Brevet FR2619452A1 — publié le 19890217

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 la boucle de réaction d'un oscillateur dont la fréquence se trouve alors liée à l'élément inséré. Ces dispositifs manquent de précision pour la mesure de fortes réactances, et en particulier celles correspondant à de faibles capacités, de plus ils nécessitent l'utilisation d'un oscillateur à fréquence variable ainsi qu'un dispositif de la mesure de la fréquence de cet oscillateur. Or l'oscillateur devant être particulièrement stable, il doit être construit spécialement et compensé en température. De plus le dispositif de la mesure de la fréquence doit être précis et sensible. I1 en résulte un encombrement relativement important et un cout élevé du dispositif. On connait un dispositif de mesure de réactance brevet 2576690 caractérisé par le fait qu'il comprend un filtre passe-bas composé d'une inductance et d'une capacité dans lequel l'un des éléments précités correspond à la réactance à mesurer, et comprenant des moyens pour appliquer un signal périodique à l'entrée dudit filtre passe-bas 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. Mais ce dispositif ne permet de mesurer que de faibles capacités. Les dispositifs de mesure de réactance d'un élément, basés en particulier sur l'insertion de l'élément à mesurer dans un pont d'impédances, qui sont connus à ce jour présentent l'inconvénient de manquer de précision. De plus l'encombrement de ces dispositifs est relativement important En effet, il est nécessaire pour éliminer l'effet indésirable des inductances, parasites d'éloigner les éléments du montage les uns des autres et de torsader les fils; il est également nécessaire pour éliminer l'effet indésirable des capacités parasites d'utiliser deux transformateurs à écran électrostatique respectivement entre le pont d'impédances et le générateur et entre le pont d'impédances et le détecteur destiné à vérifier l'équilibre du pont d'impédances. La présente invention a pour objet un dispositif de mesure de réactance permettant de mesurer toutes sortes de réactances sur une large plage de valeurs et à différentes fréquences sans présenter les inconvénients précités. L'objet de l'invention est de réconcidérer la mesure de réactance par la méthode de pont d'impédances tout en évitant les inconvénients connus de cette méthode et en y apportant plus de simplicité en ce sens que ledit dispositif de mesure de réactance est caractérisé par le fait qu'il comprend des commutateurs et un pont d'impédances dont l'un des éléments correspond à la réactance à mesurer, des moyens pour appliquer un signal sinusoidal à l'entrée dudit pont d'impédances par des potentiomètres, dont l'une de ces résistances est représentative de la composante purement réactive de la réactance à mesurer, et l'autre de ces résistances est représentative de la résistance parallèle de la réactance à mesurer, et des moyens pour effectuer une correction numérique pour la mesure de réactances capacitives inférieures à 185 picofarads, et des moyens pour déterminer l'équilibre du pont d'impédances. La méthode du pont d'impédances permet la mesure de réactances sur une C L large plage de valeurs car la loi qui relie la réactance à mesurer C ou L , à la x capacité étalon X est une loi physique simple de l'un des deux types connus, q C = X , L = p C L ou C et sont les réactances pures, respectivement capatitance et inductance de l'élément objet de la mesure, vus à la fréquence fondamentale d'un multivibrateur astable. X est une capacité étalon non polarisée, p est une résistance étalon, et q la valeur de résistance du potentiomètre qui assure l'équilibre du pont d' impédances. C Dans le cas de réactances réelles, capacité de capacitance C et de ré- sistance parallèle R , inductance de coefficient d'auto-induction b et de résistance série r, on a de plus, P pq R z , r= q ou z est la valeur de la résistance du deuxième potentiomètre branché en parallèle sur la capacité étalon et qui assure, avec le potentiomètre q, l'équilibre du pont d'impédances. La linearité de certaines de ces lois restant valable à toutes fréquences, l'utilisation de potentiomètres linéaires assure une bonne sensibilité de la réactance à mesurer par rapport aux variations desdits potentiomètres. L'idée de base de l'invention est de réduire l'encombrement par l'utilisation systématique de circuits intégrés. La présente invention a donc pour objet un dispositif de mesure de réactance, caractérisé par le fait qu'il comprend un multivibrateur astable fabriqué autour d'un circuit intégré inverseur trigger dont la fréquence est fixée par une capacité et une résistance. Le signal périodique rectangulaire ainsi produit passe ensuite dans un amplificateur opérationnel monté en amplificateur suiveur qui assure l'adaptation d'impédance. Le signal à la sortie dudit amplificateur opérationnel et tel qu'on obtienne à la sortie du filtre passe-bas un signal sinu soldat de fréquence identique à la fréquence fondamentale du signal périodique rectangulaire mentionné précédemment. Le signal sinusoïdal ainsi fabriqué correspond au signal d'un générateur de tension alternative destiné à attaquer le pont d'impérances. Dans le principe de l'invention, on utilise un amplificateur opérationnel monté en amplificateur suiveur, à la place d'un transformateur écran qui serait beaucoup plus encombrant. L'amplificateur suiveur connecté entre le générateur de signal sinusoldal et le pont d'impédances limite sensiblement l'apparition de réactances parasites entre ledit générateur de signal sinusoïdal et le pont d'impédances, assurant ainsi non seulement une bonne adapatation d'impédance mais aussi un bon découplage entre le générateur de signal sinusoldal et le pont d'impédances constitué par une résistance étalon p, une capacité étalon X , deux potentiomètres q et z, et la réactance C L ou à mesurer. Il est à remarquer que, contrairement aux ponts d'impédances classiques W N de Nernst, de M H de ien, de ernst, de axwel et de ay, on ne trouve dans le principe de l'inven- tion aucune réactance variable autre que la réactance à mesurer. Pour certaines valeurs de résistance des potentiomètres, le pont d'impédance est équilibré, c'est-à-dire qu'on détecte un courant quasinul dans le milliampèremètre utilisé comme détecteur. Dans le principe de l'invention, on se fixe particulièrement deux buts à atteindre. D'une part, il s'agit d'assurer l'adaptation d''impédances et un découplage entre le pont d'impédances et le détecteur afin d'éviter les réactances parasites qui pourraient apparaître entre le pont d'impédances et le détecteur; d'autre part, il s'agit d'amplifier suffisamment le courant issu du pont d'impédances, et allant vers le milliampèremètre, pour dqnner plus de précision à la détection de 1' équilibre du pont d'impédances. On utilise alors pour remplir ces deux conditions un amplificateur opérationnel monté en amplificateur de courant à gain très élevé. Dans le principe de l'invention, on utilise cinq interrupteurs électroniques commandés par une tension et judicieusement connectés entre eux et avec le pont d'impédances afin d'isoler la portion de circuit contenant le milliampèremètre de la portion et d'affichage comme par exemple des ohm-mètres. De plus dans le cas ou l'élément à mesurer est une capacité de valeur inférieure à 185 picofarads, on utilise une correction numérique. Le dispositif selon l'invention permet donc de réduire sensiblement les réactances parasites dans un pont d'impédances, permet de mesurer des réactances sur une large plage de valeurs pour des fréquences de travail pouvant monter jusqu'à I mégahertz, ordre de grandeur de la fréquence de coupure des amplificateurs opérationnels, et par sa compacité et sa fiabilité est peu encombrant et d'un prix de revient peu élevé. Dans la forme de réalisation préférée, le dispositif est agencé pour mesurer la réactance d'un condensateur et sa résistance parallèle. L'invention sera mieux comprise grâce à la description suivante de la forme de réalisation préférée du dispositif de mesure de réactance, faite en se référant aux dessins joints, sur lesquels: La figure représente un schéma du générateur de tension sinusoidale selon 1 'invention. La figure 2 représente le pont d'impédances et ses modes de connexion avec les autres éléments du dispositif selon l'invention. La figure 3 représente l'amplificateur de courant et ses modes de connexion avec les autres éléments du dispositif selon l'invention. En se référant à la figure I ,la sortie vu du générateur de signaux rectangulaires I est reliée à l'entrée moins d'un amplificateur opérationnel 2 amplificateur opérationnel dont l'entrée plus est reliée à la masse et la sortie reliée à l'entrée moins; l'amplificateur opérationnel 2 est monté, de ce fait, en amplificateur suiveur. On retrouve donc le même signal périodique rectangulaire du générateur I à la sortie de l'amplificateur opérationnel 2. La sortie de l'amplificateur opérationnel 2 est relié à l'entrée d'un filtre actif passe-bas 3 synthétisé autour d'un amplificateur opérationnel tel que F la fréquence de coupure c dudit filtre actif passe-bas soit légèrement supérieure à la fréquence fondamentale F du signal rectangulaire délivré par le générateur I. A la sortie du filtre passe-bas 3, on recueille un signal sinusoldal de F fréquence que l'on envoie à l'entrée djun amplificateur opérationnel 4 monté en amplificateur suiveur, de la meme façon que 3. Le signal sinusoidal de fréquence F à la sortie de l'amplificateur suiveur 4 est identique au signal sinusoïdal receuilli à la sortie du filtre actif passe-bas 3. En se référant à la figure 2, la réactance 8 qui représente le capteur dont on veut mesurer la réactance est relié par l'une de ses extrémités à la masse et par l'autre extrémité V5à une résistance étalon 5 dont l'autre extrémité est reliée à la sortie V4 d'un amplificateur opérationnel 4 monté en amplificateur suiveur à la sortie du générateur de tension sinusoldale I, 2, 3. Le potentiomètre 9 est monté en parallèle avec la capacité étalon 6, et l'ensemble est relié par une de ses extrémités au point de contact électrique 21 et par son autre extrémité est relié à une extrémité du potentiomètre 7 par l'inter 25 25 médiaire d'un interrupteur électronique a dont l'autre extrémité établit un contact avec un interrupteur électronique a qui établit un contact avec une extrémité d'un 29 dispositif d'acquisition et d'affichage a. 29 L'autre extrémité du dispositif d'acquisition et.d'affichage a est reliée 25 27 à l'extrémité du potentiomètre 7 non reliée aux interrupteurs électroniques a, a, 26 et reliée à une extrémité de l'interrupteur électronique 26 dont l'autre extrémité est 20 reliée au point de contact électrique 21 Entre le point de contact électrique , auquel est connecté l'extrémité 9 de la capacité étalon 6 non reliée à VII, et l'extrémité du potentiomètre non reliée 25 à VII est connecté un interrupteur électronique b dont l'autre extrémité non réliée au point de contact électrique 21 est connectée à une extrémité d'un autre interrup 27 teur électronique b dont l'autre extrémité est reliée à un dispositif d'acquisition et d'affichage b dont l'autre extrémité est reliée à l'extrémité du condensa 6 teur étalon de résistance parallèle infinie. Le commutateur 18, dont une extrémité est reliée à la masse, est agencé tel que son autre extrémité 17 puisse établir un contact électrique franc soit avec. le point de contact électronique 20 soit avec le point de contact électrique 22. Le commutateur 19, dont une extrémité est reliée à la sortie "4 d'un amplificateur opérationnel 4, monté en amplificateur suiveur, est agencé tel que son autre extrémité 16 puisse établir un contact électrique franc soit avec le point de contact électrique 20 soit avec le point de contact électrique 21. Pour effectuer une mesure de capacité, l'extrémité 17 du commutateur 18 et l'extrémité 16 du commutateur 19 sont respectivement mises en contact avec les contacts électriques 22 et 20. Pour effectuer une mesure d'inductance, l'extrémité 17 du commutateur 18 et l'extrémité 16 du commutateur 19 sont respectivement mises en contact avec les contacts électriques 20 et 21. Les interrupteurs électroniques 25a, 25b, 26, 27a, 27b sont des interrupteurs commandés par une tension et possédant deux extrémités et une entrée de commande Lesdits interrupteurs électroniques 25a, 25b, 26 sont agencés tels qu'ils soient ouverts lorsque le commutateur 30, qui a une de ses extrémités connectée aux entrées de commande des interrupteurs électroniques 25a, 25b, 26, a son autre extrémité libre portée à la masse; et lesdits interrupteurs électroniques 25a, 25b, 26 sont agencés tels qu'ils soient fermés lorsque le commutateur 30 a son extrémité libre reliée à la tension V par l'intermédiaire d'une résistance 31. Lesdits interrupteurs électroniques 27a, 27b, sont reliés par leur entrée de commande respective à l'interrupteur 30 par l'intermédiaire de portes logiques inverseuses 28a, 28b tel que lesdits interrupteurs électroniques 27a, 27b soient ouverts lorsque les interrupteurs électroniques 25a, 25b, 26 sont fermés et tel que lesdits interrupteurs électroniques 27a, 27b soient fermés lorsque les interrupteurs électroniques 25a, 25b, 26 sont ouverts. Les portes logiques inverseuses 26a, 28b sont agencés telles qu'elles soient conenctées à une de leur extrémité à l'entrée de commande respectivement des interrupteurs électroniques 27a, 27b et telles qu'elles soient conenctées à l'autre de leur extrémité respectivement aux entrées de commande des interrupteurs électroniques 25a et 25b. La figure 3 représente un amplificateur de courant construit autour d'un amplificateur opérationnel 13 dont l'entrée plus est reliée à l'extrémité V5 d'une résistance étalon 5 et l'entrée moins est relié à la sortie dudit amplificateur opé rationnel 13 par l'intermédiaire d'une résistance 12. Une résistance 10 est connectée entre les extrémités V5 et VII du pont d'impédances 5,6,7,8,9, et une résistance II est conenctée entre l'extrémité VII et l'extrémité de la résistance 12 connectée à l'entrée moins de l'amplificateur opérationnel 13. Entre la sortie V12 de l'amplifi cateur opérationnel 13 et l'extrémité VII sont connectés en série une résistance 14. et un milliampèremètre 15 de résistance interne négligeable devant la résistance 14 Le courant i5 provenant du pont d'impédances part de l'extrémité V5 à 1' extrémité VII en traversant la résistance 10, sompte tenu de la très grande impédance d'entrée de l'amplificateur opérationnel 13. Le courant i12 partnat de la sortie V12 de l'amplificateur opérationnel 13 traverse la résistance 14 et le milliampèremètre 15, et il est relié par une relation linéaire au courant i5 ; en effet on établit la relation suivante, il2 R10 R12 i12 R10 R12 15 R14 Rîl avec RII très petit devant R12, où RIO représente la valeur de la résistance IO, RII représente la valeur de la résistance II, R12 représente la valeur de la résistance 12 et R14 représente la valeur de la résistance 14. Donc, il est possible de choisir judicieusement les valeurs RIO, RII, RI2 et RI4 pour que la condition d'équilibre du pont d'impédances i5 = O, se ramène à la condition iI2 = O. L'avantage de l'introduction de l'emplificateur de courant IO, II, I2, I3, I4 devant être alors de permettre au milliampèremètre I5 de détecter des courants iI2 d'intensité suffisante. Par conséquent, on parvient ainsi à détecter de très faibles courants i5 Par exemple, pour des rapports entre les résistances IO, II, I2, I3, I4 tels que RIO = I00 RI4 RII + IO RI4 RI2 = I000 RI4 1la relation linéaire entre i5 et iI2 s'écrit i5 = 0,000I. iI2. Ainsi détecter un courant iI2 de quelques dixièmes de milliampère effi caces sur le milliampèremètre I5 revient à détecter des courants i5 de quelques dizaines de microampères efficaces. Il devient ainsi aisé d'établir l'équilibre du pont d'impédances 5, 6, 7 8, 9 avec une marge d'erreur très réduite. D'autre part, la résistance I2 étant une résistance de rétroaction, elle est prise telle qu'elle soit très petite devant l'impédance d'entrée dudit amplifi cateur opérationnel I3 pris isolément. Par exemple si l'on estime cette impédance d'entrée dudit amplificateur opérationnel I3 à un méga-ohm, la résistance I4 doit être prise petite devant un kilo-ohm si l'on Sen tient au rapport entre les résis tances IO,II, I2, I4 mentionné précédemment ; il suffit par exemple, dans ce cas, de prendre RI4 = 220 ohms. On prévoit pour la mesure de capacités de valeurs inférieures à I85 pico farads une correction numérique qui tienne compte des capacités parasites qui prennent naissance entre V5 et la masse, aux bornes de la réactance capacitive 8 à mesurer. En se référant à la figure 4, ces capacités parasites 23 et 24 sont telles que 23 soit une capacité constance et 24 soit une capacité fonction linéaire de la capacité 8 à mesurer. Les capacités parasites 23 et 24 dépendent de la fréquence F du générateur de tension sinusoldale I, 2, 3. La figure S représesnte la droite traduisant la relation qui existe à une fréquence F donnée entre la capacité C à mesurer, inférieure à I85 picofa rads, et la capacité effectivement observée Ceff, compte tenu des capacités para sites 23 et 24 ; Ceff = k C + CO. où les coefficients k et CO sont déterminés comme suit Les extrémités des commutateurs I8 et i9 étant respectivement en position 22 et 20 pour la mesure de réactance capacitive, l'interrupteur 32 étant ouvert, et la réac tance O étant déconnectée du dispositif de l'invention, on équilibre le pont d'im pédance réduit à 5, 6, 7 en jouant sur le potentiomètre 7 la valeur qo de la résis tance du potentiomètre 7 qui assure ainsi l'équilibre du pont d'impédances réduit à 5, 6, 7 est alors reliée à o par Co = qo p Les précisions respectives de la détermination des valeurs de la capacité étalon X, de la résistance étalon p et du potentiomètre 7 se reportent ainsi sur la valeur attribuée à CO. Pour mener à bien cette mesure et la suivante qui détermine la valeur du coefficient K, on choisit par exemple les calibres suivants, X = IO nanofarads et p = I00 kilo-ohms. Puis une fois avoir déterminé Co, on effectue un tarage en effectuant la mesure de la capacitance CI d'un condensateur étalon de résistance parallèle infinie, capacitance CI de valeur inférieur à I85 picofarads et déterminée avec une bonne précision. Le pont d'impédances est équilibré en jouant sur le potentiomètre 7, l'interrupteur 32 étant toujours ouvert.Dans ces conditions, qI désignant la valeur de la résistance du potentiomètre 7 qui assure alors l'équilibre du pont d'impédances composé de 5, 6, 7 et de la capacité étalon de tarage CI, le coefficient k est alors déterminé apr la relation qI X = k CI + Co et compte tenu de la relation déterminant Co, la relation précédente s'écrit X qI - qo k CI p pour plus de précision, on peut distinguer par exemple quatre palges de valeurs de C judicieusement réparties entre 0 et I85 picofarads, de façon à réduire au minimum les imprécisions portant sur la valeur de k. Ainsi on peut prévoir quatre valeurs distinctes de CI pour quatre valeurs distinctes de k associées à quatre palges de valeurs de C, C I85 picofarads. La correction numérique à défaut d'être faite par l'utilisateur luimême pourra être faite automatiquement par un système électronique géré par un microprocesseur. Un avantage supplémentaire du dispositif selon l'invention est la possibilité de mesurer avec le même dispositif simple et compact des capacités dont les valeurs varient de I picofarad à I000 microfarads. Dans la forme de réalisation préférée, le dispositif est agencé pour mesurer la capacitance et la résistance parallèle d'un condensateur 8 à une fréquence fondamentale F fixée du signal périodique rectangulaire générée par le générateur I. Cette fréquence F peut être choisie égale à IO kilohertz, fréquence intermédiaire entre I00 et I mégaherts. La résistance étalon 5 est prise, selon le calibre utilisé, entre IO ohms et I00 kilo-ohms à moins de 5% de sa valeur nominale. La capacité étalon non polarisée 6 prend des valeurs, selon le calibre utilisé, entre IO nanofarads et 4,7 microfarads à moins de IO % de sa valeur nominale. Le potentiomètre 7 est un potentiomètre linéaire pouvant prendre des valeurs comprises entre zéro et quelques dizaines de kilo-ohms, par exemple entre zéro et dix kilo-ohms. Le potentiomètre 9 est un potentiomètre linéaire pouvant prendre des valeurs aussi grandes que possible. Par ailleurs, la simplicité du dispositif le rend fiable et ses performances notamment pour la mesure de réactance d'un condensateur sont particulièrement appréciable. REVENDICATIONS I - Dispositif de mesure de réactance, caractérisé par le fait qu'il comprend des commutateurs (18 , 19) et un pont d'impédances (5, 6, 7, 8, 9) dont l'un des éléments correspond à la réactance à mesurer (8), des moyens (1, 2, 3, 4) pour appliquer un signal sinusoldal à l'entrée dudit pont d'impédances (5, 6, 7, 8, 9) et des moyens (25a, 25b, 26, 27a, 27b, 28a, 28b, 29a, 29b, 30), pour mesurer les résistances prises à l'équilibre du pont d'impédances (5, 6, 7, 8, 9) par les potentiomètres (7) et (9), résistance (7) représentative de la composante purement réactive de la réactance à mesurer, résistance (9) représentative de la résistance parallèle de la réactance à mesurer, et des moyens pour effectuer une correction numérique pour la mesure de réactances capacitives inférieures à 185 picofarads, et des moyens pour déterminer l'équilibre du pont d'impédances (10, 11, 12, 13, 14, 15) 2 - Dispositif selon la revendication I, dans lequel l'équilibre du pont d'impédances est contrôlé par un courant (il2) amplifié par un amplificateur de courant (10, 11, 12, 13, 14) et traversant un milliampèremètre (15). 3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel lesdits moyens pour établir l'équilibre du pont d'impédances comprenant un amplificateur suiveur (4) et un amplificateur de courant (10, 11, 12, 13, 14) qui réduisent sensi blement les réactances parasites entre d'une part le générateur de tension sinusoi- dale (1, 2, 3) et le pont d'impédances (5, 6, 7, 8, 9) et d'autre part le pont d' impédances (S, 6, 7, 8, 9) et le détecteur (15). 4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel lesdits moyens pour réduire les réactances parasites entre d'une part le générateur de ten sion sinusoïdale (1, 2, 3) et le pont d'impédances (5, 6, 7, 8, 9) et d'autre part ledit pont d'impédances (5, 6, 7, 8, 9) et le détecteur (15) comprenant des poten tiomètres (7) et (9), et comprend uniquement la réactance à mesurer comme réactance variable. 5 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens pour permettre le choix du type de réactances à mesurer comprenant deux commutateurs (18) et (19) agencés pour pouvoir synthétiser la structure de pont d'impédances ap propriée pour chaque type de réactance à mesurer. 6 - Dispositif selon les revendications 1 et 2 dans lequel lesdits moyens pour effectuer la mesure de réactance cqmprenant des interrupteurs électroniques commandés par une tension (25a, 25b, 26, 27a, 27b) des portes logiques inverseuses (28a, 28b), deux dispositifs d'acquisition et d'affichage (29a, 29b) et un commuta (30), agencés pour permettre l'isolation des circuits d'acquisition et d'affichage (29a, 29b) du pont d'impédances (5, 6, 7, 8, 9) et des autres éléments du dispositif de mesure de réactance. 7- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel lesdits moyens pour effectuer une correction numérique pour la mesure de capacités de capac tance inférieure à 185 picofarads comprenant un microprocesseur pour gérer les opéra tions nécessaires à cette correction.