Brevet FR2518335A1 — publié le 19830617

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de télétransmission de signaux et leur application à la détection et/ou la mesure de la teneur en gaz combustible d'une atmosphère - Il est connu de transmettre de l'énergie à un capteur de signal de mesure à l'aide d'ume ligne qui, simultanément, assure la transmission d'une part des signaux d'interrogation du capteur et d'autre part des si- gnaux d'information émis par le capteur Ainsi le brevet français no 2 350 461 décrit un procédé et un dispositif de télétransmission dans lesquels l'alimentation en énergie des capteurs est réalisée à l'aide de courant continu véhiculé par la ligne reliant le ou les capteurs à l'unité centrale de traitement et dans lesquels le procédé d'interrogation des capteurs consiste à envoyer sur ladite ligne un courant également continu mais de polarité inverse de celui servant à alimenter les capteurs en énergie Si l'on désire alimenter à l'aide d'une ligne une multiplicité de capteurs on se heurte, compte tenu par exemple de la consommation intrinsèque en énergie des capteurs et d'impératifs de sécurité, à l'impossibilité d'alimenter la ligne en courant continu. Un premier objet de l'invention concerne un procédé de télé- transmission de signaux délivrés par au moins un capteur alimenté en- énergie et relié à une ligne de télétransmission, consistant en ce que l'énergie nécessaire à l'alimentation dudit capteur et le cas échéant des circuits électroniques qui y sont associés, est transmise par la ligne sous forme de courant alternatif d'intensité sensiblement constante, ladite ligne remplissant la triple fonction de fourniture d'énergie audit capteur et le cas échéant aux circuits qui y sont associés, de transmission des signaux d'interrogation audit capteur et de transmission des signaux d'information provenant dudit capteur. La ligne de télétransmission peut en outre transmettre des signaux d'interrogation à, et des signaux d'information de, au moins un capteur non alimenté en énergie par ladite ligne. Ce procédé permet, grâce à la-présence de transformateurs adé- quats, d'alimenter les capteurs (plus particulièrement d'assurer la charge des batteries d'accumulateurs qui assurent leur fonctionnement) à l'aide. d'un courant d'intensité suffisante tout en ne faisant supporter à la ligne qu'un courant d'intensité plus faible (par exemple quelques milliampères). Ce procédé permet en outre de pouvoir utiliser directement le- courant alternatif d'alimentation de la ligne, pour la transmission des signaux d'interrogation et d'information au lieu d'un courant continu. Avantageusement, les courants circulant dans la ligne conservent une phase constante àT( près. 18335 La ligne étant alimentée par un courant alternatif d'intensité sensiblement constante quelles que soient l'impédance et la longeur de la- ligne, une variation de la résistance de charge au secondaire du transfor- mateur monté en amont du capteur se traduira par une variation de la tension aux bornes dudit transformateur Cette variation de tension sera transmise intégralement, du fait de la constance des courants, à l'autre extrémité de la ligne La même valeur de la variation de tension sera obtenue à une extrémité et à l'autre de la ligne On peut donc se servir de cette variation pour réaliser une transmission numérique des signaux d'interrogation et d'information par l'intermédiaire de la ligne On transmettra par exemple un bit O lorsque la résistance aux bornes du secondaire du transformateur associé au capteur aura une valeur R et un bit 1 lorsque cette résistance aura une valeur R' supérieure à R La mesure de la tension permettra de reconnaître un bit 1 d'un bit O - Le message fourni par le capteur interrogé se trouve ainsi ache-, miné sur la ligne sous la forme représentée schématiquement et par exemple à la figure 1. Pour éviter de créer des parasites il est nécessaire que la commutation s'effectue aux passages par zéro du courant d'alimentation. Il est, de plus, avantageux, de façon à assurer une bonne fiabilité à la transmission, de choisir de transmettre chaque bit sur une période complète du courant alternatif d'alimentation de la ligne La synchronisa- tion entre les deux extrémités de la ligne est assurée par le courant alternatif lui-même Pendant la durée de la transmission des signaux d'information, il faut déconnecter de la ligne l'accumulateur fournissant l'énergie au capteur et aux circuits qui lui sont le cas échéant associés. Le procédé de télétransmission selon l'invention peut, en outre, être caractérisé en ce qu'on choisit, comme mode d'interrogation de la ligne, de couper deux périodes consécutives du -courant alternatif d'ali- mentation de ladite ligne. Le procédé selon l'invention peut en outre être caractérisé en- ce que les signaux numériques d'information transmis par la ligne provien- nent de la conversion de signaux analogiques non linéaires émis par des détecteurs non linéaires de grandeurs physiques Pour que la-valeur numé- rique x de la grandeur physique mesurée soit déterminée correctement, on compare le signal analogique non linéaire S émis par le détecteur à une tension de référence fonction du temps et dont la courbe représentative est constituée de N segments de droite Cette fonction V = f (t) peut être générée à l'aide de N + 1 amplificateurs opérationnels de tension, et a 18335 la même allure que la courbe de réponse du détecteur S f (x) On compare S et V et un dispositif qui comprend une horloge électronique, générant des impulsions proportionnellement au temps t et un compteur comptant lesdites impulsions, dispositif qui est associé au comparateur s'arrête quand la tension de référence V devient égale à la valeur du signal S Le nombre d'impulsions délivrées au bout du temps t pour lequel V = S est donc une mesure de la valeur x de la grandeur physique, à un coefficient de proportionnalité près, fonction de la cadence de l'horloge Cette valeur peut être visualisée et/ou commander un système d'alarme de dépas- sement de seuil prédéterminé, sur le lieu même o s'effectue la mesure. Un second objet de la présente invention concerne un dispositif de télétransmission de signaux comprenant au moins une ligne de transmis- sion bifilaire alimentée en courant alternatif et comportant un transfor mateur à chacune de ses extrémités Il peut comprendre en outre au moins un capteur alimenté -en énergie par chaque ligne de transmission. Le dispositif selon l'invention peut comprendre, en outre, une unité centrale de contrôle et de traitement informatisé, au moins un modulateurdémodulateur relié d'une part à l'unité centrale et d'autre part au transformateur situé à une extrémité de chaque ligne de transmis- sion et au moins un modulateur-démodulateur relié au transformateur situé à l'autre extrémité de chaque ligne de transmission, chaque capteur-étant relié à chaque modulateur-démodulateur relié à ladite autre extrémité de chaque ligne de transmission. Le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre au- moins un capteur alimenté en énergie par une source indépendante de chaque ligne de transmission. On appellera ci-après "amont" tout ou partie du dispositif situé à proximité de l'unité centrale et "aval" tout ou partie du dispositif situé à proximité d'un capteur On appellera "modem" un modulateur-démo- dulateur. Un modem aval peut être connecté au transformateur aval d'une ligne de transmission bifilaire soit par l'intermédiaire de l'enroulement primaire (donc en n'importe quel point de la ligne de transmission situé entre le transformateur aval et le transformateur amont; dans ce cas le transformateur aval peut être intégré au capteur), soit par l'intermédiaire de l'enroulement secondaire du transformateur aval; ledit transformateur aval peut donc être, dans ce second cas, connecté en n'importe quel point d'une ligne situé entre le transformateur amont et le modem aval Ce second mode de réalisation du dispositif selon l'ivention est schématisé à la figure 2 o ( 1) représente l'unité centrale de contrôle et de traitement informatisé, ( 2) l'un des modems amont, ( 3) l'un des transformateurs amont, ( 4) l'une des lignes de transmission bifilaire, ( 5) l'un dés transforma- teurs aval, ( 6) l'un des modems aval et ( 7) l'un des capteurs. Selon un mode de réalisation particulier, un transformateur d'isolement peut, en outre, être intercalé si nécessaire en n'importe quel point d'au moins une ligne. Dans le cas o le dispositif selon l'invention comprend plusieurs lignes de transmission, les transformateurs amont ont pour fonction de séparer galvaniquement les lignes entre elles; en outre chaque transfor- mateur amont sépare galvaniquement chaque ligne de transmission du modem amont auquel elle est reliée. Selon un mode de réalisation les transformateurs amont et aval sont abaisseurs de potentiel; selon un autre mode de réalisation le transformateur amont est élévateur de potentiel et le transformateur aval abaisseur de potentiel Dans ces deux modes, illustrés respectivement par les figures 3 a et 3 b, l'intensité i 1 du courant véhiculé par la ligne est faible en regard de celui qui alimente le capteur Z 1, Z 2, Z 3 sont. des diodes Zener, Rs une résistance additionnelle, RL est la résistance de la ligne L'home de l'art peut aisément, connaissant la tension V, la longueur de la ligne, et donc RL, et les rapports de transformation des transformateurs 3 et 5, en déduire la valeur-de R de façon à ce que le courant i ait la valeur voulue. A une unité centrale, on peut associer un ou plusieurs (par exemple de 1 à 8) modems amont A chaque modem amont on peut associer une ou plusieurs (par exemple de 1 à 16) lignes de transmission Chaque ligne est raccordée à un modem aval qui peut lui-même recevoir les informations de un ou-plusieurs (par exemple de 1 à 8) capteurs Ainsi une unité centra- le pourra traiter les informations provenant, par exemple, de 8-x 16 x 8 soit 1024 capteurs. Par capteur on entend un dispositif qui transforme une grandeur physique en un signal analogique (tension ou courant) et convertit le signal analogique en signal numérique Il comprend donc un détecteur et un convertisseur analogique-numérique Au moins un des capteurs associés à chaque ligne est alimenté en énergie par ladite ligne Le modem aval peut en outre et également interroger et recevoir les informations de capteurs ayant une alimentation indépendante de la ligne de transmission. Chaque détecteur fournit, lorsque le capteur le comprenant est interrogé par la ligne, un signal analogique, le plus souvent une tension, qui est transformé par le convertisseur analogique-numérique en une information numérique La liaison entre un capteur et son modem aval est soit une liaison classique (ligne conductrice à 4 fils dont 2 sont réservés à l'interrogation, et 2 à la transmission) soit une liaison optoélectronique assurant une isolation électrique Dans ce dernier cas le dispositif opto-électronique peut être intégré entièrement soit au modem aval, soit au capteur; il peut aussi être réparti entre le capteur et le modem aval (un transmetteur et un récepteur associés au modem aval, et un transmet- teur et un récepteur associés au capteur), la liaison étant alors réalisée à l'aide de fibres optiques La liaison entre un capteur et son modem aval comprend en outre une ligne bifilaire ayant pour fonction d'alimenter le capteur en énergie. La conversion analogique-numérique des signaux émis par le détecteur nécessite 1 S a) un circuit comprenant une horloge électronique et un compteur d'impul- sions b) un dispositif capable de générer une fonction V = f (t) composée de n segments de droite et ayant la même forme que la courbe de réponse S = f (x) du détecteur et, c) un comparateur dont la fonction est de comparer à tout moment la valeur de la tension V = f (t) au signal S = f (x). Tant que V est inférieure à S, l'horloge fonctionne et fait avancer le compteur Dès que V = S l'horloge s'arrête ainsi que l'avance du compteur Les sorties du compteur représentent alors la valeur numérique de la grandeur physique x à mesurer, à un coefficient de proportionnalité près fonction de la cadence de l'horloge Le dispositif capable de générer une fonction V = f (t) composée de N segments de droite est, par exemple, constitué de N + 1 amplificateurs opérationnels Le comparateur peut être un (n + 2)-ième amplificateur opérationnel. La figure 4 représente schématiquement un capteur Sur cette figure: 8 désigne le détecteur, 9 un amplificateur, 10 le générateur de fonction V = f (t), 11 le comparateur, 12 l'horloge électronique et 13 le compteur d'impulsions Les éléments suivants peuvent le cas échéant être ajoutés: dispositif de visualisation ( 14), dispositif de déclenche- ment d'alarme par dépassement de seuil ( 15), multiplexeur ( 16), compteur ( 17), registre à décalage ( 18), dispositif pour assurer la liaison avec le modem aval (en particulier dispositif opto-électronique) ( 19), circuit générateur de bit de parité ou d'imparité ( 20), dispositif d'alimentation par la ligne ( 21). Le modem aval est alimenté-en énergie par un accumulateur rechargeable par la ligne de transmission Il comprend une horloge élec- tronique dont les impulsions doivent être générées au passage par zéro du courant alternatif véhiculé par'la ligne, et une télécommande d'inter- rogation chargée dans un premier temps de reconnaître le message d'inter- rogation et, si ce message est reconnu, d'initialiser un compteur de bits et de réaliser le cycle d'interrogation: séquence d'interrogation du capteur, prise d'informations sur les différents capteurs, envoi des informations sur la ligne. Le modem amont comporte, si plusieurs lignes lui sont raccordées, deux multiplexeurs qui permettent de raccorder ce modem à la ligne que l'on veut interroger, un circuit de commande assurant la coupure du courant d'alimentation de la ligne pour une demande d'interrogation ou le renvoi d'un signal d'alarme, un circuit de détection pour la reconnaissance des informations qui proviennent du modem aval, un circuit d'interface avec l'unité centrale qui effectue le pilotage du modem amont et la saisie de l'information. L'unité centrale a pour fonction de-piloter les modems amont, saisir et traiter les informations (en particulier déclencher les signaux d'alarme, si nécessaire) et, gérer les systèmes périphériques tels que écrans de visualisation, imprimante, etc Le procédé et le dispositif selon l'invention trouvent une application particulièrement intéressante dans la détection et/ou la mesure de la teneur en gaz combustible d'une atmosphère, par exemple dans les galeries de mine, en permettant de surveiller une multiplicité de zones de travail et donc d'assurer la sécurité dans ces zones. Dans cette application, le capteur utilisé comprend un détecteur à filament qui, lors de la séquence d'interrogation, est alimenté sous une tension donnée Le courant parcourant le filament échauffe celui-ci qui, en fonction de la teneur en gaz combustible de l'atmosphère l'environ- nant, sera porté à une température plus ou moins élevée modifiant sa résistance Cette modification est utilisée pour générer un déséquilibre (par exemple celui d'un pont de Wheatstone duquel le filament constitue une des branches) et qui sera détecté sous la forme d'une tension consti- tuant le signal analogique de mesure. Le signal émis par le détecteur n'étant pas linéaire, on le compare à une tension de référence V = f (t) générée par un dispositif, décrit précédemment, comportant N + 1 amplificateurs opérationnels, et 18335 associé à un comparateur, une horloge électronique et un compteur d'impul- sions. La figure Sa représente la fonction V = f (t) et la figure Sb le dispositif permettant de convertir le paramètre x en une valeur numéri- que Cette valeur numérisée en code binaire est ensuite acheminée par l'intermédiaire du modem aval, de la ligne de transmission et du modem amont vers l'unité de traitement Elle peut également être visualisée au niveau même du capteur et également alimenter, sur place, un circuit d'alarme de dépassement de seuil. Dans cette application particulière du procédé et du dispositif selon l'invention, se pose le problème de la certitude de la mesure. Le résultat-d'une interrogation du détecteur dans une atmosphère à forte teneur en gaz combustible (par exemple en méthane) est normalement constitué par l'inversion du signal de mesure délivré par le détecteur. L'emploi de l'inversion du signal délivré par le détecteur ne présente pas une garantie totale quant à la certitude d'une forte teneur en gaz combus- tible dans l'atmosphère considérée Plus précisément on a constaté que le phénomène d'inversion du signal de mesure n'est pas conversatif et que certains détecteurs, même à l'état neuf, peuvent donner des indications ambiguës à cet égard On a trouvé qu'il est possible d'obtenir qu'un détecteur de teneur en gaz combustible indique sans ambiguité si la concentration en un tel gaz combustible dans une atmosphère est ou n'est pas supérieure à un seuil pré-déterminé Ce résultat est obtenu en inter- rogeant le détecteur consécutivement sous deux tensions d'alimentation différentes Dans une première étape, du temps O au temps t 1 de la séquence d'interrogation, on alimente le détecteur sous une première tension V 1 et on coupe l'alimentation dès que l'on a détecté un signal positif, et dans une seconde étape, si le signal délivré par le détecteur est négatif ou nul jusqu'au temps t 1, on alimente le détecteur, du temps t 1 au temps t 2 de la séquence d'interrogation, sous une seconde tension V 2 supérieure à V 1, puis on mesure l'élongation du signal au temps t 2. Le dispositif selon l'invention pourra être aménagé, au niveau du capteur, de façon à pourvoir à la double alimentation du détecteur et à la coupure automatique de son alimentation après la phase proprement dite de mesure. EXEMPLE Description et fonctionnement d'un capteur Les figures 6 a, 6 b et 6 c représentent un capteur aménagé pour cette application particulière concernant la mesure de-teneurs en gaz combustible dans une atmosphère Les tensions d'alimentation du détecteur sont élaborées par une source de courant continu rechargeable par la ligne- véhiculant du courant à 50 Hz Sur cette figure les repères ont les significations suivfantes: F est le filament-détecteur, F' le filament-compensateur. D est le détecteur délivrant la-tension du signal de mesure, fonction de la teneur en gaz combustible. QI' Q 2 ' Q 3 ' Q 4 sont les amplificateurs opérationnels générant la fonction V = f (t). Q 5 est un amplificateur opérationnel remplissant la fonction de comparateur. A 1 et A 2 sont les circuits du calculateur de parité du signal numérique, A 3 est un trigger, A 4 est le circuit diviseur de l'horloge, Bl est une bascule, B 2 et B 3 sont deux portes logiques, B 4 et Z constituent l'horloge électronique, B 5 et C 4 sont des compteurs d'impulsions, B 6 et C 5 sont des multiplexeurs, C 1 est un comparateur, C 2 est un inverseur logique, et C 3 est le registre à décalage. Le capteur peut comprendre également des afficheurs pour visua- lisation et une alarme Ce capteur fonctionne par exemple, à partir du temps t = 0 correspondant à l'envoi au capteur du signal d'interrogation par coupure de deux périodes successives du courant d'alimentation, comnme suit Le modem aval ayant reconnu cette coupure envoie une série d'impul- sions qui commandent le registre à décalage C 3 et le compteur C 4 Au temps t = 50 ms l'impulsion n 1 valide la sortie n 1 (mise en route du donver- tisseur de tension, remise à zéro des bascules et des afficheurs) Au temps t = 70 ms l'impulsion n 2 valide la sortie n 2 (alimentation des circuits analogiques par la batterie et le convertisseur, alimentation du détec- teur sous la tension V 1; dans le cas de forte teneur en gaz combustible, un signal positif est détecté et l'alimentation du détecteur est automa- tiquement coupée) Au temps t = 670 ms l'impulsion n 3 valide la sortie n 3 (alimentation du détecteur sous la tension V 2; l'information recueillie est alors mise en mémoire sur la bascule B 1 Sa sortie servira en temps voulu pour envoyer en butée l'indication numérique) Au temps t = 1970 ms-l'impulsion n 4 valide la sortie n 4 (débranchement de la recharge de l'accumulateur, déclenchement de la conversion analogique- numérique, validation de la détection d'inversion du signal et du compa- rateur C 1, mise en mémoire du signe du signal sur la bascule A 1) Au temps t = 2040 ms l'impulsion n 5 valide la sortie n 5 (coupure de l'alimen- tation du détecteur, fin de validation du compteur C 1, validation des multiplexeurs C 5-B 6 et du compteur C 4) Entre le temps t = 2720 et 4220 ms les impulsions 6 à 17 valident les sorties de C 4,C 5 et B 6 L'impulsion n 18 (t = 4360 ms) est sans effet Enfin l'impulsion n 19 au temps t = 4380 ms a pour effet de couper l'alimentation du capteur et de re- brancher la recharge de l'accumulateur Un cycle complet d'interrogation dure donc 4400 ms. REVENDICATIONS 1 Procédé de télétransmission de signaux délivrés par au moins un capteur alimenté en énergie-et relié à une ligne de télétransmission, caractérisé en ce que l'énergie nécessaire à l'alimentation dudit capteur est transmise par la ligne sous forme de courant alternatif d'intensité sensiblement constante, ladite ligne remplissant la triple fonction de fourniture d'énergie audit capteur, de transmission des signaux d'inter- rogation audit capteur et de transmission des signaux d'information prove- nant dudit capteur. 2 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les courants circulant dans la ligne conservent une phase constante à 1 l près. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la ligne de télétransmission alimente également en énergie les circuits électroniques associés audit capteur. 4 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en en ce que la ligne de télétransmission transmet en outre dés signaux d'interrogation â_ et des signaux d'information de, au moins un capteur non alimenté en énergie par ladite ligne. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les signaux d'interrogation et d'information sont-transmis sur la ligne sous la forme numérique. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque signal numérique est transmis sur une période complète du courant alternatif d'alimentation de la ligne. 7 Procédé selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le signal numérique d'interrogation de la ligne consiste en une coupure du courant alternatif qui l'alimente pendant deux périodes consé- cutives. 8 Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les signaux numériques d'information transmis par la ligne proviennent de la conversion de signaux analogiques non linéaires comparés à une tension de référence fonction du temps et dont la courbe représenta- tive est constituée de N segments de droite. 9 Dispositif de télétransmission de signaux caractérisés en ce qu'il comprend au moins une ligne de transmission bifilaire alimentée en courant alternatif et comportant un transformateur à chacune de ses extrémités. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un capteur alimenté en énergie par chaque ligne de transmission. 18335 11 Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une unité centrale de contrôle-et de traitement infor- matisé, au moins un modulateur-démodulateur relié d'une part à l'unité centrale, et d'autre part au transformateur situé à une extrémité de chaque ligne de transmission, et au moins un modulateur-démodulateur relié au transformateur situé à l'autre extrémité de chaque ligne de transmission, et en ce que chaque capteur est relié à chaque modulateurdémodulateur relié à ladite autre extrémité de chaque ligne de transmission. 12 Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre au moins un capteur alimenté en énergie par une source indépendante de chaque ligne de transmission. 13 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le primaire du transformateur situé à ladite autre extrémité de chaque ligne de&transmission est relié au modulateur-démodulateur affecté à cette extrémité de chaque ligne. 14 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le secondaire du transformateur situé à ladite autre extrémité de chaque ligne de transmission est relié au modulateur-démodulateur affecté à cette extrémité de chaque ligne. 15 Dispositif selon l'une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce qu'un transformateur d'isolement est intercalé en n'importe quel point d'au moins une ligne. 16 Dispositif selon l'une des revendications 11 à 15, caracté- risé en ce que la liaison entre au moins un capteur et le modulateur-démo- dulateur relié à ladite autre extrémité de chaque ligne de-transmission est constituée par des dispositifs opto-électroniques. 17 Application du procédé selon l'une des revendications 1 à 8 à la détection et/ou la mesure de la teneur en gaz combustible d'une atmosphère.