Brevet FR2792785A1 — publié le 20001027

INTEGRATEUR DE PRECISION D'UN SIGNAL ELECTRIQUE, PROCEDE CORRESPONDANT ET APPLICATION À UN CAPTEUR DE CHAMP MAGNETIQUE DESCRIPTION On décrira ici un intégrateur de précision d'un signal électrique, le procédé original que cet intégrateur met en oeuvre, et une application aujourd'hui envisagée: la mesure de champs magnétiques hétérogènes, sans que d'autres soient exclues. On s'intéresse donc à la production d'une intégration temporelle d'un signal électrique. Un circuit électrique apte à accomplir cette opération est représenté à la figure 1 et comprend une résistance 1, un circuit soustracteur 2 à l'entrée négative duquel résistance 1 est reliée et un condensateur 3 en parallèle sur le circuit soustracteur 2. Le signal électrique e(t) fourni à l'entrée de la ligne est transformé en un signal s(t) à la sortie, qui correspond à son intégration temporelle à un facteur multiplicateur près, puisqu'à un instant T quelconque: s(T) = s(0) - e(t)dt RC o o R et C sont les valeurs de la résistance et du condensateur et l'origine des temps est comptée à partir de l'application du signal e(t). Ce circuit est particulièrement simple et produit un signal de sortie continu en temps réel, c'est-à-dire égal à chaque instant à la valeur intégrale obtenue au même instant, mais il n'est pas très précis, notamment parce qu'il est très sensible aux dérives de la tension appliquée à l'entrée positive du circuit soustracteur 2 et des tensions d'alimentation. Un autre circuit, illustré à la figure 2, permet comme le précédent d'obtenir à tout instant T un signal n(T) qui exprime la somme d'un signal e(t) appliqué à l'entrée du circuit; les éléments utilisés sont un convertisseur 4 de tension en fréquence et, en série avec lui, un additionneur 5. Le convertisseur délivre un signal de fréquence proportionnelle à l'intensité de e(t): ôn f(t) = - = k * e(t) Et et le sommateur 5 compte les impulsions qu'il reçoit successivement et délivre la valeur n(T): T n(T) = kZ e(t) *6t. Ce circuit est facile à construire mais impose un signal toujours du même signe, et la linéarité du convertisseur 4 peut nuire à la précision du résultat si le signal e(t) varie fortement. Enfin, ce circuit a, tout comme le précédent, une résolution insuffisante pour la précision qu'on souhaiterait atteindre. L'objet de l'invention est donc de proposer un nouveau mode d'intégration temporelle d'un signal, à la précision plus élevée. Le procédé retenu est caractérisé en ce qu'on mesure séparément par échantillonnage, dans des circuits différents mais synchronisés, le signal à intégrer et le temps, puis qu'on procède à la multiplication de la valeur du signal par la durée de l'intervalle de temps entre deux échantillons successifs, puis à la sommation des produits précédents afin d'obtenir la valeur de l'intégrale désirée. Le dispositif intégrateur comprend: - un ensemble de mesure par échantillonnage du signal appliqué à l'entrée et de restitution numérique des valeurs mesurées, - un ensemble de datation des échantillons recevant des signaux de déclenchement et comprenant une horloge associée à un compteur, un générateur de cadence d'échantillonnage, ainsi que des moyens de stockage temporaire des dates des échantillons et des dates des signaux de déclenchement, - un calculateur recevant les valeurs échantillonnées du signal et les valeurs de datation, et réalisant l'intégration par multiplication des valeurs échantillonnées par l'écart entre deux valeurs de datation successives, puis la sommation de ce résultat. Le procédé exposé ici consiste à mesurer des valeurs du signal à des instants d'échantillonnage, à mesurer des durées séparant les instants d'échantillonnage, et à faire des multiplications entre les valeurs échantillonnées et les durées, puis des sommes des résultats des multiplications. On va maintenant décrire l'invention plus en détail, sans qu'elle soit limitée aux modes de réalisation donnés ci-dessous. Les figures utilisées sont les suivantes: * les figures 1 et 2 déjà décrites représentent des dispositifs d'intégrateurs connus, * la figure 3 illustre le dispositif intégrateur conforme à l'invention, * la figure 4 permet de décrire le mode d'intégration, * la figure 5 est un capteur de champs magnétiques dans lequel le dispositif intégrateur de l'invention est employé, * la figure 6 illustre une courbe obtenue par ce capteur, * et la figure 7 illustre une autre application possible de l'invention pour un champ magnétique d'un genre différent. On passe au commentaire de la figure 3. L'intégrateur conforme à l'invention est composé essentiellement de trois ensembles: une carte analogique 10 chargée de mesurer le signal à intégrer, un ensemble numérique 11 chargé de la mesure du temps et un ensemble de calcul 12 plus spécialement responsable de l'intégration. La carte analogique 10 comprend, en série, un amplificateur 13, un filtre 14, un convertisseur analogique-numérique 15 et un convertisseur série-parallèle 16, et encore un dispositif de calibration 17 chargé de l'étalonnage de la carte 10. Le signal à intégrer e(t) est appliqué à une entrée de la carte analogique 10 avant d'être amplifié, filtré, numérisé et délivré à une sortie de la carte analogique 10 et fourni à une carte d'acquisition rapide 26 de l'ensemble de calcul 12. Le convertisseur série-parallèle 16 n'est utile qu'avec un convertisseur analogique-numérique 15 fournissant une sortie en série. La carte numérique comprend une horloge de comptage 18 dont la fréquence est de 100 MHz et qui permet de générer une base de temps avec une résolution de 10 ns grâce à un compteur d'impulsions 19 qui lui est associé. Elle comporte aussi une horloge d'échantillonnage 20, de fréquence de 100 kHz qui sert à déclencher le convertisseur analogique-numérique 15 de la carte analogique 10; les impulsions délivrées par l'horloge d'échantillonnage 20 sont appliquées également à un registre temporaire 21 qui enregistre la valeur instantanée du compteur 19. Lorsque la conversion analogique- numérique est terminée, la valeur du signal e(t) est fournie à la carte d'acquisition rapide 26, et la date correspondante est transférée du registre temporaire 21 vers une seconde carte d'acquisition rapide 27, identique à la précédente, ces deux cartes pouvant être insérées dans l'ensemble de calcul 12. La carte numérique 11 comprend encore un lecteur d'impulsions 22 apte à commander le fonctionnement de l'ensemble du dispositif: il reçoit des impulsions extérieures de commande du déclenchement ou de l'arrêt de l'intégration par une ligne d'entrée 23 et met en marche ou arrête l'horloge d'échantillonnage 20. De plus, un autre registre temporaire 24 relié au compteur 19 lui est associé, de façon à délivrer à la carte d'acquisition rapide 27 les dates de début et de fin d'échantillonnage. Si la courbe du signal e(t) en fonction du temps t est celle de la figure 4, l'intégrale recherchée est égale à l'aire située sous la courbe et limitée par les instants td et tf de début et de fin d'intégration. Le signal a été effectivement mesuré aux instants d'échantillonnage tl, t2, t3,..., tn, compris entre les instants td et tf donnés par l'horloge d'échantillonnage 20 et normalement régulièrement répartis. La carte d'acquisition rapide 26 a enregistré les valeurs el, e2, e3,..., en correspondantes. L'aire sous la courbe peut se décomposer en deux parties: - une aire principale composée de portions sensiblements trapézoïdales, de largeur (tj+l-tj) et de hauteur moyenne égale à 1(ej+l+ej) - de deux aires d'extrémités, sensiblement trapézoïdales elles aussi, de largeurs respectives (tl-td) et (tf-tn) et de hauteur moyenne '- (ed+el) et (en+ef). Le calcul de l'intégrale consiste donc à évaluer les différentes aires, puis à additionner les résultats obtenus. Ce calcul est effectué par un contrôleur 25, programmé pour cela, et qui reçoit les informations en provenance des cartes d'acquisition rapide 26 et 27. Une méthode d'interpolation et/ou d'extrapolation plus élaborée peut être envisagée afin d'améliorer la précision du calcul. Une application utilisant ce dispositif intégrateur est représentée à la figure 5. Elle est destinée à la mesure précise de champs magnétiques. Elle comporte un enroulement de mesure 28 dont les bornes sont reliées par une ligne 31 à l'entrée de la carte analogique 10 insérée dans le boîtier 32. Le signal e(t) à intégrer est un signal d'induction électromagnétique produit par l'enroulement 28 par variation du flux magnétique de l'électro-aimant 34 dans l'entrefer 33 duquel il est inséré. Le potentiel électrique délivré est exprimé par la loi de Lenz: dD(t) e(t) = - dt o O(t) est le flux magnétique embrassé par l'enroulement 28 à l'instant t. L'intégration du signal e(t) donne alors la variation du champ magnétique B entre deux instants 0 et T, qui peuvent être les instants td et tf, du déclenchement et de fin de l'intégration: T B(T) = B(0) + f e(t)* dt. No L'enroulement 28 est placé dans l'entrefer 33 d'un aimant 34 à fonctionnement pulsé dont le champ magnétique B varie selon un cycle trapézoïdal ou sinusoïdal dont la période est de l'ordre de la seconde à quelques millisecondes et dont la valeur est identique dans tous les points de l'entrefer hormis aux extrémités. Le signal e(t) recueilli par l'enroulement 28 peut être celui qui est représenté en fonction du temps dans le graphe inférieur de la figure 6, les temps td et tf étant des instants de minimum et de maximum du champ pulsé. Si par exemple trois instants d'échantillonnage tl, t2 et t3 existent, on mesure les valeurs du champ B1, B2 et B3 ainsi que les valeurs minimale et maximale Bmin et Bmax du champ aux instants td et tf. Dans cette application o le champ magnétique varie avec le temps, l'enroulement 28 peut rester immobile; dans d'autres applications o le champ serait hétérogène d'un point à l'autre de l'entrefer d'un aimant, on pourrait procéder en déplaçant l'enroulement par un moteur, et le courant induit refléterait les variations du champ dans le trajet parcouru par l'enroulement 28. Une telle possibilité concerne par exemple les aimants multipolaires et est évoquée par la figure 7: un enroulement 35 est alors enfoncé au coeur d'un aimant multipolaire 36 et soutenu par un axe 37 mis en rotation par un moteur rotatif 38. Les bornes de l'enroulement 35 sont reliées à un boîtier 40 identique au boîtier 32. On mesure les variations de champ dans l'entrefer des pôles de 36 en faisant tourner l'axe 37; un codeur angulaire 41 placé sur l'axe 37 donne périodiquement des impulsions de déclenchement et d'arrêt de l'intégration au boîtier 40, alors que dans l'exemple précédent ces instants pouvaient être donnés par un système synchronisé au système de commande de l'aimant pulsé 34, ce qui permettrait de mesurer le signal aux valeurs extrêmes Bmin et Bmax du champ. On admettra que le dispositif intégrateur peut s'appliquer à des signaux électriques d'autres origines et n'est donc pas limité à la mesure de champ magnétiques. Une résolution de 1,5.10-l1 V.s peut être obtenue, au lieu d'environ 10-8 V.s avec les dispositifs connus. REVENDICATIONS 1. Intégrateur temporel d'un signal, caractérisé en ce qu'il comprend: un ensemble de mesure (10) par échantillonnage du signal appliqué à l'entrée et de restitution numérique des valeurs mesurées, - un ensemble (11) de datation des échantillons recevant des signaux de déclenchement et comprenant une horloge (18) associée à un compteur (19), un générateur de cadence d'échantillonnage (20), ainsi que des moyens de stockage temporaire de valeurs de datation comprenant des dates des échantillons et des dates des signaux de déclenchement, - un calculateur (12) recevant les valeurs échantillonnées du signal et les valeurs de datation, et réalisant une intégration par des multiplications des valeurs échantillonnées par des écarts entre deux valeurs de datation successives, puis une sommation de résultats des multiplications. 2. Intégrateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de datation (11) comprend un lecteur (22) de signaux de déclenchement et d'arrêt d'intégration du signal, qui commande le début et la fin du fonctionnement du générateur (20) de cadence d'échantillonnage. 3. Intégrateur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'ensemble de mesure comporte une unité de calibration (17). 4. Procédé d'intégration temporelle d'un signal électrique continu, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer des valeurs (e) du signal à des instants d'échantillonnage, à acquérir des dates précises des instants d'échantillonnage à partir d'une horloge de référence, et à faire des multiplications entre les valeurs échantillonnées du signal et des durées séparant ledits instants, puis des sommes de résultats des multiplications. 5. Dispositif de mesure d'hétérogénéités de champ magnétique, comprenant un intégrateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, et un enroulement (28, 35) apte à fournir à une sortie un courant induit par le champ magnétique, le courant induit étant le signal à intégrer. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (37, 38) pour déplacer l'enroulement dans le champ magnétique.