Brevet FR2741951A1 — publié le 19970606

La présente invention concerne un circuit électrique de type "Pont de Wheatstone" et, en particulier, un tel circuit électrique dans lequel il y a une compensation automatique pour des différences de température existant entre les branches du pont. Les circuits électriques de type "Pont de Wheatstone" sont bien connus. ns sont utilisés dans des applications très diverses afin de produire une tension de sortie dont la variation montre l'existence d'un déséquilibre entre les nssice5 des branches du pont, et indique la grandeur de celui-ci. Normalement les circuits de ce genre sont conçus afin de détecter des déséquilibres dus à la variation d'un paramètre principal par rapport à une valeur de référence ou dus à des pbenomenes affectant de manière différente les résistances des différentes branches du circuit. Évidemment, il est préférable que le comportement du circuit ne soit pas affecté par d'autres paramètres ou phénomènes tels, par exemple, la temperature environnante. En théorie, dans le cas d'un pont de Wheatstone classique tel que représenté sur la figure 1, la tension de sortie, US, dépend des résistances R1 à R4 du pont, et de l'alimentation, UA, selon l'équation (1) ci-dessous: En pratique, les résistances des éléments R1 à R4 varient en fonction de la température ambiante et du coefficient de température des résistances (CI1t), o, quand ce dernier n'est pas nul. S'il y a un écart ûj entre la température de chaque élément Ri et une température de référence, I'équation théorique (1) est transformée en l'équation (2) ci-dessous: (Dans l'équation (2), et dans celles qui suivent, le coefficient de temperaturc des résistances, o, est traité comme étant identique pour les quatre éléments du pont de Wheatstone. En pratique, il est relativement simple de choisir les éléments du pont pour que cette simplification soit approximativement valable). Dans le cas où les quatre éléments Ri du pont de Wheatstonc sont tous à la même température, 0, et la tension d'alimentation est fixe, en supposant que aO Wbeatstone. (B est possible, quand même, qu'il y ait un effct résiduel dc température sur le pont du fait, par exemple, des déformations du support mécanique sur lequel les résistances sont déposées). Dans le cas où les éléments Ri du pont de Whcatstone nc sont pas tous à la même température, I'équation (2) garde quelques composants dont la valeur dépend de la température locale des éléments Ri. Cet effet nuit à la pcccision dc la mesure effectuée en utilisation du circuit. Le principe du pont de Wheatstone est utilisé, entre autres, dans le domaine des capteurs de pression à jauges extensométriques. La construction typique d'un tel capteur de pression est représentée de façon schématique sur la figure 2, dont la figure 2(a) indique la disposition physique des jauges extensométriques dans le capteur et la figure 2(b) représente le circuit électrique correspondant. Dans le capteur de la figure 2(a), quatre jauges extensométriques, J1 à J4, sont disposés sur une membrane déformablc, deux jauges J1, J2 se trouvant dans la région centrale de la membrane et les autres deux jauges J3, J4 se trouvant vers la périphérie de cette dernière. les jauges extensométriques présentent chacune la même résistance électrique, R, à une température et une pression de référence. Des connexions électriques (non représentées) sont prévues entre les jauges J1 à J4 ainsi qu'une soue d'alimentation et des bornes de sortie, afin de constituer un circuit cn pont dc Wheatstone tel qu'indiqué sur la figure 2(b). Dans un tel capteur de pression, la membrane se déforme en se bombant sous l'effet d'une pression exercée dans le sens de la flèche de la figure 2(a). les efforts de traction produits dans la partie centrale de la membrane amènent une augmentation, +AR, de la résistance des jauges J1 et J2, tandis que les efforts de compression produits dans la périphérique de la membrane amènent une réduction, -AR, de la résistance des jauges J3, J4. Si toutes les jauges sont à la même température, ces variations de résistance affectent la tension de sortie du circuit électrique en pont de Wheatstone selon l'équation (3) ci-dessous: Us=UA() (3) Cette relation très simple permettrait le calcul de la variation de résistance et, ainsi, de la pression appliquée à la membrane du capteurs Pourtant, si un gradient de température existe entre les jauges J1 à J4 du capteur, c'est l'équation (4) ci-dessous, plus compliquée, qui s'applique: Évidemment, une relation si compliquée, et dépendant des températures des jauges individuelles, ne permet pas la mesure précise de pression par le capteur. Au vu des problèmes exposés ci-dessus, la présente invention vise à rendre la tension de sortie d'un circuit électrique du type "pont de Wheatstone" constitué de résistances dont le CTR est non nul insensible aux différences de température existant entre ces résistances. Dans le cas où le circuit électrique constitue un élément d'un capteur, I'invention vise, également, à éliminer les effets de ces différences de température tout en conservant la sensibilité du capteur au paramètre à mesurer. Afin de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus la présente invention prévoit un circuit électrique du type "pont de Wheatstone" comportant quatre éléments de résistance principaux ayant chacune sensiblement la même valeur ohmique, R, et sensiblement la même valeur de coefficient de température de résistance, a, un élément de résistance principal se trouvant dans chaque branche du pont de Wheatstone, caractérisé en ce que chaque branche du pont de Wheatstone comporte un élément de compensation en série avec l'élément de résistance principal correspondant, les éléments de compensation présentant chacune la même valeur ohmique de résistance, r, et le même coefficient de température de résistance, ss, ces valeurs se rapportant à celles des éléments de résistance principaux sensiblement selon la formule: Ra = et que chacun des éléments de résistance principal partage son environnement thermique avec un élément de compensation d'une des branches adjacentes du pont de Wheatstone. Dans un circuit électrique du type "pont de Wheatstone" selon la présente invention, I'effet sur la tension de sortie des différences de température existantes entre les branches du pont est éliminé grâce aux résistances de compensation agencé chacune dans l'environnement thermique de la résistance principale d'une branche du pont mais connectée en série avec la résistance principale d'unc branche adjacente du pont. La présente invention prévoit, aussi, un capteur de pression à jauges extensométriques comportant un tel circuit électrique du type pont de Wheatstone incluant des éléments de compensation, les jauges extensométriques coltstituant des résistances principales du pont. Un capteur de pression de ce genre est protégé contre l'effet sur la tension dc sortie des différences de température existantes entre les jauges extensométriques. D'ailleurs, quand la valeur ohmique de résistance des éléments de compensation est très faible par rapport à celle des jauges extensométriques, une bonne sensibilité du capteur est conservée. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma représentant la structure classique d'un circuit électrique du type pont de Wheatstone; la figure 2 représente la construction d'un capteur de pression à jauges extensométriques, dans laquelle: la figure 2(a) indique la disposition physique des jauges extensométriques sur une membrane simple, et la figure 2(b) représente le circuit électrique dont font partie ces jauges; la figure 3 est un schéma de circuit représentant un circuit électrique de type pont de Wheatstone selon un mode de réalisation préféré de la présente invention; et la figure 4 est une vue en plan montrant la disposition physique des jauges extensométriques et des résistances de compensation dans un exemple d'un capteur de pression selon la présente invention, fabriqué par dépôt de couches minces sur une membrane. Le principe de la présente invention sera maintenant décrit dans le contexte d'un circuit du type pont de Wheatstone constitué des jauges extensométriques d'un capteur de pression, en se rapportant à la figure 3. La figure 3 est un schéma de circuit représentant un circuit électrique du type pont de Wheatstone formé des quatre jauges extensométriques J1 à J4 habituelles d'un capteur de pression et de quatre résistances de compensation r1 à r4. Une résistance de compensation ri est incluse dans chaque branche du pont, en série avec une des jauges extensométriques Ji, mais elle est physiquement disposée près d'une autre jauge extensométrique située dans l'une des deux branches adjacentes. Ainsi, chaque jauge extensométrique partage son environnement thermique avec une résistance de compensation connectée dans une branche voisine du pont de Wheatstone. La tension d'alimentation est appliquée entre les points +A et -A et la tension de sortie est recueillie entre les points +M et -M. Dans un capteur de pression les valeurs ohmiques, Ri, des jauges extensométriques Ji et leurs CIR respectifs CLj sont très proches les uns aux autres, si proches que l'on peut désigner la résistance de chaque jauge à une température de référence par une valeur commune, R, et leur an par une valeur commune, a. Les résistances de compensation ri sont choisies pour présenter, à leur tour, une valeur ohmique commune, r, et un CTR commun, ss. Dans le cas où le CTR, a, des jauges extensométriques n'est pas nul, et les températures respectives des jauges extensométriques s'écartent d'une valeur de référence par des montants Oi, la tension de sortie Us de ce circuit est donnée par l'équation (5) suivante: avec: Al = (R+ARXl+aOl) + r(l+ss03), A2 = (R+ARX1+aO) + r(l+ss04), A3 = (R-ARXl+a03) + r(l+ss02), et A4 = (R-Xl+a04) + r(1+B#1). (la tension d'alimentation UA et la pression étant fixes). Selon la présente invention, la valeur ohmique, r, des résistances de compensation ri est sélectionnée la plus faible possible par rapport à la valeur ohmique, R, commune aux jauges extensométriques Ji (r Ra = rss (6) Dans ces conditions, I'équation (5) se simplifie en l'équation (7) ci-dessous: US = UA (R )(1-2R) (7) On voit bien que, même dans le cas où des différences existent entre les températures des jauges constituant le pont de Wheatstone, la tension de sortie ne dépend plus de ces températures différentes. En pratique, I'on peut obtenir la simplification de l'équation (5) en l'équation (7) en utilisant pour la valeur ohmique des résistances de compensation une valeur r de préférence au maximum égale à environ 1/10 R (ce qui demande pour la valeur du CTfl des résistances de compensation une valeur ss = 10a). Dans un tel cas, la sensibilité du capteur de pression n'est guère affectée par la présence dans le circuit des résistances de compensation (la tension de sortie perd 5% de sa valeur par rapport au cas où il n'y a pas de résistance de compensation et le comportement du pont est idéal). On pourrait amoindrir la perte de sensibilité en choisissant la valeur ohmique des résistances de compensation encore plus faible par rapport à la valeur ohmique des jauges extensométriques, par exemple en conférant à r une valeur au maximum égale à S% de R. Un exemple de la configuration des jauges extensométriques J1 à J4 et des résistances de compensation rl à r4 sur la membrane m d'un capteur de pression selon la présente invention est représenté sur la figure 4 (une vue en plan). Cette configuration peut être produite par dépôt de couches minces sur la membrane. Dans cet exemple, les jauges extensométriques sont en Nickel-Chrome et présentent chacune une résistance de 1000 g et un Cin de 1 x i04PC; les résistances de compensation sont en platine et présentent chacune une résistance de 100 i2 et un CIR de 1 x lO~3/ C. Bien que le principe de la présente invention ait été décrit dans le contexte des capteurs de pression à jauges extensométriques, il peut également être appliqué, de façon générale, à n'importe quel circuit électrique du type pont de Wheatstone dans lequel les quatre résistances ont sensiblement la même valeur ohmique, R, et sensiblement le même coefficient de température de résistance, a. REVENDICATIONS 1. Un circuit électrique du type "pont de Wheatstone" comportant quatre éléments de résistance principaux (J1 à J4) ayant chacune sensiblement la même valeur ohmique, R, et sensiblement la même valeur de coefficient de tempéxature de résistance, a, un élément de résistance principal se trouvant dans chaque branche du pont de Wheatstone, caractérisé en ce que chaque branche du pont de Wheatstone comporte un élément de compensation en série avec l'élément de résistance principal correspondant, les éléments de compensation (rl à r4) présentant chacune la même valeur ohmique de résistance, r, et le même coefficient de température de résistance, ss, ces valeurs se rapportant à celles des éléments de résistance principaux sensiblement selon la formule: Ra = rss et que chacun des éléments de résistance principal partage son environnement thermique avec un élément de compensation d'une des branches adjacentes du pont de Wheatstone. 2. Un circuit électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément de compensation partage l'environnement thermique d'un élément de résistance principal d'une branche adjacente du pont de Wheatstone en étant disposé physiquement très près de cet élément principal de résistance. 3. Un circuit électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la valeur ohmique de résistance, r, des éléments de compensation est très faible par rapport à celle, R, des éléments de résistance principaux, et le coefficient de température de résistance, ss, des éléments de compensation est nettement supérieur à celui, a, des éléments de résistance principaux. 4. Un circuit électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la valeur ohmique de résistance, r, des éléments de compensation est, au maximum, 10% de la valeur ohmique des éléments de résistance principaux. 5. Un circuit électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il fait partie d'un capteur de pression à jauges extensométriques, les éléments de résistance principaux étant constitués des jauges extensométriques (J1 à J4) du capteur. 6. Un capteur de pression à jauges extensométriques comportant quatre jauges extensométriques (J1 à J4) disposées sur une membrane et connectés en pont de Wheatstone, les quatre jauges extensométriques présentant chacune sensiblement la même valeur ohmique, R, et sensiblement le même coefficient de température de résistance, a, caractérisé en ce que chaque branche du pont de Wheatstonc comporte un élément de compensation en série avec la jauge extensométriquc correspondante, les éléments de compensation (rl à r4) présentant chacune sensiblement la même valeur ohmique de résistance, r, et sensiblement le même coefficient de température de résistance, ss, ces valeurs se rapportant à celles des jauges extensométriques sensiblement selon la formule: Ra = rss et que chacune des jauges extensométriques partage son environnement thermique avec un élément de compensation d'une des branches adjacentes du pont de Wheatstone. 7. Un capteur de pression selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque élément de compensation partage l'environnement thermique d'une jauge extensométrique d'une branche adjacente du pont de Wheatstone en étant disposé physiquement très près de cette jauge. 8. Un capteur de pression selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la valeur ohmique de résistance, r, des éléments de compensation est très faible par rapport à celle, R, des jauges extensométriques, et le coefficient de tempéruure de résistance, ss, des éléments de compensation et nettement supérieur à celui, a, des jauges extensométriques. 9. Un capteur de pression selon la revendication 8, caractérisé en ce que la valeur ohmique de résistance, r, des éléments de compensation est, au maximum, 10% de la valeur ohmique des jauges extensométriques.