Brevet FR2521289A1 — publié le 19830812

MONTAGE ELECTRIQUE PRODUISANT UN CHAMP MAGNETIQUE PULSATOIRE DANS LA BOBINE D'EXCITATION D'UN DEBITMETRE INDUCTIF. L'invention concerne un montage électrique, produisant un champ magnétique pulsatoire dans la bobine d'excitation dlun débitmetre inductif, comportant une source d' impulsions de courant, qui contient au moins un composant électronique commandé, qui régule le courant traversant la bobine d'excitation en fonction du signal d'un détecteur de courant se trouvan dans le circuit d'excitation. Les débitmètres inductifs servent à mesurer le débit d'un liquide passant dans une tuyauterie (demande de brevet allemand publiée avant examen DOS 29 41 383). Ils comportent au moins une bobine d'excitation, qui produit un champ magnétique pulsatoire à l'intérieur de la tuyauterie. Les porteurs électrisés contenus dans le fluide en mouvement y provoquent une chute de potentiel, qui est mesurée et interprétée par les électrodes se faisant face sur la paroi du tuyau. La différence de potentiel mesurée forme une mesure de la quantité de liquide écoulée par unité de temps. Pour l'alimentation de la bobine d'excitation, on utilise, sur les débitmètres connus, une source d'impulsions de courant, l'amplitude des impulsions étant régulée. La source d'impulsions de courant est alimentée avec une tension non stabilisée, qui doit naturellement entre supérieure à la tension da sortie. La différence de tension entre la tension d'entrée non stabilisée de la source d'impulsions de courant et la tension de sortie, multiplié par l'intensité, est convertie en chaleur par le composant électronique commandé. Cela veut dire que non seulement il se produit des pertes d'énergie importantes, qui nécessitent une puissance d'entrée inutilement élevée sur l'appareilfi mais qu'il faut encore une dépense importante pour refroidir les composants électroniques.Les moyens de refroidissement correspondants augmentent le poids et les dimensions de l'appareil. Sur les débitmetres connus, la fréquence de répétition & laquelle les impulsions de courant sont produites pour la bobine d'excitation est fixe. D'une part, la fréquence ddmpulsions devrait être grande pour qu'on obtienne un temps de réaction court pour l'appareil de mesure ainsi qu'une différence de fréquence importante entre le signal utile et les perturbations de basse fréquence ; d'autre part, la fréquence de répétition ne doit' pas non plus être trop grande, parce qu'avec des fréquences élevées, les capacités des cibles et les pertes par courants de Foucault provoquent des défauts.Le bon choix de la fréquence de répétition dépend aussi de la conductibilité du liquide et spécialement de l'importance ainsi que de la répartition des particules conductibles dans le li quine. Pour produire le courant de la bobine d'excitation, il est connu d'utiliser une boucle linéaire de régulation, avec laquelle le composant électronique est commandé chaque fois dans l1état conducteur, dans la mesure où un courant de la valeur voulue est produit. Mais il en résulte une chaleur dis sipée importante. On sait par ailleurs mettre en oeuvre deux composants électroniques fonctionnant symétriquement : pendant une demi-période, on obtient une valeur positive d'amplitude du couran.t d'excitation et, dans la demi-période suivante, une valeur négative de cette amplitude. Le but de l'invention est de développer un montage électrique du type indiqué plus haut, de manière que la puissance absorbée soit nettement diminuée par rapport aux montages connus et qu'ainsi l'évacuation de la chaleur dissipée soit simplifiée. Pbur atteindre ce but, il est prévu suivant l'invention que le composant électronique est un commutateur électronique commandé par impulsions et commutable seulement entre un état fermé et un état ouvert et que le signal du détecteur de courant est comparé, dans un comparateur connnandant le commu- tateur à un signal de consigne, le signal de consigne étant un signal à impulsions changeant périodiquement. Suivant l'invention, le comaxltateur électronique est ouvert ou fermé. Mais l'état régnant ne se mal-ntientpas pendant une demi-période du signal de consigne : il change à une fréquence relativement élevée, qui est nettement plus forte que celle du signal de consigne à basse fréquence. La bobine d'excitation, qui reçoit la tension commutée par le commutateu électronique, filtre le courant et lui donne une valeur moyenn Cette moyenne se règle automatiquement à la valeur de consigne Ceci s'obtient par le fait que le seuil de réponse du compara- teur est dépassé plusieurs fois vers le bas et vers le haut pendait une demi-période du signal de consigne, de sorte que le comparateur provoque une inversion fréquente du commutateur électronique.Le seuil de commutation du comparateur change en fonction du signal de consigne, qui programme dans une certain mesure le comparateur. Un avantage particulier du montage est sa faible dis sipation. L'ensemble de l'énergie reçue par le montage est uti lisée en très grande partie pour l'alimentation de la bobine d'excitation. Comme la bobine n'a que des pertes ohmiques faibles et qu'elle est surtout inductive, la puissance totale absorbée est très faible. L'appareil convient donc pour un fonctionnement sur batterie. I1 peut rnme titre exécuté en modèle portatif, puisque les lourdes plaques pour la dissipation de la chaleur ne sont pas nécessaires. Quand le commutateur électronique est paissant, sa résistai ce est extrEmement faible de sorte que la chaleur dissipée dans cet état dans ce comm- tateur est faible, même avec des courants importants. Si, par contre, le commutateur électronique est ouvert, il passe seule ment un courant résiduel très faible. Dans cet état aussi, la dissipation est très faible. I1 n'y a pratiquement pas de stad intermédiaire entre les états ouvert et fermé. La fréquence à laquelle le comparateur inverse le commutateur électronique dépend essentiellement de l'hystérési: du comparateur. Si l'hystérésis est grandie, l'inversion est moins fréquente que Si elle est'faible. Il est possible d'utiliser aussi un comparateur qui n'a pas d'hystérésis de commu station, Si on intercale un temporisateur entre le détecteur de courant et le comparateur. Ce temporisateur retarde l'arrivée du signal du détecteur de courant à 1 'entrée du comparateur, de sorte que la commutation se produit toujours dans le comparateur avec une certaine temporisation. En combinaison avec les caractéristiques de la bobine d'excitation, le temporisateur détermine donc la fréquence d'inversion du commutateur électronique. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, deux cozinitateurs électroniques cormnaadés symétriquement et raccordés à des potentiels opposés sont reliés à la bobine d'excitation. De cette façon, avec des valeurs absolues relativement faibles pour les amplitudes, on peut obtenir un changement important dans le temps pour la valeur du courant de la bobine d'excitation. Suivant une autre disposition de l'invention, il est prévu, pour la production du signal de consigne à basse fréquence, une chatne diviseuse de fréquence, sur laquelle différentes fréquences d'impulsions sont prélevables. Avec un pareil débitmbtre, on peut donc choisir la fréquence d\spulsions du courant d'excitation. Cette fréquence se règle sur chaque cas particulier. On la choisit par exemple relativement élevée si le potentiel des électrodes, des courants pulsatoires, etc., provoquent des signaux perturbateurs à basse fréquence, qui peuvent alors être filtrés simplement ; on la choisit relativement basse, si des capacités de cibles ou d'autres facteurs à haute fréquence sont si importants qu'ils doivent influencer la mesure dans le cas d'une fréquence d'impulsions élevée.La chaine diviseuse de fréqence est attaquée avantageusement par la fréquence du secteur. Ce type d'attaque a l'avantage d'etre très simple à réaliser et d'entralner une fréquence d'impulsions synchronisée avec le secteur et très constante ; avec cette fréquence, des perturbations de secteur superposées au signal utile peuvent etre supprimée d'une manière connue. Pour la production du signal de consigne, on peut prévoir un filtre à impulsions qui, à partir d'un train de n impulsions n'en laisse passer qu'une, n étant un nombre entier naturel, de préférence une puissance de 2. Cela permet de n'exécuter la mesure qu'à des instants donnés, qui se succèdent à certains intervalles de temps, de façon à réduire d'une manière réglable la puissance absorbée par l'appareil et donc la dissipation résiduelle dans le capteur de mesures et dans la bobine d'excitation (fonctionnement sur batterie, fonctionnement avec une température ambiante élevée). Par ailleurs, on peut alimenter, avec un échelonnement dans le temps, à partir d'un montage électrique commun, plusieurs bobines d'excitation de différents débitmetres. La fréquence de commutation du commutateur élec- tronique est de préférence dans la plage des audio-fréquences > par exemple entre 1 et 20 kHz. Elle est nettement plus haute que celle du signal de consigne, qui est de préférence entre 1 à 25 Hz. Le rapport entre les deux fréquences doit être au moins de 1 à 100. On décrira plus en détail ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, un mode particulier de réalisation de la présente invention en référence au dessin annexé. Sur ce dessin - la figure 1 représente un schéma synoptique du montage électrique - la figure 2 représente un schéma électrique du montage produisant les signaux de consigne et - la figure 3 représente les impulsions des courbes de tension et de courant à différents endroits du montage suivant la figure 1. Suivant la figure 1, la bobine d'excitation 10, qui est disposée à l'extérieur d'un tuyau (non représenté) et qui produit, à l'intérieur de ce tuyau, un champ magnétique, est traversée par un courant d'excitation, fourni alternativement par un premier commutateur électronique 11 ou par un deuxième commutateur électronique 12. Dans le présent exemple d'exécution, les comsutåteurs électroniques ll et 12 sont des transistors de commutation complémentaires, le com:aitateur li étant un transistor npn et le commutateur 12 un transistor pnp. Les émetteurs des commutateurs 11 et 12 sont reliés entre eux et reliés à l'un des piles de la bobine d'excitation 10. Les bases des transistors sont aussi reliées entre elles.Le collecteur du commutateur 11 est relié au pOle positif d'une source de tension et le collec teur du commutateur 12 est relié au polie négatif de cette source. A la place des transistors de commutation, on peut utiliser d'autres composants commandés à semi-conducteurs, comme des thyristors. L'autre p81e de la bobine d'excitation 10 est relié par un détecteur de courant 13 au potentiel de la masse. Le détecteur 13 est une résistance à basse impédance, dans laquelle le courant passant par la bobine d'excitation 10 produit une chute de tension. La tension régnant dans le détecteur de courant 13 est envoyée par un temporisateur 14 à l'entrée de la valeur réelle d'un comparateur 15. Le temporisateur 14 présente une résistance variable et un condensateur de découplage relié à la masse. La modification de la valeur de la résistance longitudinale permet de modi fièr la constante de temps du temporisateur. L'entrée de la valeur de consigne du comparateur 15 reçoit un signal de consigne prélevé sur un potentiomètre 16. Ce signal de consigne, dont la production est expliquée plus loin, est un train d'impulsions de basse fréquence alternativement positives et négatives. Le comparateur 15 a un comportement de seuil, c'est-à-dire qu'il produit un signal "1", quand l'amplitude existant à l'entrée de la valeur réelle est supérieure à celle existant à l'entrée de la valeur de consigne ; dans tous les autres cas, il produit un signal "O". Le signal de sortie du comparateur 15 com zende directement ou par 1 'inter:nédiaire d'autres moyens de commutation les bases des commutateurs électroniques 11 et 12.Comme avec des blocs d'alimentation synchronisés, on peut se passer, le cas échéant, d'un transformateur d'alimentation puissance et la source de courant peut être raccordée directement au secteur par l'intermédiaire de redresseurs et de condensateurs de filtrage, les bases des transistors de puissance étant commandées par des coupleurs opto-électroniques. Sur la figure 3, on a représenté, en a, l'allure du signal de consigne dans le temps. Ce signal est composé de tensions positives et négatives qui alternent entre elles avec une amplitude étalonnée. La fréquence du signal de consigne est de 25 Hz. En b, on a représenté l'allure dans le temps du courant I passant par la bobine d'excitation 10. Quand le signal de consigne U est positif, le comparateur 15 délivre un signal "1", qui est appliqué aux bases des commutateurs électroniques 11 et 12, de sorte que le commutateur 11 s'ouvre et que le commutateur 12 se ferme. La tension d'alimentation positive appliquée au commutateur 1l produit d'une maniere continue un courant d'excitation, qui est supérieur à la valeur de consigne réglée. Mais ce courant s'établit seulement lentement à cause de l'inductivité de la bobine d'exci- tation 10. Quand le courant d'excitation a atteint la valeur de consigne Is, le comparateur 15 s inverse avec une temporisation produite par le temporisateur 14.Alors le cou- tateur li se ferme et le commutateur 12 s'ouvre comgletemeht. Par suite de l'effet d'accumulation de la bobine d'excitation 10, le courant d'excitation retombe lentement, pour devenir inférieur à la valeur de consigne Is. Cette chatte du courant d'excitation est représentée sur la figure 3 en 17. Peu après la chute au-dessous de la valeur de consigne Is, le comparateur 15 s'inverse à nouveau, de sorte que le commutateur 12 se rouvre et que le commutateur 11 se referme. De cette façon, le courant d'excitation I prend l'allure en dents de scie représentée sur la figure 3. Il oscille autour de la valeur de consigne I8 qui représente la moyenne. Ces dents de scie sont créées par le fait que les commutateurs électroniques 11 et 12 alternent chaque fois entre l'état ouvert et fermé. Quand le signal de consigne U devientlensuite négatif, les mimes processus se produisent : il se crée un courant d'excitation variant en dents de scie autour d'une valeur de consigne négative formant une moyenne. Sur la figure 3, on a représenté, en c, l'allure de tension Ue sur la bobine d'excitation 10. Tant que le commu- tateur 12 est ouvert et le commutateur 11 fermé, la tension Ue a la valeur positive complète. Mais si, dans la phase 17, le con-itateur 12 se ferme et le commutateur 11 s'ouvre, ia tension ut prend la valeur négative complète. La moyenne de la tension d'excitation Ue pendant la demi-alternance positive du signal de consigne U prend une valeur qui peut provoquer exactement le courant d'excitation voulu. Si la temporisation du temporisateur 14 augmente, les durées des flancs 17 et 18 augmentent, ce qui diminue la fréquence d'inversion des commutateurs électroniques 11 et 12. Dans un exemple d'exécution pratique, cette fréquence d'inversion est d'environ 10 kHz et elle est donc plus de cent fois supérieure à celle du signal de consigne U. Sur la figure 2 on a représenté un montage produisant le signal de consigne U. La tension d'alimentation de 50 Hz commande un étage conformateur d'impulsions 19, délivrant des impulsions carrées, d'amplitude alternativement positive et négative. Ces impulsions carrées commandent un compteur ou une channe diviseuse d'impulsions 20. Les sorties de la chaise 20, qui sont chacune désignées par les diviseurs 1, 2, 4, 8, sont divisées par la fréquence d'entrée. Chacune de ces sorties peut etre connectée à un conducteur 21, qui est relié au potentiomètre 16 par l'intermédiaire d'un étage 22 diviseur de fréquence et d'un amplificateur 23. L'autre branchement du potentlo- mètre 16 est à la masse. L'étage 22 diviseur de fréquence divise par deux la fréquence d'impulsions appliquée à son entrée et venant du conducteur 21.L'étage comprend en plus une chaîne diviseuse de fréquence, dont les différents étages sont désignés par 2, 4, 8 et 16, suivant le diviseur. La fréquence d'impulsions présente à la sortie 8 du diviseur de fréquence repréaente donc le 1/8e de la fréquence d'entrée. Les sorties 2, 4, 8, 16 du diviseur de fréquences 22 sont reliées par des résistances de découplage 24 aux quatre éntrées d'une porte NON-ET 25. De plus, chacune de ces entrées est reliée au potentiel de masse par un comnltateur normalement fermé 26, 27, 28 et 29. Les commutateurs 26 à 29 peuvent etre actionnés à la main, de manière que le commutateur 26 s'ouvre d'abord, puis reste ouvert, qu'ensuite le commutateur 27 soit ouvert en plus et ainsi de suite, jusqu'à ce que tous les commutateurs 26 à 29 soient ouverts en même temps. La porte NON-ET 25 ne délivre, à sa sortie, un signal "1' que si tous les signaux d'entrée ont la valeur "O". Le potentiel de la masse correspond à un signal "O'. Par l'in termédiaire d'un inverseur 30, le signal de sortie de la porte NON-ET 25 commande un connmltateur électronique 40, schématisé sous la forme d'un commutateur mécanique, qui est monté parallèlement au potentiomètre 16 et peut le courtcircuiter. Le diviseur de fréquence 22 forme, en combinaison avec les commutateurs 26 à 29, la porte NON-ET 25 et le commutateur 40, un filtre à impulsions 31, qui ne laisse passer'qu'une impulsion sur n impulsions vers le potentio mitre 16, pour la production d'un signal de consigne. n est naturellement une puissance naturelle de 2 et peut donc prendre les valeurs 2, 4, 8, 16, etc. Si tous les commuta- teurs 26 à 29 sont fermés, le commutateur 40 reste fermé et aucune tension n'est appliquée au potentiomètre 16. Si maintenant le coniaitateur 26 s'ouvre, les impulsions venant de 1 Il est bien entendu que le mode de réalisation cidessus décrit n'est aucunement limitatif et pourra donner lieu à toute modification désirable sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Montage électrique produisant un champ magnétique pulsatoire dans la bobine d'excitation d'un débitmètre inductif, comportant une source d'impulsions de courant, qui contient au moins un composant électronique commandé, qui régule le courant traversant la bobine d'excitation en fonction du signal d'un détecteur de courant se trouvant dans le circuit d'excitation, caractérisé par le fait que le composant électronique est un commutateur électronique (11, 12) commandé par impulsions et commutable seul.ement entre un état fermé et un état ouvert, et que le signal du détecteur de courant (13) est comparé, dans un comparateur (15) commandant le commutateur (11, 12), à un signal de consigne (U), le signal de consigne étant un signal à impulsions changeant périodiquement. 2. Montage électrique selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'entre le détecteur de courant (13) et le comparateur (15), est monté un temporisateur (14). 3. Montage électrique selon laune des revevssd;.cations 1 et 2, caractérisé par le fait que deux comautateurs électroniques (11 et 12) commandés symétriquement et raccordés à des potentiels opposés sont reliés à la bobine d'excitation (10). 4. Montage électrique selon la revendication i, caractérisé par le fait que, pour la production du signal de consigne (U), il est prévu une haine diviseuse de fréquence (20), sur laquelle différentes fréquences d'impulsions sont prélevables. 5. Montage électrique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que, pour la production du signal de consigne (U), il est prévu un filtre à impulsions (31), qui, à partir d'un train de n impulsions n'en laisse pisser qu'une, n étant un nombre entier naturel, de préférence une puissance de 2. 6. Montage électrique selon l'une des revendications 1 à 5 > caractérisé par le fait que la fréquence de cormrm- tation du commutateur électronique (11, 12) est dans la plage des audiofréquences et qu'elle est nettement supérieure à celle du signal de consigne (U).