Brevet FR2536168A1 — publié le 19840518

La présente invention a trait d'une ma- nière générale aux circuits excitateurs, ou de commande, destinés à l'excitation de la bobine de l'électroaimantd'un débitmètre électromagnétique et elle concerne plus particu- lièrement un excitateur à coefficient d'utilisation à cou- rant constant destiné à un tel usage, excitateur qui main- tienne le courant dans la bobine, à un niveau sensiblement constant de façon à minimiser la présence de composantes indésirables dans le signal fourni par les électrodes du débitmètre. Dans un débitmètre électromagnétique, le liquide dont on doit mesurer la vitesse est conduit dans un tube d'écoulement pourvu d'une paire d'électrode diamé- tralement opposées, un champ magnétique perpendiculaire à l'axe longitudinal du tube étant établi par l'électroaimant Lorsque le liquide en écoulement intercepte ce champ, une tension est induite dans le liquide et transmise aux élec- trodes Cette tension qui est proportionnelle à la vélocité moyenne du liquide, et par conséquent à sa vitesse volumé- trique moyenne, est ensuite amplifiée et traitée en vue de lui permettre d'actionner un enregistreur ou un indicateur. Le champ magnétique peut être soit con- tinu soit alternatif, puisque dans l'un ou l'autre cas l'am- plitude de la tension induite dans le liquide traversant le champ sera une fonction de sa vitesse d'écoulement Toute- fois dans le cas d'un fonctionnement avec un flux magnéti- que continu, le signal en courant continu passant à travers le liquide a pour effet de polariser les électrodes, l'im- portance de la polarisation étant proportionnelle à la du- rée cumulée du courant de polarisation Avec un fonctionne- ment en flux magnétique alternatif, la polarisation est ren- due négligeable, puisque le signal en courant résultant est alterné et que de ce fait son intégral ne s'accroît pas au cours du temps. La plupart des effets indésirables ren- contrés avec un débitmètre électromagnétique à fonctionne- ment en courant alternatif peuvent être attribués à la vi- tesse de variation du flux du champ d 0/dt, ce qui a pour ef- fet d'induire des signaux indésirables dans la boucle de lecture Lorsque le champ magnétique est stationnaire comme c'est le cas par exemple, du fonctionnement en courant con- tinu, la condition idéale d 0/dt = O est satisfaite; mais -comme cela a déjà été fait observer, le fonctionnement en courant continu n'est pas acceptable puisqu'un tel fonction- nement entraîne des potentiels galvaniques et une polarisa- tion. Le Brevet US 3 783 687 (MANNHERZ) décrit un débitmètre électromagnétique dans lequel le courant d'ex- citation de la bobine est une onde à basse fréquence produi- sant un flux de champ stationnaire périodiquement inversé, ce par quoi les composantes indésirables eniphase et en qua- drature sont minimisées sans donner lieu à la polarisation ou à des effets galvaniques. Dans le Brevet précité, le système ex- citateur de la bobine incorpore des moyens de commutation ayant pour effet d'inverser périodiquement la sortie brute d'un redresseur biphasé non filtré commandé depuis l'alimen- tation alternative du secteur Du fait que l'ébectroaimant a une inductance relativement élevée, il fonctionne comme une bobine-de filtrage qui rejette un pourcentage substan- tiel de la composante ondulée de la sortie brute du redres- seur, grâce à quoi on évite d'avoir recours à des filtres capacitifs Dans ce système d'excitation un circuit logique, ou diviseur, est commandé à la fréquence du secteur ( 50 ou 60 Hz) pour produire des impulsions en créneaux à basse fré- quence destinés à commander la commutation en inversion du champ électromagnétique. Les excitateurs qui sont actuellement utilisés pour produire le courant d'excitation de débitmè- tres électromagnétiques du type décrit dans le Brevet MANNHERZ précité, utilisent une commande à tension constan- te La constante de temps élevée L/R de l'électroaimant don- ne lieu à un temps de montée relativement long du courant de l'électroaimant, par le fait qu'une longue période d'excita- tion est nécessaire pour atteindre un niveau constant duflux. Par le fait que la tension totale et R sont importantes, et en vue de ramener la constante de temps de l'électroaimant à des valeurs utilisables, une quantité appréciable de puissance doit être dissipée par le système d'excitation; cela a pour conséquence qu'une quantité impor- tante d'énergie est perdue sous forme de chaleur, et que le système est inefficace en termes de puissance. Dans le Brevet US 4 204 240 (SCHMOOCK), à la totalité de la description duquel il est-présentement fait référence, il a été décrit un excitateur à bon rendement énergétique, destiné à l'excitation de la bobine d'un débit- mètre électromagnétique dans lequel l'excitateur est déclan- ché suivant un mode périodique de fréquence relativement bas- se par rapport à la fréquence de la tension du secteur, l'ex- citateur produiÉantiun débit de courant dans la,bobine a un niveau sensiblement constant. Dans une forme de réalisation de l'ex- citateur décrite dans le Brevet SCHMOOCK, pendant chaque pé- riode d'ouverture des portes, des impulsions à haute tension sont appliquées de façon intermittente pour exciter par choc la bobine, les durées respectives des impulsions pouvant va- rier de façon à maintenir le courant dans la bobine à un ni- veau sensiblement constant; dans ce but les fluctuations du courant de bobine sont captées pour effectuer les correctiors en conséquence, ce par quoi sont prises en compte les varia- tions de la tension du secteur et autres variables. On citera encore comme art antérieur pertinent pour la présente invention les Brevets US 4 325 261 (FREUND) et 4 144 751 (YOKAYAMA) qui décrivent des excita- teurs de bobine pour débitmètres électromagnétiques. En considération de ce qui vient d'être dit un objet principal de la présente invention est de propo- ser un excitateur à bon rendement pour l'excitation de la bo- bine d'un débitmètre électromagnétique, ledit excitateur é- tant apte à générer dans la bobine un courant dont le niveau soit sensiblement constant grâce à quoi on minimisera la pré- sence de composantes indésirables du signal produit par les électrodes du débitmètre. Un avantage significatif de la présente invention est d'arriver aux mêmes résultats que ceux atteints par les excitateurs décrits dans les précédents Brevets SCHMOOCK mais avec des circuits simplifiés et de coût réduit. L'invention a aussi pour objet de pro- poser un débitmètre du type sus-décrit qui fonctionne de fa- çon fiable et efficace et qui consomme une puissance relati- vement faible. Brièvement décrits, ces objectifs sont atteints dans un excitateur de bobine d'électroaimant de dé- bitmètre électromagnétique dans lequel le fluide soumis à la mesure de débit est amené dans un tube d'écoulement à inter- cepter un flux magnétique transversal créé par l'électroai- mant L'excitateur comprend un redresseur du secteur alter- natif, dont la sortie est couplée à la bobine par une paire de transistors de commutation dont les électrodes de comman- de, ou de grille, sont connectées à la sortie d'un compara- teur ayant une première et une seconde borne d'entrée; une tension alternative en onde rectangulaire est appliquée à la première borne du comparateur, chaque cycle de l'onde ayant une impulsion de déclenchement positive et une impulsionmné- gative, ce par quoi les transistors sont activés de façon alternée, le circuit étant tel que la sortie redressée soit appliquée par les transistors à la bobine avec une polarité telle qu'elle soit inversée de façon alternée Le compara- teur incorpore en outre une boucle de contre-réaction posi- tive connectée entre sa sortie et la première borne pour pro- duire une sortie pulsatoire, ce par quoi durant chaque inter- valle positif ou négatif de déclenchement (ou de porte) la bobine est excitée par un train d'impulsions Le coefficient d'utilisation de ces impulsions varie en fonction d'une ten- sion de référence dérivée du courant passant dans la bobine, et appliquée à la seconde borne d'entrée, ce qui a pour effet de réguler le courant dans la bobine et de le maintenir à un niveau sensiblement constant. La présente invention sera mieux compri- se et des détails en relevant apparaîtront à la description qui va être faite d'une forme particulière de réalisation en relation avec les figures de la planche annexée dans laquel- le La fig 1 est un schéma de circuit d'un excitateur conforme à l'invention destiné à un débitmètre é- lectromagnétique, La fig 2 illustre l'allure de la tension de référence produite par l'excitateur, La fig 3 illustre l'allure du courant passant dans la bobine d'excitation, et La fig 4 illustre l'allure des trains d'impulsions qui provoquent le passage du courant dans la bo- bine. Sur la fig 1, un excitateur conforme à l'invention est destiné à un débitmètre électromagnétique dont l'étage de commande incorpore un tube d'écoulement 10 dans lequel s'écoule le fluide 1 i soumis à la mesure; un é- lectroaimant comprenant une bobine d'excitation 12 sert à é- tablir un champ magnétique perpendiculaire à la direction d'écoulement qui est parallèle à l'axe longitudinal du tube; des électrodes 13 et 14 en contact avec le fluide sont dis- posées en des points diamétralement opposés du tube d'écou- lement, sur un axe perpendiculaire à la fois à la direction longitudinale du tube et à la direction transversale du champ magnétique. Comme cela est connu une tension est in- duite dans le fluide dont l'écoulement intercepte le champ magnétique, en vue de produire un signal alternatif de fai- ble niveau aux bornes des électrodes, lequel signal reflète la vitesse d'écoulement; ce signal induit par l'écoulement est appliquée à un étage de lecture 15 qui peut être du type décrit dans le Brevet MANNHERZ précité, en vue de convertir ce signal à bas niveau en un signal proportionnel de sortie continu, dans une plage utilisable dans les processus d'in- génierie, par exemple de 4 à 20 m A. L'excitateur destiné à l'énergification de la bobine 12 comprend un redresseur biphasé d'alimentation constitué par un transformateur 16 dont le primaire 16 A est connecté au secteur fournissant le courant habituel à 50 ou 60 Hz; le transformateur 16 est pourvu d'un secondaire 16 B à borne médiane; le secondaire 16 B est relié à l'entrée J&ung pont redresseur biphasé 17, le rapport d'abaissement entre le secondaire 16 B et le primaire 16 A se traduisant par une différence de tension de sortie continue non-filtrée entre la sortie du redresseur 17 aux bornes Tl et T 2, et la borne médiane M du secondaire 16 B; cet ensemble constitue la par- tie haute-tension de l'alimentation. Un filtre capacitif 18 est connecté en- tre la borne Tl du pont redresseur 17 et la borne médiane du secondaire 16 B, tandis qu'un filtre capacitif 19 est connec- té entre la borne T 2 et la borne médiane M Par le fait de ce montage, la polarité de la tension redressée établie à travers le condensateur 18 est inversée par rapport à celle établie à travers le condensateur 19. Connecté entre le condensateur 18 et la terre se trouve un transistor 20 à effet de champ VMOS à ca- nal N, tandis qu'entre le condensateur 19 et la terre se trou- ve connecté -un transistor 21 identique VMOS à canal P On rappelle qu'un transitor à effet de champ est un semi-conduc- teur contrôlé en tension dans lequel le courant de condiction entre les régions de source (S) et de drain (D) est contrôlé, ou modulé, au moyen d'une tension de commande (ou de porte, ou de grille) appliquée à l'électrode de commande, ou grille G Les transistors P et N conduiront ou non suivant la pola- rité de la tension de porte: par exemple le dispositif à ca- nal N conduira avec des tensions de porte positives, tandis que le dispositif à canal P sera non conducteur, et vice et versa avec des tensions de porte négatives. La bobine d'excitation 12 est reliée d'un côté à la borne médiane du secondaire, et de l'autre cô- té à la terre à travers la résistance R Par conséquent lors- que le transistor à effet de champ 20 en série avec le con- densateur 18 est rendu conducteur,par une tension appliquée à sa grille G, la tension redressée établie à travers ce con- densateur est appliquée à la bobine d'excitation 20; tandis que, lorsque le transistor 21 en série avec le condensateur 19 est rendu conducteur,_lak:tension redressé établie à tra- vers ce condensateur est appliquée à la bobine, la polarité de la tension appliquée dépendant de celui des transistors qui est activé Lorsque, par conséquent, les transistors sont activés alternativement, la tension redressée appliquée à la bobine est de polarité alternée. Les grilles G des transistors sont tou- tes deux connectées à la sortie d'un comparateur 22 ayant u- ne borne d'entrée (+) non réversible et une borne d'entrée (-) réversible; en pratique le comparateur 22 peut être un circuit intégré du commerce tel que le comparateur à haute vitesse LM 311 mis sur le marché par N S C - Une tension alternative de porte en on- de rectangulaire Vg est appliquée à la borne d'entrée (+) du comparateur 22 à travers une résistance 23, tension dont cha- que cycle est constitué par une impulsion de porte positive P+ suivie d'une impulsion négative P- Cela a pour conséquen ce que la tension de sortie du comparateur 22 est alternati- vement positive et négative, laquelle active alternativement -8 les transistors 20 et 21 reliés à cette sortie, le transistor ayant une tension positive appliquée à son drain par le condensateur 18 et le transistor 21 ayanr une tension négati- ve appliquée à son drain par le condensateur 19. La tension de porte en onde rectangulai- re Vg a une fréquence qui est de préférence un sous-multiple de la fréquence du secteur alternatif qui peut être de 50 ou de 60 Hz Dans ce but, la tension de porte Vg peut être déri- vée d'un diviseur de fréquence et d'un conformateur d'impul- sions couplé au secteur. Un condensateur de contre-réaction 24 est connecté entre la -sortie du comparateur 22 et sa borne d'entrée (+), une résistance 25 étant connectée entre cette entrée et la terre pour oréerrune boucle de contre- réaction positive, ce par quoi sont générées des oscillations à une fréquence constante déterminée par les paramètres du circuit. Les résistances 23 et 25 ont pour fonction d'abaisser la ten- sion de porte à un niveau égal à celui de la tension de réfé- rence désirée développée à travers la résistance R. Le comparateur 22 est monté en amplifi- cateur de classe C; par conséquent les oscillations résul- tantes à Ia-àsortie ne sont pas sinusoldales mais en formed'impulsionen' train ayant une fréquence de répétition constante Dans le mode de fonctionnement en classe C d'un amplificateur à tube, la polarisation de grille est considérablement plus grande que la polarisation de coupure de sorte que le courant de plaque est nul en l'absence d'un signal d'entrée à la grille et que ce courant passe sur sensiblement moins de la moitié de chaque cycle du signal d'entrée pour produire un signal de sortie Une condition équivalente de polarisation et de courant pulsatoire en sortie existe dans un amplificateur transistorisé pour créer le train d'impulsion désiré. Le coefficient d'utilisation des impul- sions du train peut varier en fonction du courant passant dans la bobine d'excitation 12;; par ce fait des variations de la tension du secteur et d'autres variables qui affectent l'intensité du courant, le débit du courant dans la bobine tend à fluctuer; ces fluctuations sont percues à travers la résistance R en série avec cette dernière, sous forme d'une tension de référence RV développée à ses bornes. La tension de référence RV est appliquée à travers la résistance 26 à l'entrée non-inverseuse (+) d'un amplificateur opérationnel 27 dont l'entrée inverseuse (-) est mise à la masse, la sortie de l'amplificateur étant con- nectée à un diviseur de tension 28 dont la prise est-connec- tée à l'entrée inverseuse du comparateur 22 L'amplificateur 27 est facultatif; on peut en pratique, appliquer la tension de référence RV directement au comparateur 22. La tension appliquée à l'entrée inver- seuse du comparateur 22, qui est proportionnelle à la tension de référence RV, reflète par Conséquent les fluctuations du courant passant dans la bobine d'excitation 12 Celle-ci a pour effet de moduler la polarisation sur l'amplificateur de classe C et de faire varier le coefficient d'utilisation du train d'impulsions produites par le comparateur 22 d'une ma- nière qui corrige le courant dans la bobine au regard des fluctuations de courant, de façon à le maintenir sensiblement constant L'état stationnaire du flux du champ magnétique du débitmètre procure le fonctionnement recherché. Ainsi, pendant l'intervalle positif de porte P+, le premier transistor est activé par un train d'im- pulsions dont le coefficient d'utilisation est modulé pour entraîner le courant à circuler dans la bobine 12 dais un sens à un niveau constant, tandis que pendant l'intervalle négatif de porte P-, le transisor 21 est de la même façon ac- tivé pour entraîner le courant à passer dans la bobine 12 à un niveau constant dans la direction inverse. Une paire de diodes Zener 29 et 30 mon- tées en série et en opposition shuntent le circuit formé par la résitance R et la bobine 12 afin de limiter les retours de surtention lors du basculement de l'électroaimant. La fig 2 illustre l'allure de la ten- sion de référence RV développée à travers la résistance R, et la fig 3 illustre l'allure du courant WC passant dans la bobine d'excitatior 12 Bien que l'allure de WC présente une partie hachée (ondulée), l'électroaimant, du fait de son im- pédence relativement élevée, fonctionne comme une bobine de filtrage qui, en coopération avec les filtres capacitifs 18 et 19, écrête une portion substantielle des hachures La fig 4 illustre le train d'impulsions PT généré pendant les intervalles de porte. Si le comparateur fonctionnait selon un mode de classe A, les transistors 20 et 21 travailleraient alors de façon continue durant-leurs intervalles de porte respectifs et la charge du transformateur 16 devrait alors être continue, ce qui aurait-pour résultat un échauffement et une dissipation de puissance importante Mais avec le pré- sent montage du comparateur opérant suivant un mode de clas- se C, une quantité significativement moins importante d'éner- gie est suffisante pour faire fonctionner l'excitateur, et le système se maintient à une température plus basse et plus sûre - Bien que l'on ait décrit et représenté une forme particulière de réalisation d'un excitateur à coef- ficient d'utilisation à courant constant, conforme à l'inven- tion, il doit être compris que la portée de cette dernière n'est pas limitée à cette forme mais qu'elle s'étend à tout dispositif d'excitation comportant les caractéristiques gé- nérales sus-énoncées. R E V E N D I C A T I O N S 1. Débitmètre électromagnétique du type comprenant un tube d'écoulement pourvu d'une paire d'électrodes diamétrale- ment opposées, un électroaimant pourvu d'une bobine d'ex- citation destinés à produire un flux de champ magnétique transversal dans ledit tube, la tension induite dans le liquide s'écoulant dans ledit tube étant transmise auxdi- tes électrodes en vue de constituer un signal, et des moyens d'excitation de ladite bobine, caractérisé: en ce que lesdits moyens d'exci- tation, ou d'énergification de la bobine d'électroaimant comprennent_:: un redresseur biphasé connectable a une source de courant alternatif ayant une fréquence prédéterminée, et destiné à produire une tension redressée, un premier transistor connecté entre le redresseur et la bobine de manière telle qu'il applique la tension redressée à celle-ci avec une certaine polarité lorsque ledit premier transistor est rendu conducteur, un second transistor connecté entre le redresseur et la bobine de manière telle qu'il applique la tension redressée à celle-ci avec une polarité inverse lorsque ledit second transistor est rendu conducteur, des moyens de déclanchement pour, de façon alter- née, activer lesdits transistors à une fréquence de porte prédéterminée au moyen d'un train d'impulsions, ce par quoi la tension redressée est de façon intermittente ap- pliquée à la bobine pendant des intervalles successifs d'ouverture de porte positifset négatifs, ce par quoi le courant est entraîné à passer dans la bobine d'abord sui- vant un premier sens puis en sens inverse, et des moyens sensibles au courant passant dans ladi- te bobine pour faire varier le coefficient d'utilisation des impulsions du train en vue de corriger les fluctua- tions dudit courant de façon que le courant passant dans la bobine soit sensiblement constant 2. Débitmètre électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé: en ce que ledit redresseur est un pont redresseur biphasé comportant des première-:et se- conde bornes de sortie, l'entrée dudit pont étant connec- tée au secondaire d'un transformateur dont le primaire est couplé à ladite source de puissance alternative, le- dit secondaire comportant une borne médiane reliée, à tra- vers ladite bobine et ledit premier transistor, à ladite première borne de-isortie, ladite borne médiane étant aus- si connectée, à travers ladite bobine et ledit second transistor, à la dite seconde borne de sortie; 3. Débitmètre électromagnétique selon la revendication 2, caractérisé -: en ce qu'il incorpore en outre un premier filtre capacitif connecté entre ladite borne médiane et ladite première borne de sortie, et un second filtre capacitif connecté entre ladite borne médiane et ladite seconde borne de sortie; 4 Débitmètre électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé: en ce que ledit train d'impul- sions est produit par un amplificateur de classe C ayant une boucle de contre-réaction positive 5 Débitmètre électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé: en ce-que lesdits transistors sont des transistors à effet de champ ayant des portes (ou grilles) auxquelles lesdits trains d'impulsions sont appliqués 6. Débitmètre électromagnétique selon la revendication 5, caractérisé -en ce que lesdits moyens de dé- 2-536168 clenchement sont constitués par un comparateur dont la sortie est connectée auxdites-portes et, à travers un con- densateur de contre-réaction positive, à une entrée non- inverseuse à laquelle est appliquée une tension de porte en onde rectangulaire dont chaque cycle comporte une im- pulsion positive et une impulsion négative de déclenche- ment qui entraîne ladite sortie de comparateur à, de fa- çon alternée, activer lesdits transistors, ledit compara- teur fonctionnant comme un amplificateur de classe C qui, comme résultat, de la contre-réaction positive, oscille. en produisant ledit train d'impulsions, ledit comparateur ayant une entrée inverseuse à laquelle est appliquée une tension de référence dépendant de l'intensité du courant passant dans la bobine et agissant pour faire varier le coefficient d'utilisation des impulsions en conséquence. 7. Débitmètre électromagnétique selon la revendication 6, caractérisé: en ce que ladite tension de ré- férence est dérivée d'une:résistance en série avec ladite bobine; 8. Débitmètre électromagnétique selon la revendication 7, caractérisé: - en ce que ladite tension de ré- férence agit en faisant varier la polarisation dudit am- plificateur de classe C; 9. Débitmètre électromagnétique selon la revendication 8, caractérisé: en ce que la fréquence de dé- clenchement est relativement basse par rapport à la fré- quence de l'alimentation alternative.