Dispositif de traitement de signaux
La présente invention a pour objet un dispositif de traitement de signaux, permettant de déterminer et d'emmagasiner l'amplitude maximum d'une suite de signaux éleotriques apparaissant à des instants fixes et prédéterminés.
L'état actuel de la commande automatique des processus de traitement, dans l'industrie chimique, exige un nombre toujours croissant d'instruments hautement t spécialisés pour assurer les fonctions de détection, d'emmagasinage, d'analyse et de commande.
Au cours de ces dernières années, par exemple, des instruments chromatographiques d'analyse des gaz ont été mis au point; ils peuvent être utilisés pour effectuer des mesures quantitatives extrêmement précises des composants individuels d'un courant gazeux qui compote plusieurs de ces composants.
Ces mesures ont été utilisées avec succès pour contrôler et pour commander certains processus chimiques relatifs à l'organisme humain et aux machines à calculer.
Un chromatographe d'analyse d'un gaz est un dispositif qui sépare physiquement les composants du système gazeux comprenant plusieurs de ces composants et qui produit une succession de signaux électriques de sortie dont l'amplitude maximum est proportionnelle à la concentration de chaque composant.
Ainsi, chaque fois qu'une mesure d'échantiLlon- nage d'un courant de traitement est effectuée par un tel instrument de détection, on obtient une série de signaux électriques dans laquelle les composants sont toujours représentés dans le même ordre, mais l'amplitude de signaux successifs occuatt la même position dans plusieurs séries successives varie. I1 est important, non seulement que l'amplitude maximum ou crête de chaque signal fournisse une indication précase du processus variable en cours de mesure;
mais encore que des moyens soient prévus pour traiter le signal cumulatif qui représente le total de tous les composants ou de certains d'entre eux.
Pour certains processus chirniques, il est important de disposer également d'une indication relative au total des composants en cours d'analyse. Par exemple, on peut avoir à déterminer le total des impuretés présentes dans un courant gazeux.
Le dispositif selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte, pour chaque signal de ladite suite, un dispositif d'emmagasinage comprenant des organes mécaniquement ajustables de façon à engendrer et, en même temps, emmagasiner un signal électrique de comparaison dont l'amplitude est fonction de la position desdits organes, des moyens pour appliquer un signal choisi de ladite suite et son signal de oomparaison associé à un étage amplificateur qui amplifie la différence d'amplitude des deux signaux, la phase du signal de sortie de cet amplificateur étant aussi fonction du sens de cette différence,
des mécanismes moteurs susceptibles d'être connectés sélectivement à la sortie de l'étage amplificateur et mécaniquement connectés respectivement à chaque dispositif d'emmagasinage pour ajuster celui dans un sens tendant à réduire la différence entre ledit signal de la suite et son signal de comparaison associé et un organe détecteur de phase connecté à la sortie de l'étage amplificateur et engendrant un signal électrique lorsque l'amplitude dudit signal de comparaison dépasse celle dudit signal de la suite, des orga nes de commutation n étant connectés à la sortie de l'organe détecteur de phase pour interrompre l'alimentation des mécanismes moteurs, en réponse audit signal électrique émis par organe détecteur de phase.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du dispositif objet de l'invention.
La fig. 1 est un schéma combiné, en partie symbolique, de cette forme d'exécution dans le cas de son utilisation avec un analyseur de fraction de vapeur;
la fig. 2 est une représentation graphique montrant des formes d'onde de tension prélevées en plu sieurs points dans le dispositif au cours d'un n cycle d'événements programmé;
la fig. 3 est un schéma combiné, en partie symbolique, montrant, sous une forme simplifiée, les détails du circuit d'équilibrage;
la fig. 4 est un schéma de cablage d'un détecteur sensible à la phase destiné à être de préférence utilisé dans le dispositif;
la fig. 5 est une vue schématique d'une variante du détecteur de la fig. 4, et
la fig. 6 est une représentation graphique de formes d'onde de tension du type représenté sur la fig. 2, en divers points du dispositif, dans le cas où les crêtes de la première série de signaux doivent être maintenues jusqu'à ce que chaque composant du second ensemble ait été de nouveau contrôlé.
La fig. 1 représente le dispositif relié pour être utilisé avec un analyseur de fraction de vapeur. A des fins de simplification, deux potentiomètres d'emmagasinage de signaux seulement sont représentés. Il doit être bien entendu que, normalement, il serait prévu autant de moyens d'emmagasinage de signaux qu'il y a de signaux dans une série et plus particulièrement dans une série correspondant à un ensemble de composants d'un courant gazeux, c'est-àZire de signaux de sortie de l'analyseur à conserver en mémoire.
Dans l'analyseur de fraction de vapeur (chromatographe d'analyse de gaz) 2, un flux continu et constant d'un véhicule gazeux traverse une cellule de référence qui est sensible aux propriétés thermiques du véhicule gazeux, et parvient dans une colonne de fractionnement. Périodiquement, des échantiilons du gaz à composants multiples sont admis dans ce véhicule gazeux et sont transportés dans la colonne de fractionnement. Chaque ingrédient composant séparé dans la colonne ressort de celle zig mélangé au gaz- véhicule sous forme de mélange binaire. Chacun des mélanges binaires traverse successivement une cellule de mesure des propriétés thermiques et, de là, parvient dans une conduite d'évacuation.
Les cellules de référence et de mesure qui sont sensibles aux propriétés thermiques des gaz qui les traversent respectivement constituent le détecteur et les éléments ther nuquement sensibles sont connectés à un circuit en pont de Wheatstone dont les signaux de sortie sont en conséquence proportionnels à la différence entre les propriétés thermiques des deux gaz, à savoir le gaz-véhicule et le mélange binaire. Le passage de chacun des mélanges binaires à travers la cellule de mesure est chronométré avec précision par un chronoscope 20 de programmation du chromatographe, qui minute également l'application des signaux de sortie du pont à un récepteur approprié, tel qu'un enregistreur à bande 1 étalonné en millivoits.
Ces signaux de sortie sont appliqués au dispositif par une série de contacts du chronoscope programmé, deux de ces contacts étant représentés en 15 et 16. Le nombre total de contacts est égal au nombre total de composants du gaz qu'on désire analyser. Pendant l'analyse effective d'un composant du gaz, le contact de voie correspondant 15 se ferme. (Plus tard, lorsque le composant suivant du gaz est prêt à être analysé, le contact 15 s'ouvre et le chronoscope 20 ferme le contact 16 ou, plus généralement, le contact associé à la voie prévue par le programme, quelle qu'elle soit.) Le contact 15 excite en même temps un relais 9 et un relais associé au composant de l'analyseur de fraction vapeur.
Ce relais dit de composant applique le signal a de composant au dispositif enregistreur 1 de l'analyseur de fraction vapeur. En même temps, le relais 9 est excité (le relais 12 serait excité si le contact 16 était fermé, etc.) et connecte le servo-moteur 8 et le potentiomètre d'emmagasinage 10 en une boucle d'asservissement, avec le potentiomètre de retransmission 4 et le servo-amplificateur 5. Le signal de composant du gaz appliqué par le détecteur 2 de l'analyseur à l'enregistreur r 1 provoque un déplace- ment de l'équipage portant le style enregistreur vers le maximum de la graduation.
L'enregistreur luimême est un dispositif potentiométrique, comportant le servo-amplificateur individuel et un servo-moteur qui entraîne le style enregistreur et enregistre les signaux de quelques millivolts provenant du détecteur. Le potentiomètre de retransmission 4 est couplé mécaniquement au mécanisme situé entre le servomoteur de l'enregistreur et le style de celuici, de sorte que le déplacement de son curseur est rendu proportionnel au signal de sortie du détecteur et connecte le servo-moteur 8 et le potentiomètre d'emmagasinage 10, en une boucle d'asservissement, avec le potentiomètre de retransmission 4 et le servoamplificateur 5.
Le signal d'élément composant du gaz appliqué par le détecteur 2 de l'analyseur à l'enregistreur 1 détermine une rotation de l'axe du potentiomètre de retransmission 4 suivant un déplacement angulaire proportionnel au signal. Le servomoteur qui commande l'axe du potentiomètre de retransmission entraîne également l'équipage portant le style de l'enregistreur vers le maximum de la graduation et enregistre une série de barres verticales analogues à b , fig. 2. Ce tracé b est obtenu en laissant avancer la bande d'enregistrement d'un intervalle déterminé puis en enregistrant l'indication relative à un composant A du gaz alors que la bande reste immobile, en laissant ensuite avancer la bande d'un autre intervalle puis en enregistrant le signal relatif à un composant du gaz, etc.
Le tracé a est obtenu en faisant défiler la bande à vitesse constante pour produire un spectre. Une tension continue provenant de la source d'alimentation 3 est appliquée en permanence aux bornes du potentiomètre de retransmission 4 et des potentiomètres d'emmagasinage. (Le potandomètre de retransmiis- sion 4 et tous les potentiomètres d'emmagasinage 10, 13, 28, etc., sont tous montés en parallèle et alimentés par une source de courant continu 3 à régulation de tension.) Lorsque le mécanisme de l'enregistreur fait tourner l'axe du potentiomètre 4, sa tension de sortie est appliquée au seno-amplificateur 5.
Le signal de sortie du Iservo-amplificateur 5 commande le servo-moteur 8 de sorte que l'axe du potentiomètre d'emmagasinage 10, lié mécaniquement à ce servomoteur, se déplace avec lui jusqu'à ce que la tension engendrée sur le curseur du potentiomètre d'emmagasinage 10 soit sensiblement égale à la tension engendrée sur le curseur du potentiomètre de retransmission 4, moment où un équilibrage par annulation mutuelle se produit. Cet asservissement permet au curseur du potentiomètre d'emmagasinage 10 de suivre la probation du curseur du potentiomètre de retransmission.
Pour qu'un signal proportionnel à la concentration du composant A dans le gaz soit emmagasiné par le potentiomètre 10, le curseur de ceilui-ci doit suivre celui du potentiomètre de retransmission 4 dans son déplacement angulaire jusqu'à la position maximum sulr la graduation, position qui correspond à une indication maximum de grandeur de ce composant du gaz et doit rester dans cette position lorsque l'axe du potentiomètre de retransmission 4 revivent à sa position de zéro. Sur la fig. 2, les cour bes c , d > , < r d et e montrent l'effet désiré sous forme graphique.
Au lieu de retomber à zéro, comme il le faisait sur la courbe a , le signal croît comme sur cette courbe, puis se maintient à un niveau de tension continue équivalent à la grandeur maximum pour le composant. A cet effet, l'entrée d'un détecteur sensible à la phase 6 est connectée à la sortie du servo-amplificateur 5 et la sortie du détecteur sensible à la phase est connectée à la grille d'un thyratron contenu dans un dispositif de relais électronique 7. Le servo-amplificateur est très sensible aux inversions de polarité de la tension continue à son entrée, et son signal de sortie alternatif subit un déphasage de 1800 en réponse à une inversion de la polarité de sa tension continue d'entrée. La fig. 3 est un schéma simplifié, en partie symbolique, de la boucle d'asservissement.
L'axe du potentiomètre de retransmission 4 se déplace toujours plus vite que celui du potentiomètre d'emmagasinage 10, du fait que le potentiomètre 4 fouruit le signal de déséquilibre à la boucle d'asservissement et que le potentiomètre 10 a besoin d'un certain intervalle de temps pour équilibrer ce signal. Si le curseur du potentiomètre 4 se déplace dans le sens positif, comme c'est le cas si le style de l'enregistreur est en train de tracer le flanc avant de l'enregistrement relatif au composant A , fig. 2, courbe a , la tension e1 est supérieure à la tension es, du fait que le curseur du potentiomètre 4 se déplace plus vite que celui du potentiomètre 10.
La tension appliquée à l'entrée du servo-amplificateur est égale à e,- e, et, dans ce cas, elle est négative. Par contre, lorsque le curseur du potentiomètre 4 commence à se déplacer dans le sens négatif, il continue à se déplacer plus rapidement que celui du potentiomètre 10, mais cette fois, la tension e1 est inférieure à la tension e2 de sorte que, bien que le servo-amplificateur continue à recevoir la tension représentant la différence e2. - e1 , cette tension est, dans ce cas, de polarité positive.
La manière dont la sortie du servo-amplificateur est couplée à un détecteur sensible à la phase 6 est représentée en détail à la fig. 4. Ce détecteur est réglé de telle manière qu'à la sortie du servo-amplificateur les tensions e4 et e6 recueillies de part et d'autre du transformateur à prise médiane sont toutes deux sensiblement égales à une tension de référence e5 convenablement t choisie, appliquée à la prise mé- diane extérieure du transformateur précité et elles sont soit en phase, soit en opposition de phase, avec cette tension de référence.
Lorsqu'un signal de composant du gaz croît en amplitude, le signal d'entrée du servo-amplifioateu° est négatif et la tension e4 du servo-amplificabour est en opposition de phase avec la tension de référence e5, tandis que e6 est en phase avec cette tension de référence, ce qui provoque le passage d'un courant dans la boucle inférieure du détecteur sensible à la phase, de sorte que le signal de sortie résultant appliqué par le détecteur sensible à la phase à la grille du thyratron est positif. Le thyratron, qui est normalement allumé, reste dans cet état et maintient le relais 24 incorporé dans son cir cuit d'anode excité ou fermé .
Toutefois, comme exposé précédemment, au moment où le signal du composant du gaz commence à décroître, le signal d'entrée du servoHamplificateur change de polarité; il devient positif et, par suite de cette inversion de polarité, les tensions de sortie du servoçnplifica- teur, e4 et e5 sont déphasées chacune de 1800. Cette fois, les deux tensions e4 et e5 sont en phase, tandis que e6 et e5 sont déphasées entre elles, ce qui provoque le passage d'un courant dans la boucle supérieure du détecteur sensible à la phase et l'applica- tion d'un signal de sortie de courant continu résultant négatif,
par le détecteur sensible à la phase, à la grille du thyratron.
Le thyratron est commandé par une tension d'alimentation d'anode alternative fournie par un transformateur, généralement à une fréquence de 60 cops; il se comporte en conséquence comme un redresseur à une alternance (le condensateur monté en parallèle avec le relais 24 a pour but d'empêcher un cliquetis du relais) qui n'est pas conducteur pendant la partie négative de la tension d'alimentation. Etant donné que la sortie du détecteur applique un potentiel négatif à la grille du thyratron, celui reste éteint après que la tension d'anode est devenue positive.
Le relais 24 incorporé dans le circuit d'anode du thyratron est désexcité ou s'ou vre > lorsque le thyratron cesse d'être conducteur et interrompt un conducteur comme interconnectant tous les servo-moteurs, oe qui arrête instantanément l'axe du potentiomètre d'emmagasinage 10. Une tension de niveau élevé représentant la concentration dans le gaz de l'ingrédient composant A peut alors être mesurée entre les points de connexion 17 et 19. Le potentiomètre d'emmagasinage 10 emmagasine alors le signal indiqué pendant le temps désiré et l'axe du potentiomètre 4 revient à sa position de zéro où il est prêt à indiquer une autre mesure d'un composant du gaz.
Le thyratron peut aussi être utilisé comme relais électronique moyennant une batterie d'anode par exemple (voir fig. 5). Dans ce cas, le thyratron est normalement non conducteur et s'allume par application d'une tension positive du détecteur sensible à la phase. La phase du vecteur e5 est renversée par inversion des conduoteurs de la tension de référence.
Dans ce cas, le relais ouvre un conducteur commun aux servo-moteurs comme décrit ci-dessus. D'autre part, il faut prévoir des moyens pour empêcher le thyratron d'être conducteur après son allumage. Un interrupteur 25, disposé dans le circuit anodique, accomplit cette fonction en étant ouvert par le mécanisme enregistreur juste avant que l'arbre du potentiomètre de retransmission n'atteigne sa position zéro pour faire disparaître la tension anodique.
Lorsque le composant B du gaz pénètre dans la cellule de mesure de l'analyseur, un signal est de même engendré par le détecteur de l'analyseur. A ce moment, le contact 16, actionné par le chronoscope à programme 20 de l'analyseur, se ferme et applique le signal produit par l'ingrédient composant B à l'enregistreur, tout en excitant le relais 12. Le relais 12 connecte le servo-moteur 11, le potentiomètre d'emmagasinage 13, le servo-amplificateur 5 et le potentiomètre de retransmission 4 dans la boucle d'asservissement. L'emmagasinage d'un signal sur la voie du dispositif de mémoire s'effectue de la même manière que dans le cas de la voie 1 décrit ciaessus. Des voies supplémentaires peuvent être connectées au dispositif à deux voies représenté sur la fig. 1, si besoin est.
Sur la fig. 2, les courbes c , d , e sont des exemples du tracé du style de l'enregistreur qui peut être obtenu entre 19 et la borne de la partie de l'appareil qui assure au moment considéré l'analyse d'un composant gazeux.
Après la lecture par la calculatrice des signaux emmagasinés dans l'ensemble de mémoire, les axes des potentiomètres d'emmagasinage de l'ensemble de mémoire sont simultanément remis à zéro par application automatique d'une tension de remise à zéro à leurs servo-moteurs respectifs, par l'intermédiaire du contact 14. Le contact 14 est un contact de relais temporisé commandé par le chronoscope principal 20 et il n'applique la tension de remise à zéro que pendant un temps suffisant pour ramener tous les axes des potentiomètres d'emmagasinage 10, 13, 28, etc., à leur position de zéro. A cet effet, la tension de ligne est appliquée, avec la phase appropriée, directement aux servo-moteurs par l'intermédiaire du contact 14.
La temporisation est réglée à environ 2 secondes, ce qui permet t aux axes des po- tentiomètres d'emmagasinage de signaux d'être remis à zéro.
La fig. 6 représente une série de courbes analogues à celles de la fig. 2, dans laquelle les crêtes du premier spectre, ou première série de signaux, sont maintenues jusqu'à ce que chaque composant du second ensemble doive être à nouveau contrôlé. On obtient ainsi une lecture continue. La crête du com posant A est t maintenue jusqu'à ce que A soit t à nouveau analysé puis ramenée à zéro; puis rétablie, etc. Cette disposition est plus avantageuse pour certaines applications.
I1 doit être bien compris que le chronoscope de commande 20 réglé à l'avance, qui contrôle les contacts 14, 15 et 16 et toute voie d'emmagasinage supplémentaire susceptible d'être utilisée, comporte un moteur synchrone entraînant un arbre sur lequel sont montées des cames de commande de contacts appropriées. Ces cames sont réglées en fonction des temps de séparation connus des composants fournis par l'analyseur. Ainsi, lorsqu'on sait que l'ingrédient composant A est sur le point d'être séparé et qu'un signal approprié va être engendré par l'analyseur, la oame qui commande le contact 15 est réglée de manière à agir sur cette voie, et ainsi de suite pour chaque voie. La came qui commande le contact de remise à zéro 14 est réglée de manière à fonc tionner à la fin d'un n cycle d'analyse complet.
Bien que le dispositif d'emmagasinage de crêtes de signaux décrit ci-dessus fournisse des crêtes de signaux individuelles pour les divers composants, il peut être nécessaire d'assurer l'addition algébrique de tous les signaux représentant ces composants ou d'un nombre choisi quelconque de ceux-ci.
En se référant à la fig, 1, et plus particulièrement à la partie de celle-ci dessinée à droite de la ligne en trait interrompu, qui sera désignée ci-après sous le nom d'additionneur , on voit que les potentiomètres R2, R8 et R4 sont couplés mécaniquement aux potentiomètres d'emmagasinage 10, 13, 28, respectivement, par un arbre, et par conséquent avec les servo-moteurs 8, 1 1 et 26 associés, de sorte que toute rotation de ceux-ci produit un déplacement angulaire équivalent tant des potentiomètres d'emmagasinage que des potentiomètres respectifs de l'additionneur.
La résistance fixe R1 de l'additionneur a une valeur considérablement supérieure à la somme des résistances des potentiomètres R2, R3 et R4 et, par conséquent, elle constitue le facteur déterminant principal du courant, dans une mesure suffisante pour établir un dispositif à courant constant; en d'autres termes, le courant ne varie pas de façon appréciable lorsque R2, RS et R4 varient.
La tension régnant entre les extrémités de la combinaison comprenant R-, R2 et R4 est donc directement proportionnelle à la résistance totale de ces potentiomètres lorsque les servo-moteurs du dispositif d'emmagasinage de crêtes de signaux tournent de la manière décrite cidessus, ils entraînent en rotation les potentiomètres d'emmagasinage et les potentiomètres de l'addition- neur respectifs, suivant des déplacements angulaires équivalents.
Les résistances des potentiomètres de l'additionneur sont proportionnelles à leur rotation angulaire et, étant donné que la tension aux bornes de chaque potentiomètre de l'additionneur est également proportionnelle à sa résistance, ladite tension est proportionnelle au déplacement angulaire des servo-moteurs. Ces tensions en série engendrées aux bornes de R2, R2 et R4 sont directement totalisées et leur somme est détectée par un indicateur 33 connecté aux bornes de sortie 30 et 32.
Dans ces conditions, lorsqu'une série de signaux complète a été reçue de l'! analyseur de fraction vapeur, cette série de signaux représentant les composants du gaz en cours d'analyse, et après l'emfnaga- sinage de leurs crêtes respectives, dans les potentiomètres d'emmagasinage 10, 13, 28, etc., du dispositif d'emmagasinage de crêtes de signaux, oes crêtes sont également emmagasinées proportionnellement dans les potentiomètres 23, 24 et 25 de l'additionneur et peuvent être lues sous la forme d'une tension proportionnelle à leur somme sur l'inÅaica- teur 33.
On a également constaté que dans un certain nombre de dispositifs, cette tension peut être utilisée comme une indication directe du pourcentage volumétrique de la totalité des composants du courant gazeux, par un choix approprié des valeurs des résistances des potentiomètres de l'additionneur. Par exemple, dans certaines analyses, la limite supérieure de chaque composant, en pourcentage volumétrique, susceptible d'exister dans le courant gazeux, est connue.
Ainsi, avec un dispositif à trois composants (A, B et C) dans lequel un pourcentage total de 16 O/o doit t être analysé (le composant A repré- sentant 1 O/o, le composant B 5 /o, et le composant < x C 10 0/o), les résistances sont choisies de façon à présenter entre elles des rapports correspondants (1-5-10). Une résistance de 100 ohms est utilisée pour le composant A ; une résistance de 500 ohms pour le composant B , et une résistance de 1000 ohms pour le composant C .
Toute autre combinaison de aes rapports des résistances pourrait également être utilisée dans cette application comme, par exemple, 10 ohms pour le composant A , 50 ohms pour le composant B , et 100 ohms pour le composant C . Le déplacement angulaire du potentiomètre sur toute l'étendue de la graduation, pour le composant A est alors proportionnel à la valeur désirée de 1 /o, la déviation totale du potentiomètre, pour le composant B , à la valeur désirée de 5 O/o et la déviation maximum, pour le composant C , à la valeur désirée de 10 /o.
Ainsi, lorsque les trois potentiomètres de l'addi -tionneur sont réglés à un déplacement angulaire maximum, l'indicateur r monté à la sorte doit être étalonné pour donner une lecture correspondant à
16 /o et, en supposant que l'indicateur soit à déviation linéaire, il doit être gradué directement en pourcentages volumétriques.