Brevet FR2489526A1 — publié le 19820305

La présente invention concerne d'une façon géné- rale un appareil de mesure et d'affichage de puissance. Plus spécialement, l'invention concerne un transducteur de mesure de puissance sans transformateur qui est couplé optiquement à un dispositif d'utilisation. La présente invention concerne des perfection- nements apportés à un transducteur de mesure de puissance et à un dispositif d'utilisation ou de contrôle à couplage par transformateurqui sont décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 096 436. Bien que son comportement soit plus que convenable dans les applications auxquelles il est destiné, le dispositif de contrôle de puissance décrit dans le brevet précité nécessite l'isolement des signaux de charge contrôlés par rapport au dispositif d'affichage,par l'intermédiaire d'un couplage par transformateur encombrant et coûteux. En outre, les signaux du transducteur de puissance couplé par transfor- mateur exigent la présence d'un appareil relativement complexe de conversion de signaux analogiques en signaux numériques pour permettre d'utiliser le dispositif de mesure de puis- sance avec un dispositif numérique d'utilisation tel qu'un microcalculateur. En conséquence, la présente invention a pour objet un dispositif de mesure de puissance sans transformateur, qui est capable d'engendrer un signal numérique,en rapport avec la puissance consommée par une charge contrôlée,qui peut être facilement relié à des systèmes de mesure ou de contrôle fondés sur un processeur. En conséquence, l'invention comprend des cap- teurs de tension et courant de charge couplés par résistances à la charge à contr&ler> les sorties des capteurs étant reliées aux entrées d'un multiplicateur. Un signal compensateur de référence prédéterminé est ajouté à la sortie du multiplica- teur et le signal résultant est alors appliqué à un circuit convertisseur destiné à le transformer en un signal constitué d'un train d'impulsions présentant une fréquence proportion- nelle à la puissance consommée par la charge contrôlée. Pour assurer l'isolement des signaux d'intensité ou de tension relativement élevés à la charge par rapport aux instruments ou autres types de dispositifs utilisant le signal constitué du train d'impulsions, un coupleur optique est intercalé entre la sortie du convertisseur et un amplificateur régénérateur de signaux utilisé pour coupler un signal régénéré constitué par le train d'impulsions, qui est en rapport avec la puissance consommée, à un dispositif d'utilisation tel qu'un système de contrôle de la marche d'un processus ou d'affichage fondé sur un processeur. Selon une caractéristique de l'invention, le signal de sortie du dispositif de mesure de puissance est d'une façon inhérente protégé du bruit et peut être par consé- quent transmis sur des distances relativement grandes-. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de mesure de puissance est capable de réagir plus rapidement que les dispositifs délivrant des signaux de sortie analogiques, étant donné qu'aucun filtrage du signal constitué d'un train d'impulsions de sortie du dispositif n'est nécessaire pour la transmission dudit signal de sortie à un dispositif d'utilisation. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, le dispositif de mesure de puissance peut être utilisé pour mesurer la consommation de puissance en courant alternatif ou en courant continu sans modification. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique est un schéma synoptique d'un dispositif de mesure de puissance et d'un système d'utilisa- tion réalisés selon la présente invention. On voit sur la figure unique qu'une source de puissance A transmet l'énergie électrique par des conducteurs 121 et 122 à une charge 101 en courant alternatif ou en cou- rant continu, par exemple le moteur d'entraînement de la broche d'une machine-outil électrique. Un shunt 102 de mesure d'inten- sité est monté en série entre le conducteur d'alimentation 121 et la charge 101. Un premier signal proportionnel à la tension t'1 aux bornes de la charge 101 est engendré par un réseau divi- seur de tension constitué de résistances 132 et 133 et un cir- cuit limiteur constitué de diodes 135 et 136. Une borne à la masse de la charge 101 est reliée par un trajet 123 à une pre- mière borne de la résistance 132. Une autre borne de la charge 101 est reliée par un trajet 124 à une première borne de la résistance 133. Les secondes bornes des résistances 132 et 133 sont connectées ensemble à un point de jonction relié à la borne anodique de la diode 1S5 et à la borne cathodique de la diode 136. La borne cathodique de la diode 135 est reliée à une source de tension positive de référence +Vl, tandis que la borne anodique de la diode 136 est reliée à une source de ten- sion négative de référence -VI. La jonction commune des résis- tances 132 et 133 et des diodes 135 et 136 est reliée en outre au potentiel de masse par un condensateur de filtrage 137 et à une borne 1 d'un circuit multiplicateur 104 de signalanalo- gique par l'intermédiaire d'une résistance 139. Le premier signal proportionnel à la tension aux bornes de la charge 101 apparait par conséquent à la borne 1 du multiplicateur 104. Un second signal proportionnel à l'intensité consommée par la charge 101 est développé par le shunt 102 et un amplificateur opérationnel 103. Un côté du shunt 102 est relié par une résistance 130 à une entrée inverseuse de l'am- plificateur 103. L'entrée inverseuse dudit amplificateur 103 est en outre reliée à sa sortie par une résistance 134. L'au- tre borne du shunt 102 est reliée par le trajet 123 et une résistance 131 à une entrée non inverseuse de l'amplificateur 103..La sortie de ce dernier est reliée par une résistance 138 à une borne 6 du multiplicateur 104. Par conséquent, le second signal apparait à la borne 6 du multiplicateur 104. Le multiplicateur 104 engendre le produit du premier signal à la borne 1 et du second signal à la borne 6 et transmet le produit sous forme d'untroisième signal à une borne de sortie 4. Le multiplicateur 104 pourrait être consti- tué par exemple par une pastille à circuit intégré du type AD 532 qui est vendue dans le commerce par la Société Analog Devices, Inc. La sortie du multiplicateur 104 est reliée par une résistance 140 d'ajustement du gain total du dispositif à un circuit de sommation de signaux comprenant des résistances d'entrée 141 et 142, un amplificateur opérationnel de somma- tion 106 et une résistance de réaction 143. Une autre entrée du circuit de sommation est reliée à une source 105 de signal compensateur de référence qui engendre un signal de tension compensatrice de précision appliqué à une première borne de la résistance 142 à partir d'une source de tension d'entrée +Vl. La source de référence 105 pourrait être constituée, par exemple, par le dispositif modèle AD 580 qui est vendu dans le commerce par la Société Analog Devices, Inc. Un curseur de la résistance variable 140 est connecté par la résistance 141 à une jonction de sommation à une entrée inverseuse d'un ampli- ficateur 106. La résistance 142 relie la sortie de la source à la jonction de sommation à l'entrée inverseuse de l'am- plificateur 106. Une entrée non inverseuse dudit amplifica- teur 106 est reliée à la masse. Une résistance 143 est connec- tée entre la sortie et l'entrée inverseuse de l'amplificateur 106. Par suite, un troisième signal formé en additionnant la charge du signal compensateur de la source 105 et le signal de sortie du multiplicateur 104 est engendré à la sortie de l'am- plificateur 106. Le signal compensateur engendré par la source 105 est ajouté au signal de sortie du multiplicateur 104 pour permettre d'utiliser le dispositif de mesure de puissance dé- crit dans le présent mémoire pour mesurer la puissance dans des systèmes triphasés en courant alternatif. La mesure du courant triphasé par la méthode classique à Deux Wattmètres nécessite l'addition de deux signaux de sortie de deux dispo- sitifs de mesure de puissance, dont l'un ou l'autre signal de sortie peut devenir négatif. Par suite, un signal compensateur est introduit dans le dispositif de mesure pour établir un ni- veau de tension d'entrée qui donne un signal de fréquence de sortie du dispositif situé à mi-chemin entre les repères néga- tifs et positifs de l'échelle entièrelorsque la puissance à mesurer est nulle. Par suite, avec une puissance consommée nulle à la charge 101, le troisième signal présente une ampli- tude sensiblement égale au niveau de référence de la source pour l'appliquer à un convertisseur tension-fréquence qui sera décrit plus loin. Le troisième signal est appliqué à un convertis- seur tension-fréquence de précision par l'intermédiaire d'une résistance 144. Le convertisseur tension-fréquence 108 utilise un intégrateur constitué d'un condensateur 145 et d'un ampli- ficateur opérationnel 107 pour amorcer le cycle de fonctionne- ment du convertisseur. Le convertisseur 108 pourrait être cons- titué,par exemplepar le modèle LM 331 et l'amplificateur opé- rationnel pourrait être constitué par le modèle LM 108 qui sont tous deux vendus dans le commerce par la Société National Semi- conductor Corp. Le convertisseur 108 et l'amplificateur inté- grateur 107 sont configurés de façon connue et entièrement décrite dans les documents d'information concernant le conver- tisseur 108 et par conséquent le fonctionnement interne dudit convertisseur 108,ne sera pas décrit en détail dans le présent mémoire. Il suffit de noter que, aux fins de la présente inven- tion, le convertisseur tension-fréquence 108 reçoit, le troi- sième signal par l'intermédiaire de la résistance 144 et de l'amplificateur intégrateur 107 à sa borne 7 et qu'il engendre à sa borne 3 un train d'impulsions séquentielles présentant une fréquence qui est précisément proportionnelleà la tension d'entrée à sa borne 7. La résistance 144 applique le signal de sortie de l'amplificateur de sommation 106 à une entrée inverseuse de l'amplificateur 107 et à la borne 1 du convertisseur ten- sion-fréquence 108. Une entrée non inverseuse de l'amplifica- teur 107 est mise à la masse. Un condensateur 145 est monté entre l'entrée inverseuse et la sortie de l'amplificateur 107. La sortie de l'amplificateur 107 est reliée par un circuit cathode-anode d'une diode 147 à la masse et par une résistance 146 à la borne 7 du convertisseur 108. Une résistance variable 148 d'ajustement de fré- quence est montée entre la masse et la borne 2 du convertis- seur 108. Un condensateur de temporisation 153 est monté entre la masse et la borne 5 du convertisseur 108. Cette borne 5 est reliée à la source de tension continue positive +Vl par une ré- sistance de synchronisation 152. La borne 8 du convertisseur 108 est reliée à la source de tension continue +V1, tandis que la borne 6 du convertisseur 108 est reliée à la borne de ten- sion +V1 par une résistance 151 et à la masse par le montage en parallèle de la résistance 150 et du condensateur 149. Le signal constitué d'un train d'impulsions apparaisant à la borne 3 du convertisseur 108 est appliqué à la borne 3 d'un coupleur optique 109, par une diode électro- luminescente faisant partie dudit coupleur, à la borne 2 de ce dernier, puis à une source de tension continue +Vl par l'inter- médiaire d'une résistance 154. Le coupleur optique 109 pourrait être constitué,par exemple, par le modèle SN 135 qui est vendu dans le commerce par la Société Hewlett Packard. Le coupleur optique 109 constitue un moyen permettant d'isoler un dispo- sitif d'utilisation, tel qu'un dispositif de commande 112 à micro-processeur qui sera décrit plus loin, des niveaux de ten- sion et intensité associés à la charge 101. La sortie du coupleur 109 est reliée à un ampli- ficateur de puissance 110 afin de régénérer et de conformer le signal constitué du train d'impulsions. L'amplificateur 110 pourrait être par exemple du type LM 380, vendu dans le com- merce par la Société National Semiconductor Corp. La borne 8 du coupleur 109 est reliée à une borne 14 de l'amplificateur 110 et, par l'intermédiaire du trajet 129, à la source de tension continue +V1. La borne 6 du coupleur 109 est reliée par une résistance 156 à la borne 14 de l'amplificateur 110. La borne du coupleur 109 est reliée au potentiel de la masse. Un condensateur 155 est monté entre les bornes 6 et 8 du coupleur 109, tandis qu'un condensateur 157 est monté entre la borne 5 du coupleur 109 et la borne 2 de l'amplificateur 110. Le signal constitué du train d'impulsions régé- nérées et remises en forme est appliqué de la borne de sortie 8 de l'amplificateur 110 à un dispositif d'utilisation compre- nant un compteur d'entrée 111, un contrôleur 112 fondé sur un microprocesseur et un dispositif d'affichage 113. La borne 8 de l'amplificateur 110 est reliée par un trajet 125 à une en- trée du circuit compteur 111 qui, par exemple, pourrait être constitué par une minuterie programmable du type 6840, vendue dans le commerce par la Société Motorola. Un circuit commun approprié 127 de transmission de données et d'adresses trans- met le contenu du compteur 111 à un microcalculateur du contrôleur 112, qui pourrait être un modèle 6802, également com- mercialisé par la Société Motorola. Le contrôleur 112 fondé sur un microcalculateur peut, sous commande programmée, lire périodiquement le contenu du compteur 111 par l'intermédiaire du circuit commun 127 en transmettant un signal de demande de lecture par l'intermédiai- re d'un conducteur de commande 126. En lisant le contenu du compteur périodiquement par intervalles de temps prédétermi- nés, le contrôleur 112 peut transformer la fréquence du signal constitué par le train d'impulsions en un signal indi- cateur de la consommation de puissance pour le transmettre par le trajet 128 au dispositif d'affichage 113 qui, par exemple, pourrait donner une indication visible de la puissance consommée par la charge 101. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil destiné à déterminer la puissance consommée par une charge électrique, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (102) relié par résistances à la charge (101) et destiné à engendrer des premier et second signaux électriques respectivement proportionnels à la tension aux bornes de la charge et à l'intensité passant à travers cette dernière; un multiplicateur (104) relié au dispositif (102) de génération des premier et second signaux et destiné à engendrer un troisième signal proportionnel au produit des premier et second signaux; un convertisseur (108) relié au multiplicateur (104) et destiné à engendrer un signal constitué d'un train d'impulsions ayant une fréquence proportionnelle à l'amplitude du troisième signal; et un dispositif (112) connecté pour recevoir le signal constitué d'un train d'impulsions afin d'engendrer un signal indiquant la consommation de puissance, qui est fonction de la fréquence du signal constitué du train d'impulsions. 2. Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le dispositif (112), destiné à engendrer un si- gnal indiquant la consommation de puissance, est connecté pour recevoir le signal, constitué du train d'impulsions, par l'inter- médiaire d'un coupleur optique (109) destiné à isoler ledit dispositif (112) du générateur du signal indiquant la consommation de puissance, des niveaux de tension et d'intensité associés à la charge (101). 3. Appareil selon la revendication 2, caracté- risé en ce qu'il comporte un amplificateur (110) dont une entrée (14) est reliée au coupleur optique (109) et dont une sortie (8) est reliée au dispositif (112) pour régénérer le signal constitué du train d'impulsions reçu du coupleur opti- que (109) à un niveau convenant pour l'utiliser dans le dispo- sitif générateur du signal indiquant la consommation de puis- sance. 4. Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comporte une source (105) de signaux compen- sateurs de référence et un capteur de signaux dont une première entrée est reliée à la source (105) de signaux compensateurs, dont une seconde entrée est reliée pour recevoir le troisième signal et dont la sortie est reliée à l'entrée du convertis- seur (106). 5. Appareil selon la revendication 4, caracté- risé en ce que l'amplitude du signal compensateur de référence est telle que la fréquence du signal constitué du train d'im- pulsions est proportionnelle à une consommation de-puissance sensiblement nulle de la charge (101), chaque fois que l'ampli- tude du troisième signal est sensiblement nulle. 6. Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le dispositif (112) destiné à engendrer un si- gnal indicateur de consommation de puissance comporte: un compteur ú111) présentant une entrée de comp- tage reliée pour recevoir le signal constitué du train d'impul- sions; et un microcalculateur relié au compteur (111) et destiné à lire périodiquement le contenu du compteur par inter- valles prédéterminés, en dérivant du contenu lu un signal indi- quant la consommation de puissance. 7. Appareil selon la revendication 6, caracté- risé en ce qu'il comporte en outre un dispositif d'affichage (113) relié au microcalculateur pour recevoir le signal indi- quant la consommation de puissance et présentant un dispositf destiné à afficher de façon sensible ou visible une interpré- tation du signal indiquant la consommation de puissance.