande 10 représenté symboliquement par une flèche sur la figure 1, signal dont la forme est représentée sur la figure 2. Ce signal est binaire, sa valeur "1" correspondant à la fermeture F de l'interrupteur 8 et sa valeur "0" correspondant à l'ouverture 0 de cet interrupteur. Le signal 10 est un signal périodique d'impulsions rectangulaires de rapport cyclique: 8 = SF T La constante de temps de l'intégrateur de la figure 1 est égale à RC, R et C étant les valeurs, respectivement, de la résistance 5 et du condensateur 7. En faisant varier le rapport cyclique OF du signal 10, on peut ainsi faire varier à volonté la constante de temps de l'intégrateur. Ce procédé peut être avantageusement appliqué à la réa- lisation de filtres à fréquence(s) de coupure réglable(s). La figure 3 représente un filtre passe bas du premier ordre utilisant une cellule analogue à celle de la figure 1. Sur les figures 1 et 3, les éléments analogues portent les mêmes références. On voit que le filtre de la figure 3 est obtenu en branchant une résistance, dite de stabilisation de gain 11 entre la sortie 6 de l'amplificateur 3 et le point de jonction 12 entre la résistance d'entrée 5 et l'interrupteur 8. On constate que la fréquence de coupure à 3dB du filtre de la figure 3 est f = BF, ob RI est la valeur de la résis- c - tance 11, 8, F et C 2 éR1C étant déjà définis plus haut en référence aux figures 1 et 2. En modifiant OF, on peut donc modi- fier à volonté la fréquence de coupure fc du filtre passe bas de la figure 3. La figure 4 montre le schéma d'un filtre du second ordre - utilisant quatre cellules à amplificateur opérationnel dont deux cellules sont analogues à celle de la figure 1. Ce filtre comprend une première cellule 13 formée par un amplificateur opérationnel 13a monté en additionneur inverseur recevant sur une première borne d'entrée 13b le signal à filtrer; une deuxième et une troisième borne d'entrée 13c, 13d de la cellule 13 sont reliées à la sortie, respectivement 14a, 15a d'une cellule intégrateur 14 et d'une cellule 15 formée par un amplificateur opérationnel 15b monté en amplificateur inverseur. L'autre cellule intégrateur 16 est inter- posée entre la sortie 13e de-la cellule additionneur 13 et l'entrée 14b de la première cellule intégrateur 14, et elle est reliée, par sa sortie 16a à l'entrée 15c de la cellule amplificateur 15. Les interrupteurs 8 des cellules intégrateurs sont, dans cet exemple, constitués chacun par un transistor à effet de champ à canal n, 17 de préférence du type 2N4091, dont l'électrode de commande - ou grille - 1Ta est reliée, par l'intermédiaire d'une borne 14c, 16b générateur de signal périodique d'impulsions rectangulaires à rapport cyclique OF réglable à volonté ou asservi à un paramètre extérieur. Ce générateur n'est pas représenté sur la figure 4, mais un exemple de ce générateur sera donné ci-dessous dans le cadre de la description d'une application particulière d'un filtre à cellule intégrateur conforme à l'invention. Le filtre de la figure 4 comprend trois bornes de sortie 18, 19 et 20 équivalentes électriquement aux bornes, respectivement 14a, 13e et 15c déjà décrites. Sur chacune des bornes de sortie 13, 19 et 20 est disponible un signal constitué par le signal appliqué sur la borne d'entrée 13b et filtré, respectivement, en passe bas, en passe haut et en passe bande. Pour protéger la grille 1Va des transistors à effet de champ 17 contre les tensions posi- tives, on interpose une diode en sens inverse 21 entre la borne 14c, 16b correspondante et ladite grille 17a. Pour assurer le fonctionnement de chaque transistor 17 sur toute la dynamique du signal d'entrée de l'intégrateur 14, 16, on relie la borne 17b du transistor 17 au point de jonction 22 entre deux diodes en série 23 montées dans le même sens, et dont l'électrode opposée audit point 22 est mise à la masse 4. Ainsi chaque cellule intégrateur 14, 16 est analogue à la cellule de la figure 1, les composants 5 et 7 ayant, dans cet exemple, la mrme valeur pour les deux cellules 14, 16. En faisant varier le rapport cyclique du signal appliqué sur les bornes 14c et 16b, on fait varier les fréquences de coupure des filtres passe bas (sortie 18) et passe haut (sortie 19) ainsi que la fré- quence centrale du filtre passe bande (sortie 20). On remarquera que la résistance de stabilisation de gain 11 de la cellule de la figure 3 correspond, dans le circuit de la figure 4 pour chaque cellule 14, 16 aux résistances d'entrée, respectivement 24 et 25, la résistance 24 correspondant à la cellule 13 et la résistance 25 à la cellule 15. Les filtres à fréquence de coupure ou fréquence centrale réglable selon l'invention trouvent notamment application dans les dispositifs de détection - ou indicateurs - de niveaux vibratoires de systèmes tournants - ou machines tournantes - fonctionnant à des régimes variables et/ou ayant plusieurs organes tournant à des vitesses différentes. Un réacteur - ou moteur à réaction - d'avion constitue un exemple de ces systèmes tournants. Comme le montre la figure 5, un détecteur 26 fournit un signal analogique proportionnel à l'accélération ou à la vitesse ou à la position d'un point du carter du système tournant à surveiller. Ce signal est appliqué à l'entrée d'un filtre passe bande à bande étroite 27 tel que celui de la figure 4, dont la fréquence centrale fc est pilotée par un signal d'impulsions de commande tel que le signal 10 fourni par un générateur 28; la fréquence F de ce signal 10 est un multiple de la fréquence de rotation N d'un élément tournant du système à surveiller; ceci s'écrit F = pN, p étant un nombre positif. Pour assurer un fonctionnement correct du filtre 27, il est nécessaire d'avoir F"fc, par exemple F = 5 à 10 fois fc; à cet effet, les valeurs (R) de la résistance 5,(C) du condensateur 7 et de 9 sont conve- nablement choisies en fonction de la fréquence F du signal de commande et de la fréquence centrale du filtre 27. Dans le cas du circuit de la figure 4, cette fréquence centrale fc est égale à BF o B, F, R et C ont déjà été définis plus haut. 2efRC Le signal filtré sortant du filtre 27 est appliqué sur un appareil ou circuit - de mesure 29 de l'amplitude du signal filtré. La figure 6 donne un exemple de réalisation du générateur 28. Ce générateur comprend un capteur 30 de la fréquence de rota- tion d'un organe tournant du système à surveiller, un amplifi- cateur différentiel 31 recevant le signal du capteur 30, une bas- cule de Schmitt 32 transformant le signal d'impulsions courbe 33 émis par l'amplificateur 31 en un signal rectangulaire 34, et un circuit - ou bascule - monostable 35 transformant le signal 34 en un signal calibré35schmme fréquence F que les signaux 33 et 34 (figures 6 et 7a à 7c). Le capteur 30 est, dans l'exemple représenté, du type à variation d'entrefer il comprend une roue en matériau ferro- magnétique 37 clavetée sur un élément tournant 38 du système à surveiller, coaxialement à l'axe de rotation de cet élément tournant; la roue 37 est munie de protubérances 37a régulièrement réparties sur son pourtour; ces protubérances passent à proximité de l'extrémité adjacente d'un noyau en matériau ferromagnétique 39a d'une bobine 39; les bornes 39b, 39c de la bobine 39 sont reliées chacune à une entrée respective 31a, 31b de l'amplifi- cateur différentiel 31. Grâce à l'utilisation d'un amplificateur différentiel, on élimine les signaux parasites de mode commun. Le 7 2458946 circuit monostable 35 fournit un signal 36 dont la valeur R (durée de chaque impulsion rectangulaire) est constante et donc indépendante de la fréquence F = 1 de ce signal 36. T La figure 8 donne un exemple de réalisation du circuit de mesure 29 de la figure 5. Ce circuit est essentiellement un détec- teur crête du signal filtré 40 fourni par le filtre 27. Le signal est pratiquement sinusoïdal si la bande passante du filtre 27 est étroite et s'il existe, dans le signal 41 fourni par le détec- teur 26, une composante à la fréquence fc = OF = KN o K est un coefficient constant. - 2XRC Le circuit de la figure 9 comprend (a) un circuit détecteur 42 recevant, sur sa borne d'entrée 42a le signal filtré 40 (b) un condensateur de stockage de valeur crête 43 branché entre la masse 4 et l'émetteur 44a d'un transistor 44 fai- sant partie du circuit détecteur 42 (c) un circuit de décharge 45 du condensateur 43. (d) un circuit amplificateur de sortie 46 dont la borne d'entrée 46a est reliée au point chaud 43a du condensateur 43. Le circuit détecteur 42 comprend un amplificateur opé- rationnel 47 sur lequel est monté, en contre-réaction, le circuit baseémetteur du transistor 44 dont le collecteur 44b est relié à une source de tension continue + V. L'entrée 42a est reliée à l'entrée non inverseuse 47% de l'amplificateur opérationnel 47. Le circuit de décharge 45 comprend une résistance 48 montée, entre le point 43a et la masse 4, en série avec le circuit émetteur-collecteur d'un transistor 49 dont la base 49a est reliée à la borne de sortie du circuit 28 de manière à recevoir le si- gnal 36; à cet effet, la borne de sortie du circuit 28 est reliée à une borne de commande 45a du circuit 45. Des résistances convenables 50, 51 sont branchées entre la base 49a et respecti- vement la borne de commande 45a, et la masse 4. Le transistor 49 est choisi et agencé pour fonctionner en interrupteur reliant à la masse 4 et isolant de cette masse la résistance 48, selon que le signal 36 a respectivement la valeur "l"ou la valeur "0". Le circuit 46 est constitué par un amplificateur opéra- tionnel 52 monté en amplificateur suiveur non inverseur à forte impédance d'entrée et un amplificateur de courant pour un gal- vanomètre 55 monté en contre-réaction sur l'amplificateur 52 en série avec une résistance 54, une résistance 53 reliant l'entrée 52a à la masse 4. Le fonctionnement du dispositif de détection représenté sur les figures 5 à 9 est le suivant. Lorsqu'une perturbation périodique de fréquence N (par exemple un balourd) apparait sur le système tournant à surveiller, elle entraîne la présence, dans le signal analogique 41, d'une composante à cette fréquence N. Le filtre 27 éliminant les autres composantes fréquentielles du signal 41, le signal 40 recueilli sur la borne de sortie de ce filtre est une sinusoïde pure de fréquence N,-dont la valeur efficace peut être mesurée par le dis- positif 29. Ce dispositif 29 mesure l'amplitude crête du signal 41 mais ce signal 41 étant une sinusoïde pure, cette valeur crête est proportionnelle à la valeur efficace et il suffira de graduer le cadran du galvanomètre en valeur efficace pour obtenir cette valeur par simple lecture. En fait, la tension apparaissant au point 43a du circuit 29 (figure 9) n'est pas rigoureusement cons- tante mais elle présente une certaine ondulation résiduelle - du ronflement - dont l'amplitude "a" est rendue indépendante de N (c'est-àdire de la fréquence du signal filtré 40) grâce au transistor de commutation 49, comme cela sera expliqué plus loin. Comme le montrent les figures 10a à 10c, le signal 40, redressé à une alternance par la fonction base-émetteur du tran- sistor 44, est échantillonné par le condensateur 43 associé au circuit de décharge 45, au rythme du signal 36. Pour simplifier, on a représenté sur la figure 10c, un signal 36 de même fréquence que le signal 40 - en réalité, la fréquence (F) du signal 36 est nettement supérieure à celle (N) du signal 40, mais si la valeur de la résistance 48 n'est pas trop faible, l'effet du circuit 45, entre deux crêtes positives voisines 40a du signal 40, est le même pour deux signaux 36 de fréquence (F) différentes et de même rapport cyclique 8F. La constante de temps de décharge des organes 43, 45 est inversement proportionnelle à la fréquence N du signal dont on veut mesurer l'amplitude. Il en résulte que l'ampli- tude "a" est indépendante de N. Le détecteur 26 peut être un détecteur d'un paramètre tel que l'accélération, la vitesse, ou la position d'un point du carter du système tournant. Ce détec- teur comprend un capteur de ce paramètre et un amplificateur différentiel recevant le signal de ce capteur pour amplifier ce signal et éliminer les parasites provenant du mode commun. Selon une variante, le filtre de la figure 4 peut com- prendre une suite de plus de deux cellules int-égateuxs montées en série en contre-réaction sur l'amplificateur opérationnel 13a. Dans ce cas, l'amplificateur 15b est lui aussi monté en addition- neur et chaque cellule intégrateur supplémentaire est reliée, par sa sortie, à une entrée - qui lui est particulière - de l'un ou l'autre des additionneurs selon son rang dans la suite, la troisième cellule intégrateur étant reliée au deuxième addition- neur 15, la quatrième, au premier additionneur 13, et ainsi de suite. Bien entendu, dans la description donnée ci-dessus du fonctionnement du dispositif de détection, on a seulement envisagé l'existence dans le système tournant d'une perturbation de fré- quence N et on a réglé au moins l'un des paramètres R, C, O, p pour que l'on ait f,= N. Il peut ntre intéressant de détecter des harmoniques de cette perturbation, aux fréquences 2N, 3N,... etc. Dans ce cas la fréquence fc sera réglée à ces valeurs 2N, 3N... 2458946 REVENDICATIONS -.. ïel ulé -at àur entrant dans la constitution Jb;"x.- d t un circuit.d flt-p: type comportant un condensateur branché entre une borne de sortie et un point à potentiel sta- bilisé, et une résistance branchée entre une borne d'entrée et l'une des bornes du condensateur, caractérisée en ce qu'elle comporte un interrupteur en série avec la résistance, cet inter- rupteur étant commandé par un signal périodique de période ré- glable, pour, successivement, établir et interrompre la liaison, via la résistance, entre ladite borne d'entrée et le condensateur, en fonction de la valeur du signal de commande. 2. Cellule selon la revendication 1, caractérisée en ce que le point à potentiel stabilisé est la borne d'entrée in- verseuse d'un amplificateur opérationnel sur lequel est monté, en contre-réaction, le condensateur. 3. Filtre, à fréquence(s) de coupure pilotable(s), caractérisé en ce qu'il comprend au moins une cellule intégra- teur selon l'une des revendications 1 et 2, et un générateur de signal périodique de commande, dont la borne de sortie est reliée à la borne de commande de l'interrupteur de ladite cellule. 4. Filtre passe bas selon la revendication 3, carac- térisé en ce qu'il eet constitué par une cellule intégrateur munie d'une seconde résistance branchée en parallèle sur le condensateur, et des moyens de commutation pour établir ou interrompre la liai- * 25 son entre ladite seconde résistance et ledit condensateur du côté adjacent au point à potentiel stabilisé. 5. Filtre selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend deux cellules intégrateurs montées en série, en contre-réaction sur une première entrée d'un amplificateur opéra- tionnel monté en additionneur inverseur, et dont une deuxième entrée est reliée à la sortie d'une première cellule intégrateur, par l'intermédiaire d'une cellule inverseur, la deuxième cellule intégrateur étant reliée, par sa sortie, à ladite première entrée de l'additionneur, moyennant quoi on obtient: un filtre passe bande entre une troisième entrée de l'additionneur et la sortie de la première cellule intégrateur, un filtre passe bas entre ladite troisième entrée et la sortie de la première cellule inté- grateur, et un filtre passe haut entre cette même troisième entrée l 2458946 et la sortie de l'additionneur. 6. Filtre selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une suite d'au moins trois cellules intégrateurs montées en série en contre-réaction sur l'amplificateur addi- tionneur, dit premier additionneur, en ce que l'amplificateur in- verseur est un amplificateur monté en additionneur, et en ce que chaque intégrateur de la suite est relié par sa sortie à une entrée d'un additionneur, l'intégrateur suivant, de la suite, étant relié à l'autre additionneur, le premier intégrateur - celui dont l'entrée est reliée à la sortie du premier additionneur - étant relié par sa sortie à l'autre additionneur. 7. Application du filtre selon l'une des revendications 3 à 6 à la réalisation d'un dispositif de mesure des niveaux vibra- toires d'un système tournant, caractérisé en ce que ce dispositif comprend: un détecteur de mouvement du carter du système tournant, un filtre selon l'une des revendications 3 à 6, dont la borne d'en- trée est reliée à la borne de sortie du détecteur de mouvement et dont le générateur de signal de commande est un dispositif mesu- rant la fréquence de rotation d'au moins un élément du système tournant et fournissant un signal de commande dont la fréquence est un multiple de cette fréquence de rotation, et un dispositif de mesure de l'amplitude du signal filtré par le filtre. 8. Application selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledispositif de mesure est un détecteur de crête, compre- nant un condensateur de stockage de signal et un circuit de décharge dudit condensateur, ce circuit comprenant une résistance en série avec un interrupteur commun de par ledit signal de commande pour assurer ou interrompre la décharge du condensateur par l'intermé- diaire de la résistance, selon la valeur dudit signal de commande.