Brevet FR2907543A1 — publié le 20080425

La présente invention concerne la détermination et la correction d'une erreur induite par un filtre passe-haut dans la chaîne de mesure d'un capteur. Dans le domaine de la mesure des grandeurs physiques au moyen d'un capteur, il est connu pour certains principes de mesure de disposer un filtre passe- haut nécessaire à l'obtention de la mesure. Cependant ce même filtre passe-haut provoque une erreur par introduction de perturbations. Le seul remède connu à ce problème est actuellement de limiter l'impact du filtre passe-haut sur le signal utile, en réduisant au minimum la fréquence de coupure du filtre passe-haut, afin de l'éloigner de la bande passante du capteur. Un but de l'invention est d'estimer théoriquement l'erreur induite par le filtre passe-haut en fonction des caractéristiques du filtre passe-haut et du signal de mesure en sortie du filtre passe-haut afin de corriger cette erreur pour reconstruire le signal de mesure. L'invention concerne un dispositif de détermination d'une erreur induite par 15 un filtre passe-haut sur un signal, comprenant un moyen de calcul de ladite erreur selon la formule : E(t) = V (t) - V (t) = 2.fJ .. fa' t(V (a) - V (a))da + E(to) avec : ~ E(t) la valeur de l'erreur induite par le filtre passe-haut, en fonction de la variable temps t, 20 II la constante trigonométrique, F. la fréquence de coupure du filtre passe-haut to l'instant initial, a variable d'intégration, Ve le signal en entrée du filtre passe-haut, 25 V, le signal en sortie du filtre passe-haut, V. la valeur moyenne du signal Vs . Selon un premier mode de réalisation de l'invention ledit moyen de calcul est périodiquement remis à zéro. La remise à zéro peut être commandée selon l'invention par un signal 30 périodique externe. 2907543 2 Alternativement la remise à zéro peut être commandée selon l'invention par un seuillage du signal VS. Avantageusement selon l'invention ledit seuillage est réalisé avec une hystérésis. 5 Selon une autre caractéristique de l'invention la valeur de seuil utilisée pour le seuillage est sensiblement égale à la valeur moyenne Vs du signal. Selon un second mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend encore un filtre stabilisant. Selon une autre caractéristique de l'invention ledit filtre stabilisant comprend 10 un filtre passe-bas de premier ordre, de fonction de transfert 1 , appliqué au 1+z.p signal de valeur moyenne V, et un filtre passe-haut de premier ordre, de fonction de transfert ri) , appliqué au signal d'erreur E, avec T constante de temps l+z.p desdits filtres et p variable de laplace. Selon encore une autre caractéristique de l'invention ledit filtre passe-bas 15 emploie la formule de récurrence : VS. (i) = k.Vs (i -1)+ (1- k).V,. (i) et ledit filtre passe-haut emploie la formule de récurrence : E(i) = k.E(i -1)+ k(')(''_', l avec e k nombre réel compris entre 0 et 1, tel que z 20 k = T+T Te période d'échantillonnage, i index de récurrence, et Fe fréquence d'échantillonnage. L'invention concerne également et plus généralement une méthode de 25 correction d'une erreur induite par un filtre passe-haut dans la chaîne de mesure d'un capteur, ladite méthode comportant notamment les étapes suivantes: - estimation de l'erreur induite par le filtre passe-haut en fonction des caractéristiques dudit filtre passe-haut en utilisant un moyen de calcul de ladite erreur du type 2907543 3 E(t) = Vç (t) ù V ,(t) - correction de l'erreur induite par le filtre passe-haut. L'invention concerne encore l'application du dispositif selon l'un des modes de réalisation précédents à la construction d'un conditionneur pour un capteur 5 comportant un filtre passe-haut, ledit conditionneur comprenant en outre un dispositif additionneur, ajoutant ladite erreur E au signal de sortie du capteur Vs, afin de produire un signal corrigé Ve. L'invention concerne encore un capteur comportant un filtre passe-haut, comprenant un tel conditionneur. 10 L'invention concerne encore l'application à un capteur de pression comportant un élément sensible piézoélectrique. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description détaillée donnée ci-après à titre indicatif en relation avec des dessins sur lesquels : - la figure 1 présente un schéma d'un capteur comportant un filtre passe-haut, - la figure 2 illustre un détail d'un dispositif correcteur selon l'invention, - la figure 3 illustre un dispositif de détermination selon l'invention de l'erreur induite par un filtre passe-haut, - la figure 4 illustre un second mode de réalisation d'un tel dispositif de détermination selon l'invention. La figure 1 illustre la problématique de l'invention. Un capteur 5 mesure une grandeur Ve au moyen d'un élément sensible 6 et produit un signal de mesure Ve. Ce signal de mesure Ve est traité par un conditionneur 4 comportant un filtre passe-haut 2, entre autres composants non représentés et figurés par le trait pointillé. Ce filtre passe-haut 2 peut être nécessité par le principe même de mesure et peut ne pas être retiré. Cependant ce filtre passe-haut 2 perturbe le signal Ve et produit un signal perturbé Vs. Le but de l'invention est de réaliser un dispositif correcteur 1 capable de déterminer une erreur E(t) = Ve(t) -V (t) , afin de pouvoir reconstruire par addition, le signal d'origine Ve. La figure 2 illustre en détail ledit dispositif correcteur 1 qui reconstruit un signal d'origine Ve au moyen d'un dispositif de détermination 3 de l'erreur E(t) = V (t) - V (t) et d'un sommateur 11, à partir du signal perturbé Vs. 2907543 4 La suite de la description se concentre sur le dispositif de détermination 3 de l'erreur E. Le principe de calcul repose sur une analyse théorique de l'influence d'un filtre passe-haut 2 sur un signal. La fonction de transfert d'un filtre passe-haut de premier ordre est : 5 si p) = r. p ,avec e l+z.p s signal de sortie, e signal d'entrée, p variable de Laplace, et r constante de temps, avec 2.II.Fc.z =1, F, étant la fréquence de coupure 10 du filtre passe-haut 2. L'équation différentielle équivalente est : ds de + 2.fI .F .s = où t représente la variable temps. Par intégration on en dt dt ' déduit : E(t) = [e - s](t) = 2.II.F. f' s(a).da + [e - s](to) . Il est important de remarquer que cette formule n'est utilisable que pour un signal s de valeur 15 moyenne nulle. Le signal réel VS ne répondant pas nécessairement à cette condition, ceci est corrigé en employant un signal VS corrigé de sa valeur moyenne V. Dans le cas considéré la formule devient : E(t) = Ve(t) - Vs 0) = 2.II.F..1t (V (a) - V.(a))da + E(to) . En connaissant la valeur de aù~o l'erreur E(to) à un instant donné to, il est possible de déterminer l'erreur E(t) à tout 20 instant, par intégration du signal V. ôté de sa valeur moyenne V. On connaît au moins un instant initial ou l'erreur est nulle. La figure 3 illustre ainsi le dispositif de détermination de l'erreur 3. Ce dispositif 3 comprend un module de détermination 12 de la valeur moyenne V. du signal V , un sommateur 13 qui ôte cette valeur moyenne au signal V. , un intégrateur 14 qui détermine l'intégrale de ce signal de 25 moyenne nulle V5. -V. et un multiplicateur scalaire 15 qui multiplie par 2.f1.Fc pour obtenir une estimation de l'erreur E. La fréquence de coupure Fc est déterminée en fonction des caractéristiques du filtre passe-haut 2. Ainsi, dans le cas d'un filtre passe-haut 2 classiquement réalisé par un dipôle RC, F, = 1 . Une 2.II.R.C 2907543 5 détermination précise de la fréquence de coupure contribue à la précision du dispositif 3. Le dispositif 3 objet de l'invention et ses différents composants peuvent être réalisés par tout moyen connu de l'homme du métier de type analogique ou 5 numérique. Cependant quel que soit la technologie employée, la présence d'un intégrateur 14 conduit à une dérive. Ainsi, par exemple, lorsque le dispositif 3 est réalisé en utilisant une technologie numérique des erreurs liées à l'échantillonnage et à l'approximation trapézoïdale utilisée pour l'intégration contribuent à cette dérive. 10 Si l'on fait l'hypothèse que le signal mesuré Ve, et donc le signal perturbé Vs, est périodique, il en découle que l'erreur E issue d'une intégration dudit signal VS s'annule périodiquement selon une période identique à celle des signaux Ve, Vs. Ceci est mis à profit selon deux modes de réalisation de l'invention, afin de réduire l'impact de cette dérive. Cette dérive est considérée acceptable durant une 15 période du signal car négligeable relativement à l'erreur E déterminée. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'erreur E est périodiquement remise à zéro. Selon un second mode de réalisation, un filtrage additionnel est appliqué à l'erreur E. Selon le premier mode de réalisation le moyen de calcul 3 comprend un 20 moyen de remise à zéro de l'erreur E(t). Selon une première variante le moyen de remise à zéro est commandé par un signal périodique externe au dispositif. Cependant il est possible que ce signal périodique externe ne soit pas disponible. Selon une seconde variante, le signal périodique VS peut avantageusement être seuillé afin de commander la remise à zéro. Un moyen de 25 seuillage (non représenté) compare alors le signal VS à une valeur de seuil S. Ledit signal VS étant périodique, un tel seuillage doit faire apparaître, pour un seuil S bien choisi, sur chaque période, un franchissement du seuil S "montant" et un franchissement du seuil S "descendant". La remise à zéro peut alors avantageusement s'effectuer, commandée par l'un de ces franchissements. 30 Afin de s'affranchir d'une oscillation locale du signal seuillé, il est avantageux de réaliser le seuillage avec une certaine hystérésis, selon un procédé bien connu de l'homme du métier, en utilisant une largeur d'hystérésis supérieure à l'amplitude prévisible de ladite oscillation. Avantageusement, afin d'effectuer une remise à zéro de l'erreur E proche du 2907543 6 point où elle s'annule naturellement, la remise à zéro est effectuée lorsque le signal VS présente un point d'inflexion. Pour cela la valeur de seuil S utilisée pour le seuillage est prise égale à la valeur moyenne V,. du signal. Selon le second mode de réalisation, alternativement à une remise à zéro, le 5 dispositif selon l'invention 3 comprend un filtre stabilisant. Un tel dispositif est avantageux en ce qu'il ne provoque pas de discontinuité du signal telle que celle pouvant être induite par la remise à zéro utilisée dans le premier mode de réalisation. Ainsi ce second mode de réalisation, puisqu'il ne réalise pas de seuillage, est avantageusement plus robuste aux oscillations du signal VS et aux 10 bruits parasites. Le filtre stabilisant comprend avantageusement un filtre passe-bas 9 de premier ordre, de fonction de transfert 1 , appliqué au signal de valeur 1+r.p moyenne Vs et un filtre passe-haut 10 de premier ordre, de fonction de transfert 1+r.p 15 identique pour ces deux filtres et p la variable de Laplace. Une constante de temps de l'ordre de T=0,2 s s'avère satisfaisante. La figure 4 illustre un dispositif 3 de détermination de l'erreur E comprenant, en plus des composants décrits en référence à la figure 3, un tel filtre passe-bas 9 et un tel filtre passe-haut 10. On peut remarquer que le filtre 10 peut 20 indifféremment être appliqué à E en étant disposé en aval du multiplicateur 15 ou à la grandeur J t (VV.(a)- Vs (a da en étant disposé en amont du multiplicateur aùt0 15. Selon une méthode bien connue de l'homme du métier, la réalisation de filtres avec des moyens de calcul numériques remplace les fonctions de transfert 25 par des formules de récurrence applicables aux signaux échantillonnés selon une période Te et indexés en fonction d'un index i. Ainsi le signal de mesure perturbé VS est noté Vs(t) à l'instant t en mode continu. De manière équivalente Vs(i), respectivement Vs(i-1), désigne la valeur échantillonnée du signal VS respectivement pour le iéme et pour le i-1 éme échantillonnage. Les formules de 30 récurrence sont respectivement pour le filtre passe-bas 9 (i) = k.V (i -1)+0- k).Vs (i) et pour le filtre passe-haut 10 : z.p , appliqué au signal d'erreur E, T désignant une constante de temps 2907543 7 E(i)=k.E(i-1)+[V(a)-V [vs (i -1)- -s (i -0] avec 2.F~ k nombre réel compris entre 0 et 1, et tel que k = Z+Te Te, Fe respectivement période et fréquence d'échantillonnage, et i index de récurrence. 5 Une valeur de k = 0,9999 s'avère satisfaisante. Elle correspond à une valeur de la constante de temps T=0,2, pour une période d'échantillonnage de 200 ms. L'augmentation de la valeur de k, permet d'améliorer la précision du dispositif 3. Cependant ceci s'effectue au détriment de sa rapidité, une augmentation de k étant équivalente à une augmentation du temps de réponse T. De même il est 10 possible de diminuer k, afin la rapidité au détriment de la précision. En se référant aux figures 1 et 2, l'invention concerne encore un conditionneur 4 pour un capteur 5 comportant un filtre passe-haut 2, comprenant un dispositif 3 selon l'un des modes de réalisation précédemment décrit déterminant l'erreur E induite par le filtre passe-haut 2 sur un signal de mesure et 15 un dispositif sommateur 11, ajoutant ladite erreur E au signal de sortie du capteur Vs, afin de produire un signal corrigé Ve corrigeant ainsi la perturbation induite par le filtre passe-haut 2. La présente invention peut tout à fait être généralisée à des filtres d'ordre supérieur à un en appliquant les principes énoncés ci-dessus. L'invention 20 concerne donc également une méthode de correction d'une erreur induite par un filtre passe-haut dans la chaîne de mesure d'un capteur, ladite méthode comportant notamment les étapes suivantes: - l'estimation de l'erreur induite par le filtre passe-haut en fonction des caractéristiques dudit filtre passe-haut. Cette estimation est faite en utilisant un 25 moyen de calcul de ladite erreur du type E(t)=VV(t)ùV,(t) - la correction de l'erreur induite par le filtre passe-haut. A titre d'exemple d'application de l'invention, on peut citer un capteur 5 de pression dont l'élément sensible 6 comprend un condensateur à diélectrique 30 piézoélectrique. Selon un principe de mesure connu, ledit condensateur fait apparaître à ses bornes une charge représentative de la pression auquel il est soumis. Un signal de tension indicatif de la pression est obtenu en intégrant ladite 2907543 8 charge au moyen d'un amplificateur opérationnel. La réalisation du circuit d'amplification de la charge introduit nécessairement un filtre passe-haut. L'invention est applicable à un tel capteur de pression afin de compenser la perturbation introduite par ledit filtre passe-haut. 5 Un cas d'application dudit capteur de pression est la mesure de la pression dans un cylindre de moteur à combustion interne. Une telle mesure fait apparaître un signal périodique dont la période correspond à un cycle moteur. Le signal externe de remise à zéro peut dans ce cas être issu de la mesure de l'angle vilebrequin. REVENDICATIONS 1. Dispositif (3) de détermination d'une erreur E induite par un filtre passe-haut (2) sur un signal, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de calcul de ladite erreur selon la formule : E(t) = Ve (t) û V (t) = 2.H .F,.. J' (V. (a) û V (a)).da + E(to) avec : E(t) la valeur de l'erreur induite par le filtre passe-haut, en fonction de la variable temps t, H la constante trigonométrique, Fe la fréquence de coupure du filtre passe-haut to l'instant initial, a une variable d'intégration, V le signal en entrée du filtre passe-haut, V, le signal en sortie du filtre passe-haut, V. la valeur moyenne du signal V. 2. Dispositif selon la revendication 1, où ledit moyen de calcul (3) 15 comprend un moyen de remise à zéro de l'erreur E (t). 3. Dispositif selon la revendication 2, où le moyen de remise à zéro est commandé par un signal périodique externe. 4. Dispositif selon la revendication 2, où le moyen de remise à zéro est commandé par un seuillage du signal V. 20 5. Dispositif selon la revendication 4, où ledit seuillage est réalisé avec une hystérésis. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, où la valeur de seuil utilisée pour le seuillage est égale à la valeur moyenne V. du signal. 7. Dispositif selon la revendication 1, comprenant encore un filtre 25 stabilisant. 8. Dispositif selon la revendication 7, où ledit filtre stabilisant comprend un filtre passe-bas (9) de premier ordre, de fonction de transfert 1 , appliqué au 1+z.p signal de valeur moyenne V. et un filtre passe-haut (10) de premier ordre, de fonction de transfert appliqué au signal d'erreur E, avec T constante de 1+ r.p 2907543 10 temps desdits filtres et p variable de laplace. 9. Dispositif selon la revendication 8, où ledit filtre passe-bas (9) emploie la formule de récurrence : V. (i) = k.V. (i -1)+0- k).V (i) et ledit filtre passe-haut (10) emploie la formule 5 de récurrence : E(i) = k.E(i -1)+ [V. (i)û V. (i)1+2V~i -1)û V. (i -1)~ avec L' k nombre réel compris entre 0 et 1, tel que k= +T Te , Fe respectivement période et fréquence d'échantillonnage, et 10 i index de récurrence. 10. Conditionneur (4) pour un capteur (5) comportant un filtre passe-haut (2), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes déterminant l'erreur E induite par le filtre passe-haut (2) sur un signal de mesure et un dispositif sommateur (11), ajoutant ladite erreur E au signal de sortie VS du capteur, afin de produire un signal corrigé Ve. 11. Capteur (5) comportant un filtre passe-haut (2), caractérisé en ce qu'il comprend un conditionneur (4) selon la revendication précédente. 12. Méthode de mesure de la pression dans un cylindre de moteur à combustion interne, caractérisée en ce qu'elle comprend une étape de mesure de la pression au moyen d'un capteur (5) de pression selon la revendication 11 en utilisant un élément sensible (6) piézoélectrique équipant ce capteur. 13. Méthode de correction d'une erreur induite par un filtre passe-haut dans la chaîne de mesure d'un capteur, ladite méthode comportant notamment les étapes suivantes: - estimation de l'erreur induite par le filtre passe-haut en fonction des caractéristiques dudit filtre passe-haut en utilisant un moyen de calcul de ladite erreur du type E(t) = Ve (t) - VS (t) - correction de l'erreur induite par le filtre passe-haut. 14. Méthode de correction d'une erreur selon la revendication 13, caractérisée en ce que le moyen de calcul de ladite erreur est du type: 2907543 11 E(t) = V (t) ù V (t) = 2.ILF.. Lio (Vs(a) ù V. (a)).da + E(to) avec : E(t) la valeur de l'erreur induite par le filtre passe-haut, en fonction de la variable temps t, II la constante trigonométrique, 5 Fe, la fréquence de coupure du filtre passe-haut to l'instant initial, a une variable d'intégration, Va le signal en entrée du filtre passe-haut, VS. le signal en sortie du filtre passe-haut, 10 V la valeur moyenne du signal V .