Brevet FR2476351A1 — publié le 19810821

La présente invention concerne un appareil de traitement de données et, plus particulièrement, un appareil permettant de suivre le maximum d'une fonction de corrélation entre deux signaux. Dans de nombreuses applications, il est nécessaire de contrôler une fonction de corrélation entre deux signaux et de déterminer l'instant o la fonction de corrélation atteint une valeur maximale. Une telle application apparait en relation avec un procédé de mesure d'écoulement dans lequel on détermine la vitesse d'écoulement en identifiant le retard entre deux signaux reliés, dont l'un est obtenu en aval de l'écoulement par rapport à l'autre. Si la distance séparant les points d'obtention des deux signaux est constante, alors la vitesse d'écoulement sera inversement propor- tionnelle au retard identifié. L'invention propose un appareil permettant de suivre le pic d'une fonction de corrélation entre deux signaux, cet appareil comprenant, en combinaison, un premier moyen corrélateur répondant auxdits signaux en produisant une mesure grossière de la position dudit pic, et un deuxième moyen corrélateur répondant auxdits signaux en suivant ladite position lorsque ladite mesure grossière correspond à l'intervalle de poursuite du deuxième moyen corréla- teur, le premier moyen corrélateur étant connecté au second de manière à faire que ledit intervalle de poursuite corresponde à ladite mesure grossière. La description suivante, conçue & titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure la est un schéma simplifié montrant la relation existant entre deux variables internes d'un processus de transport et leurs signaux externes mesurables; - la figure lb est un schéma de principe montrant une forme d'appareil de poursuite de pic de fonction de corrélation; - la figure 2 est une représentation graphique d'une fonction de corrélation et de sa dérivée par rapport au retard; - la figure 3 est un schéma de principe montrant un mode de réalisation d'appareil de poursuite de pic de fonction de corrélation permettant une résolution grossière-fine; - la figure 4 est un schéma de principe montrant une variante de l'appareil de poursuite de pic de la figure 3; la figure 5 est un schéma simplifié montrant un exemple de registre à décalage commandé par mot pouvant être utilisé dans l'appareil de la figure 3 ou de la figure 4; et - la figure 6 est un schéma d'un ensemble de commande d'écoulement comportant l'appareil de la figure 3 ou de la figure 4. Sur la figure la, est présentée, sous forme simplifiée, la relation existant entre des variables internes x' et y' d'un processus de transport T(S), et des signaux externes mesurables x et y. Les transformées de Laplace L 1(S) et L2(S) servent respective- ment de fonctions de transfert entre x' et x, et y' et y. Un exemple d'un tel processus de transport se trouve dans le procédé de mesure d'écoulement mentionné ci-dessus. Dans ce cas, une canalisation, ou conduite, 10 contient un milieu en écoulement représenté par la flèche 11. Des transducteurs et des circuits associés 12 et 13 ayant des fonctions de transfert représentées par les transformées de Laplace L1(S) et L2(S) produisent des signaux x et y respectifs à partir des signaux d'écoulement x' et y'. On peut voir que, si la fonction d'auto-corrélation de x est R (S) et la fonction de corrélation croisée entre x et y est R (S), alors: xx(S) L1(S) L1(-S). R,,(S) et R (S) = L2(S). T(S). L2(-S). T(-S). R,x,(S). En éliminant Rx,x,(S), on obtient: L2(S).T(S) L2(-S).T(S) R (S)=. À R (S). YY Ll(S) Li(-S) xx Ainsi, la fonction de transfert effective reliant y à x est: L2(S).T(S) Ll(s) et, ainsi, L2(S).T(S) R (S) = Ll(S). R (S) yx L (S) xx Lorsque les deux fonctions de transfert L1 et L2 sont égales à l'unité, RyX(S) = T(S).Rxx(S)..(2). Lorsque L1 = 1 et L2 = St (o t est le retard), Ryx(S) = St [T(S).R xx(S)]...(3). Dans le domaine du retard, ceci est équivalent à la différenciation de l'équation (2) par rapport au retard. Lorsqu'on souhaite faire effectuer ces fonctions par des circuits électroniques, il n'est pas nécessaire d'utiliser un circuit différenciateur idéal du type L1 = 1 et L2 =St, puisque L1 =1/(1 + St) et L2 = St /(1 + SZ) peuvent facilement être mis en oeuvre au moyen de circuits à résistance et capacité pour permettre d'obtenir le rapport St conforme à l'équation (3) ci- dessus. Les caractéristiques essentielles d'une forme d'appareil de poursuite de pic de fonction de corrélation à boucle de verrouil- lage de retard sont présentées sur la figure lb. Un signal d'entrée x(t) est envoyé, via un détecteur de polarité 14,à un registre à décalage 15 qui introduit un retard dans le signal. Ce signal retardé est ensuite envoyé à une entrée d'un multiplicateur 16. Un deuxième signal d'entrée y(t) est envoyé,via un circuit de diffé- renciation 17,à la deuxième entrée du multiplicateur 16. Le signal de sortie du multiplicateur 16 est envoyé,via un circuit de filtrage 18, qui peut comprendre un circuit RC ayant une constante de temps appropriée, à un intégrateur 19 dont le signal de sortie est envoyé à un oscillateur à commande de tension 20. L'oscillateur à commande de tension 20 fournit la fréquence d'horloge qui fixe le retard t du registre à décalage. Si la boucle de réaction comprenant l'intégrateur 19 et l'oscillateur 20 est interrompue et si le retard du registre à décalage est commandé extérieurement par une variation de sa fréquence d'horloge, on peut alors montrer que la différenciation du signal y(t) entraîne une variation de tension apparaissant à la sortie du circuit de filtrage 18, laquelle variation est représentative de la fonction de corrélation croisée différenciée Ryx, lorsque le retard du registre à décalage parcourt lentement l'intervalle de retard de la fonction. La fonction de corrélation croisée R et sa dérivée yx par rapport au retard sont présentées graphiquement sur la figure 2. La fonction dérivée, illustrée par un trait interrompu, est bipolaire, si bien que l'on obtiendra le point de fonctionnement stable du système de contre-réaction en boucle fermée lorsque la fonction dérivée sera égale à zéro. Ce point correspond au pic de la fonction de corrélation R yx Lorsque la boucle de réaction est connectée de la manière indiquée sur la figure lb, un signal représentatif de la fonction dérivée est reçu à l'entrée de l'intégrateur 19. Si ce signai d'entrée est à zéro, c'est-àdire s'il est représentatif du pic de la fonction, le signal de sortie de l'intégrateur est constant; ainsi, la fréquence d'horloge produite par l'oscillateur à commande de tension 20 est également constante et le système de contre-réaction se trouve à son point de fonctionnement stable. Toutefois, un signal positif ou négatif appliqué à l'entrée de l'intégrateur 19 est intégré sur le temps, ce qui amène la délivrance d'une fréquence d'horloge progressivement croissante ou décroissante au registre à décalage 15. Ceci entraîne alors la délivrance par le multiplicateur 16 d'un signal de sortie d'amplitude décroissante jusqu'à ce que le signal d'entrée de l'intégrateur 19 se trouve à zéro et que le point de fonctionnement stable du système ait été atteint, La fréquence d'horloge du registre à décalage est inver- sement proportionnelle au retard du registre et, par conséquent, au retard correspondant au pic de la fonction de corrélation. De lentes variations de cette position de pic sont donc suivies par l'appareil. Les procédés de dérivation antérieurement proposés ont fait appel à la différence existant entre deux fonctions de corréla- tion, l'une étant retardée par rapport à l'autre. Le signal de dif- férence est proportionnel à la fonction de corrélation dérivée. Toutefois, puisque le point de croisement de zéro de la fonction dérivée s'obtient par soustraction de parties des fonctions de corrélation qui sont sensiblement en deça des valeurs maximales, la précision du résultat obtenu est réduite du fait du bruit résul- tant de la variance accrue associée à la diminution de l'amplitude des fonctions. Lorsqu'il s'agit de suivre des variations plus rapides de la position du pic, il y a avantage A obtenir initialement une indication grossière de la position du pic. On évite ainsi de devoir utiliser l'appareil de la figure lb en mode de recherche, car ceci entraIne un retard prolongé pour la réponse de l'appareil vis-à- vis d'importants changements de la position du pic. L'utilisation d'un indicateur de pic grossier élimine en outre la possibilité que des pics parasites, d'amplitude plus faible, soient attrapés avant la découverte du pic principal. Le mode de réalisation préféré de l'invention fournit donc un appareil du type grossier-fin. Un corrélateur numérique ayant un nombre relativement petit d'incréments de retard fournit une indication grossière de la position du pic. Ceci peut servir a restreindre l'intervalle de poursuite de pic d'une boucle verrouillée en retard au voisinage immédiat du pic le plus important, ce qui élimine la nécessité de passer par un mode de recherche. Au moyen de cette technique, il est possible de construire un appareil de poursuite de pic de fonction de corrélation, par exemple destiné a un débitmètre à corrélation, qui présente une résolution de sortie virtuellement continue. La figure 3 présente un schéma de principe d'un appareil de poursuite de pic restreint complet. Les parties de ce circuit qui sont communes à celui de la figure lb sont désignées par de mêmes numéros de référence. Le circuit de la figure 3 comporte celui de la figure lb, à l'exception du fait que le registre à décalage 15 est remplacé par un registre à décalage 25 commandé par mot dont le retard est établi à la fois par la fréquence des impulsions d'horloge venant de l'oscillateur à commande de tension , comme c'était le cas du registre à décalage 15, et par le fait d'une longueur, ou nombre d'étages, variable qui est commandée par un signal tel qu'un mot numérique N appliqué à une entrée de commande du registre à décalage 25. Un détecteur de pic grossier 26, par exemple un corré- lateur numérique possédant un nombre relativement petit d'incréments de retard, est destiné à recevoir les signaux x(t) et y(t) et à produire un signal indicatif de la position du pic grossièrement détectée. Le signal est présenté sur la figure 3 comme possédant la forme du mot numérique Np, et ce signal est appliqué à l'entrée de commande du registre à décalage 25. La longueur et, par consé- quent, le retard du registre sont commandés en fonction de ce signal, et le montage préféré est celui dans lequel le signal commande le registre de façon que sa longueur soit proportionnelle à la position de pic grossière détectée. Il est possible d'utiliser, comme détecteur de pic grossier 26, l'un quelconque de toute une série de corrélateurs connus dans la technique produisant une mesure grossière du pic d'une fonction. La fréquence d'horloge F du registre à décalage 25 est fixée par l'oscillateur à commande de tension 20 faisant partie de la boucle de verrouillage de retard, de la même manière que pour le cas de la figure lb. L'intégrateur 19 fournit un signal V2 qui est représentatif de l'intégrale du signal filtré Vl. et ce signal intégré V2 commande l'oscillateur à commande de tension 20 et, par conséquent, la fréquence d'horloge F C. Le signal de sortie V2 de l'intégrateur ajuste efficacement la fréquence d'horloge F jusqu'à ce que le signal V1 s'annule, comme cela a été décrit ci-dessus. Alors, la position retardée du pic de la fonction est donnée par Retard = N p F Dans les applications à un débitmètre à corrélation, il faut obtenir un signal de sortie inversement proportionnel au retard, à savoir que le débit est proportionnel à F N p Cette fonction peut être mise en oeuvre de la manière indiquée sur la figure 3 à l'aide d'un moyen de traitement appro- prié tel qu'un circuit de comptage à module variable 27 dont le module est commandé par l'indication de pic grossière N et dont le signal d'entrée est la fréquence d'horloge F c. La fréquence de sortie est alors proportionnelle au débit et est appliquée à un convertisseur fréquence-tension 28 produisant une tension V pro- portionnelle au débit. La tension V0 peut être utilisé pour activer un moyen d'indication classique, tel qu'un indicateur à cadran, un dispositif d'enregistrement à stylet ou un dispositif à lecture numérique. Dans le cas o un signal de sortie numérique est néces- saire, il peut être envisagé de prélever directement le signal de sortie du compteur 27. Un autre circuit de sortie peut être constitué de la manière suivante. Le signal de sortie de l'oscillateur à commande de tension 20 est donné par Fc = 2V2 +3 Lt dR (t) V2 o V1dt, o V = K1 d t et KX) K2 et K3 sont des constantes déterminées par les paramètres de l'appareil. Toutefois, l'équation relative à Fc peut être réécrite de la manière suivante: F K3 c = 3 K2 2 K2 K2 Ainsi, il est possible de former une tension Vc donnée par VC Fc/K2' La figure 4 présente un appareil utilisant un circuit de sortie modifié selon le moyen qui vient d'être indiqué. L'appa- reil est identique à celui de la figure 3, mais le compteur à module variable 27 et le convertisseur fréquence-tension 28 sont remplacés par un circuit convertisseur numérique-analogique 29. Le circuit 29 reçoit le signal de sortie V2 de l'intégrateur et divise la partie variable V par l'indication de pic grossière N. Puisque le débit est proportionnel à F diviséepar N, et que V est propor- tionnelle à Fc comme cela a été montré ci-dessus, le signal de sortie V0 du circuit 29 est proportionnel au débit. La figure 5 montre un exemple de registre à décalage commandé par mot 25 pouvant Etre utilisé dans l'appareil des figures 3 et 4. Le mot binaire N, qui est appliqué dans ce cas sous forme parallèle, commande les commutateurs logiques 42, 44 et 46 reliant respectivement les étages 41, 43 et 45 du registre à décalage. Lorsqu'un bit du mot N est égal à un, l'étage du registre à décalage dont la longueur est proportionnelle à la pondération binaire du bit est connecté dans la chaîne d'étages du registre à décalage, tandis que, lorsque le bit est zéro, l'étage est dérivé par un court- circuit. Ainsi, l'entrée de commande du commutateur logique 42 commande l'étage 41 de registre à décalage ayant une longueur égale à l'unité, tandis que les commutateurs 44 -et 46 commandent respec- tivement les étages 43 et 45 dont les longueurs sont respectivement le double et le quadruple de celle de l'étage 41. Le commutateur logique 42 est présenté de façon plus détaillée, et l'on voit qu'il comporte des portes ET 47 et 48, une porte OU 49 et un inverseur 50. Les commutateurs 44 et 46 peuvent être construits de façon identique. A la réception d'un "un" logique à l'entrée de commande, la porte ET 47 laisse les données en série venant de l'étage 41 la traverser de façon qu'elles atteignent, via la porte OU 49, l'étage suivant 43. L'inverseur 50 empêche la porte ET 48 de former une dérivation contournant l'étage 41. Lorsqu'un "zéro" logique est reçu à l'entrée de commande, les états des portes ET 47 et 48 s'inversent, et les données en série contournent l'étage 41, ce qui raccourcit la longueur totale du registre à décalage 25. La longueur totale du registre à l'instant de la réception d'un mot binaire de commande N est donc égale au produit de la longueur maximale pouvant être obtenue pour le registre et du nombre décimal correspondant au nombre binaire NP. Alors que trois étages 41, 43 et 45 sont représentés sur la figure 5, il est possible de prévoir un nombre quelconque voulu correspondant au nombre de bits du mot de commande N produit par le détecteur grossier 26. Dans les applications à la mesure de débit, l'appareil peut être conçu de façon à produire une indication ou lecture du débit ou d'un autre paramètre d'écoulement associé. Sinon, il peut être utilisé dans un système de réaction, comme cela est présenté sur la figure 6, afin de commander le débit. La canalisation ou conduite 10 contient un milieu en écoulement, par exemple un liquide, représenté par la flèche ll et elle est dotée de trans- ducteurs 12 et 13. L'appareil 60 de poursuite de pic, tel qu'il est représenté sur les figures 3 et 4, reçoit des transducteurs 12 et 13 des signaux associés à l'écoulement et produit une indi- cation du débit à destination d'un circuit de commande 61. Le circuit de commande 61 est conçu pour répondre aux indications de débit venant de l'appareil 60 en activant un mécanisme de commande de débit 62 disposé dans le trajet d'écoulement. Ainsi, par exemple, il est possible de maintenir le débit constant, ou bien de lui donner une limite maximale ne devant pas être dépassée. Le mécanisme de commande de débit 62 peut comprendre une vanne et, ou bien, une pompe et le circuit de commande 61 peut comprendre n'importe quel montage classique, par exemple un comparateur qui compare le signal indiquant le débit avec un signal de référence et qui active le mécanisme de commande 62 en conséquence. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir de l'appareil dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Appareil permettant de suivre la valeur maximale de la fonction de corrélation entre deux signaux, l'appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison un premier moyen corrélateur (26) qui répond auxdits signaux en produisant une mesure grossière de la position de ladite valeur maximale et un deuxième moyen corrélateur (14, 16, 17, 18, 19, 20, 25) qui répond auxdits signaux en suivant ladite position lorsque la mesure grossière correspond à l'intervalle de poursuite du deuxième moyen corrélateur, le premier moyen corrélateur étant connecté au deuxième moyen corrélateur afin de faire que ledit intervalle de poursuite corresponde à ladite mesure grossière. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième moyen corrélateur comporte un moyen retardateur (15; 25) servant à produire un retard qui détermine ledit intervalle de poursuite et qui est variable en fonction de la mesure grossière de manière à faire que ledit intervalle de poursuite corresponde à ladite mesure grossière. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen retardateur comprend un circuit en boucle de verrouil- lage de retard (16, 18, 19, 20) qui produit à la fois ledit retard et une mesure fine de la position de ladite valeur maximale à l'intérieur de l'intervalle de poursuite. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen permettant de traiter la mesure grossière et la mesure fine de manière à fournir une indication d'un temps de retard entre les deux signaux pour lequel la fonction de corrélation est maximale. 5. Appareil selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le circuit en boucle de verrouillage de retard comporte un oscillateur (20) qui produit un signal de coumande dont la fréquence correspond à la mesure fine. 6. Débitmètre du type destiné à suivre la valeur maxi- male d'une fonction de corrélation entre deux signaux associés au débit, le débitmètre étant caractérisé en ce qu'il comprend: deux détecteurs (12, 13) disposés au voisinage d'un fluide en écoulement (11) afin de produire lesdits deux signaux de telle manière que l'un des signaux identifie des éléments donnés du fluide en un premier emplacement et l'autre desdits signaux identifie des éléments donnés correspondants dudit fluide en un deuxième emplacement, le premier et le deuxième emplacement étant mutuellement séparés l'un de l'autre suivant le trajet d'écoulement dudit fluide; un premier moyen corrélateur (26) répondant auxdits signaux en produisant une mesure grossière de la position de ladite valeur maximale; et un deuxième moyen corrélateur (14, 16, 17, 18, 19, 20, 25) répondant auxdits signaux en suivant ladite position lorsque ladite mesure grossière correspond à l'intervalle de poursuite du deuxième moyen corrélateur, le premier moyen corré- lateur étant connecté au deuxième moyen corrélateur de manière à faire en sorte que ledit intervalle de poursuite corresponde à ladite mesure grossière. 7. - Débitmètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit deuxième moyen corrélateur comporte un moyen de retard (15; 25) servant à produire un retard qui détermine ledit intervalle de poursuite et qui est variable en fonction de ladite mesure grossière de manière que ledit intervalle de poursuite corresponde à ladite mesure grossière. 8. Débitmètre selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen de retard comprend un circuit en boucle de verrouil- lage de retard (16, 18, 19, 20) qui produit à la fois ledit retard et une mesure fine de la position du pic à l'intérieur de l'inter- valle de poursuite. - 9. Débitmètre selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (27, 28; 29) qui divise ladite mesure grossière par ladite mesure fine de manière à fournir une indica- tion du débit dudit fluide. 10. Débitmètre selon la revendication 9, caractérisé en ce que le circuit en boucle de verrouillage de retard comporte un oscillateur (20) qui produit un signal de commande dont la fréquence correspond à ladite mesure fine. 11. Débitmètre selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit moyen de division comprend un compteur à module variable (27) dont le module est commandé par ladite mesure grossière, ledit signal de commande étant appliqué à une entrée du compteur.