Brevet FR2670005A1 — publié le 19920605

La présente invention concerne des capteurs destinés à détecter le mouvement des roues à courants de Foucault utilisées dans les compteurs électriques, et elle concerne en particulier un capteur à un seul détecteur et à deux émetteurs, muni d'un filtre numérique. L'une des techniques les plus utilisées pour la mesure de l'énergie électrique fournie aux habitations et aux entreprises est l'utilisation d'un compteur électrique utilisant une roue à courants de Foucault Les appareils de mesure mettant en oeuvre cette technologie sont appelés "compteurs électriques". Un type de compteur électrique couramment utilisé pour la mesure du courant alternatif est un compteur à induction Un dispositif inductif comporte deux électro- aimants, le bobinage de l'un étant excité par le courant consommé et celui de l'autre étant connecté à la tension du consommateur Comme le courant et la tension du circuit du consommateur sont en phase, le courant dans le bobinage de tension et en conséquence le champ magnétique de ce bobi- nage sont en retard de 900 par rapport au bobinage du courant Le résultat de l'interaction des deux bobinages produit un champ magnétique mobile qui provoque l'induction de courants de Foucault dans un disque léger formant un rotor Ces courants provoquent la rotation du disque dans le sens de déplacement du champ mobile La vitesse de rotation du disque est ainsi proportionnelle à l'intensité des deux champs magnétiques et, en conséquence, le nombre de tours de la roue est proportionnel à la puissance consommée Un petit aimant de freinage est utilisé habi- tuellement dans ces compteurs afin qu'il produise constam- ment des courants de Foucault dans le rotor Ces courants amortissent la rotation et assurent l'arrêt du rotor lorsqu'aucune énergie n'est consommée. Les compteurs électriques mettant en oeuvre cette technologie sont très utilisés aux Etats-Unis d'Amérique et ailleurs, et des millions de tels appareils ont été vendus. Ces compteurs sont habituellement lus par un observateur humain qui note la position d'une série de roues de comp- tage à la face de l'appareil et transmet cette information au service qui fournit l'énergie La différence entre les nombres relevés à deux moments indique l'énergie consommée et en conséquence permet à la société de services de créer la facture convenant à l'installation dans laquelle se trouve le compteur. Etant donné l'inaccessibilité de certains compteurs et comme il est souhaitable de réduire au minimum le travail de lecture manuelle des compteurs, on a mis au point divers systèmes de lecture automatique des compteurs. Ces systèmes détectent à distance le nombre compté par le compteur et, à partir de cette information, les sociétés de services peuvent obtenir l'information de facturation sans observation personnelle des cadrans du compteur En outre, une pratique de plus en plus courante est la facturation modulée dans laquelle la facturation d'énergie électrique consommée varie avec l'heure du jour, la saison et d'autres facteurs Pour une telle facturation modulée ou une lecture à distance, il est essentiel que les valeurs du compteur puissent être déterminées à intervalles arbitraires, et fréquemment si possible Evidemment, cette pratique élimine totalement la possibilité de la détection de la position des cadrans du compteur par un observateur humain, si bien qu'il est nécessaire que le compteur soit lu à distance. Une autre pratique courante est la réduction de puissance Dans cette opération, les consommateurs paient des prix variables pour l'électricité qui leur est fournie, sachant que la compagnie peut réduire la quantité d'énergie disponible ou même interrompre la fourniture d'énergie pendant les périodes de pointe de la demande Ces procédés nécessitent aussi la lecture à distance des compteurs. En conséquence, il est de plus en plus souhaitable de pouvoir détecter à distance la quantité d'énergie consommée à des intervalles relativement fréquents, et éventuellement courts Cette nécessité a conduit à la mise au point de compteurs qui transmettent des informations à distance par diverses techniques L'utilisation de ces compteurs constitue cependant un coût considérable pour la compagnie qui, pour utiliser ces compteurs, doit remplacer ceux qui existent Ainsi, il est nécessaire de mettre au point un appareil "complémentaire" destiné à être monté sur les compteurs électriques existants pour la détection de la consommation d'énergie à des intervalles aussi fréquents que voulus. L'invention concerne un capteur pour compteur électrique qui détecte la rotation de la roue du compteur et transmet cette information à un circuit électronique de manière qu'elle soit transmise au centre de la compagnie de fourniture d'électricité ou à d'autres emplacements Le capteur selon l'invention repose sur la présence de signes, habituellement un marquage noir, au bord de la roue Le capteur est très peu encombrant si bien qu'il peut être monté à l'intérieur des boîtiers des compteurs existants, sans modification En outre, le capteur est relativement peu coûteux et peut être utilisé dans les compteurs exis- tants à un faible coût. Dans un mode de réalisation préféré, un capteur de détection de la rotation d'une roue selon l'invention comporte un corps de capteur, une fente pénétrant dans le corps et ayant des dimensions légèrement supérieures à l'épaisseur de la roue On se réfère souvent à la roue dans laquelle sont créés des courants de Foucault comme étant un disque, dans la suite du présent mémoire, pour indiquer la nature de cette roue, et pour illustrer ses possibilités d'application à d'autres types de compteurs. Une ouverture est formée dans le corps de capteur, à partir de la fente, en direction inclinée par rapport au plan de rotation du disque Une autre ouverture est formée dans une autre partie du corps du capteur, vers la fente et avec une autre inclinaison par rapport à la fente Un élément photoémissif est placé dans une ouverture et un élément photodétecteur dans l'autre Le positionnement convenable des orifices permet à la lumière émise par l'élément photoémissif de venir frapper le bord de la roue et d'être réfléchi vers l'ouverture dans laquelle se trouve le détecteur Le passage du signe formé au bord de la roue interrompt la réflexion de la lumière de l'émetteur vers le détecteur et permet la création d'une impulsion par un circuit bien connu couplé au détecteur Cette impulsion, représentative de la rotation du disque, peut être trans- mise à un compteur externe ou analogue Une disposition physique convenable des ouvertures de l'émetteur et du détecteur évite pratiquement l'entrée de lumière ambiante dans le détecteur et empêche les lectures erronées, même lorsque l'éclairement ambiant est élevé. Une technique connue pour la lecture de la rotation des disques des compteurs a compris l'orientation d'un détecteur et d'un émetteur sous la roue et leur focalisa- tion à la surface de la roue, afin qu'ils soient périodi- quement interrompus par le passage d'un repère ou d'un signe d'un autre type Malheureusement ces détecteurs sont excessivement sensibles aux changements de la lumière ambiante si bien qu'ils créent des lectures erronées. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un mode de réalisation préféré de structure de capteur selon l'invention; la figure 2 est une coupe de la structure de la figure 1; la figure 3 est une vue en perspective d'une variante de l'invention; et la figure 4 est un schéma représentant un mode de réalisation de l'invention aligné sur un axe. La figure 1 est une vue en perspective d'un mode de réalisation préféré de capteur destiné à détecter la rotation d'un disque d'épaisseur choisie La structure représentée sur la figure 1 comporte un corps 10 de capteur de forme générale arbitraire Dans le mode de réalisation représenté, le corps a pratiquement une forme prismatique pentagonale Le corps comporte une fente 15 pénétrant vers l'intérieur depuis l'une des surfaces Bien qu'on décrive plus en détail cette fente, son but est de s'adapter étroitement autour du bord du disque rotatif dont la rotation doit être détectée Bien que la largeur et la profondeur de la fente dépendent des dimensions du disque, dans le mode de réalisation préféré, dans lequel la rota- tion d'une roue d'un compteur électrique doit être mesurée, la fente a une profondeur d'environ 8,4 mm et une largeur d'environ 4,2 mm Les tolérances relativement serrées entre la fente et la roue empêchent la lumière ambiante de parvenir sur le capteur et de donner des lectures erronées. Bien qu'on décrive l'invention dans le contexte de la rotation d'une roue d'un compteur électrique, il faut noter que l'invention s'applique également à la détection du mouvement d'une roue rotative de compteur à eau ou à gaz. Le corps 10 de capteur comprend aussi une série d'ouvertures dans lesquelles peuvent être placés des dispositifs photoémissifs et photodétecteurs Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, deux ouvertures 17, 18, de forme générale cylindrique, sont disposées d'une surface externe du corps 10 vers la fente Une autre ouverture 20 part de la fente vers une surface du corps 10 du capteur de l'autre côté de la fente Dans le mode de réalisation préféré, l'angle des axes des fentes 18 et 20 est d'environ 90 ' alors que l'angle des axes des ouvertures 17 et 20 est aussi d'environ 900 Dans le mode de réalisa- tion préféré, l'angle des axes des ouvertures 17 et 18 est d'environ 30 . Pendant le fonctionnement, les dispositifs photo- émissifs, par exemple des diodes photoémissives ou un autre appareil analogue, sont placés dans des ouvertures 17 ou 18 alors qu'un dispositif photodétecteur, par exemple un phototransistor, est placé dans l'ouverture 20 Lorsque la roue tourne, un signe de sa périphérie passe dans la fente et change le coefficient de réflexion de la lumière des dispositifs photoémissifs allant des ouvertures 17 et 18 vers le dispositif photodétecteur placé dans l'ouverture Chaque fois que se produit ce changement de réflexion, un signal de sortie est transmis du détecteur placé dans l'ouverture 20 au circuit associé bien connu destiné à compter les impulsions provenant d'un tel détecteur. Grâce à l'utilisation de deux émetteurs de lumière et de deux fentes séparées, les dispositifs sont moins sensibles aux signes réguliers formés à la périphérie de la roue En particulier, le circuit associé au détecteur de rotation est commandé de manière qu'une telle impulsion ne soit pas comptée à moins que la réflexion des deux sources lumineuses placées dans les ouvertures 17 et 18 soit modifiée par la présence du signe de la périphérie de la roue En d'autres termes, si la lumière de l'ouverture 17 ou 18 vient frapper le détecteur, on suppose qu'aucun signe n'est présent De cette manière, la saleté ou d'autres petites irrégularités de la roue n'affectent pas le comptage. Il faut noter que les roues des compteurs élec- triques classiques sont par exemple marquées par une large bande noire à leur bord, mais, dans le cas des compteurs dans lesquels ce signe n'est pas présent, il peut être facilement appliqué par utilisation d'une matière colorante bien connue. La figure 2 est un schéma représentant le principe de fonctionnement de l'appareil représenté sur la figure 1. Sur la figure 2, la roue est désignée par la référence 8 et elle est représentée en coupe, en d'autres termes avec l'axe de rotation 9 en direction verticale sur la figure. Les ouvertures du dispositif photoémissif 17 et du dispo- sitif photodétecteur 20 sont représentées Un dispositif photoémissif 22 est placé dans l'ouverture 17 et est couplé à une alimentation ou à une autre source d'énergie élec- trique 23 La lumière du dispositif photoémissif 22 passe dans la lentille 24 et est focalisée au bord de la roue 8. En conséquence, elle est réfléchie dans l'ouverture 20 par l'intermédiaire de la lentille 25 et est reçue par le dispositif détecteur 27 Ce dernier est connecté électri- quement à un circuit détecteur convenable 29 Dans un mode de réalisation préféré, le circuit détecteur 27 comprend un circuit de comptage d'impulsions connecté aux fils de sortie d'un phototransistor, bien que des dispositifs à couplage par charges ou d'autres appareils bien connus puissent aussi être utilisés. Comme indiqué rapidement dans ce qui précède, pendant la plus grande partie de la rotation de la roue, la lumière réfléchie par le bord de la roue 8 ne change que légèrement si bien qu'un signal continu est transmis au circuit détecteur 29 Par convention, cette condition ne produit aucune impulsion provenant du circuit détecteur 29, c'est-à- dire qu'elle donne un comptage nul La présence d'une bande sombre au bord de la roue 8 interrompt cepen- dant la réflexion de l'émetteur 22 suffisamment pour que la photorésistance 27 ne transmette pas de signal au circuit détecteur 29, indiquant ainsi la présence d'un signe noir. Dans un mode de réalisation préféré, étant donné la pré- sence de deux sources lumineuses, le circuit détecteur ne transmet qu'un signal de sortie lorsque l'énergie des deux sources ne peut pas pratiquement être réfléchie vers le phototransistor 27, si bien que la présence d'un signe sombre relativement grand au bord de la roue 8 est néces- saire Lorsque ceci se produit, le circuit détecteur transmet une impulsion qui est interprétée comme un " 1 " pour le comptage. La figure 3 est une vue en perspective d'un autre mode de réalisation de corps capteur 10 comprenant une fente 15 Cependant, dans ce mode de réalisation, deux ouvertures 17 et 18 d'émission de lumière sont présentes, de même que deux ouvertures 19 et 20 de détection de lumière Ce mode de réalisation permet facilement au capteur de détecter le sens de rotation de la roue L'opé- ration est réalisée par détection de la synchronisation des signaux de sortie des phototransistors, placés dans chacune des ouvertures 19 et 20 Lorsque la bande sombre du bord de la roue passe au niveau des deux phototransistors, le premier cesse de conduire puis ils cessent tous deux de conduire, puis le premier conduit à nouveau et le second conduit à nouveau, indiquant ainsi le sens de rotation Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux dans les applications dans lesquelles de l'énergie peut être consommée ou fournie. Dans les modes de réalisation des figures 1 et 3, le positionnement des émetteurs et des détecteurs en position désaxée par rapport au plan de la roue réduit au minimum l'influence de la lumière externe La position de l'émet- teur et du détecteur ne compense pas cependant les secousses dues à une roue qui se déplace lentement Pour que ces lectures erronées soient éliminées, lorsque la roue se déplace suffisamment lentement pour que des vibrations de la roue puissent provoquer un déplacement du signe du bord de la roue vers l'avant et vers l'arrière dans le champ de vision de l'émetteur-ou du détecteur, un algo- rithme numérique de filtrage est utilisé L'algorithme trie en fait les impulsions multiples dues à des vibrations de la roue Cet algorithme repose sur la largeur du signe et la vitesse maximale de la roue et élimine les changements du signal de sortie qui correspondent à une vitesse supé- rieure à la vitesse maximale de la roue. Dans le mode de réalisation préféré, le signal de sortie du détecteur est échantillonné dix fois par milli- seconde, et la présence d'un bord réfléchissant ou argenté est caractérisée comme étant un " O " et l'interruption de la réflexion, c'est-à-dire la présence d'un bord sombre, est caractérisée par un " 1 " Un nombre moyen d'impulsions par milliseconde est calculé Après la dernière détection d'un signe sur la roue, la moyenne est rendue égale à zéro (le signe noir n'est pas compté jusqu'à ce qu'une moyenne de " O " soit continue pendant une période de 64 ms ou une période minimale de temps "argenté" Ceci empêche le comptage d'un retour de la roue sur le signe noir). A chaque milliseconde, une nouvelle moyenne est calculée et un bord du signe n'est pas considéré comme présent jusqu'à ce que la moyenne atteigne un seuil prédé- terminé qui, dans le mode de réalisation préféré, est égal à 9 Par exemple, on suppose que, pendant la première milliseconde, une partie du signe noir pénètre dans le détecteur, et que le nombre 8 est enregistré Pendant cette milliseconde, la moyenne est donc égale à 4 et elle est calculée par addition de la moyenne précédente qui égale à O (aucun comptage pendant la réflexion de la lumière) augmentée du nombre 8 reçu dans la fenêtre d'une milli- seconde Pendant la milliseconde suivante, 10 impulsions sont reçues puisque le signe noir empêche la réflexion. Ainsi, les 10 impulsions ajoutées à la moyenne précédente de 4, avec division de la somme par 2, donnent une moyenne égale à 7 Pendant la milliseconde suivante, 10 impulsions supplémentaires sont reçues (le signe noir est toujours visible) et la moyenne résultante est égale à 8, et elle est calculée par addition de la moyenne précédente égale à 7 aux 10 impulsions reçues, puis par division de la somme par 2 (le reste étant négligé) Enfin, pendant la milli- seconde suivante, 10 impulsions sont reçues Ces 10 impul- sions ajoutées à la moyenne précédente égale à 8 donnent une nouvelle moyenne égale à 9 Comme cette moyenne est au moins égale au seuil égal à 9, l'interruption de la réflexion est alors caractérisée comme la présence d'un signe La présence d'un signe est considérée comme pour- suivie jusqu'à ce que la moyenne tombe à nouveau au-dessous de 9. Bien qu'on ait décrit l'invention dans le contexte d'un signe noir placé au bord d'une roue, il faut noter que l'appareil émetteur et détecteur décrit repose sur une différence de coefficient de réflexion entre le bord de la roue et le signe Ainsi, tout type de signe peut être détecté, pourvu seulement qu'il existe un contraste suffi- samment entre le signe et la partie sans signe du bord du disque. Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif photoémissif comprend une diode photoémissive infrarouge et le dispositif photodétecteur est un phototransistor sen- sible à l'infrarouge La sélection des longueurs d'onde pour l'émetteur et le détecteur est arbitraire dans une certaine mesure; cependant, l'utilisation des longueurs d'onde qui se trouvent en-dehors de la plage visible réduit notablement la sensibilité du compteur aux variations de lumière ambiante avec l'heure du jour, le jour de l'année, et le coefficient de réflexion du milieu environnant dans lequel se trouve le compteur. La figure 4 est un schéma d'une configuration de détecteur à capteur désaxé Cette configuration peut être utilisée dans des applications dans lesquelles un signe est présent à la face supérieure ou inférieure du disque rotatif et non au bord du disque Le disque 8 tourne autour de l'axe 9 et, comme représenté, le corps 10 du capteur est placé au-dessus ou au-dessous du disque Le corps du capteur comprend trois ouvertures 30, 31, 32 Dans deux des ouvertures, des sources de lumière, par exemple des diodes photoémissives 35, 36, sont disposées Dans la troisième ouverture, un détecteur 38 de lumière est disposé Les émetteurs 35, 36 et/ou le système 40, 41 à lentilles sont placés de manière que les émetteurs focalisent la lumière sur une région choisie de la surface du disque De la même manière, le détecteur 38 et la lentille associée 42 sont disposés afin qu'ils détectent la présence ou l'absence de lumière dans la région choisie du disque Les sources lumineuses et le détecteur de lumière sont couplés à un circuit bien connu (non représenté) comme décrit précédem- ment en référence à la figure 2. Le positionnement des sources lumineuses et du détecteur de lumière de la manière représentée donne suffisamment de lumière d'une source ou de l'autre pour le déclenchement du détecteur De cette manière, seul un signe véritable porté par la roue est détecté et non une il aberration due à la poussière, à la saleté ou à d'autres imperfections de la surface de la roue. Bien que la description qui précède concerne des modes de réalisation particuliers de capteur de roue de compteur, il faut noter que le capteur convient également à d'autres types de disques rotatifs dans des appareils de comptage Par exemple, dans certains compteurs à eau et à gaz, la consommation mesurée du fluide ou du gaz est indiquée par un disque rotatif Les capteurs décrits précédemment peuvent être adaptés à la détection de la rotation des disques dans ces appareils de mesure. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux capteurs et procédés qui viennent d'être décrits à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Capteur destiné à détecter la rotation d'un disque dans un compteur, le disque d'épaisseur choisie tournant autour d'un axe de rotation et ayant un signe à son bord, le capteur étant caractérisé en ce qu'il comprend un corps ( 10) de capteur, une fente ( 15) pénétrant dans le corps et ayant une largeur supérieure à l'épaisseur du disque, une première ouverture ( 17) placée dans le corps du capteur, la première ouverture dépassant de la fente dans le corps du capteur dans une première direction qui n'est pas parallèle à l'axe de rotation du disque, une première source lumineuse ( 22) disposée dans la première ouverture et distante du disque, une seconde ouverture ( 20) placée dans le corps du capteur, la seconde ouverture dépassant de la fente dans le corps du capteur dans une seconde direction qui n'est pas parallèle à l'axe de rotation du disque et qui n'est pas parallèle à la première direction, et un premier détecteur de lumière ( 27) placé dans la seconde ouverture à distance du disque, la lumière de la première source lumineuse qui vient frapper le disque étant détectée par le premier détecteur de lumière. 2 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une troisième ouverture ( 18) formée dans le corps du capteur, partant de la fente dans le corps dans une troi- sième direction qui n'est pas parallèle à l'axe de rotation du disque, et une seconde source lumineuse placée dans la troi- sième ouverture à distance du disque, la lumière de la seconde source qui vient frapper le bord du disque étant détectée par le premier détecteur de lumière. 3 Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la lumière d'une seule des première et seconde sources lumineuses ( 22) suffit pour l'excitation du premier détecteur de lumière ( 27). 4 Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que -5 la première et la troisième ouverture ( 17, 18) sont placées dans une partie du corps ( 10) du capteur qui se trouve d'un côté du disque, et la seconde ouverture ( 20) est placée dans une partie du corps destinée à se trouver de l'autre côté du disque. 5 Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première et la troisième direction forment un premier angle avec l'axe de rotation, et la seconde direction forme un second angle avec l'axe de rotation. 6 Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la somme du premier et du second angle est égale à 900. 7 Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une quatrième ouverture ( 19) formée dans le corps du capteur, la quatrième ouverture partant de la fente du corps dans une quatrième direction qui n'est pas parallèle à l'axe de rotation du disque, et un second détecteur de lumière placé dans la qua- trième ouverture et à distance du disque. 8 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première source de lumière ( 22) est une source infrarouge, et le premier détecteur de lumière ( 27) est un détec- teur infrarouge. 9 Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la seconde source de lumière est une source infrarouge. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le disque est une roue de formation de courants de Foucault d'un compteur électrique. 11 Capteur destiné à détecter la rotation d'un disque dans un compteur, le disque d'épaisseur choisie tournant autour d'un axe de rotation et ayant un signe à son bord, le capteur étant caractérisé en ce qu'il comprend un corps ( 10) de capteur, une première ouverture ( 30) formée dans le corps et pénétrant dans celui-ci, une première source lumineuse ( 36) placée dans la première ouverture à distance du disque et alignée de manière que la lumière vienne frapper une région choisie du disque, une seconde ouverture ( 32) formée dans le corps et pénétrant dans celui-ci, une seconde source lumineuse ( 35) placée dans la seconde ouverture à distance du disque et alignée de manière que la lumière vienne frapper une région choisie du disque, une troisième ouverture ( 31) formée dans le corps du capteur et pénétrant dans celui-ci, et un premier détecteur de lumière ( 38) placé dans la troisième ouverture à distance du disque, la lumière de l'une quelconque des première et seconde sources lumineuses qui vient frapper le disque étant détectée par le premier détecteur de lumière. 12 Procédé de détection du passage d'un élément marqué à proximité d'un capteur, le capteur créant des signaux de sortie en fonction de la présence ou de l'absence d'un signe, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend l'accumulation des signaux de sortie du capteur pendant des périodes choisies, la détermination du nombre de signaux de sortie du capteur pendant une première période, la détermination du nombre de signaux de sortie du capteur pendant une seconde période qui suit immédiatement la première période, le calcul de la moyenne du nombre de signaux de sortie du capteur pendant la première et la seconde période, l'établissement d'une valeur de seuil à partir de la moyenne afin que la présence ou non du signe soit déter- minée, et la comparaison de la valeur de seuil à la moyenne et la transmission en réponse d'un signal représentatif du résultat de la comparaison. 13 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend la répétition des étapes de calcul et de comparaison pendant des périodes successives.