Brevet FR2025726A1 — publié le 19700911

La présente invention concerne un circuit électrique pour la transmission et l'amplification d'un signal d'un transducteur piézo-électrique, notamment pour la mesure d'une pression, d'une force ou d'une accélération. Le transducteur est bipolaire, monté de façon blindée dans un boitier et relié à un circuit d'amplification par une ligne de transmission de signaux disposée dans un blindage électrique et comprenant deux conducteurs isolés. On utilise des circuits électriques de ce genre lorsque des grandeurs physiques, telles qu'une preion, une force ou une accélération, doivent être mesurées et transformées en signaux électriques à l'aide de transducteurspiézo SEctriques, par exemple lors de la mesrtre de la pression et de l'allure de celle-ci dans les cylindres de machines à combustion interne et de compresseurs, lors de la mesure de forces d'accélération, ainsi que pour la surveillance du fonctionnement de moteurs et d'autres groupes propulseurs, notamment sur les navires et dans les avions.Lors d'une telle utilisation, il est fréquemment difficile de transmettre les signaux de charge fournis par le transducteur piézo-électrique de manière non faussée à l'amplificateur, étant donné que la ligne de transmission à forte résistance entre le transducteur et l'ampli ficateur est exposée à des influences perturbatrices considérables. Les per turbatonssontnotamment produites par des champs magnétiques alternant-s,-des tensions perturbatrices engendrées par des courants de terre ou de masse > ainsi que par des phénomènes électrostatiques agissant sur la ligne pour la transmission des signaux. Par exemple, il n'est généralement pas possible d'obtenir le même potentiel aux emplacements du transducteur et de l'amplificateur, qui doivent souvent être montés à une distance considérable l'un de l'autre dans les avions ainsi que sur les navires. Sur ces-derniers, on a pu constater, par exemple, des différences de potentiel de l'ordre de grandeur de 100 volts et davantage entre deux points éloignés. Les différents éléments du circuit de mesure ou de surveillance, notamment le transducteur et l'amplificateur, se trouvent par conséquent à un potentiel de la terre ou de la masse différent. Cette différence de potentiel se manifeste, en raison de la résistance du blindage, entre le bottier du transducteur et celui de l'amplificateur, de sorte qu'il se forme des boucles ou des courants de masse à travers le blindage. Ces courants provoquent, par des phénomènes électromagnétiques et électro statiques parasites, des charges parasites en raison des capacités parasites et des capacités du cible de la ligne de transmissioe des siaiK ; même lorsque les tensions perturbatrices ainsi produites sont faibles, elles peuvent déjà dépasser les signaux de charge utiles pour la mesure. De telles perturbations sont surtout considérables lorsqu'on utilise des amplificateurs de charge asymé- triques dont L'une des entrées est reliée à la masse.Pour minimiser de telles erreurs de mesure, on connaît dé3à llemploi d'amplificateurs de charge présentant des entrées symétrique isolées électriquement par rapport à la masse, ainsi que 2isolement électrique et la séparation de la masse des deux conducteurs de la ligne da transmssion des signaux entre le dispositif de production de la charge et l'amplificateur. Le cêté sortie de l'amplificateur est alors asymétrique, cXestnå-dlre l'une des sorties est raccordée et l'autre électriquement isolée est couplée en réaction avec l'entrée associée à travers un condensateur.Une capacité de même grandeur de l'autre entrée est également couplée à la masse Bien qu'un tel circuit connu atténue les déforsations du signal de mesure par des boucles passant par la terre et des phénomènes parasites magnétiques ou électrostatiques, il occasionne cependant d'autres erreurs de mesure qui faussent le résultat signal. La dissymétrie pratiquement inévitable des capacités du cable de la ligne de transmission des signaux provoque notamment des charges parasites.Les tensions parasites - se manifestant sous forme de tensions alternatives provoquent en outre des décalages de potentiel à l'entrée de l'amplificateur, ce qui nécessite une suppression synchrone coûteuse. Afin d'éviter des charges pertunbatrices produites par une dissymétrie des capacités du câble, on serait tenter d'équilibrer ces capacités des deux conducteurs de la ligne de transmission des signaux au moyen de condensateurs ajustables ou échelonnés. Un équilibrage capacitif est-cependant -très- difficile dans les installations industrielles et également sur les navires ainsi qu'à bord d'avions ; un tel équilibrage est même impossible lorsque les câbles ne sont pas homogènes. De forme, il n'est pas toujours possible-de munir la ligne de transmission-des signaux d'un blindage efficace sur toute sa longueur. Un montage du transducteur avec isolement par rapport au potentiel de la terre ou de la masse, qui éviterait des charges perturbatrices dans une large mesure, n'apporte pas de résultats non plus dans la pratique. I1 a en effet été démontré que des courtsocircuits se forment déjà au bout d'un temps d'utilisa tion relativement court, par exemple par ltencrassement is isolants ou par la formation de dépotes de carbone qui rendent l'isolement-inopdrant. On rencontre également d'autres difficultés lorsque plusieurs canaux de mesure avec des amplificateurs individuels doivent être alimentés par la morne source de courants. Le but de l'invention est de supprimer les difficultés qui se présentent dans Les circuits connus et de perfectionner le circuit de façon à supprimer les influences perturbatrices sur la ligne de haute résistance servant à la transmission des signaux entre le transducteur piézo-électrique et le circuit d'amplification.Selon une caractéristique essentielle de l'invention - l'amplification de la charge est obtenue au moyen d'un circuit d'amplification isolé électriquement par rapport au potentiel de la terre ou de la masse et comportant deux bornes d'entrée et deux bornes de sortie qui sont chacune isoléesélectriquement ; - le circuit d'amplification est suivi par un amplificateur différentiel dont les deux bornes d'entrée sont reliées chacune avec une borne de sortie du circuit d'amplification j - l'amplificateur différentiel transforme la différence entre les deux tensions de sortie du circuit d'amplification en un signal de tension asymétrique entre sa borne de sortie et le potentiel de la terre ou de la masse comme potentiel de référence. Par suite du montage du circuit d'amplification avec isolement par rapport au potentiel de la terre ou de la masse, on obtient que l'ensemble du circuit électrique servant à la transmission et à l'amplification des signaux de charge est seulement relié à la masse en un point. I1 n'y a donc pratiquement plus de courants de masse dans le blindage de la ligne de transmission des signaux, de sorte que les influences perturbatrices sur cette ligne de haute résistance, en raisontdes::capacifés entre les conducteurs et le-blindage,- sont pratiquement entièrement supprimes. Les capacités parasites des deux conducteurs peuvent être maintenues à la même valeur en raison de la symétrie électrique du circuit d'amplification et en torsadant les deux conducteurs auxpoints où un blindage n'est pas possible, de sorte que les charges perturbatrices provoquées par les capacités parasites ne peuvent pas non plus fausser le résultat de la mesure.Des caractéristiques médiocres des isolants entre les conducteurs de la ligne de transmission des signaux et le blindage n'ont qu'une faible influence sur la caractéristique de fréquence ainsi que sur la sensibilité du circuit selon l'invention, mêime lorsque ces caractéristiques sont inégales. Une suppression synchrone rapide à haute fréquence n'est pas nécessaire étant donné qu'il n'y a pas de décalages du potentiel à l'entrée du circuit d'amplification par suite de tensions engendrées par des boucles passant par la terre, de sorte que le circuit d'amplification devient plus simple. L'amplificateur différentie; monté à la suite du circuit d'amplification de la charge, réalise le découplage entre le signal de sortie - se présentant sous forme d'une différence de tension - du circuit d'amplification et le potentiel de la terre ou de la masse. Pour éviter que l'alimentation du circuit d'amplification engendre des tensions perturbatrices sur le blindage de la ligne de transmission des signaux, une autre caractéristique de l'invention prévoit, pour l'alimentation du circuit d'amplification, un stabilisateur de tension, par exemple une diode Zener dont le conducteur ayant le potentiel de référence est relié au blindage électrique de la ligne de transmission des signaux, ce blindage étant seulement relié au potentiel de la terre ou de la masse à l'endroit où se trouve le transducteur, par exemple par l'intermédiaire de son boîtier. Pour le retour du courant d'alimentation du circuit d'amplification, on prévoit une résistance de retour qui est de préférence montbeentre le blindage et le potentiel de la terre ou de la masse qui règne à l'emplacement du circuit d'amplification. On peut cependant monter également une résistance de retour entre le blindage et un potentiel de polarité opposée à celle qui règne entre la tension d'alimentation et le potentiel de la terre ou de la masse, de sorte qu'on peut augmenter la valeur de cette résistance de retour, ce qui permet une diminution supplémentaire de la différence de potentiel sur le blindage de la ligne de transmission des signaux. Selon une autre caractéristique de l'invention, concernant également l'aiknentation du circuit d'amplification, on peut monter un élément de couplage, ayant une forte résistance interne entre le stabilisateur de tension et la source d'alimentation. Cet élément de couplage se présente avantageusement sous forme d'un transistor à effet de champ qui est relié par la source et le drain dans le circuit d'aesntation etdcntla gacitte estreliée à l'électrode de source. Cette mesure a également pour but d'éviter la formation i tensions perturbatrices le long du blindage de la ligne servant à la transmission des signaux. Le circuit d'amplification de la charge peut se présenter sous différentes formes, sans sortir du cadre de l'invention. I1 peut s'agir notamment d'un amplificateur de charge de conformation symétrique comportant deux bornes d'entrée et deux bornes de sortie ; ces deux dernières peuvent chacune être reliées électriquement à la borne d'entrée associée à travers un condensateur de contre-réaction. I1 est cependant également possible et conforme à l'invention, d'utiliser un circuit d'amplification formé par deux amplificateurs de charge asymétriques comportant chacun un condensateur de contre-réaction entre la borne d'entrée et la borne de sortie.Le blindage de la ligne de transmission des signaux constitue dans ce cas le potentiel de référence des amplificateurs de charge et leurs bornes d'entrée sont chacune reliées à un conducteur de cette ligne de transmission. Ils transforment le signal de charge du transducteur en deux tensions symétriques par rapport au potentiel du blindage. Dans les deux cas, l'importante capacité virtuelle - qui est caractéristique pour des amplificateurs de charge - entre les entrées et le potentiel de la terre ou de la masse est identique pour les deux entrées du circuit d'amplification, de sorte que ni les capacités du câble, qui sont parallèles aux capacités virtuelles, ni les caractéristiques isolantes de la ligne de transmission des signaux puissent avoir une influence nuisible sur la caractéristique de fréquence et la sensibilité du circuit. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif) ainsi que des dessins annexés dans lesquls - la figure l est un schéma de principe simplifié du circuit selon l'invention ; - les figures2 et 3 montrent deux formes de réalisation préférées ; - la figure 4 montre le schéma du circuit équivalent du dispositif selon l'invention. Comme il ressort de la figure 1, le circuit selon l'invention se compose d'un transducteur piézo-électrique bipolaire G monté dans un bottier métallique A et dont les deux bornes de sortie 1 et 2 traversent de façon isolée: ledit bottier. Une ligne de transmission de signaux SL comportant deux conducteurs L1 et L2 et munie d'un blindage électrique D relie les bornes de sortie 1, 2 à un circuit d'amplification V. Celui-ci est isolé électriquement par rapport au potentiel de la terre ou de la masse et comporte quatre bornes de raccordement électriquement isolées, à savoir deux bornes d'entrée 3, 4 et deux bornes de sortie 5, 6.Les deux bornes d'entrée 3, 4 sont reliées chacune à l'un des conducteurs L1, L2 de la ligne de transmission SL, tandis que les bornes de sortie 5,6 sont raccordées à un cable K à deux conducteurs reliés aux bornes d'entrée 7, 8 dsun amplificateur différentiel DV monté à la suitidu circuit d'amplificationV. La sortie 9 de l'amplificateur différentiel DV est reliée à une borne de sortie portant la référence H qui représente la sortie des signaux du circuit. La borne de sortie H est associée à une borne E qui présente le potentiel de la terre ou de la masse et qui fournit le potentiel de référence pour la sortie des signaux. M désigne le point de mise à la terre du boîtier A du transducteur G. Le transducteur piézo-électrique G peut se présenter sous forme d'un transducteur pour la mesure d'une pression, d'une force ou d'une accélération. Une force mécanique agissant sur l'élément sensible du transducteur G provoque un décalage de la charge entre les bornes de sortie 1, 2 et ce décalage est transmis par les conducteurs L1 et L2 de la ligne de transmission SL au circuit d'amplification V. On obtient donc aux bornes de sortie 5, 6 du circuit d'amplification des signaux de tension symétriques l'un par rapport à l'autre qui sont transmis par le câble K à l'amplificateur différentiel DV. Celui-ci amplifie les signaux de tension et transforme la différence des deux tensions de sortie du circuit d 'amplification V en un signal de tension asymétique par rapport au potentiel de la terre ou de la masse, signal qui peut être prélevé entre les bornes H et E du circuit. Le point M, relié au boîtier A du transducteur G, constitue le seul point de mise à la masse de l'ensemble du circut. La figure montre que le blindage D est relié électriquement au boîtier A.Par ce montage "volant" du circuit d'amplification V, on bvite les courants de masse à travers le blindage D ainsi que la formation de boucles passant par ld-terre, de sorte que des tensions perturbatrices ne peuvent pas se produire le long du blindage D et que des charges parasites ne peuvent pas fausser le signal de charge transmis par la ligne SL. A l'exemple de réalisation représenté à la figure 2, le circuit d'amplification se compose d'un amplificateur de charge V de conformation symétrique dont les bornes de sortie 5, 6 sont reliées chacune électriquement à la borne d'entrée associée 3,4 à travers un condensateur de contre-réaction CG. Un montage en série de trois résistances, à savoir de la résistance R1, du potentiomètre P et de la résistance R2, relie en outre la borne de sortie 5 de l'amplificateur de charge V à la sortie 9 de l'amplificateur différentiel DV. Le curseur du potentiomètre P est relié à la borne d'entrée 7 de l'amplificateur différentiel DV. Une résistance R3 relie la borne de sortie 6 de l'amplificateur de charge V et la borne d'entrée 8 de l'amplificateur différentiel DV.Une résistance R4 relie en outre la borne d'entrée 8 à la borne E qui présente le potentiel de la terre ou de la masse qui règne à l'emplacement du circuit d'amplification V ou à celui de l'amplificateur différentiel DV. L'amplificateur de charge V comporte deux bornes de raccordement 10, 11 alimentées par l'intermédiaire d'un stabil-isateur de tension et servant à l'arrivée de la tension d'alimentation nécessaire au fonctionnement de l'amplificateur. Le stabilisateur selon l'exemple illustré se présente sous forme d'une diode Zener dont la cathode est reliée à la borne de raccordement 10 et dont l'anode est reliée à la borne 11. Un élément de couplage ayant une forte résistance interne relie en outre le pôle positif U+ de la source d'alimentation et la diode Zener Z. Cet élément de couplage est un transistor T à effet de champ qui est branché dans le circuit d'alimentation par son circuit source-drain, et dont la gachette est reliée directement à son électrode de source.La borne 11 de l'amplificateur de charge V est en outre en liaison électrique avec le blindage D de la ligne de transmission des signaux SL et une résistance Servant au retour du courant d'alimentation, est branchée entre blindage et le potentiel de la terre ou de la masse E régnant à l'emplacement du circuit d'amplification. Le ple natif U de la source de courant continu servant à l'alimentation est également raccordé au point de référence électrique E du circuit. Etant donné que le circuit est seulement relié à la terre à l'emplacement du transducteur G, à savoir au point M, pratiquement toute la différence de tension produite par des potentiels différents et wariables entre les points de mise à la terre M et E, se manifeste exclusivement aux bornes de la résistance R5 qui peut être choisie suffisamment grande à cet effet, de sorte que la tension parasite appliquée éventuellement au blindage est sans importance L'amplificateur différentiel DV sépare la tension alternative aux bornes de la résistance R5 du signal de sortie prélevé aux bornes H et E, La suppression synchrone quant au signal d'entrée du circuit dépend du rapport entre les résistances R2 et R1 d'une part et entre R4 et R3, d'autre part.Le potentiomètre P sert à l'ajustage de ces deux rapports - qui doivent être aussi grands que possible - l'un par rapport à l'autre et permet par conséquent d'optimaliser la suppression synchrone de l'ensemble du circuit. La figure 3 montre une forme de réalisation du circuit selon l'invention dans laquelle le circuit d'amplification de la charge se compose de deux amplificateurs de charge asymétriques V1 et V2 présentant chacun un condensateur de contre-réaction CG entre les bornes d'entrée 3, 4 et les bornes de sortie 5, 6, Les bornes d'entrée 3, 4 des deux amplificateurs V1, V2 sont chacune reliées à un conducteur L1, L2 de la ligne pour la transmission des signaux SL, tandis que les deux bornes de sortie 5, 6 sont chacune reliées à une borne d'entrée 7, 8 de l'amplificateur différentiel DV. Le blindage D de la ligne de transmission SL fournit le potentiel de référence des deuxanplificateurs de charge V1, V2, cette ligne étant seulement reliée à la terre par le boîtier A au point M de l'emplacement du transducteur G. Par l'utilisation de deux amplificateurs de charge asymétriques V1, V2, on obtient également des signaux de tension symétriques l'un par rapport à l'autre aux bornes de sortie 5, 6 du circuit d'amplification, ces signaux étant amplifiés par l'amplificateur différentiel DV puis appliqués asymétriquement par rapport au potentiel de la terre ou de la masse aux bornes H et E. Le montage "volant' des amplificateurs de charge V1, V2 supprime dans ce cas également la presque totalité des signaux parasite sur la ligne de transmission des signaux SL. Le circuit comprend également une alimentation sans potentiel fixe pour les amplificateurs de charge V1 et V2 à travers un stabilisateur de tension ST. A la différence du circuit représenté à la figure 2, la résistance R5 pour le retour du courant d'alimentation n'est cependant pas reliée au potentiel de la terre ou de la masse E, mais à un potentiel de polarité opposée par rapport au potentiel de la terre ou de la masse au point E. On peut, de ce fait, augmenter la valeur ohmique de la résistance R5 > ce qui se traduit par une diminution supplémentaire de la tension parasite sur le blindage D de la ligne de transmission SL. La figure 4 représente le schéma équivalent du circuit selon l'invention C1 et C2 désignent les capacités parasites de la tension parasite UL sur les conducteurs L1 et L2 de la ligne de transmission des signaux, R et R désignent x y les résistances de l'isolant entre les conducteurs et le blindage D, tandis que C et C désignent les capacités de câble entre les conducteurs et le x y blindage D. RD représente la résistance interne du blindage D, Us représente la tension alternative produite par les potentiels différents et variables entre les deux points de mise à la terre M et E, tandis que CVl et CV2 désignent les capacités virtuelles des amplificateurs V1 et V2 par rapport au blindage D.La figure 4 montre en outre les résistances R1 et R3 montées entre les amplificateurs de charge et l'amplificateur différentiel, de même que les résistances de contre-réaction R2 et R4 de l'amplificateur différentiel DV. L'alimentation s'effectue à travers un stabilisateur de tension ST, et la résistance de retour R5 est montée entre le potentiel du blindage et le potentiel E de la masse. Le mode de fonctionnement du circuit selon l'invention est expliqué relativement à la figure 4. Le décalage de la charge du transducteur G -apparaissant aux bornes de sortie 1, 2 - provoque la charge des condensateurs de contre-réaction CG des deux amplificateurs de charge V1 et V2. On obtient par suite des signaux de tension symétriques aux bornes de sortie 5, 6 des amplificateurs de charge, ces signaux sont amplifiés par l'amplificateur différentiel DV et leur différence est appliquée aux deux bornes de sortie H et E du circuit sous forme d'un signal de tension asymétrique par rapport au potentiel de la terre ou de la masse. Le circuit supprime les déformations possibles du signal de mesure par des tensions parasites engendrées par des champs magnétiques alternants, et par des courants de terre ou de masse. On peut maintenir les capacités parasites C1, C2 à une valeur égale en torsadant les conducteurs L L1, L2, surtout aux endroits de la ligne de transmission des signaux qui ne peuvent pas être blindés suffisamment, de sorte qu'on supprime l'effet de charges produites dans les conducteurs Ll, L2 par suite d'un couplage capacitif de la tension parasite UL. Les capacités de câble Cx > C diffèrent cependant en raison des dissymétries inévitables des cables. y Le montage "volant" des amplificateurs de charge V1, V2 empêche cependant la formation d'une tension parasite notable sur la résistance RD du blindage D La tension parasite Us se manifeste presque exclusivement aux bornes de la résistance R5 dont la valeur est plus importante, de plusieurs ordrès de grandeur, que la résistance RD. On évite donc également la transmission de charges parasites à la ligne de transmission des signaux par l'intermédiaire des capacités de câble Cx > Cy I1 ne se produit pas de décalage du potentiel entre les entrées 3 et 4 des amplificateurs de charge et le potentiel de référence formé par le blindage D, et les capacités virtuelles cv1 et Cv2 sont identiques. Comme les capacités virtuelles d'amplificateurs de charges sont très élevées, les capacités de câble Cx et C y relativement petites, qui sont parallèles à elles, n'ont pratiquement pas d'influence sur la caractéristique de fréquence ni surta sensibilité du circuit. Pour la même raison, l'influence des résistances Rx et R des isolants, est également négligeable. x y Le circuit conforme à l'invention réalise donc une suppression synchrone très poussée des signaux parasites. R E V E N DI C A T I O N S 1. Circuit électrique pour la transmission et l'amplification des signaux fournis par un transducteur piézo-électrique, destiné notamment à la mesure d'une pression, d'une force ou d'une accélération, le transducteur étant bipolaire, monté de façon blindée dans un boîtier et relié par une ligne de transmission des signaux à deux conducteurs - traversant avec isolement ledit bottier - et munie d'un blindage électrique à un circuit d'amplification, caractérisé ence que - l'amplification de la charge est obtenue au moyen d'un circuit d'amplification isolé électriquement par rapport au potentiel de la terre ou de la masse et comportant deux bornes d'entrée et deux bornes de sortie qui sont chacune isolées électriquement - le circuit d'amplification est suivi par un amplificateur différentiel dont les deux bornes d'entrée sont reliées chacune avec une borne de sortie du circuit d'amplification ; - l'amplificateur différentiel transforme la différence entre les deux tensions de sortie du circuit d'amplification en un signal de tension asymétrique entre sa borne de sortie et le potentiel de la terre ou de la masse comme potentiel de référence. 2. Circuit électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, pour l'alimentation du circuit d'amplification, un stabilisateur de tension, par exemple une diode Zener dont le conducteur ayant le potentiel de référence est relié au blindage électrique de la ligne de transmission des signaux, ce blindage étant seulement relié à la terre ou à la masse à l'emplacement du transducteur, par exemple à travers le bottier de celui-ci. 3. Circuit électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une résistance pour le retour du courant d'alimentation du circuit d'amplification, cette résistance étant branchée entre le blindage et le potentiel de la terre ou de la masse qui règne à l'emplacement du circuit d'amplification. 4. Circuit électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une résistance pour le retour du courant d'alimentation du circuit d'amplification, cette résistance étant branchée entre le blindage et un potentiel de polarité opposé à celle qui règne entre la tension d'alimentation et le potentiel de la terre ou de la masse. 5. Circuit électrique selon l;une quelconque des revendications 2, 3, et 4 caractérisé en ce qu'il comprend un élément de couplage à forte résistance interne, par exemple un transistor à effet de champ, branché entre le stabilisateur de tension et la source d'alimentation. 6. Circuit électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit d'amplification se compose d'un amplificateur de charge; de conformation symétrique présentant deux bornes d'entrée et deux bornes de sortie, ces deux dernières étant chacune reliées électriquement à la borne d'entrée associée à travers un condensateur de contre-réaction. 7. Circuit électrique selon ltune quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit d'amplification se compose de deux amplificateurs de charge asymétriques présentant chacun un condensateur de contreréaction entre la borne d'entrée et la borne de sortie, le potentiel de référence de ces amplificateurs étant le blindage de la ligne de transmission des signaux, et leurs bornes d'entrée étant chacune nKiéesà l'un des conducteurs de la ligne de transmission des signaux, ces amplificateurs transformant le signal de charge du transducteur en deux tensions symétriques par rapport au potentiel du blindage.