Brevet FR2599498A1 — publié le 19871204

La présente invention est relative à un procédé ainsi qu'a un dispositif pour l'élimination par filtrage des composants indésirables d'un signal électrique représentant une valeur de poids. Un tel signal sera désigné ci-après dans la présente description sous le nom de signal de poids. Il est connu que le signal de poids obtenu à partir d'un système de pesée tel qu'une balance du type à cellule de charge à jauges de contrainte ou du type balance mesurant des forces comprend généralement des composantes indésirables diverses qui peuvent être attribuées aux vibrations inhérentes au dispositif, aux chocs résultant du chargement, etc. qui viennent s'aJouter à la composante du 10 signal nécessaire pour fournir l'indication du poids réel du produit devant être pesé. Afin d'éliminer de tels composantes indésirables, on a proposé un dispositif tel que représenté sur la figure 1 qui est décrit dans le brevet américain N 4 484 146. Comme on peut le voir sur cette figure 1, le signal de poids provenant d'un dispositif de pesée 1 traverse un filtre analogique 2, puis 15 est amplifie par un amplificateur 3 et transforme sous forme numérique par un convertisseur analogique/numerique 4 avant de subir d'autres traitements. Un filtre actif présentant des caractéristiques passe-bas, tel que notamment un filtre Bessel ou Butterworth, a été utilisé en tant que filtre analogique 2. Cependant, l'expérience a montré qu'il était difficile d'éliminer 20 totalement les composantes indésirables du signal électrique par un tel filtre analogique sans affecter la vitesse de réponse du système de pesée et, en conséquence, il est de pratique courante dans un tel système de prévoir en outre un dispositif absorbant les vibrations mécaniques. Cependant, ce dispositif mécanique supplémentaire est indésirable étant donné qu'il complique la structure 25 mecanique et, par conséquent, l'entretien et le fonctionnement de la machine. Par conséquent, il est nécessaire d'éliminer les composantes indésirables du signal électrique de poids en utilisant uniquement des moyens électriques. Sur la figure 2a des dessins annexés, on a représenté la courbe caractéristique de fréquence d'un système de pesée typique à cellule de charge ne 30 comportant pas de dispositif d'amortissement mécanique, dans lequel la fonction de transfert du système de pesée présente une crête de résonnance dans un domaine de fréquence déterminé. Sur ce dessin, la courbe 5 s'applique à un système de pesée déchargé (c'est à dire dépourvu de charges) et la courbe 6 est relative à un système de pesée en charge. Ceci signifie que la fréquence de crête se déplace 35 avec le poids des produits pesés. Un tel déplacement est provoqué non seulement par des variations de la charge mais également par des résonnances mécaniques pouvant être attribuées à la structure du dispositif. Cependant, un- tel déplacement peut être inclu dans une bande de fréquence spécifique "b", comme représenté sur le dessin, en sélectionnant sa largeur de bande de façon 5 appropriée. Afin d'éliminer les composantes oscillatoires indésirables, il est nécessaire de prévoir certains moyens permettant d'obtenir une atténuation suffisante dans cette bande "b". La bande de fréquence suivante plus élevée "c" peut être également encombrée par certaines composantes de fréquence non désirées pouvant être attribuées à des chocs mécaniques qui se produisent, par. exemple, 10 lorsque le système de pesée est chargé à l'aide des produits dont on veut déterminer le poids ou lorsque les portes des trémies sont ouvertes pour délivrer ces produits. Il est donc également nécessaire de prévoir une certaine atténuation de la bande "c". Dans ces conditions, la courbe caractéristique d'atténuation désirée des moyens d'amortissement de vibrations présente l'aspect 15 illustré par la figure 2b sur laquelle la valeur de l'atténuation a été indiquée par la longueur des flèches. Selon un aspect de la présente invention, un signal de poids analogique délivré par un système de pesée est échantillonné à haute fréquence de manière a obtenir des séries dans le temps de données de pois Dl D2..., comme représenté 20 sur la figure 4. Les données successives Dl à Dni (Dl à DlO sur la figure 4) font l'obJet d'une détermination de valeur moyenne et la valeur moyenne résultante est indiquée par 1MN. Ensuite, les données successives D2 à Dn+l dans laquelle j = ni iTf. En conséquence, l'amplitude devient nulle lorsque - = NE, N étant un nombre entier positif. Il en résulte que si fnl=l1/nT, l'amplitude de valeur 0 se 25 produit pour des frequences égales à Nfn. Cette caractéristique est visible sur la figure 3a ou l'on suppose que le nombre moyen ni est égal à 10, Les fréquences If., (N=l, 2.......) seront désignées ci-après par fréquences découpées en entailles. On comprend donc que l'opération de détermination de moyennes progressives joue le rôle d'un filtre passe-bas dans un domaine de fréquence 30 inférieur à fnl et le rôle d'un filtre de fréquence découpé en entailles d'amplitude 0 pour des multipes entiers de fnl dans le domaine de fréquence restant. La fréquence fondamentale f>l est déterminée en tant que réciproque du produit de l'intervalle d'échantillonnage T et du nombre moyen ni comme suppose ci-dessus et le retard de phase e est donné à partir de l'équation suivante: 35 nl- nl-i f nl-1 f e = - -- T =(3) Cette caractéristique est illustrée par la figure 3b. La caractéristique d'amplitude des moyennes progressives du second ordre peut être obtenue de la même façon par l'équation suivante: sin(xn 1Tf)sin(xn2Tf) IG =1 2 (4) nln2sin (xTf) Cette courbe caractéristique a été représentée sur la figure 3c o n. = 10 et n2 = 11. Comme on le comprend de la description qui précède, le rôle de l'opération 10 de multiplexage de moyenne progressive est celui d'un filtre pour fréquence découpé en entailles présentant une caractéristique passe-bas dans laquelle les fréquences découpées en entailles d'amplitude 0 se produisent pour des valeurs Nf,1 et Nf,2 G (Z)= 1 r nln2...nr (l_Z-)r (6) Cette équation peut être développée comme suit: Gr (Z)= 1 El+b1 +b2Z-2+... 2r nln2...nr À.. b 1 - nl+n2+..-.+nrr). = C[l+blZ l+b2Z-2+.. 1.:.2 n1+n2+... - z-(n1+n2+... +nr-r)] +(nl+n2+...+n r-r) (7) Ceci peut être réalisé à l'aide d'un filtre à fonction non récursive présentant 30 la configuration illustrée par la figure 5 en choisissant convenablement les facteurs de poids C, Cbl, Cb2,... Les données échantillonnées sont délivrées à ce filtre à partir de la gauche et elles sont décalées vers la droite une par une au travers d'une série de blocs 7, 72... 7,. Les données décalées sont respectivement multipliées par les facteurs poids C, Cbl, Cb2... dans les 35 multiplicateurs correspondants 8o, 8,... 8,. et les produits résultants sont additionnés dans un additionneur 9. Le signal de sortie filtré désiré est délivré à partir de-l'additionneur 9. L'opération arithmétique mentionnée ci-dessus peut être réalisée en utilisant des composants commercialement disponibles tels que ceux vendus 5 notamment par les firmes japonaises JAPAN PRECISION CIRCUIT CORP. ou ANALOG DEVICES CORP... En outre, cette opération peut être réalisée en temps réel en utilisant un micro ordinateur. L'équation 7 peut être également réalisée sous la forme d'un filtre compatible récursif-non récursif. Un exemple de cette variante est donné par la 10 figure 4. Cet exemple correpond à des moyennes progressives du troisième ordre. Sur le dessin, un bloc 10 réalise l'opération de l'équation 5 pour la détermination des moyennes progressives du premier ordre. Les blocs suivants 102 et 103 présentent la même configuration que le bloc 0l et ils effectuent des opérations de multiplexage de moyenne. Ces opérations peuvent être également 15 réalisées à l'aide d'un micro-ordinateur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-apres en reférence aux dessins annexes qui en illustrent divers exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les dessins: La figure 1 est un schéma par blocs d'un exemple de réalisation d'un filtre pour signal de poids selon l'état antérieur de la technique discuté cidessus. La figure 2a est un schéma représentant la courbe caractéristique de fréquence d'un système de pesée typique à cellule de charge présentant un certain 25 domaine de fréquence de résonnance. La figure 2b est un schema représentant la courbe caractéristique idéale de filtration que doit présenter le système de filtre objet de la présente invention. La figure 3a est un schéma illustrant la courbe caractéristique 30 fréquence-amplitude des moyennes progressives du premier ordre. La figure 3b représente la courbe caractéristique de retard fréquencephase des moyennes progressives du premier ordre. La figure 3c est un schéma représentant la courbe caractéristique fréquence-amplitude d'un exemple de moyennes progressives du second ordre. La figure 4 est un schéma permettant d'expliquer comment s'effectue le calcul des moyennes progressives. La figure 5 est un schéma représentant un exemple de réalisation d'un filtre non récursif selon la présente invention. La figure 6 est un schéma représentant un mode de réalisation d'un filtre compatible récursif-non récursif selon l'invention. La figure 7 est un schéma par blocs d'un système de filtration conforme a l'invention. La figure 8 est un schéma représentant la courbe caractéristique ce fréquence du dispositif illustré par la figure 7. La figure 9 est un schéma représentant la courbe caractéristique de 10 réponse dans le temps du dispositif représenté par la figure 7 et La figure 10 représente la courbe caractéristique de fréquence d'un autre exemple de réalisation de l'invention. En se referant a la figure 7, la réference 11 désigne un dispositif de pesée qui est utilisé dans une machine de pesée de combinaison ou balance de 15 combinaison comprenant une trémie ou un plateau de pesée comportant une tare relativement importante et des domaines de pesée relativement étroits. Dans un tel dispositif de pesee la difféerence entre les fréquences de resonnance a l'état non chargé, c'est à dire la fréquence de vibration inhérente et la fréquence de résonnance à l'état de pleine charge, est petite et la bande b de la figure 2 est 20 relativement étroite. Par exemple la tare est de 2000 g, la charge totale de 400 g, la fréquence inhérente de vibration est de 19,3 Hz et la fréquence de résonnance à pleine charge est de 17,6 Hz. Le signal de poids est amplifié dans un amplificateur 12 et il est filtré par un filtre analogique 13. Le signal de poids ainsi filtré est échantillonne à 25 une fréquence prédéterminée dans un circuit d'échantillonnage et de maintien 14 et les échantillons resultants sont numérisés a l'aide d'un convertisseur analogique/numérique 15 puis appliqués à un filtre numérique 16. Le rôle de ce filtre analogique 13 est de compenser toute filtration insuffisante par le filtre numérique 16 dans un domaine de fréquence situé au dessus de la moitie de la 30 fréquence d'échantillonnage et il peut être réalisé sous la forme d'un filtre Bessel de 32 Hz, du type du quatrième ordre, lorsque la fréquence d'échantillonnage est par exemple de 200 Hz (ou l'intervalle d'échantillonnage I est de 0,005 secondes). Le filtre numérique 16 peut être un filtre FIR, qui est un filtre non récursif permettant de calculer des moyennes progressives du 35 troisième ordre lorsque nm = 10, n2 = 11 et na = 12._ En ce qui concerne cet exemple de filtre numérique 16, l'équation 6 cidessus peut s'écrire de la façon suivante: - G(Z)= 1 (-z-lOx)(lZ-11)(l_z-12) lOxllxl2 (1-z -1__l3 Lorsqu'on développe cette équation est 1320 et les coefficients bi tableau ci-après: selon la relation 7 ci-dessus, la valeur de C (i = 1, 2,........) sont Sindiqués dans le TABLEAU 1 EXPOSANT DR Z -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -15 COEFF. bi 1 3 6 15 21 28 36 45 55 65 74 81 86 89 90 EXPOSAnT DE Z -16 -17 -18 -19 -20 -21 -22 -23 -24 -25 -26 -27 -28 -29 -30 89 86 81 74 65 55 45 36 28 21 15 10 La courbe caractéristique d'amplitude de ce relation suivante: filtre numérique est donnée par la G= 1 sin(xnlTf)sin(xn2Tf)sin(xn3Tf) nl1n2n3. sin (xTf) Cette caractéristique est représentée par la figure 8. Ainsi qu'on peut le voir 35 sur cette figure des fréquences découpées en entailles apparaissent pour des valeurs de fréquence fo (= 16, 66Hz), f,2 (= 18,18Hz), f,i (= 20 Hz), 2f,-,- (= 33,33 Hz), 2f,2 (= 36,36 Hz), 2f, (= 40 Hz),... correpondant respectivement à na, n2, ni. Trois fréquences découpées en entailles pour f3., f,.2 et f,définissent une bande de fréquence dont l'aténuation est supérieure à 70 dB entre 16,66 Hz et 20 Hz. Cette bande correspond à la bande b des figures 2a et 2b. Un 5 obtient au moins une atténuation de l'ordre de 40 dB dans la gamme de fréquence supérieure à 20Hz (qui correspond à la bande c) et une bande de transition dont l'atténuation décroît avec la fréquence se forme dans une gamme de fréquence inférieure à 16Hz (correspondant à la bande a). Etant donné que la fréquence de résonnance du dispositif de pesée est comprise entre 17,6 et 19,3 Hz, il se 10 produit une forte oscillation transitoire lorsque le chargement peut être amorti en dessous d'une valeur correspondant à 1/3000 du signal d'entrée, avec un tel filtre numérique.. La réponse du système de pesée varie avec le taux de variation dans le temps de la charge appliquée. Cependant, même lorsque la charge est brutalement 15 appliquée comme représenté en 17 sur la figure 9, la réponse prend la forme d'un S comme représente en 18 sur la figure 9 et il ne se produit pas de choc lors ce l'utilisation d'un tel filtre numérique. Le retard de réponse qui est donné en tant que produit de l'intervalle d'échantillonnage et l'exposant le plus important de Z dans le tableau 1 n'est 20 que de 0,15 secondes (= 0,005 secondes X 30) et le retard total dû au filtre numérique et au filtre Bessel de 32 Hz n'est que de 0,183 secondes. Selon un second exemple, on suppose que la tare est de 50 Kg, que la charge totale est de 150 Kg, que la fréquence de résonnance à l'état non charge est de 45 Hz et que la fréquence de résonnance à pleine charge est de 22,5 Hz. 25 Par comparaison avec le premier exemple décrit ci-dessus, la pleine charge est plus importante par rapport à la tare et la largeur de bande b est plus importante. La disposition de cet exemple est similaire à celle du premier exemple sauf que la fréquence d'échantillonnage est de 180 Hz et que le filtre numérique 16 correspond à une opération de détermination de moyenne progressive 30 du quatrième ordre dans laquelle les nombres moyens ni, n2, ns et n4 sont respectivement 5, 7, 8 et 18. La fonction de transfert de ce filtre numérique est donnée de la maniere suivante par une transformation en Z: 1G(Z) 1 (I-Z- 5)(-Z-7)(1-Z-8)(1-z18) G 5) x7x8x18-7 14 (iZi) Sa courbe caractéristique d'amplitude est donnée par la relation suivante: i sin( les dessins. La fréquence découpée en entailles pour fa (= 10 Hz) est obtenue en 15 formant une bande de transition présentant une atténuation appropriée dans la région située au-dessus de 20 Hz. Les autres fréquences découpees en entailles sont formées pour t 2fn4 (=20Hz), 3fn4 (=30Hz), 4fn4 (=40Hz), . fn3 (22.5Hz), 2fn3 (=45Hz), 3f n3 (=67.5Hz), 20 4fn3 (=90Hz), ' fn2 (=25.71Hz), 2fn2 (=51.42Hz), 3f n2 (= 77.13Hz), 4fn2 (=102.84Hz),... fnl (=36Hz), 2fnl (=72Hz),..DTD: 3fn (=108Hz), 4fnl (=144Hz),.... Par conséquent, on peut obtenir une atténuation supérieure a -66 dB (c'est à dire 1/2000) dans un domaine de-fréquence supérieur à 20 Hz. Comme décrit ci-dessus, le temps de réponse d'un tel filtre numérique est calculé de manière à être égal à: (1/180> X (38 - 4) = 0, 189 secondes. Ce retard de réponse est négligeable en pratique y compris le temps de réponse du filtre analogique 13 qui est de l'ordre de 0,033 secondes. On peut obtenir une atténuation plus importante en réalisant un filtre numérique qui correspond à un ordre plus élevé de moyenne progressive. L'opération arithmétique effectuée par le filtre numérique peut être réalisée par 35 un micro-ordinateur. Dans le tableau 2 ci-après on a donné le résultat d'une comparaison entre le filtre numérique selon l'invention et deux types de filtre analogique selon la technique antérieure. Dans ce tableau, les filtres A et B sont respectivement des filtres analogiques du type Bessel du deuxième ordre et du quatrième ordre et le 5 filtre C est le filtre numérique décrit cidessus en référence à la figure 8, tous ces filtres présentant le méme temps de réponse. Ce tableau montre que la caractéristique d'atténuation du filtre C est excellente comparée à celle des filtres A et B. En application pratique, il est nécessaire de diminuer la fréquence des points de rupture des filtres A et B, afin d'améliorer leur faible 10 caractéristique d'atténuation mais, cette diminution de fréquence se traduit par des mauvais temps de réponse. TABLEAU 2 Rapport d'atténuation Filtre Fréquence de point de rupture 18Hz 26.66Hz A 7.77 0.187 0.085 B 10 0.095 0.020 C -- (16-20Hz) 0.0095 Ce tableau fait clairement ressortir les caractéristiques de filtration améliorée du dispositif selon la présente invention. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux divers exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus mais qu'elle en 25 englobe toutes les variantes. 12 2599498 REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour filtrer un signal de poids provenant d'un dispositif de pesée, qui comprend des moyens (14) pour échantillonner ledit signal de poids, de manière à obtefnir une série de signaux échantillonnés, et des moyens arithmétiques (16) pour traiter arithmétiquement lesdits signaux échantillonnés, ce dis5 positif étant caractérisé en ce que lesdits moyens arithmétiques (16) présentent une caractéristique de transfert équivalente à une fonction de transfert des moyennes progressives multiplex desdits signaux échantillonnés dont les nombres moyens d'ordres respectifs sont convenablement choisis de manière à obtenir une pluralité de fréquences découpées en entailles à l'intérieur et/ou près du do10 maine de fréquence, englobant des composantes oscillatoires, déterminées par le domaine de pesée du dispositif de pesée (11) et/ou des composantes à forte résonance dues au dispositif de pesée. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens arithmétiques (16) sont constitués par un ordinateur. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens arithmétiques (16) sont réalisés sous la forme d'un filtre numérique. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit filtre numérique (16) est un filtre à fonction non-récursive. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit 20 filtre numérique (16) est un filtre compatible non-récursif/récursif. 6 Procédé pour filtrer un signal de poids provenant d'un dispositif de pesée, qui consiste à échantillonner ledit signal de poids de manière à obtenir une série de signaux échantillonnés, et à traiter arithmétiquement lesdits signaux ainsi échantillonnés de manière à obtenir des signaux de sortie filtrés, 25 ce procédé étant caractérisé en ce que ladite étape de traitement arithmétique consiste à calculer les moyennes progressives multiplex desdits signaux échantillonnés et à sélectionner le nombre moyen de chaque ordre desdites moyennes progressives multiplex de manière à faire apparaître une pluralité de fréquences découpées en entailles dans et/ou près du domaine de fréquences englobant des 30 composantes oscillatoires déterminées par le domaine de pesée du dispositif de pesée et/ou de fortes composantes de résonance provoquées par le dispositif de pesée. 7 - Procédé pour filtrer un signal de poids provenant d'un dispositif de pesée, qui consiste à échantillonner ledit signal de poids de manière à obte35 nir une série de signaux échantillonnés, et à traiter arithmétiquement les signaux ainsi échantillonnés de manière à obtenir des signaux de sortie filtrés, ce procédé étant caractérisé en ce que l'étape de traitement arithmétique comprend une opération équivalente à une opération de détermination de moyenne 13 2599498 progressive multiplex desdits signaux échantillonnés, au cours de laquelle le nombre moyen de chaque ordre desdites moyennes est sélectionné de manière à faire apparaître une pluralité de fréquences découpées en entailles dans et/ou près du domaine de fréquences englobant des composantes oscillatoires détermi5 nées par le domaine de pesée du dispositif de pesée et/ou des composantes à forte résonance dues à ce dispositif de pesée.