Brevet FR2774497A1 — publié le 19990806

i La présente invention est du domaine des dispositifs de commande à distance d'appareils électriques. Des dispositifs de commande à distance d'appareils électriques sont déjà connus. Outre les interrupteurs classiques comportant deux fils dans lesquels passe le courant d'alimentation de l'appareil à contrôler, des dispositifs de contrôle utilisant les courants de fuite sont connus. On connaît dans ce domaine des procédés d'abaissement de la résistivité de produits non conducteurs par traitement chimique. L'utilisation d'un tel procédé permet de commander l'allumage d'une lampe, par exemple, par simple contact avec le pied de la lampe. D'autres dispositifs par courant porteur et fil métallique sont également documentés. Cependant, des limites existent pour ces divers dispositifs. En particulier, soit ils présentent le danger de faire circuler des courants importants et donc potentiellement dangereux près de l'utilisateur, soit ils ont une portée de contrôle limitée. Par ailleurs, les systèmes de commande à distance utilisant l'analyse de signal par courant de fuite impliquent la présence d'une résistance de protection pour éviter tout danger pour l'utilisateur. La présente invention entend donc remédier à ces inconvénients en proposant un nouveau dispositif de commande à distance d'appareils électriques. Selon un autre but important de l'invention, le dispositif est sans danger pour l'utilisateur. Selon un troisième but de l'invention, le dispositif est simple et économique à fabriquer. Enfin, selon un autre objectif de l'invention, le dispositif s'adapte simplement à des appareils et installations déjà existants. L'objet de la présente invention est donc un procédé de commande à distance d'au moins un appareil électrique, utilisant un dispositif comportant au moins un capteur de commande, une centrale de commande à laquelle sont reliés les câbles d'alimentation des appareils électriques à commander, au moins un conducteur reliant le capteur à la centrale de commande, caractérisé en ce que - le capteur présente un effet condensateur de caractéristiques prédéterminées, - la détection de commande est réalisée par utilisation d'un filtre électronique passe bande et l'analyse du signal électrique du circuit composé des fils et capteurs, selon que l'utilisateur est en contact avec un capteur ou non. On comprend que grâce à cette disposition, on remplace l'utilisation de dispositif à interrupteur de courant d'alimentation, qui implique la circulation de puissance électrique potentiellement très dangereuse pour l'utilisateur, par un procédé de commande basé sur l'analyse de fréquence du signal et pouvant donc utiliser des senseurs sans circulation de puissance électrique dangereuse, et sans pièce mécanique en mouvement. La description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés dans un but explicatif et nullement limitatif permet de mieux comprendre les avantages, buts et caractéristiques de l'invention. La figure 1 représente un montage traditionnel de commande d'appareil électrique. La figure 2 représente les différents composants principaux du dispositif La figure 3 est un schéma électrique de détection de variation de phase. La figure 4 illustre de façon plus détaillée le schéma électrique du dispositif. La figure 5 illustre une installation type. La figure 6 représente les différents signaux électriques en fonction du temps, dans le cas de capteur en l'air (figure 5A) ou de contact humain sur ce capteur (figure 5B). La figure 7 donne l'algorithme de suivi de la fréquence de résonance du circuit électrique. La figure 8 montre la correspondance entre la tension mesurée pour une longueur de fil choisie à titre d'exemple de 10 m, et la fréquence de l'horloge. La figure 9 illustre une variante utilisant une méthode de détection de variation de surtension. Comme on le voit sur la figure 1, une commande traditionnelle d'appareils électrique comporte un ou plusieurs interrupteurs 1 branchés sur le réseau basse tension 2, et reliés par un conducteur 3 à un appareil à commander, ici une lampe 4. Le courant basse tension circule dans tous les interrupteurs, ce qui est source de danger pour l'utilisateur. Dans le cas de dispositif conforme à l'invention illustré figure 2, le dispositif se compose de plusieurs éléments principaux qui sont un ou plusieurs capteurs tactiles 5, une liaison conductrice 6 et une unité électronique 7 faisant fonction de centrale d'analyse des données issues du senseur et transmises par la liaison conductrice 6. Le toucher d'un capteur tactile 5 crée une variation de tension dans la ligne conductrice 6. Ce signal est interprété par l'unité électronique 7 qui commande par une liaison 8 le fonctionnement de l'appareil électrique 4 en générant plusieurs fonctions: marche, arrêt, variation. l/ capteur tactile Contrairement aux autres systèmes tactiles qui utilisent des capteurs métalliques, le dispositif présent peut utiliser également des capteurs en matériaux isolants (plastique, céramique, bois) traités en surface par un produit qui abaisse la résistivité. Dans une réalisation préférentielle, un capteur tactile 5 du dispositif présent est réalisé sous la forme d'une surface délimitée par un carré de 8 cm de côté (similaire aux dimensions des interrupteurs classiques). La surface peut présenter une sculpture quelconque omrnementale, et ne possède pas de partie mobile. Le capteur tactile 5 est réalisé en plusieurs étapes de façonnage, traitement et éventuellement protection de surface. Le capteur tactile 5 est fabriqué par exemple en céramique de type faïence blanche traditionnelle, émaillée d'un seul côté. La réalisation se fait par des techniques classiques connues de l'homme de l'art. Le traitement de surface est destiné à produire un effet de condensateur en rendant la surface d'un matériau isolant conductrice. Cet effet, qui crée la fonction tactile du capteur, est obtenu par pulvérisation d'un vernis conducteur à base de carbone (ou de nickel), puis séchage à température ambiante. 2/ Liaison conductrice La liaison conductrice est, dans la réalisation présentée, réalisée sous la forme d'un fil de cuivre argenté de diamètre 0,127 mm et résistance nominale 155 Q/100 m gainé par du "Teflon" marque déposée (PolyTetraFluorEthylène), avec un diamètre total compris entre 0,38 et 0,48 mm. Ce fil est installé d'une façon classique. 3/ Entité électronique de commande Le principe de l'unité électronique 7 de commande est basé sur l'utilisation d'un filtre passe bande, utilisant une fréquence apportant une sensibilité maximale de détection. L'appui sur le capteur tactile 5 par un utilisateur va ajouter au circuit une capacité image de l'utilisateur. Cet appui provoque donc un changement de la fréquence qui se traduit par deux phénomènes: - une variation de phase entre une horloge et le signal, - une baisse de la tension, dont l'amplitude est fonction de la sensibilité que l'on veut obtenir lors de l'appui. Le dispositif de commande, dans la version préférée de réalisation décrite ici, détecte la variation de phase, pour une raison de sensibilité meilleure. En se plaçant en un point situé approximativement à mi-pente de la courbe de tension en fonction de la fréquence (figure 8), on obtient une sensibilité, caractérisée par la différence de tension mesurée selon qu'il y a contact entre le capteur avec l'utilisateur ou non de l'ordre de 30%. Il est clair que le traitement du signal sera d'autant facilité que cette différence de tension mesurée sera grande, et une variation d'au moins 5% parait nécessaire pour qu'une électronique simple et fiable puisse convenir. Ceci conditionne le choix de la fréquence de travail. Il est bien clair cependant que le choix d'une autre fréquence ne modifie pas le principe général de fonctionnement du dispositif Tel que représenté selon une disposition envisagée actuellement sur la figure 3, le schéma électrique du système, de forme RLC, comporte d'abord une horloge variable 9 de type connu de l'homme de l'art, centrée sur une fréquence F de par exemple 250 kHz. L'horloge fournit des signaux carrés 0-5V. Cette horloge 9 est reliée à une résistance 10 suivie d'une inductance 11 de 1 ou 2mh, et trois capacités montées en parallèles 12 de 330 pf, 13 qui représente les fils, et 14 du capteur, de 40 pf. Les fils 6 ont une capacité 13 qui dépend naturellement de leur longueur et de leur nature, mais qui peut être ici d'environ pf/m. La fréquence de résonance du dispositif se calcule par le formule f0 (Hz) = 1/27i Rac(1/LC) et on obtient à titre d'exemple environ 150 kHz pour une capacité (équivalente totale) C de 1000 pf et une inductance de 1 mh, dans une application avec 6 mètres de fil. Dans le cas o la longueur des fils 6 excède nettement quelques mètres, il est possible de diminuer la valeur de la capacité 12, car cette diminution sera compensée par l'augmentation de capacité liée à la longueur accrue des fils. Dans le schéma illustré figure 3 d'une solution de détection de variation de phase, le montage décrit ci-dessus est suivi d'une résistance 15 de valeur IM Ä, d'un circuit 16, 17 de limitation en tension du signal et d'un comparateur "OU Exclusif' 18 o est injecté un signal issu de l'horloge 9. Le signal sortant de ce comparateur passe dans une résistance 19 de 10 kQ. Un quadripôle RC (le condensateur 21 ayant typiquement une valeur de 10 nf) de constante de temps = RC suffisamment élevée par rapport à la période du signal d'entrée transmet en sortie 20 la valeur moyenne du signal d'entrée sans sa composante variable. La figure 4 reprend les éléments du schéma électrique de commande, tels que décrits et illustrés par la figure 3, intégrés à un schéma complet de mise en ceuvre de commande d'une lampe 4. Sur ce schéma, les fils, électrique dans lesquels circule le courant du réseau basse tension sont illustrés en traits plus épais. On reconnaît la source réseau 2, les fils 22, 23 d'alimentation de l'appareil électrique 4 à commander (une lampe dans le cas présent), le dispositif d'interruption du courant 24 monté sur la gâchette d'un triac 29, commandé par un circuit intégré 25, par exemple de type micro-contrôleur ou autre, qui comporte l'horloge 9. Le circuit 25 est alimenté grâce à un transformateur 26 protégé par un fusible 27. Un quartz 28 fournit la source de temps au montage. Le comparateur "OU exclusif' 18 est réalisée en plusieurs composants de façon classique. De même, le montage de l'alimentation du circuit et de la source de temps 28 sont connus de l'homme de l'art et ne sont donc pas détaillés ici. Le schéma général d'une installation type est présenté sur la figure 5. L'unité électronique de commande 7 est intégré dans un boîtier 30 du type adapté à être monté sur un rail 31 de tableau électrique classique. A ce boîtier sont connectés en amont le réseau 2, protégé par un disjoncteur ou coupe-circuit 32 de type connu, de puissance adaptée au type d'appareil électrique 4 à commander. Les pôles phase, neutre et terre sont alors connectés aux pôles 33 du boîtier. Ce boîtier est dans la version présentée relié par une série de points de connexion 34 à trois lampes 4A, 4B, 4C, dont deux 4A, 4B sont commandés ensemble. Les fils de connexion 8, 22, 23 au réseau basse tension et aux lampes sont de type connu, et par exemple de type "HO7VU" de 1,5 mm2 de section. Au même boîtier 30 sont reliés sur des cosses 37 des capteurs tactiles 5A, 5B, 5C (trois dans l'exemple illustré), dont ici deux 5A, 5B sont reliés à une même boîte de dérivation 35 et commandent la lampe 4C. Des témoins 36 de fonctionnement des appareils électriques commandés sont intégrés au boîtier 30. Le mode de fonctionnement du dispositif est simple, le branchement des appareils ayant déjà été décrit, l'utilisation des capteurs tactiles 5 est naturelle pour l'utilisateur, un contact sur la zone du capteur tactile 5 provoquant la mise en marche ou l'arrêt de l'appareil 4 commandé. Le principe de fonctionnement est illustré sur la figure 6 dans laquelle la partie gauche illustre la situation pour le capteur tactile 5 en l'air (sans contact humain), et la partie droite montre la situation des signaux pour le capteur tactile 5 au contact d'un utilisateur. Comme on le voit, l'horloge 9 fournit un signal identique dans les deux cas, de forme carrée 0-5V. Le tension au point de division entre les trois capacités 12, 13, 14 est dans le cas de capteur 5 en l'air un signal de forme sinusoïdal 0-30V. Comme on l'a dit plus haut, lors du contact de la main sur un capteur tactile 5, la capacité image de l'utilisateur est ajoutée au circuit et la pulsation propre dudit circuit change, entraînant ainsi une variation de phase entre l'horloge 9 et le signal, ce signal présente une réduction de tension maximum AV, la tension maximale étant ramenée à 5V environ, avec un déphasage A(p. A l'entrée du Trigger 16 (dispositif à deux niveaux de déclenchement), le signal subit un décalage temporel. En sortie du Trigger 16 on a un signal rectangulaire décalé par rapport au signal observé en l'absence de contact de l'utilisateur. De ce fait, en sortie de comparateur "OU Exclusif' 18, le signal présente une série de décrochages et une composante continue A plus faible dans le cas représenté. En ce qui concerne la méthode pour initialiser la fréquence de résonance, elle utilise une procédure logicielle, dont le code est annexé à la présente description (logiciel de suivi de la fréquence de résonance du circuit électrique). Sur le principe de l'algorithme illustré figure 7, à partir de la fréquence f0 expérimentale, on applique un algorithme de poursuite de la valeur minimale du signal de commande mesuré par un micro-contrôleur. Plus précisément, et comme résumé par l'algorithme de réglage de la sensibilité capteur et l'illustration de la figure 8 qui montre la correspondance entre la fréquence envoyée par le micro-contrôleur et la tension récupérée en sortie de filtre passe-bande, on Quand on est arrivé à 40 KHz, on réinitialise la tfréquence a la valeur qui a été enregistrée en même temps que le seuil (c'est la fréquence de resonance), et pour obtenir une meilleure sensibilité, on divise le seuil maximum sauvegardé (SeuilM) par 2 (SeuilM représente le point 38 de la figure). Partant de la fréquence de résonance, on ré-incrémente la tfréquence générée par le micro-contrôleur jusqu'à obtenir en sortie du filtre une tension égale ou proche du nouveau seuil (SeuilM/2 dans notre cas, soit au point 39 sur la figure). A partir de ce moment, le système devient opérationnel et prend en compte les touchers de l'utilisateur sur les capteurs du circuit. Comme on le voit, en ce point 39, la différence de tension entre la situation capteur tactile en l'air (courbe 40) et la situation capteur au contact (courbe 41) est maximale, ce qui est favorable à une sensibilité maximale du dispositif de commande. La courbe 40 concerne les capteurs lachés et la courbe 41 concerne les capteurs touchés, c'est-à-dire au contact. Les repères, carrés pour 40 et ronds pour 41, schématisent les laches et touchés. La courbe se situe dans l'espace [1 178 Khz; 218 Khz] dans le cas d'une liaison de mètres. Si on allonge la liaison, l'espace va tendre vers les tfréquences plus basses et inversement, si on raccourcit la liaison, l'espace va tendre vers les fréquences plus élevées. Comme on l'a vu, les avantages du dispositif sont donc - la réduction de la contrainte de distance entre le capteur 5 et l'unité électronique de commande 7 avec par exemple une distance possible de quelques dizaines de mètres avec des capteurs métalliques, - l'absence de déclenchement parasite si le fil 6 est blindeé, - la possibilité de maîtrise de la sensibilité, - le découplage total entre le secteur 2 et les capteurs 5, par l'utilisation d'un transformateur 26 abaissant la tension pour créer l'alimentation +5V, - la suppression d'un 220 V "traînant" sur le circuit, ce qui peut être particulièrement intéressant, par exemple pour commande électrique dans des salles d'eau, ou dans un milieu à risque ou déflagrant. Il est egalement évident que l'utilisation de capteurs 5 en matériaux isolants traités et les courants faibles (de l'ordre de quelques micro ampères) nécessaires au fonctionnement du dispositif améliorent considérablement la sécurité en diminuant les risques d'électrocution. Les liaisons 6 et les capteurs 5 utilisés réduisent nettement les risques de court circuit de l'installation. Dans une variante de traitement de surface des capteurs 5, un traitement par solution électrolytique est utilisé. Le traitement par solution ionique destiné à rendre le capteur 5 conducteur en surface pour créer l'effet tactile, utilise une solution de chlorure ferrique FeCI3 ou dérivé. a/ La première phase est un prétraitement des céramiques par passage en étuve à 100 C pendant 24 heures pour désorber l'humidité et autres produits de contamination de surface. Le refroidissement est effectue à température ambiante en dessicateur pour prévenir toute reprise d'humidité. b/ Le bain de traitement comporte une solution de chlorure ferrique de concentration 740 g/1 à 20 C. La température du bain est comprise entre 18 et C (préférentiellement 25 C) et ajustée par thermostat. Cette température détermine la quantité de solution conductrice absorbée par la céramique et par conséquent l'impédance du capteur résultant. La température influe également sur la profondeur de diffusion de la solution dans la céramique. c/ L'imprégnation des céramiques se fait par disposition des céramiques dans le bain. Seul le côté non émaillé est en contact avec la solution ferrique. Le niveau d'immersion est de l'ordre de la moitié de l'épaisseur de la céramique. Le temps d'immersion est compris entre 20 et 180 minutes. d/ Le séchage des céramiques comporte d'abord un égouttage des céramiques pendant une heure à température ambiante, puis un passage en étuve inox ventilée à 40 C pendant 24 heures. Le refroidissement des céramiques est effectué à température ambiante en dessicateur. e/ La face traitée est enfin isolée par pulvérisation d'une silicone de type vernis de tropicalisation à base de résine polymnéthvlphénylsiloxanique (par exemple connue sous le nom commercial Rhodosil 99 1), et polymérisation du film silicone recouvrant la face traitée à une température de 70 aà 80 C pendant 2 heures. Une variante de traitement par solution ionique de capteur 5 en faïence, utilise à la place de chlorure ferrique du sulfate de cuivre ou du dihydroxyde de calcium. Dans le cas de capteur en grès, l'alun d'aluminium est utilisé dans une autre variante. Dans une variante de réalisation des capteurs 5, la céramique de type faïence blanche traditionnelle, émaillée d'un seul côté, qui présente une porosité de 10 à 15%, est remplacée par du grès dont la porosité est de 0,5 à 3%. Dans une autre variante de réalisation des capteurs 5 céramiques, un autre matériau barrière (remplaçant le vernis silicone de tropicalisation) peut être ajouté, par exemple par dépôt de PTFE ("Teflon") en aérosol sur la face traitée de la céramique. Dans encore une autre variante de réalisation de capteur 5, ceux-ci sont réalisés en matière de type plastique, et traités par électrodéposition d'un couche métallique conductrice. Dans une variante de réalisation de liaison conductrice 6, le fil métallique gainé est remplacé par une liaison conductrice chimique de type poudre alumino silicante imprégnée de chlorure ferrique sur un support en PVC (goulotte électrique). Dans une variante de méthode de détection de contact humain, illustrée sur la figure 9, le principe de détection n'est plus basé sur l'analvse de signal très basse fréquence mais sur la détection de variation de tension, selon un détail de mise en oeuvre connu de l'homme de l'art. Il est clair également que l'on peut choisir une autre frequence de centrage du filtre passe bande que celle présentant une sensibilité maximale choisie dans la réalisation préférentielle. Il est par exemple possible de centrer le filtre sur la fréquence de résonance du dispositif, avec un gain maximal et une sensibilité minimale. Un choix de fréquence supérieure aà la fréquence de résonance est également possible, avec des performances en sensibilité réduites par rapport à l'invention. Dans une autre approche de réalisation non préférée car plus cher aà réalisé, chaque capteur 5 comporte un dispositif aà cristal de quartz (ou matière de caractéristiques piezzo- électriques analogues) tel que toute déformation mécanique du cristal provoque l'apparition de charges électriques à sa surface. Il suffit alors de détecter ces charges pour savoir si le capteur est touché ou non. Dans ce cas, la détection de commande n'est plus réalisée par utilisation d'un filtre électronique passe-bande, mais il comporte toujours une partie d'analyse du signal proche de celle décrite pour le présent système à fréquence. La portée de la présente invention ne se limite pas aux modes de réalisation présentés mais s'étend au contraire aux perfectionnements et modifications à la portée de l'homme de l'art. ;* CalagRLC: Procédure d'ajustement de la fréquence de resonance * Cette fonction permet d'ajuster la fréquence de résonance'd'un circuit * RLC. Ce circuit RLC prend en compte l'impédance de la liaison À* * * **** ************************* * fmin finax * ** Variables internes (proprc à la fonction) ** PAO, SedilM CalagRLC Idi armc,0000lOOb; fimax =400KHz Idi arrc,OEBh Idi arcp,OF5h Idi armc, 1 100000l b TEMPORLC Idi a,20; tempo fréquence appliquée TEMPO50u dec a jrnz TEMPO50u ACQIV Idi wdr,watch; acquisition entrée capteur set O,ora Idi adcr,Ol Oh nop nop Idi adcr,030h ACQIVI jrr 6,adcr,ACQIVI Id a,adr clr adcr cp aSeuilM; valeur capteur > SeuilM jmrnc ACQIV_3; oui => valeur capteur = SeuilM jp ACQIV_7; non => on ne fait rien ACQ 1 V3 Idi arrnc,020h Id SeuilM,a Id a,arrc Id arrcM,a Id a,arcp Id arcpM,a ACQ1V_7 dec arrc jrs O,arrc,ACQ I V_2; gestion rapport cyclique dec arcp ACQIV_2 Id a,arrc; continuer le balayage de plage jrz ACQ1V_4 Idi armc, I 100000b jp TEMPORLC ACQIV4 Id a,SeuilM; SeuiM /2 rle a rlc a rlce a rlc a rie a rlce a rlc a rlc a andi a,O7FH Id SeuilMa Id a,arrcM; Restitue fréquence de résonance Id arrc,a Id a,arepM Id arcp,a Idi armc, 11100000b TEMPRLC Idi a,20; tempo fréquence appliquêe TEMP50u dec a jrnz TEMP50u OCQIV Idi wdr,watch; acquisition entrée capteur set 0,ora Idi adcr,0 1 Oh nop nop Idi adcr,030h OCQIVl jrr 6,adcr,OCQ I V 1 Id a,adr clr adcr cp a,SeuilM; valeur capteur OCQIV _3 jp FINAJCAP OCQIV 7 Idi armc,020h; augmente la fréquence inc arrc jrr 0,arrc,OCQ 1V_2 inc arcp OCQIV 2 Idi armnnc, 1 1 1 00000b jp TEMPRLC FINAJCAP Idi armc,020h; dimininue la friéquence de I unit, dec arrc jrs 0,arrc, OCQl V_9 dec arcp OCQIV 9 a Idi armc, 1 1 00000b ret EJECT REVENDICATIONS: 1. Procédé de commande à distance d'au moins un appareil électrique 4 utilisant un dispositif comportant au moins un capteur 5 de commande, une unité 7 de commande à laquelle sont reliés les câbles 8 d'alimentation des appareils électriques 4 a commander, au moins un conducteur 6 reliant le capteur 5 à l'unité 7 de commande, caractérisé en ce que: -le capteur 5 présente un effet condensateur de caractéristiques prédéterminées; - la détection de commande est réalisée. par utilisation d'un filtre électronique passe bande et l'analyse du signal électrique du circuit selon que l'utilisateur est en contact avec le capteur 5 ou non. 2. Dispositif de commande à distance d'au moins un appareil électrique destiné à la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détection de commande est réalisée par utilisation du procédé selon la revendication I. 3. Unité 7 de commande d'appareils électriques 4 pour dispositif selon la revendication 2 caractérisée en ce que la détection de commande est basée sur l'utilisation d'un comparateur "OU exclusif" entre un signal carré issu d'une horloge 9 et un signal transformé par passage dans un circuit RLC dont la capacité varie selon qu'un utilisateur touche ou non un capteur tactile 5. 4. Conducteur 6 destiné à assurer la liaison entre un capteur tactile 5 et une unité de commande 7 pour dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est réalisé en cuivre argenté de diamètre 0,127 mm, gainé de PTFE et d'un diamètre total compris entre 0,38 et 0,48 mm.