Brevet FR2670901A1 — publié le 19920626

t!a présente invention concerne un dispositif d'amplification du signal de déséquilibre d'un pont de Wheatstone, destiné à être incorporé notamment à une balance de haute précision. En particulier, l'invention s'applique à la réalisation de balances multi-échelons. Les ponts de Wheatstone actuellement utilisés dans les balances délivrent des signaux très faibles, de l'ordre de quelques millièmes du signal d'alimentation. Ces signaux nécessitent avant tout traitement une amplification. Or aucun amplificateur n'est exempt de tension de décalage. De plus, quand bien même l'amplificateur serait parfait, des décalages peuvent se produire, en fonction des effets de thermocouple dans les fils de liaison, et dans certains cas, ces décalages peuvent être plus importants que la tension à mesurer. La présente invention se propose de remédier à ces inconvénients par la mise en oeuvre combinée - d'une alimentation alternative fournissant des signaux carrés dont la composante continue est nulle, alimentant un pont de Wheatstone ; - d'un redresseur connecté à la sortie du pont de Wheatstone à travers un amplificateur différentiel - d'un filtre passe-bas connecté à ce redresseur, fournissant en sortie un signal indépendant de tout décalage du pont de Wheatstone. Dans le cas où l'invention s'applique à la réalisation d'une balance de haute précision, le pont de Wheatstone est relié à une poutre dont la déformation génère des variations des résistances qui le constituent, la poutre étant reliée à un plateau et le filtre passe-bas à un moyen de numérisation et d'affichage du signal sortant. Selon un mode de réalisation plus élaboré, un retardateur permet de relier à distance le pont de Wheatstone au dispositif objet de l'invention, et le dispositif comprend un moyen de numérisation de grande précision. La description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé dans un but explicatif et nullement limitatif, permettra de mieux comprendre les avantages, buts et caractéristiques de la présente invention. Dans le dessin annexé - la figure 1 représente un schéma bloc d'un circuit électrique constituant un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention. - la figure 2 représente un schéma-bloc d'un circuit électrique constituant un second mode de réalisation du dispositif selon l'invention. - la figure 3 représente un circuit électrique inverseur de tension pouvant s'intégrer au dispositif selon l'invention. - la figure 4 représente des signaux électriques caractéristiques du fonctionnement du dispositif selon l'invention. - la figure 5 représente une balance selon l'invention incorporant le circuit électrique représenté à la figure 2. Dans la figure 1 on voit un pont de Wheatstone 1, relié en entrée à une alimentation alternative 2, et en sortie à un amplificateur différentiel 3 lui-meme connecté à un redresseur 4 puis à un filtre passe-bas 5. L'alimentation alternative 2 délivre des signaux carrés dont la composante de tension continue est nulle. L'amplificateur différentiel 3 amplifie les signaux de sortie du pont de Wheatstone 1 et les transmet au redresseur 4. Le redresseur 4 redresse ces signaux et les transmet au filtre passe-bas 5. Dans ce mode de réalisation, le signal de sortie du filtre passe-bas 5 est un signal continu proportionnel au déséquilibre du pont de Wheatstone et indépendant des décalages et dérives des résistances le constituant. Dans la figure 2 on voit un pont de Wheatstone 1, un générateur de tension de référence 6 relié à un inverseur de tension 7 et à un modulateur 8 relié lui-même à l'entrée du pont de Wheatstone, un oscillateur 9 qui commande le modulateur 8, un retardateur 10 relié à un calculateur 12, un amplificateur différentiel 3 relié à la sortie de l'amplificateur 3 et commandé par le retardateur 10, un filtre passe-bas 5 relié à la sortie du démodulateur 11, et un convertisseur analogique-numérique 13 dont l'entrée du signal de référence 15 est reliée au générateur de tension de référence 6 et dont l'entrée de conversion 14 est reliée au filtre passe-bas 5. L'inverseur de tension 7, aussi appelé "miroir de tension", délivre une tension de référence exactement opposée à celle délivrée par le générateur de tension 6. Un exemple de réalisation d'un tel miroir de tension est présenté en regard de la figure 3. Le modulateur 8 relie les bornes d'entrée du pont de Wheatstone alternativement au générateur 6 et au miroir de tension 7 en alternant à chaque impulsion reçue de l'oscillateur 9. De cette manière, les signaux reçus par le pont de Wheatstone sont carrés, alternatifs et possèdent une tension moyenne nulle. L'oscillateur 9 peut, par exemple, être constitué d'un oscillateur à quartz suivi de portes logiques, de type bascule, diviseuses de fréquence. Le démodulateur 11 alterne les branchements des bornes d'entrée et de sortie. Plus précisément, le signal de sortie est alternativement égal à celui d'entrée ou opposé à celui-ci, l'alternance se faisant à chaque impulsion provenant du retardateur 10. Le modulateur 8 et le démodulateur 11 peuvent être constitués notamment d'amplificateurs opérationnels. Le calculateur 12, préférentiellement constitué dlun microprocesseur, a pour fonction de commander la durée du retard généré par le retardateur 10 en l'ajustant au temps de réponse du circuit relié au pont de Wheatstone 1. En effet, selon la distance séparant le pont de Wheatstone I des autres circuits, un retard peut séparer l'émission d'une impulsion par l'oscillateur 9 et le retour, sur le démodulateur 11, des signaux consécutifs à cette impulsion. Le retardateur 10 permet de compenser ce retard de telle manière que la commutation du démodulateur Il est synchronisée avec l'inversion du signal provenant de l'amplificateur différentiel 3. Le retardateur 10 peut notamment être constitué de circuits monostables, de lignes à retard ou de compteurs numériques, selon des schémas connus de lthomme de l'art. Le calculateur 12 est adapté à mesurer le temps de réponse du circuit relié au pont de Wheatstone 1 et à commander le retardateur 10 de manière à générer un retard égal audit temps de réponse. I1 est notable que le modulateur 8 et le démodulateur 11 ont des fonctions qui peuvent aussi caractériser des commutateurs. L'utilisation de commutateurs est donc conforme à l'esprit de l'invention. Les transferts de signaux entre l'entrée et la sortie du commutateur 11 sont explicités dans la description faite en regard de la figure 4. En comparaison avec le dispositif de la figure 1, l'alimentation alternative 2 est ici constituée par le générateur de tension de référence 8, le miroir de tension 7 et le modulateur 8. Dans la figure 3 on voit un miroir de tension placé entre une borne d'entrée 17 et une borne de sortie 18, constitué de deux transistors 23 et 24, de deux condensateurs identiques 25 et 26 dont les connections sont contrôlées par les transistors 23 et 24. Les deux transistors 23 et 24 sont commandés parallèlement de telle manière que les condensateurs 25 et 26 sont alternativement connectés entre eux à leurs deux bornes et déconnectés, par commutation régulière des transistors 23 et 24. De cette manière, le condensateur 25 est chargé pendant une partie du cycle de fonctionnement où il est alimenté par la borne 17 et le condensateur 26 reçoit la charge du condensateur 25 pendant 11 autre partie du cycle et se décharge dans la borne 18. Ce circuit symétrique réalise un miroir de tension, puisque la tension de sortie entre la masse et la borne 18 est opposée à la tension d'entrée entre la masse et la borne 17. Dans la figure 4 on voit des signaux caractéristiques du fonctionnement du dispositif. Le signal 19 correspond au signal entrant sur le pont de Wheatstone 1, le signal 20 au signal de sortie du pont de Wheatstone 1, le signal 21 au signal de sortie du démodulateur 11 et le signal 22 au signal de sortie du filtre passe-bas 5. Ces signaux sont suffisamment explicites pour ne pas nécessiter de commentaire. On remarque que le signal 21 est un signal continu présentant sur de courts intervalles des dents de scie de forte pente. Après passage dans le filtre passe-bas 5, le signal 21 devient un signal continu 22 dont l'amplitude est proportionnelle à celle du signal de sortie du pont de Wheatstone 1, donc à son déséquilibre. Dans la figure 5 on voit un plateau 29, une poutre 30 portant quatre jauges de contraintes 31, 32, 33 et 34 reliées aux noeuds du pont de Wheatstone 1 faisant partie d'un circuit électronique 35 incorporant en sortie le numériseur 13, un clavier 36, un afficheur 37 et un moyen de commande 38 de l'afficheur 37 relié au clavier 36 et au numériseur 13. Le plateau 29, la poutre 30 et les jauges de contraintes 31, 32, 33 et 34 sont de types connus notamment dans la réalisation de balances. En particulier, la poutre 30 peut être de type Cantilever et les jauges de contraintes 31, 32, 33 et 34 peuvent être réalisées par collage ou diffusion. Ces jauges de contraintes fonctionnent en compression et en extension. Le circuit électronique 35 est celui présenté en regard de la figure 2. Le clavier 36 est de type connu. I1 possède ici au moins quatre touches 39, 40, 41 et 42. L'afficheur 37 est de type connu. Le moyen de commande 38 peut être constitué d'un microcontrôleur incorporant un programme de commande. Le numériseur 13 étant de haute précision, le moyen de commande 38 détermine une précision d'affichage et effectue le tarage par différence de la valeur mesurée par le dispositif et fournie par le numériseur 13 et d'une valeur mémorisée. Les touches 39, 40, 41 et 42 du clavier 36 possèdent respectivement les positions de tarage et de sélection de trois gammes de précision. La touche de tarage 39 provoque la mémorisation par le moyen de commande 38 de la valeur fournie par le numériseur 13 au moment où on la presse. Ensuite, le moyen de commande effectue en permanence la différence de la valeur fournie par le numériseur 13 et de la valeur ainsi mémorisée. Les touches 40, 41 et 42 déterminent trois taux de précision d'affichage, par exemple par gramme, par deux grammes et par cinq grammes ou par cinq grammes, par dix grammes et par vingt grammes. En fonctionnement automatique, le moyen de commande est adapté à sélectionner automatiquement la précision de l'affichage. Il est à noter que la balance selon l'invention possède une seule échelle de mesure, selon une précision unique mais permet un affichage selon différentes précisions. REVENDICATIONS 13 Dispositif d'amplification du signal de déséquilibre dun pont de Wheatstone (1), caractérisé en ce qu'il comporte une alimentation alternative (2) délivrant des signaux carrés dont le composante de tension continue est nulle, reliée à l'entrée du pont de Wheatstone (1), un amplificateur différentiel (3) connecté en sortie du pont de Wheatstone (1), un redresseur (4) connecté en sortie de l'amplificateur différentiel (3) et un filtre passe-bas (5) connecté en sortie du redresseur (4), de telle manière que le signal sortant du filtre passe-bas (5) est continu et proportionnel au déséquilibre du pont de Wheatstone (1). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alimentation alternative (I) comprend une source de tension de référence (6), un inverseur de tension (7) et un modulateur (8) donnant à sa sortie alternativement et à intervalles de temps réguliers la tension provenant de la source de tension (6) et de l'inverseur de tension (7). 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur analogique-numérique (13) dont l'entrée de conversion (14) est connectée à la sortie du filtre passe-bas (5) et dont entrée de tension de référence (15) est connectée à la source de tension de référence (6). 4) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que les résistances du pont de Wheatstone sont constituées de jauges de contraintes (31, 32, 33, 34) placées sur une poutre (30) reliée à un plateau (29) et en ce qu'un afficheur (37) est relié au numériseur (13), de manière à constituer une balance. 5) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de commande (38) de l'afficheur (37) relié au numériseur et adapté à afficher sur l'afficheur (37) le nombre sortant du numériseur (13) selon différentes précisions. 6) Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que l'inverseur de tension est constitué de deux transistors (23, 24) adaptés à charger alternativement un condensateur (25) et à le décharger dans un condensateur identique (26) relié à la sortie (18), la commutation des transistors se faisant à intervalles de temps réguliers. 7) Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6 caractérisé en ce que le modulateur (8) est commandé par un oscillateur i9), et en ce que le redresseur est composé d'un démodulateur (11) commandé par l'oscillateur (9). 8) Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que la commande du démodulateur (11) par l'oscillateur (9) se fait à travers un retardateur (10) qui retarde la transmission d'impulsion de l'oscillateur (9) au démodulateur (11). 9) Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il possède un calculateur (12) adapté à commander au retardateur (10) la génération d'un retard égal au temps de réponse du circuit relié au pont de Wheatstone (1), ledit temps de réponse étant fonction de la distance séparant ce dernier de l'oscillateur (9). 10) Dispositif selon lVune des revendications 2 à 11 caractérisé en ce que le modulateur (8) est constitué d'un commutateur.