Brevet FR2532761A1 — publié le 19840309

PROCEDE D'ETALONNAGE D'UN lDRAtISl;}IJCs L'invention concerne un procédé d'étalonnage d'un transducteur à sortie électrique, pressentant le double avantage d'ameliorer la précision d'étalonnage et de faciliter l'automatisation des différentes opérations. On entend par "transducteur à sortie électrique", tout dispositif sensible à un phénomène physique et possédant une sortie de signal électrique représentatif de l'intensité du phénomène physique qu'il perçoit. L'étalonnage d'un transducteur de pression, par exemple, se fait classiquement de la façon suivante. On dispose d'un générateur étalon de pression et on soumet le transducteur à onze paliers prédéterminés de pression balayant toute son étendue de mesure, de façon à définir dix intervalles à lqnterieur desquels une interpolation linéaire permet de connattre n'importe quelle valeur de pression avec la précision requise. L'étalonnage consiste à associer une valeur de tension de sortie à chacune des valeurs prédéterminées de pression réalisant ainsi un échantillonnage de toute l'étendue de mesure. On peut ensuite, avec ces couples de valeurs, tracer un courbe caractéristique assez proche d'une droite compte-tenu de la bonne linéarité de ce type de transducteur.On préfère le plus souvent dresser un tableau decescouplesdevaleu rspression/Tension,pour disposer d'un plus grand nombre de chiffres significatifs. - Bien entendu, il ne s'agit là que d'une méthode usuelle d'étalonnage et il est bien certain qu'un plus grand nombre de valeurs prédéterminées de pression peut être choisi pour dresser le tableau ou tracer la courbe. Ce processus d'étalonnage est long car dans la pratique il nécessite un technicien expérimenté capable d'apprécier la valeur du signal électrique réellement représentatif de la pression appliquée, malgré le bruit de mesure relativement important qui l'accompagne et les changements de palier qui sollicitent l'hystérésis du transducteur.En effet celui-ci ne se stabilise qu'apres une phase d'oscillations amorties pendant laquelle il effectue un certain dépassement de la valeur finale de la tension de sortie. Il en résulte que cette tension, une fois stabilisée est différente de la valeur recherchée qui aurait été atteinte en l'absence d'oscillations. Ceci rend pratiquement impossible de tracer la courbe d'hystérésis globale du transducteur qui serait cependant souhaitable dans certains cas, puisqu'elle permettrait de déterminer les termes correctifs nécessaires à la mesure, en fonction du sens de variation de la grandeur physique d'entrée. L'invention a pour but de résoudre tous ces inconvénients. Dans cet esprit, l'invention concerne principalement un procédé d'étalonnage d'un transducteur à sortie électrique, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer simultanément au transducteur à étalonner et à un transducteur de référence la même grandeur physique d'entrée avec une intensité variant lentement et continûment au cours du temps et à comparer des valeurs du signal de sortie dudit transducteur à étalonner avec des valeurs correspondantes du signal de sortie dudit transducteur de référence. Ainsi, les mesures sont effectuées "au vol" au cours d'une exploration progressive de toute l'étendue de mesure du transducteur, sans variation bruque de la grandeur d'entrée. Les erreurs dûes à la sollicitation de l'hystérésis du transducteur sont donc éliminées. En outre, on peut envisager un double balayage de l'étendue de mesure du transducteur croissant puis décroissant pour en déduire une courbe d'hystérésis exploitable de ce transducteur. La variation de la grandeur physique d'entrée n'est pas critique (il suffit qu'il n'y ait pas de variation brusque) en raison de la prise de données effectuée par rapport à un transducteur de référence. Par ailleurs, comme on le verra plus loin, la prise des données et le traitement des informations peuvent facilement être automatisés et l'influence du bruit de mesure peut être éliminée au cours de ce traitement. Plusieurs transducteurs à étalonner peuvent être installés en même temps sur le banc de mesure, ce qui permet de gagner du temps et de programmer à l'avance l'étalonnage sans surveillance de toute une série de transducteurs. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figurez est un graphe illustrant la caractéristique Pression/Tension d'un transducteur de pression; - la figure 2 est un double graphe qui illustre l'évolution des tensions de sortie délivrées par un transducteur de référence et un transducteur à étalonner au cours de la mise en oeuvre du procédé ; - la figure 3 est un graphe Tension/Tension élaboré à partir de ceux de la figure 2 et illustrant une phase du procédé selon l'invention pour éliminer les erreurs dQes au bruit de mesure ; et - la figure 4 est. un schéma bloc d'un système d'étalonnageconforme à l'invention. La figure 1 représente la caractéristique P = f(Vs) d'un transducteur de pression à sortie électrique, L'étendue de mesure (plage de variation de pression pour laquelle le transducteur est conçu) étant normalisée à 1 en ordonnée. Un tel capteur de pression a, par construction, une bonne linéarité, de sorte qu'il est correctement caractérisé par la connaissance précise d'un nombre fini de points de cette caractéristique. Dans la pratique9 l'étalonnage consiste donc à déterminer les couples de valeurs (P,Vs) représentés par les coordonnées des points aO, al.ofal0 répartis pour partager étendue de mesure en dix zones égales à l'intérieur desquelles une interpolation linéaire est suffisante. L'étalonnage se résume donc à dresser le tableau de ces onze couples de valeurs.La mise un oeuvre de l'invention suppose simplement que le tableau d'un transducteur étalon soit connu et, comme on le verra plus loin, mémorisé. Le principe de base de l'invention est expliqué en référence à la figure 2. I1 consiste à soumettre le transducteur étalon et le transducteur de référence (qui sont choisis de même type pour admettre la meme étendue de mesure) à une même pression continûment et lentement variable au cours du temps, balayant l'étendue de mesure des transducteurs. La valeur de la pression à un moment donné n'a pas besoin d'être connue avec précision, non plus que sa vitesse de variation. Il suffit de mesurer les valeurs des tensions électriques de sortie délivrées par les deux transducteurs et, chaque fois que la tension délivrée par le transducteur de référence atteint une valeur correspondant à l'un des couples de valeurs prédéterminées (l'un des points ai) de mesurer la valeur de tension délivrée par le transducteur à étalonner. L'expérience montre qu'il n'est pas toujours possible d'opérer aussi simplement, lorsqu'un certaine précision est requise, en raison du bruit affectant les deux mesures. Sur le graphe de la figure 3 chaque point à pour coordonnées les tensions de sortie des deux capteurs à un instant donné, au voisinage de l'une des valeurs de tension VRi prédéterminées du transducteur de référence, c'est-àdire l'une des tension pour laquelle on connaît avec précision la valeur de pression correspondante. Le bruit qui se superpose aux mesures a pour conséquence qu'on observe un nuage de points bi impossible à exploiter directement. Pour remédier à ce problème, le procédé de l'invention est complété de la manière suivante. Pour chaque valeur prédéterminée de l'étendue de mesure du transducteur de référence, on sélectionne un certain nombre de points de mesure bl, b2,...bn élaborés à partir de couples de valeurs des signaux de sortie des deux transducteurs mesurées sensiblement simultanément, au voisinage d'un couple de valeurs prédéterminé et connu du transducteur de référence, représenté par un point ai. Puis, on détermine l'équation de la droite d. la plus favorable passant au voisinage de ces points de mesure et on calcule par rapport à cette droite la réponse Vxi du transducteur à étalonner connaissant celle VRi du transducteur de référence pour la valeur de pression prédéterminée correspondante de son étendue de mesure.La détermination de l'équation de la droite la plus favorable d. est obtenue simplement par programmation de la méthode des moindres carrés dans un ordinateur ou une unité de calcul adaptée. Plus précisemment, on peut mesurer et mémoriser à intervalle de temps constant pendant l'évolution de la pression appliquée aux transducteurs, des couples de valeurs de tension précités et sélectionner un nombre fini de tels couples au-delà et en - deçà de celui pour lequel la valeur mesurée du signal de sortie du transducteur de référence est la plus proche de l'une des valeurs prédéterminées connues et mémorisées. Un système conforme au schéma bloc de la figure 4 est conçu pour mettre en oeuvre ce principe. Le banc de mesure ll reçoit le transducteur de référence 12 et le transducteur à étalonner 13. Il est relié à un générateur de pression 14. Ce banc est agencé pour communiquer cette pression (ou une force représentative de cette pression) aux deux transducteurs simultanément. Le générateur 14 délivre une pression vari able, par exemple lentement croissante ou décroissante, balayant toute l'étendue de mesure des transducteurs.Les sorties de signal électrique S et SR du transducteur à étalonner et du transducteur de références respectivement, sont connectées à un convertisseur analogique-numérique rapide 15, à deux voies, cgest-à-dire comportant deux entrees de signal analogique A et A R et deux sorties numériques Nx et NR multiplexées au rythme d'une horloge H. Les sorties S; et 3R des transducteurs sont respectivement connectées aux entres Ax et AR du convertisseur 15.Il est avantageux d'utiliser un circuit convertisseur unique pour éviter des différence de conversion entre les deux voies. Selon un mode de réalisation préféré, on mesure les tensions de sortie des deux transducteurs toutes les quarante millisecondes mais la commutation d'une voie sur l'autre ne nécessite qu'une milliseconde. La pression commune appliquée aux capteurs n'a pas le temps d'évoluer de façon notable pendant un intervalle de temps aussi court, de sorte que l'on peut considérer que les informations numériques qui apparaissent aux sorties N R et Nx sont représentatives des réponses respectives des transducteurs 12 et 13 à une même pression.Les sorties N R et Nx sont respectivement reliées aux entrées de deux registres à décalage DR et Dx à sept sorties (dans cet exemple). Par conséquent, on peut lire à chaque instant sur ces sorties les sept dernières valeurs de tension délivrées par chaque transducteur 12 et 13 pour sept valeurs de pression distinctes. Toutes ces sorties sont reliées à une mémoire de transfert MT et les sorties du registre DR sont également connectées à un circuit comparateur 16 lui-même couplé à une mémoire de référence Mg dans laquelle sont incrits les couples de valeur Tension/Pression (prédéterminées et connues avec précision) du transducteur de référence 12.Le comparateur est agencé pour comparer les signaux numériques apparaissant aux sorties du registre à décalage DR aux valeurs prédéterminées de tension inscrites dans -la mémoire Mo Lorsque l'écart entre la quatrième sortie du registre DR et l'une des valeurs prédéterminées de tension inscrite dans la mémoire Mo passe par un minimum, le circuit comparateur pilote le chargement (liaison 17) de la mémoire de transfert MT qui reçoit donc au même instant sept valeurs de tension successives délivrées par le transducteur de référence 12 et sept valeurs de tension correspondantes délivrées par le transducteur à étalonner 13.Cette mémoire de transfert MT est connectée à une unité de calcul 18 agencée pour calculer l'équation de la droite la plus favorable (conforme à la figure 3) passant au voisinage de tous les points dont les coordonnées sont inscrites dans la mémoire de transfert MT. Plus précisemment, cette unité de calcul est programmée pour appliquer la méthode des moindres carrés, c'est-à-dire pour déterminer les paramètres de la droite passant au plus près des sept points dont les coordonnées sont inscrites dans la mémoire de transfert. Une autre unité de calcul 19 est agencée pour remplacer dans l'équation de cette droite la variable d'abscisse par la valeur prédéterminée de tension inscrite dans la mémoire Mg, (liaison 20) ce qui donne immédiatement la valeur de tension correspondante délivrée simultanément par le transducteur à étalonner 13.Cette dernière est associée à la valeur de pression correspondante inscrite dans la mémoire Mo et ce couple de valeurs constitue les coordonnées de llun des points de la caractéristique d'étalonnage du transducteur 13. Le processus qui vient d'être décrit se renouvelle automatiquement chaque fois que la pression délivrée par le générateur 14 évolue au voisinage de l'un des points prédéterminés de la caractéristique d'étalonnage conforme à la figure 1 du transducteur de référence. A la fin du balayage de toute l'étendue de mesure des transducteurs, on dispose ainsi de toutes les valeurs nécessaires pour remplir le tableau d'étalonnage du transducteur 13.Si on désire caractériser le transducteur non plus par-ce tableau mais par l'unique équation d'une droite, on peut à nouveau appliquer la méthode des moindres carrés à l'ensemble des points dont les coordonnées forment ce tableau. Bien entendu, il est clair que le système décrit en référence à la figure 4 ne représente qutun mode de réalisation possible parmi d'autre. En particulier, il est à noter qu'un ordinateur fonctionnant en temps réel peut être programmé pour remplir toutes les fonctions assurées par les registres à décalage, l'horloge H, les mémoires Mo et MT et les circuits de calcul 18 et 19. Le convertisseur 15 constituerait alors l'interface entre le banc de mesure 11 et l'ordi- nateur. C'est dire que l'invention couvre tous les équivalents techniques des moyens et fonctions décrits, si ceux-ci le sont dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Procédé d'étalonnage d'un transducteur à sortie electrique (13), caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer simul- tanément au transducteur à étalonner et à un transducteur de référence la même grandeur. physique d'entrée avec une intensité variant lentement et continûment au cours du temps et à comparer (figure 2) des valeurs du signal de sortie dudit transducteur à étalonner (13) avec des valeurs correspondantes du signal de sortie dudit transducteur de référence (12). 2. Procédé d'étalonnage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, successivement pour un nombre fini de couples devaleurs prédéterminés de l'étendue de mesure dudit transducteur de référence, à sélectionner un certain nombre de points de mesure (bl, b2...bn) élaborés à partir de couples de valeurs des signaux de sortie des deux transducteurs mesurées sensiblement simultanément, au voisinage d'un couple de valeurs prédéterminé (ai) précité, à déterminer l'équation de la droite (di) la plus favorable passant au voisinage de ces points de mesure et à calculèr par rapport à cette droite la réponse du transducteur à -étalonner (Vxi) connaissant celle (VRi) du transducteur de référence pour ledit couple de valeurs prédéterminé de son étendue de mesure. 3. Procédé d'étalonnage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer ensuite l'équation de la droite la plus favorable passant au voisinage de tous les points de la caractéristique calculée dudit transducteur à étalonner. 4. Procédé d'étalonnage selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la détermination de l'équation d'une droite précitée est obtenue par application de la méthode des moindres carrés. 5 Procédé d'étalonnage selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer et mémoriser pendant l'évolution de ladite grandeur physique d'entrée des couples de valeurs précités (Dx, DR) et à sélectionner un nombre fini de tels couples au-delà et en-deçà de celui pour lequel la valeur mesurée du signal de sortie dudit capteur de référence est la plus proche de l'une des valeurs prédéterminées (VRi) de son étendue de mesure