Brevet FR2637985A1 — publié le 19900420

La présente invention concerne un procédé et un appareil de mesure d'impédances résistives. La mesure d'une impédance résistive est une opération très courante, notamment parce que de nombreux capteurs fonctionnent par variation d'impédance résistive. On décrit l'invention dans le cas de la mesure des variations d'une température, représentée par les variations d'impédance résistive d'une résistance constituée par un tronçon d'un fil d'alliage ou de métal convenable. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée å cette seule application et elle concerne de façon générale la mesure de toutes les impédances résistives. On sait depuis longtemps mesurer les impédances résistives. Cependant, tous les procédés connus présentent des inconvénients, essentiellement relatifs à la précision, la linéarité du signal, le court de l'appareillage, etc. Le procédé et l'appareil selon l'invention permettent une réduction très importante de ces inconvénients. Il convient d'abord de considérer les divers procédés connus de mesure d'impédance résistive pour qu'il apparaisse clairement comment l'invention se distingue de la technique antérieure. Un premier procédé de mesure d'une impédance résistive est connu sous le nom de "montage potentiométrique". La figure 1 le représente schématiquement. Une source de tension 10, ayant une force électromotrice es et une résistance interne Rs, alimente un circuit série forme d'une résistance R1 et d'une résistance 12 ayant une impédance résistive à mesurer Rc. La tension vm aux bornes de la résistance 12 est mesurée par un appareil -de mesure 14 ayant une impédance résistive d'entrée Rd. Cette tension est de la forme Cette équation indique les mouvements de ce montage. En effet, l'obtention d'un signal linéaire nécessite que la variation de l'impédance résistive à mesurer soit faible par rapport à la somme des résistances R c + R1 + Rs. Une solution peut être l'utilisation, à la place d'une source de tension, d'une source de courant c'est-à-dire d'une source ayant une résistance Rs extrêmement élevée. Cette disposition présente un inconvénient car la réalisation d'une source de courant dans ce contexte est onéreuse. Cependant, le plus grand inconvénient du montage potentiométrique est sa sensibiité aux dérives de la source et aux parasites. En effet, on note que la tension mesurée varie avec la tension de la source, et celle-ci n'est pas constante. En pratique, un tel montage ne donne qu'une précision relativement faible ; en outre, la tension mesurée présente un défaut de linéarité (l'impédance résistive Rc apparaît à la fois au numérateur et au dénominateur). Un second procédé tres utilisé pour la mesure des impédances est le montage en pont, sous forme d'un pont de Wheatstone tel que représenté sur la figure 2. Sur cette figure, les résistance R1, R2, R3 et 12, ayant l'impédance résistive à mesurer Rc, sont montées en pont. Les extrémités d'une premiere diagonale sont reliées à la source de tension 10 et les extrémités de l'autre diagonale sont reliées à un appareil de mesure représenté par son impédance résistive d'entrée Rd. Dans ce montage, le courant circulant dans la branche de mesure est tel que Il faut d'abord noter que l'impédance d'entrée de l'appareil de mesure Rd doit être très élevée.Dans ce cas, l'équation se simplifie et la tension mesurée est exprimée sous la forme On note que l'impédance résistive à mesurer R c apparaît å la fois au numérateur et au dénominateur. Ce montage ne donne donc pas un résultat linéaire. En fait, la figure 3 indique l'allure de la variation de la tension obtenue en fonction de la valeur de l'impédance résistive à mesurer. Bien entendu, on connaît des méthodes pour linéariser le signal de sortie d'un tel pont. Ainsi, la figure 4 représente un circuit analogue à celui de la figure 2 mais dans lequel un amplificateur opérationnel 16 a été ajouté de maniere qu'il permette une linéarisation du signal de sortie. Cependant, les circuits comprenant un tel amplificateur nécessitent un réglage lors de leur fabrication et présentent des dérives. Comme indiqué précédemment à propos du montage potentiométrique, on peut aussi utiliser une source de courant à la place d'une source de tension pour l'alimentation de l'impédance résistive à mesurer. Cependant, l'obtention d'une précision convenable nécessite une source de courant ayant des performances élevées et qui est couteuse. Les considérations qui précédent s'appliquent à la mesure des résistances par la méthode de déviation et non par la méthode de zéro. Bien entendu, on sait que la précision est accrue lorsqu'on peut mesurer une résistance par une méthode de zéro. Par exemple, une méthode connue pour la mesure précise de résistances est une méthode de double zéro, c'est-à-dire une méthode d'opposition illustrée par la figure 5. Sur cette figure, un circuit série est formé par la résistance 12 ayant l'impédance résistive à mesurer Rc, une résistance de référence Rf et un potentiomètre 18 permettant un réglage de la plage de travail. Ce circuit série est alimenté par une première source de tension.Un commutateur bipolaire à deux directions 20 permet la connexion d'un circuit de mesure soit aux bornes de la résistance de référence Rf soit aux bornes de la résistance à mesurer Rc. Ce circuit de mesure comprend un galvanomètre 22, un potentiomètre 24 et un potentiomètre de réglage 26. Le circuit de mesure est alimenté par une autre source de tension. Les valeurs des impédances Rf et R c sont connues d'après la position du curseur du potentiomètre 24 de mesure. Le rapport des impédances à mesurer R c et de référence Rf est égal au rapport des positions du curseur. Cette méthode ne présente donc pas de défaut de linéarité. Cependant, elle présente un inconvénient car elle nécessite deux mesures réalisées successivement, et une commutation entre les impédances de référence et à mesurer, et il faut en outre que la tension des sources alimentant les deux circuits soit bien constante pendant toute la durée de la mesure qui a une durée relativement grande. I1 faut en outre noter que la plupart des procédés connus nécessitent un réglage final à l'emplacement d'utilisation, par un technicien qualifié à cet effet. Ce réglage est destiné à compenser les effets de la longueur des fils de liaison. L'invention concerne un procédé et un appareil de mesure présentant la simplicité du montage potentiométrique et donnant automatiquement et rapidement des résultats aussi précis que ceux qui peuvent être obtenus par mise en oeuvre de la méthode d'opposition, illustrée en référence a la figure 5. Ainsi, l'invention permet l'obtention de mesures d'impédances résistives de manière linéaire, sans qu'une source de tension continue stable soit nécessaire, et avec un très faible coût. A cet effet, elle met en oeuvre un convertisseur analogique-numérique comme appareil de mesure. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de mesure d'une impédance résistive montée en série avec une impédance résistive de référence et une source de tension ou de courant continu, du type qui comprend - une première étape de connexion d'un dispositif de mesure aux bornes de l'impédance résistive de référence ou à mesurer, - une deuxième étape de mesure de l'impédance résistive de référence ou à mesurer, - une troisième étape de connexion du dispositif de mesure aux bornes de l'impédance résistive à mesurer ou de référence respectivement, - une quatrième étape de mesure de l'impédance résistive à mesurer ou de référence respectivement, et - une cinquième étape de formation du rapport des mesures de la seconde et de la quatrième étape, permettant la détermination de l'impédance résistive à mesurer à partir de la connaissance de l'impédance résistive de référence, caractérisé en ce que le dispositif de mesure est un convertisseur analogique-numérique ayant une paire de bornes d'entrée de référence, une paire de bornes d'entrée de détection et des bornes de sortie d'un signal numérique, le procédé comprend la connexion des bornes de l'impédance résistive de référence a l'une des deux paires de bornes d'entrée du convertisseur analogique-numérique et la connexion des bornes de l'impédance résistive à mesurer à l'autre des deux paires de bornes d'entrée, si bien que l'impédance résistive de référence et l'impédance résistive à mesurer sont connectées simultanément au convertisseur analogique-numérique, et la formation du rapport des mesures comprend la lecture du signal numérique disponible aux bornes de sortie du convertisseur analogique-numérique. De préférence, le procédé comprend en outre la multiplication de la valeur numérique de sortie du convertisseur analogique-numérique par une valeur représentative de l'impédance résistive de référence, et la formation d'une valeur représentative de la valeur de l'impédance résistive mesurée. Lorsque la source est une source de tension continue, il est avantageux que la variation de la tension de la source de tension continue pendant un cycle de mesure du convertisseur analogique-numérique soit inférieure à l'inverse de la pièze puissance de 2, p étant le nombre de bits du convertisseur analogique-numérique. Dans un mode de réalisation particulier, les signaux appliqués aux paires de bornes d'entrée sont transformés en signaux référencés par rapport à un potentiel commun avant transmission au convertisseur. L'invention concerne aussi un appareil de mesure d'une impédance résistive, du type dans lequel l'impédance résistive à mesurer est montée en série avec une impédance résistive de référence, et du type qui comprend - une source de tension ou de courant continu reliée au circuit série formé par les impédances résistives, et - un dispositif de mesure destiné a etre connecté de manière qu'il reçoive les tensions existant aux bornes de l'impédance résistive de référence et aux bornes de l'impédance résistive à mesurer, caractérisé en ce que le dispositif de mesure est un convertisseur analogique-numérique ayant une paire de bornes d'entrée de référence, une paire de bornes d'entrée de détection et des bornes de sortie, les bornes de l'une des impédances résistives sont connectées aux bornes d'entrée de référence du convertisseur et les bornes de l'autre des impédances résistives sont connectées aux bornes d'entrée de détection du convertisseur, et les bornes de sortie du convertisseur analogiquenumérique transmettent un signal numérique proportionnel au rapport des impédances résistives. De préférence, les impédances d'entrée du convertisseur analogique-numérique, aux deux paires de bornes d'entrée, sont très élevées. Dans un mode de réalisation avantageux, le convertisseur analogique-numérique est du type à double rampe. Dans un autre mode de réalisation, le convertisseur comporte un convertisseur n'ayant pas d'entrées différentielles, mais dont l'une au moins des entrées de référence et de détection est reliée à la sortie d'au moins un amplificateur différentiel. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel, les figures 1 à 5 ayant déjà étant décrites la figure 6 est un schéma d'un appareil selon l'invention la figure 7 est un diagramme des temps illustrant le fonctionnement de l'appareil de la figure 6 ; et la figure 8 est un schéma d'un autre convertisseur utile selon l'invention. La figure 6 représente un appareil selon l'invention, portant la référence générale 28 ; l'appareil est destiné à mesurer une impédance résistive Rc qui, dans un exemple, est celle d'un capteur de température. Dans l'application considérée, le capteur 12 ayant l'impédance résistive Rc est placé à une très grande distance de l'appareil de mesure 28, par exemple à une centaine de mètres, et il lui est relié par quatre fils 30. Deux de ces fils font partie d'un circuit série comprenant, en plus du capteur 12, une résistance de référence Rf. Le circuit série formé par la résistance de référence Rf et le capteur 12 est alimenté par une source de tension continue +V ; il n'est pas nécessaire que celle-ci soit tres stable.Les deux autres fils partant du capteur 12 et deux fils partant de la résistance de référence Rf sont reliés à un composant 32 constituant le coeur de l'appareil de mesure. Le composant 32 est un convertisseur analogiquenumérique. Il comporte une paire de bornes d'entrée de référence 34, une paire de bornes d'entrée de détection 36 et des bornes 38 de sortie d'un signal numérique, celles-ci correspondant aux bits de poids différents du signal de sortie. Les impédances d'entrée du convertisseur analogique-numérique aux bornes 34 et aux bornes 36 sont très élevées. Ainsi, selon un avantage de l'invention, la valeur de la résistance des fils de liaison entre les bornes et l'impédance résistive respective n'a pas d'importance du moment qu'elle est très faible par rapport aux impédances d'entrée du convertisseur. De préférence, le composant 32 est un convertisseur analogique-numérique du type à double rampe, c'est-à-dire ayant le fonctionnement qu'on décrit maintenant en référence à la figure 7. Sur la figure 7, la courbe 40 représente le signal intégré, la courbe 42 représente un signal d'horloge interne, la courbe 44 représente le fonctionnement d'une bascule interne et la courbe 46 représente un signal indiquant l'état du convertisseur. Dans une première phase A, correspondant par exemple à 2 048 impulsions de l'horloge interne (dans le cas d'un convertisseur à douze bits), le convertisseur est remis à zéro. Ensuite, dans une phase B, le convertisseur intègre le signal de ses bornes d'entrée de détection 36, pendant une durée fixe, correspondant par exemple à 2 048 impulsions d'horloge et forme ainsi une rampe ascendante.Ensuite, le convertisseur intègre le signal parvenant à ses bornes d'entrée de référence 34 en le soustrayant du signal précédemment intégré. Il forme donc une rampe descendante dont le passage à zéro est détecté. Ce passage à zéro 48 commande, à l'impulsion suivante d'horloge, la fin de la période de comptage C qui correspond à un certain nombre N d'impulsions d'horloge. Ensuite, pendant la période D qui a une durée maximale de 4 096 impulsions d'horloge, le circuit assure la désinté- gration afin que le convertisseur soit prêt pour la mesure suivante. Le signal numérique de sortie est un nombre proportionnel au rapport des impédances R c et Rf (N - 2 048 Rc/Rf) La durée du cycle décrit est de quelques dixièmes de seconde. L'obtention d'une mesure précise nécessite donc seulement que, pendant cette durée très courte, la tension de la source ne varie pas d'un pourcentage supérieur à la résolution du convertisseur, c'est-à-dire un bit pour 4 096dans le cas considéré. Compte tenu de la brièveté du cycle de mesure, pratiquement n'importe quelle source de tension non stabilisée convient. En outre, ce convertisseur a l'avantage de corriger automatiquement l'erreur de zéro. Si la durée du cycle est trop grande, on peut utiliser un montage tel que représenté sur la figure 8. La résolution du signal obtenu peut être aussi grande que voulue, et elle est limitée seulement par le nombre de bits du convertisseur. Il est donc possible d'obtenir une résolution et en conséquence une précision très élevée dans la mesure où le reste du circuit le permet. Bien entendu, la valeur numérique de sortie 38, qui correspond au rapport des tensions appliquées aux entrées 36, 34 et en conséquence au rapport des impédances résistives de la résistance à mesurer R c et de la résistance de référence Rf, peut être multipliée par une valeur représentative de la résistance de référence Rf Cette dernière peut être connue avec une très grande précision. L'impédance R c ou le paramètre qu'elle représente peut par exemple être affiché. Un autre avantage de l'appareil représenté sur la figure 6 est qu'il ne nécessite pas d'étalonnage. En général, les instruments de mesure qui comprennent un amplificateur d'instrumentation nécessitent un étalonnage initial qui prend beaucoup de temps, si bien que le coût des appareils réalisés est relativement élevé. L'appareil selon l'invention ne nécessite aucun étalonnage. Certains convertisseurs analogiques-numériques, et notamment certains convertisseurs du type à double rampe, sont très bon marché. En conséquence, l'appareil de mesure peut être très peu coûteux. Bien qu'on ait décrit l'invention en référence à un convertisseur analogique-numérique du type à double à rampe, elle convient à tout convertisseur analogique-numérique ayant une entrée de référence et une entrée de détection, ayant des impédances d'entrée tres élevées. Si l'impédance d'entrée est insuffisante par rapport à l'impédance s mesurer, on peut utiliser un montage extérieur, de type connu des hommes du métier, qui augmente l'impédance d'entrée à une valeur convenable. Bien entendu, en fonction du composant 32 choisi, diverses autres connexions doivent être effectuées. Dans un exemple de réalisation selon l'invention, mettant en oeuvre le convertisseur analogique-numérique ICL7109, c'est-à-dire un convertisseur ayant douze bits, des variations de résistance de 0,03 n (d'une résistance de platine de 100 n à O "C) peuvent être facilement déterminées, et elles peuvent correspondre par exemple à des variations de température de 0,1 'C autour de o 'C, dans le cas de l'application à un capteur de température. Lors de l'utilisation d'un convertisseur analogiquenumérique du type ICL7109 de "Intersil", le composant est relié à la masse, à une source de tension d'alimentation du circuit intégré, à des condensateurs de découplage, et å un microprocesseur qui transmet des signaux de commande du fonctionnement et qui assure ensuite un traitement du signal numérique des bornes 38 afin que le signal du composant 32 soit utilisé. Cette utilisation peut être un simple affichage de la valeur de la résistance Rc, ou peut etre l'affichage ou l'impression d'un paramètre correspondant a la valeur Rc, etc. La figure 8 représente un autre mode de réalisation. Comme les convertisseurs du type à double rampe et à deux entrées différentielles qui sont disponibles peuvent ne pas avoir une résolution suffisante (nombre de bits) ou lorsque la durée du cycle doit être très faible (grande fréquence de répétition des mesures), il peut être utile d'utiliser l'appareil représenté sur la figure 8, constituant un exemple du composant 32 représenté sur la figure 6. Le convertisseur 50 est d'un type à entrée non différentielle, car il comporte une entrée 52 de référence, une entrée 54 de détection, une masse 56 et une sortie 58. Deux amplificateurs différentiels 60 et 62 ont leur sortie reliée à l'une des bornes d'entrée 52 et 54, et ils forment des entrées différentielles.La durée du cycle de mesure d'un tel composant est de quelques dizaines de microsecondes, c' est-à-dire bien inférieure à celle du montage de la figure 6, lorsque le convertisseur est du type AD574 de Analog Devices. Bien entendu, un montage å un seul amplifi cateur différentiel dont la sortie est reliée à l'une des bornes d'entrée peut aussi convenir. La seconde entrée différentielle est formée par l'autre borne d'entrée et la masse. Dans la description (et dans les revendications) l'expression "une paire de bornes" s'applique aussi au cas où l'une des bornes est une borne de masse. En outre, dans le cadre de l'invention, l'impédance à mesurer peut être reliée aux bornes d'entrée de référence ou de détection, selon le cas. Bien qu'on ait décrit des modes de réalisation dans lesquels une source de tension continue est utilisée, une source de courant continu convient aussi évidemment , cependant, une telle source n'est pas avantageuse en général étant donné son coût relativement élevé. Ainsi, l'invention permet une mesure linéaire, pr6- cise et rapide d'une impédance résistive, par un appareil automatique peu coûteux qui ne nécessite pas d'étalonnage. Elle convient donc à presque tous les appareils de mesure d'impédances résistives. REVENDICATIONS 1. Procedé de mesure d'une impédance résistive (Rc) montée en série avec une impédance résistive de référence (Rf) et une source de tension ou de courant continu (+V), du type qui comprend - une premiere étape de connexion d'un dispositif de mesure aux bornes de l'impédance résistive de référence ou à mesurer, - une deuxième étape de mesure de l'impédance résistive de référence ou à mesurer, - une troisième étape de connexion du dispositif de mesure aux bornes de l'impédance résistive à mesurer ou de référence respectivement, - une quatrième étape de mesure de l'impédance résistive à mesurer ou de référence respectivement, et - une cinquieme étape de formation du rapport des mesures de la seconde et de la quatrième étape, permettant la détermination de l'impédance résistive à mesurer à partir de la connaissance de l'impédance résistive de référence, caractérisé en ce que le dispositif de mesure est un convertisseur analogique-numérique (32) ayant une paire de bornes d'entrée de référence (34), une paire de bornes d'entrée de détection (36) et des bornes de sortie (38), le procédé comprend la connexion des bornes de l'im- pédance résistive de référence (Rf) à l'une des deux paires de bornes d'entrée du convertisseur analogique-numérique et la connexion des bornes de l'impédance résistive à mesurer (Rc) à l'autre des deux paires de bornes d'entrée, si bien que l'impédance résistive de référence et l'impédance résistive à mesurer sont connectées simultanément au convertisseur analogique-numérique, et la formation du rapport des mesures comprend la lecture du signal numérique disponible aux bornes (38) de sortie du convertisseur analogique-numérique. 2. Procédé de mesure selon la revendication 1, ca ractérisé en ce qu'il comprend en outre la multiplication de la valeur numérique de sortie du convertisseur analogique-numérique (32) par une valeur représentative de l'impédance résistive de référence, et la formation d'une valeur représentative de l'impédance résistive mesurée 3. Procédé de mesure selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la source est une source de tension continue (+V) dont la variation de tension pendant un cycle de mesure du convertisseur analogique-numérique est inférieure à l'inverse de la pieme puissance de 2, p étant le nombre de bits du convertisseur analogiquenumérique. 4. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la transformation des signaux appliqués aux paires de bornes d'entrée en signaux référencés par rapport à un potentiel commun. 5. Appareil de mesure d'une impédance résistive, du type dans lequel : - l'impédance résistive à mesurer (Rc) est montée en série avec une impédance rèsistive de référence (Rf), et du type qui comprend - une source de tension ou de courant continu (+V) reliée au circuit série formé par les impédances résistives, et - un dispositif de mesure destiné à être connecté de manière qu'il reçoive les tensions existant aux bornes de l'impédance résistive de référence et aux bornes de l'impédance résistive à mesurer, caractérisé en ce que le dispositif de mesure est un convertisseur analogique-numérique (32) ayant une paire de bornes d'entrée de référence (34), une paire de bornes d'entrée de détection (3-6) et des bornes de sortie, les bornes de l'une des impédances résistives sont connectées aux bornes d'entrée de référence (34) du convertisseur et les bornes de l'autre des impédances résistives sont connectées aux bornes d'entrée de détection (36) du convertisseur, et les bornes (38) de sortie du convertisseur analogique-numérique transmettent un signal numérique proportionnel au rapport des impédances résistives. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les impédances d'entrée du convertisseur analogiquenumérique, aux deux paires de bornes d'entrée (34, 36), sont très élevées 7. Appareil selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le convertisseur analogique-numérique (32) est du type à double rampe. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le convertisseur analogique-numérique comprend au moins un amplificateur différentiel (60, 62) dont la sortie est reliée à une entrée de référence (52) ou à une entrée de détection (54) d'un convertisseur ne comportant pas d'entrées différentielles.