Brevet FR3005165A1 — publié le 20141031

La présente invention concerne un dispositif d'acquisition différentielle et un procédé de commande d'un tel dispositif d'acquisition. Il est connu des chaînes d'acquisition de charge qui sont raccordées aux bornes de capteurs comme par exemple des accéléromètres. Une telle chaîne d'acquisition comprend générale- ment un amplificateur de charge relié en entrée au cap- teur et en sortie par exemple à un intégrateur relié à un élément de filtrage. Il est ainsi réalisé une acquisition différentielle de courant permettant de fournir un signal exploitable pour déterminer la grandeur détectée par le capteur. Lorsque le capteur est monté pour fournir un si- gnal quand survient un évènement particulier, comme une défaillance ou une vibration d'un appareil équipé du cap- teur, l'absence de signal en sortie de la chaîne d'acquisition peut résulter soit de l'absence de l'évènement en question, soit d'une défaillance (court- circuit, circuit ouvert.") de la chaîne d'acquisition et/ou du capteur. Il est connu du document US-A-8 099 993 un procé- dé pour détecter la défaillance d'un accéléromètre auquel est reliée une chaîne d'acquisition de tension. Le procé- dé consiste à injecter un signal de tension à haute fré- quence sur la borne positive de l'accéléromètre et à observer le signal présent en retour sur la borne négative du capteur pour le comparer au signal injecté et en déduire l'absence ou l'existence d'une défaillance du cap- teur. Un tel procédé n'est cependant pas utilisable avec toutes les chaînes d'acquisition. En effet, l'injection d'un signal de tension n'est pas adaptée à une chaîne d'acquisition différentielle de courant du fait de l'existence d'une masse virtuelle. Un but de l'invention est de proposer un moyen pour détecter une défaillance dans une chaîne d'acquisition différentielle. A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un dispositif d'acquisition différentielle de courant, com- prenant une chaîne d'acquisition comportant un amplificateur de charge relié, en entrée, à des bornes de raccordement à un composant émetteur de signaux et, en sortie, à un intégrateur. Une unité d'injection d'un signal de charge est montée entre les bornes et l'amplificateur de charge et est reliée à une unité de commande reliée à une sortie de la chaîne d'acquisition, l'unité de commande est agencée pour commander l'injection d'un signal de charge, détecter en sortie de la chaîne d'acquisition un signal résultant et analyser le signal résultant. L'analyse est par exemple une comparaison du signal résultant au signal injecté. Le composant émetteur est par exemple un capteur. L'injection d'un signal de charge (comme signal de test) en amont de l'amplificateur de charge et la comparaison du signal de charge avec le signal résultant obtenu en sortie de la chaîne d'acquisition permet de détecter des défaillances de la chaîne d'acquisition. Par exemple, des défaillances de la chaîne d'acquisition sont détectées au moyen de signaux de test injectés en mode différentiel en isolant le composant émetteur de la chaîne d'acquisition et les courts-circuits à la masse externes à la chaîne d'acquisition sont détectées au moyen des signaux de test injectés en mode commun. L'invention a également pour objet un procédé de commande d'un tel dispositif d'acquisition. Le procédé comprend une phase d'acquisition nominale dans laquelle un signal en provenance du composant émetteur est amplifié de manière différentielle puis intégré pour fournir en sortie de la chaîne d'acquisition un signal de mesure. Le procédé comporte une phase de détection de panne qui comprend les étapes : - d'injecter au moins un signal sinusoïdal de charge entre les bornes de raccordement au composant émetteur et l'amplificateur de charge, - prélever un signal résultant en sortie de la chaîne d'acquisition, - analyser le signal résultant pour déterminer un état de fonctionnement de la chaîne d'acquisition. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif d'acquisition conforme à un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue de détail de ce dispo- sitif d'acquisition, - la figure 3 est une vue analogue à la figure 1 du dispositif d'acquisition conforme à un deuxième mode de réalisation, - la figure 4 est une vue analogue à la figure 1 d'une variante du deuxième mode de réalisation de l'invention. L'invention est ici décrite en relation avec la détection de vibration au moyen d'au moins un accéléromè- tre. L'accéléromètre fournit un signal dont la charge électrique et représentative de l'accélération, signal qui est amplifié avant d'être intégré pour obtenir un signal de sortie représentatif de la vitesse. L'accéléromètre est par exemple fixé sur un appareil susceptible de vibrer, comme par exemple un moteur ou la structure d'un aéronef. En référence aux figures, l'accéléromètre 1 est relié à un dispositif d'acquisition comprenant une chaîne d'acquisition généralement désignée en 10. L'invention s'applique à tout type de capteur et plus généralement à tout type de chaîne d'acquisition différentielle de charge ou de courant. La chaîne d'acquisition 10 comprend un amplificateur de charge 20, ici monté en amplificateur différentiel intégrateur, relié en entrée à l'accéléromètre 1 et en sortie à un intégrateur 30. L'amplificateur de charge 20 et l'intégrateur 30 sont de constitution classique et ne seront pas détaillés ici. L'amplificateur de charge 20 a une impédance d'entrée proche de 0 Ohm. L'intégrateur 30 a une sortie reliée à un filtre anti-repliement 40 lui-même relié à une unité de commande 50 via un convertisseur analogique numérique ici intégré à l'unité de commande 50. L'unité de commande 50 est agencée de manière connue en elle-même pour mener une phase d'acquisition nominale dans laquelle un signal en provenance de l'accéléromètre 1 est amplifié de manière différentielle puis intégré pour fournir en sortie du filtre anti-repliement un signal de mesure qui pourra être exploité soit par l'unité de commande 50 elle-même soit par un dispositif relié à l'unité de commande 50. L'unité de commande 50 peut être dédiée à une ou plu- sieurs chaînes d'acquisition ou faire partie d'un ensemble de commande plus important comme le FADEC dans le cas où le dispositif est embarqué sur un aéronef pour surveiller le fonctionnement d'un moteur de l'aéronef. La chaîne d'acquisition 10 est ainsi agencée pour recevoir en entrée un signal représentatif de l'accélération à laquelle est soumis l'accéléromètre 1 et fournir en sortir un signal représentatif de la vitesse à laquelle est soumis l'accéléromètre 1. Bien entendu, dans le cadre de l'invention, il est possible d'omettre l'intégrateur 30 si l'on ne s'intéresse qu'à l'accélération, ou d'utiliser deux intégrateurs 30 successifs si l'on s'intéresse à la position. En utilisant deux intégrateurs 30 successifs, il est également possi- ble de prélever le signal en sortie de l'amplificateur de charge 20 et de chacun des intégrateurs 30 de manière à obtenir trois signaux représentatifs respectivement de l'accélération, de la vitesse et de la position. Plus précisément, la chaîne d'acquisition 1 com- prend deux branches d'entrée s'étendant entre des bornes 5 de raccordement à l'accéléromètre 1 et des entrées de l'amplificateur de charge 20. Deux condensateurs 15 sont montés chacun sur une des branches d'entrée. Conformément à l'invention, une unité 100 d'injection d'un signal de test est montée en amont de l'amplificateur de charge 20 et des condensateurs 15, et est reliée à l'unité de commande 50. L'unité de commande 50 est agencée pour commander l'injection d'un signal sinusoïdal de charge constituant le signal de test, détec- ter en sortie de la chaîne d'acquisition 10 un signal ré- sultant et comparer le signal résultant au signal de test injecté. Plus précisément, dans le premier mode de réali- sation de l'invention et en référence aux figures 1 et 2, l'unité d'injection 100 comprend un organe de multi- plexage 110. L'organe de multiplexage 110 comporte des commutateurs 111 qui sont montés chacun sur une des branches d'entrée entre une des bornes 5 et un des condensateurs 15 et qui possèdent un état passant et un état blo- qué. L'organe de multiplexage 110 est relié à l'unité de commande 50 pour sélectivement connecter les bornes 5 aux condensateurs 15, et donc à l'amplificateur de charge 20, et isoler les bornes 5 des condensateurs 15, et donc de l'amplificateur de charge 20. L'unité d'injection 100 est reliée à une source de tension, ici un convertisseur numérique analogique 55 commandé par l'unité de commande 50, en sortie duquel sont raccordées deux lignes 101, 102 reliées chacune à une des branches d'entrée de la chaîne d'acquisition en- tre le commutateur 111 et le condensateur 15. Les lignes 101, 102 comportent chacune un condensateur 103, 104 respectivement. La ligne 102 est divisée en deux branches 102.1, 102.2 reliées à un commutateur 106 qui est monté en amont du condensateur 104 et qui possède un premier état de commutation et un deuxième état de commutation pour sélectivement raccorder au condensateur 104 soit la branche 102.1 soit la branche 102.2. Le commutateur 106 est relié à l'unité de commande 50 pour être commandé par celle-ci entre ses deux états de commutation. La branche 102.1 relie directement le commutateur 106 à la sortie du convertisseur numérique analogique 55 et la branche 102.2 relie le commutateur 106 à la sortie du convertisseur numérique analogique 55 via un inverseur 108. On comprend que lorsque le commutateur est dans son premier état de commutation, l'unité d'injection est agencée pour injec- ter le signal de charge en mode commun tandis que, lorsque le commutateur est dans son deuxième état de commutation, l'unité d'injection est agencée pour injecter le signal de charge en mode différentiel. Le dispositif d'acquisition est commandé selon le procédé suivant, qui comprend une phase d'acquisition nominale et une phase de détection de panne. Dans la phase d'acquisition nominale, un signal en provenance de l'accéléromètre 1 est amplifié de ma- nière différentielle puis intégré pour fournir en sortie de la chaîne d'acquisition un signal de mesure. Lors de phase de détection, le procédé comprend les étapes de : - injecter le signal de test entre les bornes 5 et les condensateurs 15, - prélever un signal résultant en sortie de la chaîne d'acquisition 10, - comparer le signal résultant au signal de test injecté pour déterminer un état de fonctionnement de la chaîne d'acquisition 10. Dans le procédé de l'invention se succèdent deux phases de détection. La première phase de détection est réalisée durant une phase d'initialisation précédant la phase d'acquisition nominale et la deuxième phase de dé- tection est réalisée pendant la phase d'acquisition nomi- nale. Le dispositif d'acquisition de l'invention incorpore donc des moyens de son diagnostic (en utilisation embarquée sur un aéronef, on parle de PBIT de l'anglais « power-on built-in test » pour la phase de détection ef- fectuée à la mise en route de la chaîne d'acquisition et de CBIT de l'anglais « continuous built-in test » pour la phase de détection effectuée en continu. Lors de la première phase de détection, l'unité de commande 50 pilote les commutateurs 111 dans leur état bloqué pour isoler la chaîne d'acquisition 10 de l'accéléromètre 1 et le commutateur 106 dans son deuxième état de commutation pour injecter le signal de test en mode différentiel. Le signal de test est injecté lors d'une étape d'injection et le signal résultant est prélevé lors d'une étape d'écoute. Ces deux étapes sont menées simultanément. Une panne de la chaîne d'acquisition entraîne un niveau du signal résultant différent du niveau attendu. Lors de la deuxième phase de détection, l'unité de commande 50 pilote les commutateurs 111 dans leur état passant pour raccorder la chaîne d'acquisition 1 à l'accéléromètre 1 et le commutateur 106 dans son premier état de commutation pour injecter de manière périodique le signal de test en mode commun. Le signal résultant est extrait d'un signal de sortie de la chaîne d'acquisition 10, le signal de sortie comportant le signal résultant et le signal de mesure. Le signal de test est injecté lors d'une étape d'injection et le signal résultant est prélevé lors d'une étape d'écoute. Les deux signaux sont comparés. Une panne engendre une dissymétrie sur l'amplitude du signal résultant. Si les connections à l'accéléromètre 1 sont symétriques, c'est-à-dire s'il n'y a ni circuit ouvert ni court-circuit à la masse, il n'y aura pas de différence significative détectée lors de la soustraction du signal d'une branche d'entrée du signal de l'autre branche d'entrée. En cas de panne, un signal à la fréquence du signal de test va apparaître à la sortie de l'amplificateur de charge 20 révélant ainsi un dysfonc- tionnement de l'accéléromètre 1. La fréquence du signal de test est choisie dans une plage de fréquences telle que : - cette plage de fréquences soit située hors de la plage de fréquences des vibrations à détecter en mode nominal d'acquisition, - ces fréquences soient inférieures à la fréquence de résonance de l'accéléromètre 1, - ces fréquences soient inférieures à la fréquence du filtre anti-repliement 40. De préférence, les signaux de test en mode commun sont injectés périodiquement de manière à éviter une fausse détection de panne en : - distinguant le signal de test d'une harmonique du signal en provenance de l'accéléromètre 1, - distinguant le signal de test d'une perturba- tion électromagnétique. En variante encore, lors de la phase de détection se déroulant au cours de la phase d'acquisition nominale, le procédé comprend une étape d'injection d'un signal de test en mode commun et une étape d'injection de signal de test en mode différentiel, les étapes d'injection de signal se suivant avec une étape d'écoute pour le prélèvement des signaux résultant. L'unité de commande 50 comprend alors avantageusement un organe de filtrage pour extraire, d'un signal de sortie de la chaîne d'acquisition, le signal résultant de l'injection de chacun des signaux de test et un signal de mesure. De préférence, la comparaison comprend une vérification d'une cohérence de phase entre le signal de test et le signal résultant. Ceci permet de s'assurer que le signal résultant est bien celui correspondant au signal de test et non un bruit. Avantageusement, on peut définir un seuil de variation d'amplitude en-dessous duquel la vérification de cohérence n'est pas nécessaire. Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre sans modification de l'accéléromètre 1 et avec des modifications limitées de la chaîne d'acquisition sur le plan du hardware par rapport aux chaînes d'acquisition existante. Les éléments identiques ou analogues à ceux pré- cédemment décrits porteront la même référence numérique dans la description qui suit du deuxième mode de réalisation. Le procédé du deuxième mode de réalisation com- prend deux phases de détection identiques à celles précé- demment décrites. En outre, dans le procédé selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, la phase d'initialisation est utilisée pour réaliser une opération de compensation visant à éliminer les erreurs de gain des intégrations. On s'est en effet aperçu que les imprécisions de la chaîne d'acquisition sont principalement dues aux intégrations. Le procédé de l'invention comprend donc une phase d'initialisation comportant des étapes de : - mesurer des gains des intégrations (celle effectuée lors de l'amplification de charge comprise), - déterminer au moins un coefficient de compensa- tion en fonction des gains mesurés, - appliquer le coefficient de compensation au signal de mesure. L'étape de mesure des gains des intégrations est réalisée en injectant un signal de calibration en amont de l'amplificateur de charge 20 en ayant préalablement déconnecté l'accéléromètre 1 et la chaîne d'acquisition 10. Le signal de calibration est un signal sinusoïdal de charge comme les signaux de test évoqués plus haut. Sa fréquence est déterminée de telle manière que les inté- grations aient un gain proche de 1. On compare ensuite le signal sinusoïdal de charge avec un signal résultant pré- levé en sortie de la chaîne d'acquisition pour en déduire le gain d'intégration et le gain de compensation. La chaîne d'acquisition 10 du deuxième mode de réalisation est globalement identique à celle du premier mode de réalisation. Sur la figure 3, on peut ainsi voir successive- ment l'unité 100 d'injection du signal avec le multi- plexeur 110 et le convertisseur numérique analogique 55, l'amplificateur de charge 20, l'intégrateur 30 et le fil- tre anti-repliement 40 relié à l'unité de commande 50. Toutefois, au lieu d'être relié directement au convertisseur analogique numérique 65 de l'unité de com- mande 50 comme dans le premier mode de réalisation, le filtre anti-repliement 40 est relié à une première entrée d'un deuxième multiplexeur 210 qui a une sortie reliée au convertisseur analogique numérique 65 de l'unité de commande 50 et une deuxième entrée reliée à la sortie du convertisseur numérique analogique 55. Le multiplexeur 210 a un premier état de commutation dans lequel il rac- corde le filtre anti-repliement 40 au convertisseur analogique numérique 65 de l'unité de commande 50 et un deuxième état de commutation dans lequel il raccorde le convertisseur numérique analogique 55 au convertisseur analogique numérique 65 de l'unité de commande 50. Lors de l'étape d'injection du signal de calibration, l'unité de commande 50 pilote les commutateurs 111 dans leur état bloqué et le multiplexeur 210 dans son deuxième état de connexion puis commande l'injection du 10 signal de calibration. L'unité de commande 50 pilote en- suite le multiplexeur 210 dans son premier état de commutation. Ainsi, le convertisseur analogique numérique de l'unité de commande 50 va recevoir successivement le si- 15 gnal de calibration d'origine (via la deuxième entrée du multiplexeur 210) et le signal résultant correspondant au signal de calibration après passage dans la chaîne d'acquisition 10 (via la première entrée du multiplexeur 210). L'unité de commande 50 va calculer un ratio des 20 deux signaux et divise ce ratio par le gain nominal théo- rique de la chaîne d'acquisition à la fréquence donnée pour obtenir un coefficient de compensation. L'étape de compensation est réalisée en continu pendant la phase d'acquisition nominale. Chaque signal de 25 mesure récupéré par l'unité de commande 50 est alors cor- rigé avec le coefficient de compensation préalablement déterminé. La réalisation de l'étape de détection de gain pendant la phase d'initialisation permet de compenser les 30 dispersions initiales ainsi que les erreurs liées au vieillissement des composants. On estime qu'ainsi, environ la moitié de l'erreur globale est compensée. Dans la variante de la figure 4, l'étape de dé- tection de gain est effectuée également en continu pen- 35 dant la phase d'acquisition nominale de manière à pouvoir compenser également les erreurs causées par les variations de température. On estime qu'ainsi, environ les trois-quarts de l'erreur globale sont compensés. Dans cette variante, il est prévue au sein de l'unité de commande 50 deux branches en sortie du conver- tisseur analogique numérique, à savoir une branche pourvue d'un filtre coupe-bande 60 permettant d'isoler le signal de mesure et une branche pourvue d'un filtre passe-bande 70 permettant d'isoler le signal résultant du si- gnal de calibration. L'exploitation du signal résultant du signal de calibration est identique à celle du deuxième mode de réalisation, ce qui permet de mettre à jour en continu le coefficient de compensation. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, la chaîne d'acquisition peut avoir une structure différente de celle décrite et incor- porer par exemple des moyens de filtrage supplémentaires, des moyens de protection contre la foudre, une self de mode commun en entrée de l'amplificateur de charge (dans ce cas, l'injection du signal de test est effectuée en amont de la self de mode commun)... L'organe de multi- plexage 110 peut en outre être omis. Les étapes de détection et d'écoute peuvent être simultanées ou non, continues ou périodiques. En variante, la phase de compensation est réali- sée hors de la phase d'acquisition nominale. L'analyse du signal résultant peut être une comparaison directe, analogique ou numérique, du signal résultant avec le signal injecté. L'analyse peut également être une comparaison indirecte consistant à déterminer au moins une caractéristique du signal résultant et à la comparer avec une caractéristique attendue préalablement déterminée en fonction du signal injecté. REVENDICATIONS1. Dispositif d'acquisition différentielle de courant, comprenant une chaîne d'acquisition comportant un amplificateur de charge relié, en entrée, à des bornes de raccordement à un composant émetteur de signaux et, en sortie, à un intégrateur, caractérisé en ce qu'une unité d'injection d'un signal de charge est montée entre les bornes et l'amplificateur de charge et est reliée à une unité de commande reliée à une sortie de la chaîne d'acquisition, l'unité de commande est agencée pour commander l'injection d'un signal de charge, détecter en sortie de la chaîne d'acquisition un signal résultant et analyser le signal résultant. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans le- quel l'unité d'injection est agencée pour injecter le signal de charge en mode commun. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'unité d'injection est agencée pour injecter le si- gnal de charge en mode différentiel. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'unité d'injection comprend une voie d'injection en mode commun et une voie d'injection en mode différentiel, et un commutateur piloté par l'unité de commande pour sé- lectionner l'une ou l'autre des voies d'injection. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'unité d'injection comprend un organe de multiplexage relié à l'unité de commande pour sélectivement connecter les bornes à l'amplificateur de charge et iso- ler les bornes de l'amplificateur de charge. 6. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'unité d'injection comprend un convertisseur numérique analogique ayant une entrée reliée à l'unité de commande et une sortie reliée en entrée de l'amplificateur de charge. 7. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'unité de commande comprend un organe de filtrage pour extraire d'un signal de sortie de la chaîne d'acquisition le signal résultant et un signal de mesure. 8. Procédé de commande d'un dispositif d'acquisition différentielle de courant selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une phase d'acquisition nominale dans laquelle un signal en provenance du composant émetteur est amplifié de manière différentielle puis intégré pour fournir en sortie de la chaîne d'acquisition un signal de mesure, caractérisé en ce que le procédé comporte une phase de détection de panne qui comprend les étapes - d'injecter au moins un signal sinusoïdal de charge en amont de l'amplificateur de charge, - prélever un signal résultant en sortie de la chaîne d'acquisition, - analyser le signal résultant pour déterminer un état de fonctionnement de la chaîne d'acquisition. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la phase de détection est réalisée pendant la phase d'acquisition nominale et le signal résultant est extrait d'un signal de sortie de la chaîne d'acquisition, le signal de sortie comportant le signal résultant et le si- gnal de mesure. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'injection de signal est réalisée de manière périodique. 11. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la phase de détection est réalisée hors de la phase d'acquisition nominale. 12. Procédé selon la revendication 8, comprenant une étape d'injection de signal de charge en mode commun et une étape d'injection de signal de charge en mode différentiel, les étapes d'injection de signal se suivant avec une étape de d'écoute pour le prélèvement des si-gnaux résultant. 13. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l'analyse comprend une vérification d'une cohérence de phase entre le signal injecté et le signal résultant. 14. Procédé selon la revendication 8, comprenant une phase de compensation comportant les étapes de : - mesurer un gain d'intégration, - déterminer au moins un coefficient de compensation en fonction des gains mesurés, - appliquer le coefficient de compensation au si- gnal de mesure. 15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel la mesure du gain d'intégration est réalisée en injectant un signal sinusoïdal de charge en amont de l'amplification et de comparer le signal sinusoïdal de charge avec un signal résultant prélevé en sortie de la chaîne d'acquisition pour en déduire le gain d'intégration et le gain de compensation. 16. Procédé selon la revendication 15, dans le- quel la phase de compensation est réalisée pendant la phase d'acquisition nominale et le signal résultant est extrait d'un signal de sortie de la chaîne d'acquisition, le signal de sortie comportant le signal résultant et le signal de mesure. 17. Procédé selon la revendication 15, dans le- quel la phase de compensation est réalisée hors de la phase d'acquisition nominale.