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" Voltmètre amplificateur à échelle logarithmique ".
-il vue d'obtenir des lectures suffisamment précises lors- que les tensions à mesurer varient dans de grandes limites, par exeraple de quelques microvolts à quelques volts, et cela sans être assujetti à aucune manoeuvre cornue la commande l'enregis- trement des mesures, on est amené à donner à un voltmètre une courbe de réponse logarithmique. La précision relative de l'ap- pareil ainsi réalisé est constante quelle que soit la valeur
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de la tension à mesurer; le cadran indicateur porte de préféren- ce une graduation en décibels ou en népers.
On a déjà proposé de tels appareils, mais le champ des me- sures est apparu insuffisant comme étendue, et le but de la pré- sente invention est de fournir au praticien un appareil dont le principe permette de l'adapter sans modifications fondamentales à une gamme quelconque de tensions.
L'invention a pour objet un voltmètre à échelle logarith- Bique pour la mesure sur une graduation unique de tensions al- ternatives variant dans de grandes limites, caractérisé en ce qu'il comporte essentiellement un amplificateur constitué de plusieurs amplificateurs partiels en série et auquel est appli- quée la tension alternative à mesurer, un détecteur à seuil à la. sortie de chaque amplificateur partiel, et à la sortie de chaque détecteur un ariplificateur de courant continu formé par une lampe dont la caractéristique courant anodique - tension de grille de commande est d'allure logarithmique.
S'il s'agit de mesurer par exemple des tensions s'échelon- nant entre les valeurs a et a kn volts, le nombre des amplifica- teurs partiels sera égal à n et l'amplification de chacun d'eux sera égale à k.
Pour la clarté de l'exposé, on supposera, dans ce qui suit, que la gamme des tensions à mesurer est représentée par l'inter- valle ( a, 10.000a) microvolts, c'est-à-dire 80 décibels; les amplificateurs partiels seront au nombre de quatre avec un gain individuels de 20 décibels, sauf l'amplificateur partiel d'entrée dont la valeur du gain sera établie plus loin.
A la sortie. de chaque amplificateur partiel il est prévu suivant l'invention un système détecteur-amplificateur de courant continu; ce système donne un courant continu variant en fonction de la valeur de crête de la tension alternative qui lui est ap- pliquée et est agencé de telle sorte que :
1.) En dessous d'une certaine valeur de seuil il du courant
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de crête, le courant continu I soit constant et égal à une cer- taine valeur IM.
2.) Pour lesvaleurs du courantde crête comprisesentre les deux valeurs il et i2, le courant continu I décroit depuis IM jusqu'à une valeur nulle.
Il existe ainsi quatre détecteurs amplificateurs dont chac- un fournit un courant continu qui obéit à la loi de variation ci-dessus. Les quatre courants passent dans le même sens, s'ad- ditionnent dans l'appareil de mesure, indicateur ou enregistreur.
En principe, l'ensemble des détecteurs-amplificateurs de courant continu est réglé de telle façon que pour toute valeur de la tension prise dans le champ de mesure, un seul détecteur- amplificateur est attaqué par un courant de crête compris entre il et i2, et fournit par conséquent un courant continu I compris entre 0 et IM, les détecteurs aval donnent un courant négligeable, les détecteurs amont un courant égal à IM.
On désignera par tr amplificateur actif ", un amplificateur qui fournira un courant continu compris entre 0 et IM; lorsque le courant fourni sera négligeable, l'amplificateur sera dit saturé " et lorsque ce courant sera. égal à IM, l'amplificateur sera dit " inerte ".
Pour toute valeur de la tension à mesurer ou à enregistrer inférieure ou égale à a v, les quatre amplificateurs de courant continu sont inertes, le voltmètre reçoit 4 IM.
Pour une tension V comprise entre a et 10 a, le quatrième détecteur est actif grâce au gain des quatre amplificateurs, et l'appareil indicateur est traversé par le courant 3 IM + I; ce courant atteint 3 IM lorsque V devient égal à 10 a.
Pour V compris entre 10a et 100a, le quatrième amplifica- teur est saturé, tandis que le troisième est actif grâce au gain des trois premiers amplificateurs; l'appareil reçoit le courant 2 IM + I, qui devient 2 Il± + I, qui devient 2 IM pour V égal à 100a.
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Pour V compris entre 100a et lOOOa, les deux derniers am- plificateurs sont saturés, le deuxième est actif, l'appareil re- çoit le courant IM + I, puis pour V égal à 1000a.
Enfin, pour V compris entre lOOOa et lO.OOOa, les trois derniers amplificateurs sont saturés, le premier estactif, et l'appareil est traversé par le courant I qui devient nul pour V égal à 10.000a.
En résumé, l'indication de l'appareil galvanométrique va- rie de quantités égales pour des excitations qui varient dans des rapports égaux. La réponse de l'appareil est exactement lo- garithmique pour les valeurs a, 10a, 100a, etc... qui correspon- dent aux seuils des divers détecteurs.
Dans les intervalles de ces valeurs, on réalisera des dé- viations d'allure à peu près logarithmique en utilisant comme amplificateurs de courant continu, et conformément à l'invention, des lampes à vide à pente variable dont la caractéristique " cou- rant anodique - tension de grille de commande " se rapproche d' une courbe logarithmique. Il en résulte qu'une graduation en décibels entre 0 et 20, 20 et 40, etc... présentera des divisions à peu près égales.
En réalité, les caractéristiques des lampes à vide à pente variable n'ont pas l'allure logarithmique dans toute leur étendue, elles présentent une courbure dans un sens pour I voisin de IM, et une courbure dans l'autre sens pour I i. Pratiquement, pour une tension appliquée voisine de 10a, 100a, 1000a, deux détec- teurs amplificateurs fourniront du courant. Par le jeu des cour- bures inverses, la loi de variation du courant conserve une al- lure logarithmique même pour ces valeurs. Il en résulte une échel- le en décibels presque exactement linéaire, sauf, bien entendu pour les valeurs limites a et 10.000a, pour lesquelles cette com- pensation ne se produit pas, ce qui entraîne une légère pertur- bation au début età. la fin de l'étalonnage.
On a dit plus haut que l'amplificateur partiel d'entrée en
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courant alternatif donne(un gain différent de 20 db. En effet, dans la bande de fréquences envisagées, cet amplificateur donne le gain nécessaire pour que la tension maximum à mesurer ou à enregistrer corresponde à une variation de courant égale à 4 IM.
Une tension 10 fois plus faible, soit 1000a, doit atteindre le niveau du seuil contenu dans le premier détecteur.
Si a est pris égal par exemple à 10 microvolts efficaces, on aura 1000a = 0,01 volts efficaces. Si on fixe le seuil à 0,5 volts continus, la tension appliquée au détecteur devra être égale en principe à 0,5/2 volts efficaces. En réalité, pour tenir compte du rendement du détecteur supposé voisin de 0,7, cette tension devra être égale à 0,5 volts efficaces. L'amplificateur alternatif d'entrée devra donc donner une amplification égale à 0,5/0.01 soit un gain en décibels d'environ :
0,01
0,5
20 log 0,01 = 34 db.
D'une manière générale, le gain du premier amplificateur alternatif sera représenté par ( 20 + Y ) db.
Les moyens de réaliser l'appareil vont être à présent dé- crits toujours pour un intervalle de tension de 80 db en se ré- férant au dessin ci-annexé sur lequel :
La figure 1 est un schéma d'ensemble du montage des diffé- rents organes de l'appareil voltmètre.
La figure 2 est le schéma de réalisation d'un aiiiplifica- teur-détecteur de courant continu.
La figure 3 ( a, b, c ) est un graphique des principales caractéristiques de l'appareil.
La figure 4 est le schéma d'un limiteur de tension servant d'organe de sécurité.
Enfin, la figure 5 est le schéma d'un montage de commuta- tion permettant d'augmenter la précision du voltmètre employé comme indicateur.
Comme représenté par la figure 1, 10, 20, 30, 40 sont les amplificateurs de courant alternatif
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11, 21, 31, 41 sont les détecteurs à seuil 12, 22, 32, 42 sont les amplificateurs de courant continu 23, 33 sont des limiteurs G est le cadran de l'appareil supposé utilisé comme indicateur.
L'amplificateur 10 donne un gain de ( 20 + Y) décibels, chacun des amplificateurs 20, 30, 40 donne un gain de 20 db.
Comme représenté par la figure 2, chaque détecteur à seuil comprend une diode 1, dont la cathode 3 est portée à une polari- sation positive fixe V, par exemple V = + 0,5 volts. Chaque am- plificateur de courant continu est constitué par une lampe à pente variable 5 dont la plaque 7 est connectée au galvanomètre de mesure. La cathode reçoit une polarisation fixe Vo. La pola- risation négative développée sur l'anode 2 de la diode 1 par le passage du courant redressé dans la résistance 4, est transmise par le réseau de filtrage résistance r, condensateur C, à la grille 6 de la lampe 5.
Le courant anodique Ia de la lampe 5 varie, en fonction de la polarisation négative Vg de la grille, comme il est représen- té par la figure 3 ( a).
La loi de variation du courant continu d'un amplificateur, tel que 12, en fonction du logarithme de la tension d'excitation V qui lui est appliquée, est représentée par la figure 3 ( b ).
Le courant total, somme des quatre courants partiels pas- sant dans le galvanomètre, a l'allure rectiligne représentée sur la figure 3 ( c ) en ordonnée semi-logarithmiques.
Le rôle des limiteurs 23, 33 est d'éviter que les amplifi- cateurs placés en aval soient saturés lorsque les amplificateurs placés en amont donnent la tension de sortie maximum prévue.
Ils peuvent être constitués, comme représenté par la figure 4 par une lampe à vide 1 dont la plaque est chargée par une impé- dance z et dont la grille 2 est reliée à la masse par une résis- tance de forte valeur R, et dont la cathode 3 reçoit une polari- sation fixe; VL déterminée par les conditions de fonctionnement
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de l'amplificateur. Lorsque la tension alternative- appliquée à la grille dépasse la valeur de crête VL, le courant de grille détermine dans la résistance R une chute de tension qui entraîne une polarisation négative de cette grille, l'amplification dimi- nue, et le limiteur transmet par le condensateur C à l'amplifi- cateur placé derrière lui, le limiteur 23 à l'amplificateur 30 par exemple ( figure 1 ) une tension qui reste fixée à une va- leur de crête à peu près égale à VL.
Le limiteur est inutile derrière l'amplificateur 10 ( fi- gure 1 ) puisque, pour la plus forte tension à mesurer, il four- nit une tension de crête de VL volts, qui ne dépasse pas la li- mite de saturation des organes placés immédiatement derrière lui.
Dans l'appareil tel qu'il vient d'être décrit, les dévia- tions du galvanomètre diminuent quand l'excitation augmente.
Si l'on veut obtenir des déviations dans le sens habituel, on fera passer dans le galvanomètre un courant de compensation con- stant égal à 4 IM, dont le courant I I = I1 + I2 + I + I4 se retranchera.
La description précédente suppose que le champ de mesures s'étend sur 80 db; si on marque 160 points sur le cadran de 1' appareil, on pourra apprécier le 1/2 db.
Selon une autre caractéristique de l'invention, on peut augmenter la précision dans le cas où l'appareil est utilisé en indicateur et non en enregistreur. On utilise, à cet effet, le montage suivant la figure 5.
Comme représenté par cette figure, on intercale entre les détecteurs et les amplificateurs de courant continu des commuta- teurs 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 à cinq positions chacun a, b, c, d et e. Ces commutateurs sont liés mécaniquement par une même com- mande, de telle manière que tous les curseurs se trouvent tou- jours sur une même position, les différentes positions des com- mutateurs étant connectées électriquement les unes aux autres tel que cela est indiqué sur la figure. Les détecteurs sont
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désignés par les références 13 à 16, et les amplificateurs par les références correspondantes ¯9 à 12. Le montage permet d'ap- pliquer les grilles des lampes de 9 à 12 sur les détecteurs res- pectifs 13 à 16, ou bien en parallèle sur un seul et même détec- teur.
Soit par exemple à mesurer le niveau de tension 34, 7 db.
Les commutateurs étant sur la position a, la lecture est effec- tuée dans les mènes conditions que celles exposées précédemment : on lit ainsi sur le cadran une valeur comprise entre 34,5 et 35 db. Fuis on amène les commutateurs sur la position d, c'est-à- dire que les grilles des quatre lampes à pente variable sont mi- ses en parallèle sur l'anode du détecteur actif, 15 dans le cas présent. La déviation totale du cadran a alors lieu pour 20 db au lieu de 80 db; si l'on a prévu sur le cadran une seconde é- chelle correspondante marquée de 200 points, on peut ainsi mesu- rer le dixième de décibel. Ainsi, dans le cas d'une tension de 34,7 db à. mesurer, on lira sur cette seconde échelle la valeur 14,7, ce qui donne pour le niveau la vraie valeur 20 + 14,7 = 34, 7 db.
Toute la description qui vient d'être faite pour exposer la constitution et le fonctionnement de l'appareil est basée, ainsi que cela a été dit, sur un champ de mesures de 80 db; il est évident que pour d'autres valeurs de k et de n, le nombre des amplificateurs alternatifs et des détecteurs-amplificateurs continus sera modifie en conséquence, ainsi que les gains des amplificateurs.
D'une façon générale, le rapport k est déterminé en don- nant, d'une part, aux amplificateurs 10, 20 etc... une amplifica- tion de k, et, d'autre part, à la polarisation V indiquée sur la figure 2 une valeur égale à v ( k - 1), v étant la valeur abso- lue de la variation de: polarisation qui fait passer le courant de l'amplificateur continu de IM à i, ainsi qu'il est montré sur la figure 3.(a ) . En effet, le courant plaque passe de Il,-, à i
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pour des tensions de crête variant de V1 à V2 telles que V1/V2 = k.
1 2 V2 Le courant commence à diminuer pour V2 = V.
Il atteint la valeur i pour V1 = V + v = k V2 = kV Donc V = v ( k - 1 ).
Dans tous les cas le principe du montage et du fonctionne- ment de l'appareil reste identique.
En cas de changement de lampes d'amplification, on peut conserver les caractéristiques de l'ensemble de l'appareil par un réglage particulier prévu sur l'écran et la grille de chaque lampe.
REVENDICATIONS.
1.) Voltmètre à échelle logarithmique pour la mesure sur une graduation unique de tensions alternatives d'amplitude va- riant dans de grandes limites, caractérisé en ce qu'il comporte essentiellement un amplificateur constitué de plusieurs amplifi- cateurs partiels en série et auquel est appliquée la tension al- ternative à mesurer, un détecteur à seuil à la sortie de chaque amplificateur partiel, et à la sortie de chaque détecteur un am- plificateur de courant continu formé par une lampe dont la ca- ractéristique courant anodique-tension de grille de commande est d'allure logarithmique.