Brevet FR2706608A1 — publié le 19941223

t SYSTEME DE MESURE DE SIGNAUX D'UN OSCILLATEUR FLUIDIQUE La présente invention concerne un système pour mesurer la fréquence d'oscillation d'un fluide à l'intérieur d'un oscillateur fluidique comprenant des moyens de détection des oscillations du fluide fournissant un signal représentatif de ces oscillations. L'invention se rapporte aussi à un débitmètre comprenant un oscillateur fluidique et un tel 0o système. Les débitmètres les plus communs pour un fluide, tel qu'un gaz ou un liquide, comportent des éléments mécaniques en mouvement, tels que des débitmètres à turbine ou membrane. Cependant, il existe aussi des débitmètres utilisant des oscillateurs fluidiques qui n'ont pas de pièces en mouvement mais qui mesurent les vibrations d'un fluide à l'intérieur d'une chambre d'oscillation. Ces oscillateurs peuvent être de petite dimension et d'architecture très simple. Leur fiabilité est donc très bonne. De plus ils délivrent un signal en fréquence, dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse du fluide entrant dans la chambre d'oscillation. Ce signal peut être aisément converti en signal numérique. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse pour la lecture des compteurs à distance. Il existe de nombreuses réalisations d'oscillateurs fluidiques qui produisent des vibrations dans un fluide par des effets différents. Des oscillateurs à tourbillons utilisent un obstacle mis en place dans une conduite pour engendrer des tourbillons dans un fluide s'écoulant dans la conduite. Pour un obstacle de géométrie donnée, la fréquence de détachement des tourbillons est proportionnelle à la vitesse d'écoulement du fluide. Un oscillateur de ce genre est décrit dans le brevet US 4 085 615. Des oscillateurs à effet Coanda utilisent la tendance d'un jet fluide à suivre les contours d'une paroi quand le jet se décharge près de cette paroi, même si le contour de cette paroi s'éloigne de l'axe de décharge du jet. Un oscillateur fluidique de ce type est décrit dans le brevet US 4 550 614 o un jet de fluide se décharge dans une chambre ayant deux parois latérales placées symétriquement dans la chambre par rapport à l'axe de décharge du jet, ledit jet oscillant d'une paroi à l'autre. Il 0o existe également d'autres genres d'oscillateurs fluidiques qui utilisent l'oscillation naturelle d'un jet de fluide provenant d'une buse ou qui utilisent d'autres moyens pour provoquer l'oscillation d'un jet ou pour engendrer des tourbillons. Le terme "oscillateurs fluidiques" est appliqué dans ce texte à tous les oscillateurs qui produisent des vibrations du fluide lesquelles sont représentatives de la vitesse du fluide. Des moyens de détection, tels que par exemple une paire de capteurs de pression ou capteurs thermiques situés à des 2 0 emplacements différents dans la chambre d'oscillation, détectent les oscillations du fluide dans la chambre. Les moyens de détection délivrent un signal alternatif ayant une fréquence proportionnelle à la vitesse du fluide qui entre dans la chambre d'oscillation. Pour être idéale, l'amplitude moyenne de ce signal alternatif devrait rester constante. Malheureusement, des asymétries dans le système, par exemple à cause de l'emplacement des capteurs, ont pour effet que l'amplitude moyenne du signal peut changer, parfois de façon très importante, avec des changements dans la fréquence du signal. Ce problème se présente en particulier avec des oscillateurs à tourbillons et des débitmètres utilisés dans le domaine du comptage industriel, par exemple dans un compteur à gaz industriel, o les quantités et la vitesse du fluide sont plus grandes que celles utilisées dans le domaine du comptage domestique ou commercial. Cette forte modulation du signal présente des inconvénients en ce qui concerne la mesure de la fréquence et le traitement du signal pour obtenir la vitesse d'écoulement du fluide. Les techniques conventionnelles pour compenser les déplacements du zéro du signal, par exemple par l'utilisation d'un circuit intégrateur, sont en général efficaces pour les variations d'amplitude lentes, mais ils ne sont pas efficaces pour des variations rapides. En outre, dans le domaine du comptage des fluides o une pile 1o électrique est utilisée dans le circuit de traitement du signal, il faut que la consommation du courant soit minimisée pour prolonger la durée de vie de la pile. Des circuits conventionnels pour le traitement et la conversion du signal ayant de grandes modulations d'amplitude sont relativement compliqués et consomment beaucoup de courant. Le but de la présente invention est de fournir un système simple qui consomme peu de courant et qui est apte à délivrer un signal numérique représentatif de la fréquence d'oscillation du fluide même en présence de variations importantes du signal. La présente invention est caractérisée en ce qu'il comprend un détecteur de crête comprenant un dispositif à seuil recevant un premier signal correspondant au signal représentatif des oscillations, le dispositif à seuil étant dans un état conducteur lorsque la tension qui lui est appliquée dépasse une valeur de seuil, le dispositif délivrant alors un deuxième signal ayant une chute de tension par rapport au premier signal, des moyens pour recevoir et mémoriser le deuxième signal, et des moyens de comparaison comparant la valeur du deuxième signal mémorisé avec la valeur du premier signal et délivrant un signal de sortie caractéristique des valeurs relatives des premier et deuxième signaux. Le dispositif à seuil et les moyens pour mémoriser fonctionnent comme un mémoire tampon. Pendant que l'amplitude du premier signal augmente, la valeur du signal mémorisé dans la mémoire restera en arrière du premier signal par la valeur de la chute de tension du dispositif à seuil et les moyens de comparaison délivrent une première sortie montrant que l'amplitude du premier signal est supérieure à l'amplitude du signal mémorisé. Lorsqu'une crête est atteinte et que l'amplitude du signal diminue, la 1o différence entre la valeur du signal mémorisée et l'amplitude du signal lui-même chutera en dessous du seuil du dispositif à seuil et ce dernier ne sera plus dans un état passant. La valeur du signal mémorisé est alors fixée, et lorsque le signal diminue en dessous du niveau de la valeur du signal mémorisé, les moyens de comparaison délivreront un signal de sortie différente, montrant que l'amplitude du signal mémorisé est maintenant supérieure à l'amplitude du premier signal et qu'une crête s'est présentée. La combinaison des éléments de l'invention fournit un détecteur de crête avec une réponse rapide qui suit l'amplitude du signal des moyens de détection lors de ses variations et qui délivre une sortie lorqu'une crête est atteinte malgré de grandes modulations du signal d'oscillation. En outre, le dispositif à seuil, les moyens de comparaison et les moyens pour mémoriser peuvent être aisément réalisés par des composants peu coûteux dans un circuit qui consomme peu de courant. De préférence, le dispositif à seuil est en état conducteur lorsque la tension qui lui est appliquée dépasse un seuil négatif ou un seuil positif, c'est-à-dire, que le dispositif est en état conducteur dans un sens comme dans l'autre. Dans cette réalisation, le détecteur fonctionne également pour délivrer un signal de sortie pour des crêtes positives et des crêtes négatives. Selon un mode de réalisation, le dispositif à seuil comprend deux diodes montées tête-bêche. Les moyens pour mémoriser peuvent également comprendre un condensateur et les moyens de comparaison peuvent également comprendre un amplificateur différentiel. Toutes ces composantes sont peu coûteuses et fonctionnent ensemble avec une très faible consommation de courant Selon un mode de réalisation, les moyens de détection peuvent fournir directement le premier signal. Cependant, selon un autre mode de réalisation particulier, le détecteur de crête comprend en outre un amplificateur différentiel, l'une des deux entrées recevant le signal délivré par les moyens de détection et l'autre entrée recevant le deuxième signal mémorisé, la sortie de l'amplificateur fournisant le premier signal et étant relié au dispositif à seuil. Cette réalisation est en particulier utile pour les signaux des moyens de détection à faible niveau, c'est-à-dire, d'amplitude à peu près égale au niveau du seuil. En particulier des signaux d'amplitude faible atteignent une amplitude suffisante pour la détection des crêtes tandis que des signaux d'amplitude forte ne sont pas amplifiés et l'étendue du système est augmentée dans la zone d'intérêt. Les caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La Figure 1 représente un système pour mesurer la fréquence d'oscillation d'un oscillateur fluidique, y compris un détecteur de crête, conforme à l'invention; La Figure 2 représente un détecteur de crête qui est utilisé dans le système de la Figure 1 selon un premier mode de réalisation de l'invention; La Figure 3 représente un détecteur de crête qui est utilisé dans le système de la Figure 1 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; l1 La Figure 4 montre un exemple représentatif des signaux à l'entrée et à la sortie des détecteurs de crête; La Figure 5 montre l'opération effectuée par le détecteur de crête sur une crête; La Figure 6 montre un oscillateur à tourbillons pour utilisation avec le système de la Figure 1. En se référant à la Figure 1, un système pour mesurer la fréquence d'oscillation du fluide à l'intérieur d'un oscillateur fluidique comprend des moyens de détection 1, un amplificateur 2, un détecteur de crête 3, et un compteur 4. Les moyens de détection sont conventionnels et comprennent deux thermistors 5, 6, et une source de courant continu et deux résistances 7, 8. Les thermistors 5, 6 sont placés avec une source de chaleur et détectent les changements de température à cause des oscillations du fluide de l'oscillateur fluidique. En se référant à la Figure 6, un oscillateur à tourbillons est représenté dans son utilisation avec le système de la figure 1 et comprend un obstacle 60 mis en place dans un tuyau 61. La direction de l'écoulement du fluide dans le tuyau 61 est indiquée par la flèche. L'écoulement du fluide contre l'obstacle 60 engendre les tourbillons 62 dans le fluide qui se forment alternativement sur chacun des côtés de l'obstacle, créant ainsi un phénomène d'oscillations périodiques. Une pression différentielle s'établit entre les deux côtés et oscille avec une fréquence proportionnelle à la vitesse d'écoulement du fluide. Un canal 63 relie des orifices 64 formés de chaque côté de l'obstacle et une partie du fluide coule dans le canal d'un orifice à l'autre, la direction d'écoulement du fluide dépendant de la pression différentielle. L'oscillateur à tourbillons est muni d'un détecteur 65 comprenant les 0o thermistors et la source de chaleur des moyens de détection du système de la Figure 1. Les thermistors et la source de chaleur sont placés dans le canal 63, la source de chaleur étant mise en position entre les thermistors. Selon la direction d'écoulement du fluide, un thermistor sera en aval et l'autre sera en amont de la source de chaleur. Quand la direction d'écoulement change la situation est inversée. Les changements dans les résistances des thermistors 5, 6 et dans les tensions aux bornes des thermistors en raison des variations de température des thermistors sont détectés par un amplificateur 2 qui délivre un signal alternatif à l'entrée du détecteur de crête. Les moyens de détection décrits ci- dessus sont conventionnels et bien connus de l'homme de métier. Des détecteurs alternatifs, comme par exemple des capteurs utilisant l'effet piézoélectrique etc., peuvent être utilisés. Le détecteur de crête 3 délivre un signal digital correspondant au nombre de crêtes détectées à l'entrée d'un 3 0 compteur 4 qui fournit une sortie correspondant à la fréquence des oscillations et à la vitesse du fluide. Il serait à la portée d'un homme du métier de construire un débitmètre utilisant cette sortie. Comme représenté à la Figure 2 un détecteur de crête selon une réalisation de l'invention comprend un amplificateur 10 avec une résistance 11 et un condensateur 12, un dispositif à seuil 13 comprenant deux diodes 20, 21 montées tête-bêche, un condensateur 14 jouant le rôle d'une mémoire, un amplificateur différentiel 15 et des résistances 16, 17. Chaque diode 20 ou 21 peut être la jonction d'un TEC. L'amplificateur 10, la résistance 11 et le condensateur 12 1o isolent le signal à l'entrée du condensateur 14. Dans d'autres réalisations ils peuvent être omis. Chaque diode est caractérisée par un seuil et affiche une chute de tension lorsqu'elle est dans un état conducteur ou passant. Lorsque l'amplitude du signal au point 18 augmente au dessus du seuil de la diode 20 la diode sera dans un état conducteur et la valeur du signal de tension au point 18 diminuée de la chute de tension de la diode sera mémorisée dans le condensateur 14. L'amplificateur différentiel 15 compare la valeur de la tension au point 18 avec la valeur de la tension du condensateur 14 et fournit un signal élévé tandis que la tension au point 18 est supérieure à la tension du condensateur 14. Lorsqu'une crête est atteinte et que l'amplitude du signal diminue, la différence entre la valeur du signal au point 18 et la valeur du signal mémorisé par le condensateur 14 tombera au dessous du seuil de la diode 20 et la diode 20 deviendra non-conductrice. La valeur du signal retenue dans le condensateur 14 est alors fixée. Quand le signal au point 3 o 18 tombe au dessous de la valeur du signal du condensateur 14, l'amplificateur 15 fournira un signal bas montrant qu'une crête s'est présentée. Quand le signal chute au dessous de la valeur du signal mémorisé dans le condensateur 14 par une valeur correspondant au seuil de la diode 21, la diode 21 deviendra conductrice et la valeur du signal mémorisé dans le condensateur 14 chutera avec la valeur du signal au point 18 diminuée de la valeur de la chute de tension de la diode 21. Quand une crête négative est atteinte et passée, la diode 21 deviendra encore non- conductrice et l'amplificateur 15 indiquera un changement d'état quand le signal au point 18 augmentera au dessus de la valeur du signal mémorisé dans le condensateur 14. La figure 5 montre la variation de la tension du premier signal au point 18 par la courbe 50 et la variation de la tension du condensateur par la courbe 51. Au début, la tension du condensateur 51 est égale à la tension du signal diminuée de la valeur Vd correspondant à la chute de tension de la diode 20 et l'amplificateur 15 fournit un signal élevé. Quand une crête est atteinte au temps tO et la tension du signal 50 diminue en dessous de la valeur de seuil de la diode 20, la tension du condensateur 51 est fixée. Au temps tl la tension du signal 50 chute en dessous de la tension mémorisée dans le condensateur 51 et la sortie de l'amplificateur 15 fournit un signal bas. Au temps t2 la différence entre la tension du signal et la tension mémorisée dans le condensateur est plus grande que la valeur du seuil de la diode 21 et la tension du condensateur suit encore la tension du premier signal. La Figure 4 montre le signal de sortie du circuit de la Figure 2 par comparaison avec un exemple de signal d'entrée. On peut considérer le signal d'entrée comme un signal sinusoïdal de fréquence élevée mais d'une amplitude faible superposée à un bruit de grande amplitude qui produit de grandes variations d'amplitude du signal. Malgré ces variations, le changement du sens du signal d'entrée à chaque crête positive 40 ou à chaque crête négative 41 est marqué par un changement du sens du signal de sortie. Le signal de sortie peut être utilisé immédiatement par le o10 compteur 4 pour délivrer une valeur numérique correspondant à la fréquence d'oscillation et à la vitesse du fluide entrant dans la chambre d'oscillation. La figure 3 représente un détecteur de crête selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Les éléments ayant la même fonction que les éléments de la figure 2 sont indiqués par les mêmes numéros de référence. 1o Cette réalisation est, en particulier, adaptée à la détection des signaux d'amplitude égale ou plus faible que le niveau du seuil du dispositif à seuil 13 et comprend également un amplificateur 30, ayant des résistances associées 31, 32 qui déterminent le gain de l'amplificateur 30, et un amplificateur 33 de gain égal à un qui délivre une sortie correspondante à la valeur de la tension du condensateur 14 et qui isole l'amplificateur 30 du condensateur 14. Pour un signal Ve de très faible amplitude à l'entrée, la sortie de l'amplificateur 30 sera en dessous du seuil des diodes 20, 21 qui resteront dans un état non-passant. Par conséquent, la tension du condensateur 14 restera à zéro et l'amplificateur fonctionnera avec un gain déterminé par la proportion des valeurs des résistances 31, 32. Lorsque l'amplitude du signal augmente, la sortie de l'amplificateur 30 passera le seuil de la diode 20 et la valeur de la tension du condensateur 14 augmentera aussi. La tension de sortie de l'amplificateur 33 suivra la tension du condensateur 14 et le gain de l'amplificateur 30 diminuera progressivement lorsque la différence entre Ve et la sortie de l'amplificateur 33 diminuera. A la limite, le gain de l'amplificateur deviendra égal à un. Cependant, des valeurs intermédiaires du signal Ve seront amplifiées et le dispositif à seuil et les moyens pour mémoriser détecteront les crêtes de ces signaux. Pour le cas o Ve a une amplitude très faible Va détecter des crêtes est 0.07V. Dans l'autre cas o Va > Vd (Va-Vc) r+Vc=Ve R et aussi Vc = Va-Vd Ainsi Va =Ve + Vd x R R+r Pour le gain égal à 10 et R = 9r Va = Ve + 0.9 Vd Pour Vd " Ve Va = Ve Ainsi, pour les signaux de forte amplitude le gain du circuit chute presque à l'unité, tandis que les signaux de faible amplitude sont amplifiés pour faciliter la détection des crêtes. Revendications 1. Système pour mesurer la fréquence d'oscillation d'un fluide à l'intérieur d'un oscillateur fluidique comprenant des moyens de détection des oscillations du fluide fournissant un signal représentatif de ces oscillations, caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur de crête comprenant un dispositif à seuil recevant un premier signal correspondant au signal représentatif des oscillations, le dispositif à seuil étant dans un état conducteur lorsque la tension qui lui est appliquée dépasse une valeur de seuil, le dispositif délivrant alors un deuxième signal ayant une chute de tension par rapport au premier signal, des moyens pour recevoir et mémoriser le deuxième signal, et des moyens de comparaison comparant la valeur du deuxième signal mémorisé avec la valeur du premier signal et délivrant un signal de sortie caractéristique des valeurs relatives des premier et deuxième signaux. 2. Système selon la revendication 1 o le dispositif à seuil est dans un état conducteur lorsque la tension qui lui est appliquée dépasse une valeur de seuil négative ou positive. 3. Système selon la revendication 2 o le dispositif à seuil comprend deux diodes montées tête-bêche. 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3 o les moyens pour mémoriser comprennent un condensateur. 5. Système selon l'une des revendications 1 à 4 o le détecteur de crête comprend en outre un amplificateur différentiel, l'une des deux entrées de l'amplificateur recevant le signal délivré par les moyens de détection et l'autre entrée recevant le deuxième signal mémorisé, la sortie de l'amplificateur fournissant le premier signal et étant relié au dispositif à seuil. 6. Débitmètre comprenant un oscillateur fluidique et un système pour mesurer la fréquence d'oscillation du fluide à l'intérieur de l'oscillateur selon l'une des revendications 1 à 5.