Brevet FR2531528A1 — publié le 19840210

Circuit de détection et de mesure d'une grandeur physi que à l'aide deune impédance variable en fonction de la grandeur à mesurer L'invention concerne un circuit de détection et de mesure dune grandeur physique à l'aide dnun capteur à impédance variable en fonction de la grandeur å mesurer cette impédance ne variant pas de façon linéaire dans toute la plage dans laquelle la grandeur physique doit être mesurée et notamment un hygromètre à impédance variable tel qu D un hygromètre capacitif. La détection et la mesure d'un grand nombre de grandeurs physiqués peuvent se faire par la mesure d'une impédance ou duune variation d'impédance I1 eis- te notamment des hygromètres comportant un condensateur de détection d'humidité dont la capacité varie en fonction de l'humidité relative.Cette capacité est mesurée par un montage en pont alternatif qui donne un circuit de sortie en tension servant à l'affichage de l'humidité ou à lauti- lisation de ce signal dans des réglages Les détecteurs d'humidité travaillant suivant le principe d'une capacité sont sensibles aux variations d'humidité de l'air Dans le capteur, cette variation se présente essentiellement sous la forme d'une variation de capacité mais également d'une variation de résistance dans l'élément de détection. Les capteurs d'humidité à effet capacitif sont généralement conçus de façon à rendre maximale la résistance du capteur que pour l'impédance du capteur varie de facon linéaire en fonction de l'humidité comme la capacité. De tels capteurs sont décrits dans le brevet UK 1 297 014 et le brevet français 2 203 520 Malheureusement pour des niveaux d'humidité élevés, la résistance du capteur chute de façon notable et bien que la variation de la capacité soit pratiquement linéaire, le changement de l'impédance est non linéaire. Il y a trois circuits principaux pour mesurer la capacité. La première technique connue consiste à mesurer le rapport de cycle, le condensateur faisant partie d'un oscillateur percé fournissant des signaux rectangulaires. La variation de la capacité entraîne une variation de fréquence. Les signaux rectangulaires ainsi obtenus sont combinés à des signaux rectangulaires à une fréquence de référence utilisant un circuit de porte, numérique.Le signal rectangulaire ainsi combiné est lissé pour donner un signal continu qui est une fonction lineaire de la fréquence de lloscillateur R-C et ainsi de la capacité du capteur d'humidité Cette technique est généralement utilisée car le circuit est peu coûteux et le signal de sortie est linéaire dans une plage raisonnable de variations de capacité Ce type de circuit peut travailler a' des fréquences tres élevées c'est-àdire supérieures à 1 Mhz.A ces fréquences, la partie non linéaire de l'impédance du capteur d'humidité est pratiquement supprimée , l'impédance dépend de la fréquence de mesure Z = 1/2 ff RCf Toutefois pour arriver à la précision voulue à l'aide de tels circuits travaillant à fréquences élevées1 il faut des transistors dont les caractéristiques soient adaptées. Dans ces conditions, la variation de la vitesse de réponse des transistors entraîne des dérives très importantes de la tension de sortie en fonction de la température.De même, ce circuit consomme beaucoup d'énergie bien qu'il s agisse d'un circuit simple puisque la puissance demandée par les transistors augmente avec la vitesse de commutation En variante, un circuit de type rapport de cycle pour mesurer la capacité peut se concevoir sous forme de circuit intégré en technique CMOS numérique presentant une tres raible dissipation de puissance Malheureusement de tels dispositifs ne peuvent travailler à des fréquences élevées et pour que le circuit soit précis, il faut fixer une limite supérieure de fréquence à 10 Xhz. Ce circuit est actuellement utilisé dans de nombreux hygrornetres Malheureusement la variation de la tension de sortie suivant la température de fonctionnement est très importante de l'ordre de 2 % par degré C De plus comme ce capteur travaille a une fréquence relativement faible, il n'est pas linéaire L'influence de la fréquence sur l'impédance du capteur est représentée par le graphique de la figure L. La solution normale de cette difficulté est un point de rupture ou point d'inflexion dans le circuit pour corriger la non linéarité Ce point de rupture correspond à une modification du gain du circuit pour les tensions supérieures å la tension prédéterminée correspondant à ce point Bien que l'erreur de non linéarité puisse se corriger-partiellement à l'aide de cette technique du point de rupture, elle ne permet toutefois pas d'éviter la dépendance de la température et la dérive a' long terme De plus que le circuit soit réalisé à l'aide de transistors ou sous forme de circuits intégrés numériques, il faut appliquer une tension continue au capteur d'humidité Cette composante continue entraîne la défaillance du capteur d'humidité par suite de phénomènes d'électrolyse L'importance de l'influence de la tension continue dépend de la structure du capteur et des maté riaux ayant servi à sa réalisation. Un second circuit de mesure de capacité mesure le temps de charge ou de décharge d'un condensateur suivant une tension déterminée. Ce circuit nsest pas envisageable pour des mesures d'humidité, car il faut une tension d'alimentation précise, un comparateur précis, un circuit de comptage précis, un comparateur rapide et un circuit de fréquence très stable De plus, le circuit applique-une tension continue au capteur, ce qui peut détériorer le capteur. Un troisième type de circuit de mesure des condensateurs est un pont alternatif. Une tension alternative est appliquée à la fois aux bornes du condensateur de détection et d'un condensateur de référence. Les signaux alternatifs correspondant aux deux tensions ainsi générées, sont comparés et sont redressés pour donner un signal de tension continue. Si 1 D oscillateur est découplé du pont, il n'y a pas de tension continue aux bornes du capteur. Toutefois, la fréquence est limitée de façon caractéristique à une plage comprise entre 10 et 100 Khz, bien qu'avec un circuit très spécialisé, on puisse obtenir des fréquences tres élevées. La présente invention a pour but de créer un circuit de détection et de mesure d'une grandeur physique à l'aide d'un capteur à impédance variable dont laimpédance ne varie pas de façon linéaire dans toute la plage dans laquelle la grandeur physique doit être mesurée pour obtenir une réponse linéaire dans toute la plage de mesure en évitant toute détérioration du capteur notamment dans le cas dsun hygromètre, toute consommation excessive et toute dérive avec la température. A cet effet, l'invention concerne un circuit de détection et de mesure d'une grandeur physique à l'aide deun capteur à impédance variable en fonction de la grandeur à mesurer, cette impédance ne variant pas de façon linéaire dans toute la plage dans laquella la grandeur physique doit etre mesurée, circuit caractérisé en ce qu'il se compose d'un oscillateur, d'un détecteur formé d'un montage en pont dont l'une des branches contient l'impédance du capteur et dont les sommets sont reliés à deux détecteurs de pic formant deux branches de sortie, ainsi qu'un circuit de linéarisation relié aux deux branches de sortie du détecteur et comprenant un amplificat-eur ayant un gain d'une première valeur pour les signaux d'entrée inférieurs à un seuil de tension (VR1) et une seconde valeur pour des signaux d'entrée supérieurs à ce seuil La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide d'un exemple de réalisation d'un circuit de détection et de mesure d'une grandeur physique à l'aide d'une impédance variable à variation non linéaire par rapport à la grandeur mesurée selon les figures annexées, dans lesquelles - la figure 1 est un diagramme de la variation d'impédance daun capteur en fonction dsune grandeur physique (humidité relative) - la figure 2 est un schéma général d'un circuit de détection et de mesure selon l'invention - les figures 3-6 representent différents exemples de signaux de sortie en fonction de l'impédance, suivant différentes tensions de référence et différentes positions du capteur dans le circuit Le diagramme de la figure montre lWinfluen- ce de la fréquence du circuit de mesure sur le résultat de la mesure.Suivant que la fréquence utilisée pour effectuer la mesure augmente, la linéarité de la courbe croit comme cela a été indique ci-dessusO Selon l'art antérieur, la fréquence f3 n'est utilisable que dans des conditions extremement particulières ou encore son utilisation nécessite le développement de circuits tra vaillant à des fréquences très élevées c'est-à-dire pratiquement inconcevables pour les applications envisagées. Les diagrammes ont été tracés pour une grandeur physique, qui à titre particulier, est l'humidité relative. Toutefois, les considérations développées ci-dessus s'appliquent à la mesure de toute grandeur physique lorsque la variation de cette grandeur physique entraîne la variation d'une impédance, variation d'impédance qui en général n'est pas linéaire ou ne l'est que sur une partie de la plage dans laquelle la grandeur physique doit être mesurée. Selon la figure 2 qui represente le schéma général d'un circuit de détection et de mesure d'une grandeur physique à l'aide d'une impédance variable se compose d'un oscillateur 1, d'un détecteur 2 et d'un circuit de linéarisation 3 suivi le cas échéant par un convertisseur analogique/numérique non représenté en détail. L'oscillateur 1 de l'exemple représenté se compose d'un amplificateur opérationnel A1 dont l'entrée positive est reliée à un circuit oscillant Rl/Cl branché sur l'entrée positive de l'amplificateur opérationnel. La sortie de cet amplificateur est reliée à l'entrée positive par un circuit de réaction C2/R2. Enfin, la sortie de l'amplificateur est reliée à l'entrée négative par le montage en parallèle d'une résistance R3 dsun condensateur C3 et de deux diodes Dl/D2 branchés tête-beche. Le détecteur 2 se compose d'un montage en pont dont les branches sont formées par les impédances et résistances suivantes Z10/RlG, Z20/R20, Z30/R30 et Z40jR40. Les sommets du montage en pont ci-dessus sont appliqués à deux détecteurs de pic A2/D2 et A3/D3. Chacun de ces détecteurs de pic est constitué d'un amplificateur opérationnel A2/A3 suivi d'une diode D2/D3. Les signaux des sommets respectifs du montage en pont sont appliqués à l'entrée positive de chacun des amplificateurs opérationnels A2/A30 Le circuit de linéarisation 3 se compose d'une résistance R4 branchée entre la sortie de l'une des branches (-A2/D2) du détecteur 2 et la masse, dDune résistance R5 et d'une résistance R76, cette dernière étant reliée à la sortie de l'autre branche A3/D3 du détecteur 2. Ce circuit de linéarisation se compose d'un amplificateur-opérationnel A4 dont l'entrée positive est reliée à un point intermédiaire de la résistance R4 fonctionnant comme diviseur de tension La sortie de l'amplificateur A4 est reliée à une diode D4 pour etre appliquée à l'entrée négative Cette entrée négative est reliée à la seconde borne de la resistance R6 par la resistance R5 Les deux sorties du circuit de linéarisation 3 fournissent les tensions de sortie yl et V2. A la sortie de chaque branche du circuit de linéarisation, il est également prevu une résistance respective R7/R8 fonctionnant comme diviseur de tension permettant de prélever une fraction de la tension de sortie c D est-à-dire Vrefl et Vref2 Le signal utilisé pour être transmis au convertisseur analogique/numérique (A/N) est le signal - S = V1 + V2/Vref Le circuit de linéarisation 3 utilise deux solutions pour linéariser le signal de sortie du détecteur 2 La première solution consiste à utiliser le circuit A4/D4 comme comparateur qui compare la tension prédéterminée VRl fournie par le curseur de la résistance R4 (potentiomètre) pour comparer cette tension à la tension du signal de sortie du second détecteur de pic A3/D3 du détecteur A partir de cette comparaison, on régle le point de rupture du détecteur c'est-à-dire la limite à laquelle est modifié le gain à partir de cette limite, le circuit A4/D4 atténue le signal de sortie selon le rapport des résistances R5/R6, La seconde technique selon l'invention utilise le signal de sortie divisé Vrefl ou Vref2 comme tension de référence. En résumé, la combinaison des deux tensions de référence, du point de rupture et du montage du capteur dont le pont (soit en position Z20, soit en position Z40) permet d'obtenir huit courbes de linéarisation dif rentes dont les exemples sont données aux figures 3 à 6, La disposition des variables selon les axes des diagrammes des figures 3 à 6 est symétrique par rapport a celle de la figure 1 En effet, en abscisses, les figures 3 a' 6 représentent 1 D impédance et en ordonnées le signal de sortie cgest-à-dire la grandeur physique mesurée alors qurà la figure 1 la grandeur physique est en abscisses et l'impédance en ordonnées. De façon générale, le. circuit de détection et de mesure selon l'invention- s'applique à la mesure de toute grandeur physique, dont la variation entraîne la variation d'une impédance Bien que dans le mode de réalisation cidessus, l'oscillateur soit un oscillateur de Wien, à cause de la simplicité de réalisation d'un tel oscilla .eur, cela ne constitue qu'un exemple. Tout oscillateur pourvu qu'il satisfasse aux conditions suivantes, peut autre utilisé dans le circuit de l'invention - la fréquence de sortie de l'oscillateur doit etre relativement stable, car des variations rela vivement importantes de la fréquence peuvent modifier a non linéarité de l'impédance du capteur. - la tension de sortie doit être stable bien que de faibles variations de tension de sortie disparaissent du fait du montage en pont alternatif, les tensions de décalage des amplificateurs A2 et A3 sont calibrées pour une seule tension d'alimentation. - la forme de l'onde peut être quelccnque elle peut etre triangulaire ou rectangulaire bien que dans le mode de réalisation préférentiel de l'invention, cette onde doit autre sensiblement sinusoidale, car elle est la plus facile à détecter par les deux détecteurs de pic A2jA3 du détecteur 2. - 13oscillateur ne doit pas avoir de composantes continues. Pour cela, on relie l'oscillateur au détecteur par les condensateurs C4/C5. De façon générale, comme indiqué ci-dessus, le montage en pont se compose des impédances Z10/Z40 et des résistances R10/R40 et des détecteurs de pic A2/D2 et A3/D30 Ces détecteurs de pic transforment la sortie alternative du pont en une tension continue. Ce résultat peut également s'obtenir en utilisant un circuit redresseur de lissage. De meme, le pont n'est pas necessairement composé de l'ensemble des éléments Z10/Z40 et R10/R40 et certains peuvent etre supprimés.A titre dQexemplee les combinaisons les plus simples donnant des signaux de sortie linéaires avec suppression de la dérive de l'oscillateur sont les suivantes A2 A3 Z10/Z20 et Z30/Z40 R10/R20 et R30/R40 R10/Z20 et R30/Z40 R10/R20 et Z30/Z40 Dans ces montages, le capteur correspond à l'impédance Z4 ou à la résistance R4 suivant que le capteur ait une impédance (avec capacité) ou ait une résistance pure. La symétrie du montage permet également de considérer que le capteur occupe la branche Z10/RlOo Par contre, certains montages en pont, sim ples, tels que donnes ci-après A2 A3 R10/R20 et R30/Z40 R10/Z20 et Z30jZ40 Z10/Z20 et R30/Z40 ne sont pas à prendre car ces montages sont trop sensibles aux variations de l'oscillateur. Dans le cadre de l'invention, on a étudié la sortie non linéaire de plusieurs capteurs d'humidité à effet capacitif, du oemmerce. L'étude a consisté à mesurer l'impédance des capteurs à différentes fréquences et températures. Certaines caractéristiques étaient communes à tous les capteurs , en effet, la variation d'impédance en fonction de l'humidité était pratiquement linéaire aux fréquences élevées et la non linéarité augmentait en fonction de la diminution de la fréquence. L'effet de la fréquence sur la linéarité était différent d'un capteur à l'autre.De meme, l'effet de la température sur l'impédance du capteur variait entre 0,05 par/oC jusqu'à 0,2 o/s/OC. Enfin, la variation non linéaire de l'impédance présentait deux formes : la forme la plus commune de non linéarité est représentée à la figure 1 : dans une limite de précision de 1 %, on peut assimiler le signal de sortie à deux segments de droite. L'autre forme non linéaire de l'impédance présentait une courbure continue et cette courbure augmentait pour les humidités élevées. Cette variation d'impédance non linéaire n'a pu être assimilée à deux segments de droite. Le circuit électronique selon l'invention satisfait aux différents critères : faible consommation tension continue négligeable aux bornes du capteur bonne stabilité en température ; précision totale meilleure que 1 % , possibilité de linéariser un très grand nombre de capteurs non linéaires. REVENDICATIONS 10) Circuit de-détection et de mesure d'une grandeur physique à l'aide d'un capteur à impédance variable en fonction de la grandeur à mesurer, cette impédance ne variant pas de- facon linéaire dans toute la plage dans laquelle la grandeur physique doit être mesurée, circuit caractérisé en ce qu'il se compose d'un. oscillateur (1), d'un détecteur (2) formé d'un montage en pont (Z10, R10 ; Z20, R20 ; Z30,.R30 ; Z40, R40) dont l'une des branches contient l'impédance du capteur et dont les sommets sont reliés à deux détecteurs de pic (W20, D20, A30, D30) formant deux branches de sortie, ainsi qu'un circuit de li nearisatíon (3) relié aux deux branches de sortie du détecteur (3) et comprenant un amplificateur ayant un gain dune première valeur pour les signaux d'entrée inferreurs à un seuil de tension (VR1) et une seconde valeur pour des signaux d'entrée supérieurs à ce seuil 20) Circuit selon la revendication 1, caracmerise en ce que les détecteurs de pic sont constitués par le montage en serie d'un amplificateur (A2, A3) et d'une diode (D2, D3) 30) Circuit selon la revendication 1, carac tersé en ce que le circuit de linéarisation (3) est formé d'un amplificateur (A4) dont une entre reçoit une tension donnée par un diviseur de tension (R4) monté sur l'une des branches du détecteur (2) et l'autre entrée est reliée à la sortie par l'intermédiaire d'une diode (D4) ainsi qu'à l'autre branche du détecteur (2) par l'intermédiaire dsune résistance (R5, RE) 40) Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un convertisseur analogique/numérique recevant les signaux de sortie du circuit de linéarisation pour les transformer en signaux numériques 50) Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le capteur est un capteur d'hygromètre à impédance variable notamment à capacité variable.