Brevet FR2576690A1 — publié le 19860801

Les variations de certaines.grandeurs physiques sont souvent mesurées à l'aide de capteurs constitués par un condensateur ou une inductance, dont la réactance varie en fonction de cette grandeur physique. Ces capteurs sont donc associés à un dispositif de mesure de réactance. On connait des dispositifs de mesure de réactance d'un élément basés en particulier sur l'insertion de l'élément à mesurer dans un pont de mesure, ou encore dans la boucle de réaction d'un oscillateur dont la fréquence se trouve alors liée à à l'élément inséré. Lorsque l'on désire mesurer de fortes réactances, et en particulier celles correspondant a de faibles /capacités, les dispositifs connus, à l'exception toute- fois de ceux du dernier type comportant un oscillateur à fréquence variable, donnent de mauvais résultats, à cause de leur manque de précision. Il est donc nécessaire d'utiliser un oscillateur à fréquence variable dans ce cas, ainsi qu'un dispositif de mesure de la fréquence de cet oscillateur. Or, l'oscillateur devant être particulièrement stable, il doit être construit spécialement et compensé en tempé- rature. De plus, le dispositif de mesure de la fréquence doit être précis et sensible. Il en résulte un coût élevé du dispositif et un encombrement relativement important. Enfin, la loi qui lie les variations de fréquence aux variations de capacité n'est pas linéaire. La présente invention a pour objet un dispositif de mesure de réactance permettant la mesure de faibles capa- cités sans présenter ces inconvénients. A cet effet, la demanderesse a eu l'idée d'un dispo- sitif qui présente les principaux avantages de la méthode de l'oscillateur à fréquence variable, tout en étant plus simple. La méthode de l'oscillateur à fréquence variable permet de mesurer de faibles valeurs de capacité car la loi qui relie la fréquence d'un oscillateur aux réactances des bobines et condensateurs insérées dans sa boucle de réaction est une loi physique simple, du type connu: LC 2 = o L est une inductance, C une capacité et W la pulsation de travail, c'est-à-dire, si f est la fréquence: i3= 2 r f Cette loi correspond à une bonne sensibilité de la fréquence par rapport aux variations de capacité C, par exemple. De plus, la nature de la grandeur physique qu'est la fréquence, qui est liée aux nombres de passages à zéro par unité de temps la rend le plus souvent assez peu sensible aux bruits d'amplitude inévitablement pré- sents dans tout dispositif. L'idée de la demanderesse est d'utiliser, comme sup- port de l'information à mesurer, une grandeur de nature très voisine de la fréquence, qui est le déphasage entre les signaux d'entrée et de sortie d'un dispositif compara- ble à la boucle de réaction d'un oscillateur. Les avanta- ges précédents sont donc conservés, et la mesure du dépha- sage peut être effectuée à l'aide d'un dispositif simple et économique. La présente invention a donc pour objet un dispositif de mesure de réactance, caractérisé par le fait qu'il correspond comprend un filtre passe-bas LC dont l'un des éléments/ 25. la réactance à mesurer, des moyens pour appliquer un signal périodique à l'entrée dudit filtre passebas et des moyens pour mesurer le déphasage du signal de sortie par rapport au signal d'entrée dudit filtre passe-bas, déphasage représentatif de la réactance à mesurer. Le dispositif de l'invention permet donc de mesurer de faibles valeurs de capacité, et il est simple et d'un prix de revient peu élevé. Dans la forme de réalisation préférée,le dispositif est agencé pour mesurer l'a réactance d'un condensateur, et la fréquence fondamentale du signal périodique et la fréquence 257i de coupure du filtre passe-bas, pour une valeur déterminée de la capacité du condensateur d mesurer, sont égales. Les variations du déphasage autour de la valeur cor- respondant à la valeur déterminée de la capacité du con- cnsateur sont alors, sur une certaine plage, proportion- nelles aux variations de la capacité autour de cette valeur déterminée. Le dispositif de l'invention est donc linéaire dans cette plage. L'invention sera mieux comprise grâce à la descrip- tion suivante de la forme de réalisation préférée du dispositif de mesure de réactances selon l'invention, faite en se référant aux dessins joints, sur lesquels: La figure 1 représente un schéma du dispositif selon l'inventiono La figure 2 représente la variation du déphasage entréesortie du filtre LC de la figure 1, en fonction de la capacité 0. La figure 3 représente un diagramme temporel des signaux V3, V5 et Vs de la figure 1. En se référant à la figure 1, le condensateur 1, qui représente le capteur dont on veut mesurer la réactance, est relié d'une part à la masse et d'autre part à une extrémité d'une bobine 2 dont l'autre extrémité est reliée à la sortie V d'un générateur de signaux carrés 3. La sortie V3 du générateur de signaux carrés 3 est aussi reliée à l'entrée moins d'un comparateur 4 dont l'entrée plus est reliée à une tension continue, dite tension de seuil S. L'entrée moins d'un comparateur 5 est reliée à la tension de seuil S, et son entrée-plus au point de jonction V5 entre le condensateur 1 et la bobine 2. Les sorties des comparateurs 4 et 5 sont reliées entre elles, et sont reliées à une tension continue positive V par l'intermédiaire d'une résistance 6. La tension conti- nue V est celle qui permet d'alimenter les comparateurs 4 et 5. 2S766 La sortie VS des comparateurs 4 et 5 est reliée à un intégrateur passif 7 suivi d'un circuit d'acquisition et d'affichage 8. L'alimentation de l'oscillateur 3 et du circuit d'acquisition et d'affichage 8 est effectuée de manière classique, non représentée sur la figure 1 dans un souci de simplicité. De même l'intégrateur passif 7 est réalisé de manière classique à l'aide d'une résistance et d'un condensateur, non représentés dans un souci de simplicité. Le fonctionnement du dispositif qui vient d'être décrit est le suivant. La fréquence f du fondamental du générateur de si- gnaux périodiques est choisie égale à la fréquence de coupure fc du filtre passe-bas constitué par. le condensa- teur 1 de capacité moyenne, ou nominale, Co et par la bobine 2 d'inductance L. La fréquence de coupure fc est telle que: fo = 2 I>\ir On appelle 4 le déphasage du signal de sortie V5 du filtre passe-bas par rapport au signal dtentrée V3. La figure 2 représente la variation du déphasage E en fonc- tion des variations de C, d'après la loi = - Arc tg r X 1 - LC 2 o r est la résistance représentant les pertes série de la bobine 2, avec r " L W Un point d'inflexion correspond à la valeur C = Co et si on écarte peu de cette Valeur, la dépendance entre les variations de et les variations de C est pratiquement linéaire. Les variations de sont mesurées grâce aux deux comparateurs 4 et 5, dont la sortie commune V n'est au niveau haut que lorsque les deux comparateurs 4 et 5 sont simultanément saturés vers le haut, c'est-à-dire lorsque la tension sur leur entrée plus est supérieure à la ten- sion sur leur entrée moins. La sortie Vs est donc au niveau haut lorsque la tension V5 est supérieure à la tension de seuil S et que, en même temps, la tension V3 est inférieure à la tension de seuil S. La figure 3 montre un diagramme temporel des signaux V3, V5 et Vs. Le signal V3 est un signal carré, le signal V5 est un signal constitué de la composante continue positive du signal V3 et d'une composante sinusoïdale à la fréquence f, fréquence fondamentale du signal V3, les composantes sinusoïdales sur les harmoniques de f étant filtrées par le filtre passe-bas constitué par la bobine 2 et le condensateur 1. Un réglage de la tension de seuil S permet d'obtenir de un signal VS composé d'impulsions de fréquence/récurrence égale à celle du signal V3, et de largeur t avec et d'amplitude égale à V. L'intégrateur 7 transforme le signal VS en un signal continu dont la valeur est proportionnelle à, traité par le circuit d'acquisition et d'affichage 8. Les varia- tions du signal de sortie de l'intégrateur 7 sont propor- tionnelles aux variations de, donc aux variations de la capacité C du capteur. Dans cette invention, le phénomène de résonance déve- loppe aux bornes du condensateur une tension assez impor- tante, donc simple à traiter. En effet, lorsque la résis- tance de la bobine r est assez faible, ce qui est le cas, un filtre passebas du type décrit ci-dessus a une fonction de transfert en tension égale à l'unité oour les basses fréquences, très nettement supérieure à l'unité au voi- sinage de la fréquence de coupure (résonance), et tendant vers 0 pour les fréquences hautes. Un avantage supplémentaire du dispositif selon l'in- vention est la faible influence de la température sur la précision du résultat, ceci étant du au fait que les comparateurs fonctionnent dans une zone o la pente est très grande. Par ailleurs, la simplicité du dispositif de l'inven- tion le rend fiable. Enfin, dans la forme de réalisation qui vient d'être décrite, le générateur de signaux carrés 3, ainsi que l'intégrateur 7 et le dispositif d'acquisition et d'af- fichage 8 sont inclus dans le dispositif. Toutefois, dans la situation de plus en plus fréquente o le dispositif selon l'invention fait partie d'un en- semble incluant un microprocesseur, le générateur de signaux carrés 3 peut avantageusement être supprimé et le signal V3 constitué par un signal d'horloge produit par le microprocesseur. Dans ce cas, on peut également suppri- mer l'intégrateur 7 et le dispositif d'acquisition et d'affichage 8 en appliquant le signal VS au "timer" intégré dans le microprocesseur. Le coût de réalisation du dispo- sitif en lui-même, réduit à une bobine et deux comparateurs s'en trouve considérablement diminué et sa réalisation considérablement simplifiée. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mesure de réactance, caractérisé par le fait qu'il comprend un filtre passe-bas LC (1, 2) correspond dont l'un des éléments/ à la réactance à mesurer (1), des moyens (3) pour appliquer un signal périodique à l'entrée dudit filtre passe-bas (1, 2) et des moyens (4-8) pour mesurer le déphasage du signal de sortie (V5) par rapport au signal d'entrée (V3) dudit filtre passe-bas (1, 2)9 déphasage représentatif de la réactance à mesurer ( 2 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la fréquence fondamentale (f) dudit signal périodique est choisie égale à la fréquence de coupure (fc) dudit filtre a mesure passe-bas (1, 2),pour une valeur prédéterminée de la réactanc - Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel lesdits moyens pour appliquer un signal pério- dique. à l'entrée dudit filtre passe-bas comprennent le circuit d'horloge d'un microprocesseur. 4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel lesdits moyens pour mesurer le déphasage de la sortie par rapport à l'entrée comprennent deux compa- rateurs (4, 5) agencés pour délivrer des impulsions d'am- plitude et de fréquence fixes et de durée dépendant dudit déphasage. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel lesdits moyens pour mesurer le déphasage de la sortie par rapport à l'entrée comprennent de plus le circuit "timer" d'un microprocesseur. 6 - Dispositif selon la revendication 4, dans lequel lesdits moyens pour mesurer le déphasage de la sortie par rapport à l'entrée comprennent de plus un intégrateur (7) et un dispositif d'acquisition et d'affichage (8).