Brevet FR2461233A1 — publié le 19810130

L'invention concerne un appareillage pour mesu- rer la distance depuis un corps métallique analysé, en utilisant l'effet des courants de Foucault induits dans ce corps métallique. Elle a, plus particulièrement, trait à des perfectionnements apportés à de tels appareillages, pour une compensation automatique de l'effet des varia- tions de température sur la caractéristique de mesure de la distance de l'appareil. On connait un appareil dans lequel un signal de référence à fréquence et amplitude fixes est appliqué sur la borne d'entrée d'inversion d'un amplificateur diffé- rentiel dont le signal de sortie est appliqué sur sa bor- ne d'entrée de non-inversion par l'intermédiaire d'un cir- cuit de réaction positive,une bobine de détection étant excitée par le signal de réaction, et la distance depuis un corps métallique placé en face de la bobine étant me- surée en fonction de la variation de l'impédance de cette bobine. Ce type d'appareil de mesure de distance est con- çu de telle sorte que le facteur d'amplification post-réac- tif d'un amplificateur à réaction positive est contrôlé en fonction de la valeur d'impédance d'une bobine de dé- tection, la tension de sortie de l'amplificateur étant me- surée pour détecter, comme valeur de mesure de distance, une variation d'impédance de la bobine de détection, qui correspond à la distance entre le corps métallique et cet- te bobine de détection. Dans cet appareil connu, aucun dispositif n'est prévu pour corriger les effets des variations d'impédance de la bobine de détection dues aux variations de tempéra- ture, et il existe un besoin d'un appareillage perfection- né conçu de telle sorte que l'effet de ces variations de température sur la caractéristique de mesure de la distance entre objet métallique et bobine de détection soit compen- sé avec une très grande précision. Le taux des variations de l'impédance de la bo- bine de détection en fonction des variations de tempéra- ture varie en fonction du matériau utilisé pour la car- casse de la bobine de détection, de la forme de la bo- bine, du mode d'enroulement de cette bobine, etc... Par ailleurs, dans le cas o la bobine de détection comporte un noyau en matériau ferromagnétique tel que la ferrite, la variation de la perméabilité de la ferrite due aux variations de température suit une courbe d'hystérésis, ce qui rend encore plus difficile la compensation en température souhaitée lorsque la bobine de détection comporte un noyau en ferrite. L'invention a pour objectif un appareillage de mesure de distance perfectionné dans lequel sont automa- tiquement compensées les variations en fonction de la température de la caractéristique de sortie "distance" de la bobine utilisée pour mesurer cette distance. L'invention a encore pour objectif un appareil- lage de mesure de distance dans lequel, outre la compen- sation précitée, on élimine la variation de phase dans le circuit de réaction d'un amplificateur à réaction positive, afin d'obtenir un appareillage plus stable et à réglage plus simple. L'invention a également pour objectif un appa-- reillage de mesure de distance qui ne nécessite pas l'u- tilisation d'un oscillateur à très grande stabilité tel qu'un oscillateur à quartz. Conformément à l'invention, on réalise un appa- reillage de mesure de distance par courants de Foucault perfectionné du type dans lequel le signal alternatif d'un oscillateur est appliqué à une bobine de détection par l'intermédiaire du circuit de réaction d'un amplifi- cateur à réaction positive, le facteur d'amplification post-réactif de l'amplificateur étant contrôlé en fonc- tion de la valeur d'impédance de la bobine de détection, de sorte que l'amplificateur fournit un signal de sortie correspondant à la distance entre la bobine de détection et un objet métallique, les perfectionnements apportés consistant en un circuit résonnant formé en raccordant un condensateur en parallèle avec la bobine de détection, l'oscillateur du type à fréquence variable, soit dont la fréquence est réglée par variation de tension, oscil- lant à la fréquence de résonance du circuit résonnant raccordé au circuit de réaction de l'amplificateur à réaction positive de manière à contrôler le facteur d'am- plification après réaction, et un comparateur de phase formant une tension de sortie correspondant à la diffé- rence de phase entre le signal de sortie de l'oscilla- teur et le signal de sortie de l'amplificateur de ma- nière à contrôler la fréquence d'oscillation de l'os- cillateur. Plus précisément, l'oscillateur est du type à fréquence réglée par variation de tension, et le com- parateur de phase avec cet oscillateur peuvent être rem- placés par un circuit intégré à boucle d'accrochage de phase. L'amplificateur à réaction positive comporte deux bornes d'entrée,une borne d'inversion et une borne de non-inversion, ainsi qu'une borne de sortie, et le signal alternatif fourni par l'oscillateur à fréquence variable est appliqué à la borne d'entrée d'inversion. Une résis- tance de réaction est montée entre la borne d'entrée de non-inversion et la borne de sortie de manière à consti- tuer une boucle de réaction positive, et le circuit ré- sonnant est raccordé à la borne d'entrée de non-inversion. Avec l'appareillage de mesure de distance conforme à l'invention, même si l'inductance de la bobine de dé- tection varie avec la température, la fréquence de réso- nance du circuit résonnant est modifiée en réponse à la variation de l'inductance de la bobine de détection, et la fréquence d'excitation de la bobine suit toujours les variations de la fréquence de résonance. De la sorte, le facteur de réaction de l'amplificateur à réaction po- sitive est maintenu à une valeur cons-tante déterminée par l'impédance composite du circuit résonnant à la résonance, et toute variation de la tension de sortie due à une varia- tion de température est éliminée, ce qui rend possible l'établissement d'une compensation automatique en tempé- rature. Par ailleurs, du fait que sa fréquence de réso- nance est toujours fournie au circuit résonnant de telle sorte que son impédance complexe est maintenue à une va- leur ne représentant que la composante réelle sans compo- sante imaginaire, aucune variation de phase n'a lieu dans le circuit de réaction positive, ce qui a pour résultat d'améliorer la stabilité de fonctionnement et de rendre le réglage plus simple et plus facile. Egalement, l'os- cillateur utilisé est un oscillateur dont la fréquence est réglée par variation de tension, et il n'est pas né- cessaire d'utiliser un oscillateur à grande stabilité tel qu'un oscillateur à quartz. Cet oscillateur à fréquence réglée par variation de tension et le comparateur de phase peuvent être remplacés par un circuit intégré à bou- cle d'accrochage de phase pour simplifier la structure du circuit. Avec l'appareillage conforme à l'invention, en mesurant la tension de sortie du comparateur de phase, il est possible de détecter en permanence les valeurs de va- riation de l'inductance de la bobine de détection. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent: - figure 1, le bloc-diagramme d'un appareillage connu, - figure 2, le bloc-diagramme d'un exemple de réalisation conforme à l'invention, - figure 3, la courbe des variations il L/L de 1'inductan- ce (en ordonnée) de la bobine de détection en fonction de sa température T (en abscisse), - figure 4, la courbe des variations A Vo/Vo de la tension de sortie de l'amplificateur (en ordonnée) en fonction de la température T de la bobine de détection (en abscisse) - figure 5, la courbe de la tension de sortie Vo (en or- donnée) de l'amplificateur de l'appareillage de mesure de distance conforme à l'invention en fonction de la dis- tance D (en abscisse) à mesurer. L'appareillage illustré figure 1 est un appa- reillage de mesure de distance de type connu. On a représenté en 1 un corps métallique, en 2 un oscillateur de référence, en 3 une bobine de détec- tion, en 4 un amplificateur, et par Zs une impédance de réaction. L'oscillateur 2 fournit un signal alternatif à fréquence fixe et amplitude fixe qui est appliqué à l'amplificateur 4. Le signal de sortie de l'amplifica- teur 4 est transmis à la bobine de détection 3 par l'in- termédiaire de l'impédance de réaction Zs, de sorte que, lorsqu'un flux magnétique alternatif créé par la bobine de détection 3 traverse le corps métallique 1, des cou- rants de Foucault sont induits dans le corps métallique, et, par réaction, l'impédance Z de la bobine de détec- tion est modifiée, ce qui modifie le facteur de réaction A p = Z / (Z + Zs). Par suite, la tension de sortie Vo de l'amplificateur 4 varie avec la distance entre la bo- bine de détection 3 et le corps métallique 1. Donc, en mesurant la tension de sortie Vo, il est possible de mesurer "sans contact" la distance entre la bobine de détection 3 et le corps métallique 1. Toutefois, l'appareillage de mesure de distance par courants de Foucault, du type à amplificateur à réac- tion et tel que représenté figure 1, a certains inconvé- nients. Plus explicitement, l'impédance d'une bobine va- rie généralement plus ou moins avec la température de la bobine, et il a été impossible de compenser jusque là a- vec une très grande précision l'effet des variations de température sur la caractéristique de sortie qui repré- sente la distance entre la bobine de détection 3 et le corps métallique 1. Le taux de variation avec la tempé- rature de l'impédance de la bobine de détection 3 diffère selon le matériau de la carcasse de bobine, selon les di- mensions de cette carcasse, selon le mode d'enroulement de la bobine, etc. Ainsi, dans le cas d'une carcasse utilisant comme il est connu un noyau de ferrite qui est un matériau ferromagnétique, la perméabilité de la ferrite varie avec la température, et cette variation en..DTD: fonction de la température suit une courbe d'hystérésis. L'utilisation d'un noyau en ferrite rend encore plus dif- ficile la compensation en température de la caractéris- tique de sortie. Les inconvénients précités sont éliminés dans l'appareillage conforme à l'invention, dans lequel on fait varier la fréquence d'oscillation d'un oscillateur de référence en fonction de l'inductance d'une bobine de détection, et on utilise une résistance à la place de l'impédance de réaction, de sorte que la composante ima- ginaire est éliminée, ce qui maintient le facteur de réac- tion P' p à une valeur constante quelles que soient les variations de la température de la bobine de détection. On se reportera maintenant figures 2 à 5 pour décrire un exemple de réalisation recommandé, conforme à l'invention. Sur la figure 2, on a référencé en 1 un corps métallique, en 3 une bobine de détection et en 4 un am- plificateur, ces composants étant analogues à ceux qui portent les mêmes références sur la figure 1. On a re- présenté en Rp une résistance de réaction, en Co un con- densateur de résonance en parallèle, en 5 un oscilla- teur dont la fréquence d'oscillation est réglée par va- riation d'une tension de contrôle continue, et en 6 un comparateur de phase. La bobine de détection 3 et le condensateur Co forment un circuit résonant parallèle dont l'impédance composite Zo à la fréquence de résonance fo est donnée par l'équation suivante (1) 2 7rfo.L Zo = Y Y = Y + Q.2 7rfo.L Q = Wo L/Y (1) Y est la résistance de la bobine de détection, L est l'inductance de la bobine de détection, et Wo (2 Mfo) est la fréquence angulaire. On voit que l'impédance composite Zo du cir- cuit résonnant parallèle à la fréquence de résonance fo ne comporte qu'une composante réelle. Le circuit réson- nant parallèle et la résistance de réaction Rp forment le circuit de réaction positive de l'amplificateur 4, et, à cet amplificateur, est fournie la tension d'oscil- lation de l'oscillateur 5 dont la fréquence d'oscillation fm est sensiblement égale à la fréquence de résonance fo du circuit résonnant paralèle. La tension d'oscillation précitée est d'abord amplifiée par l'amplificateur 4, puis elle est transmise au comparateur de phase 6. La tension de sortie de l'oscillateur 5 est également transmise au comparateur de phase 6, de sorte que la différence de pha- se entre les tensions appliquées est détectée, le compa- rateur de phase 6 fournissant une tension continue cor- respondant à la différence de phase. La tension continue précitée est ensuite transmise à l'oscillateur 5 à titre de tension de réglage, de sorte que la fréquence d'oscil- lation fm de cet oscillateur devient égale à la fréquence de résonance du circuit de résonance parallèle, la phase de la tension de sortie de l'oscillateur 5 étant également bloquée. Si l'on suppose que l'inductance de la bobine de détection 3 est modifiée en raison d'une variation de la température de cette bobine, la fréquence de ré- sonance fo varie également, et le taux de variation est donné par l'équation suivante (2): t L / L = (fo/fo')2 - 1 (2) Avec L = inductance de la bobine de détection A L = variation de l'inductance en fonction de la température fo = fréquence de résonance du circuit résonnant pa- rallèle avartla variation de température fo'= fréquence de résonance du circuit résonnant pa- rallèle après la variation de température. Par suite, l'impédance composite Zo du cir- cuit résonnant parallèle est automatiquement contrôlée de sorte que, même si la valeur de l'inductance L de la bobine de détection 3 s'accroit, la fréquence de ré- sonance fo décroît, et l'impédance composite Zo est main- tenue constante. Si l'impédance composite Zo est mainte- nue constante, le facteur de 'réaction 6 p = (Zo / (Rp+Zo) est maintenu constant, de même que la tension de sortie Vo de l'amplificateur 4. On a illustré figure 3 les variations de l'in- ductance L de la bobine de détection 3 avec la température. On a illustré figure 4 les variations de la tension de sor- tie de l'amplificateur 4 en fonction des variations de la température de la bobine de détection 3. La ligne inter- rompue représente ces variations pour le circuit de la figure 1, alors que la ligne en trait plein représenté ces variations pour le circuit de la figure 2. On a illustré figure 5 les mesures de distance obtenues avec l'appareil- lage de la figure 2. L'appareillage conforme à l'invention et qui vient d'être décrit présente les avantages suivants (a) Le condensateur Co étant raccordé à la bo- bine de détection 3 pour former un circuit résonnant pa- rallèle dont la fréquence de résonance varie avec l'induc- tance de la bobine de détection, même si cette inductance varie avec la température-, le facteur de réaction est main- tenu constant, ce qui rend possible une compensation auto- matique de l'effet des variations de température. (b) Etant donné que la fréquence d'oscilla- tion de l'oscillateur 5 est égale à la fréquence de ré- sonance du circuit résonnant, et que l'impédance compo- site de ce circuit résonnant ne comporte qu'une compo- sante réelle, on améliore la stabilité de l'appareillage de mesure de distance et on en simplifie le réglage. (c) Il n'est pas nécessaire que l'oscillateur utilisé soit un oscillateur à très grande stabilité tel qu'un oscillateur à quartz. (d) Les circuits qu'enferme la ligne inter- rompue A de la figure 2 peuvent être remplacés par un circuit intégré à boucle d'accrochage de phase, ce qui simplifie la structure de ces circuits. (e) En mesurant la tension de sortie du com- parateur de phase 6, il est possible de détecter en per- manence les variations d'inductance de la bobine de dé- tection 3. REVENDICATIONS 1) Appareil de mesure de distance comportant un amplificateur à réaction positive dont le circuit de réaction est raccordé à une bobine de détection placé en face d'un objet métallique, la distance objet-bobine étant à mesurer, ainsi qu'un oscillateur fournissant un signal alternatif à l'amplificateur pour exciter la bobine de détection, le facteur d'amplification post-réactif de l'amplificateur à réaction positive étant contrôlé en fonction de l'impédance de la bobine de détection qui varie avec la distance entre le corps métallique et cette bobine de détection, de sorte que la distance pré- citée est mesurée en donction de l'amplitude du signal de sortie de l'amplificateur, caractérisé en ce qu'un condensateur (Co) est monté en parallèle avec la bobine de détection (3) pour former un circuit résonnant, ce circuit résonnant étant raccordé au circuit de réaction (Rp) de l'amplificateur à réaction positive (14) de ma- nière à contrôler le facteur d'amplification post-réac- tif de cet amplificateur, l'oscillateur (5) étant du type à fréquence variable,soit du type à fréquence réglée par variation de tension, de sorte qu'il oscille toujours sur une fréquence d'oscillation égale à la fréquence de ré- sonance du circuit résonnant, un comparateur de phase (6) étant couplé à l'oscillateur (5) de manière à fournir une tension de sortie qui correspond à la différence de phase entre le signal de sortie de l'oscillateur et le signal de sortie de l'amplificateur à réaction positive et permettre le contrôle de la fréquence d'oscillation de cet oscillateur. 2) Appareil selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que l'amplificateur à réaction positive (4) comporte une borne d'entrée d'inversion, une borne d'en- trée de non-inversion et une borne de sortie, la sortie de l'oscillateur (5) étant raccordée à la borne d'entrée 1 1 d'inversion, et le circuit résonnant (3, Co) étant rac- cordé à la borne d'entrée de non-inversion, le circuit de réaction de l'amplificateur étant constitué par une résistance (Rp) raccordée entre la borne de sortie et la borne d'entrée de non-inversion.