Brevet FR2515815A1 — publié le 19830506

l 25158 1 5 La présente invention concerne un procédé et un dispositif permettant de compenser automatiquement les variations des courbes caractéristiques de réponse de capteurs ou équivalents et, plus précisément, la détermination des écarts entre la courbe caractéristique de réponse d'un capteur de me- sure, par rapport à celle d'un capteur de référence standard ou idéal, puis leur mémorisation automatique et leur application aux capteurs de mesure dans le but d'effectuer la correction de ce dernier lors de son utilisation ultérieure pour la mesure. Les techniques connues pour corriger ou pour calibrer des capteurs de mesure en vue de compenser des dérives dans leurs caractéristiques de ré- ponse'par rapport aux caractéristiques souhaitées d'un détecteur standard font largement appel aux ajustements manuels individuels, par exemple pour la mise à zéro ou pour le réglage des composants électriques en vue d'ob- tenir le point de départ standard approprié Des ajustements plus précis et d'autres réglages sont requis pour essayer de compenser des dérives en d'autres parties de la réponse que le zéro initial Par exemple, on peut citer un système de calibrage à pont pour capteurs qui comprend des poten- tiomètres individuels disposés en pont pour obtenir le calibrage du zéro et de l'écart pour chacun des capteurs utilisés L'opération de calibrage qui implique le réglage manuel de ces potentiomètres est une longue opéra- tion qui requiert en outre une certaine habileté pour obtenir des résul- tats valables Puisqu'un circuit en pont doit être prévu pour chaque cap- teur, le coût du système de mesure est assez élevé En outre, ce type d'équipement n'est approprié qu'aux capteurs dont la sortie correspond à la modification d'une résistance en fonction de la mesure qui est effectuée (par exemple les jauges de contrainte, etc) D'autres types de capteurs, tels que les thermocouples, ne peuvent cependant pas être utilisés directe- ment avec ces ponts et, de ce fait, ne sont pas appropriés à ce type de compensation. Selon la présente invention on obvie à ces inconvénients en superposant la courbe caractéristique de réponse (le signal de sortie en tant que fonc- tion du stimulus d'entrée) d'un capteur de mesure à celle d'un capteur standard ou de référence, en engendrant des signaux de correction mémorisés pour effectuer une telle superposition, ces signaux étant régulièrement et automatiquement appliqués à la sortie du capteur de mesure, lors des mesu- res ultérieures, pour permettre une correction sur la gamme complète de la caractéristique de réponse du signal de sortie du capteur. La présente invention a donc pour objet un procédé et un dispositif per- mettant de compenser automatiquement les variations des caractéristiques de réponse des capteurs ou équivalents par rapport aux caractéristiques d'un capteur standard ou de référence, de manière à obvier aux inconvénients précités et à obtenir la possibilité d'une correction automatique au moyen d'un signal mémorisé de la courbe complète de réponse du capteur de mesure pendant son utilisation. L'invention a également pour objet une nouvelle technique de correction et de calibrage de capteurs d'usage général et, plus particulièrement, un nouveau thermocouple perfectionné mettant en oeuvre l'invention. Selon l'un de ses aspects les plus larges, et en résumé, l'invention con- cerne un procédé pour compenser les variations de la courbe caractéristique de réponse d'un capteur de mesure en réponse à des stimuli d'entrée par rap- port au signal de sortie d'un capteur idéal de référence, sur une gamme de 25158 15 stimuli d'entrée s'étendant entre deux valeurs différentes de stimuli d'en- trée, ce procédé comprenant les étapes suivantes: détermination et mise en mémoire de l'écart entre les signaux de sortie des capteurs de mesure et de référence en réponse à un stimulus d'entrée d'une première valeur; application de l'écart mémorisé à la sortie du capteur de mesure pendant son utilisation, de façon à effectivement superposer les courbes caracté- ristiques de réponse de sortie de référence et de mesure en un premier point correspondant à la première valeur du stimulus d'entrée; détermination et mise en mémoire de l'écart des signaux de sortie des cap- teurs de référence et de mesure en réponse à une autre valeur du stimulus d'entrée; application de ce dernier écart à la sortie du capteur de mesure pendant son utilisation de manière à faire pivoter les dites courbes caractéristi- ques sensiblement autour du dit premier point pour superposer les courbes des caractéristiques en un second point correspondant à la dite autre va- leur du stimulus d'entrée et entre ces deux points, de façon à corriger automatiquement la réponse de sortie du capteur de mesure lors de l'usage ultérieur de ce dernier, sur la courbe de réponse complète reliant les dits premier et second points. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéris- tiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la descrip- tion qui suit de modes de réalisation donnés à titre non limitatif, et à la- quelle quatre planches de figures sont annexées. Les figures 1 A à C sont des graphes illustrant la technique de superposi- tion des courbes caractéristiques de réponse des capteurs, et La Figure 2 représente un diagramme pour la mise en oeuvre du procédé se- lon l'invention. En référence maintenant à la figure 1 A, l'invention est d'abord décrite dans son application à un capteur de pression à émetteur de courant tel qu'une jauge de contrainte (par exemple le modèle type TP 690 dénommé Action- Pack et développé par la Société américaine Action Instruments, Inc), bien que l'invention soit, de manière générale applicable à tous les types de capteurs Comme représenté en trait plein, le capteur-"idéal" présente une courbe de réponse caractéristique de sortie en tension qui est une fonction linéaire de la pression mesurée Sur la figure 1 A, la tension est en abscis- se et la pression en ordonnée Plus précisément, une tension de sortie de Xl volt correspond à une pression en entrée d'une valeur Yl; et une tension de sortie X 2 correspond à une pression Y 2 La figure 1 A montre aussi en traits mixtes une courbe typique d'un capteur "réel" utilisé pour les mesu- res; la tension de sortie Xl' correspond à une pression d'entrée Yl et la tension de sortie X 2 ' correspond à la pression Y 2 Ces tensions de sortie sont sensiblement différentes de celles donées par la courbe idéale et pré- sentent un écart avec celles-ci pour les deux pressions choisies Yl et Y 2. Conformément à l'invention, les étapes de la première partie du procédé de calibrage automatique sont les suivantes Les tensions de sorties Xl et X 2 du capteur idéal (ou standard ou de référence) 3, figure 2, correspondant aux stimuli d'entrée Yl et Y 2 respectivement, sont mis en mémoire 5 Le cap- teur réel que l'on utilise pour la mesure, référencé 1 figure 2, comporte une entrée de référence ou stimulus correspondant au point de calibrage de plus-basse valeur Yl L'opérateur effectue une étape initiale pendant laquelle 25158 1 5 la valeur Xl stockée dans la mémoire 5 apparaît'en 5 ' Il effectue alors une deuxième étape pendant laquelle le capteur réel l délivre la tension Xl' en réponse à la pression d'entrée YI Les tensions de sortie Xl' et Xl, pendant la troisième étape, sont appliquées à un comparateur 7 de type connu pour déterminer l'écart entre Xl' et Xl, calculer AXU = Xl' Xl et mettre en mémoire 5 " ce résultat pour le capteur particulier 1 Comme re- présenté figure i B, le résultat-de ce calibrage sur la valeur Yl du pre- mier stimulus entraine un glissement de la courbe vers la courbe idéale en trait plein Bien que ceci rende la mesure plus précise au voisinage de Yi, la pente de la courbe réelle peut être différente de celle de la courbe idéale et un écart se creuse entre les deux courbes dans la partie supérieu- re, comme on peut le constater figure 1 B. Pour corriger cet écart, on effectue alors la seconde partie du procédé de calibrage automatique selon l'invention Le capteur 1 est maintenant sou- mis à un stimulus de référence correspondant au point de calibrage Y 2 L'opé- rateur effectue alors la première étape décrite ci-dessus, mais cette fois- ci, c'est la valeur X 2 + AXI qui apparait en 5 '"' Pendant l'étape suivante on applique au capteur réel i le stimulus Y 2 pour obtenir la réponse X 2 '. L'opérateur effectue ensuite l'étape précédemment décrite pour comparer les signaux de sortie X 2 et X 2 ' et calculer l'écart t X 2 = X'2 (X 2 + A Xl) en 7 et mettre le résultat en mémoire 5 " pour ce capteur particulier 1. Comme représenté figure 1 C, le résultat de ce calibrage sur le point Y 2 est de faire pivoter la courbe décalée de la figure l B autour de sa partie inférieure proche du point (Xl', Yl) de telle manière que le capteur délivre en sortie X 2 ' = X 2 + AXI + AX 2 en réponse au stimulus Y 2 tandis qu'il conti- nue à délivrer Xl' = Xl + A Xl en réponse au stimulus Yl Mathématiquement, les valeurs de Y correspondant aux tensions de sortie X du capteur sont cal- culées selon la formule suivante: Y EX (Xi + AXî)-j (X 2 Yl) + Vi B (X 2 + AX 2) XI 3 Lorsque les corrections en mémoire sont additionnées automatiquement à la sortie du capteur de mesure 1 en service, la courbe de réponse caractéristi- que du capteur réel se superpose pratiquement à la courbe idéale grâce à cette technique de superposition effective des réponses pour un stimulus YI de faible valeur et de rotation autour de celle-ci pour obtenir la superpo- sition pour la valeur supérieure Y 2 du stimulus et par suite la superposi- tion de tous les points de la courbe de réponse entre ces deux valeurs. Dans le cas o la sortie du capteur n'est pas une fonction linéaire de la mesure, comme par exemple pour les capteurs du type thermocouple utilisés pour la mesure de la température, on effectue une linéarisation par conver- sion non linéaire microvolt-température, par exemple au moyen d'un réseau ou d'un amplificateur (non représenté) conventionnel de linéarisation dispo- sé avec les capteurs 1 et 3 de la figure 2 et on effectue alors le calibrage décrit précédemment Les points de calibrage Yi et Y 2 les plus aisés à uti- liser pour les vaeurs faible et élevée de la température sont les tempéra- tures de congélation et d'ébullition de l'eau sous pression atmosphérique ou tous autres points remarquables Bien que des circuits connus de calcul et de mémoire peuvent être utilisés pour mettre en oeuvre l'invention, les 4 25158 1 5 composants 5 et 5 " de la figure 2 sont de préférence des mémoires à accès aléatoire du type u PD 444/6514 de NEC, et le circuit 7 de calcul peut-être, par exemple, constitué par un microprocesseur du type 8231 de INTEL. Bien que seul un mode de réalisation de l'invention ait été décrit, il est évident que toute modification apportée par l'Homme de l'Art dans le même esprit ne sortirait pas du cadre de la présente invention En par- ticulier, on peut relier les bornes de sorties des capteurs à des intégra- teurs qui n'ont pas été représentés sur les figures de manière à faire la moyenne dans le temps des signaux de sortie notamment pendant les étapes de détermination. 225158 1 5 R E V E N D I C A T I 0 N 5 1 Procédé permettant de compenser les variations de la courbe caractéristique de sortie d'un capteur de mesure en réponse à des stimuli d'entrée par rapport à celle d'un capteur idéal de référence, sur une gamme complète de stimuli d'entrée comprenant deux valeurs différentes déterminées des stimuli, le dit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: détermination et mise en mémoire de l'écart des signaux de sortie des capteurs de mesure et de référence en réponse à un premier stimulus d'entrée; application de l'écart mémorisé à la sortie du capteur de mesure pendant son utilisation, de manière à superposer les courbes caractéristiques de réponse du capteur de mesure et du capteur de référence en un premier point correspondant au dit premier stimulus; détermination et mise en mémoire de l'écart des signaux de sortie des capteurs de mesure et de référence en réponse à un second et différent stimulus d'entrée; application de ce second écart mémorisé à la sortie du capteur de mesure pendant son utilisation de manière à faire pivoter la dite courbe caracte- ristique autour du dit premier point pour superposer les deux courbes en un second point correspondant au dit second stimulus, de façon à corriger automatiquement la réponse du capteur de mesure, lors de son utilisation ultêrieuresur toute la région de la courbe caractéristique de réponse in- cluant les dits premier et second points. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les courbes de réponse des capteurs sont préalablement linéarisées. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue la moyenne dans le temps des signaux de sortie du capteur de mesure pendant les étapes de détermination. 4 Procédé permettant de compenser les variations de la courbe caractéristique de sortie d'un capteur de mesure en réponse à des stimuli d'entrée par rapport à celle d'un capteur idéal de référence, sur une gam- me complète de stimuli d'entrée comprenant une valeur faible et une valeur élevée des stimuli, le dit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: application d'un stimulus de faible valeur au capteur de mesure pour obtenir une réponse correspondante à la partie inférieure de la dite cour- be; comparaison de la dite réponse avec celle d'un capteur de référence en présence du même stimulus de faible valeur; mise en mémoire de l'écart entre les dites réponses et application de cet écart pour corriger automatiquement la réponse du capteur de mesure lors de son utilisation ultérieure par une superposition de la dite partie inférieure de la courbe de réponse du capteur de mesure sur celle de la courbe de réponse du capteur de référence; application d'un stimulus de valeur élevée au dit capteur de mesure pour obtenir une réponse correspondant à la partie supérieure de la dite courbe; comparaison de la dite réponse avec celle d'un capteur de référence en présence du même stimulus de valeur élevée; mise en mémoire de l'écart entre les dites réponses et application de cet écart pour faire pivoter la dite courbe de réponse du capteur de mesure autour de la partie inférieure déjà superposée et obtenir la superposition des deux courbes sensiblement sur la gamme complète entre les deux valeurs de stimuli, et ainsi corriger automatiquement la réponse du capteur de mesure lors de son utilisation ultérieure sur toute la dite gamme incluant les par- ties inférieures et supérieures de la courbe. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les courbes de réponse des capteurs sont préalablement linéarisées. 6 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on effectue la moyenne dans le temps de la réponse du capteur de mesure, la dite moyenne étant utilisée pour déterminer le dit écart. 7 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le capteur est sensible à la température, la courbe de réponse étant une fonc- tion de la température et les valeurs faible et élevée des dits stimuli étant sensiblement les températures de congélation et d'ébullition aussi à bien de l'eau que d'un autre matériau sous pression atmosphérique. 8 Dispositif permettant de compenser automatiquement les varia- tions de la courbe caractéristique de sortie d'un capteur de mesure ( 1) par rapport à celle d'un capteur idéal de référence ( 3) en réponse à des stimuli 7 25158 15 d'entrée compris entre un stimulus de faible valeur (Yl) et un stimulus de valeur élevée (Y 2), caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison: des moyens pour mesurer la sortie du capteur de mesure en réponse à l'application de l'un des dits stimuli; des moyens ( 7) pour comparer la dite sortie à celle d'un capteur de ré- férençe pour le même stimulus, et relié aux dits moyens pour mesurer; des moyens connectés aux dits moyens pour comparer, pour mettre en mé- moire ( 5) l'écart entre les dites sorties et pour appliquer le dit écart à la sortie du dit capteur de mesure lors de son utilisation ultérieure pour superposer automatiquement la partie correspondante des courbes caractéris- tiques de réponse des deux capteurs; des moyens pour mesurer la sortie du capteur de mesure à l'application de l'autre stimulus; des moyens reliés à ces derniers pour comparer la dite sortie à celle du dit capteur de référence avec le même stimulus; des moyens connectés à ces derniers pour mettre en mémoire ( 5 ") l'écart entre les dites sorties et pour appliquer le dit écart à la sortie du dit capteur de mesure lors de son utilisation ultérieure pour faire automati- quement pivoter les courbes de réponse autour de la partie précédemment su- perposée et obtenir ainsi une superposition des deux courbes sensiblement sur la gamme complète entre les valeurs des deux stimuli et ainsi corriger automatiquement la réponse du capteur de mesure lors de son utilisation ultérieure sur toute la dite gamme incluant les parties inférieures et supé- rieures de la dite courbe. 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il inclut en outre des moyens pour préalablement linéariser les courbes de réponse des dits capteurs. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il inclut en outre des moyens pour effectuer la moyenne dans le temps des sor- ties du capteur de mesure, et reliés aux dits moyens pour comparer. il Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les dits capteurs sont sensibles à la température, leurs courbes de réponse étant données par un signal électrique fonction de la température d'entrée. 12 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les 8 25158 1 5 capteurs sont du type thermocouple, les valeurs faible et élevée des dits stimuli étant respectivement la température de congélation et la température d'ébullition de l'eau sous pression atmosphérique. 13 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il établit sensiblement la relation suivante entre le stimulus d'en- trée Y et la réponse X obtenue par le dit capteur de mesure: Y = Ex (Xl + A Xl) C v 2 Yll + Yl l(x 2 + AX 2) Xl: dans laquelle Xl et X 2 sont les réponses d'un capteur idéal de référence aux stimuli Yl et Y 2 respectivement, A Xl et AX 2 sont les écarts avec Xl et (X 2 + A Xl) des réponses pour les stimuli Yl et Y 2 respectivement, ob- tenus au moyen du capteur de mesure.