Brevet FR2693555A1 — publié le 19940114

Dispositif de mesure d'impédance La présente invention concerne de manière générale le domaine de l'instrumentation destinée aux mesures d'impédance. En particulier, l'invention a trait à un dispositif automatique pour mesurer la capacité et la la résistance de perte associée, d'un élément de nature capacitive. L'invention s'applique donc, naturellement, à la mesure de la capacité et de la résistance de perte d'un condensateur. Deux types de dispositifs conventionnels sont utilisés pour réaliser de telles mesures : les ponts de mesure et les impédancemètres. Les ponts de mesure présentent l'inconvénient d'être limités en fréquence de fonctionnement et sont adaptés uniquement aux mesures de capacité à angle de perte faible. Les impédancemètres ne permettent pas d'accéder directement à la mesure d'une capacité et de sa résistance de perte. Ces impédancemètres mesurent les parties réelle et imaginaire de l'impédance capacitive-résistive à caractériser, pouvant être schématisée par un condensateur en parallèle avec une résistance. A partir des parties réelle et imaginaire sont déterminées, par calcul, la capacité du condensateur et la valeur ohmique de la résistance de perte. Cette détermination conduit à une résolution de mesure satisfaisante uniquement dans le cas où la tangente de l'angle de perte est faible. La technique antérieure la plus proche du dispositif de mesure d'impédance selon l'invention est décrite ci-après en référence à la figure 1 qui montre une chaîne de mesure dimensionnelle capacitive à sortie linéaire, divulguée dans la demande de brevet français FR-A-2 640 373. La chaîne de mesure comprend un capteur CA, une source de tension de polarisation, un circuit de mesure, une source de tension de référence ST, un condensateur de référence Cr et une base de temps BT. Cette chaîne est utilisée pour mesurer la distance e séparant une pièce conductrice P drune électrode de détection du capteur CA, distance inversement proportionnelle à la capacité Ccpt du condensateur ainsi formé.Le capteur CA est polarisé par une tension de polarisation Vp produite aux bornes d'un enroulement secondaire d'un transformateur dont l'enroulement primaire est relié à un modulateur synchrone MS constituant la source de tension de polarisation proprement dite. Un premier courant est produit dans l'enroulement secondaire et est appliqué à une entrée inverseuse d'un amplificateur de charge AC, dans le circuit de mesure. Un second courant est appliqué à cette entrée inverseuse à travers le condensateur de référence Cr qui est alimenté par la source de tension de référence. L'amplificateur de charge produit une tension de sortie Vame qui est fonction de la différence entre les premier et second courants. Cette tension de sortie est amplifiée par un amplificateur de niveau AN, et le signal résultant est démodulé par un démodulateur synchrone DS, qui est commandé par un signal de tension de référence H produit par la base de temps BT, afin d'en extraire la composante en phase avec la tension produite par la source de tension de référence ST, elle-même commandée par la base de temps.Cette composante en phase est utilisée, après intégration dans un intégrateur IN contribuant à la stabilité de la chaîne de mesure, pour asservir la tension de polarisation Vp du capteur afin de satisfaire l'égalité Qcpt = Qr où Qcpt et Qr désignent respectivement les charges électriques du condensateur formé par la pièce P et le capteur CA, et du condensateur de référence Cr Une sortie du circuit de mesure fournit un signal de mesure Ve qui est représentatif de la distance e et qui commande, en amplitude, un modulateur synchrone MS recevant le signal de référence temporelle H et générant la tension de polarisation alternative Vp à travers le transformateur TR. L'asservissement de l'amplitude de la tension de polarisation Vp est ainsi réalisé au moyen du modulateur synchrone MS qui module l'amplitude du signal de tension de référence H par le signal Ve proportionnel à la composante en phase, afin de produire la tension de polarisation. La présente invention vise à remédier aux inconvénients des dispositifs de mesure d'impédance connus, tout en utilisant certains moyens avantageux inclus dans la chaîne de mesure dimensionnelle décrite ci-dessus. A cette fin, un dispositif de mesure de la résistance et de la réactance d'un élément, comprenant des moyens pour générer une tension alternative de référence, des moyens de polarisation commandés en amplitude, phase et fréquence par la tension de référence pour produire un courant de polarisation à travers ledit élément, une impédance de référence, et des moyens d'amplification pour produire une tension de sortie qui est fonction de la différence entre ledit courant de polarisation et un second courant traversant l'impédance de référence, est caractérisé en ce qu'il comprend deux moyens de démodulation recevant la tension de référence en tant que porteuse pour démoduler ladite tension de sortie et fournir deux tensions respectivement représentatives des amplitudes des composantes en phase et quadrature de ladite tension de sortie par rapport à la tension de référence, et deux moyens de modulation recevant la tension dé référence en tant que porteuse pour moduler, en amplitude, ces deux tensions; les deux tensions modulées ainsi obtenues étant respectivement appliquées à l'entrée des résistance et réactance composant ladite impédance de référence; les sorties étant reliées entre elles pour produire ledit second courant appliqué aux moyens d'amplification. Un dispositif de mesure selon l'invention est adaptable à la mesure de chacune des composantes de l'impédance d'un élément à étudier, que la réactance de l'impédance soit capacitive ou inductive bien que la description détaillée ci-après soit essentiellement dirigée vers la mesure de l'impédance d'un élément résistif-capacitif. Afin de stabiliser la boucle d'asservissement comprenant les moyens de démodulation et modulation, le dispositif peut comprendre deux intégrateurs respectivement interconnectés entre les moyens de démodulation et les moyens de modulation. Selon d'autres caractéristiques, l'invention fait appel à des moyens de polarisation sensiblement analogues à ceux décrits dans la FR-A-2 640 373, qui avantageusement remédient à un couplage capacitif parasite entre les moyens pour générer la tension de référence d'une part, et l'élément d'impédance à mesurer ainsi que les moyens d'amplification, d'autre part.Ainsi, les moyens de polarisation peuvent comprendre deux sources de tension alternative pour polariser en tension, avec des amplitudes identiques, entre elles, et des fréquences et phases égales à celles de la tension de référence, respectivement, une première liaison entre une borne dudit élément et une première borne des moyens d'amplification recevant au moins ledit second courant, et une seconde liaison entre une borne de garde qui entoure ledit élément et une seconde borne des moyens d'amplification constituant une borne de potentiel de référence de l'élément et du dispositif. De préférence, les sources de tension alternative de polarisation sont constituées, respectivement, d'une âme et d'un blindage d'un enroulement secondaire de transformateur constituant des portions des conducteurs central et externe d'un câble coaxial qui relie ledit élément aux moyens d'amplification; l'enroulement primaire du transformateur, également en câble coaxial, est alimenté par les moyens pour générer la tension de référence. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels - la figure 1, déjà commentée, est un blocdiagramme d'une chaîne de mesure dimensionnelle capacitive à sortie linéaire selon la technique antérieure; - la figure 2 montre un schéma modélisé illustrant le fonctionnement du dispositif de mesure d'impédance selon l'invention; - la figure 3 est un bloc-diagramme d'une première réalisation d'un dispositif de mesure capacitive-résistive selon l'invention; et - la figure 4 est un bloc-diagramme détaillé du dispositif de mesure de la figure 3 incluant une réalisation préférée des moyens de polarisation. Selon le schéma modélisé de la figure 2, un dispositif de mesure d'impédance, selon l'invention, consiste en un pont de mesure et une boucle d'asservissement. Le pont de mesure comprend, en série dans une boucle fermée, un élément En dont l'impédance Zm est à mesurer, un élément d'équilibrage Eeq ayant une impédance prédéterminée Zeq du même type que celle de l'élément En, une source de tension sinusoïdale d'équilibrage commandée STeq et une source de tension d'excitation STex. La boucle d'asservissement est constituée d'un moyen d'amplification MA en série avec un moyen de commande d'amplitude et de phase d'équilibre MC dont la sortie est appliquée à une entrée de commande de la source Stem. Les deux éléments En et Eeq ont une borne commune reliée à une borne de masse M.Une borne commune des deux sources de tension STex et STeq est reliée à une entrée du moyen d'amplification MA de la boucle d'asservissement. Le fonctionnement de principe du dispositif de mesure présenté dans la figure 2 est le suivant. L'amplitude et la phase de la tension produite par la source de tension Site, sont constantes tandis que celles de la tension produite par la source STeq sont commandées par le moyen de commande MC. L'équilibre du pont est obtenu lorsqu'aucun courant ne circule entre la masse M et la borne commune des deux éléments Em et Eeq. Cette condition implique qu'un courant nul est appliqué à l'entrée du moyen l'amplification MA. Dans le cas d'une mesure de la réactance et de la résistance composant l'impédance Zm de l'élément Em, le pont est initialement déséquilibré, ce qui se traduit par l'application d'un courant non nul à l'entrée du moyen d'amplification MA. Le moyen de commande MC dans la boucle d'asservissement produit alors un signal Vm commandant la source de tension d'équilibrage STeq. Ce signal de commande Vm présente des caractéristiques en amplitude et en phase permettant de déduire les valeurs des résistance et réactance de l'élément Em. Le schéma proposé dans la figure 2 n'est qu'un schéma de principe général du fonctionnement du dispositif de mesure selon l'invention. Ce dernier est maintenant décrit en détail en supposant, à titre d'exemple, que la réactance de l'impédance de l'élément à mesurer est de nature capacitive. En référence à la figure 3, un dispositif de mesure capacitive-résistive selon l'invention comprend un condensateur 1, des moyens de polarisation 2, un circuit d'amplification de charge 3, une boucle de contre-réaction 4 et un oscillateur de tension alternative de référence 5. Le condensateur 1 est formé de deux plaques 10a et lOb et un boîtier formant une électrode de garde 12 entoure le condensateur. Une extrémité de la plaque l0a constitue une première borne de l'élément capacitif-résistif Z ayant une impédance dont les composantes capacitive C et résistive R sont à mesurer. Une extrémité de la plaque lOb constitue une seconde borne de l'élément capacitif-résistif Z qui est reliée à une borne de référence de potentiel, telle que la masse mécanique M du dispositif. La plaque 10a est reliée, par la liaison 10, à la source de tension 20.La liaison 11, coaxiale à la liaison 10, relie la source 21 au boîtier 12 entourant l'impédance Z(R,C) à mesurer. La liaison 11 assure ainsi une garde équipotentielle autour de la liaison 10. Les moyens de polarisation 2 sont constitués de deux sources de tension alternative 20 et 21 commandées en amplitude, fréquence et phase par l'oscillateur 5 fonctionnant à une fréquence de référence F. La première source de tension sinusoïdale 20 est interconnectée entre la plaque l0a et l'entrée inverseuse (-) d'un amplificateur opérationnel 30 inclus dans le circuit d'amplification de charge 3. La source 20 polarise, avec une tension sinusoïdale Vp , l'élément capacitif-résistif Z. La seconde source de tension 21 fournit une tension V'p dont les phase, fréquence et amplitude sont égales à celles de la première source 20.La source 21 est destinée à réduire la capacité parasite "vue" de l'entrée inverseuse (-) du circuit d'amplification de charge 3 en assurant une garde électrique totale des circuits et liaisons depuis l'extrémité de la plaque 10a jusqu'à l'entrée inverseuse (-). Pour cela, des première et seconde bornes de la source de tension 21 sont, respectivement, reliées à la liaison de garde 11, et à la masse M. L'entrée directe (+) non inverseuse de l'amplificateur opérationnel 30 est reliée à la masse M, et la sortie est appliquée en contre-réaction sur l'entrée inverseuse (-), d'une part à travers un condensateur de contre-réaction 31 de capacité C31 inclus dans le circuit d'amplification 3, d'autre part à travers la boucle de contre-réaction 4 décrite ci-dessous. Cette boucle de contre-réaction 4 comprend un amplificateur passe-bande 41, deux démodulateurs synchrones 42a et 42b, un déphaseur de z/2, 42, deux intégrateurs 43a et 43b, deux modulateurs d'amplitude 44a et 44b, un condensateur de référence 45a et une résistance de référence 45b. La tension de sortie Vs délivrée par le circuit d'amplification de charge 3 est appliquée à une entrée de l'amplificateur passe-bande 41 dont la bande passante est centrée sur la fréquence F de l'oscillateur de référence 5. L'amplificateur 41 produit une tension de sortie amplifiée Vs'. L'oscillateur de référence 5 possède une première borne reliée à la masse M, et une seconde borne qui est reliée, d'une part, à des entrées de porteuse respectives du premier démodulateur synchrone 42a et des deux modulateurs d'amplitude 44a et 44b et, d'autre part, à une entrée de porteuse du second démodulateur synchrone 42b à travers le déphaseur 42. La sortie de l'amplificateur passe-bande 41 est connectée aux entrées de deux chaînes électroniques comprenant en série respectivement, pour l'une, le démodulateur synchrone 42a, l'intégrateur 43a, le modulateur d'amplitude 44a et le condensateur 45a, et, pour l'autre, le démodulateur synchrone 42b, l'intégrateur 43b, le modulateur d'amplitude 44b et la résistance 45b. Ces deux chaînes sont rebouclées sur l'entrée inverseuse (-) du circuit d'amplification de charge 3. La tension de sortie amplifiée Vs' produite par l'amplificateur passe-bande 41 est appliquée aux entrées des démodulateurs synchrones 42a et 42b. Ces deux démodulateurs 42a et 42b extraient de là tension de sortie amplifiée Vs' deux signaux VP et VQ représentatifs des amplitudes des composantes en phase et en quadrature de ladite tension de sortie par rapport à la tension délivrée par l'oscillateur de référence 5. Ces deux signaux VP et VQ sont appliqués, respectivement, à deux entrées des modulateurs d'amplitude 44a et 44b à travers les deux intégrateurs 43a et 43b. Le rôle de ces deux intégrateurs 43a et 43b est d'assurer la stabilité de la boucle de contre-réaction 4. Les deux modulateurs 44a et 44b modulent en amplitude la tension produite par l'oscillateur de référence 5.Les deux modulateurs 44a et 44b produisent ainsi deux tensions respectives Vc et Vr qui sont en phase avec les deux sources de tension de polarisation 20 et 21 et dont les amplitudes dépendent des niveaux des signaux VP et VQ. Les tensions ainsi délivrées par les deux modulateurs 44a et 44b sont appliquées en parallèle à l'entrée inverseuse (-) du circuit d'amplification de charge 3, respectivement à travers le condensateur 45a et la résistance 45b. Le circuit d'amplification 3 reçoit ainsi, en plus du courant I31 , d'une part, un courant de polarisation Ip circulant dans la plaque 10a et, d'autre part, la somme de deux courants traversant respectivement le condensateur 45a et la résistance 45b, noté Icr La tension de sortie Vs du circuit 3 est alors "proportionnelle" à la différence vectorielle de ces deux courants Ip et Icr Si I31 désigne le courant traversant le condensateur de contre-réaction 31 dans le circuit 3, la tension de sortie Vs produite par l'amplificateur 30 est Vs = (l/jC31w).131, avec I31 + ICr + Ip=0 et o= 27tF L'équation ci-dessus peut donc s'écrire Vs=(1/jC31#). [-Vr/Rcr - Vcj#Ccr + Vp(l + jWRC)/R]. où RCr est la valeur ohmique de la résistance 45b, Ccr la capacité du condensateur 45a, et R et C les composantes résistive et capacitive de l'élément capacitif-résistif Z à mesurer. Pour un gain de boucle élevé, et dans la bande passante de l'asservissement, la tension de sortie Vs tend vers zéro, ce qui permet d'écrire Vp(l + j(0RC)/R - Vr/Rcr - Vcj#Ccr = 0 Cette dernière équation permet d'écrire, en identifiant les parties réelle et imaginaire Vp/R = Vr/Rcr, soit R = (Vp/Vr).RCr, et Vp.C = Vc.Ccr, soit C = (Vc/Vp).ccr Les deux tensions Vc et Vr produites par les deux modulateurs d'amplitude 44a et 44b ont la même phase et la même fréquence que la tension de polarisation Vp produite par la source de tension 20. Les deux rapports Kr = (Vp/Vr) et Kc = (Vc/Vp) sont donc des nombres réels. Il est ainsi possible, connaissant l'amplitude de la tension sinusoïdale Vp produite par la source 20 et les amplitudes respectives des tensions Vc et Vr aux sorties des deux modulateurs 44a et 44b, de calculer la valeur ohmique R et la capacité C de l'élément capacitif-résistif Z. La valeur ohmique de la résistance 45a et la capacité du condensateur 45b sont établies, par étalonnage, pour une plage de mesure donnée. Par comparaison avec le schéma modélisé montré à la figure 2, la réalisation décrite ci-dessus consiste en (a) l'utilisation d'une impédance d'équilibrage (Rcr, Cor), (b) l'utilisation d'un moyen 3 pour détecter le déséquilibre du pont, et (c) l'application en contre-réaction d'une tension (Vr,Vc) de rééquilibrage du pont. Une réalisation préférée du dispositif de mesure d'impédance selon l'invention est montrée à la figure 4. Dans cette réalisation, seuls les moyens de polarisation 2 sont modifiés, comparativement à la réalisation de la figure 3, et consistent en un transformateur dont les enroulements primaire EP et secondaire ES sont réalisés en câble coaxial. L'enroulement primaire EP est alimenté par 1'oscillateur de référence 5, et l'enroulement secondaire ES fournit les deux tensions de polarisation Vp et V'p. Les tensions crêtes des tensions sinusoïdales Vp et V'p peuvent aisément être calculées en connaissant la tension crête produite par l'oscillateur de référence 5 et le rapport de transformation du transformateur. L'âme de l'enroulement secondaire ES délivre la tension de polarisation Vp et forme une portion du conducteur central d'un câble coaxial de liaison CA; ce conducteur central 10 relie la plaque 10a du condensateur 1 à l'entrée inverseuse (-) du circuit d'amplification de charge 3. Le blindage de l'enroulement secondaire ES délivre la tension de polarisation V'p et forme une portion du conducteur externe du câble CA. Ce conducteur externe 11 relie l'électrode de garde 12 formant une enceinte conductrice qui assure un blindage, à l'entrée directe (+) du circuit d'amplification de charge 3, connectée à la borne de masse M de l'oscillateur de référence 5. Ainsi les portions du conducteur central et du conducteur externe du câble CA formant l'enroulement secondaire ES constituent deux sources de tension ayant des amplitudes identiques et des fréquences et phases égales à celles du signal de référence généré par l'oscillateur 5. L'homme du métier appréciera que, outre la mesure de capacité et résistance de perte d'un condensateur, dlun détecteur capacitif ou d'un transducteur capacitif, le dispositif permet d'accéder aux valeurs de capacité et de résistance de perte, même pour des valeurs élevées de l'angle de perte, notamment dans le cadre de caractérisation de milieux isolants et de détection de contaminants. Le dispositif peut ainsi être utilisé dans le suivi de réactions chimiques, ou de séchage de matières telles que la cellulose, le bois brut ou transformé, les céréales, le plâtre et l'argile, par exemple. Bien que l'invention ait été décrite selon des réalisations préférées, pour la mesure d'une impédance capacitive et résistive, le dispositif de mesure peut être également utilisé pour mesurer une impédance inductive et résistive, en remplaçant le condensateur 45a pour une inductance connue par étalonnage. Plus généralement un dispositif de mesure selon l'invention peut être utilisé comme capacimètre ou inductancemètre pour mesurer une impédance dont la réactance est composée d'une capacité ou d'une inductance. REVENDICATIONS 1 -Dispositif pour mesurer la résistance (R) et la réactance (C) d'un élément (Z), ledit dispositif comprenant des moyens (5) pour générer une tension alternative de référence, des moyens de polarisation (1,2) commandés en amplitude, phase et fréquence par la tension de référence pour produire un courant de polarisation (Ip) à travers ledit élément (Z), une impédance de référence (45a, 45b), et des moyens d'amplification (3) pour produire une tension de sortie (Vs) qui est fonction de la différence entre ledit courant de polarisation (Ip) et un second courant (ici) traversant l'impédance de référence, caractérisé en ce qu'il comprend deux moyens de démodulation (41,42a;;41,42b,42) recevant la tension de référence en tant que porteuse pour démoduler ladite tension de sortie (Vs) et fournir deux tensions (VP,VQ) respectivement représentatives des amplitudes des composantes en phase et quadrature de ladite tension de sortie par rapport à la tension de référence, et deux moyens de modulation (44a,44b) recevant la tension de référence en tant que porteuse pour moduler, en amplitude, ces deux tensions; les deux tensions modulées (Vr,Vc) ainsi obtenues étant respectivement appliquées à l'entrée des résistance (RCr) et réactance (Ccr) composant ladite impédance de référence (45a,45b); les sorties étant reliées entre elles pour produire ledit second courant (1cor) appliqué aux moyens d'amplification (3). 2 - Dispositif conforme à la revendication 1, comprenant, en outre, deux intégrateurs (43a, 43b) respectivement interconnectés entre les moyens de démodulation (41,42a; 41,42b,42) et les moyens de modulation (44a; 44b). 3 - Dispositif conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de polarisation (2) comprennent deux sources de tension alternative (20, 21) pour polariser en tension, avec des amplitudes identiques, entre elles, et des fréquences et phases égales à celles de la tension de référence, respectivement, une première liaison entre une borne (l0a) dudit élément (Z) et une première borne (-) des moyens d'amplification (3) recevant au moins ledit second courant (Icr), et une seconde liaison entre une borne de garde (12) formant une enceinte conductrice qui entoure l'élément (Z) et une seconde borne (+) des moyens d'amplification (3) constituant une borne de potentiel de référence (M) dudit élément (Z) et dudit dispositif. 4 - Dispositif conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de polarisation (2) comprennent un transformateur ayant des enroulements primaire (EP) et secondaire (ES) en câble coaxial, l'enroulement primaire (EP) étant alimenté par les moyens pour générer la tension de référence (5), une âme de l'enroulement secondaire (ES) formant une portion du conducteur central d'un câble coaxial (CA), le conducteur central reliant la borne (10a) dudit élément (Z) à une première borne (-) des moyens d'amplification (3) recevant ledit second courant (Icr), et un blindage de l'enroulement secondaire (ES) formant une portion du conducteur externe dudit câble coaxial, le conducteur externe reliant une borne de garde (12), formant une enceinte conductrice qui entoure ltélément (Z), à une seconde borne (+) des moyens d'amplification (3) constituant une borne de potentiel de référence (M) dudit élément (Z) et dudit dispositif. 5 - Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit élément est du type condensateur à résistance de perte et capacité (C), et ladite réactance composant ladite impédance de référence est un condensateur de référence (Ccr).