Brevet FR2199593A1 — publié le 19740412

La présente invention concerne des systèmes de mesure utilisant un pont et opérant par le rééquilibrage incrémental et automatique de celai-ci et elle a trait, en particulier, à de tels systèmes qui fournissent le résultat de la mesure sous forme numérique (digitale). Pour mesurer un certain nombre de grandeurs physiques ou électriques, il est bien connu d'utiliser des ponts de Wheatstone lorsque les variations de ces grandeurs peuvent autre traduites en variations de résistance au moyen de transducteurs tels que des jauges de contrainte en extensométrie ou des sondes de mesure de température en fil de platine (Pt), par exemple. D'autres transducteurs résistifs peuvent être trouvés dans l'ou- vrage de H.N. NORTON intitulé " HANDBOOE OF TRANSDUCERS FOR E1ECTRONIC MEASURING SYSTEMS " publié par PRENTICE-HALL, Tnc aux Etats-Unis, en l'année 1969. Le pont de Wheatstone, utilisé pour effectuer des mesures de grandeur physique, comprend généralement dans l'une ou plussieurs de ses branches des transducteurs résistifs du type précité et dans une autre branche, une résistance ou un potentiomètre standard, dits de référence, qui sont variables avec précision pour compenser les variations de la résistance des transi ducteurs dues aux phénomènes physiques afin d'ânnuler le courant dans l'une des diagonales du pont, ce courant étant mesurés par exemple, à l'aida d'un galvanomètre. La résistance standard doit titre agencée de façon à permettre une lecture précise de sa valeur affichée qui sera, après rééquilibrage, fonction de la grandeur physique à mesurer. Dans l'art antérieur, le réglage de la résistance standard pour annuler le courant do déséquilibre du pont est effectué soit manuellement, soit au moyen d'un servomécanisme agencé de façon à annuler le courant dans la diagonale. Cette méthode de mesure sera dite " du zéro " et elle présente, par rapport aux autres méthodes, l'avantage de ne pas nécessiter une source de tension d'alimentation dc valeur très précise, car le rééquilibrage du pont est indépendant de celle-ci. Le système de mesure par rééquilibrage automatique d'un pont conforme à l'invention permet, on profitant des avantages de la méthode dite " du zéro ", d'une part, l'utilisation de réseaux de résistance des convertisseurs numérique-analogique disponibles sous forme de microcircuits (intégrés) et beaucoup moins coûteux que des potentiomètres de précision, pour le rééquilibrage du pont et, d'autre part, de fournir des résultats sous forme numérique facilitant leur exploitation, enregistrement, traitement et/ou leur transmission à distance (télémesure). suivant l'invention, un système de mesure par rééquilibrage incrémental d'un pont de mesure dont l'une ou plusieurs de ses quatre branches sont munies de transducteurs résistifs présentant des résistances électriques qui varient en fonction d'une grandeur physique, ledit pont étant alimenté sur sa diagonale d'alimentation par une soùrce de tension ou de courant, ledit système est caractérisé par le fait qu'il comporte - un circuit annexe de rééquilibrage branché aux bornes de la diagonale de mesure du pont et composé d'un système additionneur constitué par exemple par une résistance réglable permettant l'addition algébrique de la tension de diagonale du pont et de la tension générée par un convertisseur numérique analogique relié en série avec elle, le convertisseur étant alimenté en outre par une tension de référence proportionnelle à la tension d'alimentation du pont et comprenant un réseau de résistances et n commutateurs analogiques commandés par un circuit programmateur, ledit circuit programmateur étant alimenté sur une entrée par un amplificateur-oomparateur analogique dont les deux entrées sont respectivement reliées aux borncs de ladite diagonale de mesure ct qui se met dans deux états différents suivant la polarité de la tension de déséquilibre sur lesdites bornes. L'invention scra mieux comprise et d'autres de ses caractéristiques et avantages apparaitront à l'aide de la description ci-après, donnée à titre d'exemple, et des dessins annexés s'y rapportant, sur lesquels : - la ligne 1 représente un bloc-diagramme simplifié du système selon l'invention, - la figure 2 représente un diagramme de formes d'onde aux divers points du système, - la figure 3 représente schématiquement un exemple de réalisa- tion d'un multiplicateur-convertisseur numérique-analogique 5 de la figure 1; et - la figure 4 est un schéma simplifié d'un modc de réalisation d'un générateur de nombres 70 de la figure 1. Sur la figure 1, on a représenté en 1 un pont de Wheatstone composé de quatre éléments résistifs 10, 11, 12 et 13, dont l'un au moins est constitué par un transducteur sensible à uno grandeur physique (jauge de contrainte, par exemple). Les autres éléments sont constitués par des résistances de valeurs connues. Sur l'une de ses diagonales 16 - 17 dite " d'alimentation n, le pont 1 est réuni aux bornes 21, 22 d'une source d'alimentation 2 continue ou alternative et flottante par rapport à la masse. L'autre diagonale 14 - 15 du pont 1 dite " do mesure ", est réunie en un point 15 à la masse. L1 autre point 14 dc la diagonale de mesure est relié à l'une des entrées 41 d'un amplificateurcomparateur de tension analogique 4. L'autre entrée 42 de l'amplifcateur-comparateur 4 étant réunie à une source de potentiel de référence constituée - ici par la masse, il fournit sur sa sorties 43 une première tension correspondant à la valcur d'un " 1 " logique pour les circuits suivants, lorsque la tension appliquée à son entrée 41 atteint ou dépasse celle appliquée à son autre entrée 42 et une secondc tension correspondant à un n zéro " logique, dans le cas contraire. Autrement dit, l'amplifcateur-comparateur 4 fournit sur sa sortie 32 un " I n ou un n o n suivant le sons du désé quilibrc du pont de Wheatstone 1. Cctte propriété de l'amplificateur-comparateur 4, qui peut être constitué par un amplificateur différentiel à grand gain ou un circuit bistable du type de Schmidtt, est utilisée dans le système conforme à l'invention pour rééquilibrer le pont de Wheatstone 1 à l'aide d'un circuit annexe 5 - 6 connecté en parallèle sur la diagonale de mesure 17 - 15, c'est-à-dire entre la masse et l'entrée 41 de l'amplificateur-comparateur 4, afin d' annuler la tension de déséquilibre apparaissant sur la borne 14 sous l'effet de l'action du phénomène physique sur le transducteur. Ge circuit annexe est constitué par une résistance variablo 6 et un convertisseur-multplicateur numérique-analogique 5 branchés en série Ce convertisseur 5, dont un exemple de réalisation sera décrit plus loin (figure 3) peut être d'un type classique, décrit par exemple dans l'ouvrage de D.F. HOESCHKLE intitulé " TECHNIQUES DE CONVERSION ANALOGIQUE DGTALE ET DIGITALE-ANALOGIQUE" édité par MASSON & C à PARIS, on 1971, comprenant un réseau de résistances 50 et un ensemble de commutateurs analogiques 51 permettant de relier diverses bornes du réseau 50 soit à la niasse reliée à rentrée 53, soit à une tension de référence appliquée à l'entrée 52 dite entrée do n référence ". Dans les convertisseurs analogiques-numériques gé éralement utilisés, la tension de référence est d'uno valeur fixe prédé- terminée, tandis que le convertisseur-multiplicateur 5 utilisé dans le système suivant l'invention est alimenté sur son entrée de référence 52 par une tension qui est une fraction prédéterminée de la tension d'alimentation du pont t prélevée sur l'une des bornes 16 ou 17 de sa diagonale d'alimentation et appliquée à l'aide d'un amplificateur-séparateur 3, à l'entrée 52. De cette façon, il est possible d'éviter l'utilisation de coûteuses alimentations stabilisées avec précision, le convertisseur-multiplicateur 5 étant appelé ainsi parco qu'il fournit sur sa sortie une valeur analogique qui est un produit de la valeur de la tension analogique appliquée à l'entrée de références 52 et du nombre digital appliqué aux entrées de commande de commutation des commutateurs analogiques 51. Dans l'exemple de réalisation décrit et représenté sur la figure 1, la borne 17 de prélèvement de la tension référencée a été choisie en fonction de l'emplacement du ou des transducteurs dans le pont 1 et du sens de leur variation (accroissement ou diminution de la résistance dd au phénomène physique à mesurer), c'est-à-dire en fonction de la polarité de la tension de déséquilibre entre les bornes 14 et 15 de la diagonale de mesure, de façon que le circuit annexe 5 - 6 puisse annuler cette tension de déséquilibre sur l'entrée 41 de l'amplificateurcomparateur 4. On remarquera ici qu'au lieu d'inverser le point de pré- lèvement de la tension sur la diagonale, il est possible d'inverser la polarité de la tension de sortie de l'amplificateurséparateur 3. La commande des commutateurs analogiques est effectuée à partir d'un circuit de programmation 7 de type connu, généralement utilisé dans les convertisseurs analogiques-numériques à approximations successives décrit dans l'ouvrage de HOESCHEIE précité (voir, en particulier, pp, 336 à 341). le circuit de programmation 7 comporte un générateur de nombres (mots) 70 à n digits significatifs constitué par un ensemble de n multivibrateurs bistables dont les sorties alimentent respectivcment les entrées de commande des commutateurs analogiques 51. L'enregistrement ou inscription du nombre N à n digits (6) dans les générateurs 70 est effectué successivement à partir du digit du poids maximal jusqu'au digit de poids minimal à l'aide d'un circuit de commande 71 commandé par une horloge 8. Ce circuit de commande 71 est constitué ici par un compteur en anneau, mais il peut etrc réalisé au moyen d'un registre à décalage ou tout autre circuit logique permettant de commander successivement les étages du générateur 70. Le circuit dc programmation 7 comporte une première entrée 77 alimentée par la sortie 43 de l'amplificateur-comparateur 4 qui commande l'inscription des n digits du nombre N dans le générateur 70, c'est-à-dire lorsque la sortie 43 fournit une tension correspondant à un état logique " 1 " (la tension dc déséquilibre étant d'une polarité prédéterminée par rapport à la masse) le multivibrateur commandé et par le compteur en anneau 71, et par l'horloge 8, est mis dans son état " 1 " et lorsque la sortie 43 fournit une tension nulle (la tension de déséquilibre étant de polarité opposée à la précédente), le multivibrateur est remis à zéro. Le fonctionnement et l'agencement détaillé de l'ensemble sera expliqué ci-dessous avec référence à la figure 2 du dessin annexé représentant des diagrammes de formes d'onde aux divers points du système suivant l'invention, le réseau de résistances 50 du convertisseur étant supposé titre en code binaire, de préférence sous la forme d'un réseau R-2 R. Lt horloge 8 comporte deux sorties distinctes 80 et 81 fournissant respectivement des signaux carrés de fréquence prédéterminée F = 1 appliquée au générateur 70 à travers l'entrée 72 du circuit 7 et de fréquence égale à la moitié de la précédente F/2. appliquée au compteur en anneau 70 à travers l'entrée 72 (voir premier et second diagrammes du haut de la figure 2). Lorsqu'une impulsion de démarrage non représentée est appliquée à l'entrée 75 du circuit 7, la première impulsion du train d'impulsions d'horloge fournie par la sortie 81 pendant la durée de cette impulsion est transmise à travers uae porte EX 78 et un circuit OU 79 à l'une des entrées du premier étage du compteur en anneau 71, à huit étages, qui reçoit sur une autre entrée le m8me train d'impulsions. La présence simultanée de cette impulsion sur ces deux entrées fait basculer ce premier étage dans son état " 1 n, c'est-à-dire que sa sortie 710 fournit un " I " d'une durée égale à 2T à l'entrée de remise à zéro 74, du générateur dc nombres 70. Par conséquent, tous les six étages du générateur sont remis dans leur état n O " pour permettre le début du codage analogique-numérique permettant le rééquilibrage successif du pont 1 à l'aide du circuit annexe 56. L'impulsion suivante du train d'horloge à F/2 déclenche, d'une part, avec une impulsion simultanée prélevée sur le promier étage, le basculenent du second étage du compteur 71 dans son état n 1 n. La sortie 711 de cet étage alimente l'une des entrées du premier basculeur du générateur 70, qui reçoit sur une autre entrée les impulsions d'horloge à la fréquence F fournies par la sortie oe, ces impulsions étant retardées de T/2 par rapport aux fronts avant des impulsions à P/2 et sur une troi sième entrée, le signal de sortie du comparateur analogique 4. La tension de déséquilibre VD (borne 14 et entrée 41 du comparateur 4) est la plus élevée au début du processus de mesure (tous les étages du générateur 70 étant à l'état " O ") et, par conséquent, les commutateurs analogiques 51 relient toutes l3s borhes du réseau convertisseur 50 à la masse. Le pont ayant été agencé de façon qu'elle soit de polarité positive avant rééquilibrage, le comparateur 4 est, par conséquent, dans son état "1". La présente simultanée, respective aux trois entrées de commande du premier basculeur du générateur 70, de tensions correspondant à des états logiques n 1 " le fait basculer dans son état " t " et par conséquent commander le premier étage des commutateurs analogiques 51 afin de relier la borne du réseau 50, correspondant au digit de poids maximal à l'entrée de référence 52 et, par conséquent, de l'alimenter avec la fraction précitée de la tension d'alimentation du pont t. Ceci a pour effet dc réduire la tension de déséquilibre sur la borne 14 et à l'entrée 41 du comparateur 4 de la noitid du naximun d'échelle de nesure vu max. Du fait que la valeur initiale VD,, de la tension de déséquilibre a été supérieure à 0,5 VD maux, la tension à entrée 41 reste positive et celle de la sortie 43 reste égale à la valcur corrcspondant à un état "1". La durée de 11 impulsion (de l'état n t ") du second étage du compteur en anneau 71, étant égale à 2T, lo premier basculeur du génératour 70 reçoit sur sa seconde entrée encore une deu- xième impulsion d'horloge à la fréquence F pendant celle-civ La sortie 43 étant toujours à l'état " t ", le premier basculeur restera également dans l'état " 1 ". La prochaine impulsion d'horloge à F/2 commande simultanément la remise à zéro du second étage et la mise à l'état " 1 n du troisième étage du compteur 71 de la même manière que précédemment pour le premier et le second étages de celui-ci. L'impulsion à la sortie 712 en conjonction avec la première impulsion d'horloge pendant la durée de celle-ci et avec l'état n 1 n de la sortie 43, fait basculer le second basculeur du générateur 70 dans son état " 1 " et, par conséquent, fait réunir la borne du réseau 50 correspondant au digit de poids inférieur au poids maximal (appelé " next to most significant bit " ou N.M.S.B. dans la littérature de langue englaise) à l'entrée de référence 52. Ceci entraine une réduction de la tension de déséqulibre résiduelle de 0,25 DV max, c'est-à-dire au total, par rapport à le valeur initiale VD de 0,75 VD max., VD étant supérieure à 0,75 VD max, la sortie 43 reste à l'état " 1 " ans que le secend basculeur de générateur. Ensuite le troisième étage du compteur 71 est remis à zérc et le quatrième est mis à l'état un. L'impulsion de ce quntrième étage, l'état " 1 " de la sortie 43, et la première impulsion d'horloge à F pendant la durée de cette impulsion font ensemble basculer le troisième basculeur du générateur 70 dans son état " 1 ". Gelui-ci, dans son état n j ", commande le troisième commutateur de l'ensemble 51 de manière à relier la borne du réseau 50 correspondant au digit suivant de poids inférieur à l'entrée de référence 52 du convertsseur-multipli- cateur 5. Ceci entraîne la réduction de la tension de déséquilibre résiduelle VD - 0,75 VD max. à l'entrée 41 du comparateur 4 une valeur égale à VD max/8 qui est supéreure à la tension résiduelle (voir sur l'avant-dernier diagramme à partir du haut de la figure 2), ct la tension de déséquilibre devient négative. La polarité négative de la tension d'entrée du comparateur 4, le fait basculer dans son état zéro dc façon que la sortie 43 fournit une tension nulle lorsque la seconde impulsion d'horloge à la fréquence F se produit pendant la durce de l'impulsion sur la sortie 713 du quatrième étage du compteur 71. Les circuits de déclenchement des basculeurs du générateur 70 sont conçus de façon à le faire renettre dans son état n O ", lorsque son entrée de commande reliée à la sortie 43 du compara- teur 4 reçoit mie tension nulle à l'arrivée d'une impulsion d'horloge à F pendant la durée de l'impulsion du compteur on anneau 71. Par conséquent, la seconde impulsion d'horloge pendant la durée de l'impulsion du quatrième étage du compteur 71 et l'état zéro de la sortie 43 font rebasculer le troisième basculeur du générateur 73 dans son état zéro et l'on revient à la tension résiduelle précédente de polarité positive et de valeur égale à VD - 0,75 VD max et le comparateur 4 revient dans son état "1" Puis, le quatrième étage du compteur est romis à zéro et le einquième est mis à l'état un. Il commande ensemble avec l'horloge 8 (sortie 80) et le comparateur 4 (sortie 43 à l'état 1 ") le quatrième basculeur du générateur 70 pour le faire basculer dans son état un t agir sur le quatrième commutateur 51 du convertisseur 5.Ce quatrième commutateur relie la borne de la résistance du réseau 50 correspondant au quatrième digit à l'entrée de référence 51 de façon à réduire la tension résiduelle VD - 3 VD max, qui correspond à un nombre N = 110000, de 6 VD T6 VD LiC\X. Comme on voit sur le diagramme de la tension sur l'entrée 41 (borne 14 c la diagonale de mosure), celle-ci est pratiquement égale à zéro, c'est-à-dire qu'elle est inférieure à 128 VD max, ce qui est la moitié du poids du dernier digit significatif ou du digit de poids minimal (" least significant bit ou L.S.B.). Dans ce cas, le comparateur 4 reste dans son état "un " ct le générateur 70 fournit un nombre binaire N = 110100 qui est fonction de la grandeur physique à nesurer et égale à 13/16 de la valeur maxmale de l'échelle de mesure. Du fait que le comparateur 4 est resté à l'état " un " l'impulsion fournic par le sixième étage du compteur 71, fait basculer, à l'arrivée de la première impulsion d'horloge à F qui suit le front avant de cclle du compteur, le cnquième basculeur du générateur 7G dans son état " 1 ".Ceci a pour effet de ramener la tension à l'entrée du comparateur à une valeur néga- tive approximatvement égale éà - 1/32 VD max, qui fait basculer le conparateur 4 dans son état " O t, et par la suite, lors de la secondc impulsion dthorloge, le cinquième basculeur également dans son état t, O . Comme la tension résiduelle est très proche de zéro, le comparateur 4 peut soit revenir à son état " i ", soit rester scus l'effet de l'hystérésis bien connue, dans son état zéro indiqué en pointillé. Dans le premier cas, le sixième et dernier basculeur du générateur 70 fera un va-et-vient cntre l'état "1" et l'état " O " de la façon précédemment décrite et, dans le second cas, il restera également dans son état " O ", ce qui ne change rien au résultat final de la mesure. Le huitième étage du compteur en anneau 1 fournit sur sa sortie, à la suite de l'impulsion commandant le sixième basculeur du générateur 70 une impulsion de commande appliquée à travers la sortie 76 du circuit do programmation 7 à l'entrée de commande de transfert d'un registre parallèle - parallèle 9 à six digits, servant de mémoire. A ccttc fin, les entrées parallèles du registrc 9 sont respectivement réunies aux sorties du générateur 70, pour y prélever, après l'achèvoment du rééquilibrage du pont avec le circuit annexe, le nombre N traduisant la grandeur physique à mesurer. Les sorties parallèles du registre 9 peuvent trc couplées à un indicateur vsuel, à une mémoire numérique à convertisseur classique à rampe (incréments égaux aux par exemple, ou que le code utilisé peut être celui connu sous l'appellation " décimal codé en binaire " (appelé n binary coded décimal n ou B.C.D. dans la littérature de langue anglaise), sans changer le principe du fonctionnement. La figure 3 est un schéma simplifié d'un convertisseur analogique-numérique 5 classique à réseau R - 2R. Le réseau est composé de n + 2 résistances - 501 à 508 - de valeur 2R et de n-1 résistance - 520 à 524 - de valeur R et il fournit sur sa sortie une valeur analogique proportionnelle au nombre bi naire de n-digits appliqué aux n entrées de commande (non re présentées) de commutateus - 511 à 516. La constante de pro portionnalité de la valeur analogique est égale à la tension appliquée entre les entrées 52 et 53 du circuit. La figure 4 représente un mode de réalisation simple d'un générateur de nombres 40 comprenant des basculeurs bistables 741 à 746 à commande par des tensions positives correspondant à des états " 1 ". Ces basculeurs comprennent chacun une entrée de remise à zéro RZ, une entrée de mise à l'état " un " MU et deux sorties complémentaires Q et Q. Les entrées de remise à zéro RZ de tous ces basculeurs 741 à 756 sont d'abord commandées en parallèle par la sortie 710 du premier étage du compteur en anneau 71, et ceci à travers des circuits OU 751 à 756. Lorsque toua les basculeurs sont à l'état " O ", les mises à l'état " un " sont successivement commandées par les impulsions fournies par les sorties 711 à 716 des autres @étages du compteur 71, les impulsions d'horloge à Y provenant de la sortie 80 de l'horlogo et l'état n 1 n du comparateur 4. Pour obtenir ceci, les entrées MU des basculeurs 741 à 746 sont respectivement réunies aux sorties 711 à 746 du compteur 71 et en parallèle à la sortie 80 do l'horloge d et à la sortie 43 du comparateur 4 à travers des premières portes ET à trois entrées - 771 à 776. Pour la remise à zéro des basculeurs, lorsque la sortie 43 du comparateur 4 ost à l'état n O ", les entrées RZ sont respectivement réunies aux sorties 711 à 746, à la sortie 80 de l'horloge 8 et à un circuit NON ou inverseur 770 alimenté par la sortie 43 du compresseur 4 au moyen de secondes portes ET à trois entrées 761 à 766. Les sorties Q et/ou Q alimentent respectivement le registre 9 de la figure 1 et les entrées de commandes des dispositifs de commande (non représentés) de com imitateurs 511 à 516 de la figure 3. D'autres agencements sont possibles par l'emploi de cir- cuits intégrés prééxistants, par exemple de basculeurs (flip- flop) logiques du type dit J, qui permettent d'omettre les circuits OU 751 à 756 et des portes ET 761 à 766 et 771 - 772 extérieurs. REVENDICAXIONS 1. Système de mesure par rééquilibrage incrémental d'un pont de mesure (1) dont l'une ou plusieurs de ses quatre branches (10 à 13) sont manies de transducteurs résistifs présentant des résistances électriques qui varient en fonction d'une grandeur physique, ledit pont (1) étant alimenté sur sa diagonale d'alimentation (16,17) par une source de tension ou de courant (2), ledit système étant caractérisé par le fait qu'il comporte :: - un circuit annexe de rééquilibrage (5,6) branché aux bornes (14,15) de la diagonale de mesure du pont (1) et composé d'un système additionneur (6) et d'un convertisseur numériqueanalogique (5) reliés en série, le convertisseur étant alimenté en outre par une tension de référence proportionnelle à la tension d'alimentation du pont (i) et comprenant un réseau de résistanoes(50) et n commutateurs analogiques (5j) commandés par un circuit programmateur 7, ledit circuit programmateur 7 étant alimenté sur une entrée (77) par un amplificateu--comparateur analogique ( 4) dont les deux entrées (41,42) sont respectivement reliées aux bornes (14, 15) de ladite diagonale de mesure et Qri se met dans deux états différents suivant la polarité de la tension de déséquilibre sur lesdites bornes (14, 15). 2.Système de mesure suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite tension de référence alimentant ledit convertisseur (5) est prélevée sur l'une des bornes (21, 22) de ladite source (2) à l'aide d'un amplificateur-séparateur (3) avec une polarité permettant de compenser ladite tension de déséquilibre. 3. Système de mesure suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que ledit circuit programmateur (7) comprend un générateur de nombres binaires (70) à n digits comportant n basculeurs bistables (741 à 746) commandés succe- sivement par un registre à décalage ou un compteur en anneau (71) pour les faire respectivement basculer dans un premier état, lorsque le comoaratcur (4) est dans un état prédéterminé, ou dans un second état, lorsque le comparateur (4) est dans son autre état, les sorties de ces basculeurs fournissant après rééquilibrage du pont (1) un nombre binaire à n digits propor- tionnel à la tension de déséquilibre initiale et, par conséquent, à la grandeur physique à mesurer.