Brevet FR2645308A1 — publié le 19901005

La présente invention à trait d'une manière générale à un système de télémesure dans lequel un signal en courant continu produit par un dispo- sitif de transmission sensible à une variable d'intérêt est transporté sur une ligne à deux fils vers une station de réception comportant une alimentation électrique en courant continu dont la sortie est appliquée au dispositif de transmission sur la même ligne afin de fournir pour celui-ci une puissance de fonctionnement, et plus particu- lièrement à un système de ce type capable de fournir une quantité de puissance relativement importante au dispositif de transmission. Un système de télémesure à deux fils est particulièrement utile dans une boucle de commande de processus industriel dans laquelle une valeur détectée au niveau d'un dispositif de transmission par un thermo-couple ou autre capteur de la variable de processus mesuré est convertie en un signal en courant continu qui est transporté sur une ligne à deux fils vers une station de réception éloignée pour des indicateurs d'exploitation, tels qu'enregistreurs, contrôleurs ou autres instruments dans la boucle de commande de processus. Des systèmes de ce type sont décrits dans le brevet US-4084155 (Herzl et al), le brevet US-4158765 (Shauger) et le brevet US-4692328 (Sterling et al). Un avantage important d'un sys- tème de télémesure à deux fils est que les mêmes fils servent non seulement pour transporter le signal en courant du dispositif de transmission jusqu'à la station mals éga- lement pour conduire une puissance de fonctionnement de la station de réception vers le dispositif de transmission, remédiant ainsi au besoin de fils supplémentaires dans les applications de commande à distance. En outre, une sortie en courant minimise la tendance du système à produire des pointes de bruit de tension et élimine les problèmes de chute en ligne. Pour un système de télémesure de commande de processus, la norme nationale américaine ANSI-MC 12.1 - 1975 et ISA-S 50.1, "Compatibility of Analog Signals fo Electronic Industrial process Instruments" spé- cifie que le signal normalisé de sortie (d'un dispositif de transmission) devra être un courant dans une plage com- prise entre 4 mA et 20 mA en courant continu (Section 3.2 de la norme), et que le signal de tension normalisé (du récepteur) devra être de 1 volt à 5 volts en courant con- tinu (section 3-.3.2 de la norme). Ces normes sont généra- lement acceptées et pratiquées par l'industrie de commande de processus industriel. On a trouvé que les systèmes de télémesure connus de ce type échouent dans certains cas à fournir une puissance de fonctionnement adéquate aux dis- positifs de transmission. Par exemple, si le dispositif de transmission est un cransducteur à pression différen- tielle (P-D) fonctionnant en liaison avec un extracteur de racine carré, la demande de puissnce du transducteur P-D et de l'extracteur de racine carré associé n'est pas satisfaite au niveau d'entrée bas lorsque le dispo- sitif fonctionne dans la plage usuelle de 4 à 20ma en courant continu. Et si l'on souhaite inclure un micropro- cesseur dans le dispositif de transmission, ceci peut ne pas être possible en raison des contraintes existantes dans la disponibilité de puissance. Il est connu d'effectuer une ré- gulation linéaire de la tension d'alimentation électrique pour le dispositif de transmission dans le système de télé- mesure à deux fils. Mais de tels régulateurs linéaires agissent pour limiter la consommation de puissance- de l'ensemble des circuits de commande du transmetteur et pour réduire sa capacité de commande. De manière caractéristi- que, un transmetteur à deux fils est spécifié avec une tension d'alimentation de fonctionnement électrique mini- male avec des conditions définies, une relation linéaire étant établie entre la tension de fonctionnement et la ca- paclté de commande d'une résistance de charge. Par exemple, un fonctionnemnet à 12,5 volts et à zéro ohm peut être spécifié de même qu'un fonctionnement à 24 volts et 500 ohms. L'électronique interne de commande du transmetteur est nécessairement limitée à une consommation de courant de moins de 3,8ma du fait que la plage de fonctionnement du système est de 4 à 20ma. Ainsi, plus élevée est la tension fonctionnelle i0 minimale, moindre doit être la résistance de charge. En raison de telles limitations de puissance, il peut devenir nécessaire dans de nombreux cas de commander le système de télémesure selon une confi- guratlon à quatre fils plut&t qu'avec une ligne à deux fils. Ainsi, des fils supplémentaires sont nécessaires i5 pour transporter une puissance fonctionnelle adéquate jusqu'au dispositif de transmission, sacrifiant ainsi l'important bénéfice d'un système à deux fils. Pour une boucle à deux fils quel- conque, la consommation en puissance de l'électronique de 23 commande du transmetteur est limitée par la tension d'ali- mentation électrique externe (la source de toute la puis- sance consommée dans la boule) et par le courant fonction- nel minlmal dans la boucle (4ma). Par exemple, la consomma- tion en puissance de l'électronique de commande de tous les transmetteurs à deux fils normalisés est limitée à une alimentation électrique de 4ma.V. Si l'électronique de commande à l'intérieur du transmetteur nécessite une tension égale à la tension de l'alimentation électrique, alors 4ma est St le courant maximal qui peut être consommé. Toutefois, dans une situation ou l'électronique de commande nécessite moins que la tension de l'alimentation électrique, alors une con- sommation de courant plus élevée peut être réalisée. L'invention s'applique à cette situation en fournissant plus de puissance à l'électronique de commande du trans- metteur lorsque l'électronique de commande est mis en oeuvre avec un ensemble de circuits nécessitant une tension relativement basse par rapport à la tension disponible, plutôt que de limiter la consommation en puissance à mini- mum de 4ma.V. En considération de ce qui précè- de, le but principal de la présence invention est de pro- poser un système de télémesure à de:u fils dans lequel la même ligne conduit à un signal en courant continu depuis un dispositif de transmission de station sur site jusqu'à une station de réception qui fournit une puissance fonc- tionnelle à un niveau sensiblement constant au dispositif de transmission, la quantité de puissance fonctionnelle appliquée étant suffisante même à des niveaux de signaux bas pour alimenter les dispositifs de transmission relati- vement complexes tels que des débitmètres magnétiques, des multiplexeurs montés sur site et des dispositifs de trans- mission à base de microprocesseur. Un but plus particulier, de la présente invention est de proposer ur. système de télémesure à deux fils du type ci-dessus dans lequel la puissance appliquée au dispositif de transmission est régulée par un régulateur ae puissance du type à commutation qui fournit aux bornes'd'entrée de puissance du dispositif une puissance sensiblement constante dans des conditions de haute tension faible courant de même que dans des condi- tions de basse tension-courant élevé. C'est encore un but de la pré- sente invention que de proposer un système de télémesure à deux fils du type ci-dessus qui soit d'une construction relativement simple, de faible coût, et qui fonctionne cependant de manière efficace et fiable. EnoncéS en résumé, ces buts sont atteints dans un système de télémesure dans lequel un dis- positif de transmission alimenté en courant continu sensi- ble à un processus ou autre variable produit un signal en courant continu en conformité avec la variable qui est fournie sur une ligne à deux fils jusqu'à une station de réception dans laquelle une alimentation en tension continu est connectée à la ligne -à travers une résistance de charge. Il est développé aux bornes de cette résistance un signal de sortie dans une plage de courant prédéterminée pour commander un indicateur ou autre instrument. La même ligne fournit une puissance fonctionnelle aux bornes d'entrée de puissance du dispositif de transmission par l'intermédiaire d'un régulateur-abaisseur de puissance du type à commutation qui produit une puissance constante dans des conditions de tension élevée faible courant de même que dans des conditions de faible tension courant élevé, permettant ainsi de fournir plus de puissance disponible vers le dispositif de transmission et d'augmenter la capa- cité de commande de charge. La présente invention sera mieux comprise et des détails en relevant apparaîtront à la des- cription qui va être faite d'une-forme préférée de réalisa- tion, en relation avec les figures de la planche unique annexée, dans laquelle: - la fig.l est un schéma de circuit simplifié d'un système de télémesure à deux fils conforme à l'invention, - la fig.2 est un schéma de circuit simplifié des éléments de base d'un régulateur du type à commutation abaisseur compris dans le système, et - la fig.3 est un circuit simpli- fié représentant le cas général par rapport à la quantité de puissance qui est disponible lorsqu'une régulation linéaire et du type à commutation est utilisée dans le sys- tème. Le svstème de télémesure: En se référant maintenant à la fig.l, il est représenté sur cette figure les composants de base du cystème de Télémesure à deux fils en conformité avec l'invention, qui comprend un dispositif de transmis- sion I alimenté en courant continu sensible à un processus ou autre variable dont la valeur est mesurée par un capteur 10. Le dispositif de transmission est relié par une ligne à deux fils W1 et W2 à une station de réception 2 éloignée dans laquelle une alimention électrique en courant continu représentée par une batterie 11 est connectée en série avec une résistance de charge 12 à travers laquelle circule un signal de sortie dans la plage de courant normalisée (c'est-à-dire 4 à 20macc). La tension développée aux bornes de la résistance de charge 12 est appliquée à un récepteur 13 qui peut être un indicateur de variable de processus, un enregistreur, un contrôleur ou tout autre dispositif approprié à la commande de processus. La ligne à deux fils Wl et W2 est connectée au dispositif émetteur aux bornes T4 et T5. Le capteur 10 peut être un thermo-couple, un transducteur de pression différentielle ou tout autre dispositif monté sur le site pour mesurer la variable de processus. Cette variable peut être un débit d'écoulement de fluide, une température ou une pression et produit un signal analogique qui lui est proportionnel. Dans l'exemple représenté, ce signal analogique est appli- qué au circuit commandé par microprocesseur 14. La sortie produite par le circuit commandé par microprocesseur 14, qui apparaît à une borne T1 est appliquée à une entrée d'un amplificateur différen- tiel 15 dont l'autre entrée reçoit une tension de contre-réaction développée au borne d'une résistance de contre-réaction RFB. La sortie de l'amplificateur 15 module un transistor de sortie 16 connecté en série avec la résis- tance RFB entre les lignes W1 et W2. Le circuit commandé par micropro- cesseur 14 est pourvu de bornes d'entrée de puissance T2 et T3, la borne T3 étant connectée à la ligne W2 par l'in- termédtaire de la résistance RFB & la borne T5. La borne T2 est connectée & la ligne Wl par l'intermédiaire d'un régulateur de puissance du type A commutatIon 17 à la borne T4. Le régulateur 17 sert & fournir une puissance relative- ment élevée au circuit commandé par le microprocesseur 14, & un niveau constant qui demeure sensiblement inchangé dans des conditions de haute tension faible courant de m&me que dans des conditions de faible tension courant élevé. La tension entre les bornes T2 etT3 est V2-3, tandis que celle entre les bornesT4 etr5 est V4.5. Le courant allant dans le régulateur 17 est dési- gné par Ips, et le courant provenant du régulateur 17 dans le circuit cormand4 par micrcprocesseur 14 est désigné par IDC. La tension V2_3 est déterminée par les spécifications d'alimnentation en puissance des comzposants utilisés dans le circuit 14 cozmandé par micrcprocesseur. De marnière caractéristique, 'a tenscon V2-3 est de 5 Vcc. Le but de l'inventiorn et d'obte- nir un courar.t iDC qui soit supérieur au courant Ips, à la tension 5 Vcc régulée, *afin de satisfaire les exigences de courant du crcuit 14 commandé par microprosseur. ce but est atue:nt grace au régulateur de commutation 17 lorsque V23 est inférieure à V45, ainsi que cela sera décrit ulté_euremen:. Les régulateurs de puissance du type à cormutaiocr., appropriés à ce but sont décrits dans les publication suivantes dont les descriptions sont incor- porées ici par référence. A. 1987 "Switch.mcde (A Designers Guide of Switching Power Supply Circuits and Components) publié par Motorola Corporation. B. "Application Eandbook (1987-1988)" publié par Unircde Corporation. C. "Linear and laierface Circuit Application 1985" (Section C - Switching Power Design) publié par Texas Instruments. Le régulateur 17 comprend un commutateur à transistor 18 qui commute sur passant ou bloque à une fréquence prédéterminée. Pendant l'intervalle o le commutateur 18 est conducteur, la tension d'entrée est appliquée à l'entrée d'un filtre LC formé par une self 19 et un condensateur 20, amenant ainsi le courant à augmenter. Lorsque le commutateur est bloqué, l'énergie stockée dans la self 19 maintient le débit de courant vers la charge, circulant à travers une diode de "restitution" 21. Le régulateur est surveillé et commandé par un circuit de commande représenté dans son ensemble par un bloc 22. Ce circuit de commande comprend un oscillateur commandant un modulateur de largeur d'impul- sion, un amplificateur d'erreur et une référence de tension de précision. L'amplificateur d'erreur compare la tension de référence entrée avec un échantillon de la tension provenant du circuit de filtre. A mesure que la charge augmente, la tension de sortie chute. L'amplificateur d'erreur détecte cette chute et amène le modulateur de largeur d'impulsions à demeurer passant pendant une période de temps plus longue, envoyant des impulsions de commande plus larges au commutateur à transistor 18. La largeur des impulsions déter- mine la durée pendant laquelle le commutateur à- transistor permet au courant de circuler et par suite quelle quantité de courant est produite au niveau de la sortie. Si la charge diminue, des impulsions de commande rétrécies sont envoyées aux transistors de commutation jusqu'à ce que la tension de sortie reste à une valeur constante. Le régulateur de puissance abaisseur: Des régulateurs de puissance de type à commutateur sont disponibles selon trois configura- tions de base: (1) Un régulateur abaisseur. (2) Un régulateur élévateur. (3) Un régulateur inverseurz. La présente invention fait usage d'un régulateur de puissance abaisseur dont le fonctionne- ment sera maintenant excliaué en liaison avec la fig.2. On peut voir que le co.utateur à transistor 18 est placé en série avec la self 19 entre l'entrée CC V1 et la sortie CC V0, une diode 21 étant connectée au côté entrée de la self et un condensateur 20 au côté sortie de celle-ci. Le commutateur à transistor 18 dans le circuit abaisseur interrompt la tension d'entrée continue pour fournir une impulsion à largeur varianle au filtre de moyenne simple formé par la self 21 et le condensateur 20. Lorsque le commutateur 18 est fermé, la tension d'entrée est appliquée aux bornes de ce filgtre et le courant circule à travers la self 21 vers la chare. Lorsque le commutateur 18 est ouvert, l'énergie memor:see dans le champ de la self maintient le courant à travers la charge. Dans ce circuit abaisseur, un courant de commutation de crête est proportionnel au courant de charge. La tension en sortie V0 est égale à la tension en entrée V1 fcIztion du rapport cyclique. Ainsi, la tension en sortie est toujours moindre que la tension en entrée dans le régula-=u- de commutation abaisseur. Comparaison des régulateurs Un régulateur en série linéaire ou shunt, du fait qu'il fonctionne en mode continu, dissi- pera des quantités de puissance relativement importantes. De manière caractéristicue, le rendement d'un régulateur linéaire est inférieur à 5G%. Et lorsque le différentiel de tension entrée/sortie est important, le rendement obtenu chute alors bien au-dessous de 40%. Par contraste, un régulateur de puissance du type à commutation, qui utilise le cycle marche-arrêt d'un commutateur à transistor pour réguler la puissance, présente un rendement caracté- ristique allant bien au-cde.i de 60%. il existe trois raisons pour les- quelles un régulateur du type à commutation présente un rendement nettement plus élevé qu'un régulateur linéaire. En premier lieu, du fait que le commutateur à transistor de puissance est soit bloqué soit conducteur, ceci conduit à soit un faible courant soit à une faible tension durant la plus grande partie de son fonctionnement. En second lieu, une bonne régulation peut être réalisable- sur une large plage de tension d'entrée, et en troisième lieu, un haut rendement peut être réalisé sur de larges plages dans i0 le courant de charge. Pour expliquer davantage ces différences, référence est maintenant faite à la fig.3 dans laquelle un élément 23 représente le transmetteur qui est alimenté avec une tension VT par une batterie 11 (24 volts) par l'intermédiaire d'une ligne à deux fils W1 et W2 en série avec une résistance de charge R. La puissance dissipée (PD) par le transmetteur 23 est exprimée par les équations suivantes: PD = 24 I - RI2 =VTI (Puissance dissipée par le transmetteur) @ I = 4ma, PD = 96 mW - R (16 uW/ohm) = 0 $ R $ 6K ohm I = 20ma PD = 480 mW - R (400 uW/ohm) = O0 R. 1.2K ohm = VT = 24 - 20 (10-3) R Pour une régulation linéaire, la puissance maximale (PE) disponible pour l'électronique dans l'émetteur est: PE = 4ma. VT @ 20ma = 4ma. [24 (10-3). RI = 96 mW - (80 uW/ohm). R Pour un régulateur du type à commutation, la puissance maximale (PE) disponible pour l'électronique dans l'émetteur est: PE = transmetteur, ne peut pas être aut-risé à dépasser 4ma. Des valeurs caractéristiques de conception pour le schéma de régulation linéaire sont les suivantes: IOUT (minimum = 3.8 ma C tons 'entrée jc Codiions J' entréee V+/- (minimum) = 12.5 volts j IDC (maximum - 3.8 ma + 5vDC La puissance disponible pour l'électronique de commande = 19 MW. Une résistance de charge de bouche maximale p de 24vDC et de 20,8ma. (24 - 12.5)/20.8 ma = 553 ohms 26453O8 Lorsque, toutefois, le système est en conformité avec l'invention et comprend un régulateur du type à commutation 17, comme représenté à la fig.l, pour fournir une puissance constante à l'ensemble des circuits électroniques du transmetteur, la considération majeure est qu'une puissance minimale soit dissipée par le régulateur de façon que la puissance appliquée à l'ensemble des circuits électroniques soit seulement légèrement inférieure à une puissance fournie par l'alimentation. En conséquence, le courant IDC consommé par l'électronique du transmetteur peut être supérieur au courant de l'alimentation électrique Ips. Les valeurs caractéristiques de conception pour le schéma du régulateur à commutation sont les suivantes: I0UT (minimum) = 3,8 ma Rendement du régulateur (minimale) = 75% s Conditions Résistance de boucle (maximale = 550 ohms J d'entrée V+/- (minimale) = 6,5 volts Puissance disponible pour l'ensemble des circuits électron1ques du transmetteur: a) IOUT = 3.8 ma IDC -.75 24 - (3.8ma. (550L + RB) 3.8ma = 12.27ma vDC RFB = 100 ohms, V @ entrée de l'alimentation électrique = 21,53 volts a) IoUT = 20.8 ma IDC. 75 124 - [20.8ma (550 X- + RwR)Vr20.8ma _ 32.70--a vDC RFB = 100 ohms; V entrée d'alimentation électrique = 10,48 volts. Ainsi, une comparaison de la régulation linéaire avec la régulation de puissance du type à commutation en conformité avec l'invention conduit aux conclusions suivantes: I. Le régulateur du type à commutation dans Le système de télémesure à deux fils procure une puissance significativement plus importante pour les circuits électroniques du transmetteur avec 550 ohms d'impédance de charge alimenté par une alimentation électrique de 24 Vcc et fonctionnant sur une plage de courant de 3,8 à 9,8ma. Le régulateur linéaire produit 19 MW de puissance, tandis que le commutateur du type à commutation produit 61,35 MW, conduisant à une augmentation de 222% dans la puissance disponible. II. Le régulateur du type à commutation est capable de commander une résistance de charge significativement supérieure lorsque le système de télémesure à deux fils est alimenté par une alimentation de 24 volts. Un régulateur linéaire ayant un V+/- minimal de 12,5 volts équivaut à une charge de 552 ohms. Un régulateur du type à commutation ayant un V+l/minimal de 6,5 volts équivaut à une charge de 841 ohms. Ceci représente une augmentation de 50% dans la capacité de commande. Bien que l'on ait décrit et représenté une forme préférée de réalisation, il doit être compris que la portée de la présente invention n'est pas limitée à cette forme mais qu'elle s'étend à tout dispositif comportant les caractéristiques ennoncées plus haut. R E V E N D I C A T I O N S REVENDICATIONS 1.- Système de télémesure à deux fils caractérisé: en-ce qu'il comprend: a) un dispositif de transmission (1) alimenté en courant continu comportant des bornes d'entrée d'alimentation (T2,T3) connectées à un circuit électronique interne, ledit dispositif étant sensible à une vaiable d'intérêt pour produire une sortie en courant continu d'alimentation en conformité avec ladite variable dans une plage de courant prédéterminée, b) une ligne à deux fils (W1,W2), dont une extrémité est connectée à la sortie (T4,T5) dudit dispostif de transmission pour transporter ledit courant d'alimentation, c) une station de réception (2) distante du dispositif de transmission et pourvue d'une alimentation (11) en courant continu et d'une résistance de charge -(12) en série avec celle-ci connectée à l'autre extrémité de la ligne pour recevoir ledit courant d'alimentation et en même temps fournir la puissance d'alimentation au dit dispositif de transmission, d) un régulateur (17) de puissance du type à commutation reliant les bornes d'entrée (T2,T3) d'alimentation du dispositif de transmission à ladite extrémité de la ligne, le régulateur fournissant un courant (IDC) au circuit interne dudit dispositif, qui est supérieur au courant d'alimentation (Ips); 2.- Système se télémesure selon la revendication 1, caractérisé: en ce que ledit régulateur (17) est du type abaisseur; 3.Système se télémesure selon la revendication 2, caractérisé: en ce que ledit régulateur (17) comprend un transistor de commutation (18) qui est passant ou bloqué à une fréquence prédéterminée pour fournir une tension provenant de ladite alimentation vers un filtre self-condensateur (19,20); 4.- Système de télémesure selon, la revendication 1, caractérisé: en ce que ladite variable est une variable de processus mesurée par un capteur (10); 5.- Système de télémesure selon la revendication 4, caractérisé: en ce que le capteur (10) produit un signal analogique qui est appliqué à un circuit (14) commandé par microprocesseur dans le dispositif de transmission, dont la sortie produit ledit courant d'alimentation; 6.Système de télémesure selon la revendication 5, caractérisé: en ce que ledit courant d'alimentation électrique est appliqué à un transistor de sortie (16) couplé à ladite extrémité de la ligne; 7.- Système de télémesure selon la revendication 6, caractérisé: en ce que ledit capteur (10) est un transducteur de pression différentielle; 8.- Système de télémesure selon la revendication 1, caractérisé: en ce que ledit régulateur (17) fournit une puissance constante audit dispositif dans des conditions de tension élevée faible courant, de même que dans des conditions de faible tension courant élevé.