Brevet FR2657963A1 — publié le 19910809

CIRCUIT DE MESURE POUR DE FAIBLES CAPACITES La présente invention concerne un circuit pour la mesure de faibles capacités, ce circuit comprenant un os- cillateur, tel qu'un oscillateur LC ou RC, dont la fréquen- ce de sortie est fonction de la capacité à mesurer, qui est connectée entre la borne d'entrée de l'oscillateur et la masse, les capacités à mesurer étant connectées successive- ment à la borne d'entrée de l'oscillateur. On connaît dans l'art antérieur un certain nombre de circuits oscillateurs différents qui comprennent un cir- cuit LC ou RC, à titre de composant influant sur la fré- quence D'une manière connue dans l'art antérieur, on uti- lise ces circuits oscillateurs pour mesurer une capacité, du fait qu'en employant les formules de calcul de chaque circuit oscillateur, il est possible de déterminer la capa- cité à partir de la fréquence de l'oscillateur, lorsqu'on connaît les valeurs des autres composants dans le circuit. On connaît également dans l'art antérieur divers oscillateurs LC et RC dans lesquels une borne de la capaci- té C de l'oscillateur est connectée à la masse Cependant, dans le cas de la mesure de faibles capacités, ces circuits présentent le défaut et le problème qui consistent en ce que diverses capacités parasites incontrôlées sont connec- tées en parallèle avec la capacité C de l'oscillateur de mesure, ce qui dégrade la précision de la mesure Ces pro- blèmes sont d'autant plus importants que les capacités qui sont mesurées sont faibles. La mesure de faibles capacités est très courante dans diverses techniques concernant des détecteurs et en télémesure, par exemple dans des radiosondes, dans lesquel- les on utilise pour la mesure de grandeurs météorologiques différents détecteurs capacitifs dont la capacité est rela- tivement faible, soit de façon caractéristique dans la pla- ge de 1 à 100 p F En ce qui concerne ces procédés et cir- cuits de mesure de l'art antérieur, on pourra se référer aux brevets suivants, appartenant à la demanderesse US-4 295 090, US-4 295 091, FI-54664, FI-57319. Le but de la présente invention est d'éviter les inconvénients qui ont été indiqués ci-dessus et de procurer un circuit oscillateur de mesure qui soit bien adapté pour la mesure de faibles capacités, ainsi que pour des configu- rations de mesure dans lesquelles on utilise un commutateur au moyen duquel différentes capacités de détecteurs et dif- férentes capacités de référence sont connectées successive- ment à l'entrée de l'oscillateur de mesure, selon une sé- quence de mesure appropriée. Un but de la présente invention est de procurer un circuit oscillateur de mesure au moyen duquel on puisse mesurer de faibles capacités, de façon caractéristique de l'ordre de O à 100 p F, de façon plus précise que dans l'art antérieur, sans effets perturbateurs dûs à des capacités parasites ou des éléments équivalents. Un but particulier de la présente invention est de procurer un circuit de mesure qui convienne pour l'uti- lisation dans des radiosondes, en liaison avec des détec- teurs capacitifs qui mesurent des grandeurs météorologi- ques. Pour atteindre les buts indiqués ci-dessus et ceux qui apparaîtront ultérieurement, l'invention est es- sentiellement caractérisée en ce que,à l'exception de la capacité à connec- ter entre la borne d'entrée de l'oscillateur et la masse pour la mesure, les autres capacités à mesurer sont con- nectées par l'une de leurs bornes à un fil commun aux ca- pacités à mesurer et par l'autre de leurs bornes à la sor- tie d'un circuit suiveur de tension, en ce que l'entrée du circuit suiveur de tension est connectée à la borne d'entrée du circuit oscillateur, et en ce que le circuit suiveur de tension consiste en un amplificateur opérationnel, dont la sortie est con- nectée à son entrée inverseuse, à laquelle sont également connectées les capacités qui ne sont pas mesurées au moment présent, de façon qu'il n'y ait pas de différences de ten- sion, et par conséquent pas de courants de charge dans leurs bornes. Conformément à l'invention, lorsque l'entrée du circuit suiveur de tension, de préférence l'entrée de l'am- plificateur opérationnel, est connectée aux bornes des ca- pacités qui ne sont pas mesurées au moment présent, les bornes opposées de ces capacités seront au même potentiel, ce qui fait que, dans le circuit, il n'apparaîtra aucun courant de charge de ces capacités qui serait suscepti- ble d'affecter la fréquence de sortie de l'oscillateur de mesure Dans le circuit, diverses capacités parasites et divers courants continus de fuite peuvent apparaître dans le cadre des propriétés de l'amplificateur opérationnel ou de l'élément équivalent qui remplit la fonction du circuit suiveur de tension. Lorsqu'on applique l'invention, des capacités parasites peuvent également apparaître du côté du fil com- mun entre les capacités à mesurer et l'entrée de l'oscilla- teur de mesure On peut éliminer l'effet de ces capacités parasites en employant sur ce fil un blindage qui est con- necté à la sortie du circuit suiveur de tension Pour ce blindage, on peut par ailleurs appliquer les principes qui sont indiqués dans le brevet finlandais N O 57319, apparte- nant à la demanderesse. En règle générale, un circuit conforme à l'inven- tion est optimal lorsque l'oscillateur de mesure est un oscillateur sinusoîdal, du fait que dans un tel cas l'exi- gence de vitesse pour le circuit suiveur de tension est la plus faible L'amplificateur du circuit suiveur de tension doit avoir une amplification suffisante, du fait que dans le cas contraire l'amplitude à la sortie reste inférieure à l'amplitude à l'entrée, et les capacités parasites commen- cent alors à avoir un effet nuisdble sur la précision de mesure. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La suite de la description se ré- fère aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 représente un schéma d'oscillateur de l'art antérieur qui constitue un point de départ de l'in- vention. La figure 2 représente un schéma d'un oscillateur de mesure conforme à l'invention, au moyen duquel on mesure trois capacités qui sont successivement connectées à l'en- trée de l'oscillateur de mesure. On voit sur la figure 1 un oscillateur RC, connu en lui-même, dans lequel on utilise un inverseur 10 présen- tant une hystérésis En ce qui concerne ce circuit et son application à la mesure de faibles capacités et à la télé- mesure pour des sondes, on se référera aux brevets finlan- dais N O 54664 et 57319 et aux brevets des E U A no 4 295 090 et 4 295 091, appartenant à la demanderesse Une ten- sion U O (t), dont la forme d'onde est représentée sur la figure 1, est présente sur la borne d'entrée 16 de l'oscil- lateur qui est représenté sur la figure 1, et donc aux bor- nes du condensateur C, par rapport à la masse. La courbe représentative de la tension U (t) com- prend les parties des courbes de décharge et de charge du condensateur C et de la capacité parasite CH qui est con- nectée en parallèle avec lui, ces parties de courbe ayant la constante de temps to = 1/R(C+CH) On obtient sur les bornes de sortie 18 du schéma d'oscillateur représenté sur la figure 1, une onde rectangulaire U 1 (t) dont la fréquence f = 1/T est fonction de la capacité C+CH qui est connectée entre la borne d'entrée 16 du circuit oscillateur et la masse. Comme il ressort de ce qui précède, les capacités parasites CH ont un effet direct sur la fréquence de sortie f du circuit oscillateur, ce qui dégrade la précision de mesure de capacités faibles Ces problèmes sont encore accentués si un commutateur conforme à l'art antérieur est placé du côté de l'entrée d'un circuit conforme à la figure 1, ce commutateur permettant de connecter successivement divers détecteurs capacitifs et diverses capacités de réfé- rence à l'oscillateur de mesure, dont la fréquence de sor- tie est une fonction fo = F(CM) de la capacité CM à mesu- rer. La figure 2 montre un exemple d'un circuit de me- sure conforme à l'invention, qui permet de résoudre les problèmes décrits ci-dessus. Le circuit qui est représenté sur la figure 2 comprend les capacités C 1, C 2 et C 3, parmi lesquelles, à titre d'exemple, C 1 est une capacité de référence connue avec précision, et C 2 et C 3 sont des capacités à mesurer, qui sont par exemple des détecteurs qui mesurent la pres- sion (P), la température (T), et/ou l'humidité relative (U) dans une radiosonde Des premières bornes des capacités Ci, C 2 et C 3 sont connectées ensemble, et elles sont en outre connectées conjointement par le fil 19 à la borne d'entrée 16 de l'inverseur 10 Les bornes opposées des capacités Ci, C et C 3 sont connectées aux commutateurs 11, 12 et 13 Ces commutateurs 11, 12 et 13 ont deux positions, et dans l'une de leurs positions les capacités Ci, C 2 et C 3 sont connec- tées à la masse, par l'intermédiaire du contact 15, tandis que dans l'autre position des commutateurs 11, 12 et 13, les capacités Ci, C 2 et C 3 sont connectées au contact ou au fil 21, qui est connecté à la borne de sortie de l'amplifi- cateur opérationnel 20, qui fonctionne en circuit suiveur de tension La borne + de l'entrée du circuit suiveur de tension 20 est connectée à la borne d'entrée 16 de l'inver- seur 10. Conformément à la structure de circuit du circuit suiveur de tension, qui est connue en elle-même, la sortie de l'amplificateur opérationnel 20 est connectée à la borne de son entrée, ce qui est représenté par le fil 22 L'une des propriétés du circuit suiveur de tension et de son am- plificateur opérationnel 20, ou d'un composant équivalent, consiste en ce que la résistance d'entrée du circuit sui- veur de tension Re est pratiquement égale à l'infini, tan- dis que la résistance de sortie Rs est pratiquement égale à 0, dans un cas idéal Dans un tel cas, la tension de sortie du circuit suiveur de tension est U 2 = U Conformément à la figure 2, la capacité C 1 est connectée entre la masse et la borne d'entrée 16 de l'in- verseur 10, auquel cas la fréquence de sortie de l'oscilla- teur de mesure est F = F(C 1) Les capacités C 2 et C 3 sont connectées, par l'intermédiaire des fils 14 et 21, à la sortie du circuit suiveur de tension 20 sur laquelle on obtient la tension U 2 = U O Il n'y a donc absolument aucune différence de tension entre les bornes des capacités C 2 et C 3, ce qui fait qu'il n'y a pas de courants de charge de ces capacités. Les commutateurs 11, 12 et 13 sont commandés par une unité de commande 17, de façon qu'une borne de chaque capacité C 1, C 2 et C 3 soit connectée tour à tour à la mas- se, et de façon que cette capacité agisse donc sur l'entrée de l'oscillateur de mesure, et à ce moment les autres capa- cités sont connectées entre la borne + de l'entrée et la sortie du circuit suiveur de tension 20. Une capacité parasite peut également apparaître du côté du fil commun 19 des capacités Ci, C 2, C 3 à mesu- rer On peut éliminer les effets de ces capacités parasites en prévoyant pour le fil 19 un blindage 19 a qui est connec- té à la sortie du circuit suiveur de tension par l'intermé- diaire d'un fil 23. On a décrit ci-dessus l'invention en considérant une application dans laquelle on n'utilise qu'un oscilla- teur RC Il est cependant possible, dans le cadre de l'in- vention, d'utiliser n'importe quel autre circuit oscilla- teur approprié connu en lui-même, par exemple un oscilla- teur LC, qui est avantageux du fait qu'il fournit une bonne sinusoïde. Il va de soi que de nombreuses autres modifica- tions peuvent être apportées au dispositif décrit et repré- senté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Circuit de mesure de faibles capacités (Ci, C 2, C 3), ce circuit comprenant un oscillateur, tel qu'un oscillateur LC ou RC, dont la fréquence de sortie (f) est fonction de la capacité à mesurer, qui est connectée entre la borne d'entrée ( 16) de l'oscillateur et la masse, les capacités (C 1, C 2, C 3) à mesurer étant connectées succes- sivement à la borne d'entrée ( 16) de l'oscillateur, carac- térisé en ce que, à l'exception de la capacité à connecter entre la borne d'entrée ( 16) de l'oscillateur et la masse pour la mesure, les autres capacités à mesurer sont connec- tées par l'une de leurs bornes à un fil ( 19) qui est commun aux capacités (Ci, C 2, C 3) à mesurer, et par leurs autres bornes à la sortie d'un circuit suiveur de tension; en ce que l'entrée du circuit suiveur de tension est connectée à la borne d'entrée ( 16) du circuit oscillateur; et en ce que le circuit suiveur de tension consiste en un amplificateur opérationnel ( 20) dont la sortie est connectée à l'entrée inverseuse, à laquelle les capacités (C 1, C 3) qui ne sont pas mesurées au moment présent sont connectées, de façon qu'il n'y ait pas de différences de tension, et donc pas de courants de charge à leurs bornes. 2 Circuit de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pendant la durée de la mesure, une électrode de la capacité (C 1) qui est mesurée au moment présent est connectée à la masse ( 15) par l'intermédiaire d'un commutateur de connexion ( 11). 3 Circuit de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on utilise dans le circuit oscillateur de mesure un amplificateur inverseur ( 10) qui présente une hystérésis, et auquel est connectée une résistance de réaction (R). 4 Circuit de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'oscillateur de mesure est un oscillateur sinusoïdal. Circuit de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le fil commun ( 19) des capacités (Ci, C 2, C 3) à mesurer est équipé d'un blindage ( 19 a), consistant par exemple en une gaine de pro- tection, qui est connecté à la sortie du circuit suiveur de tension ( 20). 6 Circuit de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux capacités à mesurer (C 1, C 2, C 3), dont l'une au moins est une capacité de référence, tandis que les autres sont des capacités de détecteurs à mesurer. 7 Circuit de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que les capacités à mesurer sont des dé- tecteurs capacitifs d'une radiosonde qui mesurent des gran- deurs météorologiques, telles que la pression (P), la tem- pérature (T) et/ou l'humidité relative (U). 8 Circuit de mesure selon l'une quelconque des revendication 1 à 7, caractérisé en ce que les capacités à mesurer sont de l'ordre de O à 100 p F.