Brevet FR2531227A1 — publié le 19840203

La présente invention a pour objet un dispositif amplificateur propre à fournir une sortie suivant un gain d'amplification très exactement déterminé. On sait qu'avec les amplificateurs classiques, dé nombreux facteurs peuvent intervenir pour modifier le gain On a imaginé bien des moyens pour remédier à cet inconvénient, mais ceux-ci-sont insuffi- sants quand une grande précision est nécessaire, par exemple lorsqu'on désire amplifier de faibles tensions électriques représentatives de grandeurs à mesurer avec une tolérance extrêmement réduite Avec les systèmes connus à l'heure actuelle l'erreur résiduelle est encore un multiple du maximum admissible dans de pareils cas. L'invention vise à remédier à ces inconvénients et à permettre d'obtenir une précision aussi grande qu'on peut le désirer sans qu'on soit gêné par des variations intempestives du gain d'amplification, ni par des phénomènes parasites de dérive, de forces électromotrices d'origine thermique, etc Conformément à l'invention l'on part d'un signal d'entrée alterna- tif rectangulaire, soit en alimentant le capteur intéressé par une tension de ce genre lorsque cela est possible, soit en transformant en une telle tension une tension de signal initialement continue On applique cette tension rectangulaire à un amplificateur d'écart, on intègre une grandeur proportionnelle à la sortie de cet amplificateur, on module la valeur de l'intégrale en un signal rectangulaire rigoureuse- ment synchrone avec le signal d'entrée et l'on applique le second - signal rectangulaire ainsi obtenu en opposition sur l'amplificateur d'écart précité, tandis que par ailleurs on envoie à un appareil de mesure approprié la sortie non modulée de l'intégrateur. On comprend qu'avec une telle disposition, lorsqu'on se trouve à l'équilibre l'intégrateur émet une sortie qui, après modulation et adaptation éventuelle, est rigoureusement égale en valeur absolue à la tension appliquée à l'amplificateur, et cela quelles que soient les imperfections de ce dernier Par conséquent la mesure de la sortie de cet intégrateur correspond exactement à la valeur du signal d'entrée multipliée par l'inverse des réductions d'amplitude qu'on aura fait comporter à la sortie de l'intégrateur avant de l'appliquer en contre- tension sur l'amplificateur d'écart. On conçoit qu'en procédant ainsi l'on élimine toutes les erreurs suceptibles de résulter de tensions continues résiduelles, dérives et analogues, ainsi que des couples thermo-électriques susceptibles d'apparaître dans les divers circuits, et notamment sur les capteurs. Pour obtenir à partir de la sortie de l'amplificateur un signal susceptible d'être intégré, on peut avantageusement inverser l'une des demi-périodes du signal alternatif qui apparaît sur cette sortie On aboutit ainsi à un signal substantiellement continu, positif ou négatif, qui convient particulièrement à l'intégration. Dans la pratique, on a avantage à utiliser comme amplificateur d'écart un amplificateur opérationnel à deux entrées positive et négative Pour qu'il y ait opposition parfaite, il suffit alors que les deux tensions qu'on lui applique-soient égales. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer: Fig 1 est un schéma montrant un dispositif suivant l'inven- tion. Fig 2 représente la forme d'onde de la tension d'alimentation de ce dispositif. Fig 3 représente cette même onde après inversion de l'une de ses demi-périodes. Fig 4 montre une onde telle que celle de fig 2, mais déphasée de 1800 par rapport à celle-ci. Fig 5 représente l'onde déphasée de fig 4 après inversion de la même demi-période que dans le cas de fig 3. Dans la forme d'exécution représentée, le capteur utilisé est constitué par un pont de Wheatstone à quatre résistances 1, 2, 3, 4. Pour-fixer les idées on peut supposer que l'une au moins de celles-ci varie en fonction d'une grandeur qu'on désire mesurer avec une très grande précision, telle par exemple qu'une force ou un poids Les sommets correspondant à l'une des diagonales du pont (diagonale verti- cale) sont reliés par des conducteurs 5 et 6 à la sortie d'une source 7 de tension alternative à onde rectangulaire variant par exemple entre + 5 et -5 volts, comme indiqué en fig 2 La fréquence de cette source est préférablement choisie aussi réduite que possible en vue de faciliter l'élimination des tensions parasites susceptibles d'être engendrées par les impédances inductives et/ou capacitives des circuits Dans le cas de grandeurs substantiellement constantes ou à variation très lente on peut adopter une telle fréquence de l'ordre de par exemple 100 hertz. Les sommets de la diagonale horizontale du pont 1-4 sont respectivement reliés par des conducteurs 8 et 9 à l'une des deux entrées de deux amplificateurs opérationnels 10 et il dont la sortie est directement reliée à l'entrée, de façon qu'ils fonctionnent en transformateurs d'impédance de gain égal à l'unité On retrouve donc sur leurs sorties les mêmes tensions que sur leurs entrées. La sortie de l'amplificateur 10 est reliée à la masse (potentiel zéro) à travers deux résistances 12 et 13 dont le point commun a été référencé 14 A la sortie de l'autre amplificateur 1 l sont également reliées deux résistances 15 et 16 montées en série avec point commun 17, mais la seconde résistance 16 aboutit à un point 18 qui n'est pas mis à la masse et dont le r 8 le sera exposé plus loin. Les résistances 12 et 13 sont respectivement égales à celles 15 et 16. Les points communs 14 et 17 sont reliés par des conducteurs 19, à l'une et l'autre entrée d'un amplificateur opérationnel 21 ou amplificateur d'écart La sortie de celui-ci est amenée par un conducteur 22 à un démodulateur 23 prévu de façon a inverser l'une des demi-périodes du signal qu'il reçoit L'on comprend que suivant les valeurs ohmiques relatives des résistances de pont 1, 2, 3, 4, l'amplificateur 21 peut fournir sur sa sortie soit une tension en phase avec celle provenant de la source 7, c'est-à-dire conforme à une constante d'amplification près à celle représentée en fig 2, soit au contraire une tension déphasée de 180 , comme montré en fig 3 Dans ces figures les lettres a et b désignent les mêmes demi-périodes dont les signes sont inversés pour l'une de ces figures par rapport à l'autre En supposant que le démodu- lateur 23, qui est bien entendu synchronisé avec la source 7 (à laquelle il est relié à cet effet par un conducteur 24), agisse pour ne pas toucher à la première demi-période a, mais pour inverser la seconde b, on aura sur sa sortie 25 soit la tension positive représentée en fig 4, soit au contraire celle négative de fig 5 Il s'agit dans Ies deux cas de tensions substantiellement continues avec éventuellement une très courte onde pointue de commutation lors du passage de a à b et inversement. La sortie 25 du démodulateur 23 est reliée par un conducteur 26 à l'entrée d'un intégrateur 27 dont la sortie aboutit à son tour par un conducteur 28 à un modulateur 29; lui aussi synchronisé avec la source 7 par l'intermédiaire du conducteur 24 Ce démodulateur est agencé de façon à rétablir pour le signal qu'il traite la forme rectangulaire qu'on trouve à la sortie de l'amplificateur 21, c'est-à-dire, à l'échelle près, le profil d'onde de fig 2 ou celui de fig 3. La tension alternative rectangulaire sortant du modulateur 29 est amenée par un conducteur 30 à un commutateur 31 qui permet d'insérer sélectivement une résistance 32, 33 ou 34 (le nombre de celles-ci pouvant d'ailleurs varier) entre ledit conducteur 30 et une ligne 35 Entre le conducteur 30 et la masse est interposé un potentiomètre de réglage fin 36 dont le contact mobile est relié à la ligne 35 à travers une résistance 37 La ligne 35 aboutit à l'une des entrées d'un amplifi- cateur opérationnel 38 dont l'autre entrée est reliée à la masse à travers une résistance d'adaptation d'impédance 39 La sortie de cet amplificateur aboutit au point 18 mentionne plus haut Comme montré, à cet amplificateur 38 est associée une boucle de contre-réaction se présentant sous la forme d'une résistance 40 de réglage de gain branchée entre la ligne 35 et le point 18. Par ailleurs un conducteur 41 relie le conducteur 28, c'est-à-dire la sortie de l'intégrateur 27, à l'appareil 42 auquel on désire transmettre l'image amplifiée de la tension recueillie aux bornes de la diagonale horizontale du pont 1-4 Suivant les cas cet appareil pourra assurer l'affichage analogique ou numérique de cette tension ou de la grandeur qu'elle représente, l'enregistrer, en déduire une tension de réglage ou contrôle, etc Du conducteur 22, c'est-A-dire de la sortie de l'amplificateur d'écart 21, part un conducteur 43 aboutissant à l'entrée d'un intégrateur de valeur moyenne 44 à très grande constante de temps Un autre conducteur relie la sortie de cet intégrateur à la ligne 35 à travers une résistance 46. Il est d'autre part prévu un commutateur 47 de réglage de tare dont l'entrée est reliée à l'un des pôles de la source 7 par un conducteur 48, ce commutateur reliant ce pôle à la ligne 35 à travers l'une de résistances 49, 50, 51 (ici aussi en nombre variable) Comme dans le cas du commutateur 31, il est en outre prévu en parallèle sur l'ensemble un potentiomètre de réglage fin 52 branché entre le conducteur 48 et la masse, le contact mobile de ce potentiomètre étant relié à la ligne 35 à travers une résistance 53 - Enfin un bouto Xi-poussoiî 54 permet de relier momentanément le conducteur 48 à la ligne 35 à travers une résistance 55. Pour simplifier l'explication du fonctionnement, on commencera par ne tenir compte ni de l'intégrateur de valeur moyenne 44, ni du commutateur 47, ni du potentiomètre 52 qui lui est associé, ni du bouton-poussoir 54. Les tensions rectangulaires qui apparaissent aux extrémités de la diagonale horizontale du pont 1-4 sont transmises aux deux potentiomètres diviseurs constitués par les résistances en série 12-13 et 15-16 On comprend que si l'on fait varier la tension au point 18 on peut arriver à ce que les tensions des points intermédiaires 14 et 17 soient égales. Lorsqu'il en est ainsi la sortie de l'amplificateur d'écart est égale à zéro. Mais bien entendu tel n'est pas le cas au début d'une mesure lorsque le pont commence à envoyer un signal ou bien quand ce signal varie au cours du fonctionnement Il apparaît alors un écart entre les deux tensions des points 14 et 17 précités Cet Écart est amplifie par l'amplificateur 21 et il est appliqué au démodulateur 23 Ce dernier en tire un signal continu qui arrive à l'intégrateur 27, lequel en déduit une tension positive ou négative (suivant le sens de l'écart) dont la valeur tend à aller en croissant avec le temps Cette tension intégrée est mise sous forme alternative rectangulaire par le modulateur 29 en synchronisme parfait avec la source 7 Elle est adaptée par l'une des résistances du commutateur 31 et par le potentiomàtre 36 pour être appliquée à la ligne 35 et par conséquent à l'amplificateur 38, la tension de sortie de ce dernier étant à son tour appliquée au point 18. Il est facile de comprendre que si les choses ont été judicieuse- ment prévues, la tension rectangulaire ainsi appliquée aupoint 18 est à chaque instant de signe contraire à celle qui tend à y régner sous l'effet de l'écart Celui-ci diminue donc jusqu'à s'annuler Or il est facile de démontrer par le calcul que lorsque la tension rectangulaire d'écart est ainsi nulle, celle du point 18 est égale à un coefficient constant près à la différence des tensions de sortie dés deux amplifica- teurs 10 et 11, c'est-à-dire à celle des tensions aux extrémités de la diagonale horizontale du pont. A ce moment la tension continue des conducteurs 28 et 41 est l'image fidèle de la tension alternative qui apparait aux extrémités de la diagonale horizontale du pont 1-4 et qui est transmise à l'appareil 42. Bien entendu pour que celui-ci puisse en déduire la valeur de la tension qu'il doit afficher ou traiter, il faut tenir compte de la pente, c'est-à-dire du rapport existant entre cette image et la contre- tension appliquée par l'amplificateur 38 au point 18 Cette pente se règle à volonté par le commutateur 31 et le potentiomètre 36 qu'on peut donc étalonner en conséquence En pratique elle peut être très élevée 2531227. par exemple de l'ordre de 1000, ce qui permet de mesurer avec précision des tensions d'entrée inférieures au millivolt. L'intégrateur de valeur moyenne 44 a pout rôle de compenser les légères dérives de l'amplificateur d'écart 21 ainsi que toutes les autres tensions continues parasites En raison de sa très grande constante de temps, il ne gêne nullement le fonctionnement des autres parties du circuit, mais il applique sur la ligne 35 une tension de correction fonction des tensions continues parasites précitées. Le commutateur 47 et le potentiomètre 52 permettent d'envoyer sur la ligne 35 une tension de tarage de façon que lorsque le capteur (pont 1-4) est au repos, c'est-à-dire ne reçoit pas l'influence de la grandeur à laquelle il est sensible, l'ensemble du dispositif se trouve à zéro, l'appareil 42 ne recevant aucun signal. Enfin le bouton-poussoir 54 a pour rôle de tester la pente du dispositif en appliquant à la ligne 35 une tension qui, si tout l'ensemble est en parfait état de fonctionnement, doit faire apparaître sur l'appareil 42 (supposé à indication analogique ou numérique), ou sur un appareil de mesure branché à sa place, une valeur ou autre indication bien déterminée et facile à vérifier. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents En ce qui concerne la transmission de l'information entre le conducteur 28 et l'appareil 42, on pourrait interposer sur le conducteur 41 un dispositif d'interrupteur fonctionnant en synchronisme avec la source 7 de façon à éliminer les courtes irrégularités de tension qui interviennent à la jonction des parties a et b (fig 3 et 5) des segments représentatifs de la tension intégrée On notera par ailleurs que si les résistances 3 et 4 du pont 1-4 sont rigoureusement constantes, la tension au point 14 l'est elle-même et que par conséquent l'amplificateur 21 répond seulement aux variations de tension du point 17 Dans le cas o au lieu du pont tel que 1-4 on aurait seulement prévu deux résistances (par exemple 1, 2) en série dont l'une au moins serait de valeur variable, par exemple avec la température, on pourrait appliquer directement la sortie de l'amplificateur Il à l'une des entrées de l'amplificateur 21, l'autre entrée recevant la tension de la ligne 35 On conçoit d'ailleurs qu'on pourrait multiplier les exemples de ce genre On peut enfin remarquer que l'amplificateur opérationnel d'écart 21 joue finalement le rôle 2531 r 27 d'un comparateur et pourrait être remplacé par un circuit de ce genre. -R E V E N D I C A T I 0 N S 1 Procédé pour la mesure d'une tension électrique, du genre dans lequel on compare la tension à mesurer à une tension réglable (ces deux tensions pouvant être suivant les cas de même sens ou de sens opposés), on relève leur différence ou écart et l'on met en oeuvre des moyens pour annuler cet écart, de façon à parvenir à un équilibre pour lequel les deux tensions en cause ont la même valeur absolue (avec le même signe ou avec des signes opposés, suivant les cas), caractérisé en ce qu'on intègre une grandeur électrique proportionnelle à l'écart précité et en ce qu'on commande la tension réglable proportionnellement à cette intégrale, la valeur de celle-ci à l'état d'équilibre du système constituant l'image de la tension-à mesurer. 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on prévoit des moyens ( 23) pour que la tension à mesurer (et par conséquant aussi celle d'écart) se présente sous la forme d'une tension alternative rectangulaire (fig 2). 3 Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on inverse l'une (b) des demi-périodes (a et b) de la tension d'écart de façon à obtenir une tension continue de signe déterminé, en ce que c'est cette tension continue (fig 3 et 5) qu'on intègre (en 27), et en ce qu'ensuite on module (en 29) l'intégrale ainsi obtenue en synchronisme avec la tension à mesurer pour réaliser la tension de réglage. 4 Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, utilisant un capteur en forme de pont de Wheatstone alimenté en courant alternatif rectangulaire aux sommets opposés d'une même diagonale, caractérisé en ce qu'on relie l'un des sommets de l'autre diagonale à la masse à travers un premier diviseur de tension ( 12, 13), en ce qu'on relie l'autre sommet de cette seconde diagonale à un point de comparaison ( 18) à travers un second diviseur'de tension ( 15, 16) identique au premier, en ce qu'on relie les points intermédiaires ( 14, 17) des deux diviseurs de tension à un circuit comparateur tel qu'un amplificateur différentiel ( 21), pour obtenir la tension d'écart, en ce qu'on inverse l'une (b) des deux demi-périodes de cette tension d'écart pour avoir une tension continue (fig 3 et 5), en ce qu'on intègre (en 27) la tension continue ainsi obtenue, en ce qu'on transforme la tension intégrée en tension alternative rectangulaire en synchronisme précis avec la tension de la source d'alimentation ( 7), en ce qu'on adapte la tension alternative ainsi obtenue par le moyen de résistances appropriées ( 32-35; 36-37), et en ce qu'on l'amène au point de comparaison ( 18) de manière qu'elle tende à annuler l'écart, la mesure amplifiée étant prélevée à la sortie de l'intégrateur ( 27). Procédé suivant l'une quelconque des revendication 2 à 4, caractérisé en ce qu'on prélève une fraction de la tension d'écart et en ce qu'on l'applique à l'entrée d'un intégrateur auxiliaire ( 44) à grande constante de temps (par rapport à la fréquence utilisée et à la constante de temps de l'intégrateur principal ( 27)) en ce qu'on applique la sortie decet intégrateur auxiliaire ( 44) au point de comparaison ( 18) pour compenser les dérives éventuelles du comparateur ( 21), ainsi que toute tension continue se présentant aux entrées et d'amplitude comparable à celle du signal à mesurer (effet thermo-électrique du capteur et des connexions, par exemple), lorsque le capteur passif est alimenté entension rectangulaire.