Brevet FR2543706A1 — publié le 19841005

La présente invention concerne le domaine des transducteurs électro- pneumatiques, et, plus particulièrement, un transducteur pour transformer des courants électriques en pressions pneumatiques, mouve- ments ou forces Elle concerne de plus l'instrumentation de commande de processus qu'on utilise dans des conditions spéciales (c'est-à dire en atmosphères dangereuses) qui demandent une sécurité intrin- sèque. Dans les usines à processus chimiques, les groupes de puissance et autres environnements similaires, des pressions pneumatiques sont fréquemment appliquées en différents points du système de fonc- tionnement des instruments de commande, tels que des positionneurs de vannes ou commandes Il est souvent préférable d'effectuer les varia- tions de pression nécessaires pour exécuter les fonctions de commande (par exemple, changer les réglages des positionneurs de tiges de vannes, et autres) à partir d'un lieu central éloigné, tel qu'une salle de commande Cette salle de commande peut être située à 300 m ou plus (par câble) du dispositif qu'on doit commander Vu la grande distance, il est classique d'utiliser, comme variable, un courant électrique (à partir d'une source de courant commandable) pour réa- liser les variations de pression En principe, on établit une boucle de courant série entre la salle de commande et le lieu éloigné, et la charge ou le dispositif qu'on doit commander (c'est-à-dire l'instru- ment de commande) est placé dans la boucle. Souvent, des atmosphères dangereuses peuvent exister au voisi- nage du dispositif commandé On utilise donc de l'électricité à très faible puissance pour obtenir un état de sécurité intrinsèque - c'est-à-dire pour être s lr que l'énergie emmagasinée dans chaque élément est insuffisante pour déclencher l'allumage de l'atmosphère dangereuse en cas d'étincelle Pour atteindre cet objectif, en prin- cipe, la tension maximale disponible aux bornes de la charge, est limitée à 10 volts, avec un courant pouvant varier de 3,2 à 20 m A environ. Actuellement, les transducteurs courant-pression disponibles qui sont destinés à fonctionner dans de tels environnements présen- tent plusieurs inconvénients Ils ne sont ni très précis, ni stables. Ils sont sensibles aux variations de température et aux vibrations, et provoquent des fluctuations de la pression de sortie sous des excitations vibratoires Ils ont une plage dynamique et un gain de boucle limités, ne sont pas faciles à aligner ou à équilibrer, et ils ont des composants qui se dégradent à l'usage De plus, ils sont relativement encombrants et nécessitent souvent un équipement et des techniques d'assemblage et de fabrication complexes Ceci rend leur production co teuse Si des blindages sont nécessaires, eux aussi augmentent le prix des transducteurs. Quelques-uns des inconvénients des transducteurs courant-pres- sions mentionnés ci-dessus sont résolus dans un convertisseur cou- rant-pression relativement nouveau qui est illustré dans le numéro de novembre 1981 du magazine espagnol "Regulacion y Mando Automatico" dans un article intitulé "'Nuevo Principio de functionamiento Para Convertidores I/P" Le transducteur courant-pression décrit dans l Par- ticle comporte une boucle de commande électronique utilisant un convertisseur PID (Dérivation intégrale proportionnelle) Le petit signal d'entrée électrique au transducteur est connecté au convertis- seur PID On compare le signal avec un autre signal qu'on mesure avec un transducteur à état solide S'il y a une différence, une tension est appliquée à un élément piézo-électrique coiffant une buse à air. Le mouvement de l'élément modifie la pression de l'air dans la buse qui, à son tour, actionne un relais pneumatique qui y est couplé Le fonctionnement du relais règle le signal de sortie pour l'adapter au signal d'entrée 3 complétant ainsi la fonction de commande Ce trans- ducteur courant-pression est l'objet des brevets suédois 7901841 et allemand DE 30 34 326 de la Compagnie Saab-Scania Il est aussi l'objet d'une demande P C To (Traité de Coopération en matière de Brevets) dans plusieurs autres pays (voir la demande UX 2 065 331). Si le transducteur courant-pression de la Saab-Scania apparaît être une amélioration par rapport aux transducteurs courant-pression précédemment décrits, il présente aussi quelques inconvénients Ain- si, l'emploi d'un convertisseur PID rend le dispositif plus complexe. De plus, le dispositif n'est pas destiné à recevoir la puissance faible correspondant aux exigences de sécurité intrinsèque qui sont souvent nécessaires quand on emploie un transducteur courant-pression dans une atmosphère ou un milieu dangereux. Ainsi, un premier objet de l'invention est de prévoir un transducteur courant-pression électro-pneumatique nouveau et amélioré qui n'ait pas les inconvénients des tranducteurs courant-pression mentionnés ci-dessus et qui soit plus précis, plus stable et moins sensible aux variations de température. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un transducteur électro-pneumatique à faible puissance, nouveau et amé- lioré, et qu'on peut utiliser pour transformer du courant en pres- sion, mouvement et/ou force. Un autre objet, encore, de cette invention est de prévoir un transducteur courant-pression ou courant-mouvement ou force à état solide nouveau et amélioré qui convienne bien en milieu hostile ou dangereux, qui soit facilement réglable et qui soit relativement simple à fabriquer. Un autre objet, encore, de cette invention est de prévoir un transducteur qui soit facilement réglage au point de vue amplitude de déviation et zéro, sur une large plage. Un autre objet d'une telle invention est d'exécuter les précé- dents objets selon un bon rapport qualité-prix. Ces objets et avantages, ainsi que d'autres, sont obtenus avec la présente invention qui utilise des conceptions à composant et circuit de commande à état solide dans un transducteur électro-pneuma- tique L'invention emploie un capteur de pression à état solide, une alimentation en pression commandée qui utilise un clapet piézo-élec- trique pour faire varier la pression dans une buse, et un circuit électronique à très faible puissance pour commander le clapet, le tout avec un bon rapport qualité-prix Cette conception convient spécialement pour des cas de commande pneumatique par pression o de grands instruments mécaniques courants à force équilibrée sont sou- vent utilisés. L'invention est destinée à fonctionner avec *une tension maxi- male aux bornes de 10 volts en courant continu, avec un courant de signal d'environ 20 milliampères, appliqué à partir d'un endroit éloigné Les tensions pour tous les potentiels et toutes les excita- tions faisant fonctionner le transducteur découlent du courant de signal-, par l'emploi de régulateurs flottants et de références à in- tervalle de bande et dérive de température nulle Les potentiels nécessaires au fonctionnement du clapet piézo-électrique sont engen- drés par un tripleur de tension actif On utilise une boucle de contreréaction dans le transducteur de façon à se servir d'un élément direct imprécis, mais de gain élevé (o on n'a pas besoin de précision) et un circuit de réaction de commande de gain très précis dans une boucle d'asservissement. Les liaisons mécaniques sont pratiquement éliminées, réduisant ainsi les problèmes d'usinage, les temps d'assemblage, la complexité, la susceptibilité aux vibrations, l'usure des composants, l'équili- bre, le gain de boucle limité et l'alignement qui sont associés aux instruments à forces équilibrées. Ces objets, avantages et caractéristiques de la présente inven- tion, ainsi que d'autres, apparattront plus clairement dans la des- cription suivante détaillée, la description étant faite en relation avec les dessins joints Les particularités de l'invention sont dégagées dans les revendications annexées qui suivent la description détaillée. La Fig 1 est un bloc-diagramme de la partie traitement du signal du transducteur courant-pression selon la présente invention, la Fig 2 est une illustration sous forme de diagramme de la partie alimentation en pression commandée du transducteur courant- pression de la Fig 1, la Fig 3 est un bloc-diagramme d'un transducteur courant-pres- sion selon la présente invention, les Figs 4 et 4 A forment un diagramme schématique détaillé d'un exemple de circuit pour le transducteur courantpression de la présente invention, la Fig 5 est un diagramme schématique d'une variante d'un exemple de réalisation d'un montage d'alimentation et de compensation de température à utiliser dans le circuit des Figs 4 et 4 A, la Fig 6 est une représentation sous forme de diagramme d'une variante de montage de positionnement pour le clapet piézo-électrique utilisé dans le transducteur courant-pression selon l'invention, et la Fig 7 est un bloc-diagramme de la partie traitement du signal d'un transducteur selon l'invention dans lequel les variables commandées (c'est-à-dire mouvement, force, position) peuvent être sélectées alternativement par commutateur. Bien qu'il puisse y avoir beaucoup d'exemples de réalisation différents de l'invention, on montre dans les dessins et on décrira ci-dessous en détail les exemples de réalisation préférés de l'inven- tion On doit comprendre cependant qu'on doit considérer la présente description comme une explication au moyen d'exemples des principes de l'invention et qu'on n'a pas l'intention de limiter l'invention aux seuls exemples de réalisation décrits. Avant de décrire les aspects nouveaux et uniques de l'invention en détail, on présentera une vue d'ensemble de l'invention et de ses composants de façon que les caractéristiques brevetables de l'inven- tion puissent être dégagées. La Fig 1 montre un bloc-diagramme de la partie traitement de signal du transducteur courant-pression selon l'invention Fondamen- talement, un courant d'entrée Ip est appliqué au capteur de courant 10 Le capteur de courant 10 délivre un signal de sortie 12, proportionnel au courant d'entrée Ip, à l'entrée non inverseuse 14 d'un comparateur ou amplificateur de comparaison 160 L'amplificateur de comparaison 16 reçoit aussi, à son entrée inverseuse 18, un signal 22 d'un capteur de pression à état solide 24 Ce capteur 24 délivre un signal 22 qui est proportionnel à la pression de sortie du transducteur Pout' La sortie 26 de l'amplificateur de comparaison 16 -délivre un signal d'erreur représentant la différence entre la pres- sion de sortie désirée (signalée par la valeur de I p) et la pression de sortie Pout mesurée Le signal d'erreur 26 contr 8 le la sortie d'une alimentation de pression commandée 28 L'alimentation de pres- sion commandée 2 S règle la pression Pout (délivrée au port 32) dans le sens approprié pour réduire le signal d'erreur 26 (c'est-à-dire pour le faire tendre vers zéro). Comme on le verra par la suite, l'alimentation de pression commandée 28 fournit et règle la réponse du système à un seul p 8 le, si bien que le transducteur représente une boucle d'asservissement du premier ordre à un seul p 8 le. Si l'on utilise la force ou le mouvement (c'est-à-dire la posi- tion), plut St que la pression, comme variable de réaction (voir Fig. 7), le capteur de pression 24 est remplacé par un capteur 24 A adéquat, sensible à la variable appropriée. L'alimentation de pression commandée 28 est illustrée sous forme de diagramme à la Fig 2 Comme on le voit, on utilise une simple vanne à buse et à clapet 40 pour moduler une pression provenant d'une alimentation de gaz sous pression 42 canalisée, par le conduit 45, de l'orifice 41 à l'orifice 32 La vanne 40 comprend un canal de débit 43, une buse 46 et un clapet 48 Le débit de la vanne 40 est régulé par la proximité de l'extrémité libre du clapet 48 par rapport à la buse 46 La position du clapet 48 est commandée, à son tour, par un signal électrique ep engendré par une source 59. Le signal ep découle du signal d'erreur sur la ligne 26 à la sortie de l'amplificateur de comparaison 16 (voir Fig 1) En particulier, le signal d'erreur sur la ligne 26 est amplifié pour fournir le signal ep On expliquera ceci en détail plus loin dans la description. En ce qui concerne la vanne 40, le courant gazeux venant de l'alimentation de pression 42 entre dans le canal de débit 43, o il alimente la buse 46 L'extrémité libre du clapet 48 coopère avec la buse 46 pour faire varier sa résistance au débit et, de là, le débit de la buse 46, produisant ainsi une pression variable au port de sortie 32. En variante, la sortie du port de vanne 32 peut être appliquée à un amplificateur pneumatique ou relais 32 A, dont le signal de sortie est obtenu au point 32 B De tels relais présentent la caracté- ristique de pouvoir fournir une amplification de 2/1. On peut déterminer par le calcul et cela a été fait qu'on obtient la sensibilité de pression maximale (c'est-à-dire la varia- tion maximale en Pout pour une variation donnée du déplacement du clapet 48) quand approximativement la moitié de la pression d'alimen- tation P est perdue dans la vanne 40 Par conséquent, on a ainsi le point autour duquel on doit moduler le débit de la vanne 40. Le clapet 48 est composé d-'un transducteur électro-mécanique qu'on appelle lame flexible piézo-électrique (PZT) ou flexible On utilise la déformation mécanique qui a lieu quand une céramique piézo-électrique est soumise à un potentiel électrique, pour produire un mouvement Plusieurs fabricants produisent de tels dispositifs, avec diverses sensibilités aux excitations électriques On peut les obtenir par exemple chez Piézo Electric Products, Inc, Metuchen, New Jersey Piézo Electric Products, Inc produit un flexible en titarnate ou en zirconate de plomb Ce matériau présente une grande sensibilité et une grande efficacité. Pour obtenir la plage désirée correspondant à la charge, désiré ainsi que les caractéristiques nécessaires de sensibilité et de réponse, on peut faire varier la forme et la taille du flexible On a trouvé, par exemple, qu'un flexible de forme trapézoïdale (voir la Fig 2) avait une bonne sensibilité et une bonne réponse de fré- quence, et qu'il était, de par sa nature, insensible à l'excitation par vibration mécanique dans les bandes de fréquence concernées Un élément flexible prototype satisfaisant a été choisi, dont les dimen- sions sont approximativement les suivantes: longueur, 30 mme largeur à la base 62, 12,5 mm; largeur à l'extrémité libre 64, 1,3 mm; et épaisseur, 0,25 mm. Un flexible piézo-électrique est bon marché, simple à monter et à connecter et la présente demanderesse l'a trouvé apte à fonctionner en faible puissance On peut attribuer cette dernière particularité à la nature électrique du flexible c'est-à-dire que c'est essen- tiellement un petit condensateur qui demande seulement de faibles courants pour modifier sa charge aux régimes électriquement bas que le système nécessite Par exemple, un transducteur courant-pression classique pour des installations d'usine chimique est conçu pour recevoir un courant de 4 à 20 m A produisant une pression de 0,2 à 1 kg/cm, avec un relais de gain 2, et une buse d'environ 0,5 mm (c'est-à-dire environ 20 millièmes de pouce de diamètre), un déplace- ment de seulement 1,2 centième de mm étant nécessaire pour commander la plage de pression de sortie, Le clapet 48 peut, par exemple, 8 tre constitué d'un morceau d'une fine lame de cuivre conductrice 52 insérée entre deux couches 54 et 56 de céramique (voir Fig 2) Les plaques de céramique, ainsi nommées, sont rev 8 tues extérieurement d'un matériau conducteur élec- triquement, généralement de l'argent ou du nickel, Quand les deux plaques sont polarisées de façon que les électrodes extérieures 58 A et 58 B sont reliées ensemble électriquement pour faire une connexion commune et qu'on se sert de la tige centale en cuivre 52 pour l'autre connexion, le flexible est dit monté en "parallèle" A l'inverse, s'il n'y a pas de connexion d'établie avec la tige centrale 52, le potentiel de commande est appliqué aux électrodes 58 A et 58 B, le flexible est dit monté en "série" Le montage en parallèle donne une sensibilité maximale (c'est-à-dire le rapport maximal entre la va- riation de déplacement et une variation donnée du potentiel appli- qué), fournissant environ deux fois le déplacement et deux fois la force de flexion par volt appliqué, par rapport au montage série On peut trouver les valeurs exactes des différences dans les notices des fabricants ou dans des ouvrages spécialisés. Dans chaque cas, on doit munir le flexible d'un revêtement protecteur pour parer aux dommages dûs à des agents corrosifs ou aux courts-circuits des électrodes dûs à une grande humidité Des agents convenables, proposés par un fabricant de flexibles, sont les revê- tements Dow 3140 et GE Silastic Lesdits revêtements doivent être souples de façon à ne pas raidir le flexible Evidemment, tout revêtement convenable peut être employé, pourvu qu'il soit souple et non-réactif Il peut être bon de polir les bords du flexible, avec un papier de verre très fin par exemple, avant de disposer le revêtement. Dans tous les cas, une extrémité 62 du clapet 48 est maintenue en position fixe alors que l'extrémité opposée 64 peut bouger pour moduler et commander la pression de sortie P ou Quand un flexible est déformé par une force extérieure, une de ses couches est en tension et l'autre en compression Il se produit alors sur l'élément une charge électrique qui est proportionnelle à l'excitation On dit par conséquent que le flexible fonctionne comme un générateur Quand on utilise le flexible comme élément de commande 2543 Y 06 varie, et avec lui la chute de pression dans la buse (et, par conséquent, la pression de sortie). La force maximale que le flexible peut engendrer doit 8 tre au moins égale à la force maximale de l'air passant par la buse 46 Cet équilibrage permet d'éviter une perte de sensibilité due au fait que le flexible peut 8 tre trop souple pour vaincre le débit d'air. Comme on le voit à la Fig 2, le clapet doit 8 tre monté en porte-à-faux (comme dans un système de bridage) pour fixer ou main- tenir l'extrémité fixe 620 Le bottier lui-même doit comporter un réglage fin 60 (voir la Fig 6) pour qu'on puisse disposer le flexible à la distance voulue de l'extrémité de la buse On doit atteindre une précision de moins de 0,05 mm, voire même de 0,025 mm. Plusieurs technologies et éléments de transducteur disponibles dans le commerce conviennent pour le capteur de pression à état solide 24 On a trouvé, par exemple, que le capteur à état solide diffusé monolithique, modèle LXO 603 GB, fabriqué par la National Semi- conductor Corporation était approprié Un autre est fabriqué par Ametek Controls La seule caractéristique d'un tel capteur est la souplesse qu'il permet, autant dans la conception de circuit électro- nique que dans les méthodes pour faire disparaître les variations d'amplitudes de déviation et les décalages dépendant de la tempé- rature On peut réaliser une compensation électronique en prenant en considération la dépendance bien connue, par rapport à la tempéra- ture, du matériau semi-conducteur en silicium d'uw niveau de dopage extrinsèque spécifique Comme on l'explique en détail par la suite, on peut alors utiliser un moyen simple pour obtenir à la fois une compensation de l'amplitude de déviation et une consommation de puissance du capteur réduite On pourrait aussi employer d'autres techniques, telles qu'une table d'indication commandée par micropro- censeur ou un programme de linéarisation. Le capteur de pression 24 montré à la Fig 4 est représenté sous la forme d'un pont de Wheatstone piézo-résistif à état solide diffusé comportant quatre bras actifs, comme dans le dispositif de la National Semiconductor Naturellement, on peut utiliser d'autres dis- positifso Dans l'exemple illustré, la résistance nominale du pont est de 4000 à 8000 ohms environ Ce dispositif monolithique comprend un réseau interne de compensation en température de l'amplitude de 243-7 Q 6 déviation sous la forme d'un multiplicateur Vbe qui a été prévu pour fournir une compensation d'amplitude de déviation quand le trans- ducteur fonctionne avec une alimentation nominale totale d'environ 8 volts en courant continu Le multiplicateur Vbe produit une chute d'environ 3,5 volts qui décroît quanl la température augmente à raison d'environ -8 mv/OC Ceci provoque une augmentation dans l'ali- mentation du pont, qui annule la variation de sensibilité du pont dépendant de la température Cependant, si on doit prévoir une sécurité intrinsèque, les contraintes de puissance sont si grandes que le capteur de pression 24 ne peut fonctionner sous des potentiels pour lesquels la compensation intrinsèque d'amplitude de déviation est réelle, (c'est-àdire, parce que le capteur seul consomme environ 2 m A du courant de signal à ce niveau) Par conséquent, la compensa- tion interne d'amplitude de déviation, dans l'exemple de réalisation illustré, a été court-circuitée et le m 8 me principe de base a été employé dans un réseau de remplacement demandant une puissance ré- duite On réalise ceci en utilisant deux diodes externe 208 et 212 en semiconducteur adaptées à la place du réseau de compensation interne d'amplitude de déviation Ces diodes sont branchées en série, créant une chute nominale de 1,4 volt qui représente une dépendance en température d'environ -4 mv/"C L'amplitude de déviation du pont est compensée si l'alimentation du pont présente un coefficient de tempé- rature d'environ -2000 ppm/o C Par conséquent, la compensation est obtenue pour une alimentation de pont d'environ 2 volts Dans ces conditions, l'alimentation totale est de 3,4 volts et le pont du transducteur consomme seulement 1 m A de courante Avec d'autres capteurs, la compensation peut être effectuée par le fabricant, sur une base individuelle, ou alors des éléments appropriés de compensation peuvent être ajoutés au circuit du cap- teur, tels que des diodes, thermistors, etc Il appartient au domaine de la conception des circuits électriques de produire un dispositif approprié de compensation de température pour un capteur donné. Les circuits de commande électronique du transducteur de pres- sion doivent: ( 1) transformer le courant du signal en potentiels de fonctionnement régulés et en excitations de référence non sensibles à la température, ( 2) mesurer l'amplitude du courant de commande du signal d'entrée Ip tout en introduisant une erreur négligeable en 1 l réalisant l'opération de mesure, ( 3) exciter le capteur de pression et mettre en forme le signal de pression pour le comparer avec le signal de commande de référence, ( 4) développer un signal d'erreur, l'amplifier et appliquer un potentiel au clapet 48. La Fig 3 montre un bloc-diagramme d'un transducteur de pres- sion selon la présente invention Il est à noter que la technique qu'on emploie içi pour transformer le courant du signal Ip en potentiels de commande régulés est particulièrement intéressante. Trois potentiels sont engendrés Deux de ceux-ci (Vcc et Vdd) sont positifs alors que le troisième (Vee) est négatif, les trois se rapportant à une référence commune. Un régulateur à shunt 82 avec coefficient de température nul établit très précisément un potentiel de 9,8 volts en courant continu entre une paire de fils (ou barres d'alimentation de puissance) 84 et 86 Un circuit de mise en référence à la masse 88 partage la tension de sortie de 9,8 volts du régulateur à shunt 82 en deux tensions d'alimentation, + 6,4 volts (Vcc) et -3,4 volts (Vee), en prenant une référence d'impédance faible appropriée (masse) ou un point commun correctement situé entre les deux barres d'alimentation 84 et 86. Le clapet piézo-électrique 48 nécessite cependant un potentiel pilote sensiblement supérieur à 9,8 volts pour produire le déplace- ment d'amplitude voulue Par conséquent, on utilise un tripleur de tension 92 pour engendrer une alimentation nominale de 27 volts, Vdd, à partir de Vce et Vee On utilise le potentiel Vdd de 27 volts comme alimentation de puissance positive pour un amplificateur à trans- ductance 94 qui fait office de source de courant pour charger et décharger la capacité du flexible, modulant ainsi la position du clapet 48. L'amplificateur à transconductance 94, le clapet 48 et la _O source ou alimentation de pression pneumatique variable ou commandée 92 comprennent l'alimentation de pression commandée 28 (Fig 2) avec l'amplificateur à transductance 94 et ses circuits associés corres- pondant au générateur de tension 59 de la Fig 2. L'amplificateur à transconductance 94 est alimenté par un ampli- ficateur de comparaison formé d'un amplificateur opérationnel 106 et d'un réseau de sommation à résistance 106 A Le transducteur capteur de pression 24 alimente un amplificateur opérationnel d'instrumenta- tion (un amplificateur tampon) 104, alors que le capteur du courant d'entrée 10 contrôle un amplificateur opérationnel analogue 102 Les sorties des deux amplificateurs opérationnels 102 et 104 alimentent à leur tour le réseau de sommation à résistance 106 A qui délivre la tension d'entrée à l'amplificateur opérationnel associé 106 Par conséquent, on obtient un signal proportionnel à la différence entre la pression commandée Ip et la pression mesurée Pout (c'est-à-dire captée). La Fig 4 montre un diagramme schématique détaillé d'un exemple de réalisation de circuit mettant en oeuvre la présente invention. Deux bornes 122 et 124 sont prévues pour monter l'appareil transduc- teur dans la boucle de courant série qui retourne à la salle de commande et à l'alimentation Comme on -le voit içi, un courant de signal I entrepar l'une des bornes 122 et ressort par l'autre borne p 124 On a ainsi, par définition, le sens du courant La plus grande partie du courant traverse une résistance 128, vers la borne 124 Par conséquent, l'amplitude de la tension déployée aux bornes de la résistance 128 est pratiquement proportionnelle à la valeur du cou- rant Ip On se sert donc de cette tension pour alimenter la boucle d'asservissement de commande. L'amplificateur opérationnel à faible puissance et à basse tension 132 étant monté comme on le voit à la Fig 4, on obtient un régulateur shunt 82 L'amplificateur opérationnel 132 contient un potentiel interne de référence à intervalle de bande de 200 m V qui présente pratiquement une dérive de 0,002 % pour 1 C dans la plage de température concernée Deux résistances 134 et 136 forment un diviseur de tension alimentant l'entrée inverseuse de l'amplificateur 132 Les valeurs de ces résistances 134 et 136 sont choisies de façon à obtenir une différence de potentiel de 9,8 volts (voir Fig 3) entre les barres d'alimentation 84 et 86 L'amplificateur opération- nel 132 amplifie le potentiel de référence sans l'inverser et délivre son signal de sortie à un transistor pour contrôler la ligne de tension 84 Quand on utilise un amplificateur opérationnel du type LM 10 de la National Semiconductor Corporation, on a besoin de seule- ment 270 microampères pour amener le régulateur shunt 82 à son potentiel de sortie maximal Le courant en trop est shunté à la barre d'alimentation négative 86 et sort par la résistance 128. Un autre amplificateur 138, ainsi que trois résistances 142, 144 et 146, fournissent le circuit de mise en référence à la masse 88 pour diviser la tension de sortie de 9,8 volts du régulateur à shunt 82 en deux parties Ledit amplificateur 138 est connecté de la même manière que l'amplificateur précédent, sauf que sa sortie est séparée de la tension d'alimentation Précisément, le niveau de sortie de l'amplificateur 138 flotte entre les deux barres d'alimentation 84 et 86 et divise donc la tension de référence de 9,8 volts dans une double alimentation en produisant un point à la masse de faible impédance 148 à un potentiel intermédiaire Une résistance variable 144, entre l'entrée inverseuse de l'amplificateur 138 -et la barre d'alimentation négative 86, permet un léger réglage du potentiel sur la barre d'alimentation 86 par rapport au point à la masse 148 à la sortie de l'amplificateur 138 Ceci permet un réglage de faible amplitude de la compensation de température de l'amplitude de dé- viation jusqu'à ce que la réponse du capteur de pression 206 dépende du rapport entre la tension qui lui est appliquée et la chute de tension entre les diodes de compensation 208 et 212 (on parlera de ces diodes plus tard, en même temps que du transducteur 206). A la Fig 4 A, un circuit multivibrateur à oscillations libres 152, un jeu de commutateurs à transistor 154, 156 et 158, trois condensateurs 172, 174, 176 et les composants associés forment le triple ur de tension 92 Le circuit multivibrateur 152 est une base de temps en circuit intégré classique tel qu'un circuit intégré Intersil 1 CM 755-IPA Par un choix convenable des résistances 162 et 164 et du condensateur 166, on règle la fréquence nominale de fonctionnement entre 180 à 200 Hz environ, avec un cycle de travail lent On obtient ainsi une efficacité de conversion maximale, vu les exigences de courant de fonctionnement faible Pendant l'intervalle durant lequel le signal de sortie du multivibrateur 152 est au niveau haut (c'est- à-dire +Vccl), les transistors 154, 156 et 158 sont bloqués et les trois condmnsateurs 172, 174 et 176 sont chargés, par leur circuit associé à diode-résistance, à un potentiel d'environ 9,1 volts (c'est-à-dire 9,8 volts moins la chute à la jonction de la diode). Quand le signal de sortie du multivibrateur 152 arrive au niveau bas, les transistors 1547 156 et 158 sont passants, plaçant effectivement les trois condensateurs 172, 174 et 176 en série, de sorte que leurs potentiels s'ajoutent La tension cumulée est délivrée à un condensa- teur de grande capacité 186 par une diode 184 Une charge constante de ce condensateur 186 par le circuit tripleur maintient le potentiel de sortie Vdd à approximativement 27 volts, pourvu que la perte de courant dans le condensateur de grande capacité 186 reste petite. Revenant à la Fig 4, le courant de signal Ip repasse dans la résistance de signal 128 Comme mentionné ci-dessus, la chute de tension dans cette résistance 128 est donc mesurée pour obtenir Ip Pour 8 tre précis, il est évidemment faux que tout le courant Ip passe dans la résistance de signal 128 Une petite quantité de courant est dérivée dans une autre résistance 192, étant donné qu'on doit mesurer la tension aux bornes de la résistance de signal 128 Cependant, le courant dans le résistance de dérivation 192 est très faible et contribue à ce que l'erreur maximale soit négligeable. Pour un courant de signal maximal de 20 m A, une valeur de 10 ohms pour la résistance de signal 128 suffit, de façon que la chute maximale de 0,2 volts à ses bornes à pleine amplitude s'ajoute à l'alimentation de 9,8 volts dans les rails d'alimentation de tension 84 et 86 pour obtenir le maximum de 10 volts permis aux bornes de commande 122 et 124. Un autre amplificateur opérationnel 102 A est utilisé comme étage à gain unité avec une entrée différentielle pour mesurer la chute de tension dans la résistance de signal 128 e Ce potentiel, à la sortie de l'amplificateur 102 A, est appliqué à une extrémité d'un potentiomètre 194 qu'on peut régler pour modifier l'amplitude de déviation de l'instrument (c'est-à-dire l'amplitude maximale de dé- viation) Le curseur du potentiomètre 194 est connecté à l'entrée non inverseuse d'un amplificateur tampon 102 B, qu'on utilise pour déli- vrer le signal de référence de la boucle d'asservissement de commande. Les décalages provenant de ces deux amplificateurs opération- nels 102 A et 102 B doivent être corrigés, de façon que le signal de sortie de l'amplificateur tampon 102 B soit au niveau zéro quand il n'y a pas de courant d'entrée IP, Cependant, dans ce cas, il n'y a pas non plus de tension d'alimentation de puissance et la circuiterie ne fonctionne donc pas Ainsi, on doit réaliser un étalonnage avec IP 4 m A puisque c'est la référence zéro Pour réaliser cet étalon- nage, un commutateur 195 est commuté à l'état B pour court-circuiter l'entrée inverseuse et l'entrée non inverseuse de l'amplificateur de signal d'entrée 102 A par deux résistances 192 et 196 Un réseau potentiomètrique 198 peut être réglé pour produire un signal nul à la sortie de l'amplificateur tampon 102 B. En variante, l'étalonnage peut être réalisé en réglant un autre potentiomètre 222 pour produire la pression de sortie désirée avec I = 4 m A Dans ce cas, le potentiomètre de mise à zéro 198 est réglé pour mettre le signal de sortie de l'amplificateur opérationnel d'entrée 102 A à zéro par rapport au point commun de référence 148 On obtient ainsi un réglage supplémentaire du potentiomètre de réglage d'amplitude de déviation indépendante de la sortie de l'amplificateur d'entrée 102 A Finalement, le potentiomètre de réglage de déviation 194 est réglé pour la déviation désirée (c'est-àdire gain maximal), et il peut être réajusté si nécessaire. L'autre entrée du réseau sommateur à résistance 106 A est obte- nue par un amplificateur différentiel 104 Le tranducteur de pression à état solide (c'est-à-dire capteur) 206 et deux diodes en série 208 et 212 fonctionnent sous une tension nominale de -3,4 volts en courant continu (Vee) Les diodes 208 et 212 servent de diodes compensatrices de température La compensation de décalage dépendant de la température du transducteur 206 est obtenue par un potentiomè- tre d'étalonnage 214 pour réduire la variation de sortie du transduc- * teur de pression 206 quand il est soumis à une pression différentiel- le nulle sur la plage de température entière Les bras opposés du pont formé par le transducteur de pression 206 sont connectés aux entrées respectives de l'amplificateur différentiel 104 par deux résistances 216 et 218 L'amplificateur 104 a un gain différentiel nominal de 10 et transforme le signal de sortie du transducteur de pression en un signal (à une seule fin) amplifié à un niveau convenable Ce signal est appliqué à une résistance 204 du réseau sommateur 106 A Un autre potentiomètre 222 est utilisé pour annuler le décalage causé par l'amplificateur différentiel 104 et le capteur de pression 206 au signal appliqué à la résistance d'entrée som- matrice 204. Un autre amplificateur opérationnel 106 et deux résistances 202 et 204 forment un étage sommateur inverseur qui soustrait réellement le signal de réaction de pression (fourni par l'amplificateur diffé- rentiel 104) du signal de commande du courant de référence (fourni par l'amplificateur tampon 102 B) pour amplifier la tension d'erreur résultante avec un facteur de gain important. Le signal de sortie de l'amplificateur de comparaison est appliqué à l'amplificateur à transconductance 94 pour réaliser une modification appropriée de la position du clapet piézo-électrique 48. L'amplificateur à transconductance 94 (c'est-à-dire une source de courant de tension commandée) qui transforme la tension de sortie de l'amplificateur de comparaison 106 en un courant qui est appliqué au flexible Celui-ci, à son tour, modifie la charge dans le flexible et modifie sa courbure Une résistance 232 connectée au flexible vide la charge emmagasinée du flexible pour faire descendre la pression de sortie à zéro quand la puissance manque. L'amplificateur à transconductance 94 a l'avantage de fonction- ner sous faible puissance et de contrôler la consommation de courant au repos et en charge Le niveau de courant de sortie maximal de l'amplificateur 94 est réglé par une résistance 234 qui détermine également la transductance de l'amplificateur 94 Ceci veut dire que la résistance 234 agit sur le gain du circuit direct de la circui- terie du transducteur autant que la constante de temps dominant y compris le flexible En diminuant la résistance 234, le courant de polarisation de l'amplificateur 94 peut augmenter, augmentant en- semble le gain direct du circuit et le gain de la boucle d'asser- vissement, faisant le flexible se courber plus rapidement Cependant, ceci réduirait sensiblement le potentiel d'alimentation de 27 volts Vdd, en augmentant la charge de courant de façon inacceptable La technique recommandée pour commander la largeur de bande, par consé- quent, est de faire varier la résistance 236 entre les deux amplifica- teurs opérationnels 94 et 106. Comme on le voit sur les Figures, le transducteur de pression 206 est connecté pour une action directe, ainsi nommée, par laquelle une augmentation du signal électrique Ip augmente la pression de sortie Pour obtenir une action inverse, par laquelle une augmenta- tion de Ip diminue la pression de sortie, le gain des deux amplifica- teurs de sortie 94 et 104 doit avoir une valeur négative appropriée et le potentiomètre d'annulation 222 doit être modifié pour fournir une polarisation directe positif. Dans une autre variante, deux capteurs différents ou plus peuvent être prévus, par exemple un pour la pression 24 et un pour le mouvement, position ou force 24 A, avec un commutateur pour choisir alternativement l'un ou l'autre (voir Fig 7) Dans le cas o le commutateur 25 connecte le capteur de mouvement, force ou position 24 A dans le circuit de commande, la position d'une pièce de travail plut 8 t que la pression est mesurée Un tel dispositif est utilisé dans la commande de position des vannes de commande de processus ordinaires. Dans un autre exemple de réalisation, on peut utiliser un schéma de compensation de température légèrement différent (voir Fig. ) Là, on n'applique pas de compensation au capteur 206 Les potentiomètres de décalage et d'étalonnage 214 et 222 ont aussi été éliminés A la place, on utilise un étage de linéarisation 252 couplé aux sorties de l'amplificateur 104 du pont pour éliminer les non- linéarités L'étage de linéarisation 252 fait correspondre effective- ment la valeur brute, non compensée, du signal de sortie du capteur, à une valeur correspondante, réglée et compensée, valeur qui est une fonction de la non-linéarité du capteur et de sa température Un capteur de température 254 fournit les mesures de la température du capteur de pression à l'étage de linéarisation Ainsi, à partir des courbes d'étalonnage emmagasinées dans l'étage de linéarisation, le signal de sortie de l'amplificateur 104 du pont est transformé en une valeur linéarisée appropriée Le choix le plus judicieux pour l'étage de linéarisation est une table d'indication commandée par microproces- seur Les entrées d'une telle table sont déterminées quand I'instru- ment est étalonné Précisément, on amène le capteur 206 à une température connue et une jauge de pression est placée à la sortie. On fait alors correspondre au courant d'entrée ou signal Ip une pression désirée On choisit alors l'entrée appropriée de la table indicatrice telle que la pression indiquée par la jauge soit celle qu'on désire Quand on a trouvé cette valeur, on la place dans l'entrée appropriée de la table, Par la suite, quand la même valeur de Ip est mesurée, la même valeur doit être trouvée dans la table 33 indicatrice et délivrée à la sortie de l'étage de linéarisation On réalise ce processus en prenant un nombre convenable de valeurs &chaniillons et en interpolant pour trouver les valeurs intermédiai- res Cette interpolation dépendant de la non-linéarité du capteur et du nombre de valeurs échantillons utilisées, celle-ci peut prendre plusieurs formes pourvu que les niveaux de distorsion restent accep- tables Cette interpolation peut être de forme linéaire ou poly- nomiale Chaque entrée de table est donc associée à une température spécifique et un niveau de sortie de l'amplificateur 104 du pont. L'invention étant ainsi décrite, il sera très clair pour l'hom- me de l'art que de multiples changements, améliorations, modifi- cations et utilisations avantageuses peuvent avoir lieu ou être observés sans qu'on soit en dehors de l'esprit et du domaine de l'invention Par exemple, un avantage très intéressant de cette invention, qu'on n'a pas souligné au départ, tient au fait qu'il n'y a pas de charge de résistance aux bornes d'entrée 122 et 124 En fait, il y a une chute de tension constante en pratique sur la plage entière de Ip Ceci facilite grandement la disposition de plusieurs transducteurs en série dans la même boucle d'asservissement, sans provoquer d'interaction indésirable Ainsi, il est entendu que de tels changements, modifications et améliorations évidents sont cou- verts et que l'invention est limitée seulement par les revendications suivantes. 19 - REVENDICATIONS 1) Appareil de commande, caractérisé en ce qu'il comprend: a) un capteur de courant ( 10) pour capter un signal de courant (Ip) et délivrer un premier signal de sortie ( 12) et pour produire une pluralité de tensions constantes généralement indépendantes de l'amplitude dudit signal de courant, b) une source de pression pour fournir une pression pneumatique commandée dont l'amplitude varie en fonction d'un signal de commande, ladite source de pression comprenant: 1) une alimentation en gaz à pression sensiblement constante ( 42), 2) une conduite ( 45) ayant une extrémité ( 41) en communication avec ladite source ( 42) et un orifice de sortie ( 32) à son autre extrémité, 3) une vanne d'échappement ( 40) en communication avec ladite conduite ( 45), ladite vanne ( 40) comportant une buse fixe ( 46) et un clapet à déplacement électrique ( 48) qui est réglé pour coopérer avec ladite buse ( 46) pour étrangler le débit de gaz à travers ladite buse ( 46) en fonction dudit signal de commande, c) un capteur de pression à état solide ( 24), alimenté par ledit capteur de courant ( 10), pour capter ladite pression pneumati- que commandée audit orifice de sortie ( 32) et pour délivrer un second signal de sortie proportionnel à l'amplitude de celle-ci, et d) un amplificateur ( 106), sensible audit capteur de courant ( 10) et audit capteur de pression ( 24), pour délivrer un signal de commande qui varie en amplitude avec la différence entre le premier signal de sortie et le second signal de sortie et qui est réglé pour actionner ledit clapet ( 48) pour réduire l'amplitude de ladite diffé- rence, de manière à obtenir audit orifice de sortie ( 32) une pression pneumatique fonction dudit signal de courant. 2) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit capteur de courant ( 10) comporte: a) un moyen non résistant pour convertir ledit signal de courant en au moins deux tensions d'amplitudes généralement cons- tantes pour alimenter l'amplificateur, et b) un moyen résistant, fonctionnant en série avec lesdits moyens non résistants, pour délivrer ledit premier signal de sortie. 3) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit clapet ( 48) déplaçable électriquement est un dispositif piézo- électrique et dans lequel l'amplificateur comporte une source de courant réglée pour actionner le clapet piézo-électrique. 4) Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite source de courant est un amplificateur à transconductance ( 94) alimenté par une tension qui est-déduite dudit courant de signal. ) Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit capteur de courant ( 10) comporte un multiplicateur de tension pour convertir au moins les deux dites tensions d'amplitudes générale- ment constantes en au moins une tension de niveau plus haute pour alimenter ledit amplificateur à transconductance ( 94). 6) Appareil pour convertir un premier signal de courant électri- que de commande en un signal de pression de commande, caractérisé en ce qu'il comprend: a) un moyen ( 82) pour convertir ledit premier signal de courant électrique en une tension d'amplitude généralement constante, b) un moyen de réglage de référence de tension ( 138) pour convertir ladite tension d'amplitude généralement constante en une première et une seconde tensions de référence; c) un moyen multiplicateur de tension ( 92) pour convertir ladite seconde tension de référence en une tension de niveau plus élevée; d) un capteur de pression à état solide compensé en température ( 206), alimenté par ledit moyen de réglage de la référence de tension pour délivrer un second signal de courant électrique fonction de la pression d'une source de gaz sous pression; e) un générateur de différence alimenté par lesdites première et seconde tensions de référence pour fournir un signal de courant de sortie fonction de la différence entre ledit premier signal de courant et ledit second signal de courant; 1) un amplificateur ( 94) alimenté par ladite tension de niveau plus élevée pour convertir ledit signal de courant de sortie en un signal de tension de sortie; g) une source de gaz à pression pratiquement constante ( 42) comportant un premier orifice de sortie ( 32) couplé fonctionnellement audit capteur de pression et un second orifice de sortie ( 46); et h) un moyen piézo-électrique ( 48) coopérant avec le second orifice de sortie ( 46) pour fournir un signal de pression pneumatique dont l'amplitude varie en fonction dudit signal de tension de sortie, ledit moyen piézo-électrique ( 48) comprenant une bande conductrice ( 52) montée en sandwich entre deux couches ( 54, 56) de matériau céramique piézo-électrique, chacune desdites couches ayant une extré- mité fixe et une extrémité libre, ledit signal de tension de sortie étant développé entre ladite bande et chacune des deux dites couches pour que lesdites extrémités libres se plient vers ledit second orifice de sortie ( 46) et s'en écartent en fonction du signal de sortie de l'amplificateur; de manière que la pression de gaz audit premier orifice de sortie varie en fonction de l'amplitude dudit premier signal de courant par rapport audit second signal de courant. 7) Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les couches piézo-électriques ( 54, 56) sont trapézoïdales, la grande base du trapèze de chaque couche étant fixée et la petite base du trapèze de chaque couche étant libre de se déplacer par rapport audit second orifice. 8) Appareil selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le moyen multiplicateur de tension ( 92) est un tripleur de tension. 9) Appareil suivant l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le capteur de pression à état solide ( 32 A) compensé en température forme un pont de résistances à quatre bras ( 206) en série, avec deux diodes ( 208, 212). ) Appareil pour convertir un premier signal de courant électri- que de commande cn un signal de pression de commande, ledit signal de pression de commande étant réglé pour contrôler un positionneur pneumatique ayant un axe de sortie dont la position relative est fonction dudit signal de pression de commande, caractérisé en ce qu'il comprend: a) un moyen ( 132, 138) pour convertir ledit signal de courant électrique en une pluralité de tensions d'amplitudes pratiquement constantes; b) un capteur alimenté par au moins une desdites tensions d'amplitudes pratiquement constantes pour fournir un signal de cou- rant électrique fonction de la position dudit axe de sortie; c) un moyen de formation de différence ( 102, 104, 106) pour fournir un signal de courant de sortie fonction de la différence entre ledit premier signal de courant et ledit second signal de courant; d) un amplificateur ( 94) pour convertir ledit signal de courant de sortie en un signal de tension de sortie; e) une source ( 42) de gaz à une pression pratiquement constante ayant un premier orifice de sortie ( 32) couplé fonctionnellement pour entraîner ledit positionneur et un second orifice de sortie compor- tant une extrémité à buse ( 46); et f) un moyen piézo-électrique ( 48) coopérant avec l'extrémité à buse ( 46) dudit second orifice de sortie pour fournir un signal de pression pneumatique dont l'amplitude varie en fonction dudit signal de tension de sortie, ledit moyen piézo-électrique ( 48) comprenant une bande conductrice ( 52) qui est montée en sandwich entre deux couches ( 54, 56) de matériau céramique piézo-électrique, chaque cou- che ayant une extrémité fixe et une extrémité libres ledit signal de tension de sortie étant couplé entre ladite bande et chacune des dites couches pour que les extrémités libres se courbent vers ladite extrémité à buse ( 46) ou s'en écartent en fonction du signal de sortie dudit amplificateur; de manière que la position dudit axe de sortie varie en réponse à l'amplitude dudit premier signal de courant par rapport à l'amplitu- de dudit second signal de courant. 11) Appareil pour convertir un premier signal de courant électri- que de commande en un signal de pression de commande, caractérisé en ce qu'il comporte: a) un moyen ( 132) pour convertir ledit premier signal de courant électrique de commande en une tension d'amplitude générale- ment constante; b) un moyen de réglage de référence de tension ( 138) pour convertir ladite tension d'amplitude généralement constante en au moins deux tensions de référence d'amplitudes généralement constantes; c) un capteur de pression à état solide ( 32 A) alimenté par ledit moyen de réglage de référence de tension pour produire un premier signal de commande numérique fonction de la température de la dite source ( 42) de gaz sous pression appliquée audit capteur de pression à état solide; d) un capteur de température pour produire un second signal de commande numérique fonction de la température de ladite source ( 42) de gaz sous pression tel qu'appliqué audit capteur de pression à état solide; e) un moyen de linéarisation ( 252) comportant une pluralité de valeurs numériques pré-réglées correspondant au signal de sortie dudit capteur de pression à état solide pour un réglage des tempéra- tures et des pressions pour convertir ledit premier signal de comman- de numérique et ledit second signal de commande numérique en un troisième signal de courant électrique fonction de la pression de ladite alimentation en gaz appliquée audit capteur de pression pour la température du gaz; f) un moyen formateur de différence ( 106) alimenté par ledit moyen de réglage de référence de tension pour fournir un signal de tension de sortie amplifié fonction de la différence entre ledit second signal de courant et le troisième signal de courant; g) une alimentation ( 42) en gaz à pression pratiquement cons- tante ayant un premier orifice de sortie ( 32) couplé fonctionnelle- ment audit capteur de pression et un second orifice de sortie ( 46); h) un moyen piézo-électrique ( 48) coopérant avec ledit second orifice pour produire un signal de pression pneumatique dont l'ampli- tude varie en fonction dudit signal de tension de sortie, ledit moyen piézo-électrique comportant une bande conductrice ( 52) montée en sandwich entre deux couches de matériau céramique piézo-électrique ( 54, 56), chaque couche ayant une extrémité fixe et une extrémité libre, ledit signal de tension de sortie étant appliqué entre ladite bande et lesdites couches pour que lesdites extrémités libres se courbent vers ledit second orifice ( 46) ou s'en écartent en fonction du signal de sortie du moyen formateur de différence, de manière que la pression du gaz envoyé audit premier orifice varie en fonction de l'amplitude dudit premier signal de courant de commande par rapport audit second signal de courant et à la températu- re du gaz appliqué audit capteur de pression.