FR 2111890 A1 19720609 FR 7138636 A 19711027 1 71 38636 2111890 La présente invention concerne les appareils" destinés à l'utilisation des jauges capacitives du type décrit et représenté dans la demande de brevet français N"0 71 29876 du 16 Août 1971 déposée par la Demanderesse j cette demande décrit la comparaison 5 d'une capacitance mesurée avec une capacitance de référence ou de compensation, ou la détermination de valeur relative de .deux valeurs capacitives concernant la mesure de paramètres tels que des distances, des dimensions., etc.dans des conditions particulières. Pour réaliser cette opération, il est nécessaire de disposer î0 d'instruments précis de construction simple et peu coûteuse. Un problème posé par l'obtention pourtant extrêmement souhaitable de jauges capacitives précises est leur sensibilité, c'est-à-dire la variation du signal de sortie fourni par l'instrument pour une variation donnée de la capacitance mesurée. Une 15 augmentation de la sensibilité accroît la précision en réduisant la variation capacitive due aux imprécisions des instruments. lorsqu'on mesure des réactances, par exemple des capacitances, on utilise couramment comme instrument associé à la jauge une source alternative d'excitation électrique. La fréquence et l'am 20 plitude du signal fourni par cette source affectent normalement le signal fourni par l'ensemble ainsi que sa sensibilité. Il est coûteux de réguler à la fois la fréquence et l'amplitude du signal. Si on rend le signal fourni par l'instrument indépendant de l'un de ces paramètres, plus précisément de la fréquence, il est rela-25 tivement simple et peu coûteux de réaliser la source qui a alors une configuration et des dimensions relativement réduites pour une précision équivalente. De plus, lorsque les quantités physiques mesurées produisent la variation de capacitances mesurées dans un bruitjqui est important par rapport à la variation (ce qui est géné-30 ralement le cas lorsqu'on ne peut introduire matériellement que de petites sondes pour faire la mesure), toute amplification du signal utile qu'on peut atteindre au niveau de la source de variation simplifie notablement le problème et améliore le rapport signal sur bruit. 35 On a,jusqu'à présent,rencontré beaucoup de difficultés dans la mise en oeuvre pratique des variations de capacitances d'un système à transducteur, en métrologie. Ces difficultés sont dues principalement aux limites géométriques et de configuration imposées 71 38636 2111890 au transducteur capacitif et aux impératifs posés par les applications particulières, ainsi qu'au fait que les techniques classiques de mesure en laboratoire avec des ponts ne conviennent pas dans ce cas. 5 Les limites imposées au transducteur capacitif sont électri ques, géométriques et concernent sa configuration, car l'enveloppe du transducteur qui est habituellement en métal, doit être fixée arbitrairement du point de vue électrique aussi bien que mécanique à un ensemble voisin du point de mesure, et le transducteur doit 10 avoir une dimension et une configuration correspondant à l'application nécessaire, la configuration étant telle que la mesure appropriée soit transformée convenablement en variation de capacitances. En pratique, la plage la plus large d'utilisation pratique directe des variations de capacité, étant donné les limites impo-15 sées par les transducteurs, correspond à une plage de capacités comprise entre quelques dizièmes et quelques dizaines de picofarads. De plus, il est souvent nécessaire que le transducteur fonctionne à une distance considérable (de l'ordre de 30 mètres) de l'essentiel des dispositifs électroniques de traitement du signal, 20 et dans des conditions électriques différentes de celles de l'appareillage électronique de traitement, si bien qu'il peut se produire du bruit et certaines erreurs à partir de cette source. Malgré cela, il faut souvent, pour que l'appareillage donne un progrès utile, étant donné l'état de la technique, qu'on obtienne -5 25 une précision de l'ordre de 10 sur le signal électrique fourni par le système. Il faut aussi de manière générale que le démodulateur fournisse un signal algébrique passant par zéro, de manière à conserver l'information relative au sens de la différence de capacité de 30 deux condensateurs. Les circuits connus de démodulation, par exemple les redresseurs à pont directement associés aux branches du pont ne donnent pas un signal algébrique. On connaît un instrument simple à pont qui fonctionne autour d'un signal de valeur nulle. Cependant, cet instrument ne présente 35 pas habituellement l'avantage de mesurer le signal correspondant à un potentiel qui est simultanément celui d'une masse ou d'un point commun à une borne de la source, de la capacité de mesure et 3 71 38636 2X11890 de la capacité de compensation. Un autre problème posé par les instruments à jauge apparaît lors du passage d'un signal alternatif à faible niveau fourni par la sonde, qui peut être dans un milieu créant un bruit électrique éloigné du dispositif électronique de traitement recevant ce signal, si bien qu'il peut apparaître avec le signal des signaux d'erreur importants. Un autre problème posé par les instruments à jauge capacitive est que les circuits simples de démodulation à niveau élevé, tels qu'utilisés avec les ponts ordinaires, réduisent la sensibilité de la jauge dans une' grande mesure, introduisent un défaut de linéarité et rendent le signal sensible aux variations de la valeur des condensateurs de filtrage et de l'amplitude de l'intensité du courant du signal fourni par le démodulateur. En plus, les circuits de démodulation comprenant des diodes qui constituent le dispositif le plus courant de redressement des signaux alternatifs, ont habituellement des erreurs notables dues à la chute de tension de la diode dans le sens direct, ou à une erreur d'adaptation. Un autre problème posé par les instruments à jauge capacitive provient de l'erreur induite lorsque l'excitation totale de.la jauge passe dans le dispositif de mesure ou indicateur. L'invention concerne donc un instrument simple, sensible, précis et peu coûteux destiné à l'utilisation de jauges capacitives. L'appareil est indépendant de la fréquence. Il fournit un signal de référence au potentiel de la masse, la source et l'impédance de mesure étant aussi au potentiel de la masse. Le dispositif d'indication de mesure se trouve à l'extérieur du circuit d'excitation de la capacité détectrice. Il fournit un signal démodulé de niveau élevé qui réduit l'erreur induite par les conditions externes. Le signal est transmis à un appareil électronique de traitement de façon différentielle, et assure ainsi une grande précision et une insensibilité aux conditions externes, notamment au bruit. Le signal fourni par l'appareil est suffisamment important et la sensibilité est suffisamment grande pour que dans certaines applications, on puisse envoyer directement le signal du circuit de mesure à un appareil indicateur, sans dispositif intermédiaire de traite- 71 38636 2111890 ment, malgré la faible capacité de la jauge et son impédance élevée. Il existe une relation algébrique linéaire passant par zéro entre la différence des deux capacités des jauges et le signal fourni par l'appareil. Le signal démodulé est dépourvu d'erreur 5 notable due à une erreur de compensation ou à une chute de tension dans des diodes. L'appareil donne les avantages cités quelle que soit la dimension des condensateurs de filtrage du démodulateur et quelle que soit l'intensité du courant du signal fourni par ce démodulateur. 10 Dans un mode de réalisation préféré, l'invention concerne un circuit fournissant un signal représentatif de la différence entre des impédances de mesure et de compensation. Deux bras couplés du circuit, normalement des inducteurs, reçoivent le signal alternatif d'excitation d'un oscillateur ou d'une source7de ma-15 nière que l'excitation d'un premier bras produise dans le second bras un effet opposé à celui produit par l'excitation dans le premier. L'excitation dans chacun des bras ou inducteurs par- de vient aux condensateurs/mesure et de compensation et revient a la source par la masse. 20 Des signaux de polarités opposées,provenant du côté à niveau élevé des capacités de mesure et de compensation et représentant la réponse de ces capacités à l'excitation,sont combinés potentio-métriquement en un signal intermédiaire entre les deux signaux de polarités opposées. Dans une variante, on peut traiter différentiel-25 lement les signaux en les faisant pénétrer dans un système différentiel de manière à réduire l'erreur et le bruit. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor-tiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel : 30 la figure 1 est un schéma d'un circuit de mesure d'impédances selon le mode de réalisation préféré de l'invention ; et la figure 2 est une variante d'une partie du circuit de la figure 1. La figure 1 représente un schéma d'un mode de réalisation 35 préféré de l'invention donné à titre d'illustration. Un oscillateur 12 à onde sinusoïdale assure l'excitation alternative de la jonction des deux bornes d'enroulement 14 et 16 71 38636 5 21.11890 10 15 20 25 30 d'un transformateur 18. Les autres "bornes des enroulements 14et 16 sont reliées à une borne d'une impédance variable 20 et d'une impédance 22 qui ont des capacités C^ et C^ sur la figure 1. L'un des condensateurs peut être variable ou les deux. Les autres bornes des condensateurs 20 et 22 sont reliées à une masse ou à un point commun rejoignant la source 12. A partir de la jonction 24 entre l'enroulement 14 et le condensateur 20, un redresseur 26 conduit vers une borne d'un condensateur 28. L'autre borne de celui-ci est à la masse. Une borne du 32 condensateur 30 est reliée à un redresseur/qui conduit vers un point 34 de jonction entre l'enroulement 16 et le condensateur 22. L'autre borne du condensateur 30 est à la masse. Les bornes des condensateurs 28 et 30 qui ne sont pas à la masse font parvenir des signaux électriques passant dans les condensateurs 28 et 30 par l'intermédiaire d'impédances 36 et 38 à une borne d'un indicateur,ou appareil de mesure 40 de courant continu. L'autre borne de l'appareil 40 est à la masse. Les impédances 36 et 38 peuvent être des résistances ou des filtres passe-bas, par exemple des inductances. Comme le montre le schéma partiel de la figure 2, on peut remplacer l'appareil 40 et les impédances 36 et 38 par un amplificateur d'addition 42 à deux entrées ou un autre dispositif électronique de traitement. Les deux entrées de l'amplificateur 42 sont reliées aux bornes des condensateurs 28 et 30 qui ne sont pas à la masse. On/peut comprendre les caractéristiques et avantages du circuit de mesure qu'après avoir expliqué la théorie de son fonctionnement. On suppose que les enroulements 14 et 16 ont une self-inductance L et que le couplage entre eux est égal à 100 c'est-à-dire que l'inductance mutuelle est aussi L. Les enroulements 14 et 16 sont reliés sur la figure 1 de manière que l'excitation dans un enroulement induise une réponse opposée dans l'autre, lors de l'application de l'excitation. Les expressions suivantes s'appliquent dans ce cas : V. I (1) I (2) V2 juC^ 71 38636 7111890 En posant M = 1 pour déterminer 1^ et : 1 + 2W2LC, v y 2— (3) 1 +w'"L(Cb + Cm) 5 1 + 2co2IC v Y S_ (4) ^ 1 +oj 1(0^ + 0m) 2u£L(C, - 0m) V = V1 - V? =V p— S— (5) 10 ù ^ 1 +w I/(C^ + 0m) pour u 2 >> __J. 2L Cb 2Y(0b - Gm) VS ~ CL + C ^ d m 15 Avec : V = tension de sortie de la source 12 Y.j = tension de la borne 24 V2 = tension à- la borne 34 L = self-induetance et inductance mutuelle des enroulements 20 14 et 16 a) = fréquence angulaire de la source 12. L'équation (6) montre que, en choisissant u à une valeur bien' supérieure à la fréquence pour laquelle les enroulements 14 et 16 et les condensateurs 20 et 22 sont en résonance, la tension entre 25 les bornes des condensateurs 20 et 22 est indépendante de la fréquence et très sensible aux variations de ou C^. La sensibilité est à peu près quatre fois celle d'un temps ordinaire. Il faut noter tout particulièrement que, en plus de cette sensibilité accrue, l'appareil donne un signal qui varie linéaire-30 ment en fonction de la différence des capacités. Ceci reste vrai même pour des valeurs importantes de Cb-Cm, pourvu que C-^ et C restent constantes, comme dans le cas d'un condensateur différentiel linéaire variable, qui constitue un exemple de configuration de jauge destiné aux mesures à grande distance. 35 Sous la forme la plus générale, L^ étant la self-inductance 71 38636 7 ? 111890 2 de l'enroulement 14 et Lg celle de l'enroulement 16, M = on a î v = r(M(0i - Cm> + *2 °b - Cm> (7) I1 Cm + ^ °b + "^2 avec a,2 » 1 °m + L2 °b Ce circuit est indépendant de la fréquence et lui aussi très sensible. 10 Pour tirer avantage de la sensibilité, on fait parvenir les de signaux/polarités opposées des bornes 24 et 34 par l'intermédiaire des redresseurs 26 et 32 aux condensateurs 28 et 30. Ceux-ci se chargent de façon opposée à des potentiels de crête positif et négatif, c'est-à-dire aux potentiels qui existent aux bornes 24 et 15 34. S'il existe un potentiel alternatif élevé d'excitation (par exemple 100 volts crête à crête) la chute de tension dans le sens direct des diodes utilisées est faible en comparaison de l'excitation. De plus, du fait des connexions dans le circuit, l'effet des 20 chutes de tension dans les deux diodes est soustractif, si bien qu'il n'apparaît sous forme d'erreur que la différence des chutes de potentiel, ainsi que la variation avec la température de cette * différence. La variation de cette erreur avec la température est —6 par exemple inférieure à 100 microvolts/°C, soit moins de 10" fois 25 la tension d'excitation. Il faut noter particulièrement que, du fait de la faible impédance créée par le transformateur dont les deux côtés sont reliés en sens opposé, on peut utiliser un démodulateur qui tire des intensités de crête supérieures à l'intensité dans la jauge, et per-30 met d'utiliser des condensateurs de grande valeur ( de l'ordre de 0,1 microfarads)' pour les condensateurs 30 et 28, malgré les faibles valeurs des condensateurs de la jauge (par exemple 40 pico-farads) même si on tire des intensités importantes du démodulateur par les résistances 36 et 38 qui peuvent être alors assez faibles 35 pour être de l'ordre de grandeur des réactances dues aux capacités C^ et S de la jauge sans modification notable de la précision ou 71 38636 8 21,1 1890 de la sensibilité de la jauge. Le signal élevé ainsi fourni permet d'obtenir une précision globale de mesure qui est bien supérieure à celle qu'on a obtenu en pratique jusqu'à présent. On constate qu'il existe à la jonction des impédances 36 et 5 38 une tension intermédiaire entre celle qui existe au niveau des condensateurs 28 et 30. Cette tension intermédiaire est une moyenne si les impédances 36 et 38 sont égales et elle dépend du potentiel de la masse d'une quantité proportionnelle à la différence des potentiels qui existent au niveau des condensateurs 20 et 22. 10 Cette différence apparaît sur le dispositif 40 de mesure ou dans le signal fourni par l'amplificateur 42. Lorsque les impédances 36 et 38 sont des inductances, il se produit un filtrage supplémentaire à haute fréquence de la tension intermédiaire. Dans une variante, si on supprime les condensateurs 28 et 30, 15 la tension intermédiaire est comprise entre le potentiel moyen des signaux de polarités opposées des condensateurs 28 et 30. Du fait de cette caractéristique de signal nul, il n'est pas nécessaire de disposer de potentiels de référence dont l'établissement revient cher. La condition de zéro pour le circuit général corres-20 pondant à i1 équation (7) est t Cb _ L1 + L2 + L1 Cm = L, + L2 + L2 ^ permettant d'obtenir un signal nul lorsque C-^ n'est pas égal à Cm. Le dispositif 40 de mesure ou l'amplificateur 42 ne laisse 25 pas passer toute l'excitation du circuit. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les 30 revendications annexées. 71 38636 9 21,11890 REVENDICATIONS 1. Circuit de mesure de quantités associées à deux impédances de même signe, caractérisé en ce qu'il comprend une source d'excitation à une certaine fréquence, un circuit en pont comprenant une 5 première paire d'impédances de même signe dans des bras voisins du pont et une paire couplée d'impédances de même signe dans les autres bras voisins du pont, les paires d'impédances ayant des signes opposés et une fréquence de résonance inférieure à la fréquence de la source, un dispositif destiné à exciter le pont à par-10 tir de la source au niveau des jonctions des impédances de même signe, et un circuit de mesure comprenant des détecteurs donnant par rapport à la masse des signaux présents à chacune des jonctions entre les paires d'impédances, lesdites impédances couplées formant une faible impédance de source pour les composantes de signaux 15 présentes aux jonctions entre les paires d'impédances analogues, dans le cas de la circulation d'un courant dans les détecteurs du fait du déséquilibre du pont, les détecteurs fournissant,à partir desdites composantes, des signaux additifs à po'tentiel défini par rapport à la masse, qui sont sensiblement indépendants de la fré~ 20 quence pour des fréquences de la source qui sont supérieures à la fréquence de résonance du circuit en pont. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paire d'impédances analogues associées auxdites quantités à mesurer sont des réactances capacitives. 25 3. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'autre paire d'impédances est formée d'inducteurs couplés. 4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un indicateur, un dispositif destiné à fournir un signal représentatif de la réponse de l'une des réactances capaci- 30 tives une fois excité à l'indicateur au cours de l'excitation de l'impédance de mesure par un signal d'une polarité, et un dispositif destiné à fournir un signal représentatif de la réponse de l'autre des réactances capacitives à l'indicateur au cours d'un signal d'excitation de polarité opposée à celle de l'impédance 35 de compensation# 5. Circuit selon la revendication 4» caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif commandé par l'amplitude de crête des signaux de réponse fournis par les réactances capacitives au cours 71 38636 2111890 des signaux d'excitation de polarité définie provoquant les ré- et ponses reçues par l'indicateur /un dispositif destiné à appliquer à l'indicateur un signal intermédiaire des deux signaux à leur amplitude de crête. 5 6. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce que les signaux obtenus par excitation et les signaux détectés à leur valeur de crête ont des polarités opposées, et en ce qu'il comprend un dispositif différentiel de traitement de signaux commandé par la somme algébrique des signaux détectés de crête.