Brevet FR2681443A1 — publié le 19930319

La présente invention concerne un dispositif de protection des yeux. I1 s'applique particulièrement à la réalisation de masques de soudures. Il est connu d'utiliser des écrans électro-optiques, en particulier à cristaux liquides pour obscurcir le champs de vision des soudeurs dès qu'un arc électrique est détecté. Pour éviter une détérioration de la rétine du soudeur, le temps d'obscurcissement des écrans électro-optiques doit être inférieur à 3 millisecondes. Certains masques de soudeurs connus à ce jour comportent deux écrans électro-optiques, notamment à cristaux liquides, dont l'un au moins est de type positif, c'est à dire obscurcis au repos. Par conséquent, la plage de température de fonctionnement est limitée à celle des cristaux liquides utilisés et ne donne pas une bonne protection pour les températures élevées et les basses températures. D'autres dispositifs connus à ce jour, utilisent deux écrans à cristaux liquides négatifs. Par contre, leur plage de température de fonctionnement est réduite. En effet, les signaux émis par le circuit de commande des cristaux liquides ne permet pas de compenser l'effet d'augmentation de viscosité apparaissant aux basses températures. Par ailleurs, certains circuits de commande des écrans à cristaux liquides actuellement connus comportent plusieurs niveaux de lumière donnant des seuils de déclenchement et sont d'une grande complexité. L'objet de la présente invention est de présenter un masque de protection des yeux présentant un temps de réponse très court quelque soit la température d'utilisation et présentant une protection en haute et basse température. Un autre objet de la présente invention est de proposer des circuits électronique de commande des écrans à cristaux liquides particulièrement simplifiés et evitant tout risque d'éblouissement. L'invention propose l'utilisation de deux écrans électro-optiques, notamment à cristaux liquides, de type positifs, c'est à dire clairs au repos. L'invention propose l'utilisation d'une tension de commande élevée compensant l'augmentation de viscosité liée à la diminution de température. L'invention propose de plus la détection de variation de luminosité et l'utilisation d'un circuit comportant un seuil unique de telle manière qu'une variation de lumière incidente sur le dispositif d'une valeur supérieure à ce seuil provoque l'obscurcissement complet du ou des ecrans électro-optiques. Enfin, l'invention propose une modulation de largeur d'impulsion des signaux recus par les écrans électrooptiques de telle manière que le temps de réponse d'obscurcissement est toujours égal au temps d'excitation des écrans électro-optiques et supérieur au temps de relaxation de ces écrans. Le dispositif objet de la présente invention est donc un dispositif de protection des yeux contre les éblouissements comportant deux écrans obturateurs à cristaux liquides négatifs placés devant les yeux, un capteur photosensible dont l'axe d'orientation est parallèle à celui des écrans à cristaux liquides, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de traitement électriquement connecté aux écrans à cristaux liquides et au capteur photosensible, comportant un seuil et un moyen de mesure d'une moyennne de valeur du signal provenant du capteur photo-sensible et fournissant un signal de commande des écrans de forte amplitude lorsque le signal provenant du capteur photo-sensible est supérieur à la somme dudit seuil et de ladite valeur moyenne. La description qui va suivre, faîte en regard des dessins annexés dans un but explicatif et nullement limitartit permet de mieux comprendre les avantages, buts et caractéristiques de l'invention. La figure 1 représente un premier mode de réalisation du dispositif à capteur photosensible avant. La figure 2 représente un second mode de réalisation du dispositif à capteur photo-sensible arrière. La figure 3 représente un schéma bloc de circuit électronique pouvant s incorporer aux dispositifs représentés en figures 1 et 2. La figure 4 représente un circuit électronique réalisant les fonctions de celui représenté en regard de la figure 3. La figure 5 représente les signaux intermédiaires correspondant au traitement de signal éffectué par les circuits présentés en regard des figures 3 et 4. Dans la figure 1 sont représentés un capteur photosensible 1 relié électriquement par une liaison 5 à un circuit électronique 4, et deux écrans électro-optiques 2 et 3, reliés électriquement par les liaisons électriques 6 et 7, respectivement, au circuit électronique de traitement de signal 4. Le capteur photo-sensible 1 est placé optiquement parallèlement aux écrans électro-optiques 2 et 3 de telle manière que la lumière qu'il perçoit correspond à celle qui est incidente sur les écrans électro-optiques 2 et 3. Le capteur photo-sensible 1 est adapté à émettre un signal représentatif de l'intensité lumineuse qu'il reçoit. Il peut nottament comporter une photo-diode, un phototransistor, ou une photo-résitance. Cependant, préférentiellement et selon 1 t invention, le capteur photo-sensible 1 est constitué d'une ou plusieurs cellules solaires ou photo-voltaïques. Les écrans électro-optiques 2 et 3 sont préférentiellement clairs au repos, c'est à dire négatifs. Ils comportent chacun deux polariseurs croisés. De cette manière, en cas de dépassement de leur température de fonctionnement, leur état devient isotrope et les polariseurs croisés absorbent toute la lumière incidente. Le circuit électronique de traitement de signal 4 est adapté à commander la transparence des écrans électro optiques 2 et 3 en fonction du signal qu'il reçoit du capteur photo-sensible 1, de telle manière que l'intensité lumineuse traversant les écrans électro-optiques est limitée aux tolérances d'éblouissement de l'oeil humain. Un exemple préférentiel de circuit électronique de traitement de signal 4 est représenté en regard des figures 3 et 4. Le positionnement respectif, c'est à dire en parallèle, du capteur photo-sensible 1 et des écrans électro-optiques 2 et 3 permet de réaliser un asservissement optique en boucle ouverte du flux lumineux traversant les écrans électro-optiques 2 et 3. Dans le cas où les écrans 2 et 3 contiennent des cristaux liquides, les signaux électriques émis par le circuit électronique 4 et reçus par les écrans 2 et 3 possèdent une amplitude, exprimée en volts, qui est calculée de la manière suivante, pour obtenir une température minimale de fonctionnement très basse ou inférieure à O ec en conservant un temps de réponse de moins de trois millisecondes : un doublement de la tension d'oscurcissement correspondant à une division par au moins cinq du temps de réponse, et la température minimale de fonctionnement correspondant à une multiplication par un facteur F de la viscosité par rapport à celle mesurée à 20 C, l'amplitude des signaux devra être 4 fois la tension d'obscurcissement des cristaux liquides fois deux élevé à la puissance racine cinquième de F. Le circuit de traitement 4, comporte un seuil et un moyen de mesure d'une moyennne de valeur du signal provenant du capteur photo-sensible 1 et fournit un signal de commande des écrans 2 et 3 de forte amplitude lorsque le signal provenant du capteur photo-sensible 1 est supérieur à la somme dudit seuil et de ladite valeur moyenne. Il est notable que la valeur moyenne peut être constituée d'une moyenne sur une durée donnée, d'une moyenne pondérée, notamment avec un facteur de pondération expo nentielle, ou plus simplement du chargement et déchargement d'un condensateur. Le seuil peut être règlable. Dans la figure 2 sont représentés un capteur photosensible 1 relié électriquement par une liaison 5 à un circuit électronique de traitement de signal 4, et deux écrans électro-optiques 2 et 3, reliés électriquement par les liaisons électriques 6 et 7, respectivement, au circuit électronique de traitement de signal 4. Le capteur photo-sensible 1 est placé optiquement derrière les écrans électro-optiques 2 et 3 de telle manière que la lumière qu'il perçoit correspond à celle qui traverse les écrans électro-optiques 2 et 3. Il comporte préférentiellement une photo-diode ou un phototransistor. Tous les composants représentés dans la figure 2 possèdent les mêmes fonctions que ceux décrits en regard de la figure 1. Le positionnement respectif, c'est à dire en série, du capteur photo-sensible 1 et des écrans électro-optiques 2 et 3 permet de réaliser un asservissement optique en boucle fermée du flux lumineux traversant les écrans 2 et 3. Dans la figure 3 sont représentés un capteur photosensible 1 constitué de cellules solaires, relié d'une part à un circuit d'intégration 8 et d'autre part à un circuit de commande 13 des écrans 2 et 3. Le circuit d'intégration 8 est relié d'une part à un circuit monostable de dérivation 11 et d'autre part à un circuit à seuil 9, eux mêmes reliés parallèlement à un circuit amplificateur à gain commandable 12. Un circuit de modulation de rapport cyclique 14 est relié en ses entrées d'une part au circuit amplificateur 12 et d'autre part à un oscillateur 10 et, à sa sortie, au circuit de commande 13. Enfin, les écrans 2 et 3 sont reliés au circuit de commande 13. Les cellules solaires constituant le capteur photosensible 1 servent à alimenter en énergie électrique l'ensemble du circuit représenté en figure 3 mais constituent aussi le capteur photo-sensible représenté en figures 1 et 2. Il est à noter que des alimentations électriques complémentaires, de type pile ou accumulateurs rechargés par les cellules solaires constituant le capteur photosensible peuvent compléter l'alimentation électrique présentée ici. Le circuit d'intégration 8 donne en sortie un signal correspondant, pour les variations positives du signal d'entrée à une sortie proportionnelle à ce signal, c'està-dire non intégré, et pour les variations négatives à une relaxation avec une constante de temps prédéterminée. Cette constante de temps est choisie en fonction des fréquences d'émission des intensités lumineuses. Par exemple, dans le cas de la soudure à l'arc, la constante de temps est supérieure à 10 ms et préférentiellement très supérieure à cette durée. Le circuit monostable de dérivation 11 donne en sortie un signal fonction de la dérivée du signal qui lui parvient. Cette sortie prend deux valeurs, selon que la dérivée est supérieure à un seuil prédéterminé ou non. Ce circuit comporte donc un seuil fixé ou règlable. Le circuit à seuil 9 donne une valeur, préférentiel le- ment règlable, de seuil de fonctionnement du dispositif, en dehors des instants ou ladite dérivée est supérieure audit seuil. Ce circuit à seuil 9 est monté en parallèle avec le circuit intégrateur 8. En fonction du seuil du circuit à seuil 9 et du signal sortant du circuit monostable de dérivation 11, l'amplificateur à gain commandable 12 émet un signal de modulation à destination du circuit de modulation de rapport cyclique 14. Ce dernier circuit 14 module le signal alternatif sortant de l'oscillateur 10 de telle manière que le signal sortant possède un rapport cyclique fonction du signal provenant du circuit d'amplification 12. Enfin le circuit de commande 13 amplifie et transmet le signal sortant du circuit de modulation de rapport cyclique 14 aux écrans 2 et 3. Le circuit représenté en schéma bloc en figure 3 possède la propriété de détecter les fortes variations de lumière incidente sur les cellules solaires constituant le capteur photo-sensible 1 et de commander en conséquence l'obscurcissement complet des écrans 2 et 3, en utilisant en commande un signal alternatif de rapport cyclique égal à 1. Ces fortes variations correspondent en effet à des risques d'éblouissement du soudeur, par exemple pendant l'arc d'amorçage, au démarrage effectif de l'arc de soudure ou au démarrage d'une soudure de plus forte intensité à proximité du soudeur. Par contre, les faibles variations d'intensité lumineuse font simplement et lentement varier la transparence des écrans 2 et 3 de telle manière que la visibilté du soudeur soit bonne et sans risque d'éblouissement. Ces faibles variations font apparaître, en sortie du circuit de modulation de rapport cyclique 14 des rapports cycliques entre 0 et 1, de telle manière que la tension moyenne de commande des écrans 2 et 3 est inférieure à la tension d'obscurcissement. Il est à noter que le circuit présenté en figure 3 ne réagit pas aux fréquences d'émission des arcs électriques. Pour une meilleure compréhension de ce circuit, la figure 5 présente les signaux entrant et sortant de certains de ses composants. Le circuit de traitement 4, composé des circuits 8, 9, 11, 12 et 14, comporte un seuil et un moyen de mesure d'une moyennne de valeur du signal provenant du capteur photo-sensible 1 et fournit un signal de commande des écrans 2 et 3 de forte amplitude lorsque le signal provenant du capteur photo-sensible 1 est supérieur à la somme dudit seuil et de ladite valeur moyenne. Il est notable que la valeur moyenne peut être consti tuée d'une moyenne sur une durée donnée, d'une moyenne pondérée, notamment avec un facteur de pondération exponentielle, ou plus simplement du chargement et déchargement d'un condensateur. La figure 4 représente un exemple de réalisation du circuit représenté en schéma bloc dans la figure 3. Sont représentés dans la figure 4, des cellules solaires lA et 1B, un circuit d'intégration 8, un circuit monostable de dérivation il comportant un transistor 15 et deux résistances 35 et 36, un circuit à seuil 9 comportant un potentiomètre 37 monté dans un pont diviseur, un circuit amplificateur à gain commandable 12 comportant un amplificateur opérationnel 17 et un potentiomètre 16, un circuit de modulation de rapport cyclique 14 comportant deux transistors 18 et 19, et deux circuit intégrés monostables 20, l'oscillateur 10, le circuit de commande 13 et les écrans 2 et 3. Pour une raison de clareté, les filtres, par exemple passe-bas, et certaines alimentations ne sont pas représentés dans la figure 4. L'oscillateur 10 et le circuit de commande 13 sont de types connus. Les cellules solaires 1A et lB constituent le capteur photo-sensible 1 présenté en regard des figures 1, 2 et 3. Les cellules solaires 113 fournissent un signal qui est traité par le circuit électronique présenté en regard de la figure 3. Les cellules solaires lA servent à fournir une tension élevée au circuit de commande 13 des écrans à cristaux liquides 2 et 3. Le circuit d'intégration 8 est composé d'une diode et d'une inductance placés en série. Le circuit monostable de dérivation il correspond à un montage connu d'un transistor de type PNP 15, de trois résistances et d'un condensateur. Ce circuit présente en sortie deux valeurs en fonction de dérivée du signal entrant. Si cette dérivée est positive et supérieure à un seuil déterminé par le rapport des valeurs de résistances connectées électriquement à la base, la sortie est saturée et présente un signal de valeur donnée. Dans tous les autres cas, le signal de sortie prend une seconde valeur donnnée. Le circuit à seuil 9 est constitué d'un potentiomètre monté dans un pont diviseur de tension. Il permet de règler le décallage, par rapport à la tension nulle, du signal sortant du transistor 15. Le circuit d'amplification à gain commandable 12 est constitué d'un montage amplificateur d'un amplificateur opérationnel comporte en boucle un potentiomètre 16 et dont l'entrée positive est reliée à la sortie du circuit d'intégration 8 et du circuit à seuil 9. Le circuit monostable de dérivation ll comporte un seuil de déclenchement constitué du rapport des résistances 35 et 36 multiplié par la tension de polarisation du transistor 15. Enfin, le circuit de modulation de rapport cyclique 14 est constitué de deux transistors de type PNP recevant les signaux sortant du circuit amplificateur 12 et commandant les entrées des circuits intégrés monostables 20 dont les sorties respectives sont reliées au circuit de commande 13. A titre d'exemple de circuit intégré monostable 20, on peut citer les circuit intégrés référencés 4538. Le circuit représenté en figure 4 ne représente qu'un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention. Tout autre circuit réalisant les mêmes fonctions reste conforme à l'esprit de l'invention. Selon ce circuit, la variation du rapport cyclique se fait sans changer la fréquence d'alternance du signal sortant du circuit de modulation de rapport cyclique 14. Selon une première variante, la variation du rapport cyclique se fait en faisant varier la fréquence d'émission d'un signal rectangulaire de durée fixe. La figure 5 représente les transformations et traitements successifs des signaux sortant du capteur photosensible t et constituant en sortie les signaux émis vers les écrans 2 et 3. En absisse se trouve le temps et en ordonnée l'amplitude des signaux. Ces signaux présentent les fonctions des composants et circuits décrits en regard de la figure 3. Le premier signal correspond au signal sortant du capteur photo-sensible 1. Il représente des impulsions de très faible largeurs 21, 22 et 23 correspondant aux arcs électriques d'une soudure à l'arc. Les impulsions 21 est isolé. Les impulsions 22 sont rapprochés dans le temps mais sur une courte durée. Les implusions 23 sont rapprochés dans le temps et sur une longue durée. Par exemple, l'impulsion 21 correspond à un arc accidentel isolé, les impulsions 22 correspondent à des arcs d'amorçage et les impulsions 23 correspondent à une soudure effective. Le second signal correspond à la sortie du circuit d'intégration 8. Ce circuit présente une constante de temps très supérieure à la durée séparant deux impulsions 22 ou deux impulsions 23. Ce signal présente, pour chaque impulsion 21, 22 ou 23 une saturation, c'est à dire une amplitude maximale, puis, entre ces impulsions 21, 22 et 23, des diminutions d'amplitudes 25 et 26 correspondant à la constante de temps du circuit d'intégration 8. Les diminutions d'amplitudes 25 séparent deux arcs éloignés dans le temps et les diminutions d'amplitudes 26 séparent deux impulsions 22 ou 23 rapprochées. Le troisième signal correspond à la sortie du circuit de dérivation 11. Il représente la dérivée du second signal. Cette dérivée présentent des pics positifs élevés 27, des pics positifs faibles 29 et des valeurs négatives 28. Les pics correspondent aux impulsions 21, 22 et 23. Les pics élevés 27 correspondent aux premières impulsions de chacun des ensembles d'impulsions 21, 22 et 23. Les pics positifs faibles correspondent aux autres impulsions. Le niveau de seuil est représenté par une ligne horizontale fine. Ce niveau est supérieur à zéro et correspond au rapport des résistances 35 et 36 multiplié par la ten sion de seuil du transistor 15. Le quatrième signal correspond au rapport cyclique du signal de commande des écrans 2 et 3. A chaque fois que le troisième signal dépasse le seuil, le quatrième signal présente un rapport cyclique de 1 maintenu pendant une durée prédéterminée 30. En dehors de ces durées, le quatrième signal présente un rapport cyclique correspondant et croissant en fonction de la moyenne de l'intensité lumineuse mesurée sur le premier signal. Si l'intensité lumineuse mesurée est nulle, le rapport cyclique est nul comme représenté pendant les intervalles de temps 31. Si l'intensité lumineuse mesurée est non nulle, le rapport cyclique 32 est non nul mais très faible, de telle manière que les écrans 2 et 3 reçoivent un signal de commande dont la valeur moyenne correspond à un obscurcissement partiel. Le cinquième signal correspond à la transparence des écrans 2 et 3. Cette transparence varie en fonction du rapport cyclique représenté en regard du quatrième signal. Lorsque le rapport cyclique est égal à 1, la transparence diminue très rapidement et atteint une valeur proche de zéro. Pendant les intervalles de temps 30, la transparence des écrans 2 et 3 croit par relaxation, c'esty à dire lentement, par rapport aux temps d'excitations correspondant aux durées 30. Enfin, pendant l'intervalle de temps 32, la transparence augmente et atteint une valeur intermédiaire permettant une bonne vision de l'arc électrique. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de protection des yeux contre les éblouissements comportant deux écrans obturateurs (2,3) à cristaux liquides négatifs placés devant les yeux, un capteur photosensible (1) dont l'axe d'orientation est parallèle à celui des écrans (2,3) à cristaux liquides, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de traitement (4) électriquement connecté aux écrans à cristaux liquides (2,3) et au capteur photosensible (1), comportant un moyen de formation d'un seuil (35,36,15) et un moyen de mesure (8) d'une moyennne de valeur du signal provenant du capteur photo-sensible (1) et fournissant un signal de commande des écrans (2,3) de forte amplitude lorsque le signal provenant du capteur photo-sensible (1) est supérieur à la somme dudit seuil et de ladite valeur moyenne. 2/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lorsque le signal provenant du capteur photo-sensible (1) est inférieur à la somme du seuil et de la valeur moyenne, le signal de commande émis vers les écrans (2,3) par le circuit de traitement (4) possède une valeur moyenne (33) fonction de la valeur moyenne (26) du signal provenant du capteur photo-sensible (1). 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'amplitude du signal de forte amplitude est supérieure à 4 fois la tension d'obscurcissement des cristaux liquides fois deux élevé à la puissance racine dixième de F, F étant le facteur de multiplication de la viscosité entre la température de 20 C et la température la plus basse de fonctionnement souhaitée. 4/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le circuit de traitement (4) fournit un signal d'amplitude constante dont le rapport cyclique varie en fonction du signal émis par le capteur photosensible (1). 5/ Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la fonction reliant le signal émis par le capteur photosensible (1) et le rapport cyclique du signal émis par le circuit de traitement (4) et reçu par les écrans à cristaux liquides (2,3), en dehors des signaux de forte amplitude moyenne (30) est une fonction linéaire et en ce qu'il comporte un moyen de règlage (37) de la valeur à 1 'origine. 6/ Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que la fonction reliant le signal émis par le capteur photosensible (1) et le rapport cyclique du signal émis par le circuit de traitement (4) et reçu par les écrans à cristaux liquides (2,3) en dehors des signaux de forte amplitude (30) est une fonction linéaire et en ce qu'il comporte un moyen de règlage (16) de la pente. 7/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que le signal émis par le circuit de traitement (4) et reçu par les écrans à cristaux liquides (2,3) comporte des crénaux carrés émis à fréquence constante dont la durée est une fonction croissante du signal émis par le capteur photosensible (1). 8/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que le signal émis par le circuit de traitement (4) et reçu par les écrans à cristaux liquides (2,3) comporte des crénaux carrés dont la fréquence d'apparition est une fonction croissante du signal émis par le capteur photosensible (1). 9/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le capteur photosensible (1) est une série de cellule solaire (lA,lB) qui fournit en outre la tension d'alimentation du circuit de traitement (4) et des écrans (2,3).