Brevet FR2552874A1 — publié le 19850405

Tête de mesure monovoie et installation de télémesure en comportant application L'invention concerne le domaine des installations de télémesure permettant de disposer, à distance, de la valeur d'un ou plusieurs paramètres captés sur un appareil ou une machine à essayer ou à surveiller. Il existe déjà de nombreux systèmes de télémesure multivoies permettant de lire ou d'enregistrer à distance plusieurs paramètres prélevés à l'aide de capteurs En contrepartie, ces systèmes comportent une tête de mesure complexe, encombrante et dont l'implantation sur une machine nécessite souvent une étude poussée et la réalisation de pièces onéreuses C'est notamment le cas des télémesures sur machines tournantes, o les pièces de maintien de la tête doivent être rapportées sans apporter à l'arbre de la machine des modifications diminuant sa résistance mécanique, o le volume disponible est limité et o cependant il est souvent nécessaire d'offrir une résistance élevée aux accélérations Au surplus, l'alimentation électrique de ces 20 têtes exige la présence de conducteurs supplémentaires qui compliquent encore le problème, d'autant plus que la tête comporte fréquemment une partie analogique et une partie numérique ce qui rend plusieurs alimentations nécessaires et amène à utiliser des tores pour la réalisation des transfor25 mateurs d'alimentation La présence d'un champ magnétique important, qui se rencontre fréquemment dans les machines tournantes électriques, entraîne une saturation de ces tores et la perte des alimentations. Bien souvent, les possibilités offertes par un système 30 de télémesure multivoies sont inutiles et une installation monovoie serait suffisante pour répondre aux besoins, par exemple pour des interventions à effectuer rapidement, qui n'exigent que la mesure d'un seul paramètre. L'invention vise en conséquence à fournir une tête de mesure monovoie capable d'assurer une précision de mesure comparable à celle des têtes multivoies complexes existantes et en même temps réalisable sous une forme simple et peu -2 encombrante, ayant de faibles exigences en matière d'alimentation et permettant une mise en place rapide. Dans ce but, l'invention propose une tête de télémesure monovoie comprenant une alimentation de capteur, des moyens d'amplification et de filtrage, un convertisseur à modulation de durée et transmission de références haute et basse, permettant de reconstituer la valeur du signal reçu par le convertisseur à la réception, et des moyens de transmission. La faible consommation d'une telle tête, qui peut être 10 réalisée en composants analogiques à faible consommation et en circuits logiques à transistors C-MOS, lui permet de fonctionner à partir d'une source d'alimentation unique de faibles tension et capacité, qui peut être une pile ou un accumulateur, sans utilisation de tores sensibles aux champs électromagnétiques élevés La consommation très faible donne à la tête une grande autonomie Le montage, étant à faible nombre de composants, peut être miniaturisé et son insertion à l'intérieur d'une machine se fait à faible prix, commodément et rapidement. Le convertisseur comprend avantageusement un générateur de rampe et des comparateurs de déclenchement de créneaux lorsque la rampe atteint des valeurs correspondant à des références basse et haute générées localement et à la valeur de mesure La valeur de mesure est alors représentée, après 25 conversion, par l'intervalle de temps qui sépare le créneau représentatif de la référence basse du créneau représentatif de la mesure Cet intervalle doit être rapporté à l'intervalle qui sépare les créneaux représentatifs du passage aux valeurs de référence basse et haute Les modifications de l'intervalle entre passages de ces deux références reflètent les dérives du système et permettent, par traitement simple à la réception, d'effectuer des corrections, par exemple des variations du courant de charge du condensateur généralement utilisé dans le générateur de rampe, en fonction de la tem35 pérature. Les créneaux seront généralement créés par des monostables placés en aval des comparateurs, la durée de maintien d'un des monostables étant différente des autres de façon à permettre d'identifier les créneaux à l'aide d'une logique à la réception. L'invention propose également une installation comportant une tête du genre ci-dessus défini et un ensemble de réception ayant un convertisseur de restitution à générateur de rampe, ou numérique,commandé par les créneaux provenant de la tête. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la Figure 1 est un schéma de principe de l'ensemble de l'installation, les Figures 2 à 6 sont des synoptiques montrant une constitution possible de l'alimentation, de l'amplificateur de mesure, du filtre, du convertisseur et de l'émetteur de 15 la tête de l'installation de la Figure 1, la Figure 7 est un schéma montrant le mode de modulation en durée d'impulsion par le convertisseur. L'installation montrée en Figure 1 comporte une tête portée par la machine dont un paramètre de fonctionnement 20 est à mesurer et un récepteur 12 placé à distance et relié à la tête par un support de transmission 14. La tête 10 comporte une alimentation générale 16 (Figure 2) dont la source d'énergie peut être une pile fournissant une tension unique +v au moins égale à 3 Vo Its Cette 25 alimentation générale peut, tout en conservant une constitution simple et classique, comporter un convertisseur de tension 18 lui permettant de fournir les tension +v, -v et + 2 v. L'alimentation 16 fournit l'énergie 'nécessaire au capteur de mesure 19 par l'intermédiaire d'une alimentation 20 Dans 30 un exemple représentatif, le capteur est constitué par un pont de jauges résistantes alimentées en 3 Volts, avec une consommation de l'ordre du m A. L'amplificateur de mesure 24 sera généralement constitué d'amplificateurs opérationnels alimentés par des tensions +v 35 et -v Dans le cas montré en Figure 3, l'amplificateur 24, fournissant un gain d'environ 400, réglable à l'aide d'une résistance R, est constitué de cinq amplificateurs opérationnels 26 à très faible consommation Le signal venant du capteur est appliqué entre les entrées e 1 et e 2 et ressort en 28 après amplification, avec une valeur V 1. Le signal V 1 doit généralement être soumis à un filtrage passe-bas Cette fonction est remplie, dans le cas montré en Figure 4, par un filtre 30 de type butterworth d'ordre 4, constitué de deux amplificateurs opérationnels 32 en cascade, présentant une fréquence de coupure de 4000 Hz. Le signal de sortie V 2 du filtre 30 attaque le convertisseur 34 prévu pour fournir un signal modulé en largeur d'impulsion et des références permettant de reconstituer le signal V 2 Le convertisseur 34 montré en Figure 5 comprend un circuit destiné à fournir les deux tensions de référence Vmax et Vmin Ce circuit comporte une diode zener 36 de stabilisation de la tension appliquée à un amplificateur 15 opérationnel 38 qui attaque un pont de résistance faisant apparaître les deux tensions Vmax et Vmin ainsi qu'une tension intermédiaire Vd dont le rôle apparaîtra plus loin. La partie du convertisseur 34 destinée à former le signal modulé est constituée par un générateur de rampe déclenché et des canaux de comparaison et de formation de créneaux Le générateur de rampe comprend un condensateur chargé à courant constant par un générateur 42 de façon à faire apparaître une rampe de tension V 3 aux bornes du condensateur lorsque le transistor à effet de champ 53 autorise la charge Cette tension est 25 appliquée à quatre canaux constitués chacun par un comparateur 44 a-d suivi d'un monostable 46 a-d Les secondes entrées des comparateurs 44 b, 44 c et 44 d reçoivent respectivement les tensions Vmax, V 2 et Vmin Leurs, sorties sont reliées, par des monostables 46-b, 46 c et 46 d et par une porte OU 30 commune 48, à l'émetteur 50 sur support de transmission. Ainsi, chaque passage de V 3 au-dessus d'une des valeurs Vmin, Y 2 et Vmax provoque l'émission d'un créneau par le monostable correspondant Ce monostable et la porte OU 48 sont avantageusement alimentés par la tension + 2 v afin de fonctionner à vitesse élevée, ce qui fait gagner sur la consommation du système d'émission par raccourcissement de la durée des impulsions émises. Le quatrième canal, dont le comparateur reçoit également la tension Vmax, est destiné à assurer le retour à zéro Le -5 signal de sortie de son monostable 46 a est appliqué, par l'intermédiaire d'un condensateur 52, à un transistor à effet de champ 53 qui provoque la décharge du condensateur 40 et le maintient à zéro pendant toute la durée du créneau, après quoi le cycle reprend Le signal de sortie Vs a ainsi la forme montrée sur la seconde ligne de la Figure 7, dont la première ligne montre les passages de la rampe aux niveaux de tension Vmin, V 2 et Vmax La durée T 1 est proportionnelle à la tension V 2 à l'entrée du convertisseur tandis que le temps T corres10 pond à la pleine échelle Le convertisseur peut être prévu pour effectuer une mesure toutes les 50 ps, ce qui est compatible avec la bande passante de 4 k Hz. La tension de sortie Vs est appliquée à l'émetteur 50 qui sera d'un type choisi en fonction du support de transmis15 sion 14 Dans le cas de télémesure sur organe statique et de transmission sur une longueur ne dépassant pas quelques dizaines de mètres, le support 14 peut être constitué par une fibre optique et, dans ce cas, on peut utiliser un émetteur à diode électroluminescente 54 commandée par un transistor 20 à effet de champ 56 (Figure 6) Si au contraire la mesure est à effectuer sur un organe mobile, par exemple un arbre rotatif, on pourra utiliser un émetteur haute fréquence ou tout autre émetteur n'utilisant pas un support de transmission matériel. La tension de décalage Vd permet de ramener la tension de sortie de l'amplificateur alimenté en f V dans la gamme de mesure du convertisseur. L'ensemble de réception 12 de l' installation comporte un récepteur 58 adapté au support de transmission 14 et un 30 convertisseur 60 destiné à restituer, sur sa sortie 62, deux signaux de sortie analogiques, le premier représentatif de la mesure, le second représentatif de la référence haute Il n'est pas nécessaire de décrire en détail te convertisseur , qui comportera une logique permettant de reconnaître, du fait de leur différence de longueur, les créneaux de référence basse, de mesure et de référence haute Les valeurs de mesure et de référence haute sont stockées dans des échantillonneurs bloqueurs et une rampe est élaborée, à partir d'un générateur du même genre que celui du convertisseur 34, à partir du créneau de référence basse jusqu'au créneau de référence haute Les signaux de sortie du convertisseur 60 peuvent être appliqués à un 5 convertisseur analogique/numérique dont la pleine échelle correspond à la référence haute. L'installation peut être prévue pour assurer une compensation en température On sait en effet que les variations de température peuvent modifier la valeur du condensateur 40 du 10 convertisseur 34, ainsi que son courant de charge I Cette évolution se traduit par une variation de l'intervalle de temps séparant les créneaux de sortie des monostables 46 d et 46 b intervalle représentant la pleine échelle de mesure D'autre part, un étalonnage permet de déduire, à la réception, la tempéra15 ture de la tête et, notamment, de l'amplificateur de mesure 24 grâce à la durée T cette dérive de décalage, étant connue, peut en conséquence être compensée de façon simple à la réception. Le dispositif représenté en Figure 1 est complété par 20 un système de télécommande à partir de l'ensemble de réception 12 Dans le cas o le support de transmission 14 est une fibre optique, la télécommande peut être assurée par un boîtier 64 comportant une diode électroluminescente qui émet sur une fibre optique 66 La tête comporte un récepteur de télé25 commande, dont l'organe d'entrée est par exemple un phototransistor, qui branche la source d'alimentation, par exemple par l'intermédiaire d'un transistor VMOS, pendant la durée des signaux reçus du boîtier 64. Un tel système de télécommande permet, dans le cas d'une 30 alimentation par piles ou batterie de faible capacité, de n'alimenter le montage que pendant les périodes d'essais et, au cours de ces périodes, de faire des mesures espacées dans le temps avec une grande flexibilité. A titre d'exemple, on peut indiquer qu'une tête de mesure 35 à alimentation par une pile au lithium 3,4 Volts d'une capacité de 850 m Ah a été réalisée en amplificateurs opérationnels de type O 20 et transistors C-MOS- La dérive de décalage de l'amplificateur de mesure 24, d'environ 1,2 p Volt/ C, était déterminée par mesure de la durée T et corrigée à la réception La transmission s'effectuait sur fibre optique, par impulsions brèves, de façon à réduire la consommation La consommation totale de la tête, y compris le capteur, ne dépassait pas 4,5 m A. L'invention est évidemment susceptible de nombreuses variantes de réalisation En particulier, les corrections de dérive peuvent être effectuées de façon numérique à la réception, en incorporant un microprocesseur à l'ensemble de 10 réception. -8 REVENDICATIONS 1 Tête de mesure monovoie, comprenant un capteur ( 19) et des moyens d'amplification et de filtrage ( 24), caractérisée en ce qu'elle comprend un convertisseur ( 34) à modulation de durée et transmission de références haute et basse permettant de reconstituer la valeur du signal reçu par le convertisseur à la réception. 2 Tête de mesure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le convertisseur ( 34) comprend un générateur de rampe 10 et des comparateurs ( 44 b, 44 c, 44 d) de déclenchement de créneaux lorsque la rampe atteint des valeurs correspondant à des références basse et haute générées localement et à la valeur de mesure (V 2). 3 Tête de mesure selon la revendication 2, caractérisée 15 en ce que les créneaux sont générés par des monostables commandés par les comparateurs, l'un des monostables fournissant un créneau de durée différente de celle des autres pour permettre d'identifier les créneaux. 4 Tête de mesure selon la revendication 2 ou 3, caracté20 risée en ce que le générateur de rampe comporte un condensateur ( 40) chargé à courant constant et muni de moyens interrupteurs ( 53) de remise à zéro en réponse au créneau représentatif du passage de la rampe à la référence haute. Installation de télémesure comportant une tête de 25 mesure suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un ensemble de réception ( 12) ayant un convertisseur de restitution ( 60) à générateur de rampe commandé par les créneaux correspondant aux références basse et haute. 6 Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'ensemble de réception comprend des moyens de détermination des dérives en température à partir de l'intervalle de temps (T) entre les créneaux correspondant aux références basse et haute et de correction de ces dérives. 7 Installation selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens ( 64,68) de télécommande à partir de l'ensemble de réception ( 12), permettant de couper et de mettre en service la source d'alimentation électrique de la tête ( 10). 8 Installation selon l'une quelconque des revendications à 7, caractérisée en ce que la source d'alimentation de la tête est constituée par une pile et en ce que la tête est constituée de composants à faible consommation.