FR2871238A1 - Capteur de vitesse de rotation avec asservissement de frequence - Google Patents
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Abstract
Capteur de vitesse de rotation avec asservissement de fréquence, et présentant une fréquence de résonance d'entraînement (f_rA) et une fréquence de résonance de Coriolis (f_rD), au moins une tension de fonctionnement (U_MK) dont dépend la fréquence de résonance de Coriolis (f_rD), et des moyens prévus pour accorder par une tension d'accord (U_DF) la fréquence de résonance de Coriolis (f_rD) à la fréquence de résonance d'entraînement (f_rA). Un circuit de compensation (150) permette de compenser une modification de la fréquence de résonance de Coriolis (f_rD) suite à une variation de la tension de fonctionnement (U_MK), en produisant une tension d'accord modifiée (U_DF) adaptée.
Description
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Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur de vitesse de rotation avec asservissement de fréquence, et présentant: - une fréquence de résonance d'entraînement (f rA) et une fréquence de 5 résonance de Coriolis (f rD), - au moins une tension de fonctionnement (U_MK) dont dépend la fréquence de résonance de Coriolis (f rD), et - des moyens prévus pour accorder par une tension d'accord (U_DF) la fréquence de résonance de Coriolis (f rD) à la fréquence de résonance 10 d'entraînement (f rA).
Etat de la technique De nombreux capteurs de vitesse de rotation utilisent comme principe de mesure l'effet de Coriolis. La force de Coriolis se développe lorsqu'un corps de masse m se déplace à la vitesse v et qu'il est soumis à une vitesse de rotation SZ perpendiculairement à la direction de déplacement: Fcoriolis=2mvS Une possibilité de mise en mouvement d'une masse consiste à la faire vibrer par une oscillation d'entraînement. Lorsqu'une vitesse de rotation est appliquée à la masse oscillante elle réagit du fait des forces de Coriolis avec une vibration de Coriolis perpendiculaire à l'oscillation d'entraînement.
Si l'on combine la mécanique à l'électronique pour former un circuit oscillant, on obtient un résonateur et la fréquence de l'oscillation d'entraînement correspond à la fréquence de résonance d'entraînement du mécanisme. L'oscillation de Coriolis se produit égale-ment à la fréquence de résonance d'entraînement. La fréquence de réso-30 nance f rD du mode Coriolis est toutefois indépendante de la fréquence de résonance d'entraînement f rA. Comme la sensibilité vis-à-vis de l'effet Co- riolis est la plus grande à la fréquence de résonance du mode Coriolis f rD, il est intéressant de définir la fréquence f rD pour qu'elle corres- ponde à la fréquence de résonance d'entraînement f rA.
Cet accord de la fréquence de résonance de Coriolis f rD peut se faire en utilisant des forces de couplage électrostatique qui peu-vent s'opposer à la rigidité mécanique d'un ressort et se traduire par une réduction effective de la rigidité du ressort si bien que la fréquence de résonance f rD risque d'être diminuée. Une possibilité d'accord de fréquence consiste à réaliser le mécanisme pour que sa fréquence de résonance de Coriolis f rD soit supérieure à la fréquence de résonance d'entraînement. En appliquant une tension électrique U_DF à l'élément de capteur, le circuit électronique peut engendrer des forces électrostatiques de couplage de sorte que la fréquence de résonance en mode Coriolis sera diminuée pour correspondre à la fréquence de résonance d'entraînement. La tension électrique nécessaire à cet effet peut être tarée dans le circuit électronique. Cela est par exemple décrit dans le document DE 199 10 415 Al.
Une difficulté des systèmes décrits ci-dessus est que si le circuit électronique doit générer d'autres tensions pour des mesures ou pour des compensations, tensions qui agissent également sur l'élément de capteur, le couplage électrostatique décale la fréquence de résonance de Coriolis f rD vers les fréquences plus faibles. Toutes les tensions agissant également sur l'élément de capteur pour des mesures ou des compensations, sont représentées dans la suite par la tension U_MK. En équilibrant la tension U_DF_Abgl il faut veiller à ce que la tension U_MK prenne une valeur caractéristique du fonctionnement du capteur. Cette valeur sera désignée ci-après par U_MK_Abgl.
Pendant le fonctionnement du capteur il peut également arriver que la tension UMK varie de la différence de tension AUMK. A titre d'exemple, les causes de cette variation peuvent être une variation de la tension de sortie des circuits pour éliminer les perturbations de l'élément de capteur à cause de la fonction de température ou de la dérive à long terme. La variation de tension AUMK conduit à un décalage gênant de la fréquence de résonance de Coriolis f rD.
Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un capteur de vitesse de rotation du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'un circuit de corn- pensation permette de compenser une modification de la fréquence de résonance de Coriolis (f rD) suite à une variation de la tension de fonctionnement (UMK), en produisant une tension d'accord modifiée (U_DF) adaptée à partir du circuit de compensation.
De façon avantageuse, le capteur permet de compenser les décalages de la fréquence de résonance de Coriolis f rD.
De manière avantageuse, la fréquence de résonance de Coriolis f rD du capteur de vitesse de rotation correspond à la fréquence de résonance d'entraînement f rA.
Pour compenser le décalage de la fréquence de résonance de Coriolis f rD, le circuit de compensation possède avantageusement un facteur de compensation défini par des tensions U_DF_Abgl et U_MK_Abgl.
Selon un autre développement avantageux de l'invention, le facteur de compensation k est enregistré dans le circuit de compensation par un champ de courbes caractéristiques sous la forme d'au moins un tableau de valeurs. Cela présente l'avantage de n'avoir à tenir compte ni de la fonction de température ni des dérives à long terme des circuits électroniques pour déterminer de manière analogique le facteur de compensation k.
Il est également avantageux d'utiliser un champ de caractéristiques réalisable à la fois sous forme analogique et sous forme numérique pour déterminer le facteur de compensation k selon le point de fonctionnement.
Un développement particulièrement avantageux de l'invention prévoit d'enregistrer le facteur de compensation k dans le circuit de compensation à l'aide d'un champ de courbes caractéristiques sous la forme de deux tableaux de valeurs, l'un des tableaux correspondant aux valeurs d'entrée de la tension U_DF_Abgl et l'autre tableau de valeurs correspondant aux valeurs d'entrée de la tension U_MK_Abgl. Cela permet de minimiser globalement le nombre d'enregistrement dans les tableaux de valeurs.
Il est également avantageux d'utiliser un tableau de valeurs pour linéariser la relation entre la fréquence de résonance de Coriolis f rD et la variation de la tension U_MK, ce qui permet de tenir compte de l'autre tableau de valeurs uniquement au point de fonctionnement défini par la tension équilibrée ou étalonnée U_DF_Abgl.
la réalisation numérique de l'action des facteurs de compensation pour compenser la fréquence est une solution particulièrement avantageuse se traduisant notamment par des économies liées à la simplicité des circuits à réaliser.
Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre un capteur de vitesse de rotation avec accord de la fréquence de résonance de Coriolis, - la figure 2 montre l'accord de la fréquence de résonance de Coriolis selon le point de fonctionnement, - la figure 3 montre un capteur de vitesse de rotation selon l'invention avec un circuit électronique numérique d'exploitation et un tableau de valeurs enregistrées, - la figure 4 montre un capteur de vitesse de rotation selon l'invention avec un circuit électronique numérique d'exploitation et deux tableaux de valeurs enregistrées.
Description de modes de réalisation
La figure 1 montre un capteur de vitesse de rotation selon l'invention accordé avec la fréquence de résonance de Coriolis. Le capteur de vitesse de rotation comprend un élément de capteur 100 et un circuit électronique d'exploitation 150. Le circuit électronique d'exploitation 150 comporte un circuit de compensation 155 avec une fonction 160 pour dé- terminer un facteur de compensation k. L'élément de capteur 100 est commandé par le circuit électronique d'exploitation 150 par les tensions U_DF et U_MK. La tension U_MK est la somme de la tension U_MK_Abgl appliquée à l'instant de la compensation ou de 1"étalonnage de la tension U_DF et de la variation de tension AU_MK qui résulte du fonctionnement du capteur. Cette variation de tension AU_MK représente le signal d'entrée du circuit de compensation 155 selon l'invention. Ce circuit de compensation multiplie la valeur AU_MK par le facteur de compensation k et utilise le résultat pour modifier la tension U_DF de la différence de tension AU_D F. Une action sur la tension U_DF consiste ainsi à compenser la variation de la fréquence de résonance de Coriolis f rD provoquée par une variation de tension AU_MK, en asservissant la tension U_DF par un circuit de compensation.
La figure 2 montre comment l'accord de la fréquence de ré- sonance de Coriolis dépend du point de fonctionnement. Le diagramme représente la variation Af rD de la fréquence de résonance de Coriolis f rD en fonction de la tension U_DF. Une particularité de l'invention est que le facteur de compensation k dépend des valeurs d'équilibrage des tensions U_DF_Abgl et U_MK_Abgl. La relation entre le facteur de compensation k et le point de fonctionnement, selon l'invention sera décrite ci-après.
La force électrostatique dans l'élément capteur 100 est proportionnelle au carré de la tension appliquée à cet élément capteur 100. Si la force électrostatique dépasse la force mécanique de ressort, la variation de la fréquence de résonance de capteur est proportionnelle au carré de la tension appliquée à l'élément capteur 100. Cette relation est représentée à titre d'exemple à la figure 2 pour l'action de la tension U_DF sur la variation de la fréquence de résonance de Coriolis f rD. Si l'on considère le point de fonctionnement U_DF_Abgl 1, une variation de la tension U_DF de la valeur AUDF se traduit par une variation de fréquence de valeurs Af rD_1. Au point de fonctionnement U_Df Abgl 2, la même variation U_DF se traduit par une variation de fréquence beaucoup plus élevée Af rD_2. La fonction au carré s'applique également à la variation de fréquence engendrée par la variation de tension UMK.
La figure 3 montre un capteur de vitesse de rotation selon l'invention comprenant un circuit électronique d'exploitation et un tableau de valeurs enregistrées.
Pour compenser l'effet d'une variation de tension AUMK sur la fréquence de résonance de Coriolis f rD par une variation de tension AUDF selon l'invention, il faut faire dépendre le facteur de compensation k à choisir des valeurs de tension U_DF_Abgl et U_MK_Abgl. selon l'invention une possibilité pour obtenir cette relation consiste à utiliser un champ de courbes caractéristiques permettant de déterminer le facteur de compensation k en fonction des tensions U_DF_Abgl et U_MK_Abgl.
En technique analogique, on réalise un tel réglage du facteur de compensation k selon le point de fonctionnement par exemple à l'aide de multiplicateurs à pente. Une telle réalisation est le cas échéant compliquée car il faut tenir compte de la dépendance de la température et des dérives à long terme.
Une alternative selon l'invention consiste à enregistrer le champ de courbes caractéristiques sous la forme d'un tableau de valeurs (LUT). Ce tableau offre l'avantage de ne pas dépendre de la température ou des dérives à long terme. Le tableau de valeurs LUT ainsi enregistrées et la multiplication numérique sont beaucoup moins sensible aux perturbations que la solution analogique.
La figure 3 montre une réalisation numérique du capteur de vitesse de rotation selon l'invention. La figure représente l'élément de capteur 100 et un circuit électronique d'exploitation 350. Le circuit élec- tronique d'exploitation 350 comporte une partie analogique et une partie numérique délimitée à la figure par un trait en pointillés. Les signaux numériques sont convertis en signaux analogiques par un convertisseur numérique/analogique N/A (DAU). Les signaux numériques représentés sont caractérisés par la lettre d qui commence leur référence. Le circuit électronique d'exploitation 350 comporte un circuit de compensation 355 avec un tableau de valeurs 360 pour déterminer le facteur de compensation k et un circuit électronique numérique de mesure 380.
Le circuit électronique numérique de mesure 380 génère un signal numérique dU_MK_Abgl qui décrit le point de fonctionnement et un signal numérique d0U_MK qui décrit la variation de la tension U_MK. Une valeur numérique dU_DF_Abgl qui est une mesure de la tension compensée pour régler la fréquence de résonance de Coriolis, commande un convertisseur numérique/analogique N/A (DAU) et est utilisée comme signal d'entrée pour déterminer le facteur de compensation k à l'aide du champ de caractéristiques enregistrées dans le tableau de valeurs (LUT) 360. Le produit numérique de ce facteur k et du signal d0U_MK est appelé d0U_DF. Ce signal est utilisé pour commander un convertisseur numérique/analogique DAU et il donne le signal analogique AU_DF que l'on additionne à la tension U_DF_Abgl pour compenser l'effet perturbateur de la variation de tension AU MK.
La figure 4 montre un capteur de vitesse de rotation selon l'invention comprenant un circuit électronique numérique d'exploitation et deux tableaux de valeurs enregistrées. La figure montre l'élément capteur 100 et un circuit électronique d'exploitation 450. Ce circuit électronique d'exploitation 450 contient un premier tableau de valeur (LUT1) 490, un circuit électronique numérique de mesure 480 et un circuit de compensation 455 avec un second tableau de valeurs (LUT2) 460.
Le tableau de valeurs (LUT) tel que décrit ci-dessus avec deux signaux d'entrée pour représenter le point de fonctionnement peut être simplifié de façon importante si le facteur de compensation k ne dé-pend plus que du point de fonctionnement de la tension U_DF_Abgl. Un exemple de réalisation selon l'invention est donné à la figure 4. Le circuit électronique numérique de mesure génère également dans ce cas un signal numérique dU_MK_Abgl qui définit le point de fonctionnement et une variation de signal dAU MK. Cette variation de signal est multipliée de manière numérique avec un facteur k 1 donnant le signal numérique d0U_MK_lin. Le facteur k1 dépend de la valeur du signal dU_MK_Abgl et se détermine à l'aide du tableau LUT. Le signal d0U_MK_lin commande un convertisseur numérique/analogique DAU qui génère la variation analogique de tension AUMK. L'électronique décrite ci-dessus est par exemple celle qui existe dans un régulateur numérique pour éliminer les signaux parasites dans le capteur de vitesse de rotation et peut ainsi assurer une double fonction car elle permet également de faire dépendre le facteur de compensation k2 du circuit d'asservissement en fréquence uniquement du point de fonctionnement du signal dU_DF_Abgl. Ce facteur k2 est mufti- plié de manière numérique avec le signal d0U_MK_lin donnant ainsi le signal numérique d0U_DF. Ce signal est utilisé pour commander un convertisseur numérique/analogique DAU et générer la variation de tension AU DF.
On peut également envisager une réalisation dans laquelle l'entrée du tableau LUT2 ne reçoit pas le signal d0U_MK_lin mais directe-ment le signal d0U_MK. A la place d'un tableau LUT à deux signaux d'entrée on peut également utiliser deux tableaux LUT ayant chacun un signal d'entrée ce qui réduit de manière très importante le nombre de facteurs de compensation possibles qu'il faut enregistrer. Si on quantifie le signal dU_DF_Abgl avec une résolution de x bit et le signal dU_MK_Abgl avec une résolution de y bit, on réduit les enregistrements dans un tableau LUT selon le produit x par y, c'est-à-dire un tableau LUT avec x enregistrement et un tableau LUT avec y enregistrement. Au lieu d'un nombre d'éléments de mémoire correspondant au produit x par y, il suffira alors d'un nombre d'éléments de mémoire correspondant à la somme x+y. Il est en outre possible d'utiliser deux fois une partie de circuit qu'il faut par ailleurs. Il s'agit par exemple de la partie d'un régulateur numérique servant à éliminer les signaux parasites.
Le principe décrit ci-dessus peut également se transposer à une réalisation analogique.
Claims (5)
1 ) Capteur de vitesse de rotation avec asservissement de fréquence, et présentant: - une fréquence de résonance d'entraînement (f rA) et une fréquence de résonance de Coriolis (f rD), - au moins une tension de fonctionnement (U_MK) dont dépend la fréquence de résonance de Coriolis (f rD), et - des moyens pour accorder la fréquence de résonance de Coriolis (f rD) à la fréquence de résonance d'entraînement (f rA), par une tension d'accord (U_DF) caractérisé en ce qu' un circuit de compensation (150, 350, 450) permette de compenser une modification de la fréquence de résonance de Coriolis (f rD) suite à une variation de la tension de fonctionnement (U_MK), en produisant une ten- Sion d'accord modifiée (U_DF) adaptée à partir du circuit de compensation (150, 350, 450).
2 ) Capteur de vitesse de rotation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de résonance de Coriolis (f rD) correspond à la fréquence de résonance d'entraînement (f rA).
3 ) Capteur de vitesse de rotation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de compensation (150, 350, 450) présente un facteur de compensation k défini par des tensions U_DF_Abgl et U_MK_Abgl.
4 ) Capteur de vitesse de rotation selon la revendication 3, caractérisé en ce que le facteur de compensation k est enregistré dans le circuit de compensation (350, 450) à l'aide d'un champ de caractéristiques sous la forme d'au moins un tableau de valeurs (360, 460, 490).
5 ) Capteur de vitesse de rotation selon la revendication 3, caractérisé en ce que le facteur de compensation k est enregistré dans le circuit de compensation (450) par un champ de caractéristiques sous la forme de deux tableaux de valeurs (460, 490), un tableau de valeurs (460) correspondant aux valeurs d'entrée de la tension U_DF_Abgl et l'autre tableau de valeurs (490) correspondant aux valeurs d'entrée de la tension U_MK_Abgl.
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