FR2461236A1

FR2461236A1 - Transducteur a transformateur a phase variable lineaire sinus/cosinus

Info

Publication number: FR2461236A1
Application number: FR7917592A
Authority: FR
Inventors: Michael A Pauwels; Dan O Bauer
Original assignee: Pneumo Corp
Current assignee: Pneumo Corp
Priority date: 1979-07-06
Filing date: 1979-07-06
Publication date: 1981-01-30
Also published as: FR2461236B1

Abstract

TRANSDUCTEUR POSITIONPHASE A TRANSFORMATEUR A PHASE VARIABLE LINEAIRE, FOURNISSANT UN SIGNAL DE SORTIE DONT LA PHASE VARIE LINEAIRE EN FONCTION D'UN DEPLACEMENT DE POSITION. L'AMPLITUDE DU SIGNAL DE SORTIE RESTE SENSIBLEMENT CONSTANTE AU COURS DU DEPLACEMENT. LE TRANSDUCTEUR COMPORTE DEUX ENROULEMENTS PRIMAIRES 6 ET 7 DONT LES REPARTITIONS DE SPIRES REPONDENT A DES FONCTIONS SINUS ET COSINUS, RESPECTIVEMENT, ET QUI SONT EXCITES PAR DES SIGNAUX DEPHASES, UN ENROULEMENT SECONDAIRE 8, ET UN NOYAU 14 QUI COMBINE LES FLUX DES ENROULEMENTS PRIMAIRES ET INDUIT, DANS LE SECONDAIRE, UN SIGNAL DE SORTIE FONCTION DE LA POSITION DU NOYAU PAR RAPPORT AUX ENROULEMENTS PRIMAIRES. APPLICATIONS EN METROLOGIE.

Description

L'invention concerne, d'une manière générale, des transducteurs de déplacement, et a, plus particulièrement, trait à un transducteur dont le signal de sortie est d'amplitude sensiblement constante, avec une phase qui varie pratiquement linéairement avec le déplacement.

On se référera pour ce qui suit aux demandes de brevet américaines suivantes:
- SN 758 654 du 12 janvier 1977 intitulée "Linear Variable Phase Transformer" (Transformateur à phase variable linéaire)
- SN 784 335 du 4 avril 1977 intitulés "Pulse
Width Modulator Digital Servo System" (Système asservi numérique modulateur de largeur d'impulsion)
- SN 847 938 du 2 novembre 1977 intitulée "360
Degree Linear Variable Phase Transformer" (Transformateur à phase variable linéaire sur 3600).

Les transformateurs à phase variable linéaire décrits dans les demandes précitées convertissent une information de position en valeur dedéphasage ou en temps, leur information de sortie pouvant être aisément démodulée pour obtenir un signal de sortie sous forme numérique par exemple. Les transformateurs considérés comportent plusieurs enroulements primaires, disposés linéairement et ne se recouvrant pas,qui reçoivent chacun des signaux d'excitation alternatifs de même fréquence, mais généralement déphasés, les déphasages étant différents de 0 et 1800, afin de créer des flux magnétiques pareillement déphasés dans un noyau mobile orienté axialement.

Les flux donnent lieu à une sommation vectorielle, ou sont combinés dans le noyau, et le vecteur de flux combiné, ou flux de sortie, dont la phase dépend des positions relatives du noyau et des enroulements primaires, induit, dans un enroulement secondaire, un signal électrique de sortie de phase correspondante. En conséquence, la phase du signal de sortie est directement fonction de la phase du flux dans le noyau, et c'est par combinaisons relatives des flux d'excitation primaires dans le noyau que le signal de sortie est modulé pour indiquer la position de ce noyau.

Dans ces dispositifs, l'amplitude du signal de sortie n'est pas contrôlée, et varie en fait jusqu'à environ 30% sur la longueur de course mesurable. Dans certaines conditions, il peut être toutefois souhaitable de maintenir la tension de sortie à un niveau sensiblement constant, par exemple, pour simplifier le circuit de sortie qu'il n'est alors plus nécessaire de rendre insensible au niveau. Et un tel signal de sortie, réduit, peut aisément être utilisé pour la détection de défauts.

Dans les demandes précitées, on décrit des circuits fournissant aux enroulements primaires du trans for- mateur des signaux d'excitation alternatifs de courant constant, mais déphases. Un démodulateur, tel qu'un détecteur de passage à zéro, détecte la différencie de phase entre le signal de sortie modulé en phase et un signal de référence,et le signe de cette différence de phase, afin de former une information de sortie représentative des positions relatives du noyau et des enroulements primaires, par rapport à une position connue de zero. L in- formation de sortie du système peut etre affichée ou utilisée pour un contrôle ou analogue.

Pour linéariser la variation de phase du signal de sortie par rapport àla position du noyau (on fait réf rence dans cet exposé à la linéarité), les primaires des transformateurs connus sont bobinés en respectant une loi particulière définie par une fonction arc tangente et/ou un grand nombre d'enroulements primaires avec signaux d'excitation particuliers sont utilisés. Dans la troisième demande précitée, on fait référence à des enroulements primaires anti-réactifs qui réduisent les effets de frange lorsque le noyau se déplace vers les extrémités du transducteur, ce qui accroit la linéarité.

Un transformateur différentiel variable linéaire constitue un type de transducteur fournissant un signal de sortie dont l'amplitude varie en fonction d'une position. Bien qu'il soit parfois dit que les signaux d'entrée et de sortie d'un tel transformateur sont en relation de phase, le terme "phase" signifie ici "polarité" d'une forme d'onde de courant alternatif. D'autres transducteurs de position comportent des bobines mobiles enroulées sur un matériau magnétiquement perméable, tels que les dispositifs "resolver" et synchrones, ou encore des bobines imprimées sur des matériaux magnétiquement perméables, tels que les dispositifs Inductosyne; mais ces appareils requièrent des contacts ou des fils mobiles.

Dans le brevet E.U.A. 2.988.697, on décrit un dispositif
Selsyn indiquant la position d'un noyau mobile par combinaison des vecteurs de flux radiaux, de telle sorte que l'orientation géométrique des vecteurs de flux fournisse une information de sortie. Dans un autre transducteur de position décrit dans le brevet E.U.A. 2.911.632, c'est l'amplitude de la tension induite dans un enroulement secondaire qui fournit une indication de la position d'un noyau mobile.

Dans la description qui suit, on utilisera indifféremment les termes "primaire" et "secondaire" ou "enroulement primaire" et "enroulement secondaire" pour désigner un enroulement primaire et un enroulement secondaire.

Le terme "position" peut être utilisé pour désigner la relation entre les positions du noyau du transformateur et des enroulements primaires, ou pour désigner un déplacement relatif du noyau à partir d'une position de zéro; le terme "déplacement" désignant l'amplitude de la variation de position. Le terme "phase" désigne la phase réelle d'un signal électrique alternatif, ou celle d'un flux magnétique, ou peut encore désigner un dé phasage entre ces signaux et un signal de référence, sans confusion possible 'avec la polarité.On a pu aussi signifier par "quantité de phase la différence de phase entre un signal de référence et le signal de sortie modulé en phase du transformateur ou la forme d'onde d'un signal logique d'onde rectangulaire; la "quantité de phase" sera distinguée de la polarité qui indique que la phase du signal de sortie est en retard ou en avance sur le signal de référence. On entend par "signaux d'excitation des signaux électriques alternatifs de phase déterminée utilisés pour exciter un enroulement primaire. Enfin, un signal "sous forme numérique" représente un nombre "électroniquement" et peut être opposé à un signal représenté sous forme analogique.

Dans le transformateur conforme à l'invention, le niveau de sortie, soit 11 amplitude de la tension par exemple du signal de sortie, est maintenu sensiblement constant, alors que la phase du signal de sortie est une fonction sensiblement linéaire de la position. Plusieurs enroulements primaires de préférence deux, du transformateur créent, en réponse à des courants d'excitation alternatifs qu'ils reçoivent respectivement, des flux magnétiques alternatifs qui sont combinés dans un noyau. Le flux combiné dans le noyau induit, dans un enroulement secondaire, un signal électrique de sortie alternatif dont l'amplitude est sensiblement constante et dont la phase correspond à celle du flux combiné ou flux de sortie. Par ailleurs, les deux enroulements primaires, qui reçoivent chacun leurs propres signaux d'excitation, sont bobinés de telle sorte que la variation maximum de la phase du flux de sortie par rapport au déplacement maximum, soit au déplacement maximum du noyau par rapport aux primaires, peut excéder la différence de phase entre les signaux d'excitation. Par exemple, on verra dans ce qui suit qu'on utilise deux signaux d'excitation déphasés de 900 pour deux enroulements primaires; mais la phase du signal de sortie est effectivement variable sur 3600.

Le transformateur décrit ne comporte que deux enroulements primaires dont les signaux d'excitation sont en quadrature de phase; c'est là une disposition qui constitue la mise en oeuvre la moins complexe des principes de l'invention. Mais il est entendu qu'il est possible de prévoir plus de deux enroulements primaires ou d'utiliser des signaux d'excitation dont le déphasage est différent de 900.

Le transformateur conforme à l'invention comporte donc deux enroulements primaires; ces enroulements sont coaxiaux et fractionnés, chaque segment de primaire ainsi formé étant placé le long de l'axe du transformateur et pouvant être sélectivement couplé au noyau selon sa position par rapport à ce noyau. Chaque segment comporte un certain nombre de spires circulaires autour de l'axe.

Le nombre de spires pour chaque segment primaire et le sens d'enroulement de ces spires sont déterminés en fonction de contraintes mathématiques, pour conduire à un signal de sortie d'amplitude sensiblement constante, dont la variation de phase est relativement grande, en réponse à des signaux d'excitation alternatifs que reçoivent les segments et en fonction de la position relative du noyau.

Dans une forme de réalisation recommandée, les nombres de spires des segments d'enroulement varient selon une fonction sinusoidale.

Le transformateur conforme à l'invention ne comporte que deux enroulements primaires; il n'est en conséquence besoin que de deux signaux d'excitation, ce qui simplifie les circuits. Mais, puisque chaque enroulement primaire peut être constitué par un grand nombre de segments, ce qui accot le nombre de fois où la fonction d'erreur du système passe théoriquement par zéro, il y aura un degré élevé de linéarité entre la phase du signal de sortie et le déplacement du noyau.

L'information de sortie fournie par le transformateur est un signal précis basé sur le temps; elle peut donc être utilisée directement sous forme analogique, ou aisément démodulée, comme dans les demandes précitées, pour former un signal numérique. De plus, le transformateur conforme à l'invention présente d'autres avantages par rapport aux dispositifs connus; par exemple, la course maximum du noyau est relativement importante par rapport à la longueur du transformateur, et les caractéristiques de ce dernier quant à la linéarité, la précision, le poids, la robustesse, l'isolation, la gamme des températures de fonctionnement, etc.. en font un dispositif très intéressant.

L'invention a donc pour objectif principal la réalisation d'un transducteur position/phase à transformateur à phase variable linéaire, perfectionné quant aux caractéristiques énoncées.

L'invention a aussi pour objectif d'obtenir une variation de phase maximum dans un signal de sortie en fonction d'un déplacement, soit d'un changement de position, en utilisant un nombre minimum d'enroulements primaires de transformateur, et plus particulièrement d'obtenir une variation de phase d'au moins 3600 pour une différence de phase entre signaux d'excitation moindre que 3600.

L'invention a également pour objectif d'obtenir une variation de phase d'un signal de sortie pouvant excéder la différence de phase totale des signaux dPixcitation fournis à un transducteur position/phase.

L'invention a encore pour objectif d'obtenir un signal de sortie d'amplitude sensiblement constante dans un transducteur position/phase-.

L'invention a de plus pour objectif d'accroître la précision d'un transducteur position/phase.

L'invention a enfin pour objectif de réduire les besoins en circuits d'excitation d'un transducteur position/ phase tout en gardant au signal de sortie de ce transducteur un degré de précision relativement élevé.

La description qui suit se réfère aux dessins annexés qui représentent:
- figure 1, une vue schématique en coupe d'un transformateur à phase variable linéaire sinus-cosinus conforme à l'invention,
- figure 2, un schéma des circuits de commande et de démodulation du système utilisant le transformateur conforme à l'invention, et
- figure 3, un diagramme vectoriel des signaux en quadrature de phase fournis au transformateur.

On a représenté figure 1 un transformateur à phase variable linéaire sinus cosinus 1 faisant partie d'un système 2 de transformateur à phase variable linéaire sinus cosinus, ce système comportant, par ailleurs, un circuit de commande 3, un circuit démodulateur 4 et un circuit d'utilisation 5. Le transformateur 1 comporte deux enroulements primaires 6, 7 et un enroulement secondaire 8, chaque enroulement étant constitué par un certain nombre de spires formées en enroulant un fil conducteur autour d'un corps non-magnétique de bobine 10. Le corps de bobine 10 est placé le long de l'axe 11 du transformateur 1; dans l'exemple illustré, il s'agit d'un axe droit, mais il est entendu que cet axe peut être courbe au besoin. Dans la partie creuse du corps de bobine (13), est monté un noyau 14 pouvant se déplacer le long de l'axe 11, par rapport aux enroulements primaires et secondaires.Une tige 15 est accouplée au noyau, se prolongeant au delà de la carcasse de bobine 16 qui comporte une enveloppe cylindrique 17 et des-joues d'extrémité 18 et 19; la tige traverse l'ouverture pratiquée dans la joue 19 pour être accouplée mécaniquement à un organe extérieur dont la position doit être détectée par le transformateur. Le corps de bobine 10 et les éléments de la careasse peuvent constituer des protections à l'égard des conditions de température, de pression d'humidité, etc.. pour les bobines électromagnétiques constituant respectivement les enroulements primaires et secondaires.

En fonctionnement, les enroulements primaires 6 et 7 reçoivent du circuit de commande 3 des signaux d'excitation qui sont en quadrature. Les enroulements primaires ainsi excités produisent dans le noyau 14 des flux magnétiques indépendants m A (dû à l'enroulement primaire A 6) et z B (dû à l'enroulement primaire B 7).

Ces flux indépendants se combinent dans le noyau 14, et le flux combiné ou flux de sortie & C, formé dans le noyau, provoque par induction la formation d'un signal de sortie alternatif aux bornes de l'enroulement secondaire 8.

La phase du signal de sortie formé dans l'enrou- lement secondaire 8 dépend de la phase du flux combiné formé dans le noyau 14, et varie en fonction du déplacement relatif x de ce noyau, par rapport aux enroulements primaires 6, 7. il est supposé dans cet exposé que le noyau 14 est accouplé par la tige 15 S un dispositif extérieur mobile (non représenté), et que le transformateur proprement dit 1 avec ses enroulements est pratiquement fixe. Mais il est pratiquement fixe. Mais il est entendu que le noyau peut être fixe, et le transfoninateur, entraîné en déplacement relatif par rapport au noyau. La phase du signal de sortie constitue une information analogique relative au déplacement du noyau, et cette information de phase peut être démodulée dans le circuit démodulateur 4, pour obtenir une information numérique ou autre aisément utilisable dans le circuit d'utilisation 5, pour affichage, rétroaction, ou analogue.

Selon l'invention, il est entendu que l'angle de phase dc du flux dans le noyau 14 varie linéairement par rapport au déplacement x. En conséquence, la dérivée de cet angle de phase dc par rapport au déplacement x, soit la variation de l'angle de phase par rapport au déplacement, doit être maintenue constante. Par ailleurs, selon l'invention, il est entendu que l'amplitude du flux de sortie C dans le noyau 14, et par suite, du signal de sortie alternatif formé dans l'enroulement secondaire 8, doit être maintenu constant. L'analyse qui suit décrit les moyens trouvés pour respecter ces contraintes et réaliser un transformateur à phase variable linéaire conforme à l'invention.

Le graphique de la figure 3 illustre, sous forme de vecteurs, les flux } A et B en quadrature de phase qui sont induits dans le noyau 14 par les enroulements primaires 6 et 7. On a également illustré, sous forme de vecteur, le flux de sortie combiné ffi C, comme la racine carrée de la somme des carrés des flux i A et ffi B, ainsi qu'il est connu, puisque ces derniers flux sont en quadrature de phase. Les contraintes imposées au transformateur sont alors telles que l'amplitude du vecteur correspondant au flux de sortie C reste sensiblement linéairement en fonction du déplacement relatif du noyau.

Le flux de sortie 4 C induit dans le noyau 14 est égal à la somme vectorielle des flux W A et t B induits indépendamment l'un de l'autre par les enroulements primaires A et B, chaque flux indépendant étant directement proportionnel au courant qui circule dans l'enroulement primaire considéré et au nombre de spires de cet enroulement effectivement "coupés" par le noyau 14, autrement dit couplés électromagnétiquement à, ou encore "vus" par, ce noyau.Si l'on suppose que les signaux d'excitation des enroulements primaires 6 et 7 sont des signaux alternatifs, respectivement IA et IB, de même amplitude maximum I, déphasés de e, avec e égal à 900 pour que les signaux soient en quadrature de phase, les courants dans les enroulements primaires, en fonction du temps, s'expriment par les relations connues qui suivent:
1) IA = I sin(wt + /2)
2) IB = I sin(wt - 0/2)
Si l'on tient compte de la relation de phase de 900 mentionnée, on peut ramener les équations précédentes aux équations qui suivent::
3) IA = I sin wt = I I 00
4) lB = I cos wt = I L 900
La dernière partie des équations 3 et 4 établissent les deux courants et leurs angles de phase relatifs.

Dans le domaine fréquentiel, mathématiquement, l'angle de phase #c du flux dans le noyau 14 s'exprime par l'équation qui suit:
5) dc = arc tg i-A/# B tg #/2, dans laquelle A et mB sont les flux indépendants induits dans le noyau 14 et imposés à l'enroulement secondaire 8 pour une position donnée x du noyau, par les enroulements primaires 6 et 7, e étant le déphasage des deux flux, soit des signaux d'excitation. Dans le cas considéré, les signaux d'excitation sont en quadrature de phase (déphasage de 900), et le terme tangente de l'équation 5 est égal à 1.

La dérivée de l'équation 5 par rapport au déplacement X est rendue égale à une constante Ki, comme suit:
6) d dc / dx = d/dx arc tg #A/ #B = K1, ce qui définit la contrainte de linéarité souhaitée pour assurer une relation linéaire entre l'angle de phase J et le déplacement x.

Les flux #A et #B dépendent des valeurs ampère- tour pour les enroulements primaires considérés, couplés au noyau, et s'expriment par les équations suivantes:
7) # A = C IA na,
8) # B = C lB nb, dans lesquelles C est une constante de proportionalité, IA est la valeur absolue du courant I pour un angle de phase de 0 dans l'enroulement 6, IB est la valeur absolue du courant I pour un angle de phase de 900 dans l'en- roulement 7, et na, nb sont respectivement les nombres de spires des enroulements 6, 7 couplées au noyau 14, pour une position relative du noyau par rapport aux enroulements primaires définie par un déplacement x.

Par substitution des valeurs définies dans les équations 7 et 8 dans l'équation 5 (domaine fréquentiel) définissant l'angle de flux mc, on obtient:
9a) mc = arc tg (C IA na/c IB nb)
9b) dc = arc tg (IL00 na/IL900 nb)
9c) dc = arc tg (na I/nb I) tg 450
Bien entendu, la dernière fonction tangente compense le déphasage des deux courants d'excitation et prend la valeur 1 lorsque ces courants sont en quadrature de phase. Donc, l'angle de déphasage mc peut être exprimé comme une fonction arc tg des spires couplées na, nb, soit:
9d) dc = arc tg (na/nb).

La contrainte de linéarité définie dans l'équa- tion 6 peut donc, par équivalence, s'exprimer comme suit:
10) d/dx arc tg na/nb = K1.

Puisque les flux indépendants induits dans le noyau sont en quadrature de phase, ils peuvent être combinés selon le théorème de Pythagore qui, dans le domaine fréquentiel, établit que le carré de l'amplitude absolue du flux + A plus le carré de l'amplitude absolue du flux i B est égal au carré du flux i C dans le noyau, comme illustré figure 3. Pour, selon l'invention, maintenir constant le flux a C dans le noyau, soit pour le maintenir à une valeur K2, la somme des carrés des flux 6 A et J B doit aussi être maintenue constante:
11) f A2 + B2 = K22 = bc2
En poursuivant l'analyse dans le domaine fréquentiel, et en supposant égales et constantes les amplitudes I des courants IA et IB, l'équation 11 peut être exprimée en fonction des valeurs définies dans les équations 7 et 8:
12) C2I2na2 + C2I2nb2 = K22.

En transposant les termes constants de l'équation 12 qui ne dépendent pas du déplacement x, on peut établir, pour le transformateur 1, la relation de contrainte à amplitude constante qui suit:
13) na2 + nb2 = K22/C2I2 = K32, dans laquelle K3 est constant tant que l'amplitude de courant I est maintenue constante.

On a découvert un jeu de solutions satisfaisant à la fois les équations 10 et 13, en rendant les variables na et nb fonction du déplacement x, comme suit:
14) na = N sin 8 (x)
15) nb = N cos 8 (x).

Dans ces relations, N est un nombre arbitraire, et b (x) est l'angle de phase supposé du flux induit dans le noyau par chacun des enroulements primaires, individuellement, en fonction de la position relative x de ce noyau par rapport à ces enroulements. Cette solution exige que les enroulements primaires 6 ét 7 se recouvrent, de préférence, sur la totalité de la longueur Y du transformateur 1; c'est là une condition qui, pour des raisons de simplicité d'enroulement, n'est pas respectée dans les transformateurs connus et décrits dans les demandes précitées.

Pour mettre en oeuvre pratiquement la répartition sinus-cosinus des enroulements primaires, telle quedéfi- nie dans les équations 14 et 15, on peut quantifier la répartition des spires sur la totalité de la longueur
Y du transformateur. La longueur totale Y, qui est la longueur du corps de bobine 10 sur lequel sont montés les enroulements primaires et secondaire, est égale à la longueur L de la course du noyau mobile 14, plus la longueur C de ce noyau, plus la longueur axiale de parties
F1 et F2 des enroulements primaires (qui seront définies ultérieurement) utilisées comme enroulements primaires anti-réactifs de la manière décrite, par exemple, dans la demande.

Les enroulements anti-réactifs compensent l'ef- fet de frange aux extrémités du transformateur pour éviter les non-linéarités dues aux pertes de signal magnétique à ces extrémités. En conséquence, le noyau 14 n'est pas déplacé jusque dans les zones où il serait directement aligné avec les parties F1 et F2, de sorte que la longueur totale T du transformateur sur laquelle se déplace le noyau est égale à la longueur de la course
L plus la longueur C du noyau.

Pour quantifier la répartition des spires d'enroulement sur la longueur du transformateur, pour une longueur de course, L, le transformateur peut être divisé en M sections égales. Si la phase doit varier de 3600 par exemple pour une valeur L du déplacement (on peut choisir toute autre valeur pour la variation de la phase), la phase du signal de sortie doit varier de 3600/M pour un déplacement de L/M. La longueur C du noyau peut avoir toute valeur appropriée. Par exemple, le noyau sera suffisamment long pour que sa longueur effective soit plus grande que la longueur axiale de l'une quelconque des sections primaires, ou plus importante pour assurer la combinaison de plusieurs flux dans le noyau, et ce noyau sera suffisamment court pour que le rapport longueur de noyau/longeur de course soit acceptable.

On a illustré figure 1 un modèle,actuellement le meilleur, de transformateur répondant aux critères énumérés. On notera qu'il s'agit d'un exemple de mise en oeuvre, et que d'autres répartitions de spires peuvent être envisagées pour un transformateur à phase variable linéaire conforme à l'invention.

Dans le modèle illustré, la variation totale de phase est choisie égale à 3600 pour une longueur totale de course L. Le nombre de sections M formant chaque enroulement primaire a été choisi égal à 24 pour assurer cette variation totale de phase. En conséquence, pour chaque palier de déplacement L/M du noyau, la variation de phase est d'environ 150. Le noyau a une longueur choisie égale à 1/4 de la longueur de course, soit égale à
L/4.

Pour appliquer la technique de quantification permettant de déterminer le nombre de spires dans chacune des vingt quatre sections, ou segments, référencées Al à A24, pour l'enroulement primaire A 6, on commence par l'extrémité de droite de la longueur effective T de cet enroulement primaire, et on exprime la répartition ou nombre de spires de chaque section de l'enroulement par la série suivante:
N Al, N h2, N A3, N A4, ...., N A(M-1), N A(M).

On exprime de la même façon la répartition pour les sections Al' à A6' qui compensent la longueur C du noyau, et pour les sections A7' à A9' et A22' à A24' qui sont les parties anti-réactives F2 et F1, respectivement.

On sait que la fonction sinus (équation 14) est symétrique de part et d'autre de son maximum et de son point de passage par zéro, avec changement de signe pour ce dernier. En conséquence, on peut supposer que la répartition sinusoidale des enroulements formés par les diverses sections de l'enroulement primaire 6 sera une répartition symétrique et répétitive, définie par une symétrie de part et d'autre des sections à nombre maimum de spires, et par une symétrie avec changement de signe de part et d'autre des sections à nombre minimum de spires.En supposant une telle symétrie et en supposant également que l'effet net des six premières sect ens
Al à A6, lorsque le noyau 14 est en alignement avec elles, est de conduire à un signal de sortie nul, (sin 0 = 0), la symétrie des nombres de spires dans les six premières sections précitées, telles qu'illustrées figure 1, peut être exprimée par les "identités" qui suivent, d'où les références A ont été éliminées pour plus de commodité: N6 =-Nî; N5 =-N2; N4 =-N3.

De même, on peut établir une symétrie de part et d'autre des sections A9 et A10, avec un nombre maximum de spires N9 et N10, sans changement de signe ou polarité, puisque ces sections se trouvent à une distance égale à 1/4 de la longueur de course L des sections A3 et A4.

L'effet net des sections A7 et A12 sur le signal de sortie, le noyau étant en alignement avec ces sections, est de conduire à un signal de sortie maximum, avec sin 900 = maximum = 1. On peut en conséquence exprimer comme suit les relations entre nombres de tours dans les sections
A7 à A12:
N7 = N12; N8 = N11; N9 = N10.

De plus, pour un déplacement le long du transformateur 1 égal à L/2, soit la moitié de la course, depuis les sections A1 à A6 jusqu'aux sections A13 à A18, une symétrie est établie au niveau des sections A15 et A16, avec les mêmes nombres de tours que dans les premières sections mentionnées, mais avec changement de phase, signe ou polarité. On établit en conséquence les relations suivantes:
17) N13 = -N1 = N6 = -N18
N14 = -N2 = N5 = -N17
N15 = -N3 = N4 = N16
De mêmes "identités" peuvent être définies pour les nombres de tours des sections A19 à A24, et
18)N7 = N12 = -N19 = -N24
N8 = N11 = -N20 -= -N23
N9 = N10 = -N21 = -N22
On voit donc que la configuration na de l'équation 14, pour les sections de l'enroulement primaire 6, se traduit par seulement six nombres différents de spires et par des inversions de connexions pour les changements de phase, signe ou polarité. Par exemple, le nombre de spires dans la section A4 est égal à N4 et le nombre de spires dans la section A3 est égal à N3.Ces deux nombres sont en fait égaux, le signe - dans la matrice 17 signifie simplement que les connexions électriques dans la section
A3 sont de polarité inverse à celle des connexions électriques dans la section A4. Il en est de même pour les autres nombres.

Par ailleurs, si l'on admet que le signal de sortie induit dans l'enroulement secondaire par le premier groupe 30 des sections Al à A6, lorsque le noyau 14 est en alignement avec ces sections, est égal à zéro, et que, à mesure que le noyau se déplace par paliers correspondant à une section, vers la gauche de la figure 1, pour venir en alignement avec les sections A2 à A7, puis A3 à A8, etc..., la phase du signal de sortie dû à l'excitation de l'enroulement primaire 6 varie par paliers de 150, l'équation 14 peut être ré-écrite de manière classique, sous forme de six équations distinctes à six inconnues.

Par exemple, la seconde de ces équations sera:
N2 + N3 + ... + N7 = N sin 150. Ces équations peuvent également être résolues de manière classique, en utilisant les matrices d'égalité 17 et 18, pour déterminer les nombres de spires dans les différentes sections de l'enroulement primaire 6. Quoique, en résolvant ces équations, on puisse trouver des nombres fractionnaires, il ne s'agit pas d'un problème, ces nombres pouvant être arrondis.

Si l'on choisit égal à 667 le nombre N de l'équa- tion 14, en résolvant les équations simultanees et en arrondissant les chiffres trouvés, on obtient: -
N4 = 16 tours
N5 = 47 tours,
N6 = 75 tours,
N7 = 98 tours,
N8 = 114 tours,
N9 = 122 tours.

A partir de ces valeurs, on peut compléter les matrices 17 et 18 pour déterminer le nombre souhaité de spires dans chaque section Al à A24 de l'enroulement primaire A6. Les sections Al' à A9' et A22' à A241 ont les mêmes nombres de spires et les mêmes polarités de connexions électriques que les sections portant les mêmes références sans le suffixe '. On remarquera qu'une telle configuration de sections peut être reproduite en fonction de la longueur du transformateur et de la nature du signal de sortie.

La répartition dans les sections B1 à B24 et dans les sections portant la référence ' de l'enroulement primaire B 7 est déplacée de 900, correspondant à la distance L/4, par rapport à la répartition établie dans l'enrou- lement primaire A 6, pour autant qu'elle suit la fonction cosinus de l'équation 15. Ainsi, les nombres de spires et les polarités des connexions pour les sections B1 et
B2 de l'enroulement B 7 seront les mêmes que celles définies pour les sections A7 et A8, respectivement de l'en- roulement A 6. Il en est de même pour les sections suivantes.Donc, la répartition dans l'enroulement primaire B 7 sera identique à la répartition dans l'enroulement primaire A6, sauf que les sections quantifiées seront déplacées d'une distance correspondant à 900, soit 1/4 de la variation de phase totale souhaitée pour la longueur de course définie pour le transformateur.

Dans le modèle de transformateur décrit et illustré, chacune des sections 31 d'enroulement secondaire comporte cinquante spires uniformément réparties. Le tableau 1 donne les nombres de spires ainsi que les polarités pour les sections des enroulements A et B du transformateur de la figure 1. De préférence, les enroulements des sections sont raccordés en série, mais, pour les sections dont le nombre de spires est affecté d'un signe négatif, le courant doit circuler dans le sens opposé à celui dans lequel il circule dans les autres sections.

Cette disposition est valable pour les enroulements 6 et 7, qui reçoivent, par ailleurs, depuis le circuit de commande 3, des signaux d'excitation en quadrature de phase.

TABLEAU 1
REMARQUE: Nombre de spires par section; le signe - devant le nombre indique que la circulation du courant se fait dans la section considérée en sens inverse; chaque section d'enroulement secondaire comporte 50 spires.

Enroulement primaire A Enroulement primaire B
A22' N22 -122 B22' N4 16
A23' N23 -114 B23' N5 47
A24' N24 -98 B24' N6 75
Al N1 -75 B1 N7 98
A2 N2 -47 B2 N8 114
A3 N3 -16 B3 N9 122
A4 N4 16 B4 N10 122
A5 N5 47 B5 N11 114
AS N6 75 B6 N12 98
A7 N7 98 B7 N13 75
A8 N8 114 B8 N14 47
A9 N9 122 B9 N15 16
A10 N10 122 B10 N16 -16
A11 N11 114 B11 N17 -47
A12 N12 98 B12 N18
A13 N13 75 B13 N19 -98
A14 N14 47 B14 N20 -114
A15 N15 16 B15 N21 -122
A16 N16 -16 B16 N22 -'22
A17 N17 -47 B17 N23 -114
A18 N18 75 B18 N24 -98
A19 N19 -98 B19 N1 -75
A20 N20 -114 B20 N2 -47
A21 N21 -122 B21 N3 -16
A22 N22 -122 B22 N4 16
A23 N23 -114 B23 N5 47
A24 N24 -98 B24 N6 75
A1' N1 -75 B1' N7 98
A2' N2 -47 B2' N8 114
A3' N3 -16 B3' N9 122
A4' N4 16 B4' N10 122
AS' N5 47 B5' N11 114
A6' N6 75 B6' N12 98
A7' N7 98 B7' N13 75
A8' N8 114 B8' N14 47
A9' N9 122 B9' N15 16
On a représenté figure 2 un générateur d'impulsions d'horloge 40 fournissant un signal d'entrée impulsionnel à un générateur de signaux dvexcitation alternatifs 41.

Le générateur 41 comporte un générateur de signaux alternatifs 42 qui fournit un signal d'onde rectangulaire à une fréquence fonction de celle des signaux d'horloge, et un répartiteur de phase 43 qui, à partir du signal d'onde rectangulaire, forme deux signaux d'excitation alternatifs sur les conducteurs 44, 45, ces signaux étant en quadrature de phase, soit déphasés de 900. Le répartiteur de phase 43 fournit également, au démodulateur 4, par l'intermédiaire du conducteur 46, un signal de référence dont la fréquence est la même que celle des signaux formés sur les conducteurs 44 et 45. Un conditionneur de signal 47 transforme les signaux formés sur les conducteurs 44 et 45 en signaux d'onde sinusoldale classiques qui sont formés sur les conducteurs 48, 49 et- constituent les signaux d'excitation alternatifs appliqués aux enroulements primaires 6, 7 du transformateur 1. Le répartiteur de phase 43 peut comporter des circuits de répartition de phase numériques tels que des basculeurs ou analogue. Les extrémités opposées des enroulements 6, 7 sont mises à la masse par une connexion 50.

En cours de fonctionnement du système, lorsque le transformateur 1 reçoit des signaux d'exciNation, les flux magnétiques indépendants créés dans le noyau 14, par les sections des enroulements primaires 6, 7 avec lesquelles le noyau est aligné, soit par les spires de ces sections "coupées" par le noyau, sont combinés dans ce noyau et constituent le flux de sortie. La phase du flux de sortie dépend du nombre de spires d'enroulements primaires "coupées" par le noyau, et de la polarité des connexions des sections primaires "coupées" par le noyau.

Le flux de sortie crée un signal de sortie alternatif - dans l'enroulement secondaire 18, la phase de ce signal étant directement fonction de celle du flux de sortie, donc, représentative de la position du noyau par rapport aux enroulements primaires 6, 7. L'enroulement 18 étant, de préférence, bobiné uniformément, la position du noyau par rapport à cet enroulement n'affecte pas le signal de sortie.

La distance entre les extrémités les plus éloignées des sections d'enroulement primaire A4'et A3', ou
B4 et B3' représente la longueur de course L qui peut être mesuré par le transformateur. La longueur axiale supplémentaire occupée par les~sections Al à A3 et A4' à A6' et par les sections correspondantes de l'enroule- ment B, en alignement desquelles peut venir le noyau, compensent la longueur de ce noyau.Par ailleurs, une autre partie de la longueur axiale du transformateur est occupée par les sections d'enroulement primaire A22' à A241 et A7' à A9', et les sections d'enroulement B correspondantes; le noyau ne vient normalement pas en alignement avec ces sections qui assurent une fonction antiréactive et éliminent, dans le signal de sortie, les nonlinéarités dues aux pertes de flux aux extrémités du transformateur lorsque le noyau parvient aux extrémités de sa course. Les sections d'enroulement primaire A ou
B sont raccordées en série, comme décrit ci-dessus, pour former deux enroulements primaires distincts, complets et continus.

Le signal de sortie alternatif formé dans l'en- roulement secondaire est envoyé, par le conducteur 51, sur un circuit conditionneur de signal 52 du démodulateur. Ce circuit conditionneur peut être conçu pour former un signal d'onde rectangulaire modulé en phase qui est transmis au détecteur de phase numérique 53. Le détecteur 53 compare la phase du signal d'onde rectangulaire fourni par le circuit 52 à celle du signal de référence qui lui est fourni par le conducteur 46, et forme, sur le conducteur 54, un nombre d'impulsions représentatif de la différence de phase, ces impulsions étant formées à partir des impulsions d'horloge.L'information numérique série ainsi formée est transformée, dans un convertisseur série/parallèle 55, en information numérique parallèle, cette dernière pouvant être utilisée dans un équipement extérieur, par exemple comme signal de réaction pour le contrôle du dispositif extérieur couplé au transformateur. La différence de phase et l'information numérique qui en est issue représentent la position du noyau par rapport aux enroulements primaires.

Le degré de non-linéarité de la phase du signal de sortie, par rapport au déplacement du noyau, est une fonction inverse du nombre de fois que passe par zéro la fonction d'erreur de la phase théorique du système.

Dans le cas de l'exemple décrit, la phase du signal de sortie accusera un écart nul par rapport à la phase théorique en 24 positions discrètes de la course L, soir lorsque le noyau est parfaitement aligné avec l'un quelconque des ensembles de six sections primaires, par exemple avec les sections A13 à A18 et B13 à B18, comme illustré figure 1. L'enveloppe d'erreur théorique est alors de + 0,018%, ce qui représente une amélioration ou réduction d'un ordre de grandeur, par rapport aux transformateurs connus utilisant 2 à 6 enroulements primaires et, parfois, plus de deux signaux d'excitation.

Il se trouve, de plus, que l'amplitude du signal de sortie avec le transformateur décrit varie de moins de + 1% avec la course, ce qui est peu par rapport aux 30% accusés par les transformateurs de l'art antérieur.

On peut,par ailleurs, réduire encore la fonction d'erreur et l'écart de tension par augmentation du nombre M.

L'amplitude du signal de sortie peut alors être utilisée pour indiquer l'état de fonctionnement du système 2, toute variation d'amplitude par rapport à un niveau donné de référence, étant significative d'un défaut.

Claims

REVENDICATIONS

1. Transducteur déplacement/phase, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs éléments primaires pour créer des flux magnétiques alternatifs en réponse à des courants d'excitation alternatifs, des moyens de combinaison dans lesquels est créé un flux de sortie dont la phase dépend de la position relative des moyens de combinaison par rapport aux éléments primaires, l'un ou l'autre des éléments primaires ou des moyens de combinaison étant mobile par rapport à l'autre, et des moyens de sortie fournissant un signal électrique de sortie alternatif dont l'amplitude est sensiblement constante et dont la phase correspond à la phase du flux de sortie.

2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément primaire est cons-titué par plusieurs segments axialement alignés sur le même axe.

3. Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les segments constituant un élément primaire sont en recouvrement sur les segments d'un deuxième élément primaire.

4. Transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque segment se compose d'un certain nombre de spires d'enroulement d'un fil électrique continu, autour de l'axe du transducteur.

5. Transducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que tous les segments d'un élément primaire sont électriquement raccordés en série, tous les segments du deuxième élément primaire étant également électriquement raccordés en série.

6. Transducteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte, de plus, des moyens d'alimentation en énergie pour fournir des signaux de courant alternatif d'excitation aux éléments primaires afin de les exciter.

7. Transducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en énergie se composent de moyens pour fournir un premier signal d'excitation alternatif à l'un des éléments primaires, ainsi qu'un deuxième signal d'excitation alternatif, qui est en quadrature de phase par rapport au premier, au deuxième élément primaire.

8. Transducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les nombres de spires des segments consécutifs le long de l'axe du transducteur varient selon une fonction sinusoidale de la position de ces segments le long de l'axe.

9. Transducteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les nombres de spires des segments consécutifs du premier élément primaire varient selon une fonction sinus de la position des segments considérés le long de l'axe du transducteur, et en ce que les nombres de spires des segments consécutifs du deuxième élément primaire varient selon une fonction cosinus de la position des segments considérés le long de cet axe.

10. Transducteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que, dans chaque élément primaire, les segments pour lesquels est définie une fonction sinus ou cosinus affectée d'une première polarité sont électriquement raccordés en respectant une première polarité dans leur mode de raccordement afin que les champs magnétiques qu'ils créent soient en phase, les segments pour lesquels est définie une fonction sinus ou cosinus de la polarité opposée étant électriquement raccordés en respectant une deuxième opposée à la première dans leur mode de raccordement afin que les champs magnétiques créés par ces derniers segments soient en phase, mais avec une polarité de phase opposée à celle des premiers champs magnétiques cités.

11. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un axe, en ce que chacun des éléments primaires se compose d'un certain nombre de spires d'enroulement circulaires réparties le long de cet axe selon une fonction sinusoldale des positions qu'elles occupent le long de l'axe, les éléments primaires étant coaxiaux et en recouvrement.

12. Transducteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de sortie se composent d'un enroulement secondaire avec un certain nombre de spires d'enroulement sensiblement circulaires réparties le long de l'axe parallèlement et coaxialement aux éléments primaires et sur une même longueur.

13. Transducteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'un des éléments primaires est réparti le long de l'axe selon une fonction sinus, un autre de ces éléments primaires étant réparti le long de l'axe selon une fonction cosinus.

14. Transducteur selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte, de plus, des moyens d'alimentation en énergie permettant d'exciter les éléments primaires avec des courants alternatifs en quadrature de phase.

15. Transducteur selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens de sortie se composent d'un enroulement secondaire avec un certain nombre de spires d'enroulement sensiblement circulaires régulièrement réparties le long de l'axe, parallèlement et coaxialement aux éléments primaires et sur une même longueur.

16. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de combinaison sont constitués par un noyau magnétiquement perméable, mobile par rapport aux éléments primaires.

17. Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de combinaison sont constitués par un noyau magnétiquement perméable, mobile par rapport aux éléments primaires, et dont la l-ongueur axiale est au moins égale à la longueur axiale du plus long des segments.

18. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, de plus, un axe allongé, chacun des éléments primaires comportant un certain nombre de spires d'enroulement sensiblement circulaires réparties sur la longueur de cet axe selon une fonction sinusoldale des positions qu'elles occupent, un passage creux intérieur étant circonscrit par ces éléments primaires, et les moyens de combinaison étant constitués par un noyau magnétiquement perméable, mobile dans ce passage et le long de l'axe.

19. Transducteur selon la revendication 18, ca-- ractérisé en ce que les éléments primaires sont au nombre de deux, sont en recouvrement et occupent les mêmes positions sur une même longueur de l'axe, les moyens de sortie étant constitués par un enroulement secondaire comportant un certain nombre de spires sensiblement circulaires, uniformément réparties le long de l'axe sur la longueur d'axe occupée par les éléments primaires.

20. Transducteur selon la revendication 19, caractérisé en ce que, dans chaque élément primaire, toutes les spires d'enroulement sont électriquement raccordées en série, et en ce que, selon le type de fonction sinusoldale établie par leur répartition, certaines de ces spires sont raccordées pour une circulation du courant dans un sens donné autour de l'axe, certaines autres spires étant raccordées pour une circulation du courant dans le sens opposé.

21. Transducteur selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comporte, de plus, des moyens d'alimen- tation d'énergie pour exciter chacun des éléments primaires avec des signaux alternatifs d'excitation d'égale amplitude, en quadrature de phase.

22. Transducteur selon la revendication 19, caractérisé en ce que chaque élément primaire comporte, à chaque extrémité, des éléments primaires anti-réactifs de compensation d'effet de frange, le noyau ne pouvant se déplacer pour venir en alignement avec ces éléments primaires anti-réactifs.

23. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, de plus, des moyens constituant un circuit de commande et fournissant les signaux alternatifs d'excitation à chacun des éléments primaires, les moyens de sortie étant constitués par un enroulement secondaire occupant la même longueur d'axe que les éléments primaires et dans lequel les moyens de combinaison induisent un signal électrique de sortie alternatif sous forme d'un signal analogique, des moyens de démodulation étant prévus pour convertir le signal analogique, en signal d'information numérique représentatif des positions relatives des éléments primaires et des moyens de combinaison.

24. Transducteur déplacement/phase, caractérisé en ce qu'il comporte des éléments primaires fractionnés et coaxiaux pour créer des flux magnétiques alternatifs en réponse à des courants d'excitation alternatifs, des moyens de combinaison pour former un flux de sortie dont la phase dépend des positions relatives des moyens de combinaison et des éléments primaires, au moins l'un des ensembles formés, d'une part, par les éléments primaires, d'autre part, par les moyens de combinaison, étant mobile par rapport à l'autre, ainsi que des moyens de sortie pour former un signal électrique de sortie alternatif dont la phase correspond à la phase du flux de sortie.

25. Transducteur déplacement/phase, caractérisé en ce qu'il comporte des éléments primaires pour créer des flux magnétiques alternatifs déphasés en réponse à des signaux d'excitation de courant alternatif, des moyens de combinaison pour former un flux de sortie dont la phase dépend des positions relatives des moyens de combinaison et des éléments primaires, au moins l'un des ensembles formés, d'une part, par les éléments primaires, d'autre part, par les moyens de combinaison, étant mobile par rapport à l'autre, la variation maximum de la phase du flux de sortie par rapport au déplacement maximum des moyens de combinaison ou des éléments primaires étant plus grande que le déphasage entre les signaux d'excitation, des moyens de sortie étant prévus pour former un signal électrique de sortie alternatif dont la phase correspond à la phase du flux de sortie.