Voltmètre amplificateur à échelle logarithmique.
En vue d'obtenir des lectures suffisam- ment précises lorsque les tensions à mesurer varient dans de grandes limites, par exemple de quelques mierovolts à quelques volts, et cela sans être assujetti à aucune manoeuvre, comme le commande l'enregistrement des mesures, on est amené à donner à un voltmètre une courbe de réponse logarithmique. La précision relative de l'appareil ainsi réalisé est constante quelle que soit la valeur de la tension à mesurer ; le cadran indicateur porte, de préférence, une graduation en décibels ou en népers.
On a déjà proposé de tels voltmètres, mais leur champ de mesure est apparu insuffisant comme étendue, et le but de la présente invention est de fournir un voltmètre qui peut être construit pour une gamme de tensions beaucoup plus étendue.
L'invention a pour objet un voltmètre amplificateur à échelle logarithmique pour la mesure sur une même graduation de tensions alternatives variant dans de grandes limites, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs amplificateurs de courant alternatif disposés en série, au premier desquels est appliquée la tension alternative à mesurer, un détecteur à seuil à la sortie de chaque amplificateur de courant alternatif et à la sortie de chaque détecteur un amplificateur de courant continu formé par une lampe dont la caractéris- tique courant anodiqueo-tension de grille de commandes est d'allure logarithmique.
Une forme de réalisation du voltmètre selon l'invention va être à présent décrite, à titre d'exemple, pour un intervalle de tension de 80 db en se référant au dessin ci-annexé sur lequel :
La fig. I est un schéma d'ensemble du montage des différents organes du voltmètre.
La fig. 2 est le schéma de réalisation d'un détecteur à seuil et d'un amplificateur de courant continu.
La fig. 3 (a, b, c) montre les principales caractéristiques du voltmètre.
La fig. 4 est le schéma d'un limiteur de tension servant d'organe de sécurité.
Enfin, la fig. 5 est le schéma d'un montage de commutation permettant d'augmenter la précision du voltmètre employé comme indica. teur.
Comme représenté par la fig. I, 10, 20, 30, 40 sont les amplificateurs de courant alter natif, 11, 21, 31, 41 sont les détecteurs à seuil, 12, 22, 32, 42 sont les amplificateurs de courant continu, 23, 33 sont des limiteurs de tension, G est le cadran d'un galvanomètre utilisé comme indicateur.
La gamme des tensions à mesurer est représentée par l'intervalle a-10 000 a microvolts, c'est-à-dire 80 décibels ; les amplifiateurs de courant alternatif sont au nombre de quatre avec facteur d'amplification de 10 cha ciiii, c'est-à-dire avec un gain individuel de 20 décibels, sauf l'amplificateur d'entrée dont la valeur du gain sera établie plus loin.
A la sortie de chaque amplificateur de courant continu 10, 20, 30, 40 il est prévu un détecteur-amplificateur 11-12, 21-22, 31-32, 41-42 de courant continu, qui donne un courant continu variant en fonetion de la tension alternative Ve qui lui est appliquée et est agencé de telle sorte que :
1 En dessous d'une certaine valeur de seuil Ve1 de la tension Ve, le eourant eontiml
I soit constant et égal à une certaine valeur Im (voir fig. 3b).
2 Pour les valeurs de Ve comprises entre les deux valeurs Ve1 et Ve2 le courant continu
I décroît depuis 1,,, jusqu'à une valeur Io presque nulle.
Il existe ainsi quatre détecteurs-amplifica- teurs, dont chacun fournit un courant continu qui obéit à la loi de variation ci-dessus. Les quatre courants passent dans le même sens, s'additionnent dans le galvanomètre de mesure G, indicateur ou enregistreur.
L'ensemble des détecteurs-amplificateurs de courant continu est réglé de telle façon que, excepté pour de petits intervalles de transition, pour toute valeur de la tension prise dans le champ de mesure, un seul détee- teur-amplificateur est attaqué par une tension
Ve comprise entre Vel et Ve2@ et fournit, par conséquent, un courant continu Z compris entre 0 et I, les déteeteurs-amplificateurs aval donnant un courant négligeable, les détecteurs-amplificateurs amont un courant égal à Im.
On désignera par amplificateur 'actifs un amplificateur qui fournira un courant continu compris entre 0 et Im ; lorsque le courant fourni sera négligeable, l'amplificateur sera dit saturée et lorsque ce courant sera égal à Im, l'amplificateur sera dit ¸inerte¯.
Pour toute valeur de la tension V-à mesurer ou à enregistrer inférieure ou égale à a mierovolts, les quatre amplificateurs de courant continu 12, 22, 32, 42 sont inertes et le galvanomètre G reçoit 4 Im (voir fig. 3c).
Pour une tension V comprise entre a et 10a, le quatrième amplificateur 42 est actif grâce au gain des quatre amplificateurs 10, 20, 30, 40, et le galvanomètre est traversé par le courant 3 7 + 7 ; ce courant atteint 3 Im lorsque V devient égal à 10 a.
Pour V compris entre 10 a et 100 a, le quatrième amplificateur 42 est saturé, tandis que le troisième (32) est actif grâce au gain des trois premiers amplificateurs 10, 20, 30 ; le galvanomètre reçoit le courant 2Im + Io, qui devient 2 1. pour V égal à 100 a.
Pour V compris entre 100 a et 1000 a, les deux derniers amplificateurs 32 et 42 sont saturés, le deuxième (22) est actif, et le galvanomètre reçoit le courant Im + I2, puis Im pour V égal à l 000 a.
Enfin, pour V compris entre 1000 a et 14 000 cl, les trois derniers amplificateurs 22.
32 et 42 sont satures, le premier (12) est actif, et l'appareil est traversé par le courant. qui devient nul pour V égal à 10 000 a.
Pour réaliser des déviations du galvanomètre d'allure logarithmique, on utilise comme amplificateurs de courant continu des lampes à vide à pente variable dont la caractéristique caurant anodique - tension de grille de c. ominande ee rapproche d'une courbe logarithmique.
En réalité, les caractéristiques des lampes à vide à pente variable n'ont pas l'allure logarithmique dans toute leur étandue. Ainsi qu'on le voit dans les fig. 3b et 3c, elles présentent une courbure dans un sens pour I voisin de I, et une courbure dans l'autre sens pour I = 1,,, I0 étant voisin de zéro. Pra tiquement, pour une tension appliquée voisine de 10a, 100a, 1000a, deus déteeteurs- amplificateurs fourniront du courant. Par le jeu des courbures inverses, la loi de variation du courant conserve une allure logarithmique même pour ces valeurs.
Il en résulte une échelle en décibels presque exactement li néaire, sauf, bien entendu, pour les valeurs limites a et 10 000 a, pour lesquelles cette compensation ne se produit pas, ce qui entraîne une légère perturbation au début et à la fin de l'Útalonnage.
On a dit plus haut que l'amplificateur d'entrée en 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 indiquer ou à enregistrer corresponde à une diminution du courant traversant le galvanomètre égal à 4 I",. Une tension 10 fois plus faible, soit 1000 a, doit atteindre le niveau du seuil du premier détecteur 11.
Si a est pris égal, par exemple, à 10 microvolts efficaces, on aura 1000 a = 0, 01 volts efficaces. Si on fixe le seuil au moyen d'une tension V", (le 0, 5 volts continus, la tension de seuil l',. l appliquée au déteeteur 11 devra être égale en principe à'5 volts efficaces
\ 2 (tension de crête = tension de polarisation continue). En réalité, pour tenir compte du rendement du détecteur supposé voisin de 0, 7, la tension V,,, devra être égale à 0, 5 volts efficaces. L'amplificateur alternatif d'entrée ] 0 devra donc donner une amplification égale à,'. soit un gain en décibels d'environ :
20 log 34 db.
D'une manière générale, le gain du premier amplificateur alternatif sera représenté par (20 + Y) db.
L'amplificateur 10 donne donc un gain de (20 + Y) décibels, tandis que chacun des am plificateurs 20, 30, 40 donne un gain de 20 db.
Comme représenté par la fig. 2, chaque détecteur à seuil comprend une diode 1, dont la cathode 3 est portée à une polarisation positive V,", par exemple Vol = + 0, 5 volts.
Chaque amplificateur de courant continu est constitué par une lampe à pente variable 5 dont la plaque 7 est connectée au galvanomètre de mesure G. La cathode reçoit une polarisation fixe VOS La polarisation 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 formé par la résistance et le conden- sateur C, à la grille 6 de la lampe 5.
Le courant anodique I de la lampe 5 varie, en fonction de la polarisation négative Vri de la grille, comme il est représenté par la fig. 3a.
La loi de variation du courant continu d'un détecteur-amplificateur, tel que 11-12, en fonction du logarithme de la tension d'exci- tation Ve qui lui est appliquée, est représentée par la fig. 3b.
Le courant total, somme des quatre con- rants partiels J, + J, + Jn + J4 passant dans le galvanomètre, a l'allure rectiligne représentée sur la fig. 3c en coordonnées semilogarithmiques en fonction de la tension V à mesurer.
Le rôle des limiteurs 23, 33 est d'éviter que les amplificateurs de courant alternatif 30, respectivement 40 placés en aval soient surchargés lorsque les amplificateurs 1. et 20, respectivement 10, 20 et 30, placés en amont, donnent la tension de sortie maximum prévue.
Ils peuvent être constitués, comme repré- senté par la fig. 4, par une lampe à vide 2 dont la plaque est chargée par une impédance z et dont la grille 2 est reliée à la masse par une résistance de forte valeur R, et dont la cathode 3 reçoit une polarisation fixe, VL, dé- terminée par les conditions de fonctionnement de l'amplificateur.
Lorsque la tension alternative appliquée à la grille dépasse la valeur de erête VL, le courant de grille détermine dans la résistance R une chute de tension qui entraîne une polarisation négative de cette grille, l'amplification diminue, et le limiteur transmet par le condensateur C à l'amplifica- teur placé derrière lui, le limiteur 23 à l'am- plificateur 30, par exemple (fig. 1), une tension qui reste fixée à une valeur correspon- dant à une valeur de crête de la tension d'entrée à peu près égale à VL-
Le limiteur est inutile derrière l'amplifi- cateur 10 (fig. 1) parce que,
pour la plus forte tension à mesurer, il fournit une tension de crête, qui ne dépasse pas la limite de saturation des organes placés immédiatement derrière lui.
Dans le voltmètre tel qu'il vient, d'être dé- crit, les déviations 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 constant égal à 4 dont le courant Ii + I + I se retranchera.
La description précédente suppose que le champ de mesures s'étend sur 80 db ; si on marque 160 points sur le cadran du galvanomètre, on pourra apprécier le 1/2 db.
On peut prévoir une graduation supplé- mentaire sur le cadran pour augmenter la précision dans le cas où le voltmètre est utilisé en indicateur et non en enregistreur. On utilise, à cet effet, le montage suivant la fig. 5.
Comme représenté par cette figure, on intercale entre les détecteurs et les amplifica teurs de courant continu des commutateurs 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 à cinq positions a, b, c, d et e chacun. Ces commutateurs sont liés méca- niquement par une même commande, de telle manière que tous les curseurs se trouvent toujours sur une même position, les différentes positions des commutateurs étant connectées électriquement les unes aux autres, tel que cela est indiqué sur la figure. Les détecteurs qui ont tous le même seuil, sont désignés par les références 13 à 16, et les amplificateurs par les références correspondantes 9 à 12.
Le montage permet d'appliquer les grilles des lampes de 9 à 12 sur les détecteurs respectifs 13 à 16, ou bien en parallèle sur un seul et même détecteur.
Soit par exemple à mesurer le niveau de tension 34, 7 db. Les commutateurs étant sur la position a, la lecture est effectuée dans les mêmes conditions que celles exposées précedemment : on lit ainsi sur la graduation supérieure du cadran une valeur comprise entre 34, 5 et 35 db. Puis, on amène les commutateurs sur la position d, c'est-à-dire que les grilles des quatre lampes à pente variable sont mises en parallèle sur l'anode du détec- teur 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 n une seconde échelle correspondante marquée de 200 points, on peut ainsi mesurer 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 mesure de 80 db, le facteur d'amplification k des amplifications de courant alternatif étant égal à 10, sauf pour le premier. Il est évident que ce facteur k ainsi que le nombre n des amplificateurs de courant alternatif et des détecteurs-amplificateurs continus peut être modifié selon le champ de mesure désiré.
D'une façon générale, le champ de mesure varie entre a et akn volts. Pour un facteur d'amplification de k, on donnera à la polarisation Vol indiquée sur la fig. 2 une valeur égale à Vd/ (lc-1), Vd étant la valeur absolue de la variation de polarisation qui fait passer le courant de l'amplificateur continu de I.. à In ainsi qu'il est montré sur la fig. 3a. En effet, le courant plaque passe de lm à Io pollr des tensions variant de Ve1 Ó Ve2@ telles que
Ve2 = k.
Le courant commence Ó diminuer Ver pour Ve1 = Vox. 4n a done
V, = VeDVel = ei-el = Vel ( & -1) == (-1).
d'où V. = Vdl (k1).
En cas de changement de lampes d'amplification, on peut conserver les caractéristiques du voltmètre par un réglage prévu sur l'écran et la grille de chaque lampe.