Brevet FR2743418A1 — publié le 19970711

Le système selon l'invention permet de suivre un processus de transformation évoluant naturellement et lentement et exigeant des interventions humaines à certains stades. I1 peut s'agir de processus de fermentation ou de germination agroalimentaires telles que celles que l'on observe dans la production de vinaigre, dans le traitement post-récolte du cacao, dans la production du malt de brasserie ou dans la production de germes de soja. I1 peut aussi s'agir d'opération de séchage de certains matériaux tels que bois ou briques, ou encore d'opérations de compostage ou d'ensilage. Ces exemples ne sont pas limitatifs. Dans certaines situations, ces processus sont conduits dans des conditions qui permettent difficilement de concevoir une automatisation et une mécanisation immédiate, soit que les infrastructures existantes soient totalement inadaptées et que les capacités d'investissement soient insuffisantes pour y remédier, soit encore que des blocages psychologiques, provenant d'un faible niveau de culture technique du personnel ou d'une appréhension des risques de disparition d'emplois salariés, interdisent tout saut technologique. Cependant, I'amélioration de la qualité du produit exige un approfondissement des connaissances scientifiques et de l'expertise sur le déroulement du processus, ainsi qu'une garantie de reproductibilité de certaines caractéristiques du produit fini. S'il existe actuellement de nombreuses possibilités pour réaliser automatiquement des acquisitions de données automatisées, des traitements en temps réel de ces données et des interfaces-utilisateurs capables de préconiser des interventions manuelles, la présente invention permet de concentrer ces fonctionnalités dans un appareil autonome et très facilement manipulable puisque léger et sans fil. L'équipement selon l'invention présente l'intérêt de pouvoir être utilisé à la fois par les scientifiques souhaitant étudier un processus et déterminer ses méthodes appropriées de conduite, et par les utilisateurs industriels une fois que le paramétrage aura été mis au point. Cette unité d'équipement constitue un atout pour une bonne collaboration entre les partenaires scientifiques et industriels et une garantie de la pertinence des paramètres et des stratégies de conduite. Par ailleurs, la transportabilité de l'équipement en facilite la promotion commerciale sur les sites dont la difficulté d'accès est déjà une des causes de la rusticité des installations existantes, et constitue donc un atout en termes marketing. L'alliance des caractéristiques de compacité, d'étanchéité, de robustesse, d'autonomie sans fil, d'ergonomie et de capacité de calcul forme l'originalité du dispositif selon l'invention. L'invention consiste en un système d'appareils permettant le suivi des évolutions de grandeurs physiques au cours d'un processus de transformation, tel qu'une fermentation, une germination ou un séchage, s'étalant sur une durée allant d'un à trente jours, se produisant naturellement à l'intérieur d'une masse de structure granulaire, liquide ou mixte et exigeant des interventions manuelles à certains stades. La figure 1 montre le système qui se compose de "boîtiers-sondes" (1) et d'une "station de recharge" (2), sans aucun câble de liaison. La figure 2 présente la face avant d'un boîtier-sonde telle qu'on la voit au travers du capot transparent. La figure 3 montre le schéma électrique réalisé sur le circuit imprimé du boîtiersonde. Un "boîtier-sonde" (1) comprend un capteur (10) mesurant une grandeur physique reconnue significative de l'état d'avancement du processus, un capteur de température d'ambiance (11), et un processeur (60) qui réalise l'acquisition automatique des mesures, la comparaison périodique du graphe d'évolution de la température avec des critères pré définis, l'affichage permanent sur l'interface utilisateur (13) d'une information synthétique permettant de réaliser les interventions manuelles aux instants optima, la détection des interventions manuelles effectivement réalisées, et éventuellement le transfert périodique des données vers un système informatique. Le boîtier-sonde est une boîte parallépipédique de dimensions 120 mm x 120 mm x 70 mm en matériau thermoplastique avec capot en matériau transparent. Le capot est maintenu fermé grâce à quatre vis (3) et son plan de joint garantit une étanchéité totale vis à vis des poussières et des liquides, même en cas d'immersion accidentelle (indice de protection IP67). Selon la nature de la masse subissant le processus de transformation, le boîtiersonde pourra être équipé soit d'un flotteur ou "bouée" lui permettant de rester à la surface d'un liquide avec sa sonde principale immergée, soit d'une "raquette" lui évitant de sombrer lentement dans une masse de structure solide granulaire. Un dispositif de visualisation de l'état d'avancement du processus se présente derrière le capot transparent sous la forme d'un disque (13) sérigraphié multicolore en matière plastique transparente collé sur une roue en polyamide (16). Un repère fixe (15) gravé sur le capot transparent permet de lire l'information donnée par le disque-cadran. La roue Q)100 mm comporte sur toute sa périphérie 64 dents asymétriques et tourne autour d'un axe fixe lié au circuit imprimé. Un palonnier (31) monté sur la pièce mobile d'un relais électromagnétique assure une motorisation "pas à pas" unidirectionnelle de la roue dentée (16). L'excitation de la bobine (30) du relais servant de moteur est commandée par le processeur (60) par une voie de son port de sortie logique (65). Le contact à fermeture (32) du relais est renvoyé sur un port d'entrée logique (61) du processeur qui est ainsi informé de l'exécution correcte de la première partie du pas d'avancement. La seconde partie du pas d'avancement est obtenue par le retour, sous l'effet d'un ressort (34), de la pièce mobile du relais lors de sa désexcitation. Le contact à ouverture (33) du relais n'est fermé que lorsque le disque est en position initiale du fait que la dent correspondante (17) présente une forme particulière. L'information de ce contact est également envoyée sur le port d'entrée logique (61) du processeur de manière à confirmer chaque passage du disque-cadran par sa position initiale. Lorsque les deux sondes (10) et (11) sont destinées à mesurer des températures, elles sont réalisées avec des résistances de platine "Ptl000" (40, 41) c'est à dire des thermistances calibrées à 1000 Q à 0 C. Chacune des sondes est montée en série avec une résistance de référence (42, 43) de 1000 Q +/-0,1% sur l'alimentation 5V du processeur. Les deux potentiels intermédiaires sont amenés directement sur deux entrées du port analogique (62) du processeur. Un montage potentiométrique composé de trois résistances de précision (44, 45, 46) permet de définir les tensions de référence encadrant les valeurs possibles des mesures et déterminant la plage sur laquelle doit être réalisée la conversion analogique- > numérique. Lorsqu'une grandeur physique à mesurer n'est pas une température, mais par exemple un pH, un convertisseur électronique approprié devra généralement être rajouté sur le circuit imprimé de l'appareil qui dispose d'une zone libre importante réservée à cet effet. Le processeur choisi est un micro-contrôleur qui dispose à l'intérieur de son boîtier de tous les périphériques et des ports nécessaires pour cette application. Les algorithmes d'interprétation peuvent faire appel à des fonctions complexes des grandeurs mesurées. La puissance de calcul du processeur permet d'envisager des fonctions de lissage ou de régression selon des modèles polynomiaux, sinusoïdaux, exponentiels ou hyperboliques, en vue de comparer les coefficients issus de ces régressions à des critères tels que des vitesses d'évolution ou des intégrales. Les mesures de la température ambiante peuvent être exploitées par exemple pour servir de base à l'aire mesurée sous le graphe de la température de la masse, aire traduisant ainsi la quantité de chaleur dégagée par une réaction exothermique significative de l'avancement du processus. Lorsqu'une intervention manuelle, telle qu'une agitation, un ensemencement ou une addition d'eau, est réalisée sur le processus, le graphe de la variable principale surveillée subit généralement une perturbation, que celle-ci soit due à l'intrant luimême, ou qu'elle soit causée par la nécessité de retirer temporairement la sonde de la masse pendant l'intervention. Dans tous les cas, cette perturbation doit pouvoir être détectée par un abaissement subit du coefficient de corrélation issu de l'algorithme de lissage des acquisitions. Un seuil est donc déterminé pour ce coefficient de corrélation en dessous duquel une procédure de caractérisation est automatiquement lancée de façon à confirmer la présomption d'intervention manuelle et à classifier cette dernière suivant une typologie prédéterminée. Le paramétrage de l'algorithme comporte des pointeurs, renvoyant à des segments de code programme constituant des variantes de l'algorithme de base, et des valeurs de critères utilisés pour l'interprétation des évolutions du processus et pour le déclenchement de messages à destination de l'opérateur. Ces pointeurs et critères sont regroupés pour former une structure appelée "jeu de critères" et définie pour un site de production, une variété donnée de produit traité, des caractéristiques particulières recherchées sur le produit fini. De façon à permettre à l'industriel de changer globalement le paramétrage lorsqu'un des éléments précédents varie, quinze "jeu de critères" peuvent être enregistrés dans la mémoire non volatil du processeur. Le boîtier-sonde dispose d'une roue codeuse (14) disposée sur son circuit imprimé et permettant à l'utilisateur d'imposer un index renvoyant à un des quinze jeux de critères. Seule la position "0" de la roue codeuse, qui dispose seize positions différentes, permet la prise en considération d'une valeur d'index imposée par l'extérieur, notamment par la roue codeuse (24) présente sur la station (2). Dans tous les cas, la programmation du processeur est telle que la valeur de l'index n'est prise en compte qu'au début du processus et ne peut être modifiée accidentellement par la suite. Le circuit imprimé du boîtier-sonde dispose également d'un groupe de 8 commutateurs (19, 19') permettant de définir le code d'adressage du boîtiers. Cette adresse peut être verrouillée à partir de sa prise en considération lors de la routine d'initialisation du processeur afin d'viter toute modification accidentelle. Le code correspondant à l'adresse d'un boîtier-sonde peut avantageusement être reporté sur le corps même du boîtier à l'encre indélébile. Le processeur a la possibilité de transmettre les données qu'il a acquises et synthétisées grâce à un port de sortie (64) équipé d'un émetteur par voie aérienne (12). Cet émetteur peut être soit une diode infrarouge 900 nm, soit un transducteur ultrasonique 40kHz.. Les messages sont émis en mode série asynchrone. La composition des messages et leur émission sont entièrement gérées par le processeur. Chaque message envoyé comporte notamment: * l'identification du boîtier-sonde par l'adresse qui lui a été préalablement assignée, entre "1" et "240" * l'identification du jeu de critère actif. * l'heure actuelle sur l'horloge interne du processeur. * l'historique complet des données acquises depuis le début de la fermentation. Ces données sont des valeurs préalablement traitées par le processeur de manière à permettre de reconstituer le graphe d'évolution du processus et les positions du disque-cadran. Les messages durent au maximum 3 secondes et sont émis automatiquement chaque heure par chaque boîtier-sonde à un instant déterminé par l'adresse qui lui a été préalablement assignée grâce aux commutateurs (19, 19'). Le recalage systématique des horloges internes de tous les boîtiers-sondes, lors de leur passage sur la station de recharge des accumulateurs, permet d'assurer une synchronisation telle que deux messages émis spontanément par deux boîtiers distincts sont espacés d'un intervalle de silence d'au moins 10 secondes. Par ailleurs, sur requête émise par un ordinateur via le bus série d'entrée du processeur (64), multiplexé avec le dispositif de recharge des accumulateurs, un message identique peut être émis par la voie aérienne au milieu du premier intervalle de silence qui suit la requête. Un boîtier-sonde contient un groupe (52) de quatre accumulateurs 1,5V ~ 1,2Ah. L'alimentation du processeur (60) et des circuits de polarisation des sondes utilise l'énergie stockée dans ces accumulateurs après régulation à 5V par un couple formé d'une diode zener (53) et d'une résistance (54). Le relais (30) servant de moteur au disque-cadran, ainsi que l'émetteur (12), utilisent directement la tension des accumulateurs. La station de recharge des accumulateurs est équipée d'un récepteur (22) cohérent avec les émetteurs (12) disposés sur les boîtiers-sondes. Ce récepteur, pourvu d'un amplificateur convenable, est connecté sur la prise de raccordement (23) d'un ordinateur par un port "RS232C" Optionnellement, plusieurs récepteurs, fixés au plafond de l'usine, pourront être reliés en parallèle sur le même amplificateur, grâce à un connecteur rapide disposé sur la station, de manière à élargir le champs de détection à tous les boîtiers en activité dans des cuves de fermentation. La station de recharge dispose de supports (21, 21') pour un ou plusieurs boîtierssondes. Une tension de 7V est produite à partir du secteur électrique monophasé grâce à un transformateur, un redresseur et un filtre. La régulation du courant de charge est réalisée dans chaque boîtier-sonde. La tension de charge globale des accumulateurs est mesurée grâce à une entrée analogique du processeur reliée au point intermédiaire d'un montage potentiométrique constitué de deux résistances de précision (47, 48). Le rapport de ces résistances est tel que la valeur mesurée reste toujours encadrée par les deux tensions de référence établies pour les mesures provenant des sondes de température. L'évolution de la tension disponible est observée en permanence par le processeur qui en déduit l'état de charge des accumulateurs (52). En fonction de cet état de charge, le processeur pilote, via une voie modulante de son port de sortie logique (65), un relais (50) avec un contact "repos" (51) câblé en série avec les accumulateurs (52). Une diode électroluminescente (18), de couleur verte, est pilotée par cette même sortie du processeur et reflette l'état du relais de recharge (50). Le clignottement de cette diode atteste à la fois du déroulement de la procédure de recharge et du bon état de fonctionnement général du processeur. Les informations ne peuvent être transmises au processeur d'un boîtier-sonde que via les bornes de recharge des accumulateurs, c'est à dire les tubes métalliques de protection des deux sondes (10, 11). Les informations numériques sont transmises en "série" sous forme d'impulsions négatives de tension sur l'alimentation 7V. Chaque boîtier-sonde placé sur la station reçoit ces impulsions sur son port "série" d'entrée (64). Cette transmission est réalisée en mode série asynchrone à 19200 bauds. Cinq types de messages peuvent être transmis: * Le code du jeu de critère à activer pour la prochaine fermentation. Ce message est composé par un circuit logique disposé dans la station, à partir de la position de la roue codeuse manuelle (24), et transmis sous la forme d'un octet lisible par le port série d'entrée (64) de chacun des boîtiers-sondes parqués sur la station. En l'absence d'ordinateur, ce message est émis périodiquement à une fréquence approximative d'une fois par minute. Lorsqu'un ordinateur est connecté à la station par le connecteur (23), l'émission de ce message est automatiquement provoqué par la terminaison de tout message provenant de l'ordinateur. * La date et l'heure exacte. Ce message est périodiquement émis par l'ordinateur * Une requête d'émission d'un historique complet adressée à un boîtier sonde. * Un ordre de prise de relais ou "réquisition" adressé à un boîtier-sonde déterminé. Un tel ordre de réquisition sera transmis lorsque un boîtier-sonde aura été reconnu défaillant en cours de processus et que les données qu'il avait déjà acquises auront pu être sauvées. * Une mise à jour des paramètres ou du programme internes du processeur d'un ou plusieurs boîtiers sondes parqués sur la station. La station de recharge des accumulateur comprend une alimentation en 7V continu filtrée mais non régulée, produite à partir du réseau électrique monophasé. Plusieurs versions peuvent être proposées différant par le nombre d'emplacements de boîtiers-sondes, par la présence ou d'une roue codeuse de sélection d'un jeu de critères, et par la possibilité de raccordement à un ordinateur. Pratiquement, deux modèles de station devraient être proposés * Un modèle de station de base comprenant cinq emplacements de recharge (21, 21'), un transformateur, un redresseur et un filtre dimensionnés pour ces cinq emplacements, une roue codeuse (24), un récepteur pour les informations transmises par voie aérienne avec amplificateur, un connecteur pour le branchement optionnel d'une "guirlande" de relais-récepteurs, un connecteur de raccordement d'un ordinateur (23), un dispositif de superposition des messages provenant de l'ordinateur sur la "porteuse" 7V continu, et un connecteur rapide (25) pour le branchement d'une station additionnelle. * Un modèle de station additionnelle ne comprenant que cinq emplacements, la même alimentation que celle du modèle précédent et le même dispositif de superposition des messages provenant de l'ordinateur et transmis au travers du système de connexion rapide (25) de la station additionnelle sur la station de base. En cas de faiblesse de la charge des accumulateurs en dessous d'un certain seuil, le processeur peut décider de s'arrêter complètement. Le redémarrage après un tel arrêt ne peut être obtenu que par placement du boîtier sonde sur la station de recharge. Cette opération provoque alors un front montant de tension sur un circuit dérivateur (66) qui envoie une impulsion de "démarrage à froid" au processeur par son entrée "reset-in" (63). Dès que la procédure de d'initialisation est terminée, le processeur délivre par sa sortie "reset-out" (63) une tension qui inhibe tout envoi d'une nouvelle impulsion par le circuit dérivateur sur l'entrée de "reset-in" Plusieurs dispositions sont prises pour limiter la consommation moyenne d'un boîtier-sonde * Le processeur se met systématiquement en veille entre deux sessions de calcul. Pendant cette veille, ses périphériques continuent de fonctionner et permettent notamment d'incrémenter l'horloge interne "temps réel GMT", de transmettre automatiquement les messages lorsque l'heure définie est atteinte, de procéder à des acquisitions périodiques des variables du processus qui seront interprétées lors de la prochaine session de calcul. * La polarisation des montages potentiométriques permettant les mesures des grandeurs analogiques (résistances des sondes de température, tensions de référence pour la conversion analogique- > numérique, tension de charge des accumulateurs) ne sont réalisées que pendant le délai strictement nécessaire aux acquisitions. * La diode électroluminescente (18) de signalisation de la charge et de l'état de fonctionnement correct du boîtier-sonde n'est plus sollicitée dès que le boîtier sonde est retiré de la station de recharge. L'absence de tout élément d'entrée d'information par l'interface-utilisateur, à l'exception des commutateurs de configuration de l'adresse et de la roue codeuse de sélection d'un jeu de critères qui ne sont accessibles qu'apurés ouverture du capot, est une disposition prise afin d'éviter de compromettre l'étanchéité et la robustesse du boîtier-sonde. Cette absence est paliée par: * la détection automatique des interventions manuelles sur le processus * l'arrêt et la remise en marche automatiques basés sur des critères d'état de charge des accumulateurs. Revendications 1 système de suivi de l'évolution de grandeurs physiques au cours d'un processus de transformation, s'étalant sur une durée allant d'un à trente jours, et exigeant des interventions manuelles à certains stades, caractérisé en ce qu'il comprend deux types d'appareils totalement distincts et sans câbles de liaison. - au moins un appareil désigné "boîtier-sonde" muni de deux sondes, chacune placée dans un tube métallique et rigide, l'une sortant du corps de l'appareil par sa partie basse et dédiée à la mesure d'une grandeur physique significative de l'avancement du processus, l'autre sortant de l'appareil par sa partie haute et dédiée à la mesure de la température d'ambiance; le corps du boîtier-sonde contenant des accumulateurs d'énergie électrique qui peuvent être rechargés via les deux tubes métalliques de protection des sondes ainsi que le processeur réalisant l'acquisition des données, leur traitement numérique en faisant appel à des algorithmes, des paramètres et des critères préalablement définis par programmation et adaptés au processus, la mémorisation de certaines valeurs résultant de calculs de synthèse et le pilotage du mécanisme de l'interface-utilisateur qui indique à l'opérateur les interventions qu'il doit réaliser, - un appareil désigné "station", consistant en un poste de recharge énergétique des boîtiers-sondes ainsi qu'en un central de collecte des données mémorisées par chaque boîtier-sonde. 2 Système suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les informations données à l'utilisateur sur l'état d'avancement du processus surveillé et sur l'intervention manuelle éventuellement préconisée sont lisibles en continu sur l'interface-utilisateur du boîtier-sonde sous la forme d'un positionnement angulaire du disque-cadran face à un repère fixe gravé sur la face transparente du boîtier, et en ce que parmi les différents secteurs de couleurs différentes qui couvrent l'ensemble du disque-cadran, certains sont gradués en unités de temps de manière à indiquer, en plus de la nature de la prochaine intervention à exécuter manuellement, le degré d'imminence de l'instant optimal pour la réaliser ou le retard pris par rapport à cet instant optimal. 3 Système selon la revendication l caractérisé en ce que la station de recharge transmet systématiquement à tous les boîtiers-sondes, lors de leurs séjours sur la station et sous forme de signaux logiques portés par la tension de recharge des accumulateurs, un index sélectionnant les paramètres et les critères qui devront être utilisés pour le suivi et l'interprétation des prochains processus à surveiller, et en ce qu'une valeur de cet index est définie par l'utilisateur à l'aide d'une roue codeuse. 4 Système selon la revendication I caractérisés en ce que la station, lorsqu'elle est associée à un ordinateur, permet, simultanément avec la recharge des accumulateurs d'énergie que contiennent les boîtiers-sondes, de collecter automatiquement les données acquises et synthétisées par ces boîtiers-sondes pendant le déroulement du processus que chacun d'eux a surveillé précédemment à sa mise en place sur la station de recharge et en ce que la transmission de ces données mémorisées dans chaque appareil est réalisée par voie aérienne grâce à un émetteur disposé dans chacun des boîtiers-sondes et un récepteur unique disposé sur la station. 5 Système selon les revendications I et 4 caractérisé en ce que chaque boîtiersonde peut transmettre les données du processus qu'il surveille pendant le déroulement même du processus en utilisant son émetteur de signaux transmissibles par voie aérienne à destination du récepteur disposé sur la station ou d'un des récepteurs relais couvrant l'ensemble du site où se déroulent les processus de transformation. 6 Système selon les revendications 1, 3 et 4 caractérisé en ce que la station, lorsqu'elle est associée à un ordinateur, utilise la tension de recharge des accumulateurs comme porteuse pour la transmission de messages complexes ou de requêtes, et la voie aérienne pour l'écoute des réponses des boîtiers-sondes aux requêtes formulées. 7 Système selon les revendications l et 2 caractérisé en ce que le processeur est automatiquement mis en veille pendant chaque intervalle de temps séparant deux sessions de traitement et en ce que les circuits électroniques des capteurs ne sont polarisés que pendant le temps strictement nécessaire aux mesures. 8 Système selon la revendication l caractérisé en ce que les interventions manuelles réalisées sur la masse subissant le processus de transformation sont détectées automatiquement par interprétation des évolutions des grandeurs physiques mesurées.