Brevet FR2447554A1 — publié le 19800822

La présente invention concerne un détecteur de seuil pour le contrôle d'une grandeur alternative, et notamment un détecteur pouvant fonctionner à temps constant même lorsque la grandeur est filtrée à l'entrée du détecteur. Plus précisément, la présente invention concerne un détecteur de seuil délivrant un signal de sortie en réponse à un dépassement de seuil par l'amplitude d'une grandeur alternative surveillée, détecteur du type comportant :un dispositif de filtrage de la grandeur surveillée pour produire une g r a n d e u r f i 1 t r é a des moyes.comprenant un comparateur de cette grandeur filtrée à au moins une grandeur de référence représentative d'un seuil, pour produire un signal de dépassement dont la durée est fonction de l'amplitude de la grandeur surveillée et du temps pendant lequel cette amplitude reste supérieure audit seuil. Un domaine d'application particulier non limitatif du détecteur de seuil objet de l'invention est celui de la protection des réseaux de distribution d'électricité. Le detecteur de seuil est alors un détecteur de surtension ou de surintensité et le signal de sortie est utilisé, en combinaison ou non avec d'autres informations, pour déclencher éventuellement le fonctionnement d'une alarme, et/ou d'un dispositif de coupure, et/ou d'un dispositif d'affichage,..... Le signal de sortie du détecteur est presque toujours combiné avec d'autres informations et les instants relatifs d'apparition dans le temps de ces informations constituent des données importantes. I1 est alors souhaitable de disposer de détecteurs à temps de réponse défini, c'est-à-dire de détecteurs qui délivrent leur signal de sortie avec une temporisation constante ou dont la durée est déterminée selon une loi définie à l'avance par rapport au moment où la grandeur surveillée a dépassé le seuil fixé. Pour la commodité de l'exposé, on considère dans ce qui suit des détecteurs à temps constant, à défaut d'indication contraire. Dans des détecteurs utilisés à l'heure actuelle, une grandeur d'entrée alternative redressée et une grandeur de référence sont reçues par un comparateur qui délivre un signal indiquant que la grandeur de référence est dépassée par une alternance de la grandeur d'entrée. Ce signal est appliqué à un temporisateur servant à l'élaboration du signal de sortie. I1 peut être parfois nécessaire, dans le sens d'une amélioration de la détection de la grandeur utile, d'appliquer un niveau de filtrage sur la grandeur d'entrée pour éliminer d'éventuels harmoniques de la fréquence de la grandeur surveillée. I1 en est par exemple ainsi pour la surveillance de réseau de distribution d'électricité du fait de l'importance des harmoniques de la fréquence fondamentale résultant des nombreux récepteurs de toutes sortes branchés sur le réseau. L'utilisation d'un filtre n'apporte toutefois pas que des avantages. En effet, il introduit un retard variable en fonction des caractéristiques du filtre utilisé et de celles de la grandeur à filtrer, notamment en fonction de l'amplitude de celle-ci. Aussi, dans le cas par exemple d'un défaut se traduisant par une élévation de la tension de la grandeur surveillée appliquée au filtre, la temporisation globale du détecteur de seuil dépendra de l'amplitude atteinte par la grandeur surveillée. Les détecteurs de seuil servant au contrôle d'une grandeur. alternative filtrée ne sont donc pas actuellement à temps de réponse défini, ce qui est préjudiciable à la conduite des réseaux. L'invention a alors pour but de fournir un détecteur de seuil à temps de réponse défini quelle que soit l'amplitude de la grandeur surveillée. Ce but est atteint par un détecteur de seuil du type défini au début de la présente description, détecteur qui comporte, conformément à l'invention, un temporisateur à temporisation variable destiné à ne fournir un signal de sortie en reponse audit signal de dépassement qu'à par-tir du moment où la durée de ce dernier excède un délai de temporisation variable (tx),et des moyens pour faire varier ce délai de temporisation en fonction de l'amplitude de la grandeur surveillée afin d'établir une relation temporelle prédéterminée , sensiblement indépendante de l'amplitude de ladite grandeur surveillée, entre un événement faisant intervenir le dépassement dudit seuil par la grandeur surveillée et l'apparition du signal de sortie. L'evenement peut consister dans le dépassement du seuil par la grandeur surveillée. Dans ce cas, la relation temporelle prédéterminée peut être caractérisée par l'existence d'un intervalle de temps, défini indépendamment de l'amplitude de la grandeur surveillée, entre le dépassement dudit seuil et l'apparition du signal de sortie. Selon un autre mode particulier de réalisation du détecteur de seuil conforme à l'invention, l'évènement peut consister dans le dépassement du seuil par la grandeur surveillée suivi d'un second franchissement de seuil consécutif. Dans ce cas, la relation temporelle prédéterminée peut être caractérisée par l'existence dlun intervalle de temps minimal, défini indépendamment de l'amplitude de la grandeur surveillée, entre ce dépassement et ce franchissement , intervalle minimal en-dessous duquel le temporisateur ne délivre pas le signal de sortie. Le second franchissement de seuil pourra consister en un franchissement, en sens inverse du dépassement- de seuil, d'un second seuil à un niveau différent inférieur à celui de ce dernier Selon une autre particularité du détecteur de seuil conforme a l'invention, les moyens de variation du délai de temporisation comportent un générateur de fonction dérivée de la relation fonctionnelle existante entre une variation d'amplitude du signal de la grandeur surveil lée , d'une part, et l'intervalle la séparant de l'appa- rition de la variation correspondante de la grandeur filtrée, d'autre part. Les moyens de variation peuvent comporter par exemple un détecteur de valeur de crête qui reçoit la grandeur filtrée et dont la sortie est reliée à l'entrée du générateur de fonction. Dans le cas où le comparateur dé- livre des impulsions dont la durée est sensiblement égale au temps pendant lequel la valeur instantanée de la grandeur filtrée dépasse la grandeur de référence, les moyens de variation comportent un circuit convertisseur qui reçoit lesdites impulsions et délivre au générateur de fonction une grandeur proportionnelle à la durée desdites impulsions. D'autres particularités et avantages du-détecteur de seuil conforme à l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après, en référence aux dessins joints sur lesquels - la figure 1 est le schéma synoptique d'un mode de réalisation d'un détecteur de seuil conforme a l'invention, - la figure 2 est un diagramme de fonctionnement illustrant les formes d'ondes de signaux en différents points du circuit illustré par la figure 1, - les figures 3a, 3b, 3c, sont des courbes illustrant des décalages dans le temps introduits par le filtre du circuit illustré par la figure 1 en fonction de l'amplitude de la grandeur reçue par le filtre, - la figure 4 est un schéma synoptique partiel d'une variante de réalisation du détecteur de seuil illustré par la figure 1, et, - la figure 5 représente un circuit avec générateur de fonction applicable au détecteur de la figure 4. Le détecteur de seuil représenté par la figure 1 est du type à détection séquentielle et comporte un filtre 12 qui reçoit une grandeur alternative vl fournie par un circuit d'entrée 10. Ce dernier comporte un transformateur 11 dont le primaire est alimenté par une tension à surveiller ou qui est représentative de la grandeur électrique alternative à surveiller. Une fraction réglable vl de la tension disponible au secondaire du transformateur 11 est appliquée à l'entrée du filtre 12 et constitue la grandeur d'entrée du détecteur de seuil. La sortie du filtre 12 est reliée à l'entrée d'un redresseur 13 mono-alternance ou bi-alternance dont la sortie est reliée à une première entrée 14a d'un comparateur 14. Le comparateur 14 reçoit, sur une deuxième entrée 14~, une grandeur de référence Vs dont l'amplitude est déterminée en fonction du seuil fixé pour la grandeur à surveiller. La sortie du comparateur est reliée à un circuit de mémoire temporaire 15, monostable (déclenchement par transition montante à la sortie du comparateur) ou temporisateur retour (déclenchement par transition descendante à la sortie du comparateur), à temporisation tl constante. La sortie du circuit 15 est reliée à un circuit temporisateur 16 à temporisation variable tx. La sortie du temporisateur 16 est reliée à la sortie du détecteur de seuil. Le signal de sortie du temporisateur 16 constitue, éventuellement après amplification, le signal de sortie du détecteur de seuil. La temporisation tx du temporisateur 16 est déterminée au moyen d'un circuit 20 qui comprend, branchés en série entre son entrée et sa sortie, un détecteur de crete 21 qui délivre un signal Vc représentatif de la valeur de crête du signal à surveiller et un générateur de fonction 22 qui délivre au temporisateur une tension vx commandant la valeur de temporisation tx. Un mode de réalisation du temporisateur 16 est illustré par la figure 1. Un intégrateur 17 constitué, de façon connue en soi, par un amplificateur opérationnel A1 et un condensateur C branchés en parallèle est ali menté sous une tension constante U. Un interrupteur statique formé par un transistor T est branché en parallèle sur le condensateur et son ouverture est commandée par le circuit 15 dont la sortie est reliée à la commande de l'interrupteur statique à transistor T. La sortie de l'intégrateur 17 est reliée à une première entrée 18a d'un comparateur 18 qui reçoit la tension vx sur sa deuxième entrée 18b. Le comparateur 18 délivre un signal en sortie du temporisateur 16 dès que la valeur de tension vs en sortie de l'intégrateur dépasse celle de la tension vx. Une liaison de rétroaction 19 est branchée entre la sortie du circuit 15 et le comparateur 14 pour définir l'écart de retour du détecteur de seuil en modifiant la grandeur de référence d'une quantité prédéterminée ou, ce qui revient au meme, en modifiant la grandeur vl de la même quantité prédéterminée dans l'autre sens. Le fonctionnement du détecteur de seuil décrit cidessus sera maintenant décrit en référence à la figure 2. Le filtre 12 reçoit la tension vl image de la grandeur à surveiller et délivre la tension v2 avec un retard t . a Dansun exemple de réalisation typique, le filtre 12 réalise une atténuation de 50 du troisième harmonique d'une grandeur surveillée dont la fondamentale est de 50 Hz et de 60 pour le cinquième harmonique. Typiquement un filtre actif ayant les performances ci-dessus tend à retarder l'apparition dansla grandeur filtrée d'une variation de 20 % de la grandeur surveillée, ce retard pouvant aller jusqu'à 30 millisecondes pour la fréquence fondamentale f de 50 Hz. o La figure 3a illustre un exemple de variation de ta en fonction d'un nombre k égal au rapport entre la valeur de crête de la grandeur surveillée et la valeur de seuil fixée, nombre proportionnel donc au rapport entre la valeur de la grandeur vl et cette valeur de seuil. La fonction t = f (k) dépend, bien entendu, du filtre utilise, et peut être déterminée expérimentalement. La tension v3 filtrée redressée bi-alternance est comparée à la tension v5 et le comparateur 14 émet une impulsion I à chaque fois qu'une demi-alternance de la tension v3 dépasse la grandeur de référence vs. La durée de chaque impulsion I est au maximum égale au temps pendant lequel la tension v3 excède la grandeur de référence v s Les impulsions I sont reçues par le circuit de mémoire temporaire 15 qui les transforme en signal continu v4. La temporisation tl du circuit 15 est choisie supérieure à la durée séparant deux sommets d'ondulations successives de la tension v3, c'est-à-dire supérieure à la période ou demi-période de la grandeur d'entrée suivant que le redresseur 13 est un redresseur monoalternance ou bi-alternance. Dès qu'il apparaît, le signal v4 provoque l'ouverture du transistor T. Le condensateur C se charge et une tension V5 apparaît sur l'entrée 18a du comparateur 18. Si i est le courant reçu par l'intégrateur 17 et c la capacité du condensateur C, le temporisateur délivre un signal de sortie v6 avec, par rapport au signal v4, un c retard tx tel que tx = - vx et pas de signal si le circuit i 15 est retombé avant tx Selon l'invention, on cherche à avoir un temps T de déclenchement du détecteur de seuil, à partir de l'instant to de franchissement-du seuil par la grandeur surveillée, qui dans le présent mode de réalisation,soit constant et indépendant de l'amplitude de la grandeur surveillée lorsque le seuil est franchi. Dans le cas du détecteur illustré par la figure 1, on a T = ta + tx. Pour avoir T constant, il est nécessaire que tx = T - ta, c'est-à-dire que: vx = e (T - t ) = K (T - ta), K étant une constante. c a a Le signal Vc étant représentatif de k et ta une fonction connue de k, un générateur de fonction 22 de type connu élabore une tension vx = K (T - f Une fraction de la tension v4 de sortie du circuit monostable est utilisée par la liaison de rétroaction 19 pour abaisser la grandeur de référence vs dès que le comparateur 14 émet une impulsion. Comme connu en soi, cette rétroaction permet de définir un écart stable entre une valeur d'aller (seuil) de la grandeur surveillée pour laquelle le détecteur de seuil est excité et une valeur de retour v'5 qui est inférieure à la valeur d'aller et endeçà de laquelle la grandeur surveillée doit retomber pour que le détecteur de seuil revienne au repos. Lorsque la grandeur surveillée devient inférieure à la valeur de retour, le signal v4 retombe à zéro un temps tl amans le cas où le circuit 15 est un temporisateur retour) après la dernière impulsion produite par le domparateur 14. Le passage à zéro du signal v4 produit la fermeture du transistor T et la décharge quasi-immédiate du condensateur C qui est court-circuité. Le signal de sortie v6 retombe alors à zéro (figure 2). Dans le cas du détecteur de seuil illustré par la figure 1, le signal vc, représentatif du nombre k, est élaboré par détection de la valeur de crête de la grandeur filtréeredressée v3. A titre de variante, le circuit de détermination de la temporisation tx pourra être réalisé comme représenté en 20' sur la figure 4. L'entrée de ce circuit 20' est reliée à la sortie du comparateur 14. Ce dernier délivre des impulsions I dont la durée t est égale au temps pendant lequel la grandeur v3 excède la grandeur de référence v . On con s çoit que la durée t sera d'autant plus grande que l'amplitude de la grandeur d'entrée vl sera élevée. Si l'on désigne par tol la période de la grandeur v3 on a en effet, t' = to o et le rapport est représentatif de k. Le circuit 20' comprend alors un circuit 21' convertisseur durée-tension qui délivre la tension vc au générateur de fonction 22. La figure 5 représente la réalisation du circuit 20' sur lequel on retrouve les circuits 21' et 22 délimités par des tirets. Le circuit 21' comprend une entrée 102 couplée à la sortie du comparateur 14 (figure 4) et qui reçoit les impulsions de durée T pour commander pendant une durée d'in tégration correspondante l'ouverture d'un interrupteur 104. En position de fermeture, celui-ci court-circuite l'inté- grateur formé par un condensateur 106 et un amplificateur opérationnel 108. La sortie de celui-ci est reliée à l'entrée d'un amplificateur opérationnel 110 dont la sortie est, à travers une diode, raccordée, d'une part, à une armature d'un condensateur 112 dont l'autre armature est à la masse, et, d'autre part, rebouclée sur son entrée pour détecter le pic de la tension de sortie de 108 et fournir à la sortie du convertisseur 21 un signal fonction de la valeur de crete de la grandeur surveillée, et donc du rapport k. La sortie du convertisseur durée-tension 21' est appliquée simultanément à deux amplificateurs opration- nels 114a et 114b associés respectivement aux diodes de contre-réaction 136a et 136b, aux diodes 138a et 138b en série avec la sortie des amplificateurs 114a et 114b et aux résistances de contre-réaction 140a et 140b. Spécifiquement, la sortie du convertisseur 21' est reliée aux entrées de 114a et 114b et à travers des résistances 115a et 115b, respectivement, et chacun de ces amplificateurs 114 ne délivre un signal à la sortie de la diode 138 respective qu'à partir du moment où sa tension d'entrée atteint une valeur prédéterminée. Dans le cas de l'amplificateur 114a, cette valeur est déterminée par le courant produit par la tension Vref à travers la résistance 116a, courant qui vient s'ajouter au courant d'entrée produit par la tension de sortie du convertisseur 21' à travers la résistance d'entrée 115a. Cette valeur est obtenue de façon identique, mais à un niveau différent, pour l'amplificateur 114b par le courant produit par Vr.ef à travers la résistance 116b différente de 116a. Les sorties respectives des amplificateurs 114a et 114b sont additionnées à la tension de référence Vref par le sommateur 118 (amplificateur 120, résistance d'entrée 121, 123, 125 et resistance de boucle 127). La courbe de tension vx = t (T) issue du sommateur 120 est composée de trois segments de droites bout à bout réalisant l'approximation de la variation de tension recherchée en fonction de k. Le reste du détecteur de seuil illustré par la figure 4 n'est pas modifié par rapport au détecteur illustré par la figure 1. On notera que l'utilisation du circuit 20' doit étre préférée à celle du circuit 20 lorsque le filtre 12 est un filtre actif. En effet, dans ce dernier cas, la valeur de crête de v2 n'est plus représentative de la valeur de crête de vl lorsque celle-ci dépasse la tension d'alimentation du filtre actif (saturation). On notera encore que les principes de l'invention peuvent être appliqués à la réalisation d'un détecteur de seuil qui n'émet pas de signal de sortie, quel que soit le niveau de la grandeur surveillée supérieur au seuil fixé,et tant que sa durée d'application au détecteur de seuil reste inférieure à une valeur d donnée. Pour ce faire, on choisit la-temporisation tx à une valeur telle que tx 2 d + tl + t r - ta, tétant le re- tard avec lequel le signal de sortie v2 du filtre 12 retombe à zéro après retombée à zéro du signal vl. En effet, on a déterminé que la différence t r a est une fonction connue du coefficient k défini précédemment. On peut donc élaborer un signal de tension de commande Vx tel que la temporisation tx satisfasse la relation ci-dessus pour tout filtre donné. -A titre d'exemple, avec le filtre 12, dont certaines performances ont éte indiquées précédemment, l'intervalle de temps t r - t peut atteindre une valeur de 25 milli -a secondes pour un coefficient k de 10. Les diagrammes des figures 3b et 3c représentent des exemples de variation de t r et de ta - tr en fonction de k. I1 est à noter que t r varie en fonction de k en sens inverse de ta. A noter que l'on a négligé ici le fait que le niveau de seuil considéré pour le retour du relais, c'est-à-dire le niveau à franchir par la grandeur surveillée en sens décroissant pour que le signal de sortie disparaisse, peut être légèrement différent du niveau de seuil pour le déclenchement aller (dépassement de seuil dans le sens croissant). Cet écart de retour, qui permet d'assurer un fonctionnement stable du détecteur, n'a pas d'influence pratique en ce qui concerne l'application des principes de l'invention à la détermination des temps de réponse. Dans les applications aux réseaux de distribution et de transport de l'électricite, le temps de réponse entre l'instant d'un dépassement de seuil par la grandeur surveillée et l'apparition du signal de sortie à la sortie du temporisateur, est en général constant et peut être typiquement compris dans une fourchette, non limitative, de 100 millisecondes à une seconde. Pour les détecteurs du type dans lesquels le signal de sortie ne peut pas se produire tant que la durée de dépassement du seuil reste inférieure à un intervalle prédéterminé, en général constant, (temps d'inhibition maximum de l'appareil) des valeurs couramment rencontrées pour cet intervalle minimum peuvent aller de 60 à 100 millisecondes Ces données ne sont bien entendu fournies qu'à titre d'exemple et n'ont pas un caractère limitatif. Bien entendu, diverses modifications et adjonctions pourront être apportées aux modes de réalisation décrits plus haut d'un détecteur de seuil conforme à l'invention sans pour cela sortir du cadre de protection défini par les revendications annexées. L'invention est en particulier applicable aux détecteurs de seuil qui n'utilisent pas le principe de détection séquentielle décrit ici à titre d'exemple. En particulier, elle est applicable aux détecteurs dans lesquels un détecteur de crête est utilisé pour appliquer au comparateur un signal directement représentatif de l'amplitude de crête de la grandeur surveillée. REVENDICATIONS 1.- Un détecteur de seuil pour délivrer un signal de sortie en réponse à un dépassement de seuil par l'amplitude d'une grandeur alternative surveillée comportant un dispositif de filtrage de la grandeur surveillée pour produire une grandeur filtrée, des moyens, comprenant un comparateur de cette grandeur filtrée à au moins une grandeur de référence représentative d'un seuil,pour produire un signal de dépassement dont la durée est fonction de l'amplitude de la grandeur surveillée et du temps pendant lequel cette amplitude reste supérieure audit seuil, caractérisé en ce qu'il comporte un temporisateur à temporisation variable destiné à ne fournir un signal de sortie en réponse audit signal de dépassement qu'à partir du moment où la durée de ce dernier excède un délai de temporisation variable (tx) et des moyens pour faire varier ce délai de temporisation en fonction de l'amplitude de la grandeur surveillée afin d'établir une relation temporelle pré-dterminée sensiblement indépendante de l'amplitude de ladite grandeur surveillée, entre un évènement faisant intervenir le dépassement dudit seuil par la grandeur surveillée et l'apparition du signal de sortie. 2.- Un détecteur de seuil selon la revendication I, dans lequel ladite relation prédéterminée est caractérisée par l'existence d'un interyalle de temps, défini indépendamment de l'amplitude de la grandeur surveillée, entre le dépassement dudit seuil et l'apparition du signal de sortie. 3.- Détecteur de seuil selon la revendication 1 dans lequel ladite relation prédéterminée est caractérisée par l'existence d'un intervalle de temps minimal, -défini indépendamment de l'amplitude de la grandeur surveillée, entre ledit dépassement de seuil et un second franchissement de seuil consécutif par la grandeur surveillée, interval le minimal en dessous duquel le temporisateur ne délivre pas le signal de sortie. 4.- Détecteur de seuil selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce aue ledit intervalle de temps est constant. 5.- Detecteur de seuil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de variation du délai de temporisation comportent un générateur de fonction dérivée de la relation fonctionnelle existant entre une variation d'amplitude du signal de la grandeur surveillée, d'une part, et l'intervalle la séparant de l'apparition de la variante correspondante, de la grandeur filtrée, d'autre part. 6.- Détecteur de seuil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de variation comportent un détecteur de valeur de crête qui reçoit la grandeur filtrée et dont la sortie est reliée à l'entrée du générateur de fonction. 7.- Détecteur de seuil selon la revendication 5, dans lequel le comparateur délivre des impulsions dont la durée est sensiblement égale au temps pendant lequel la valeur instantanée de la grandeur filtrée dépasse la grandeur de référence, caractérisé en ce que les moyens de variation comportent un circuit convertisseur qui reçoit lesdites impulsions et délivre une grandeur proportionnelle à la durée desdites impulsions. 80- Détecteur de seuil selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le temporisateur comporte un générateur de tension variable qui délivre une tension variant uniformément avec la durée du signal de dépassement, et un circuit de comparaison ayant une première entrée reliée au générateur de fonction et une seconde entrée reliée au générateur de tension variable pour commander l'émission du signal de sortie lorsque la valeur de la tension sur sa seconde entrée atteint celle de la tension sur sa première entrée. 9.- Détecteur de seuil selon la revendication 8, caractérisé en ce que le générateur de tension variable est un intégrateur qui est alimenté en courant dès l'apparition du signal de dépassement. 10.- Détecteur de seuil selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le comparateur comporte un redresseur de la grandeur filtrée à son entre et lesdits moyens pour produire le signal de dépassement comportent en outre un circuit à mémoire temporaire relié à la sortie du comparateur et dont le temps de déclenchement est supérieur à l'intervalle de temps séparant deux crêtes consécutives de la grandeur filtrée redressée, et un circuit de rétroaction commandé par ledit signal de dépassement pour modifier ladite grandeur de référence lorsque celle-ci a été dépassée par la grandeur filtrée redressée. 11.- Détecteur de seuil selon la revendication 3, dans lequel le second franchissement consécutif de seuil par la grandeur surveillée est un franchissement, en sens inverse dudit dépassement de seuil, d'un second seuil à un niveau différent inférieur à celui de ce dernier.