Brevet FR2673720A1 — publié le 19920911

Procédé et dispositif pour la préparation d'un si- gnal de détection " L'invention concerne un procédé pour la pré- paration d'un signal de détecteur, notamment pour un détecteur de pression, qui comprend deux éléments de détection, lesquels délivrent sous l'action d'une pression, des signaux qui sont superposés à un signal de détecteur à préparer et auxquels est superposé, pour la compensation de la température, un signal dé-10 pendant de la température L'invention concerne égale- ment un dispositif pour la préparation d'un signal de détecteur, notamment pour un détecteur de pression, qui comprend deux éléments de détection, qui sous l'action d'une pression délivrent des signaux qui sont15 superposés à un signal de détecteur à préparer et auxquels est superposé pour la compensation de températu- re, un signal dépendant de la température. Par le document DE-OS 36 12 810, on connaît un dispositif pour la mesure d'une pression dans le- quel le signal de sortie d'un détecteur de pression de résistance à couche épaisse, est exploité au moyen d'un agencement de circuit approprié Dans ce cas, les résistances à couches épaisses qui constituent l'agen- cement de détection proprement dit, sont disposées se-25 lon un circuit en pont, ce circuit en pont étant fixé sur un support déformable élastiquement sous l'effet de la pression Sous l'effet de la pression, les va- leurs des résistances du pont se modifient, de sorte que le pont est désaccordé et que sur la diagonale du pont, un signal de mesure peut être prélevé. Comme le détecteur de pression à résistance à couche épaisse et également l'agencement de circuit sont affectés d'erreurs d es à la température, l'évo- lution de cette température doit être compensée à l'aide de résistances dépendant de la température. Une amélioration de ce dispositif est connue par le document DE-OS 39 08 795 Dans ce document, il est proposé un procédé et un dispositif pour la mesure d'une pression, l'élément de détection étant constitué par deux circuits en pont de résistances à couches épaisses Dans le circuit d'exploitation, il s'effec- tue une compensation de température, une correction offset et une linéarisation des signaux de sortie du détecteur, qui se traduit par une amélioration de la précision lors de l'exploitation Ce dispositif connu par le document DE-OS 39 08 795 présente toutefois l'inconvénient qu'il est assez coûteux, et qu'en ou- tre, pour la compensation de température, il est uti- lisé des résistances NTC, c'est-à-dire des résistances avec des coefficients de température négatifs, dont les coefficients de température ne sont constants que dans une étendue de température limitée. L'invention a pour but de remédier à ces in- convénients et propose à cet effet un procédé pour la préparation de signaux de détection, notamment pour un détecteur de pression, caractérisé en ce qu'au moins une partie du signal dépendant de la température est obtenue à l'aide d'au moins un amplificateur opéra- tionnel branché sous la forme d'un convertisseur d'im- pédance négative (NIC) L'invention propose également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, caractérisé en ce que le signal dépendant de la tempé- rature est produit à l'aide d'un agencement de circuit qui comporte au moins un amplificateur opérationnel branché sous la forme d'un convertisseur d'impédance négative (NIC). Le procédé conforme à l'invention et le dis- positif conforme à l'invention avec les caractéristi- ques définies ci-dessus, ont par rapport aux procédés et aux dispositifs connus à partir de l'état de la technique, l'avantage que grâce à la mise en oeuvre de convertisseurs d'impédance négative, au lieu de résis- tances NTC, une dépense de circuit notablement plus réduite est nécessaire pour l'amplification du signal de détection et la correction des non linéarités de ce signal de détection. La compensation de l'évolution de la tempé- rature est également notablement simplifiée par la mise en oeuvre d'un convertisseur d'impédance négative (NIC), car on a alors un coefficient de température réglable et constant sur une large étendue de tempéra- tures. L'équilibrage du décalage des deux circuits en pont est également possible avec une dépense de circuit très réduite, ainsi qu'avec une précision amé- liorée et une influence minimale de l'évolution de la température du signal de détection, car le découplage du signal s'effectue par l'intermédiaire de potentio- mètres réglables en couches épaisses avec prises mé- dianes. Grâce à d'autres caractéristiques de l'in- vention, des compléments avantageux et des améliora- tions du dispositif dont les caractéristiques ont été indiquées ci-dessus peuvent être réalisés. C'est ainsi que selon une autre caractéris- tique de l'invention, aux deux éléments de détection sont associés des potentiomètres réglables à couches épaisses, qui se situent chacun parallèlement à la diagonale d'alimentation et qui sont reliés par un côté de leurs prises médianes à la diagonale de signa- lisation et par l'autre côté de leurs prises médianes avec l'autre agencement de circuit. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, la prise médiane du potentiomètre réglable à couche épaisse est reliée à un amplificateur opéra- tionnel branché sous la forme d'un convertisseur d'im- pédance négative, et la prise médiane du potentiomètre réglable à couche épaisse est en liaison avec un am- plificateur opérationnel branché sous la forme d'un amplificateur différentiel, et les deux amplificateurs opérationnels sont reliés ensemble par l'intermédiaire d'une résistance et un autre amplificateur opération- nel branché sous la forme d'un convertisseur d'impé- dance négative ainsi qu'un amplificateur totalisateur sont branchés à la suite, et l'amplificateur opéra- tionnel est relié à une autre résistance dépendant de la température, tandis qu'à la sortie de l'amplifica- teur opérationnel est obtenue la tension de sortie compensée en température. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, les éléments de détection sont deux circuits en pont de résistances à couches épaisses. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, l'ensemble de l'agencement est placé sur un hy- bride dont la face arrière est métallisée. Enfin, selon une autre caractéristique de l'invention, un moyen de limitation de la tension constitué par les résistances est placé entre l'ampli- ficateur opérationnel et la sortie. Un exemple de réalisation de l'invention est représenté sur la figure unique ci-jointe et va être exposé plus en détail dans la description ci-après. La figure représente un agencement de cir- cuit qui est exploité entre une borne de tension d'a- limentation désignée par U+ et une borne désignée par U et qui est reliée à la masse. Le détecteur proprement dit 10 est constitué par deux éléments de détection 11, 12 qui de leur cô- té, sont des circuits de résistances en pont Rl à R 4 et R 5 à R 8, et dont les diagonales d'alimentation sont raccordées, d'un côté à la sortie d'un amplificateur opérationnel Opl et à une résistance de démarrage R 15, et de l'autre côté, directement à la masse Par diago- nales d'alimentation, on entend la diagonale du cir- cuit en pont qui est raccordée à la tension d'alimen- tation. L'autre diagonale de l'élément de détection 11 est reliée, par l'intermédiaire de la prise médiane d'un potentiomètre réglable à couche épaisse R 13 à l'entrée inversée d'un amplificateur opérationnel Opl, tandis que l'autre côté de cette diagonale de pont, est directement relié à l'entrée non inversée de cet amplificateur opérationnel Opl Les deux autres côtés du potentiomètre réglable à couche épaisse R 13 sont reliés à la diagonale d'alimentation du premier élé- ment de détection 11. Entre la borne de tension d'alimentation U+ et la masse, est en outre placé un diviseur de tension R 11, R 12, tandis que le point de jonction entre les résistances R 11 et R 12 est relié par l'intermédiaire d'une résistance R 9, également à l'entrée non inversée de l'amplificateur opérationnel Opl L'élément de dé- tection 11, l'amplificateur opérationnel Opl, les ré- sistances R 9, Rll et R 12, ainsi que le potentiomètre réglable à couche épaisse R 13 sont désignés dans la description fonctionnelle ci-après en tant qu'étages 1. L'élément de détection 12, qui est relié, par un des côtés de sa diagonale d'alimentation, à la sortie de l'amplificateur opérationnel Opl et qui est relié par l'autre côté de cette diagonale à la masse, est relié par l'intermédiaire de la prise médiane d'un potentiomètre réglable à couche épaisse R 14, à l'en- trée non inversée d'un amplificateur opérationnel Op 2, dont l'entrée inversée est reliée à l'autre côté de cette diagonale de pont de l'élément de détection 12. Les deux autres raccordements du potentiomètre régla- ble à couche épaisse R 14 sont reliés a la diagonale d'alimentation de l'élément de détection 12 La sortie de l'amplificateur opérationnel Op 2 est reliée par l'intermédiaire d'une résistance R 10 à son entrée inversée et, en outre, par l'intermé- diaire d'une résistance R 16 au point de jonction entre les résistances R 11 et R 12. Une autre branche va de la sortie de l'am- plificateur opérationnel Op 2, par l'intermédiaire d'u- ne résistance R 17 à l'entrée non inversée d'un ampli- ficateur opérationnel Op 3. Le second élément de détection 12, l'ampli- ficateur opérationnel Op 2, la résistance R 10 ainsi que le potentiomètre réglable à couche épaisse R 14, sont désignés sous l'appellation d'étage 2. La résistance R 17 déjà mentionnée, qui est en liaison avec d'autres résistances R 19, R 20 ainsi que R 18 et un amplificateur opérationnel Op 3, consti- tuent un agencement de circuit désigné dans ce qui suit par l'appellation étage 3 Ce branchement de l'amplificateur opérationnel Op 3 est connu, par ail- leurs, en tant que convertisseur d'impédance négative (NIC). - La résistance R 18 est reliée à l'entrée in- versée d'un autre amplificateur opérationnel Op 4, ce- lui-ci étant de la façon habituelle branché entre la borne de tension d'alimentation U+ et la masse L'en- trée non inversée de l'amplificateur opérationnel Op 4 est reliée par l'intermédiaire d'une résistance R 22 à la masse, et par l'intermédiaire d'une résistance R 21 avec la borne de tension d'alimentation. La sortie de l'amplificateur opérationnel Op 4 est reliée par l'intermédiaire d'une résistance R 37 à la borne de sortie A du circuit, cette borne de sortie A étant en outre, reliée à la masse par l'in- termédiaire de la résistance R 32 et à la borne de ten- sion d'alimentation U+ par l'intermédiaire de la ré- sistance R 33 Un condensateur C 3 est placé entre la sortie de l'amplificateur opérationnel Op 4 et son en- trée inversée. La partie de circuit avec l'amplificateur opérationnel Op 4, les résistances R 21, R 22, R 32, R 33, R 36 et R 37 se trouvant en liaison avec le Op 4, ainsi qu'avec le condensateur C 3, est dans ce qui suit dési- gné sous l'appellation d'étage 4 et constitue un am- plificateur de sommation. Un réseau de résistances qui comprend les résistances R 23 à R 31 ainsi que les résistances R 34 et R 35, est placé entre la borne de tension d'alimenta- tion U+ et la masse. En dehors des parties constitutives décrites jusqu'ici, un condensateur Cl est en outre placé entre la borne de tension d'alimentation U+ et la masse, et un condensateur C 2 entre la masse et la borne de sor- tie A. Les résistances R 1 à R 4 du premier élément de détection, les résistances R 5 et R 8 du second élé- ment de détection, ainsi que les résistances R 9 et R 10 sont réalisées à partir de la même pâte de résistance. Les potentiomètres à couches épaisses R 13, R 14 sont fabriqués en une pâte de résistance stable convenant pour le réglage, de sorte que lors du pro- cessus de réglage, il ne se produit pas de défauts in- désirables. Les résistances R 18 et R 19, ainsi que R 28, R 29, ainsi que R 32 à R 37, sont susceptibles d'être ré- glées et sont accordées de façon appropriée Les ré- sistances R 26, R 27, R 30, R 31 sont des résistances NTC avec des coefficients de température négatifs Les ré- sistances R 17, R 28, R 25, R 29 sont des résistances PTC avec des coefficients de température positifs. Mode de fonctionnement de l'agencement de circuit et particularités du processus de réglage. Etage 1 - L'amplificateur opérationnel Opl de l'étage 1, auquel est appliqué le signal Si de l'élément de détection 11, est branché en convertisseur d'impédance négative (NIC) Les résistances Rl à R 14 de l'élément de détection 11, forment ainsi directement le branche- ment du NIC L'amplification de l'amplificateur opéra- tionnel Opl est déterminée par le rapport de la résis- tance R 9 à la résistance interne du branchement Rl, R 2 du pont Les résistances Rl à R 4 de l'élément de dé- tection 11, ainsi que la résistance R 9, sont fabri- quées à partir de la même pâte de résistances de dé- tection, ce qui garantit une étroite répartition de l'amplification Le point de fonctionnement de l'am- plificateur opérationnel Opl est fixé par le diviseur de tension Rtl/R 12, à sa sortie on a la tension U 15. La tension entre les résistances R 11, R 12 est désignée par U 19. Le potentiomètre réglable à couche épaisse avec la prise médiane R 13, compense le décalage de pont de l'élément de détection 11, il ne sollicite que légèrement la sortie de l'amplificateur opérationnel Opl et il est adapté dans une large étendue pour des valeurs de décalage positives et négatives Comme le potentiomètre réglable à couche épaisse R 13 comporte une prise médiane, un prélèvement glissant de la ten- sion de pont est possible sans que la tension de pont elle-même en soit influencée. Comme le potentiomètre réglable à couche épaisse est fabriqué en une pâte de résistances stable et appropriée pour le réglage, une stabilité particu- lièrement bonne peut être obtenue Cette stabilité est nettement meilleure que la stabilité d'un diviseur de tension comparable en résistances individuelles. Le dimensionnement des résistances de l'éta- ge 1 est prévu de façon que la résistance totale du potentiomètre réglable à couche épaisse R 13 soit qua- tre fois plus grande que la valeur de la résistance R 9 Il est ainsi garanti que les deux demi-rameaux du pont de l'élément de détection 11, soient sollicités de façon à peu près identique et soient ainsi égale- ment amplifiés au même niveau Un alignement entre les résistances R 9 et R 13 n'est pas nécessaire, car la sollicitation des demi-rameaux du pont n'est qu'une fraction de la résistance interne. Le premier étage prend en charge, ainsi au total, la pré-amplification ainsi que l'alimentation de la diagonale d'alimentation du circuit de pont de l'élément de détection 11, avec le signal de pression pré-amplifié et inversé La rétro-action active du si- gnal de pression sur la diagonale d'alimentation sert à linéariser la courbe caractéristique, car vis-à-vis d'un pont de résistance alimenté de façon constante, la sensibilité lorsque la pression croît, est reprise par abaissement de la tension d'alimentation. Le point de fonctionnement de l'amplifica- teur opérationnel Opl du premier étage se situe pour le dimensionnement choisi du circuit, pour un pont non désaccordé, à U 15 = 2 U 19, et à la sortie on a la tension U 16. Avec le désaccord croissant du pont, la ten- sion de sortie se modifie selon une fonction qui dé- pend des valeurs des résistances Ri à R 4 Cette ten- sion de sortie s'oppose alors à l'évolution non li- néaire du désaccord donnée par l'élément de détection en fonction de la pression. Etage 2 - Des résistances R 5 à R 8 de l'élément de dé- tection 12, forment conjointement avec le réglage du pont, le signal d'entrée 52 de l'amplificateur opéra- tionnel Op 2 fonctionnant en tant qu'amplificateur dif- férentiel L'amplification différentielle qui est dé- terminée par la résistance R 10 assure la pré- amplification de l'élément de détection 12, auquel cas l'alimentation du pont pour la linéarisation s'effec- tue en fonction de la pression par l'amplificateur opérationnel Op I La résistance R 10 ainsi que les ré- sistances R 5 à R 8 sont, par ailleurs, fabriquées à partir de la même pâte de résistance. Le signal amplifié du pont de détection 11 est converti sur le pont de détection 2 en un signal en mode commun qui est amplifié avec l'amplification en mode commun 1 Dans l'étage 2 est ainsi réalisée, dans un étage unique, la pré-amplification du pont de détection 12 et la totalisation des deux signaux déli- vrés par les éléments de détection Il et 12. Un dimensionnement de R 10 = R 9 donne une to- talisation des signaux délivrés par les deux éléments de détection 11, 12, dans le rapport 1: 1 Le décala- ge de pont de l'élément de détection 12 est compensé, il tout comme le décalage de pont de l'élément de détec- tion 11, à l'aide d'un potentiomètre réglable à couche épaisse R 14, et, dans ce cas, il en résulte pour des raisons de symétrie, que la valeur de la résistance R 14 correspond à la valeur quadruple de la résistance R 10 Comme potentiomètre réglable à couche épaisse R 14, on utilise un potentiomètre réglable à couche épaisse fabriqué à partir d'une pâte de résistance ap- propriée. Pour l'étage 2, lorsque le potentiomètre ré- glable se trouve dans sa position médiane et que les résistances R 5 = R 8, R 6 = R 7, R 14 = 4 R 10, il en ré- sulte que le désaccord du pont est une fonction de la pression et est en outre dépendant des valeurs des ré- sistances R 5 à R 7 Le point de fonctionnement du se- cond étage se situe, pour un pont non désaccordé, à U 16 = U 21 Par rétro-action du signal de totalisation obtenu, par l'intermédiaire de la résistance 16 sur U 19, des courbures de différentes grandeurs de la courbe caractéristique peuvent être linéarisées Si ces courbes caractéristiques sont mesurées, de sorte que le tracé précis soit connu, elles peuvent être exactement réglées, grâce à quoi on peut obtenir une précision notablement plus élevée du détecteur de pression à couche épaisse. Etage 3 - L'amplificateur opérationnel Op 3 de l'étage 3 est un amplificateur opérationnel branché en conver- tisseur d'impédance négative (NIC) qui sert à compen- ser l'évolution de température de la sensibilité Ce NIC doit alors remplacé la résistance NTC proprement dite nécessaire, c'est-à-dire une résistance avec un coefficient de température négatif L'utilisation d'un NIC au lieu d'une NTC est dans ce cas, particulière- ment avantageuse car des résistances NTC comportent habituellement un tracé fortement courbé de l'évolu- tion de température et ce tracé devrait alors être compensé de façon supplémentaire. L'agencement de circuit de l'étage 3 compor- te, par contre, une résistance PTC qui grâce au bran- chement approprié avec l'amplificateur opérationnel Op 3, permet d'obtenir les mêmes propriétés, mais ce- pendant, sans engendrer une insécurité supplémentaire du fait d'une évolution de température courbée. Pour l'amplificateur de sommation dans le quatrième étage, l'amplificateur opérationnel Op 3 constitue conjointement avec les résistances R 17, R 19, R 18 et R 20, une résistance NTC avec la valeur Rn pour laquelle on a la condition Rn = R 18 R 17 R 29 La résistance R 17 étant une résistance PTC La valeur de cette résistance simulée ainsi que son coefficient de température peuvent être en conséquence, réglés grâce aux résistances R 18 à R 20. Pour le réglage du coefficient de températu- re Tk de l'amplification, on détermine dans une mesure de l'évolution de la température, la valeur réelle de la résistance totale modulée et on détermine à partir de là, la valeur à régler de la résistance de réglage R 18. Etage 4 - * Dans le quatrième étage, le signal de pres- sion et les signaux de compensation de température, sont totalisés A partir d'une mesure de l'évolution de la température, les résistances de pondération R 34 et R 35 peuvent être déterminées exactement au préala- ble, car l'étage 4 ne comporte pas de rétro-action vers les étages précédents De même le réglage de la courbe caractéristique n'a pas d'influence sur la com- pensation de la température, de sorte qu'après la com- pensation de la température, en principe des variantes quelconques de courbes caractéristiques peuvent être réalisées. La sortie de l'étage 4 est branchée sous la forme d'un filtre passe-bas de second ordre, de sorte que les charges capacitives ne peuvent pas entraîner des oscillations et que les impulsions parasites sur la liaison sont bloquées. A la sortie du détecteur, on a un circuit de limitation de la tension qui est constitué par les ré- sistances R 32, R 33 et R 37 Par un choix approprié de ces résistances, on a la certitude qu'à la sortie du détecteur,, seules des valeurs de tension entre 2,4 V et 4,8 V sont possibles en fonctionnement normal En cas de court circuit ou d'interruption des liaisons d'amenée, conjointement avec le branchement ci-après de l'entrée de l'appareil de commande, un diagnostic de défaut est en conséquence possible, et une pertur- bation pendant le fonctionnement est détectée et indi- quée par l'appareil de commande peu de temps après qu'elle survienne. L'agencement de circuit représenté sur la figure se trouve sur un hybride dont la face arrière forme par métallisation une masse de référence plane qui, d'une part, sert de potentiel de référence pour les condensateurs de blocage et qui constitue, par ailleurs, un blindage direct d'un demi côté de l'agen- cement de circuit Des contacts traversants appropriés réalisent une liaison courte et massive à la masse et grâce au condensateur de blocage au raccordement ex- terne du détecteur de pression, l'irradiation de con- duction est amortie Grâce à ces dispositions, une bonne compatibilité électromagnétique (EMV) est assu- ree. La bonne symétrie résultant du branchement uniquement par résistance des entrées des amplifica- teurs opérationnels, notamment du premier et du second étages, ainsi que la conception du schéma de montage, augmentent notablement la résistance à l'irradiation. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la préparation d'un signal de détecteur, notamment pour un détecteur de pression, qui comprend deux éléments de détection, lesquels dé- livrent sous l'action d'une pression, des signaux (Si, 52) qui sont superposés à un signal de détecteur à préparer et auxquels est superposé, pour la compensa- tion de la température, un signal dépendant de la tem- pérature, procédé caractérisé en ce qu'au moins une partie du signal dépendant de la température est obte- nue à l'aide d'au moins un amplificateur opérationnel branché sous la forme d'un convertisseur d'impédance négative (NIC). 2. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les signaux (Si, 52) sont déclenchés par l'intermédiaire d'une prise médiane à partir d'un potentiomètre réglable à couche épaisse (R 13, R 14) se trouvant en liaison avec chacun des éléments de détec- tion ( 11, 12). 3 Dispositif pour la préparation d'un si- gnal de détecteur, notamment pour un détecteur de pression, qui comprend deux éléments de détection qui, sous l'action d'une pression délivrent des signaux (Si, 52) qui sont superposés à un signal de détecteur à préparer et auxquels est superposé pour la compensa- tion de température, un signal dépendant de la tempé- rature, dispositif caractérisé en ce que le signal dé- pendant de la température est produit à l'aide d'un agencement de circuit qui comporte au moins un ampli- ficateur opérationnel branché sous la forme d'un con- vertisseur d'impédance négative (NIC). 4. Dispositif selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce qu'aux deux éléments de détection ( 11, 12) sont associés des potentiomètres réglables à cou- ches épaisses (R 13, R 14), qui se situent chacun paral- lèlement à la diagonale d'alimentation et qui sont re- liés par un côté de leur prise médiane à la diagonale de signalisation et par l'autre côté de leur prise mé- diane avec l'autre agencement de circuit. 5 Dispositif selon la revendication 4, ca- ractérisé en ce que la prise médiane du potentiomètre réglable à couche épaisse (R 13) est reliée à un ampli- ficateur opérationnel (Opl) branché sous la forme d'un convertisseur d'impédance négative, en ce que la prise médiane du potentiomètre réglable à couche épaisse (R 14) est en liaison avec un amplificateur opération- nel (Op 2) branché sous la forme d'un amplificateur différentiel, et les deux amplificateurs opérationnels (Opl, Op 2) sont reliés ensemble par l'intermédiaire d'une résistance (R 16) et un autre amplificateur opé- rationnel (Op 3) branché sous la forme d'un convertis- seur d'impédance négative ainsi qu'un amplificateur totalisateur (Op 4) sont branchés à la suite, et l'am- plificateur opérationnel (Op 4) est relié à une autre résistance dépendant de la température, tandis qu'à la sortie de l'amplificateur opérationnel (Op 4) est obte- nue la tension de sortie compensée en température. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les élé- ments de détection ( 11, 12) sont deux circuits en pont de résistances à couches épaisses (Ri à R 4, R 5 à R 8). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que l'ensemble de l'agencement est placé sur un hybride dont la face arrière est métallisée. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'un moyen de limitation de la tension constitué par les résistances (R 32, R 33, R 34) est placé entre l'amplificateur opéra- tionnel (Op 4) et la sortie.