Brevet FR2690524A1 — publié le 19931029

Procédé de compensation en température d'un pont de jauges de mesure de pression La présente invention concerne un procédé de compensation en température d'un pont de jauges de mesure de pression comportant deux bornes d'entrée et deux bornes de sortie. Actuellement, les capteurs de pression les plus performants font appels à une cellule de pression à pont de jauges piezo-résistives diffusées sur silicium ou déposées sur céramique. Dans les cellules piézo-résistive, l'élément sensible est une membrane en silicium sur laquelle sont diffusées quatre jauges de contrainte piézo-résistives branchées en pont de Wheatstone. Sous l'effet de la pression, la membrane se déforme et créée un déséquilibre du pont fournissant ainsi un signal de sortie proportionnel à la pression mesurée. Une cellule de pression piézo-résistive ne peut toutefois pas être utilisée directement du fait qu'elle est sensible aux effets de la température qui agissent sur sa sensibilité et sur le zéro. Ces dérives sont de l'ordre de 30 % de l'étendue de mesure alors que la précision recherchée est de 1 t. Diverses techniques sont actuellement utilisées en vue de compenser en température de tels capteurs de pression. C'est ainsi que l'on a déjà proposée la compensation en courant. La température agit en effet sur la sensibilité du capteur en la faisant décroître, mais la résistance des jauges augmente dans le même temps. Si l'on fait donc parcourir le pont par un courant constant, l'augmentation de la résistance provoque une augmentation de la tension qui tente à corriger la perte de sensibilité. Cette technique n'est toutefois efficace que pour des plages de température réduites et ne corrige pas les dérives du zéro. Un autre procédé consiste à utiliser des thermistances à coefficient de température positif ou négatif placées de manière à s'opposer aux effets de la température. La non linéarité des thermistances et la très grande dispersion de leurs tolérances, cumulées à une variation quasiment nulle aux températures froides et à une limite d'utilisation généralement située à 125 degrés C font que ce type de compensation n'est efficace que dans l'intervalle de température de -20 degrés C à +80 degrés C avec une erreur sur le capteur supérieure à 2 %. La présenté invention vise à palier ces inconvénients en fournissant un capteur de pression à pont de jauges compensé en température, possédant une erreur inférieure à 1 % dans l'intervalle de température de -20 degrés C à +100 degrés C, et dont la compensation thermique agit de -55 degrés C à +150 degrés C avec une erreur inférieure à 4 % en cumulant les erreurs liées aux effets de la température sur les dérives du zéro et de la sensibilité, aux erreurs d'étalonnages, d'hystérésis et de linéarité, et aux dérives à moyen et long terme. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de compensation en température d'un pont de jauges de mesure de pression comportant deux bornes d'entrée et deux bornes de sortie, caractérisé par la connexion d'une thermosonde à fil résistant notamment en platine, entre l'une des bornes d'entrée et au moins une des trois autres bornes. La thermosonde est de préférence utilisée en série avec une résistance fixe. Dans le cas particulier où l'on souhaite compenser la dérive du zéro, la thermosonde est connectée entre une des bornes de sortie et ladite borne d'entrée, une résistance fixe étant connectée entre l'autre borne de sortie et ladite borne d'entrée. Dans le cas où l'on souhaite compenser la sensibilité, la thermosonde est connectée entre l'autre borne d'entrée et ladite borne d'entrée, une résistance fixe étant connectée entre l'autre borne d'entrée et l'alimentation. On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation particulier de l'invention en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels - la figure 1 représente un pont de jauges non compense, et - la figure 2 représente le même pont compensé conformément à l'invention. On voit à la figure 1, un pont de jauges R1, R2, R3, R4 alimenté par une tension constante U entre R1 et R2 d'une part et R3 et R4 d'autre part, le signal de sortie V du pont étant pris entre R1 et R3 d'une part et R2 et 4 d'autre part. Ce pont de jauges peut par exemple être celui d'une cellule de mesure de pression de la société DRUCK LTD. On sait que R1 x R4 - R2 x R3 V = U x --------------------- (1) (R1 + R3) x (R2 + R4) La condition d'équilibre du pont est par conséquent R1 x R4 - R2 x R3 = 0 (2) En fait la formule (2) n'est généralement pas vérifiée avec précision de sorte que la compensation nécessiterait la connaissance de valeurs de résistance de R1 à R4. La mesure de ces résistances est toutefois délicate car elle demande une mesure isolée de chaque jauge. Dans le cas présent, les valeurs des résistances des quatre jauges sont quasiment identiques de sorte que l'on peut assimiler le pont à un pont équivalent qui possèderait la même résistance de pont R et le même déséquilibre U mais qui peut être défini par R1 = R4 = R + x R2 = R3 = R - x Il est possible, en faisant varier x, d'obtenir le déséquilibre U correspondant à toute température. On peut donc, en utilisant une méthode itérative, modéliser le pont pour trois températures de compensation, froide, ambiante et chaude. En plus du déséquilibre initial du zéro, le pont de jauges se déséquilibre avec la température. Ceci est dû au fait que la résistivité du silicium augmente avec la température, surtout aux températures chaudes. On supposera maintenant que le pont de jauges est équilibré à la température ambiante. On se référera à la figure 2 en supposant en premier lieu que le pont est directement alimenté par la tension U et donc que les résistances R7 et R(2,i) sont absentes. Si, dans ce cas, on charge les deux branches de sortie du pont par deux résistances R5 et R6 identiques, le pont reste équilibré du fait de la formule (2). Si la résistance R6 est constituée comme cela est représenté d'un montage en série d'une résistance fixe 1 et d'une résistance 2 variable en fonction de la température, la résistivité de R6 va évoluer avec la température et le pont va se déséquilibrer. On calcule donc ce déséquilibre de façon qu'il annule le déséquilibre causé par l'effet de la température sur le pont de jauges. On utilise pour la résistance variable 2 une sonde de température en platine de 500 ohms à 0 degrés C. Sa variation de résistance est de 320 ohms de -40 degrés C à +125 degrés C. On suppose qu'à la température ambiante R5 = R6. L'effet de la température sur R6 sera évidemment d'autant plus grand que R5 et R6 seront faibles. Ces valeurs seront donc déterminées pour obtenir la meilleure compensation. En fait, la dérive du zéro n'est pas linéaire mais plutôt parabolique, de sorte que l'on ne pourra jamais compenser parfaitement la dérive mais seulement la réduire. Si, toujours en supposant que le pont est alimenté directement par la tension U, on remplace R3 et R4 dans la formule (1) par R3 x R5 R4 x R6 R3 = ------- (3) et R4 = ------- (4) R3 + R5 R4 + R6 on obtient R1 x R3 x R4 x R6 R5 = ---------------------------------- (5) R2 x R3 x (R4 + R6) - R1 x R4 x R6 R2 x R3 x R4 x R5 R6 = ---------------------------------- (6) R1 x R4 x (R3 + R5) - R2 x R3 x R5 Le calcul de la compensation de la dérive du zéro s'effectue alors de la façon suivante. Sur la figure 2, la résistance R6 qui varie avec la température est câblée sur la sortie - du point, ce câblage correspondant alors à une compensation négative. Dans le cas où R6 se trouverait câblée sur la sortie +, la compensation serait positive. A partir de la modélisation du pont décrite ci-dessus, et pour les températures de compensation froide, ambiante et chaude, on se fixe R5 et on calcule R6 pour obtenir l'équilibre à la température ambiante par la formule (6) ci-dessus. Si l'on fait évoluer R5 parmi une liste de valeurs préétablies, on obtient tous les cas de compensations possibles. On répète lors de cette opération pour les deux types de câblage de la compensation et, parmi la liste des dérives ainsi obtenues, on choisit celles qui correspond au plus faibles écarts, ce qui donne la valeur de la résistance R5 et celle de la résistance 1 de R6. On décrira maintenant la compensation de la sensibilité. Le pont est alors alimenté comme montré sur la figure 2 par l'intermédiaire d'un pont diviseur dont la branche reliée à la tension d'alimentation est constituée par une résistance fixe R7 et dont l'autre branche est constituée par la mise en série d'une résistance fixe R8 et une résistance variable 3 identique à la résistance variable 2. On désigne par R (2,i) la résistance de cette deuxième branche à la température ti, par U (2,i) la tension dans les mêmes conditions aux bornes de cette deuxième branche et par conséquent aux bornes du pont, et par U (l,i) la tension aux bornes de la deuxième branche. La sensibilité d'une cellule de pression est sa tension de sortie pour une pression donnée et une tension d'alimentation donnée. A pression constante, la tension de sortie est proportionnelle à la tension d'alimentation. La température ayant une grande influence sur la sensibilité, il est nécessaire de compenser les effets de la température sur la sensibilité afin d'obtenir finalement une tension de sortie indépendante de la température. On cherche en fonction de la température ti l'expression de la tension U (l,i) permettant d'avoir une sensibilité constante. On peut montrer que les lois de Kirchov permettent d'écrire U x R(2,i) X R (l,i) U (1 ,i) = R7 x R(2,i) + R7 x R(l,i) + R(l,i) x R(2,i) Les inconnues sont R7 et R (2,i) avec R (2,i) = R8 + R ti Les données sont - U, tension d'alimentation du pont. - R (l,i), résistance totale du pont et de sa compensation du zéro, pour la température t (i). - U (l,i), tension de compensation pour t (i) - t (i) température haute, basse et ambiante. Soit tl la température basse et t2 la température haute, tl, t2 étant l'intervalle de compensation. Soit R11, la résistance du pont pour tl et R12, la résistance du pont pour t2 U(1,2) Soit U1 = ------ à obtenir à tl de façon à avoir U la compensation à la température tl U(1,2) Soit U2 = ------ définie de façon identique pour U t2. Pour tl, on a la relation R11 x (R8 +Rtl) Ul = --- R7 x (R8 +Rtl + R11) + R1 x (R8 + Rtl) et l'on peut exprimer R7 en fonction de R8 R11 x (Rtl + R8) x (1 - U1) R7 = ------------------------------ U1 x (R11 + Rtl + R8) De même, pour t2 R12 x (Rt2 + R8) x (1 - U2) R7 = ----------------------------- U2 x (R12 + Rt2 + R8) On égale les deux relations, et on obtient une relation ne dépendant que de R8, que l'on peut donc calculer. R8 est solution de AR82 + BR8 + C = 0 avec A = R11 x U2 x (1 - U1) - R12 x U1 x (1 - U2) B = R11 x U2 x (1-U1) x [Rtl + Rt2 + R12] - R12 x U1 x (1-U2) x [Rt2 + R11 + Rtl] C = -R12 x U1 x (1 - U2) x tRt2 x R11 + Rt2 Rtl] + R11 x U2 x (1 - U1) x [Rtl R12 + Rtl Rt2] La solution du système est donc -B - B2 - 4 AC R'2 = ------------------- 2A -B + B2 ~ 4 AC R"2 = ------------------- 2A On choisit pour R2 la racine positive. Lorsque les deux racines sont négatives, la compensation est impossible. Il faut dans ce cas là choisir une sensibilité plus faible, c'est-à-dire choisir U1 et U2 plus faibles. Pratiquement, il est nécessaire, pour les trois températures de compensation froide, ambiante et chaude, de disposer - de la température en degrés C - de la tension de sortie du pont pour P = 0 - de la tension de sortie du pont pour P = P E (pleine échelle) - de la résistance du pont mesurée entre la sortie + et la sortie -, l'alimentation étant déconnectée. A partir des tensions de sorties pour P = O, et des résistances de pont, on calcule le pont équivalent de la façon décrite ci-dessus. Ensuite, on essaye toutes les valeurs de R5 pour les deux cas de compensation positive et négative. On retient pour R5 et R6 la valeur qui correspond aux dérives minimales de zéro. A partir des tensions de sortie pour P = PE (pression pour la pleine échelle), on calcule de nouveau le pont équivalent. En effet, lorsque la pression croit, les jauges R1... R4 se déséquilibrent suivant la même loi de déséquilibre que celle présentée ci-dessus (R1 et R4 augmentent tandis que R2 et R3 diminuent). A partir de la modélisation du pont pour P = O et P = PE, on rajoute R5 et R6 afin de modéliser le pont muni de sa compensation de zéro. On peut ainsi grâce à la formule (6) déterminer la sensibilité pour les trois températures, ainsi que les résistances de pont R (l,i). On possède donc les données nécessaires au calcul de la compensation de la sensibilité et à la détermination des résistances de compensation. A partir des formules ci-dessus, on peut calculer les tensions de sortie du pont ainsi compensé pour les trois températures. Il est ainsi possible de déterminer les valeurs des résistances de compensation permettant de compenser selon le procédé de l'invention les dérives de température du zéro et de la sensibilité. REVENDICATIONS 1. Procédé de compensation en température d'un pont de jauges de mesure de pression comportant deux bornes d'entrée et deux bornes de sortie, caractérisé par la connexion d'une thermosonde (2,3) à fil résistant entre l'une des bornes d'entrée et au moins une des trois autres bornes. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la thermos onde est connectée en série avec une résistance fixe (1,R8). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, pour la compensation de la dérive du zéro, dans lequel la thermosonde (2) est connectée entre une des bornes de sortie et ladite borne d'entrée, une résistance fixe (R5) étant connectée entre l'autre borne de sortie et ladite borne d'entrée. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, pour la compensation de la sensibilité, dans lequel la thermosonde (3) est connectée entre l'autre borne d'entrée et ladite borne d'entrée, une résistance fixe (R7) étant connectée entre l'autre borne d'entrée et l'alimentation. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel on utilise une thermosonde en platine.