Brevet FR2693300A1 — publié le 19940107

La présente invention concerne un dispositif de surveillance et d'alarme, dont au moins un seuil de déclenchement est autoréglable. Dans le milieu industriel, il est fréquent d'utiliser des dispositifs de surveillance à seuil, qui déclenchent un automatisme ou une alarme, quand une grandeur donnée franchit une valeur limite de sécurité. Le plus souvent, le niveau du seuil est fixé à une valeur préétablie, dont la modification nécessite l'intervention d'un opérateur. Ces dispositifs ne sont plus adaptés, lorsque le niveau du seuil d'alarme doit être modifié à chaque utilisation, en relation avec les conditions de travail du moment. L'utilisateur doit alors faire un réglage approprié, avec les risques d'erreurs que cela comporte, ce qui ne peut être admis lorsque 1' appareil assure une fonction de sécurité. On peut citer comme exemple caractéristique, un cas particulier de surveillance de pression qui illustre bien le problème posé. Les conditions d'exploitation des réseaux de distribution de gaz naturel, imposent souvent que les opérations de maintenance ou de dépannage, soient exécutées alors que les conduites sont maintenues en pression. Une technique, très utilisée par les compagnies gazières, consiste à obturer provisoirement les canalisations par des ballons gonflables, introduits selon une méthode éprouvée. Ceci permet de mettre hors gaz un espace de travail limité. La sécurité des opérateurs et de l'environnement, dépend étroitement de l'étanchéité assurée par ces ballons, ce qui impose une surveillance constante de la pression de gonflage. Cette surveillance se fait par l'observation de manomètres, mais la vigilance de l'opérateur peut être prise en défaut, du fait de conditions de travail difficiles et de la durée de l'intervention, plusieurs heures parfois. On imagine qu'un dispositif de surveillance, à déclenchement automatique, serait d'une grande utilité et qu'il pourrait améliorer la sécurité de ces opérations, mais un appareil conventionnel, de type pressostat ou relais à seuil, nécessiterait un nouveau réglage à chaque utilisation. En effet la pression de gonflage des ballons est ajustée à chaque cas, selon les règles de l'art, en fonction de la pression du réseau et du diamètre des canalisations concernées.La pression basse limite de sécurité, qui assure encore avec certitude l'étanchéité, est fixée en fonction de la pression de gonflage initiale. Les matériels conventionnels ne sont donc pas adaptés : risques d'erreurs, incertitudes sur la valeur réglée, temps de mise en oeuvre. Ils ne sont pas adaptés non plus, dans les cas où c'est la vitesse d'évolution de la grandeur surveillée qui est importante, plutôt que sa valeur absolue. L'invention, décrite ci-après, apporte une réponse simple et sûre à des problèmes de ce type et trouve des applications dans beaucoup de domaines. La solution a consisté à réaliser un dispositif de surveillance et d'alarme qui détermine lui même automatiquement le niveau d'au moins un seuil , selon des critères propres à la spécificité de l'application. I1 est constitué d'une alimentation régulée, d'une interface de mesure de la grandeur à surveiller , de moyens de signalisation et d'alarme , ainsi que d'une unité électronique pourvue d'un moyen de mémorisation du signal de mesure. I1 peut être équipé d'un dispositif d'affichage et d'un ou plusieurs seuils fixes préréglés, et il comporte au moins un seuil autoréglable, dont le niveau de déclenchement est dépendant de la valeur de la mesure ,mémorisée par l'unité électronique . Plus précisément, la mémorisation peut être déclenchée par une valeur particulière de la mesure, une information liée au temps (la durée), une commande externe manuelle ou automatique et ces modes de déclenchement peuvent être combinés. De même, l'ordre de mémorisation peut ne pas être unique sur une période d'utilisation, mais se répéter chaque fois que les conditions de déclenchement sont satisfaites, à intervalle de temps régulier par exemple. Le signal mémorisé est combiné arithmétiquement avec une ou plusieurs constantes, ce qui détermine le niveau du seuil à réglage automatique. La logique de commande de la mémorisation, les constantes et la relation arithmétique qui fixe le seuil sont choisis en fonction de la finalité propre à l'application. Cet appareil, qui peut constituer une unité autonome, ou être intégré comme constituant d'un ensemble, est donc utilisable chaque fois que la valeur de la mesure peut, à un moment donné, être déterminante pour le réglage d'un seuil d'alarme ou d'automatisation. Outre qu'il apporte parfois une solution, à des problèmes qu'un dispositif conventionnel ne peut résoudre, il présente aussi l'avantage de dispenser l'opérateur de toute intervention de réglage et supprime ainsi des causes d'erreurs. I1 ne nécessite pas la mise en oeuvre de moyens de réglage, ce qui conduit à un gain de temps important et il peut être mis entre les mains d'utilisateurs peu avertis des problèmes de métrologie. La description détaillée d'un mode de réalisation, exposée plus avant, montre ainsi un appareil dont l'usage ne requiert que les commandes "marche" et "arrêt". La description ci après, expose le fonctionnement de l'invention et les principes généraux de réalisation, en référence aux figures jointes. Un exemple détaillé de réalisation, décrit l'application des principes de l'invention, à la réalisation d'un dispositif particulièrement adapté aux opérations de ballonnement des conduites de gaz. Cette application doit être comprise comme un cas particulier, qui ne limite en rien l'étendue des applications potentielles de l'invention. Figure 1 : synoptique de principe. figure 2 : schéma bloc de l'unité électronique. figure 3 : schéma de principe d'un mode de réalisation. On se référera à la figure 1, pour le descriptif du principe général de réalisation de l'invention. L'interface (1) assure l'acquisition de la mesure de la grandeur à surveiller (2). La mesure peut provenir d'un élément extérieur à l'appareil et être disponible directement sous la forme d'un signal électrique exploitable; dans ce cas, l'interface assure la mise à niveau du signal, au besoin l'isolement galvanique et en général toute adaptation nécessaire du signal. L'interface peut aussi intégrer un capteur, adapté à la grandeur à surveiller: pression, bruit, température, débit..., qui délivre le signal électrique correspondant à la mesure. Cette disposition est plus fréquemment adoptée dans le cas des appareils autonomes.L'unité électronique (3) traite le signal délivré par l'interface, prend en compte d'éventuels signaux de commande et/ou d'initialisation (6,7), ainsi que ceux issus de la logique d'auto surveillance et de test (8), mémorise le signal, règle la valeur du seuil autoréglable, compare la mesure aux différents seuils, et commande les moyens de signalisation et d'alarme(9)Un dispositif d'affichage (16) peut si nécessaire visualiser la mesure. L'ensemble est alimenté par une source d'énergie électrique (10), qui peut être externe ,ou autonome par piles ou accumulateur. Un bloc de régulation (11) délivre à l'électronique une tension d'alimentation stabilisée. Des moyens (8) d'auto surveillance et de test du bon fonctionnement, sécurisent l'usage de l'appareil. On comprendra mieux le fonctionnement du dispositif, en se référant à la figure 2, qui détaille les fonctionnalités de l'unité électronique (3), représentées en blocs de fonctions. Le signal (13) issu de l'interface, peut être adapté, si nécessaire, par le bloc de traitement (14) linéarisation, mise à l'échelle, filtrage ... Le signal traité (15) est appliqué à quatre blocs de fonction: l'afficheur (16), la mémorisation (17), le(s) comparateur à seuil autoréglable (20), le(s) comparateur de seuil préréglé (21). Une logique de commande (19) contrôle le fonctionnement de l'ensemble et la chronologie des opérations. Le bloc de mémorisation (17) a pour fonction de mémoriser le signal (15), image de la grandeur surveillée. La mémorisation doit pouvoir être maintenue, sans dérive, pendant toute la durée de l'utilisation et cette condition est assurée de préférence en mémorisant le signal codé sous forme numérique. L'ordre de mémorisation est validé par la logique de commande (19), à un moment privilégié du fonctionnement, déterminé en fonction de l'application. On peut citer: - mémorisation de la mesure au moment de la mise en service, après initialisation et auto-test de bon fonctionnement, - mémorisation de la plus grande ou de la plus petite valeur de la mesure, - mémorisation périodique, déclenchée à intervalles de temps réguliers par une horloge interne, pour détecter par exemple un gradient de dérive de la mesure. - mémorisation commandée par l'opérateur, ou synchronisée à un signal externe. La valeur du seuil autoréglable est déterminée par le bloc de réglage (18), par l'application d'une relation arithmétique entre le signal mémorisé et des constantes (24), propres à l'application. On peut citer comme exemples - somme algébrique d'une constante au signal, - proportionnalité, - application d'une fonction. Le signal formé par le bloc (18) de réglage de seuil, est ensuite comparé à la mesure dans le comparateur (20). La mesure peut aussi être comparée à des seuils fixes (25), dans des comparateurs préréglés (21). Ces différents comparateurs forment chacun en sortie un signal logique, représentatif d'un dépassement de leur seuil, déclenché soit par un signal de mesure trop élevé, soit par un signal trop faible, selon l'application. Les signaux issus des comparateurs, ainsi que le signal d'autosurveillance et de test (22), entrent dans la logique d'alarme (23). Ce bloc de fonction commande les dispositifs de signalisation et d'alarme (9), selon les principes définis pour l'application. Dans le cas le plus fréquent, toute anomalie se traduit par un signal d'alerte, alors que la détection d'une valeur anormale du signal déclenche une alarme.Des indicateurs peuvent aussi renseigner l'utilisateur sur les phases de fonctionnement du dispositif, de même que cette fonction peut être dévolue à l'afficheur (16). Un appareil répondant à ces fonctionnalités, peut être réalisé par la mise en oeuvre d'un microcontrôleur monochip, programmé pour réaliser les fonctions décrites et interfacé selon les prescriptions du fabricant. Cette solution peut etre retenue dans tous les cas, mais elle s'impose pour la réalisation des versions les plus complètes de l'invention, nécessitant des calculs ou la gestion de plusieurs seuils autoréglables. Dans les cas les plus simples, l'appareil peut aussi être réalisé par câblage de composants conventionnels. Selon un mode de réalisation , la figure 3 représente le squelette du schéma d'un dispositif autonome adapté à la surveillance des opérations de ballonnement en gaz. La source d'alimentation électrique de ce positif peut être constituée de piles ou d'accumulateurs . Seules les parties caractéristiques du schéma ont été détaillées. L'appareil a été étudié pour être d'une grande sécurité d'utilisation et de fonctionnement. Son utilisation est entièrement contrôlée par les commandes "marche" et "arrêt" ce qui exclue toute erreur de la part de l'utilisateur. L'état de l'alimentation est surveillé en permanence, ainsi que le fonctionnement normal du dispositif. Un transducteur sonore et trois voyants à haute luminosité produisent les signaux d'alerte et d'alarme. La faible consommation des circuits assure une grande autonomie à l'alimentation et la réalisation est conforme aux normes qui règlementent les appareils utilisés en zone explosibles, soit par l'intégration de l'électronique dans une enveloppe antidéflagrante, soit par des circuits en sécurité intrinsèque. L'interface (1) de mesure est un capteur de pression de faible encombrement, de type piézo résistif, compensé vis à vis des dérives thermiques. Le signal formé par le capteur est traité par un amplificateur différentiel (26), qui délivre un signal amplifié non symétrique. Ce signal est connecté aux comparateurs de seuil (20,21) et au circuit de mémorisation (17). La mémorisation fait appel à un codage binaire du signal r obtenu par un convertisseur à approche successive de principe connu. I1 est constitué d'une horloge, d'un compteur binaire, d'un convertisseur numérique - analogique à réseau en échelle r/2r et d'un comparateur. Ce comparateur autorise le passage des impulsions d'horloge vers le compteur jusqu'à ce que le nombre binaire en sortie du compteur soit supérieur d'une unité au signal de mesure.Cette valeur est ainsi mémorisée, sans dérive, aussi longtemps que le dispositif reste alimenté. Selon ce schéma, c'est la plus grande valeur prise par le signal qui est mémorisée; cette particularité va dans le sens de la sécurité pour cette application. Chacun des comparateurs de déclenchement d'alarme, reçoit sur une entrée le signal représentatif de la pression, alors qu'un niveau de tension représentatif du seuil d'alarme est appliqué sur l'entrée de comparaison. Pour le comparateur (21), cette tension est une valeur préréglée (25), image de la valeur basse limite de pression admissible. Il déclenche l'alarme en cas de dysfonctionnement du capteur, de défaut de raccordement de l'appareil, ou d'une pression de gonflage insuffisante. Le comparateur (20) forme avec la mémoire le système de seuil à réglage automatique. Une proportion du signal mémorisé, obtenue par un pont diviseur, est appliqué sur l'entré de comparaison. De cette façon, le seuil bas de sécurité est automatiquement réglé, avec précision, en fonction de la pression de gonflage, sans intervention de l'opérateur. Ces deux comparateurs sont connectés en "collecteurs ouverts", de façon à former entre eux un "ou" logique, activé pour l'état bas d'une sortie. Cet état déclenche les alarmes sonores et lumineuses. Simultanément, un circuit de verrouillage (27) est activé.L'arrêt de l'alarme ne peut être obtenu que par l'action du bouton poussoir d'arrêt général. Un circuit de commande (19), assure le séquencement des différentes phases du fonctionnement: tests, initialisation, mise en surveillance. Un circuit de régulation (11), à faible chute de tension, fournit aux circuits électroniques une alimentation parfaitement stable, jusqu'à la limite d'usure des piles ou de décharge de l'accumulateur, dont la tension est mesurée en permanence. Une valeur trop basse, en cours de fonctionnement, déclenche un signal d'alerte. De même, une valeur trop basse, supérieur à la précédente, lors de la phase d'initialisation, interdit la mise en service de l'appareil. La mise en service se fait suivant la chronologie suivante : après avoir raccordé l'appareil à la pression à surveiller, l'opérateur actionne le bouton poussoir "marche". L'appareil teste la source d'alimentation pendant dix secondes, signalisations lumineuses en service et seuils d'alarme inhibés. A l'issu de ces dix secondes, l'appareil se met hors service si l'alimentation ne peut pas assurer une autonomie suffisante. Dans le cas contraire, un bip sonore signale la mise en service de l'appareil, visualisée par un voyant clignotant. Le circuit d'initialisation déclenche alors la mémorisation et valide le fonctionnement des comparateurs. A partir de cet instant l'appareil est en phase de surveillance. REVENDICATIONS 1) Dispositif de surveillance à seuils (20,21), constitué d'une alimentation électrique régulée (10,11) d'une interface (1) de mesure de la grandeur à surveiller, d'une unité électronique (3), de moyens de signalisation et d'alarme (9), caractérisé en ce que l'unité électronique (3) est pourvue d'un moyen de mémorisation (17) du signal de mesure et en ce que au moins un seuil (20) est autoréglable par le dispositif lui même. 2) Dispositif de surveillance à seuils , conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le niveau de déclenchement du ou des seuil(s) réglé(s) automatiquement (20), est dépendant de la valeur de la mesure mémorisée par l'unité électronique, et en ce qu'il peut exister aussi au moins un seuil fixe préréglé (21) 3) Dispositif de surveillance à seuils , conforme à l'une ou l'autre revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la mémorisation peut être déclenchée automatiquement pour un valeur particulière de la mesure et/ou par une information liée au temps (durée), ou à des instants caractéristiques de l'utilisation du dispositif , et/ou commandée par un dispositif externe automatique ou manuel. 4) Dispositif de surveillance à seuils , conforme à l'une ou l'autre revendication 1 à 3, caractérisé en ce que la mémorisation peut être déclenchée périodiquement à intervalles de temps réguliers.. 5) Dispositif de surveillance à seuils , conforme à l'une ou l'autre revendication 1 à 3, caractérisé en ce que le niveau du ou des seuil(s) à réglage automatique (20), est déterminé par une relation arithmétique, entre la valeur mémorisée et une/des constantes (24) propres à l'application. 6) Dispositif de surveillance à seuils , conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'interface (1) de mesure peut être un transducteur qui forme un signal électrique (13), représentatif d'une grandeur physique, ou un dispositif de conditionnement d'une grandeur électrique formée à l'extérieur du dispositif et en ce qu'il peut exister un dispositif d'affichage. 7) Dispositif de surveillance à seuils , selon la combinaison des revendications 1 à 5 , caractérisé en ce que les fonctions électroniques peuvent être réalisées par la programmation des fonctionnalités de l'appareil dans un microcontrôleur monochip, ou par le câblage de composants conventionnels. 8) Dispositif de surveillance à seuils d'alarme, selon la combinaison des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'interface (1) est un capteur piézorésitif, la mémoire (17) est constituée d'un convertisseur analogique/numérique à approche successive, dans lequel le compteur binaire prend pour valeur numérique celle qui correspond à la plus grande valeur présente à l'entrée de mesure et en ce que un dispositif de verrouillage (27) maintient l'alarme jusqu'à l'arrêt de l'appareil. 9) Dispositif de surveillance à seuils d'alarme, selon la revendication 8 , caractérisé en ce que l'appareil est autonome, alimenté par pile ou accumulateur, en ce que un dispositif d'auto-test surveille en permanence le bon fonctionnement de l'ensemble et l'état de l'alimentation ,en ce que les phases de fonctionnement de l'appareil ainsi que les alertes et les alarmes, sont signalées à l'utilisateur par des moyens sonores et lumineux, et en ce que l'usage de l'appareil est contrôlé uniquement par les boutons de "marche" et d'"arrêt". 10) Dispositif de surveillance à seuils d'alarme, selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce que la réalisation est conforme aux normes règlementant les appareils électriques utilisés en zone explosible, soit par l'utilisation d'une enveloppe antidéflagrante, soit par des circuits en sécurité intrinsèque.