Brevet FR2463548A1 — publié le 19810220

La présente invention concerne une installation de télémétrie comportant plusieurs postes à transducteur et un poste central. Elle concerne la forme de l'installa- tion dans son ensemble et le poste central peut comporter un microprocesseur d'un système de commande d'opérations dont fait partie l'installation de télémétrie, ou elle peut être sous forme d'un enregistreur de données ou d'un ter- minal de données transmettant dés données à distance. (Cette dernière possibilité correspond plus précisément au mode de réalisation de l'invention décrit en détail dans la suite du présent mémoire à titre purement illustratif). L'invention est particulièrement intéressante en présence de dangers potentiels, bien qu'elle ne soit pas limitée à ces applications. Des utilisateurs importants de la télémétrie sont les industries gazières, pétrolières, chimiques et pétrochimiques qui doivent satisfaire à des critères très sévères de sécurité et qui mettent en oeuvre des opérations en fonction de règlements de sécurité très contraignants. Ainsi, le contrôle à distance des pressions et des débits de fluides inflammables, sans introduction d'énergie électrique ou mécanique ayant une intensité qui suffit à la formation d'une étincelle, constitue un pro- blème bien connu. Il existe plusieurs procédés classiques de résolution de ce problème, les deux plus couramment utilisés étant les suivants: (1) les instruments logés dans des bottiers antidéflagrants, (2) des circuits protecteurs à sécurité intrin- sèque. Le boîtier antidéflagrant est destiné à confiner toute source de flamme ou une explosion sans effet sur l'atmosphère environnante. L'instrument dans son ensemble, y compris le boîtier, doit avoir reçu un agrément pour uti- lisation dans les zones dangereuses, par une administration nationale convenable, et doit par exemple faire référence au certificat d'agrément. Ces instruments sont très coûteux. Le circuit protecteur à sécurité intrinsèque est destiné à limiter la puissance électrique à une valeur in- férieure à celle qui provoque la formation d'une étincelle. Ces circuits protecteurs doivent être agréés par une admi- nistration convenable pour utilisation dans une zone dange- reuse, l'instrument placé dans la zone dangereuse étant relié à un câble continu n'ayant pas de connecteurs inter- médiaires. Les circuits protecteurs agréés sont enrobés et contiennent des fusibles inaccessibles dont la valeur nominale est de 50 mA au maximum; ainsi, un fusible en circuit ouvert nécessite le remplacement du circuit pro- tecteur. En outre, la résistance interne de ces circuits empêche l'utilisation de certains instruments. L'instrument associé au circuit protecteur ne doit pas comporter un type quelconque de dispositif de stockage d'énergie électrique au-delà d'une limite de sé- curité, et il doit être agréé par l'administration pour pouvoir être utilisé dans une zone dangereuse, avec un circuit protecteur à sécurité intrinsèque lui aussi agréé. Le bottier de l'instrument ne doit pas être formé de maté- riaux qui provoquent la formation d'une étincelle lors- qu'ils sont placés au contact d'autres matières solides, par exemple d'outils qui peuvent tomber sur le bottier. D'autres problèmes posés par ce type d'installation sont la disponibilité d'un transformateur d'isolement par rap- port au réseau et une masse séparée à laquelle les circuits protecteursdoivent être connectés. L'invention concerne une installation qui pré- sente une sécurité propre supérieure à celle des installa- tions connues, qui permet des économies importantes et qui supprime de nombreuses restrictions imposées par les ins- tallations connues. L'invention concerne une installation de télé- métrie comportant un poste à transducteur connecté à un poste central par un câble à optique de fibres comprenant au moins une première fibre optique destinée à transmettre de la lumière vers le poste à transducteur, et plusieurs secondes fibres optiques destinées à renvoyer la lumière, une com- binaison des fibres représentant la quantité de lumière renvoyée, en fonction du réglage d'un élément transducteur qui règle la transmission de lumière de la première ou des premières fibres vers les secondes fibres; cet appa- reil se caractérise par la présence de plusieurs postes à transducteur et plusieurs câbles correspondants, par un système de lancement sélectif d'ondes lumineuses, placé au poste central et destiné à transmettre de la lumière le long de la première ou des premières fibres d'un câble quelconque choisi, et par un arrangement transducteur opto- électrique, monté entre les secondes fibres et un bus de données afin qu'il multiplexe les données de tous les postes à transducteur sur ce bus de données. La sélection des premières fibres, correspondant à la connaissance du poste à transducteur dont les données doivent être obtenues,peut être effectuée de diverses ma- nières.La plus avantageuse (correspondant à la technologie actuelle des instruments) comprend l'adressage individuel des postes à transducteur et le lancement d'impulsions dans toutes les premières fibres du poste adressé. Toutes les données provenant de ce poste reviennent sous forme de bits transmis en parallèle et le bus de données peut avoir un format correspondant de bits. Bien qu'un poste à trans- ducteur puisse transmettre un mot à plusieurs bits repré- sentant sous forme numérique le paramètre représenté, cer- tains postes à transducteur peuvent être très simples et peuvent transmettre un résultat à un seul bit provenant par exemple d'un commutateur manosensible commandant une ailette d'obturation placée entre les extrémités de l'une des premières fibres et de la seconde fibre correspondante. Dans le cas de données à plusieurs bits, le dis- positif d'obturation peut être un disque de codage ayant des pistes formées par des zones transparentes et opaques, cha- que poste correspondant à une première fibre et à la se- conde fibre correspondante. Le codage des pistes peut être binaire ou suivant le code Gray, ce dernier permettant la conservation de la résolution nécessaire avec une réduc- tion du nombre de transitions dans la piste la moins si- gnificative. La description qui suit concerne aussi une nouvelle variante du code Gray qui réduit encore le nombre de transitions. Ce code Gray peut être éventuellement trans- codé sous forme binaire le cas échéant au poste central. Le bus de données peut être un bus électrique, par exemple d'un microprocesseur, d'un enregistreur de données ou d'un terminal de transmission. Dans ce dernier cas, le bus peut être formé d'un câble à optique de fibres. Une installation selon l'invention permet l'éli- mination des circuits matériels les plus coûteux et de la structure qui comprend les enceintes antidéflagrantes,-les circuits protecteurs et le câblage sous conduits. Dans des applications de télémétrie seule, il suffit d'une seule enceinte antideéflagrante au poste principal. La seule connexion avec les postes à transducteur est assurée par le câble à optique de fibres qui présente une sécurité parfaite. Dans le cas d'une commande de procédé, les en- ceinte antidéflagrantes sont nécessaires à certains dis- positifs de mise en action qui reçoivent des signaux élec- triques de commande, mais les économies sont encore consi- dérables du côté d'acquisition des données de l'installa- tion. En plus des caractéristiques de sécurité et des économies d'appareillage et de main d'oeuvre associées, les instruments selon l'invention présentent les avantages sup- plementaires suivants (1) la conversion analogique-numérique n'est pas nécessaire car la valeur est à l'origine sous forme numé- rique au poste à transducteur; (2) la précision propre de l'installation est celle du dispositif transducteur réel (par exemple un tube de Bourdon) placé au poste à transducteur; (3) le prix de vente du dispositif transducteur peut être inférieur à celui des instruments classiques (4) le même dispositif fonctionne sur une large plage de pressions si bien que l'achat, le montage, le stockage de pièces de rechange, le remplacement et la mo- dification de la pression de la source sont simplifiés; (5) le dispositif ne nécessite pas le manomètre séparé habituellement monté au point de mesure; (6) la réduction globale du coût d'installation étend le marché disponible à des domaines dans lesquels les installations télémétriques et de commande de procédé n'ont pas été considérées jusqu'à présent pour des raisons de coût; (7) dans certaines circonstances, l'utilisation de l'installation peut permettre la réduction du coût des primes d'assurance. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est un diagramme synoptique d'un poste central complet d'uns installation de télémétrie; la figure 2 représente un transducteur électro- optique; la figure 3 représente un arrangement de trans- ducteur optique-électronique à multiplexage; la figure 4 représente un transducteur manomé- trique; la figure 5 représente la terminaison d'un câble à optique de fibres au niveau de l'instrument, suivant les flèches V de la figure 4; et la figure 6 est une élévation d'une partie d'un disque de codage. La figure 1 concerne un exemple portant sur un bus 10 de données à 16 bits desservant seize postes à trans- ducteur par l'intermédiaire de seize câbles 11 à optique de fibres. Les nombres entourés d'un cercle indiquent le nombre de fils contenus dans un câble. Un bus 12 d'adresses à 16 bits est utilisé pour l'adressage du poste central et d'un poste à transducteur. Les douze bits les plus signifi- catifs de l'adresse permettent l'adressage du poste de façon classique à l'aide d'un comparateur 13 relié à un circuit enfichage 14 qui établit l'adresse du poste. Lors- que ce dernier est adressé, un signal de validation est transmis par la ligne 15 et permet le fonctionnement d'un décodeur 16 qui décode les quatre bits les moins signifi- catifs de l'adresse et commande l'une des seize lignes 17 d'adressage qui correspondent de façon biunivoque aux câbles 11. Le signal de validation (retardé le cas échéant par un circuit convenable 18) peut être utilisé afin que les circuits pilotes 19 de bus puissent placer les données dans le bus 10, et il peut aussi être transmis par une ligne 9 de commande sous forme d'un signal d'in- terruption ou de commande d'une autre opération. Les lignes 17 d'adresse alimentent une série de seize transducteurs électro-optiques 20 qui lancent des impulsions lumineuses dans des groupes correspondants de seize premières fibres 21. Chaque câble 11 est formé d'un tel groupe et d'un groupe de seize secondes fibres 22 qui rejoignent un jeu de transducteurs opto-électriques 23 à multiplexage. Ceux-ci multiplexent les premiers bits de tous les groupes 22 de secondes fibres dans une première ligne 24 de bus de données, les seconds bits de tous les groupes 22 de secondes fibres dans une seconde ligne 24 de bus de données, et ainsi de suite. Les lignes 24 peu- vent commander les lignes du bus 10 directement ou par l'intermédiaire d'un transcodeur représenté sous forme de porte OU exclusif 25 utilisé de manière connue pour la transformation du code Gray en code binaire. La figure 2 représente l'un des transducteurs 20, bien que tout arrangement transducteur électro-optique con- venable utilisé. La seule caractéristique essentielle de ce mode de réalisation particulier est qu'une impulsion élec- trique transmise par le fil 17 d'adresse doit fournir des impulsions d'adresse aux seize premières fibres 21. Comme indiqué, un circuit 26 de pilotage peut commander une ou plusieurs diodes photo-émissives 27 en parallèle, au niveau desquelles les premières fibres 21 se terminent, seize diodes étant par exemple couplées individuellement aux fibres. La figure 3 représente les transducteurs 23 mais sous une forme simplifiée afin que la complexité du dessin soit réduite. Au lieu d'un arrangement à seize câbles à seize bits, on a représenté un arrangement à trois câbles de trois bits. Trois diodes photosensibles 28, à raison d'une par bit, sont connectées aux trois lignes 24 de don- nées. Les secondes fibres 22 sont identifiées par les codes Cl, C2, C3 pour les câbles 1, 2 et 3 et par les références Bi, B2 et B3 pour les bits 1, 2 et 3. Toutes les fibres de bit 1 sont séparées des câbles et groupées afin qu'elles se terminent en face de. la diode 28 du bit 1, et ainsi de suite. Les diodes disponibles ont des jonctions suffisamment grandes pour qu'elles recouvrent les seize fibres, bien que, le cas échéant, plusieurs diodes puissent être utilisées pour chaque bit, avec commande en parallèle des lignes 24. Lors du fonctionnement, une impulsion lumineuse est transmise à toutes les premières fibres 21 du seul ca- ble, c'est-à-dire au poste à transducteur adressé. Ce poste arrête certaines impulsions (comme décrit dans la suite) et les impulsions non arrêtées reviennent par les secondes fibres 22 sous forme d'un mot à seize bits qui est trans- mis au bus de données. Il faut noter que, lorsque les dispositifs photo- sensibles sont aussi photo-émissifs, les dispositifs photo- émissifs utilisés pour le lancement des impulsions lumi- neuses peuvent aussi être utilisés comme transducteurs photosensibles représentés sur la figure 3. La figure 4 représente un instrument qui peut constituer un poste à transducteur, sous forme d'un mano- mètre à tube de Bourdon. De nombreux autres transducteurs (de température, de débit, etc) peuvent aussi être réalisés afin qu'ils provoquent un déplacement mécanique représen- tant le paramètre qui est transformé en un code numérique optique comme dans l'instrument décrit précédemment. Il est plus commode que les différents éléments du manomètre soient montés sur une plaque rectangulaire 30 de base plutôt que sur une plaque circulaire, comme dans les manomètres classiques à tube de Bourdon. Une tuyaute- rie 31 est raccordée à un bloc-32 dans lequel une pre- mière extrémité d'un tube 33 de Bourdon est fixée de ma- nière classique. L'autre extrémité est fixée aussi de ma- nière classique à une crémaillère 34, par l'intermédiaire d'un dispositif 35 de réglage d'échelle, la crémaillère étant maintenue contre un pignon 36 porté par un arbre 37, par un ressort 38. L'arbre 37 peut porter une aiguille (non représentée) qui se déplace devant une échelle visible à travers le bottier amovible 39. L'instrument décrit jus- qu'à présent est analogue à un manomètre classique. Lors de l'utilisation selon l'invention, l'arbre 37 porte en outre un disque 40 de codage qui tourne dans un espace formé dans une terminaison 41 du câble 11 re- joignant le poste à transducteur. Le principe du codage est indiqué sur les figures 5 et 6. Au niveau de la termi- naison 41, le câble 11 bifurque (figure 5) afin que les premières fibres 21 se trouvent d'un côté du disque 40 et les secondes fibres 22 de l'autre côté. Les extrémités des fibres sont repliées en arc de cercle afin qu'elles soient dirigées vers le disque et chaque première fibre est en face d'une seconde fibre correspondante. Le disque a une piste circulaire entre chaque paire d'extrémités de fibre et, comme indiqué sur la figure 6, chaque piste 42 comprend des régions alternées opaques et transparentes 43 et 44. On n'a représenté que trois pistes par raison de simplicité. Seize pistes au maximum peuvent être disposées bien que, normalement, un nombre plus petit suffit, et les fibres redondantes ne sont pas utilisées ou sont utilisées avec des bits supplémentaires de commande. Dans un cas ex-- trême d'un commutateur manosensible par exemple, le disque ne porte pas de piste. Une simple ailette d'obturation se déplace entre deux extrémités de fibre. Un flasque 45 (figure 5) est moulé sur la termi- naison 41 et permet une connexion rapide du câble à l'ins- trument. Un manchon fileté 46 est fixé par des écrous 47 sur la plaque 30 qu'il traverse (figure 4). La terminai- son 41 est glissée dans le manchon et un écrou 48 d'appui monté sur le câble il est vissé sur le manchon afin que le flasque 45 soit serré contre le manchon. Le disque 40 peut être réalisé de différentes manières, par exemple photographiquement, par sérigraphie ou par usinage chimique d'un disque métallique dans lequel les zones transparentes 44 ont été retirées par fraisage. Dans le secteur du disque correspondant à une déviation à pleine échelle, la piste interne de codage. binaire com- porte une zone opaque et une zone transparente, la piste suivante comporte deux zones opaques et deux zones transparentes, etc. Lorsque la résolution est de n bits, la piste externe a n transitions entre des zones opaques et transparentes. Ces tran- sitions peuvent être très proches (circonférentiellement) lorsque le nombre n est élevé. En outre, un code binaire implique un changement de toutes les valeurs des bits ou de presque toutes ces valeurs dans certaines transitions (par exemple de 0111 à 1000, dans un exemple à quatre bits) dont la lecture est difficile en pratique. Pour ces rai- sons il est préférable que le code utilisé soit un code Gray dans lequel une transition entre deux nombres consé- cutifs d'une séquence est indiquée par un changement d'un seul bit. Cependant, la piste externe a n/2 transitions. Ce nombre peut être réduit à n/4 transitionspar utili- sation d'un code Gray modifié dans lequel deux pistes sont utilisées pour l'indication du bit Gray le moins signifi- catif, conformément au tableau qui suit dans lequel les 1 et 0 représentent les zones transparentes et opaques res- pectivement, T0 à T4 représentent cinq pistes numérotées radialement vers l'intérieur, N1 à N4 représentent les bits correspondants du code Gray et Bi à B4 représentent les bits correspondants du code binaire. Une extension à de plus grands nombres de bits est évidente. T4 T3 T2 T1 T0 L4 L3 L2 L1 B4 B3 B2 B1 déci- mal 0 0 0 0O O O O 0 0O O 0 0 0 1 00 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 2 o o i 0 0 11 1 0 0 1 0 0 0 1 1 3 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 4 0 1 1 1 0 O 1 1 1 O 1 0 1 5 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 6 0 1 0 0 0 01 0 0 0 1 1 1 7 1 i O O 1 1 0 0 1 0 1 1 0 O1 0 0 0 8 1 1 0 0 1 1 1 0 11 0 0 i 9 1 1 1 0 1 1 1 11 1 0 1 0 10 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 11 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 12 ECT ETC ETC ETC alors que pistes T0 On note qu le bit Li et T1 ont le le bit B1 alterne les valeurs 0101... alterne les valeurs 00110011... Les cependant des alternances qui sont seulement 0000111100001111... Le bit L1 est formé facile- ment à l'aide de l'opérateur OU exclusif des bits des pistes T0 et T1. Ce schéma nécessite une piste de plus que de bits de données mais si le nombre de pistes disponibles atteint seize, cette caractéristique ne pose aucun problème. Dans de nombreuses applications, treize bits donnant une réso- lution de douze bits sont plus que suffisants. Le système décrit apparaît au processeur central de commande comme une partie de sa mémoire si bien que la tâche de récupération des données est réduite au simple déplacement des données d'un emplacement de mémoire. Cette opération est facilité par l'utilisation d'instruments optiques et d'appareillage associé de saisie de données comme décrit, car les données de l'installation sont dis- ponibles immédiatement sous forme numérique. Cependant, la vitesse de récupération des données dépend de l'installa- tion de communication utilisée, lorsque le processeur est éloigné. L'appareillage optique selon l'invention peut être incorporé à des installations télémétriques optiques/élec- triques hybriques dans lesquelles les données optiques sont échangées avec un appareillage existant de communi- cation, par mise en oeuvre des bus électriques 10 et 12 et d'une transmission série des données. Dans un système plus élaboré, l'utilisation d'un multiplexage de communi- cationspermet l'utilisation de bus parallèles d'adresse et de données avec une augmentation très importante de la fréquence efficace des données. L'introduction à plus long terme par l'administra- tion des postes d'un réseau de communicationsoptiquesper- mettra l'élimination de l'appareillage classique de com- munication dans les installations télémétriques et rendra possible l'utilisation de fréquences de données de l'ordre de quelques mégabauds. Dans les applications de commande de procédés dans lesquealesles communications sur de longues distances ne sont pas nécessaires, la solution optique peut être mise en oeuvre immédiatement. Dans ces applications, l'ap- pareillage optique peut être couplé directement au proces- seur, si bien que l'appareillage classique extérieur aux différents postes n'est pas nécessaire. Le disque peut comporter, à la place des zones opaques et transparentes, des zones non réfléchissantes et réfléchissantes, la lumière étant transmise des premières fibres aux secondes par réflexion. REVENDICATIONS 1. Installation télémétrique, du type qui comporte un poste à transducteur relié à un poste central par un câble à optique de fibres comprenant au moins une première fibre destinée à transmettre de la lumière au poste à transducteur et plusieurs secondes fibres destinées à renvoyer la lumière dans une combinaison de fibres repré- sentant la quantité transmise, en fonction du réglage d'un élément transducteur commandant la transmission de lumière par la ou les premières fibres vers les secondes fibres,- ladite installation étant caractérisée en ce qu'elle com- prend plusieurs postes à transducteur et des câbles corres- pondant (câble 1 à câble 16), un dispositif (20) de lance- ment sélectif de lumière, placé au poste central et destiné à transmettre de la lumière dans la ou les premières fi- bres (21) d'un câble quelconque choisi, et un arrangement de transducteursopto-électriques(23) monté entre les se- condes fibres (22) et un bus de données (10) afin que les données provenant de tous les postes à transducteur soient multiplexées sur le bus de données. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque câble comprend n premières fibres et n se- condes fibres, le dispositif de lancement (20) lance des impulsions lumineuses le long des N premières fibres d'un câble quelconque choisi, et les secondes fibres sont multi- plexées sur un bus (10) de données à N bits, N étant un nombre entier supérieur à un. 3. Installation selon la revendicati6n 1, caracté- risée en ce que le bus de données (10) comporte plusieurs conducteurs électriques, et le dispositif de multiplexage comprend, pour chacun de ces conducteuzs,untransducteur opto-électronique.terminant toutes les secondes fibres correspondantes des câbles et relié au conducteur corres- pondant. 4. Installation selon la revendication 1, caracté- risée en ce qu'un bus d'adresses (12) est connecté à un décodeur d'adresse (16) ayant des lignes de sortie corres- :13 pondant individuellement aux câbles, chaque ligne de sortie (17) étant connectée à au moins un transducteur électro- optique qui pilote toutes les premières fibres du câble correspondant. 5. Installation selon la revendication 1, caracté- risée en ce que le dispositif de transmission de chaque poste à transducteur comprend un disque de codage (40) ayant plusieurs pistes (42) de 'régions (44) transmettant la lumière et de régions (43) ne transmettant pas la lu- mière, disposées entre les extrémités des premières et secondes fibres. 6. Installation selon la revendication 5, caracté- risée en ce que les trois pistes externes (42) ont leurs régions disposées de manière qu'elles représentent cycli- quement le dessin suivant de bits: 0 a 0 0 0 0 O 0 1 1 0 1 1 l l 1 1 1 1 1 0 0 1 0 7. Installation selon la revendication 2, caracté- risée en ce que le dispositif (20) de lancement de lumière dans toutes les N premières fibres des câbles comprend des transducteurs électro-optiques, et le dispositif de multi- plexage comprend les mêmes transducteurs fonctionnant en sens inverse, sous forme de transducteurs opto-électroniques.