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DISPOæITIF DE SIGNALISATION DE LA POSITION d~UN ORGANE
MOBILE
La présente invention est relative à un dispositif
pour signaler la position d'un organe mobile.
L'invention trouve notamment application dans
l'électrotechnique, et le présent mémoire sera illustré
par un exemple qui, bien entendu n'est pas limitatif.
L'exemple est relatif à la signalisation de la
position des contacts d'un appareil de coupure de courant
électrique, tel qu'un disjoncteur. Il est indispensable à
l'exploitant d'un poste électrique comportant des
appareils tels que des disjoncteurs, de connaître avec
certitude l'état, ouvert ou fermé, de la position des
contacts de chacun des disjoncteurs; cette information,
généralement disponible au niveau de chacun des
disjoncteurs, est centralisée dans un poste de contrôle et
de commande; il est impératif que toute défaillance du
circuit de transmission d'information qui relie chacun des
appareils audit poste soit immédiatement signalée, sans
quoi le signal reçu au poste peut faire croire qu'un
appareil est dans un état donne alors qu'il est dans
l'état inverse; cette erreur peut entraîner des
conséquences fâcheuses pour l'exploitant du réseau
électrique.
Pour les mêmes raisons, il est indispensable que
l'appareil qui fournit la signalisation signale lui-même,
dans une large mesure, qu'il est en panne ou que son
alimentation est défaillante. Cette auto-surveillance
permet d'accroître considérablement la disponibilité de la
partie auto-surveillée du dispositif.
Bien entendu, le problème n'est pas limité à la
détection de la position des contacts d'un disjoncteurs;
dans les postes électriques, cette signalisation, appelée
aussi contact signal, concerne les pressostats, la
pression d'huile des circuits de commande hydrauliques,
les niveaux d'huile, etc..
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Sur lOO défaillances majeures d'un poste
électriques, 30 environ sont dues à un mauvais contact
signal; on conçoit donc l'importance du problème.
Un but de l'invention est donc de réaliser un
dispositif pour la signalisation de l'état d'un appareil
par la détection de cet état et la transmission de
l'information correspondante, qui soit d'un fonctionnement
sans erreur possible sur l'état détecté, et qui signale
immédiatement sa propre défaillance ainsi que celle de la
ligne de transmission de l'information.
Un autre but de l'invention est de réaliser un
dispositif insensible aux influences extérieures tels que
les champs électriques ou les champs magnétiques ainsi
qu'aux perturbations de mode commun rencontrées lorsqu'on
lS utilise des liaisons galvaniques.
On sait que l'alimentation par élément
optoélectronique, la transmission par fibre optique et
le blindage du dispositif permettent de répondre à
l'exigence précédente. On se heurte alors au problème de
consommation du dispositif; un autre but de l'invention
est donc de réaliser un dispositif ne nécessitant pour son
fonctionnement pas davantage d'énergie que celle
disponible au moyen d'une cellule photovoltaïque.
Dans le brevet américain n4 626 621, il est
décrit un circuit pour déterminer la position d'un objet,
comprenant deux circuits LR attaqués par un signal carré
issu d'un générateur d'impulsions. L'un des circuits LR
comporte une inductance fixe, l'autre une inductance
variable selon la position de l'objet. L'établissement des
tensions dans les circuits se fait, à partir d'un instant
tl, selon des lois exponentielles différentes dans les
deux circuits, et on mesure les instants respectifs t2 et
t3 correspondant à l'établissement sur les deux circuits
d'une tension de valeur donnée Vo. Le rapport
(t3 - tl)/(t2 - tl) fournit une valeur correspondant à la
position recherchée.
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Un tel circuit est complexe puisqu'il comprend
deux circuits LR, deux amplificateurs opérationnels, deux
compteurs, etc.., et il ne permet pas de détecter ses
propres défaillances.
Un but de l'invention est de réaliser un circuit
comportant le minimum de composants, et, comme il a déjà
été indiqué, capable de signaler ses propres défaillances.
L'invention a pour objet un dispositif pour la
signalisation de l'état d'un appareil pouvant prendre au
moins deux états discrets et pour la transmission de
l'information correspondante, caractérisé en ce qu'il
comprend:
- des moyens pour élaborer, à l'intérieur d'une
enceinte blindée, une tension continue exempte de
perturbations, ladite enceinte blindée comportant à son
intérieur:
- un premier moyen pour élaborer, à partir de
ladite tension continue, des impulsions électriques de
durée proportionnelle à la valeur d'une inductance,
cette inductance pouvant prendre des valeurs distinctes
selon les divers états de l'appareil,
- un second moyen pour convertir lesdites
impulsions électriques en impulsions optiques et une fibre
optique pour transmettre ces impulsions hors de ladite
enceinte vers un centre de traitement.
De p ré ~érenc e, les moy ens pou r
élaborer une tension continue comprennent un élément
photovoltaïque placé à l'intérieur de ladite enceinte
blindée et éclairé à travers une fenêtre de celle-ci par
3~ une source lumineuse. En variante, les moyens pour
élaborer une tension continue comprennent une cellule
photo-voltaïque intégrée placée à l'intérieur de ladite
enceinte blindée et associée à une fibre optique alimentée
par une diode laser placée à l'extérieur de ladite
enceinte blindée.
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Dans un mode préférentiel de réalisation, ledit
premier moyen comprend un circuit pour élaborer des
impulsions rectangulaires de durée constante et séparées
par des intervalles de temps égaux, un circuit intégrateur
recevant lesdites impulsions, un premier circuit inverseur
à seuil recevant les signaux de sortie de l'intégrateur et
fournissant en sortie des impulsions calibrées, un circuit
à constante de temps comprenant une résistance et ladite
inductance, le signal de sortie dudit premier circuit
inverseur à seuil étant envoyé à la fois à l'entrée
dudit circuit a constante de temps et sur un second
circuit inverseur, les signaux de sortie du circuit à
constante de temps et du second circuit inverseur étant
adressés à l'entrée d'un troisième circuit inverseur à
seuil dont la sortie est reliée à un amplificateur
alimentant ledit second moyen.
De préférence, ledit second moyen est une
photo-diode.
De ~l~L~n~e, le centre de traitement ~ _ ~ un CirQ~t de
démodulation et un circuit d'auto-surveillance.
Dans un mode préférentiel de réalisation, ledit
circuit de demodulation comprend un convertisseur
photo-voltaIque recevant le signal de ladite fibre
optique, un trigger de Schmitt et un circuit de type
MEMOIRE D.
De préférence, le circuit d'auto-surveillance
comprend un circuit du type pompe à diode, alimentant un
transistor de sortie.
Dans une variante préférentielle, le circuit
d'auto-surveillance comprend un circuit de type OU
exclusif inséré par une première entrée en amont dudit
circuit MEMOIRE D et comprenant une seconde entree reliee
à un microcontrôleur pouvant fournir sur cette seconde
entrée une impulsion de test de durée dt supérieure à la
durée desdites impulsions rectangulaires, le
microcontrôleur étant relié au circuit MEMOIRE D et étant
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_
programmé pour observer un changement de l'information de
position pendant ladite durée lorsque le système est au
repos.
L'invention sera bien comprise par la description
donnée ci-après d'un exemple de réalisation donné à titre
illustratif et nullement limitatif, en référence au dessin
annexé dans lequel:
- la figure 1 est un schéma électrique par blocs
du dispositif de l'invention,
- la figure 2 est un schéma d'un mode de
réalisation du circuit d'élaboration des impulsions de
durée proportionnelle à une la valeur d'une inductance,
- la figure 3 présentent divers diagrammes
expliquant le fonctionnement du circuit de la figure 2,
- la figure 4 est un schéma du circuit de contrôle
et d'auto-surveillance,
- la figure 5 présente plusieurs diagrammes
expliquant le fonctionnement des circuits de la figure 4,
- la figure 6 représente une variante de
réalisation du système d'auto-surveillance.
Dans la figure 1, la référence 1 désigne un
élément photovoltaïque, alimenté par une source
lumineuse 2, par exemple une lampe alimentée par une
batterie 3. L'élément photovoltaïque est placée dans une
enceinte blindée 4, la lumière traversant une fenêtre 4A;
l'élément photovoltaïque fournit par une tension Vcc
par exemple de 5 volts et capable de délivrer 20 mA en
crête; un circuit électronique 5, placé à l'intérieur de
l'enceinte blindée et alimenté par l'élément 4, élabore
des signaux représentatifs de l'état de l'appareil; à cet
effet, le circuit comprend une inductance 6 constituée
d'un bobinage 6A et d'un noyau mobile 6B lié à l'élément
mobile de l'appareil dont on souhaite connaître la
position; l'inductance 6 prend deux valeurs différentes
selon que le noyau 6B est à l'intérieur ou à l'extérieur
du bobinage 6A, et prend des valeurs évoluant
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proportionnellement à la pénétration du noyau entre les
deux valeurs précitées. Le signal électrique de sortie du
circuit 5 est converti en signal lumineux par un composant
optoélectronique 8 et acheminé par une fibre optique 9
jusqu'au poste 10 de traitement du signal. Là, un
composant optoélectronique 11 assure la conversion du
signal lumineux en signal électrique qui est reçu par un
circuit électronique de traitement 12 alimentant par
exemple une signalisation 13 et une alarme 14.
Grâce à l'emploi du blindage, à l'alimentation par
un élément photovoltaïque et à la transmission par
fibres optiques, les mesures effectuées sont à l'abri de
toutes les perturbations possibles (en particulier
l'absence de liaison galvanique permet d'éviter toute
tension de mode commun sur le transducteur de position).
En variante, représentée en traits tiretés dans
la figure 1, la tension continue est élaborée au moyen
d'une cellule photovoltaïque intégrée lA placée à
l'intérieur de l'enceinte blindée (cette cellule est par
exemple une cellule ASGA commercialisée par la société
SPECTEC), reliée par une fibre optique 4B traversant la
paroi de la cellule blindée et alimentée par une diode
laser 3A.
Dans la figure 2, le circuit 5 comprend un
trigger de Schmitt 20 recevant la tension Vcc, et
comprenant un composant 21, une résistance ajustable 22 et
un condensateur 23; ce trigger délivre en sortie A des
impulsions rectangulaires dont les fronts de montée sont
distants par exemple de 100 microsecondes et dont la
durée est par exemple de 40 microsecondes. (voir figure
3 A)-
En sortie du trigger est placé un circuitintégrateur 30 qui comprend un condensateur 31, une
résistance 32 et une diode 33 permettant d'atténuer
fortement les pics dus aux fronts descendants des
impulsions (figure 3B).
2~G61 09
L'intégrateur est suivi par un élément inverseur
40 à seuil sl qui fournit en sortie C, des impulsions de
longueur calibrées, par exemple 10 microsecondes (figure
3C).
En C, le signal est envoyé sur un circuit à
constante de temps comprenant l'inductance variable 6,
de valeur notée L, et une résistance de valeur R3
ajustable. La courbe 3D montre, sur sa partie gauche,
l'allure du signal de sortie du circuit LR3, au point D,
lorsque l'inductance à une forte valeur (noyau 6B à
l'intérieur du bobinage 6A); la courbe 3D montre, sur sa
partie droite, l'allure du signal en D lorsque
l'inductance à une faible valeur (noyau à l'extérieur du
bobinage). La différence d'allure des courbes s'explique
par la loi d'établissement du courant i dans un circuit à
constante de temps LR, qui est : i = Imax (1
-exp-t/t*) (A)
avec t* voisin de L/R3 et Imax voisin de Vcc/R3, la
résistance du bobinage étant négligeable.
Le signal de sortie de l'élément inverseur est
inversé par un circuit inverseur 50 et le signal de sortie
en F (diagramme 3F) est adressé, en même temps que le
signal en D, à un circuit inverseur à seuil 60, dont le
seuil s2 est représenté dans la figure 3D.
En sortie du circuit 60, on obtient des impulsions
de courte durée (3 microsecondes par exemple) lorsque l'inductance L est
faible (noyau sorti) et de plus longue durée (supérieure à 5 et inférieure
à 10 microsecond~s par exemple) lorsque la valeur L est élevée
(noyau rentré) ; ces impulsions son~
représentées respectivement à la gauche et à la droite du
diagramme 3G. La relation A permet de montrer que si le
seuil du trigger est bien constant, la largeur des
impulsions est directement proportionnelle à L/R3, donc à
L, puisque R3 est sensiblement constante.
Les impulsions en sortie du circuit 60 sont
adressées à un transistor 61 alimentant, à travers une
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résistance 62, une diodeémissive 63, par exemple du
type TI510 de la société Hewlett Packard, reliée à une
fibre optique 64 qui traverse le blindage 4 et achemine
les informations, sous forme d'impulsions lumineuses, à un
centre de traitement.
Le condensateur Cc, en parallèle sur la
résistance R3, sert à compenser la capacité interne du
bobinage.
Dans la plupart des applications, on utilisera le
dispositif de l'invention pour réaliser des contacts
"signaux", de telle sorte qu'on n'aura besoin que de deux
valeurs d'inductances pour déterminer deux largeurs
d'impulsion. On utilisera alors pour l'inductance un
bobinage avec un noyau ferromagnétique, par exemple du
mumétal sous forme d'une languette; les deux valeurs
d'induction seront déterminées par le fait que le noyau
ferromagnétique sera dans le bobinage ou complètement en
dehors du bobinage. Il est bien entendu que cette
application n'est pas limitative et qu'on pourrait
envisager d'utiliser plus de deux valeurs d'inductance,
avec des positions intermédiaires du noyau
ferromagnétique et déterminer ainsi plus de deux durées
d'impulsion.
La figure 4 est un schéma du circuit de contrôle
de la position du contact signal et du circuit
d'autosurveillance du fonctionnement.
Les signaux optiques émis par le convertisseur 63
de la figure 3 sont acheminés par une fibre optique 64 et
transformés en signaux électriques à l'aide d'un
convertisseur opto-électronique 65, par exemple un
circuit R2501 de la société Hewlett Packard.
Les signaux de sortie du convertisseur (point H de
la figure 4), sont représentés dans le diagramme 5H de la
figure 5, dans lequel on a présenté deux impulsions de
faible largeur à gauche du diagramme et deux impulsions de
grande largeur à la droite du diagramme.
2066109
g
Les impulsions sont inversées par un circuit
inverseur 66; le signal de sortie du circuit 66 (point J
de la figure 4), est représenté dans le diagramme 5J de la
figure 5.
Le signal en J est adressé à un trigger de
Schmitt (par exemple un circuit 4093 de la société Radio
Corporation of America, symbolisé dans la figure 5 par
une résistance r et un condensateur c; le signal de sortie
du trigger de Schmitt, au point K de la figure 4, est
représenté dans le diagramme 5K de la figure 5.
Le signal en K est adressé à un circuit inverseur
à seuils 67, qui peut prendre en sortie une valeur Vcc
ou une valeur 0; le signal bascule de Vcc à 0 lorsque le
signal d'entrée dépasse un premier seuil s3 et bascule de
0 à Vcc lorsque le signal traverse un second seuil s4
(s3 > s4). Le signal de sortie (en M) du circuit 67 est
représenté dans le diagramme 5M de la figure 5.
Le signal en M est adressé à l'entrée 'DATA" d'un
circuit 68 dit "MEMOIRE D" (par exemple un circuit 4013 de
la société Control Data), dont l'entrée "CLOCK" est
reliée au point M. Ce circuit fournit sur sa sortie Q, à
chaque transition 0-l du signal en M, un signal
correspondant à l'état de l'entrée "DATA". Le signal
correspondant, dans l'exemple choisi, est représenté dans
le diagramme 5Q de la figure 5. On utilisera de
préférence, pour fournir l'information "POSITION" du
contact, le signal complémentaire Q*, représenté dans le
diagramme 5Q* de la figure 5.
Le circuit de démodulation qui vient d'être décrit
~0 est associé à un circuit d'auto-surveillance du dispositif
de signalisation de l'invention. Ce circuit
d'auto-surveillance est constitué d'une "pompe à diode"
comprenant, de manière classique:
- un transistor T à effet de champ,polarisé par
une source continue Vcc à travers une résistance 70,
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- une première diode 7l en série avec un
condensateur entre le point J et la grille du transistor,
- un condensateur 73 et une résistance 74 en
parallèle entre la base du transistor et la terre et,
- une seconde diode 75.
Le diagramme de la figure 5N montre le potentiel
sur la grille du transistor, en N, qui reste toujours
supérieur ou égal à Vcc tant que la chaîne
opto-électronique fonctionne; le transistor reste alors
bloqué.
Si pour une raison quelconque (disparition de la
source lumineuse, coupure d'une des fibres optiques,
défaillance d'un composant électronique de la chaîne, y
compris du circuit de pompe à diode, etc..) le signal en
J vient à disparaître, la tension sur la grille du
transistor T disparaît par décharge du condensateur 73
dans la résistance 74 et un signal apparaît en X sur le
drain du transistor T. On notera que seule la mémoire D
échappe partiellement à cette auto-surveillance.
La figure 6 illustre une variante de réalisation
du circuit d'autosurveillance.
Par rapport au circuit de la figure 4, il diffère
par la disparition de la chaîne comprenant le transistor T.
Un circuit 9O, de type OU exclusif,comprenant deux
entrées El et E2 et une sortie S, est inséré par son
entrée El entre le circuit inverseur à seuil 67 et le
circuit MEMOIRE D 68.
Un microcontrôleur mP, relié à la sortie Q* du
circuit 68 pour acquérir cette information, est capable
d'envoyer sur l'entrée E2 une impulsion unité "l" de durée
dt>to. Ce~te impulsion correspond à la mise en route de
l'auto-surveillance et est désignée dans la suite par
impulsion de test.
On observe tout d'abort le tableau de vérité
ci-dessou du circuit 9O.
El E2 S
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o o o
o
o o
o
Lorsque E2 = O, le OU exclusif recopie en S
l'entrée El, donc ce circuit additionnel ne modifie pas
l'information délivrée initialement en Q*.
Par contre, on remarque que dès que l'impulsion de
test est lancée, E2 = l. Le logiciel ayant vérifié que le
système est a l'état de repos, aucun n'ordre n'ayant été
lancé, il doit y avoir obligatoirement remplacement de Q*
par Q*, quelle que soit la valeur initiale de Q*, si les
impulsions en retour du transducteur existent bien. Il
suffit pour cela que l'impulsion de test ait une largeur
légèrement supérieure à tO, période d'émission des
impulsions
Pour faire l'auto-test, le programme note d'abord
la valeur Q*o de Q*, puis il met E2 à "l" pendant dt et
vérifie que pendant cette fenêtre dt, Q* est devenu Ql =
2~ Q*. Lorsque l'impulsion est coupée, le microcontrôleur mP
ouvre une nouvelle fenêtre temporelle de durée dt. Dans
cette deuxième fenêtre, il vérifiera que Q2 = Ql = Qo.
Par cette procédure, et par un choix convenable de
dt, on vérifie toute la chaîne de mesure, y compris le
circuit MEMOIRE D 68 et la porte 67 qui échappait à la
surveillance dans le circuit de la figure 4.
On notera que toute défaillance du circuit OU
exclusit 90 sera également détectée par
l'auto-surveillance, car elle se traduirait par le non
3~ remplacement de Q* par Q* lorsque l'impulsion de test est
lancée.
L'auto-surveillance peut être périodique, avec une
périodicité propre, ou faire partie du cycle normal de
saisie de l'information qui est opérée par échantillonnage
avec une fréquence donnée.
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Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux
modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été
donnés qu'à titre d'exemple, dans lequel on peut remplacer
les moyens ou groupes de moyens décrits par des moyens ou
groupes de moyens équivalents.
