CH675487A5

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Info

Publication number: CH675487A5
Application number: CH4207/87A
Authority: CH
Inventors: Robert S Djorup
Original assignee: Djorup Robert Sonny
Priority date: 1986-10-30
Filing date: 1987-10-27
Publication date: 1990-09-28
Also published as: FI92631B; DE3736709A1; FI874766A; US4794794A; FR2606142A1; FI874766A0; FR2606142B1; CA1319533C; JPH0769340B2; JPS63172968A; FI92631C

Description

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Description

La présente invention concerne d'une façon générale un instrument à transducteur comportant un transducteur électrique à sortie analogique, et en particulier un anémomètre thermique comportant un pont transducteur électrique d'anémomètre à température constante commande par rétroaction.

Les anémomètres thermiques de ce genre servent à déterminer le mouvement d'une masse de fluide entourant un élément capteur d'anémomètre à température constante, formant un élément de transducteur. L'invention a notamment pour objet des moyens pour numériser le signal de sortie du transducteur, des moyens pour linéariser ce signal, ainsi que la fourniture de signaux électriques de sortie à la fois sous une forme numérique et sous une forme analogique. L'invention fournit des moyens pour traiter les signaux de sortie d'un transducteur à élément capteur simple, unipolaire ou à élément capteur double bipolaire, avec un nombre minimal d'opérations et de composants du circuit électrique.

L'utilisation de fils et films chauffés électriquement comme transducteurs d'anémomètres à température constante est bien connue dans l'état de la technique. Dans ces dispositifs, un élément résistant chauffé sert d'élément capteur et l'on utilise sa géométrie pour définir sa réponse à l'orientation spatiale de l'écoulement du fluide incident. Les applications les plus courantes concernent la mesure de l'écoulement de l'air. L'élément capteur présente un coefficient de température de la résistance électrique. On le maintient à une résistance constante, et donc à une température constante, en l'utilisant comme un élément d'un circuit électrique en pont commandé par rétroaction. Un exemple d'un tel circuit d'anémomètre a température constante selon l'art antérieur est illustré en fig. 1, dans laquelle un élément capteur simple porte la référence 10 et forme une branche d'un pont de Wheatstone à quatre branches qui est complété par des résistances 11,12 et 13. Un amplificateur différentiel 14 est connecté aux bornes 15 et 16 du pont afin de déterminer l'équilibre du pont ou un signal différentiel, et la sortie 17 de l'amplificateur 14 est raccordée au pont pour assurer l'excitation de ce pont. Pour des raisons de clarté des dessins, les connexions d'alimentation électrique ne sont pas représentées dans cette figure et dans les suivantes. Le signal de sortie 17 qui est résulte est unipolaire et a priori non linéaire, s'agissant d'un signal contenant trois composantes. Celles-ci sont: un terme qui est approximativement fonction de la racine quatrième de la vitesse moyenne d'écoulement, un terme constant qui est le signal de chauffage au repos quand la vitesse d'écoulement est nulle, et une composante de turbulence qui résulte des fluctuations de l'écoulement. Des exemples de transducteurs d'anémomètres à température constante et à sortie simple unipolaire, ainsi que de circuitsponts utilisés avec ces transducteurs, sont décrits dans les brevets US-3 220 255; 3 352 154; 3 363 462; 3 900 819; 3 991 624; 4 373 387; 4 503 706 et 4 523 462.

Les brevets US- 3 220 255 et 3 363 462 décrivent en détail la non-linéarité du signal de sortie d'un pont d'anémomètre à température constante et à sortie simple, et ils montrent des moyens pour traiter le signal analogique de manière à délivrer un signal de sortie linéarisé.

Un exemple connu de fonctionnement bipolaire d'un transducteur d'anémomètre à température constante est représenté en fig. 2, dans laquelle deux éléments capteurs résistifs 10a et 10b connectés en série délivrent une sortie bipolaire non linéaire. Les deux éléments capteurs 10a et 10b forment avec des résistances 18 et 19 un second pont de Wheatstone qui occupe la place de l'élément capteur simple 10 de la fig. 1. Un amplificateur différentiel 22, connecté aux bornes 20 et 21, fournit un signal composé de sortie de pont 23 qui contient le terme non linéaire susmentionné représentatif de la vitesse moyenne d'écoulement, avec un signe de polarité implicite et une composante de turbulence, mais sans terme constant. Des exemples de transducteurs d'anémomètres à temperature constante à sortie différentielle bipolaire, ainsi que des circuits-ponts fonctionnant avec eux, sont décrits dans le brevet US-4 279 147. Des exemples d'utilisation d'un signal de pont unipolaire avec des transducteurs d'anémomètres à température constante ayant une sortie comportant un signe séparé, ainsi que des circuits pour le fonctionnement d'un tel pont, figurent dans les brevets US-3 352 154; 3 900 819; 3 991 624; 3 995 481; 4 024 761 et 4206 638.

La présente invention a pour but de perfectionner de tels anémomètres à température constante, et d'une manière plus générale un instrument à transducteur à sortie analogique, grâce à la numérisation des signaux de sortie du transducteur et à une linéarisation de ces signaux, ainsi qu'à des moyens pour fournir un signal analogique linéaire à la sortie de l'instrument.

A cet effet, un instrument selon l'invention est caractérisé en ce que:

(a) un signal électrique de sortie du transducteur est transmis en parallèle à des premières entrées de plusieurs comparateurs de niveau,

(b) les secondes entrées desdits comparateurs sont connectées à des prises respectives échelonnées sur un réseau résistif diviseur de tension de référence,

(c) le réseau diviseur de tension est branché entre deux sources de potentiels différents, et

(d) les sorties respectives parallèles desdits comparateurs délivrent, par comparaison des niveaux analogiques de leurs premières entrées avec des niveaux de référence, des signaux binaires formant une indication numérique de la grandeur physique d'entrée du transducteur.

Une forme de réalisation de l'instrument comporte en outre un comparateur dont les entrées sont connectées respectivement au potentiel de la terre et à une sortie du transducteur, de manière à fournir une

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sortie binaire représentant le signe d'une polarité.

De préférence, l'instrument comporte en outre un amplificateur de sortie avec un atténuateur de signal d'entrée à sélection d'entrées, commandé par les sorties desdits comparateurs, et lesdites sorties des comparateurs actionnent des interrupteurs respectifs pour relier des bornes échelonnées sur l'atténuateur à un potentiel fixe de référence quand chacun desdits comparateurs change d'état, en passant d'un signal de sortie minimum à un signal de sortie maximum ou inversement, en fonction du signal électrique de sortie du transducteur, de manière à produire à la sortie de l'amplificateur un signal analogique représentatif du signal de sortie du transducteur. De préférence, cet instrument comporte en outre au moins un comparateur dont les entrées sont connectées respectivement au potentiel de la terre et à une sortie du transducteur, de manière à fournir une sortie binaire représentant le signe d'une polarité, et ledit comparateur commande un commutateur de sélection pour sélectionner l'un de deux potentiels de référence de polarités différentes, en fonction du signe de polarité d'un signal de sortie du tranducteur, de manière à fournir à la sortie de l'amplificateur un signal analogique bipolaire représentatif du signal de sortie du transducteur.

Dans toutes les formes de réalisation susmentionnées de l'invention, l'instrument peut être un anémomètre thermique dont ledit transducteur électrique est formé par un pont.

Ainsi, un anémomètre linéaire à température constante selon la présente invention utilise un signal non linéaire produit dans un circuit-pont, ce signal étant transmis aux premières entrées d'un groupe parallèle de comparateurs de tension dont les secondes entrées sont connectées à un réseau résistant non linéaire diviseur de tension qui est excité par une tension de référence pouvant définir le niveau maximal de sortie de l'anémomètre à pleine charge. La combinaison des comparateurs, du diviseur de tension de référence et d'un circuit-pont d'anémomètre à température constante et à élément capteur simple constitue un anémometre linaire simple à température constante. Un fonctionnement bipolaire de l'instrument peut être obtenu par l'utilisation d'un comparateur additionnel qui commande le signe de la sortie par commutation de la source de tension de référence lorsque l'écoulement incident change de sens, ce qui change la polarité d'un signal détecté dans un circuit-pont d'anémomètre à température constante pourvu d'un élément capteur double.

Les sorties des comparateurs peuvent être binaires, c'est-à-dire formées par l'un ou l'autre de deux états que l'on peut appeler numériquement «un» ou «zéro». On utilise des commutateurs commandés par les comparateurs pour connecter de manière sélective des résistances à l'entrée d'un amplificateur opérationnel, afin de modifier le gain de celui-ci en fonction de la valeur codée numériquement fournie par les comparateurs. Chaque interrupteur est connecté à la même tension de référence que celle du réseau diviseur de tension, afin de maintenir la cohérence du signe et le facteur d'échelle de la sortie analogique. Par conséquent, le signal anémométrique créé par le vent actionne successivement les comparateurs, au fur et à mesure de son accroissement, et ceux-ci à leur tour connectent des résistances sélectionnées entre une source de tension de référence fixe et l'entrée d'un amplificateur de sortie. De la sorte, on produit un signal anémométrique numérique, on utilise des moyens numériques pour linéariser ce signal et l'on génère en même temps un signal anémométrique de sortie qui est linéaire et analogique, avec un nombre minimal de composants et d'étapes de traitement du signal.

Habituellement, quand un signal brut non linéaire à la sortie d'un transducteur doit être numérisé, le projeteur recourt à un encombrant convertisseur analogique/numérique du type connu et, si un traitement ultérieur tel qu'une linéarisation est nécessaire, à un microprocesseur ou à des circuits de calcul spéciaux combinés à une mémoire numérique et à des circuits de programmation. En d'autres termes, il emploie un système calculateur miniature polyvalent ou presque universel pour résoudre un problème spécifique et restreint. La solution du problème arithmétique est alors constituée par un algorythme de calcul soigneusement mis au point qui résout ce cas spécial au moyen d'une solution à usage général. Au contraire, la présente invention est une solution simple et directe qui traite uniquement le problème de linéariser et traiter directement un signal brut non linéaire de sortie d'un transducteur, et en même temps de fournir un organe intermédiaire numérique pour effectuer des opérations extérieures sur les données. C'est une solution orientée vers un problème spécifique qui se présente dans beaucoup de types d'instruments à transducteur.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés, dans lesquels:

la fig. 1 représente une forme connue d'un circuit électrique à pont commandé par rétroaction dans un anémomètre à température constante avec une sortie unipolaire obtenue au moyen d'un unique élément capteur,

la fig. 2 représente une forme connue d'un circuit électrique a pont commandé par rétroaction dans un anémomètre à température constante, avec une sortie bipolaire obtenue au moyen d'une paire d'éléments capteurs différentiels,

la fig. 3 représente une forme de réalisation préférée de la présente invention, prévue pour un fonctionnement unipolaire,

la fig. 4 est un diagramme représentant d'une part la relation non linéaire entre le signal de sortie d'un circuit-pont d'anémomètre à température constante à élément capteur unique et la vitesse du vent sur l'élément capteur, et d'autre part un signal de sortie linéaire qu'on veut obtenir, et

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la fig. 5 représente une forme de réalisation d'un circuit additionnel qui est utilisé dans la présente invention pour obtenir un fonctionnement bipolaire.

En référencé aux dessins, et en particulier à la fig. 3, la référence 30 désigne une borne recevant le signal d'entrée d'un groupe de comparateurs parallèles 1, 2 à n. On peut prévoir n'importe quel nombre de comparateurs dans ce groupe en fonction du pouvoir séparateur voulu, mais on n'en a représenté que trois dans cet exemple. Le signal d'entrée unipolaire 30 peut être prélevé sur la borne de sortie 17 du pont d'anémomètre illustré en fig. 1 et, dans cet exemple, on considère qu'il est défini comme positif. L'autre entrée de chaque comparateur 1, 2, n est connectée à un diviseur de tension à résistances en série 31, 32, 33 qui est branché entre la terre et une tension de référence positive d'entrée fournie en 34. La tension de référence 34 doit être supérieure à la valeur maximale du signal d'entrée délivré en 30 par le pont de l'anémomètre, afin que le comparateur n puisse servir à déterminer quand l'anémomètre atteint ou dépasse son indication maximale. Les connexions de tension divisée pour les comparateurs 1, 2, n sont des bornes respectives 35, 36, 37 échelonnées le long du diviseur de tension. Si la tension de référence en 34 est de polarité positive, la sortie des comparateurs sera au niveau «0» jusqu'à ce que l'amplitude positive du signal d'entrée 30 dépasse respectivement les niveaux de tension définis par les résistances 31, 32, 33 du diviseur sur les bornes 35, 36, 37 raccordées aux entrées de référence des comparateurs 1, 2, n. Quand le signal 30 dépasse le niveau de référence d'un comparateur, la sortie de celui-ci change d'état et devient un «1 » logique à la sortie respective 38, 39, 40. Quand l'amplitude du signal d'entrée redescend, les sorties des comparateurs reviennent successivement d'un «1 » logique à un «0» logique. Cette technique de codage par éléments est souvent appelée codage d'amplitude. Les moyens décrits peuvent s'appliquer virtuellement à toute fonction de transfert d'un transducteur, dans une gamme allant des fonctions purement linéaires à des fonctions fortement non linéaires. Des composants typiques pouvant constituer les comparateurs 1, 2, n sont par exemple les modèles LM-134 ou LM-124 (utilisés comme comparateur) de National Semiconductor Corp.

La fig. 4 représente graphiquement une fonction de transfert typique d'un anémomètre à température constante à sortie (O) unipolaire non linéaire 17 (30), pour une vitesse de vent (W) qui varie de 0 à 20 m/s dans cet exemple, l'amplitude du signal analogique (I) étant représentée en ordonnées de 0 à 100%. On a identifié par les références 35, 36 et 37 les niveaux des trois points correspondants de la fig. 3. Les coordonnées des points 35, 36 et 37 sont respectivement (2 m/s, 50%), (10 m/s, 80%) et (20 m/s, 100%). Pour ces coordonnées, les valeurs typiques des résistances du diviseur sont 5000 ohms pour la résistance 31, 3000 ohms pour la résistance 32 et 2000 ohms pour la résistance 33, si la résistance totale du diviseur est 10000 ohms. L'ordonnée A correspond au niveau du signal pour le chauffage au repos avec un écoulement nul, comme on l'a mentionné en référence à la fig.1.

En se référant de nouveau à la fig. 3, la sortie de chaque comparateur 38, 39, 40 est connectée à un actionneur d'interrupteur respectif 41, 42, 43. Un exemple d'interrupteur à actionneur pouvant être utilisé dans ce cas est le type DG202 de Siliconix qui est normalement déclenché (ouvert) quand un «0» logique est présent à l'entrée de Pactionneur. L'interrupteur se ferme quand un «1« logique est présent. L'entrée de tension de référence 34 est connectée à l'une des bornes de chaque interrupteur 41, 42, 43, de sorte que la tension de référence est transmise à une résistance d'entrée d'un amplificateur 48 lorsqu'un «1 » apparaît à la sortie du comparateur 1, 2, ou n. L'amplificateur 48 est ici un amplificateur inverseur avec une résistance de réaction 47 et des résistances d'entrée 44, 45 et 46. La sortie de l'anémomètre est au point 49. L'amplificateur 48 peut être un amplificateur opérationnel tel que les types LM-107, LM-158 ou LM-124 de National Semiconductor Corp. par exemple. Quand les interrupteurs 41, 42 et 43 sont ouverts, la sortie en 49 est zéro. Quand tous les interrupteurs se ferment, la valeur du signal de sortie atteint son amplitude maximale quand se ferme le dernier interrupteur 43. Si la résistance 47 est égale à la résistance 46, le gain de l'amplificateur 48 est égal à -1 et la sortie 49 sera l'opposé de la valeur de référence 34. On peut modifier le niveau de sortie en adaptant le rapport des valeurs des résistances 46 et 47, et l'on peut inverser la polarité de la sortie en inversant la polarité de référence 34 ou en ajoutant un amplificateur inverseur.

Dans l'exemple illustré en fig. 4, le diagramme du signal linéaire 49 souhaité à la sortie de l'amplificateur 48 montre que les niveaux voulus correspondant aux points 35, 36 et 37 sont égaux respectivement à 10%, 50% et 100%. En revenant à la fig. 3, on peut déterminer sur cette base les valeurs des résistances associées à l'amplificateur 48. Si la résistance 47 de réaction de l'amplificateur est fixée à 10000 ohms, la résistance 46 sera de 10000 ohms, la résistance 45 de 10000 ohms et la résistance 44 de 80000 ohms. Quand l'interrupteur 41 est ouvert, la sortie 49 vaut zéro. Quand l'interrupteur 41 se ferme, le niveau de la sortie 49 monte à 10% du maximum. Il monte à 50% du maximum quand l'interrupteur 42 se ferme, et à sa valeur maximum quand l'interrupteur 43 se ferme. On conçoit donc que la fonction de transfert du transducteur tend vers une fonction linéaire quand le nombre n augmente.

La fig. 5 représente un circuit additionnel qui peut assurer un fonctionnement bipolaire en combinaison avec le circuit illustré en fig. 3. L'entrée du signal 30 et la sortie de référence 34 du circuit de la fig. 5 sont raccordées aux points correspondants 30 et 34 du circuit de la fig. 3. Par exemple, un signal d'entrée bipolaire peut être prélevé à la sortie 23 de l'amplificateur différentiel 22 du circuit-pont d'anémomètre à température constante de la fig. 2, pour être transmis à la borne 30 des deux circuits des fig. 3 et 5. Un comparateur 50 reçoit le signal d'entrée 30 qui est comparé au potentiel de la terre afin de déterminer

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un signal 51 de signe de polarité, lequel commande un actionneur de commutateur 52 et fournit également un fait de signe si l'on désire une sortie numérique. Le «1 » logique correspond à un signal positif et le «0» logique correspond à un signal négatif, le bit de signe pouvant être utilisé, en combinaison avec le codage d'amplitude assuré par les comparateurs de la fig. 3, pour réaliser ce qu'on appelle un «codage d'amplitude plus signe», l'un des formats les plus courants de codage numérique. Le commutateur à actionneur 52 peut être du type SÌ3002 de Siliconix. Un «0» logique à son entrée 51 ferme l'interrupteur SW1 et ouvre l'interrupteur SW2. Un «1» logique ouvre SW1 et ferme SW2. Un signal d'entrée positif en 30 raccorde donc la borne de référence 34 à la source de référence de tension +V. Un signal d'entrée négatif fait basculer le commutateur et raccorde la borne 34 à la source de tension de référence -V. Comme les polarités respectives du signal de référence et du signal d'entrée représentatif du vent sont synchrones, le circuit de la fig. 3 devient bipolaire.

Dans certains anémomètres thermiques, le circuit de l'anémomètre à température constante ne délivre pas un signal anémométrique composé bidirectionnel ou bipolaire; le signal anémométrique est unipolaire, tandis qu'un signal bipolaire séparé indiquant le sens du vent peut être déterminé. Dans ce cas, la polarité du signal sur le réseau résistif diviseur de tension de référence restera inchangée, alors que seule la polarité de la tension de référence délivrée à l'amplificateur de sortie 48 pourra être inversée par le signal représentatif du sens du vent.

Le tableau I est une table de correspondance qui résume le format de codage «d'amplitude plus signe» pour la forme de réalisation préférée décrite ci-dessus. Il contient le codage pour un système bipolaire et pour un système unipolaire.

Tableau I

Codage Codage unipolaire bipolaire 1 2 n signe 1 2 n

Vitesse maximale +

111 1111

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Zéro +

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Vitesse maximale -

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Bien entendu, on peut apporter de multiples modifications et variantes aux exemples de réalisation et d'application mentionnés ci-dessus. Par exemple, en cas de fonctionnement bipolaire, on peut employer un amplificateur de valeur absolue à l'entrée du signal dans le groupe de comparateur pour convertir un signal d'entrée bipolaire en signal unipolaire, avec un comparateur séparé pour détecter le signe sans avoir à changer la polarité de la tension de référence. Par ailleurs, l'invention n'est pas limitée aux anémomètres, mais elle s'étend à tout instrument à transducteur dans le cadre défini par les revendications.

Claims

Revendications

1. Instrument à transducteur comportant un transducteur électrique à sortie analogique, caractérisé en ce que:

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(a) un signal électrique de sortie (17, 30) du transducteur est transmis en parallèle à des premières entrées de plusieurs comparateurs de niveau (1,2, n),

(b) les secondes entrées desdits comparateurs sont connectées à des prises respectives (35, 36, 37) échelonnées sur un réseau résistif (31 à 33) diviseur de tension de référence,

(d) les sorties respectives parallèles (38, 39, 40) desdits comparateurs (1, 2 n) délivrent, par comparaison des niveaux analogiques de leurs premières entrées avec les niveaux de référence, des signaux binaires formant une indication numérique de la grandeur physique d'entrée du transducteur.

2. Instrument à transducteur selon la revendication, 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un comparateur (50) dont les entrées sont connectées respectivement au potentiel de la terre et à une sortie (30) du transducteur, de manière à fournir une sortie binaire (51) représentant le signe d'une polarité.

3. Instrument à transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un amplificateur de sortie (48) avec un atténuateur de signal d'entrée (44, 45, 46) à sélection d'entrées, commandé par les sorties desdits comparateurs (1, 2, n), et en ce que lesdites sorties des comparateurs actionnent des interrupteurs respectifs (41, 42, 43) pour relier des bornes échelonnées sur ledit atténuateur à un potentiel fixe de référence quand chacun desdits comparateurs change d'état, en passant d'un signal de sortie minimum à un signal de sortie maximum ou inversement, en fonction du signal électrique de sortie du transducteur, de manière à produire à la sortie de l'amplificateur (48) un signal analogique (49) représentatif du signal de sortie (17,30) du transducteur.

4. Instrument à transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un comparateur (50) dont les entrées sont connectées respectivement au potentiel de la terre et à une sortie (30) du transducteur, de manière à fournir une sortie binaire (51) représentant le signe d'une polarité, et en ce que ledit comparateur commande un commutateur de sélection (52) pour sélectionner l'un de deux potentiels de référence de polarités différentes, en fonction du signe de polarité d'un signal de sortie (30) du transducteur, de manière à fournir à la sortie de l'amplificateur un signal analogique bipolaire représentatif du signal de sortie du transducteur.

5. Instrument à transducteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que en ce qu'il constitue un anémomètre thermique et en ce que ledit transducteur électrique est formé par un pont.

6. Intrument à transducteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un comparateur (50) dont les entrées sont connectées respectivement au potentiel de la terre et à une sortie directionnelle du pont transducteur, de manière à fournir une sortie binaire (51) représentant le signe -d'une polarité.

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