Brevet FR2719375A1 — publié le 19951103

-t Procédé de compensation des dérives thermiques d'un pont de jauges de mesure de pression. La présente invention concerne un procédé de compensation des dérives thermiques d'un pont de jauges de mesure de pression, et plus particulièrement d'un tel pont comportant deux bornes d'entrée et deux bornes de sortie, procédé dans lequel on connecte une thermosonde à fil résistant entre la première de ces bornes d'entrée et au moins une de ces trois autres bornes et une résistance entre ladite première borne d'entrée et les autres bornes restantes, ainsi qu'entre une alimentation du pont et la deuxième borne d'entrée. Un tel procédé est décrit dans le document FR-A- 2 690 524. Comme cela est indiqué dans ce document, les dérives thermiques d'un pont de jauges ne sont pas linéaires, mais plutôt paraboliques, de sorte que l'on ne peut pas, par le procédé décrit dans le document précité, compenser parfaitement la dérive mais seulement la réduire. La présente invention vise à palier ces inconvénients en fournissant un procédé permettant d'éliminer pratiquement totalement les dérives thermiques en annulant les dérives thermiques du second ordre. A cet effet, I'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé par la connexion d'un ensemble de résistances comprenant une thermistance, en série avec au moins une desdites sondes et résistances. Dans un mode de réalisation particulier, ledit ensemble comprend une thermistance en parallèle avec une résistance. 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 compensé, 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 R4 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 RI x R4-R2x R3 (RI +R3) x (R2 + R4) La condition d'équilibre du pont est par conséquent RI x R4 - R2x R3= O (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 quatres jauges sont quasiment identiques de sorte que l'on peut assimiler le pont à un pont équivalent qui posséderait la même résistance de pont R et le même déséquilibre U mais qui peut être défini par: RI = 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. 3 2719375 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 io 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 O 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, alors que R6 évolue linéairement. C'est alors que l'on fait appel à R10, qui est composé d'une thermistance TH2 en parallèle avec une résistance fixe RP2. Une telle 4 2719375 cellule varie non linéairement avec la température, cette non linéarité s'accentuant lorsque RP2 augmente. Cette cellule est montée en série avec R5 dans la figure 2, mais pourrait également être montée en série avec R6, ceci dépendant du sens de la non linéarité des dérives. Si, toujours en supposant que le pont est alimenté directement par la tension U et que R10 est en série avec R5 on remplace R3 et R4 dans la formule (1) par: I () R3 R3x(RS+RIO) R3+R5+R1IO (3) et R4 xR6 (4) R4+R6 on obtient: R5= RIxR3xR4xR6 -RIO (5) R2 x R3x(R4+R6)-RI x R4' R6 R6z R2 x R3 x R4x(R5+ RlO) R6 = (6) R1 xR4 x (R3+R5+RIO)-R2 x R3 x(R5+RIO0) 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 pont, ce câblage correspondant alors à une compensation négative. Dans le cas o R6 se trouverait câblée sur la sortie +, la compensation serait positive. De même, R10 pourrait être mise en série avec R6. 3) 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) cidessus. Si l'on fait évoluer R5 parmi une liste de valeurs préétablies, et que, pour chaque valeur de R5, on fait évoluer RP2 suivant une autre liste préétablie, on obtient tous les cas de compensation possible. On répète l'opération pour le cas ou R10 serait monté en série avec R6. io On répète alors 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, celle de la résistance 1 de R6 et celle de la résistance RP2 de R10. On prend également soin de noter la configuration optimum parmi les quatre possibles: - compensation positive, R10 en série avec R5, - compensation positive, R10 en série avec R6, - compensation négative, R10 en série avec R5, - compensation négative, R10 en série avec 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 en série avec une résistance variable avec la température R9 constituée d'une thermistance TH1 en parallèle avec une résistance fixe RP1 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. 6 2719375 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, par U (1,i) la tension aux bornes de la première branche, et par R (9,i) la résistance variable de la première 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 (1,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(1.i) (R(9,i) + R7) x R(2,i)+(R7+R(9,i)) x R(I,i) + R(1,i) X R(2,i) Les inconnues sont: R(9,i), R7 et R(2,i) avec R(2,i) = R8 + R ti et R(9,i) = I x RP TH Iti + RPI Les données sont: - U, tension d'alimentation du pont, R (1,i), résistance totale du pont et de sa compensation du zéro, pour la température t(i), - U (1,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 R1 1, la résistance du pont pour tl et R12, la résistance du pont pour t2. (I, 1) Soit UI= (1) à obtenir à tl de façon à avoir la compensation à la U température tl Soit U2 = () définie de façon identique pour t2. Pour tl, on a la relation: Ul - RRI x(R8+Rti) (R91+R7)x(R8+Rtl+Ri ll)+ Rll (R8+Rtl) et l'on peut exprimer R7 en fonction de R8: R7 Rll x (Rtl+R8)x(I-UL) R91 Ul X(RI I +Rti 1 +R8) De même, pour t2: R7= R12x(Rt2 + R8) x(1-U2) R92 R7 -R92 U2 x (RI2 + Rt2 + R8) On égale les deux relations, et on obtient une relation ne dépendant que de R8 et RP1, que l'on peut donc calculer. Si l'on fixe RP1, R8 est une solution de AR8: +BR8+C = 0 x avec: A = RI X x12 x (I - U 1)- R12x 1 X (I - U;2)+ 1;l(2(R92 - R91) B= RllxU2 x(- UI) x[R/i+Ri 2 +RI2]- R12 xl x(l-U2) x [Rt2 +Rl I + Rtl]+ (11U/2(RI + R12 + Rti I + Rt2)(R92- R91) C=-R12xUI x(1-U2) x [Rt2 x Rl+ Rt2Rtl]+R 11 2x(1-U1)x [Rt IR12 +Rt IRti2] +UVIU2(RI I + Rt 1)(R1 2 + Rt 2)(R92 - R91) 1o La solution du système est donc: R'2 -B 2 -4AC 2A R" 2 -B+ x/B--4AC 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 2() U2 plus faibles. On a vu que R2 est calculée de telle sorte que les dérives soient annulées pour tl et t2, mais pour t3 (température ambiante), le signal peut être différent. C'est en faisant varier RP1 que l'on annule les dérives pour les trois températures. 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 = PE (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 = 0, et des résistances de pont, on calcule le pont équivalent de la façon décrite ci-dessus. Ensuite, on essaye toutes les valeurs de R5, et pour chaque valeur de R5, on i0 essaye toute les valeurs de RP2, avec R10 montée en série avec R5 et R10 montés en série avec R6. Cette opération est effectuée pour les deux cas de compensation positive et négative. On retient pour valeurs de R5, R6 et RP2, les valeurs donnant le minimum de dérive. 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 = 0 et P = PE, on rajoute R5, R6 et R10 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 (1,i). On possède donc les données nécessaires au calcul de la compensation de la sensibilité et à la détermination des résistances de compensation. On essaye toutes les valeurs de RP1 pour calculer R8, ce qui permet de calculer les dérives en température du pont ainsi compense. 2719375 On choisit pour RP1 la valeur donnant le moins de dérives pour les trois températures, haute, basse et ambiante. REVENDICATIONS 1. Procédé de compensation des dérives thermiques d'un pont de jauges de mesure de pression comportant deux bornes d'entrée et deux bornes de sortie, dans lequel on connecte une thermosonde (2;3) à fil résistant entre la première de ses bornes d'entrée et au moins une des ses trois autres bornes et une résistance (R5;R7) entre ladite première borne d'entrée et les autres bornes restantes ainsi qu'entre l'alimentation du pont et la deuxième borne d'entrée, caractérisé par la connexion d'un ensemble (R10;R(9,i)) de résistances comprenant une thermistance (TH2;TH1), en série avec au moins une desdites thermosondes (2;3) et résistances (R5;R7). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit ensemble comprend une thermistance (TH2;TH1) en parallèle avec une résistance (RP2;RP1).