Brevet FR2905468A1 — publié le 20080307

CAPTEUR D'ECOULEMENT D'AIR THERMIQUE NUMERIQUE INTEGRE Cette invention concerne la mesure d'un écoulement d'air, et plus particulièrement un capteur d'écoulement d'air numérique. Des capteurs d'écoulement d'air dans des instruments. de test et de mesure exigent de façon caractéristique que l'instrument de. mesure soit étalonné en relation avec l'élément capteur individuel. De ce fait, le capteur ne peut pas être changé aisément dans un seul instrument, et n'est pas aisément interchangeable entre de multiples Instruments, sans réétalonnage. Ceci augmente le coût de fabrication et augmente égale- ment le coût de réparation et de maintenance d'un instrument. Des capteurs d'écoulement d'air existants comprennent des anémomètres thermiques avec une interface analogique entre l'élément capteur et l'instrument, des anémomètres thermiques avec une interface numérique entre l'élément capteur et l'instrument, utilisant une interface du type émetteur - récepteur asynchrone universel (UART), et des anémomètres thermiques utilisant une boucle de commande analogique pour attaquer le pont de capteur. Cependant, dans toutes ces configurations de capteurs existantes, les instruments de test et de mesure sont étalonnés en relation avec les capteurs, et les capteurs ne sont pas interchangea-bles entre des instruments de mesure, sans réétalonnage. Conformément à l'invention, un capteur d'écoulement d'air auto-nome est construit autour d'un élément capteur et d'un microcontrôleur. Le capteur utilise un signal en modulation d'impulsions en largeur (MIL) commandé de façon numérique pour attaquer l'élément capteur. Des si- gnaux provenant de l'élément capteur sont traités par le microcontrôleur à l'intérieur du capteur, ce qui donne des mesures continues de vitesse d'air et de température d'air. 2905468 2 Le capteur a une interface numérique (interface série synchrone ou SPI) qui peut aisément être connectée à un instrument de mesure. L'interface numérique peut être changée en conformité avec dif- férents protocoles ou standards pour améliorer les modalités de 5 connexion à l'instrument de mesure. Le rôle d'un instrument de mesure utilisant un tel capteur est de mesurer la vitesse de l'air et la température de l'air, par l'intermédiaire de l'interface numérique, et de présenter ces données à travers l'interface d'utilisateur. Si nécessaire, l'instrument de mesure peut également effec10 tuer un certain traitement de données au niveau d'application. Le capteur est autonome et a un auto-test fonctionnel complet et un traitement de signal complet pour fournir la mesure de vitesse d'air, et toutes les données d'étalonnage sont stockées de manière appropriée à l'intérieur du capteur. 15 Par conséquent, un but de la présente invention est de procurer un capteur d'écoulement d'air perfectionné ayant une taille réduite. Un but supplémentaire de la présente invention est de procurer un capteur d'écoulement d'air perfectionné ayant une complexité de circuit réduite. 20 Un autre but encore de la présente invention est de procurer un capteur d'écoulement d'air perfectionné permettant d'employer une inter-face numérique relativement simple avec un instrument de test. Un autre but de l'invention est de procurer un capteur d'écoulement d'air qui réduise la complexité de l'instrument de test auquel il est 25 associé, en effectuant tout le traitement de signal nécessaire dans le module de capteur pour fournir un signal de sortie de mesure de vitesse d'air réelle, sans exiger un traitement supplémentaire par l'instrument de test pour obtenir la vitesse d'air réelle. Un but supplémentaire de l'invention est de procurer un capteur d'écoulement d'air pouvant être adapté à différentes applications de me-sure de vitesse d'air en adaptant le traitement à l'intérieur même du capteur. Un but supplémentaire de l'invention est d'avoir un capteur d'écoulement d'air qui soit interchangeable avec d'autres capteurs et d'autres instruments de mesure, sans exiger un réétalonnage des instru- ments de mesure. 2905468 3 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés, dans lesquels des caractères de référence sembla- 5 bles désignent des éléments semblables, et dans lesquels : La figure 1 est un schéma synoptique d'un système de capteur d'écoulement d'air conforme à l'invention; et La figure 2 est un schéma du bloc de conversion de signal MIL en courant continu. 10 Le système conforme à un mode de réalisation préféré de la présente invention comprend un module de capteur d'écoulement d'air et un instrument de mesure qui communique avec lui. En se référant à .la 'figure 1, qui est .un schéma synoptique du système, on note que le module de capteur d'écoulement d'air comprend 15 un .microcontrôleur 11, muni d'un bloc de traitement de signal numérique 12, un ,comparateur: 13, :un bloc de convertisseur analogique numérique (CAN) 14; une source de signal: en modulation d'impulsions :en; largeur (MIL) 16 et une interface numérique 18, qui communique avec un instrument de mesure 20. 20 La source de signal MIL 16 fournit un signal à un bloc de convertisseur de MIL en courant continu, 22, dont le signal de sortie est fourni à un bloc de conditionnement de signal analogique 24 et également à un point de Wheatstone 26, en tant que tension d'alimentation du pont. Un signal de sortie du bloc de conditionnement de signal analogique 24 25 est appliqué comme un signal d'entrée au convertisseur AIN 12 dans le microcontrôleur. Le microcontrôleur 11 fournit un signal à un potentiomètre numérique 28, qui applique un signal au pont de Wheatstone 26. Un signal de sortie du pont de Wheatstone 26 est appliqué comme un signal d'en- 30 trée au comparateur 13 dans le microcontrôleur et également à un capteur d'écoulement d'air 30. Un bloc de capteur de température d'air 32 applique un signal d'entrée au CAN 12 (comme le fait le pont de Wheatstone 26). En fonctionnement, l'élément capteur 30 est alimenté par une 35 tension fournie par le pont de Wheatstone 26, et cette tension d'alimenta- 2905468 4 lion issue du pont de Wheatstone est reçue par le comparateur 13 du microcontrôleur. Ces mesures sont ensuite utilisées pour commander le rapport cyclique du signal généré par la source MIL 16. La tension d'alimentation du pont de Wheatstone est proportionnelle à la vitesse de l'écoule- 5 ment d'air à travers l'élément capteur, et cette valeur, fournie au comparateur 13, est convertie en une mesure de vitesse d'air. Le capteur de température fournit également une mesure de température de l'écoule-ment d'air. Ces valeurs mesurées peuvent ensuite être fournies à l'instrument de mesure 20 par l'intermédiaire de l'interface numérique 18. 10 Le fonctionnement du capteur d'écoulement d'air est basé sur des principes de facteur de refroidissement par le vent, et dans ce fonctionnement un corps d'élément capteur est chauffé à une température fixée, et est exposé à la vitésse.de l'air. La quantité d'énergie exigée pour maintenir le corps de l'élément capteur à la température fixée.fournit une 15 indication de la vitesse de l'air, une vitesse de l'air plus.éle.v.ée exigeant davantage d'énergie gour maintenir la température du. corps de capteur. :Du 'fait' qu'à une vitesse d'air nulle la tension d'alimentation du pont correspondra à une tension de sortie non nulle, le bloc de conditionnement de signal analogique 24 reçoit la tension d'alimentation du pont 20 provenant du convertisseur de MIL en courant continu, 22, et effectue un réglage de décalage pour une compensation relative à la valeur nulle, de façon que la dynamique complète du CAN soit disponible pour des déterminations de mesure. De plus, la valeur de tension peut être amplifiée par le bloc 24. 25 On va maintenant décrire le fonctionnement de la tension d'alimentation du pont. Le capteur d'écoulement d'air est connecté au pont de Wheatstone, qui est maintenu à l'équilibre en modifiant la tension d'alimentation du pont, ce qui est surveillé par le microcontrôleur par l'intermédiaire du signal d'entrée appliqué au comparateur 13. L'état du pont de 30 Wheatstone est surveillé par le microcontrôleur par l'intermédiaire du comparateur 13, pour parvenir à une résolution ou une sensibilité plus élevée que celle à laquelle on pourrait parvenir en utilisant le CNA faisant partie du microcontrôleur. La tension d'alimentation du pont résulte du filtrage par le bloc 22 du signal MIL généré par le microcontrôleur, pour 35 fournir un courant continu. Une boucle d'asservissement PID commande 2905468 5 la tension en réglant le rapport cyclique MIL sur la base de l'état de sortie du comparateur. Dans un mode de réalisation préféré, le signal MIL a une fréquence de base de 8 kHz. La figure 2 illustre de façon plus détaillée le convertisseur de 5 MIL en courant continu. Le signal MIL provenant de la source de signal MIL 16 est filtré pour fournir un courant continu, par un filtre passe-bas RC à deux étages. Le filtre comprend des résistances 34 et 36 en série entre l'entrée connectée à la source MIL 16, et la sortie dirigée vers le pont de Wheatstone, avec un condensateur 40 connecté entre la masse et 10 le point de connexion des résistances 34 et 36, et un condensateur 42 connecté entre la masse et l'extrémité de la résistance 36 éloignée de la résistance 34. Contrairement à des boucles de commande de l'art antérieur qui emploient des amplificateurs. de différence pour mesurer de quelle quantité 15 un pont serait déséquilibré, dans. le fonctionnement du système présent, . le comparateur 13 est utilisé. pour surveiller la tension. dru pont. Dans le mode de réalisation illustré, l'état du comparateur est échantillonné toutes les 50 ms. Si l'état échantillonné présent du comparateur est le même que l'état précédent, alors un compteur d'état est incrémenté vers une valeur 20 positive (ou négative). Lorsque l'état du comparateur change, le compteur d'état est réinitialisé. Le rapport cyclique de MIL est commandé avec une boucle P1D. La mesure d'erreur pour la boucle PID "e" (paramètre d'entrée) est le compteur d'état de comparateur. La valeur idéale pour le point de consi- 25 gne PID, "Gd", est 0. L'erreur peut être mesurée comme la différence entre le signal de sortie et le signal de sortie désiré : e(t) = Gd - G(t) avec les notations suivantes : 30 Gd est le point de consigne désiré G(t) est la mesure réelle. Une correction de sortie de l'asservissement PID est 2905468 6 x(t) = KP e(t) + KIf e(t) - KDde(t) l t = T t x(t) = KP e(t) KI J [Gd - G(t)]dt + KDdd(t) I t = T t=O en désignant par T la période d'échantillonnage du comparateur et d'actualisation du signal MIL. 5 Pour effectuer une transformation pour passer sous une forme discrète, on pose t = kT, avec k = 1, 2, ..., n. L'intégrale évaluée de (k - 1)T à kT peut être obtenue de manière approchée en utilisant la règle d'intégration par la méthode des trapèzes. La dérivée du terme d'erreur est le taux de variation de l'erreur, 10 mais celui-ci peut être bruyant sur une période. Un moyen pratique de s'affranchir du bruit consiste à utiliser une moyenne sur. quatre points avec pondération centrale, pour le terme de différence. La forme à temps discret de la correction PID est : T x(t) = KP e (t) + KI (Gdt-2 (G(Kt)+G[(k - 1)Tj)) + KD ((e(kT)-e(k-3)+3(e(k-1)-e(k2))) 15 Lorsqu'un système avec seulement une commande proportionnelle est écarté du point de consigne spécifié, l'asservissement augmente la tension de commande jusqu'à ce que le signal d'erreur soit zéro, et le système retourne donc au point de consigne avec une tension appliquée supérieure à ce qui est exigé pour maintenir l'équilibre. Ceci occasionne 20 un dépassement et, lorsque le processus continue, une oscillation sous-amortie. Un système qui a une erreur de régime permanent au moment du suivi d'une fonction d'entrée en rampe peut utiliser un terme intégral pour intégrer l'erreur sur le temps et la compenser. Le rapport cyclique de MIL est calculé sous la forme suivante 25 PWM(t) = PWM(t-1) + x(t) En régime permanent, la plus grande contribution au bruit de sortie PID est le bruit introduit par la composante proportionnelle. Par 2905468 7 conséquent, pour garantir un bruit minimal en régime permanent PID, on utilise un gain proportionnel atténué qui sera élevé si l'erreur est élevée et faible si l'erreur est inférieure à une valeur fixée à l'avance. L'échantillonnage des signaux d'écoulement d'air et de tempéra- 5 ture d'air est effectué par l'intermédiaire du CAN 12, de façon appropriée à une période de 120 ms dans le mode de réalisation préféré. Le capteur fournit en sortie une vitesse d'écoulement d'air normalisée, en mètres par seconde [mis], ainsi qu'une température d'écoulement d'air en [ C]. 10 L'instrument de mesure 20 comprend un appareil de mesure de pression barométrique incorporé. Pour la conversion faisant passer de l'écoulement d'air normalisé à l'écoulement d'air réel, on présume que la pression barométrique mesurée par l'instrument 20 est la même que la pression à l'endroit auquel l'écoulement d'air est mesuré. 15 L'instrument convertit une vitesse d'air normalisée en vitesse d'air réelle en utilisant la formule suivante Uréelle = Unormalisée* ((273 + Tm) / (273 + TNIST))* (PNIST 1 Pm) Tm = Température ambiante mesurée, en degrés Celsius Pm = Pression ambiante mesurée en kPa 20 Les conditions normalisées définies par l'organisme National Institute of Standards and Technology (NIST) sont TNIST = 20,0 C, et PNIST 101,325 kPa. L'instrument de mesure comprend de façon appropriée un dis-positif de visualisation et une interface d'utilisateur pour accepter des or- 25 dres d'utilisateur pour son fonctionnement. Une alimentation et des commandes de fonctionnement sont également incorporées. L'instrument peut être construit pour recevoir un module de capteur d'écoulement d'air 10 sous la forme d'un module de mesure enfichable amovible, grâce à quoi la fonctionnalité de l'instrument peut être changée pour mesurer d'autres 30 phénomènes en employant un module enfichable différent. Le capteur du mode de réalisation préféré a de façon appropriée une gamme de mesure de vitesse d'air de 0 à 15 mètres/seconde et une gamme de température de -20 à 60 C. La plage de tension de sortie est L r 2905468 8 de 0 à 5 V. Un exemple d'un capteur approprié est un capteur d'écoulement d'air FS1 commercialisé par IST AG, Wattwil, Suisse. Le capteur de température est basé de façon appropriée sur un capteur de température analogique Fairchild FM50. 5 Par conséquent, l'invention procure un capteur d'écoulement d'air thermique perfectionné. Bien qu'un mode de réalisation préféré de la présente invention ait été représenté et décrit, il apparaîtra à l'homme de l'art que de nombreux changements et modifications peuvent être effectués sans sortir du 10 cadre de l'invention, dans ses aspects les plus larges. Les revendications annexées visent donc à couvrir tous les changements et modifications qui entrent dans l'esprit et le cadre véritables de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure d'écoulement d'air, caractérisé en ce qu'il comprend : un capteur d'écoulement d'air (30); un comparateur (13) surveillant une tension en relation avec le capteur (30); et une unité de commande (11) pour échantillonner l'état du comparateur (13), et déterminer sur la base de celui-ci un écoulement d'air détecté par le capteur (30). 2. Dispositif de mesure d'écoulement d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de commande (11) échantillonne l'état du 10 comparateur (13) sensiblement à des intervalles de 50 ms. 3. Dispositif de mesure d'écoulement d'air selon la revendication 1, comprenant un circuit en pont (26) fournissant une tension au capteur d'écoulement d'air (30), caractérisé en ce que le comparateur (13) sur-veille la tension du circuit en pont (26). 15 4. Dispositif de mesure d'écoulement d'air selon la revendication 3, caractérisé en ce que le pont comprend un pont de Wheatstone (26).. 5. Dispositif de mesure d'écoulement d'air selon la revendication . 3, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit d'attaque à modulation d'impulsions en largeur (MIL) (16), caractérisé en ce que le circuit en pont 20 (26) reçoit une tension par l'intermédiaire du circuit d'attaque MIL (16). 6. Dispositif de mesure d'écoulement d'air selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de conversion de signal MIL en courant continu (22) entre le circuit en pont (26) et le circuit d'attaque MIL (16), pour convertir un signal de sortie du circuit MIL (16) en un si-25 gnal de sortie sensiblement à courant continu. 7. Dispositif de mesure d'écoulement d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de commande (11) emploie un compteur d'état, et en ce que si un état présent du comparateur (13) est le même qu'un état précédent, le compteur d'état est incrémenté, et si l'état pré- 30 sent du comparateur (13) est différent de l'état précédent, le compteur d'état est réinitialisé. 8. Dispositif de mesure d'écoulement d'air selon la revendication 7, caractérisé en ce que le compteur d'état est employé comme une me-sure d'erreur "e" dans un asservissement PID, 2905468 x(t)=KPe(t)+KI(Gdl-2(G(Kt)+G[(k-1)T]))+ 6DT ((e(kT)-e(k-3)+3(e(k-1)-e(k-2))) avec e(t) = Gd - G(t), en désignant par Gd un point de consigne désiré, par G(t) une mesure réelle, et par k un entier. 9. Procédé pour faire fonctionner un dispositif de mesure 5 d'écoulement d'air, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: fournir un capteur d'écoulement d'air (30); fournir un comparateur (13) pour surveiller une tension relative au capteur (30); et fournir une unité de commande (11) pour échantillonner l'état du comparateur (13), et déterminer sur la base de celui-ci un écoulement d'air détecté par le capteur 10 (30). 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce :qu'il comprend l'échantillonnage de l'état du comparateur à des intervalles sensiblement de 50 ms. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : fournir un circuit en pont (26) pour appliquer une tension au capteur d'écoulement d'air (30), et employer le comparateur (13) pour surveiller une tension du circuit en pont (26). 12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le pont comprend un pont de Wheatstone (26). 13. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend la fourniture d'un circuit d'attaque MIL (16), et en ce que le circuit en pont (26) reçoit une tension par l'intermédiaire du circuit d'attaque MIL (16). 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend l'incorporation d'un circuit de conversion de signal MIL en courant continu (22) entre le circuit en pont (26) et le circuit d'attaque MIL (16), pour convertir un signal de sortie du circuit MIL (16) en un signal de sortie sensiblement à courant continu. 15. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend l'emploi de l'unité de commande (11) pour constituer un compteur d'état, et en ce que si un état présent du comparateur (13) est le même qu'un état précédent, le compteur d'état est incrémenté, et si l'état présent du comparateur (13) est différent de l'état précédent, le compteur 5 2905468 11 d'état est réinitialisé, 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'emploi du compteur d'état comme une mesure d'erreur "e" dans un asservissement PID, x(t)=KPe(t)+KF(Gdt--(G(Kt)+G[(k-1)Tl))+ 6 ((e(kT)-e(k-3)+3(e(k-1)-e(k-2))) avec e(t) = Gd - G(t), en désignant par Gd un point de consigne désiré, par G(t) une mesure réelle, et par k un entier.