CH619775A5

CH619775A5 -

Info

Publication number: CH619775A5
Application number: CH522877A
Authority: CH
Inventors: William Albert Heske
Original assignee: Dresser Ind
Priority date: 1976-05-10
Filing date: 1977-04-27
Publication date: 1980-10-15
Also published as: SE441785B; SE7704770L; IT1077491B; BE854411A; ES458594A1; CA1090898A; DE2721491A1; US4109147A; AU505710B2; JPS52137372A; GB1557441A; NL7704483A; FR2351385B1; DE2721491C2; AU2463277A; FR2351385A1

Description

La présente invention a pour but de fournir un appareil de détection convertissant un écart de position en un signal électrique corrélé à une position donnée d'un élément indicateur de position, le dit appareil étant en très grande partie sinon complètement, exempt des imprécisions qui résultaient antérieurement des fluctuations de la température et/ou de la tension dans les dispositifs de la technique connue. L'invention a donc pour objet un appareil de détection de position tel que défini dans la revendication 1. Plusieurs formes d'exécution seront décrites en référence aux dessins annexés dans lesquels:

la Fig. 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation de l'invention;

la Fig. 2 est une représentation schématique isométrique montrant une application spécifique du mode de réalisation de l'invention représenté sur la Fig. 1 pour la mesure de la pression manométrique ou pression effective;

la Fig. 3 représente une variante du dispositif de la Fig. 2 destinée à effectuer une mesure de pression absolue;

la Fig. 4 représente une autre variante du dispositif de la Fig. 2 destinée à effectuer une mesure de pression différentielle;

la Fig. 5 montre une autre application utilisant les principes de l'invention, tels que mis en oeuvre dans le mode de réalisation de la Fig. 1, pour effectuer la mesure de température au moyen d'un élément bimétallique;

la Fig. 6 est un diagramme représentant la tension de sortie par rapport au temps d'un convertisseur analogique en numérique à intégrateur à double pente ; et la Fig. 7 est une représentation schématique d'un second mode de réalisation de l'invention.

Le mode de réalisation de l'invention représenté sur la Fig. 1 à laquelle on se référera tout d'abord comprend deux microplaquettes de diode sensible au rayonnement 10 et 12 ayant

3

619 775

chacune une surface active respective A[ et A2 déterminée avec précision. Un champ de lumière uniforme 14 est dirigé vers les diodes pour effectuer leur exposition, ce champ lumineux ayant une longueur d'onde de rayonnement choisie dans la région de sensibilité maximale ou proche de la région de sensibilité maxi- 5 male des diodes. Un volet opaque 16 transversalement mobile est disposé dans le faisceau lumineux dans une disposition dans laquelle il peut intercepter la lumière des diodes, ce volet 16 pouvant se déplacer devant la surface des diodes dans le sens de la flèche 17. Un grand nombre de mécanismes utilisateurs i» finaux peuvent être employés pour déplacer le volet 16 afin d'obtenir une lecture numérique de leur écart de position ou déviation comme on le comprendra.

Dans la condition représentée, le volet 16 est dans la position au milieu de l'échelle, le déplacement utilisable du volet 1 ^ étant limité par les dimensions physiques des diodes, les deux bords latéraux 18 et 20 du volet devant toujours être contenus à l'intérieur des surfaces actives des diodes. La position zéro est obtenue lorsque le bord gauche 18 du volet est approximativement superposé à la partie active d'extrême gauche de la diode 10, ce qui place le bord droit 20 du volet immédiatement à la droite du bord gauche de la diode 12. La position au sommet de l'échelle ou position de déviation maximale du volet 16 est obtenue à sa position extrême opposée, lorsque le bord droit 20 du volet est superposé à la partie active d'extrême droite de la 25 diode 12 et que son bord gauche 18 est situé immédiatement à la gauche du bord droit de la diode 10. Des diodes appropriées à cette fin sont les diodes mises dans le commerce sous la désignation SPX-1744 par la société Spectronics Inc. Richardson,

Texas, EUA, qui ont une réponse spectrale de 830 nanomètres i(l et qui ont une sensibilité en courant à la lumière de 2,0 microampères par microwatt par centimètre carré. Une source lumineuse constituée par une diode électroluminescente vendue sous la désignation SE 3455 par le même fabricant fournit une émission spectrale compatible. ,5

Le déplacement du volet 16 sur une partie plus ou moins importante des surfaces Aj et A2 provoque l'émission pour les diodes de signaux V! et V2 proportionnels à l'intensité du rayonnement et aux superficies respectives de chacune des surfaces qui sont exposées au rayonnement. Des signaux de 40 chacune des diodes sont fournis à un circuit 21 qui comprend un circuit additionneur 22 pour additionner les signaux et un circuit soustracteur 24 pour produire une différence des signaux afin d'émettre respectivement un signal de somme S et un signal de différence D. De préférence, des signaux d'étalonnage sont 45 ajoutés au signal D au moyen d'un circuit additionneur 26 sous forme d'un réglage de l'étendue de l'échelle ß et d'un réglage du zéro a fournis par de simples potentiomètres diviseurs de tension désignés respectivement par la référence 28 et par la référence 30. La sortie du circuit 26 est un signal d'entrée mesuré M qui est fourni à un convertisseur analogique-numérique à double rampe 32. Le signal S est, de même, appliqué au convertisseur 32 et constitue le signal d'entrée de référence de ce dernier. Le convertisseur 32, comme on le décrira plus complètement ci-après, fonctionne pour comparer le signal d'entrée mesuré M au signal d'entrée de référence S sur la base de leur rapport M/Sx constante pour produire continuellement un signal numérique 0 appliqué au dispositif d'affichage 34 et/ ou à d'autres dispositifs par une ligne de branchement 36. Les signaux appliqués au dispositif d'affichage 34 et/ou sur la ligne 60 36 de cette manière représentent avec précision la position du volet 16 par rapport aux diodes 10 et 12, à tout instant.

conversion consiste à intégrer un courant directement fonction d'une tension inconnue pendant une période de temps fixe puis à intégrer un courant étalon fonction d'une tension de référence de polarité opposée jusqu'à ce que le signal de l'intégrateur revienne à zéro. La période de temps nécessaire pour ramener à zéro le signal de sortie de l'intégrateur est directement proportionnelle au rapport du courant mesuré au cours étalon et, par conséquent, à la tension mesurée. En ce sens, l'intégrateur est un circuit qui produit un signal de sortie changeant linéairement avec le temps (habituellement un signal en rampe) lorsque son signal d'entrée est à une certaine tension constante. Le taux d'accroissement du signal de sortie de l'intégrateur est directement proportionnel à la grandeur de la tension d'entrée. Lorsque la tension d'entrée est nulle, la tension de sortie ne change pas mais reste à la valeur du signal de sortie quelle qu'elle soit qui a été atteinte au début de la période de temps.

La période de temps représentée sur la Fig. 6 est subdivisée en quatre intervalles de temps égaux t^ t2, t3 et t4 et une tension inconnue M à mesurer est appliquée à l'intégrateur pendant une période de temps fixe t^ Le cycle commence à la période de temps tj au cours de laquelle un changement linéairement croissant de la tension de sortie de l'intégrateur est obtenu jusqu'à ce qu'une tension de sortie V soit produite. A ce point dans le temps, la tension de référence S de polarité opposée est appliquée à l'entrée de l'intégrateur tandis que le signal d'entrée M est supprimé. Pendant les deux périodes de temps suivantes t2 et t3, la tension de sortie de l'intégrateur change linéairement dans le sens négatif franchissant l'axe zéro à un temps tn et intègre à la fin de la troisième période de temps une valeur de tension négative. A ce moment, la tension cesse d'être appliquée à l'entrée de l'intégrateur et son condensateur est déchargé ramenant son signal V' à zéro. Ceci achève le cycle et, à ce moment, l'intégrateur est à nouveau prêt à effectuer la conversion suivante. Si, par exemple, le signal d'entrée de référence S est maintenu à 2 volts, si le signal d'entrée mesuré M varie entre 0 et 2 volts et si la valeur numérique maximale de l'échelle est de 1,999, le signal de sortie varie entre 0 et 1,999 pour une variation mesurée de 2 volts. Si la tension du signal de référence est abaissée à 1 volt, la valeur numérique maximale de l'échelle de 1,999 est produite pour un signal d'entrée mesuré de 1 volt seulement.

Etant donné que la durée de la période de temps t] est fixe, la valeur de V' qui est obtenue est proportionnelle à la valeur du signal M qui est intégré. La pente du signal de sortie au cours de V'

• et est naturellement variable et

50

Le convertisseur 32, comme on le décrira maintenant rapidement en se référant à la Fig. 6, est un convertisseur analogi- us que-digital à double rampe bien connu décrit, par exemple, dans les brevets des EUA no 3 061 939, no 3 316 546, no 3 458 809, no 3 660 834 et no 3 566 397. Succinctement, le procédé de la période de temps t! est -j-

proportionnelle à la valeur de M. Cependant, le signal S restant

V

relativement constant, la pente de sens négatif -ï- au cours des ln intervalles de temps t2 et t3 reste également constante quelles que soient les valeurs de M et de V'. La période de temps nécessaire pour que le signal de sortie de l'intégrateur revienne de V' à zéro est proportionnelle au rapport M/S et à la durée de la période de temps constante tj de sorte que tn = tx ( ^).

L'accumulation d'impulsions dans un compteur numérique au cours de la période de temps tn produit un signal de sortie digital du compteur qui est une mesure du temps tn et, par conséquent, de la tension d'entrée M divisée par la tension de référence S. Bien que les caractéristiques de l'intégrateur soient influencées par la température, l'utilisation d'un signal de rapport proportionnel supprime ces effets de la température sur la mesure de tn-

Compte-tenu de ce qui précède, la suppression des effets de la température, des variations de la tension d'alimentation, des facteurs de vieillissement etc ... peut être mieux comprise à l'examen des considérations ci-après dans lesquelles:

619 775

4

At = la superficie exposée au rayonnement de la diode 10 Az = la superficie exposée au rayonnement de la diode 12 0 = un facteur de sensibilité global B = l'intensité de la lumière

V! = ©BAi et représente le signal de tension de sortie de la 5 diode 10

V2 = ©BA2 et représente le signal de tension de sortie de la diode 12

ß = le facteur de réglage de l'étendue de l'échelle a = le facteur de réglage du zéro 10

C = la valeur numérique du sommet de l'échelle du convertisseur 32

Avec des facteurs de sensibilité 0 identiques et une intensité lumineuse uniforme B transmise aux deux diodes 10 et 12, le signal S=0B (Aj + A2) et le signal D = 0B (Aj — A2), 15

produisent un signal d'entrée mesuré M = 0B (At — A2) + ©B (Aj + A2). Par conséquent, le signal de sortie numérique o = [

(Aj A2) (A,+A2)

ß + a] XC.

Etant donné que le signal de sortie numérique O n'est ,. fonction que du rapport entre la somme et la différence des superficies exposées At et A2, les effets défavorables des variables fluctuantes précédemment rencontrés sont directement annulés par le rapport et, de ce fait, supprimés.

Lorsque l'appareil est utilisé dans l'application pratique de ,() la Fig. 2, le volet 16 est déplacé dans une direction 17 par un tube de Bourdon 38 sensible à une condition auquel la pression de fluide à mesurer est appliquée, à l'entrée 40. Une source lumineuse 42 fournit le champ lumineux 14 et éclaire les diodes 10 et 12 d'une manière qui varie, comme décrit ci-dessus, en , fonction de l'écart de position ou déviation du volet 16.

Etant donné que le déplacement du volet 16 se produit d'une manière directement proportionnelle aux changements de la pression appliquée à l'entrée 40, le dispositif d'affichage 34 et/ou le signal de la ligne 36 représentent, à tout moment, la 4,1 valeur en cours de la pression manométrique ou pression effective qui est mesurée. Cet agencement se prête également à être utilisé pour mesurer des changements de pression appliqués à l'entrée 40 mais qui sont engendrés par un circuit fermé rempli de gaz pour la mesure de la température. Dans le mode de 45 réalisation représenté sur la Fig. 3, le tube de Bourdon 38 est rendu sensible à la pression absolue en étant monté dans un boîtier sous vide 44 dans lequel les conducteurs des signaux des diodes 10 et 12 et de la source lumineuse 42 pénètrent par une traversée étanche 46. 50

Dans le mode de réalisation représenté sur la Fig. 4, une mesure de pression différentielle est obtenue d'une manière similaire entre deux pressions d'entrée Pj et P2 qui sont respectivement appliquées à des orifices d'entrée opposés 48 et 50 d'un boîtier 52. Les pressions d'entrée respectives sont appliquées à des diaphragmes 54 et 56 qui renferment entre eux une charge de fluide transparent 58 dans laquelle les diodes 10 et 12 sont rigidement fixées. Sur la face du diaphragme 54 est monté un diaphragme de détection 60 auquel est fixé un volet opaque 16 H) en forme de L de façon à pouvoir se déplacer transversalement par rapport aux surfaces éclairées des diodes de la manière déjà décrite ci-dessus. Les conducteurs de signaux des diodes et de la source lumineuse sont introduits par une traversée étanche 62. Encore un autre mode de réalisation utilisant les concepts de la (,s présente invention a été représenté sur la Fig. 5. Dans ce mode de réalisation, le volet 16 est déplacé par un ressort bimétalliqué 64 sensible à la température en réponse aux changements de température auquel il est exposé. Dans l'application des concepts de l'invention à ces modes de réalisation, on comprendra que, étant donné que l'intégration de retour à zéro du convertisseur 32 a une durée tn, cette durée peut être convertie en une impulsion dont la durée est une mesure de la pression ou en une série d'impulsions de fréquence fixe pendant la période de temps tn. Dans ce dernier cas, le nombre des impulsions représente la mesure de la déviation du volet.

Le second mode de réalisation de la présente invention sera maintenant décrit en se référant spécifiquement à l'autre mode de réalisation représenté sur la Fig. 7. A la différence du mode de réalisation précédent, la diode 10 est éclairée uniformément sur toute sa superficie At par le champ lumineux 14, de sorte que seule la diode 12 est soumise à des changements de sa superficie exposée A2 provoqués par le volet 16 au cours de son déplacement. Du fait du faible niveau en courant des signaux de sortie des diodes, les niveaux des signaux sont respectivement élevés par des amplificateurs 66 et 68, le signal de sortie de ce dernier amplificateur représentant le signal d'entrée de référence S fourni au convertisseur. Le signal de sortie amplifié V2 de la diode 12 modifié par le signal de réglage de l'étendue de l'échelle ß et le signal de sortie amplifié Vj de la diode 10 modifié par le signal de réglage du zéro a sont fournis à un circuit additionneur 70. Le signal de sortie M du circuit 70 représente le signal d'entrée mesuré appliqué au convertisseur 32. Le convertisseur émet alors un signal de rapport numérique de la même manière que dans le mode de réalisation précédent pour représenter l'état de la position en cours du volet 16. Etant donné que le signal Vt est constant et que la déviation totale de la position du volet est représenté entièrement par le signal V2, il n'est plus besoin d'utiliser un circuit de soustraction, tel que le circuit 24 du mode de réalisation précédent.

Bien qu'elle nécessite toujours l'application d'une polarisation, basée sur un signal de référence, au signal mesuré, utilisée pour le réglage du zéro, cette solution est relativement simplifiée par rapport à celle précédemment décrite. En d'autres termes, en engendrant le signal mesuré à partir d'une unique diode au lieu d'utiliser la génération du signal au moyen de deux diodes précédemment décrite, la moitié seulement du niveau de signal est engendrée par rapport à celui du mode de réalisation précédent.

Tant que le convertisseur est un appareil monobloc, il n'est pas nécessaire que l'horloge utilisée pour compter le temps du dispositif de conversion soit extrêmement précise étant donné que les impulsions utilisées pour compter le temps du processus d'intégration sont les mêmes que celles qui fournissent les signaux d'entrée au cours de la période de temps tn de façon à ne pas avoir d'influence sur le rapport calculé. Cependant, lorsque les composants sont éloignés l'un de l'autre, un oscillateur à cristal précis (non représenté) peut être nécessaire pour assurer que le récepteur habituellement commandé par une fréquence d'horloge précise indépendante n'est pas influencé par des changements de fréquence d'une horloge émettrice qui serait, par ailleurs, imprécise. La conversion de l'impulsion en un signal de sortie en parallèle et l'affichage digital de sortie sont des techniques bien connues qui utilisent un compteur numérique classique avec des registres à bascules à verrouillage simples et de circuits de commande et de décodage qui actionnent des modules d'affichage. Sur cette base, la distance de transmission n'est limitée que par le choix approprié des amplificateurs de commande de ligne de transmission et des récepteurs de ligne de transmission. Pour la transmission d'une série d'impulsions dans laquelle le nombre des impulsions représente la déviation du volet, une synchronisation précise entre les deux extrémités de la ligne n'est pas nécessaire, étant donné qu'il suffit de compter les impulsions à l'extrémité réceptrice.

5 619 775

L'appareil décrit est relativement simple et peu onéreux à dont seulement quelques unes ont été spécifiquement mention-assembler et se prête à d'innombrables possibilités d'application nées.

C

2 feuilles dessins

Claims

619 775

2

REVENDICATIONS

1. Appareil de détection de position par mesure optique transformée en signal électrique, comprenant deux éléments (10,12) espacés l'un de l'autre comportant des surfaces d'une superficie prédéterminée sensibles à un rayonnement, chacun s des éléments étant capable d'émettre un signal électrique discret dont la grandeur est en corrélation avec la superficie relative qui est exposée au rayonnement ; une source de rayonnement pour émettre une énergie rayonnante à laquelle les surfaces des éléments sont sensibles, positionnée de façon à projeter son \ » rayonnement émis en un faisceau uniforme en direction des surfaces des éléments; et un volet (16) disposé entre la source et lesdits éléments, dans le faisceau de rayonnement, caractérisé en ce que le volet (16) est un volet opaque mobile transversalement (17) d'un bout à l'autre d'une plage de fonctionnement pour i s faire varier d'une manière relative la superficie exposée (A^ A2) de la surface d'au moins un des éléments (10,12) et en ce qu'il comporte un circuit recevant les signaux séparés de chacun des éléments, le circuit (22,24,26,32) comportant un convertisseur analogique-digital (32) émettant continuellement un signal de :o sortie correspondant à la position du volet (16) sur la plage de fonctionnement.
2. Appareil de détection de position selon la revendication

1, caractérisé en ce que le volet (16) est mobile d'un bout à l'autre d'une plage de fonctionnement à l'intérieur de la partie 25 du faisceau de rayonnement projetée vers un premier (12) seulement des éléments.
3. Appareil de détection de position selon la revendication

2, caractérisé en ce que le convertisseur analogique-digital est un convertisseur analogique-digital à double rampe (32), le signal émis (M) par le premier élément (12) constituant le signal d'entrée mesuré appliqué au convertisseur tandis que le signal émis par l'autre élément (10) représente le signal d'entrée de référence appliqué au convertisseur (32).
4. Appareil de détection de position selon la revendication 1, caractérisé en ce que le volet (16) est mobile d'un bout à l'autre d'une plage de fonctionnement à l'intérieur du faisceau de rayonnement projeté vers les deux éléments (10,12).
5. Appareil de détection de position selon la revendication

4, caractérisé en ce que ledit circuit (22,24,26,32) comporte des moyens (22) pour produire un premier signal (S) proportionnel à la somme des signaux (Vj, V2) issus des éléments (10, 12) et des moyens (24,26) pour produire un second signal (M) proportionnel à la différence entre les signaux (Vj, V2) issus desdits éléments (10,12).
6. Appareil de détection de position selon la revendication

5, caractérisé en ce que le circuit comprend un convertisseur analogique-digital à double rampe (32) l'un (S) des premier et second signaux constituant le signal d'entrée de référence fourni au convertisseur (32) tandis que l'autre des premier et second signaux constitue le signal d'entrée mesuré fourni au convertisseur.
7. Appareil de détection de position selon la revendication

6, caractérisé en ce que le convertisseur (32) est agencé pour 55 fournir un signal de sortie digital (O) en corrélation avec le rapport du signal d'entrée mesuré (M) au signal d'entrée de référence (S) appliqués au convertisseur (32).
8. Appareil de détection de position selon l'une des revendications 3,6 ou 7, caractérisé en ce que le circuit comporte des 60 moyens de réglage (28,30) qui peuvent être actionnés pour étalonner les signaux d'entrée appliqués au convertisseur (32).
9. Appareil de détection de position selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant en outre des moyens (38,54,64) sensibles à une condition, caractérisé en ce que le volet opaque <,5 (16) est couplé auxdits moyens sensibles (38,54,64) de manière que le volet (16) se déplace en réponse aux changements de la condition à laquelle lesdits moyens (38,54,64) sont sensibles.
10. Appareil de détection de position selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens sensibles à une condition comprennent un tube de Bourdon (38).
11. Appareil de détection de position selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens sensibles à une condition comprennent un dispositif sensible à une pression différentielle (54,56).
12. Appareil de détection de position selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens sensibles à une condition comprennent un élément sensible à la température (64).

45

Le domaine technique auquel la présente invention se rapporte est celui des mesures et des essais dans lesquels des signaux électriques sont engendrés en fonction de changements détectés photo-électriquement.

Les instruments de mesure capables de convertir ou de traduire un déplacement en des données compréhensibles utilisables sont très largement employés dans d'innombrables applications. Des concepts photo-optiques utilisables à cette fin sont, de même, décrits dans de nombreux brevets, dont les brevets des EUA no 2 651 019, no 3 444 348, no 3 480 781 et no 3 742 233 constituent des exemples.

D'une manière habituelle, de tels détecteurs de position de la technique antérieure ont utilisé un unique photo-détecteur en combinaison avec une source lumineuse. On sait, cependant, que le détecteur ou la source lumineuse, ou les deux, sont sensibles aux fluctuations de la température, la tension ou analogue auxquelles l'équipement est exposé en fonctionnement. De telles fluctuations, lorsqu'elles se produisent, peuvent introduire des erreurs non négligeables qui ont des effets défavorables sur la précision des signaux de sortie du dispositif. Cependant, bien que le problème ait été reconnu, on n'a pas su jusqu'à présent comment protéger les dispositifs antérieurs contre ces effets.