EP1090369A1 - Integrateur de precision d'un signal electrique, procede correspondant et application a un capteur de champ magnetique - Google Patents

Integrateur de precision d'un signal electrique, procede correspondant et application a un capteur de champ magnetique

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Publication number
EP1090369A1
EP1090369A1 EP00920824A EP00920824A EP1090369A1 EP 1090369 A1 EP1090369 A1 EP 1090369A1 EP 00920824 A EP00920824 A EP 00920824A EP 00920824 A EP00920824 A EP 00920824A EP 1090369 A1 EP1090369 A1 EP 1090369A1
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EP
European Patent Office
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signal
values
dating
magnetic field
sampling
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Withdrawn
Application number
EP00920824A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pierre Leaux
Alain Bonnoit
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1090369A1 publication Critical patent/EP1090369A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06J—HYBRID COMPUTING ARRANGEMENTS
    • G06J1/00—Hybrid computing arrangements

Definitions

  • FIG. 1 An electrical circuit capable of accomplishing this operation is shown in FIG. 1 and comprises a resistor 1, a subtractor circuit 2 to the negative input of which resistor 1 is connected and a capacitor 3 in parallel on the subtractor circuit 2.
  • the electrical signal e (t) supplied at the input of the line is transformed into a signal s (t) at the output, which corresponds to its temporal integration to within a multiplying factor, since at any time T:
  • R and C are the values of the resistance and the capacitor and the origin of the times is counted from the application of the signal e (t).
  • This circuit is particularly simple and produces a continuous output signal in real time, i.e. equal to the value at all times integral obtained at the same time, but it is not very precise, in particular because it is very sensitive to the drifts of the voltage applied to the positive input of the subtractor circuit 2 and of the supply voltages.
  • FIG. 2 Another circuit, illustrated in FIG. 2, allows, like the previous one, to obtain at any time T a signal n (T) which expresses the sum of a signal e (t) applied to the input of the circuit; the elements used are a voltage to frequency converter 4 and, in series with it, an adder 5.
  • the converter delivers a frequency signal proportional to the intensity of e (t):
  • n (T) k e (t) * ⁇ t
  • This circuit is easy to build but imposes a signal always of the same sign, and the linearity of the converter 4 can harm the precision of the result if the signal e (t) varies strongly. Finally, this circuit, like the previous one, has insufficient resolution for the precision that we would like to achieve.
  • the object of the invention is therefore to propose
  • the method used is characterized in that the signal to be integrated and the time are measured separately by sampling, in different but synchronized circuits, then the signal value is multiplied by the duration of the interval. of time between two successive samples, then to the summation of the preceding products in order to obtain the value of the desired integral.
  • the integrating device comprises: a set of measurement by sampling of the signal applied to the input and of digital restitution of the measured values,
  • a set of dating of the samples receiving trigger signals comprising a clock associated with a counter, a generator of sampling rate, as well as means of temporary storage of the dates of the samples and the dates of the trigger signals,
  • FIG. 3 illustrates the integrator device according to the invention
  • FIG. 4 describes the mode of integration
  • FIG. 5 is a magnetic field sensor in which the integrating device of the invention is used
  • FIG. 6 illustrates a curve obtained by this sensor
  • FIG. 7 illustrates another possible application of the invention for a magnetic field of a different kind.
  • the integrator according to the invention is essentially composed of three sets: an analog card 10 responsible for measuring the signal to be integrated, a digital set 11 responsible for measuring time and a set of calculation 12 more specifically responsible for integration.
  • the analog card 10 comprises, in series, an amplifier 13, a filter 14, an analog-digital converter 15 and a serial-parallel converter 16, and also a calibration device 17 responsible for calibrating the card 10.
  • the signal to integrate e (t) is applied to an input of the analog card 10 before being amplified, filtered, digitized and delivered to an output of the analog card 10 and supplied to a fast acquisition card 26 of the calculation unit 12.
  • the serial-parallel converter 16 is only useful with an analog-to-converter digital 15 providing serial output.
  • the digital card includes a counting clock 18 whose frequency is 100 MHz and which makes it possible to generate a time base with a resolution of 10 ns thanks to a pulse counter 19 which is associated with it. It also includes a sampling clock 20, with a frequency of 100 kHz which is used to trigger the analog-digital converter 15 of the analog card 10; the pulses delivered by the sampling clock 20 are also applied to a temporary register 21 which records the instantaneous value of the counter 19.
  • the value of the signal e (t) is supplied to the card acquisition module 26, and the corresponding date is transferred from the temporary register 21 to a second rapid acquisition card 27, identical to the previous one, these two cards being able to be inserted into the calculation unit 12.
  • the digital card 11 comprises another pulse reader 22 capable of controlling the operation of the entire device: it receives external pulses for controlling the triggering or stopping of integration by an input line 23 and starts or stops the sampling clock 20.
  • another register temporary 24 connected to the counter 19 associated therewith, so as to deliver to the fast acquisition card 27 the start and end dates of sampling.
  • the integral sought is equal to the area located under the curve and limited by the instants t d and tf of start and end d 'integration.
  • the signal was actually measured at the sampling instants tl, t2, t3, ..., tn, between the instants t d and t f given by the sampling clock 20 and normally regularly distributed.
  • the fast acquisition card 26 recorded the corresponding values el, e2, e3, ..., e n .
  • the area under the curve can be broken down into two parts: - a main area composed of substantially trapezoidal portions, of width (t j + 1 -t j ) and of average height equal to )
  • the computation of the integral therefore consists in evaluating the different areas, then in adding the results obtained. This calculation is carried out by a controller 25, programmed for this, and which receives the information coming from the fast acquisition cards 26 and 27.
  • FIG. 5 An application using this integrating device is shown in FIG. 5. It is intended for the precise measurement of magnetic fields. It comprises a measurement winding 28 whose terminals are connected by a line 31 to the input of the analog card 10 inserted in the housing 32.
  • the signal e (t) to be integrated is an electromagnetic induction signal produced by the winding 28 by variation of the magnetic flux of one electromagnet 34 in the air gap 33 from which it is inserted.
  • ⁇ (t) is the magnetic flux embraced by the winding 28 at time t.
  • the integration of the signal e (t) then gives the variation of the magnetic field B between two instants 0 and T, which can be the instants t d and t f , of the triggering and the end of the integration:
  • the winding 28 is placed in the air gap
  • the signal e (t) collected by the winding 28 can be that which is represented as a function of time in the lower graph of FIG. 6, the times t d and t f being instants of minimum and maximum of the pulsed field. If, for example, three sampling instants tl, t2 and t3 exist, the values of the field Bl, B2 and B3 are measured, as well as the minimum and maximum values Bmin and Bmax of the field at times t d and t f .
  • the winding 28 can remain stationary; in other applications where the field would be heterogeneous from one point to another of the air gap of a magnet, one could proceed by moving the winding by a motor, and the induced current would reflect the variations of the field in the path traveled by winding 28.
  • Such a possibility relates for example to multipolar magnets and is evoked by FIG. 7: a winding 35 is then driven into the heart of a multipolar magnet 36 and supported by an axis 37 rotated by a rotary motor 38.
  • the terminals of the winding 35 are connected to a housing 40 identical to housing 32.
  • the field variations in the air gap of the poles of 36 are measured by rotating the axis 37; an angular encoder 41 placed on the axis 37 periodically gives pulses for triggering and stopping integration into the housing 40, whereas in the previous example these moments could be given by a system synchronized with the control system of the pulsed magnet 34, which would make it possible to measure the signal at the extreme values Bmin and Bmax of the field.
  • the integrating device can be applied to electrical signals of other origins and is therefore not limited to the measurement of magnetic fields.
  • a resolution of l, 5.10 ⁇ u Vs can be obtained, instead of approximately 10 "8 Vs with known devices.

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Abstract

Le circuit intégrateur comprend une carte (10) de mesure du signal (e) à intégrer dans le temps à des instants d'échantillonnage, une carte (11) de datation des instants d'échantillonnage, et une carte (12) où les valeurs et les instants d'échantillonnage sont enregistrés simultanément, puis traités. L'intégration est faite par des multiplications mettant en jeu les valeurs échantillonnées du signal et les durées entre échantillonnages et des additions des résultats des multiplications.

Description

INTEGRATEUR DE PRECISION D'UN SIGNAL ELECTRIQUE, PROCÉDÉ CORRESPONDANT ET APPLICATION À UN CAPTEUR DE
CHAMP MAGNÉTIQUE
DESCRIPTION
On décrira ici un intégrateur de précision d'un signal électrique, le procédé original que cet intégrateur met en œuvre, et une application aujourd'hui envisagée : la mesure de champs magnétiques hétérogènes, sans que d'autres soient exclues. On s'intéresse donc à la production d'une intégration temporelle d'un signal électrique. Un circuit électrique apte à accomplir cette opération est représenté à la figure 1 et comprend une résistance 1, un circuit soustracteur 2 à l'entrée négative duquel résistance 1 est reliée et un condensateur 3 en parallèle sur le circuit soustracteur 2. Le signal électrique e(t) fourni à l'entrée de la ligne est transformé en un signal s(t) à la sortie, qui correspond à son intégration temporelle à un facteur multiplicateur près, puisqu'à un instant T quelconque :
où R et C sont les valeurs de la résistance et du condensateur et l'origine des temps est comptée à partir de l'application du signal e(t).
/ Ce circuit est particulièrement simple et produit un signal de sortie continu en temps réel, c'est-à-dire égal à chaque instant à la valeur intégrale obtenue au même instant, mais il n'est pas très précis, notamment parce qu'il est très sensible aux dérives de la tension appliquée à l'entrée positive du circuit soustracteur 2 et des tensions d'alimentation.
Un autre circuit, illustré à la figure 2, permet comme le précédent d'obtenir à tout instant T un signal n(T) qui exprime la somme d'un signal e(t) appliqué à l'entrée du circuit ; les éléments utilisés sont un convertisseur 4 de tension en fréquence et, en série avec lui, un additionneur 5. Le convertisseur délivre un signal de fréquence proportionnelle à l'intensité de e(t) :
f(t) = — = * e(t) δt et le sommateur 5 compte les impulsions qu'il reçoit successivement et délivre la valeur n(T) :
n(T) = k e(t) *δt
Ce circuit est facile à construire mais impose un signal toujours du même signe, et la linéarité du convertisseur 4 peut nuire à la précision du résultat si le signal e(t) varie fortement. Enfin, ce circuit a, tout comme le précédent, une résolution insuffisante pour la précision qu'on souhaiterait atteindre.
L'objet de l'invention est donc de proposer
/ un nouveau mode d'intégration temporelle d'un signal, à la précision plus élevée. Le procédé retenu est caractérisé en ce qu'on mesure séparément par échantillonnage, dans des circuits différents mais synchronisés, le signal à intégrer et le temps, puis qu'on procède à la multiplication de la valeur du signal par la durée de l'intervalle de temps entre deux échantillons successifs, puis à la sommation des produits précédents afin d'obtenir la valeur de l'intégrale désirée. Le dispositif intégrateur comprend : - un ensemble de mesure par échantillonnage du signal appliqué à l'entrée et de restitution numérique des valeurs mesurées,
— un ensemble de datation des échantillons recevant des signaux de déclenchement et comprenant une horloge associée à un compteur, un générateur de cadence d'échantillonnage, ainsi que des moyens de stockage temporaire des dates des échantillons et des dates des signaux de déclenchement,
- un calculateur recevant les valeurs échantillonnées du signal et les valeurs de datation, et réalisant l'intégration par multiplication des valeurs échantillonnées par l'écart entre deux valeurs de datation successives, puis la sommation de ce résultat . Le procédé exposé ici consiste à mesurer des valeurs du signal à des instants d'échantillonnage, à mesurer des durées séparant les instants d'échantillonnage, et à faire des multiplications entre les valeurs échantillonnées /et les durées, puis des sommes des résultats des multiplications. On va maintenant décrire l'invention plus en détail, sans qu'elle soit limitée aux modes de réalisation donnés ci-dessous. Les figures utilisées sont les suivantes : * les figures 1 et 2 déjà décrites représentent des dispositifs d'intégrateurs connus,
* la figure 3 illustre le dispositif intégrateur conforme à l'invention, la figure 4 permet de décrire le mode d'intégration,
* la figure 5 est un capteur de champs magnétiques dans lequel le dispositif intégrateur de l'invention est employé,
* la figure 6 illustre une courbe obtenue par ce capteur,
* et la figure 7 illustre une autre application possible de l'invention pour un champ magnétique d'un genre différent.
On passe au commentaire de la figure 3. L'intégrateur conforme à l'invention est composé essentiellement de trois ensembles : une carte analogique 10 chargée de mesurer le signal à intégrer, un ensemble numérique 11 chargé de la mesure du temps et un ensemble de calcul 12 plus spécialement responsable de l'intégration. La carte analogique 10 comprend, en série, un amplificateur 13 , un filtre 14, un convertisseur analogique-numérique 15 et un convertisseur série-parallèle 16, et encore un dispositif de calibration 17 chargé de l'étalonnage de la carte 10. Le signal à intégrer e(t) est appliqué à une entrée de la carte analogique 10 avant d'être amplifié, filtré, numérisé et délivré à une sortie de la carte analogique 10 et fourni à une carte d'acquisition rapide 26 de l'ensemble de calcul 12. Le convertisseur série-parallèle 16 n'est utile qu'avec un convertisseur analogique-numérique 15 fournissant une sortie en série.
La carte numérique comprend une horloge de comptage 18 dont la fréquence est de 100 MHz et qui permet de générer une base de temps avec une résolution de 10 ns grâce à un compteur d'impulsions 19 qui lui est associé. Elle comporte aussi une horloge d'échantillonnage 20, de fréquence de 100 kHz qui sert à déclencher le convertisseur analogique-numérique 15 de la carte analogique 10 ; les impulsions délivrées par l'horloge d'échantillonnage 20 sont appliquées également à un registre temporaire 21 qui enregistre la valeur instantanée du compteur 19. Lorsque la conversion analogique-numérique est terminée, la valeur du signal e(t) est fournie à la carte d'acquisition rapide 26, et la date correspondante est transférée du registre temporaire 21 vers une seconde carte d'acquisition rapide 27, identique à la précédente, ces deux cartes pouvant être insérées dans 1 ' ensemble de calcul 12. La carte numérique 11 comprend encore un lecteur d'impulsions 22 apte à commander le fonctionnement de l'ensemble du dispositif : il reçoit des impulsions extérieures de commande du déclenchement ou de l'arrêt de l'intégration par une ligne d'entrée 23 et met en marche ou arrête l'horloge d'échantillonnage 20. De plus, un autre registre temporaire 24 relié au compteur 19 lui est associé, de façon à délivrer à la carte d'acquisition rapide 27 les dates de début et de fin d'échantillonnage.
Si la courbe du signal e(t) en fonction du temps t est celle de la figure 4, l'intégrale recherchée est égale à l'aire située sous la courbe et limitée par les instants td et tf de début et de fin d'intégration. Le signal a été effectivement mesuré aux instants d'échantillonnage tl, t2 , t3 , ..., tn, compris entre les instants td et tf donnés par l'horloge d'échantillonnage 20 et normalement régulièrement répartis. La carte d'acquisition rapide 26 a enregistré les valeurs el, e2 , e3 , ..., en correspondantes. L'aire sous la courbe peut se décomposer en deux parties : - une aire principale composée de portions sensiblements trapézoïdales, de largeur (tj+1-tj) et de hauteur moyenne égale à )
- de deux aires d'extrémités, sensiblement trapézoïdales elles aussi, de largeurs respectives (tι-td) et (tf-tn) et de hauteur moyenne y2(ed+eι) et
%(en+ef) •
Le calcul de l'intégrale consiste donc à évaluer les différentes aires, puis à additionner les résultats obtenus. Ce calcul est effectué par un contrôleur 25, programmé pour cela, et qui reçoit les informations en provenance des cartes d'acquisition rapide 26 et 27.
Une méthode d'interpolation et/ou d'extrapolation plus élaborée/ peut être envisagée afin d'améliorer la précision du calcul. Une application utilisant ce dispositif intégrateur est représentée à la figure 5. Elle est destinée à la mesure précise de champs magnétiques . Elle comporte un enroulement de mesure 28 dont les bornes sont reliées par une ligne 31 à l'entrée de la carte analogique 10 insérée dans le boîtier 32. Le signal e(t) à intégrer est un signal d'induction électromagnétique produit par l'enroulement 28 par variation du flux magnétique de 1 ' électro-aimant 34 dans l'entrefer 33 duquel il est inséré.
Le potentiel électrique délivré est exprimé par la loi de Lenz :
dΦ(t) e(t) = - dt
où Φ(t) est le flux magnétique embrassé par l'enroulement 28 à l'instant t. L'intégration du signal e(t) donne alors la variation du champ magnétique B entre deux instants 0 et T, qui peuvent être les instants td et tf, du déclenchement et de fin de l'intégration :
B(T) = B(0) + }e(t) dt
L'enroulement 28 est placé dans l'entrefer
33 d'un aimant 34 à fonctionnement puisé dont le champ magnétique B varie selon μn cycle trapézoïdal ou sinusoïdal dont la période est de l'ordre de la seconde à quelques millisecondes et dont la valeur est identique dans tous les points de l'entrefer hormis aux extrémités. Le signal e(t) recueilli par l'enroulement 28 peut être celui qui est représenté en fonction du temps dans le graphe inférieur de la figure 6, les temps td et tf étant des instants de minimum et de maximum du champ puisé. Si par exemple trois instants d'échantillonnage tl, t2 et t3 existent, on mesure les valeurs du champ Bl, B2 et B3 ainsi que les valeurs minimale et maximale Bmin et Bmax du champ aux instants td et tf.
Dans cette application où le champ magnétique varie avec le temps, l'enroulement 28 peut rester immobile ; dans d'autres applications où le champ serait hétérogène d'un point à l'autre de l'entrefer d'un aimant, on pourrait procéder en déplaçant l'enroulement par un moteur, et le courant induit refléterait les variations du champ dans le trajet parcouru par l'enroulement 28.
Une telle possibilité concerne par exemple les aimants multipolaires et est évoquée par la figure 7 : un enroulement 35 est alors enfoncé au cœur d'un aimant multipolaire 36 et soutenu par un axe 37 mis en rotation par un moteur rotatif 38. Les bornes de l'enroulement 35 sont reliées à un boîtier 40 identique au boîtier 32. On mesure les variations de champ dans l'entrefer des pôles de 36 en faisant tourner l'axe 37 ; un codeur angulaire 41 placé sur l'axe 37 donne périodiquement des impulsions de déclenchement et d'arrêt de l'intégration au boîtier 40, alors que dans l'exemple précédent ces instants pouvaient être donnés par un système synchronisé au système de commande de l'aimant puisé 34, ce qui permettrait de mesurer le signal aux valeurs extrêmes Bmin et Bmax du champ.
On admettra que le dispositif intégrateur peut s'appliquer à des signaux électriques d'autres origines et n'est donc pas limité à la mesure de champ magnétiques .
Une résolution de l,5.10~u V.s peut être obtenue, au lieu d'environ 10"8 V.s avec les dispositifs connus .

Claims

REVENDICATIONS
1. Intégrateur temporel d'un signal, caractérisé en ce qu'il comprend :
- un ensemble de mesure (10) par échantillonnage du signal appliqué à l'entrée et de restitution numérique des valeurs mesurées,
- un ensemble (11) de datation des échantillons recevant des signaux de déclenchement et comprenant une horloge (18) associée à un compteur (19), un générateur de cadence d'échantillonnage (20), ainsi que des moyens de stockage temporaire de valeurs de datation comprenant des dates des échantillons et des dates des signaux de déclenchement,
- un calculateur (12) recevant les valeurs échantillonnées du signal et les valeurs de datation, et réalisant une intégration par des multiplications des valeurs échantillonnées par des écarts entre deux valeurs de datation successives, puis une sommation de résultats des multiplications .
2. Intégrateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de datation (11) comprend un lecteur (22) de signaux de déclenchement et d'arrêt d'intégration du signal, qui commande le début et la fin du fonctionnement du générateur (20) de cadence d'échantillonnage.
3. Intégrateur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 , caractérisé en ce que l'ensemble de mesure comporte une unité de calibration (17).
4. Procédé d'intégration temporelle d'un signal électrique continu, caractérisé en ce qu'il consiste à' mesurer des valeurs (e) du signal à des instants d'échantillonnage, à acquérir des dates précises des instants d'échantillonnage à partir d'une horloge de référence, et à faire des multiplications entre les valeurs échantillonnées du signal et des durées séparant ledits instants, puis des sommes de résultats des multiplications.
5. Dispositif de mesure d'hétérogénéités de champ magnétique, comprenant un intégrateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 , et un enroulement (28, 35) apte à fournir à une sortie un courant induit par le champ magnétique, le courant induit étant le signal à intégrer.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (37, 38) pour déplacer l'enroulement dans le champ magnétique.
EP00920824A 1999-04-20 2000-04-18 Integrateur de precision d'un signal electrique, procede correspondant et application a un capteur de champ magnetique Withdrawn EP1090369A1 (fr)

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