FR2565353A1 - Procede pour mesurer des capacites, notamment de faibles capacites, dans lequel on utilise deux capacites de reference - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE DE MESURE DE FAIBLES CAPACITES, AU MOYEN D'UNE UNITE DE MESURE ELECTRONIQUE 16 QUI COMPREND UN OSCILLATEUR DE MESURE, DONT LA FREQUENCE DE SORTIE EST FONCTION DE LA CAPACITE A RELIER AUX BORNES D'ENTREE DU CIRCUIT DETERMINANT LA FREQUENCE DUDIT OSCILLATEUR. ON UTILISE DEUX CAPACITES DE REFERENCE C, C, QUI SONT APPLIQUEES, EN ETANT ALTERNATIVEMENT REMPLACEES PAR LA CAPACITE C A MESURER, A L'OSCILLATEUR DE MESURE EN UTILISANT UN AGENCEMENT DE COMMUTATION 13, 14, 15 ET DEUX REFERENCES AUXILIAIRES EXTERNES R, R, LES SIGNAUX DE REFERENCE AUXILIAIRES U, U OBTENUS DE CES DERNIERES ETANT COMPARES AUX SIGNAUX DE SORTIE CORRESPONDANTS U DE L'UNITE DE MESURE ELECTRONIQUE, DERIVES DES CAPACITES DE REFERENCE C, C. ON FORME LES SIGNAUX DU, DU REPRESENTANT LES DIFFERENCES ENTRE LES SIGNAUX DE SORTIE U ET LES SIGNAUX U, U PROVENANT DES REFERENCES AUXILIAIRES EXTERNES, ET ON FORME AVEC CES SIGNAUX DES SIGNAUX DE CONTRE-REACTION U, U COMMANDANT LE CIRCUIT 16.
Description
Procédé pour mesurer des capacités, notamment des faibles
capacités, dans lequel on utilise deux capacités de référence.
L'invention concerne un procédé de mesure de capacités, notamment de faibles capacités, dans lequel on utilise une unité de mesure électronique comprenant un oscillateur de mesure dont la fréquence de sortie est fonction de la capacité à relier aux bornes d'entrée du circuit déterminant la fréquence dudit oscillateur, et dans lequel on utilise deux capacités de référence dont les valeurs électriques sont comprises dans la plage de mesure et qui sont reliées, en étant alternativement remplacées par la ou les capacités à mesurer, à
l'oscillateur de mesure en utilisant un agencement de commutation.
Un point de départ de la présente invention est la technologie de l'art antérieur provenant par exemple des brevets FI 54.664 et 57.319
du demandeur (correspondant aux brevets US 4 295 090 et 4 295 091).
Dans lesdits brevets, il est suggéré un procédé de mesure de faibles capacités, de même qu'un commutateur électronique de permutation destiné à être utilisé avec ce procédé, notamment pour des utilisations
télémètriques de sondes.
Dans les radiosondes, on utilise pour la mesure des divers paramètres, notamment la pression atmosphérique, la température et/ou l'humidité, des détecteurs capacitifs dont l'amplitude de la capacité dépend du paramètre qui est mesuré. Les capacités de ces détecteurs sont souvent relativement faibles, de l'ordre de quelques pF à quelques douzaines de pF, et au maximum à environ 100 pF. La mesure des faibles capacités pose des problèmes, par exemple en raison des capacités de fuite, des variations de la tension d'alimentation et d'autres perturbations. En outre, lesdits détecteurs présentent dans une certaine mesure des propriétés qui varient, ce qui fait qu'ils présentent par exemple une non linéarité individuelle et une dépendance
par rapport à la température.
En ce qui concerne en particulier les applications télémétriques, et lorsqu'on mesure par exemple des paramètres concernant la température, l'humidité, la pression ou autres, au moyen de détecteurs électriques ou électro-mécaniques, il est connu dans l'art antérieur de prévoir, en liaison avec l'unité électronique de mesure, une ou plusieurs références qui sont stables et connues avec précision et au moyen desquelles il est possible de compenser des propriétés individuelles du circuit de mesure et/ou des détecteurs, de même que
leurs variations dans le temps.
En ce qui concerne les détecteurs capacitifs, il est connu dans l'art d'utiliser une capacité de référence qui est reliée alternativement, avec la capacité de mesure, au circuit de mesure, qui est habituellement le circuit d'entrée qui détermine la fréquence de l'oscillateur RC. En réglant de façon correcte le circuit de mesure ou en utilisant tout autre procédé, on peut amener la variable de sortie dudit circuit de mesure qui est dérivée de la capacité de référence au
niveau correct à tout moment particulier dans le temps.
Il est connu dans l'art antérieur d'utiliser des circuits de mesure à une référence, notamment des liaisons en pont, dans lesquels cependant la mesure n'est précise que lorsque la valeur électrique de la référence est proche de la valeur du détecteur, par exemple quand le pont est en équilibre. Plus la valeur du détecteur est éloignée de la référence, plus les erreurs telles que des erreurs provoquées par des changements dans la dynamique du circuit de mesure électronique sont variées. Un avantage des liaisons avec une référence consiste cependant dans la simplicité du circuit de mesure. On décrira les fondements de ce procédé de l'art antérieur plus en détail dans ce qui suit en
référence à la figure 1.
Un avantage des agencements de mesure à deux ou plusieurs références consiste dans la précision de la mesure même dans de vastes plages de mesure, mais un inconvénient est la complexité du procédé de mesure et du calcul qui lui est lié. Les fondements de la mesure à deux références seront décrits plus en détail dans ce qui suit en référence
à la figure 2.
Un but de la présente invention est de développer lesdits procédés et circuits de mesure pour faibles capacités, par exemple allant d'environ 0 à 100 pF, utilisés par le demandeur et connus dans l'art antérieur, de manière que lesdits procédés et circuits deviennent plus précis. Un but de la présente invention est de proposer un tel procédé de mesure et un tel circuit de mesure à deux références au moyen desquels on évite les calculs compliqués qui étaient nécessaires pour déterminer
les résultats des mesures de capacité dans l'art antérieur.
Un but de l'invention est de proposer un tel procédé de mesure et une telle unité électronique de mesure à "auto-réglage" o les variables de sortie correspondant aux détecteurs de référence restent invariables mêmes si l'unité électronique de mesure subit des fuites, par exemple du fait de variations de température ou d'autres circonstances. Pour atteindre les buts ci-dessus et ceux qui apparaîtront dans ce qui suit, l'invention est principalement caractérisée par le fait: que l'on utilise dans ce procédé deux références auxiliaires externes, les signaux de référence auxiliaires obtenus de celles-ci étant comparés aux signaux de sortie correspondants de l'unité électronique de mesure dérivés desdites capacités de référence, que l'on forme des signaux représentant les différences entre lesdits signaux de sortie et lesdits signaux provenant des références auxiliaires externes, au moyen desquels sont formés les signaux de contre-réaction commandant le circuit, l'unité électronique de mesure étant commandée au moyen desdits signaux de contre-réaction dans un sens tel que lesdits signaux de référence ou équivalents se rapprochent de zéro ou d'une valeur prédéterminée correspondante, et que l'on détermine le signal de sortie correspondant à la capacité à mesurer au moyen de l'unité de mesure électronique réglée de façon
correcte au moyen des étapes du procédé qui sont définies ci-dessus.
Les buts de l'invention sont atteints en disposant dans le circuit de mesure des références auxiliaires externes correspondant aux variables de sortie obtenues en réponse aux capacités de référence proprement dites, lesquelles références auxiliaires sont stables et indépendantes de l'unité de mesure électronique et de ses fuites de même que des diverses sources d'interférences. Les variables obtenues à partir de ces références auxiliaires sont comparées aux variables de sortie dérivées des capacités de références proprement dites et sur la base desdites références on forme des signaux différentiels qui sont autorisés d'une part à agir à la manière d'un terme constant sur l'unité de mesure électronique et d'autre part à agir sur la raideur de l'unité de mesure électronique de façon sommatrice pendant autant de cycles de mesure que lorsqu'il s'agit d'un procédé itératif, de telle sorte que la différence entre la capacité de référence et la référence
externe devienne nulle ou suffisamment proche de zéro.
La comparaison a lieu de préférence de manière que le signal différentiel dérivé de la première référence auxiliaire externe et de la première capacité de référence est amené à agir sur l'unité de mesure électronique à la manière d'un terme constant, et en d'autres termes est amené à agir sur le décalage de l'unité de mesure électronique. Le signal différentiel dérivé de la seconde référence auxiliaire externe et de la seconds capacité de référence est, de la manière décrite ci-dessus, amené à agir sur la raideur de l'unité de mesure électronique, c'est-à-dire sur son gain. S'il s'agit d'un circuit de mesure ou d'un procédé de mesure dont la variable de sortie est une fréquence variable, l'un desdits signaux différentiels est amené à agir sur la fréquence de base de l'unité de mesure électronique et l'autre signal différentiel sur sa dynamique, c'est-à-dire sur le changement de fréquence pour une certaine unité de changement de capacité. L'invention sera-maintenant décrite en détail dans ce qui suit en référence aux figures des dessins annexés sur lesquels sont illustrés certains dispositifs de l'art antérieur et certains modes de
réalisation de l'invention.
Sur les dessins: la figure 1 représente les courbes caractéristiques (lignes droites) d'un procédé de mesure à référence unique dans un système à coordonnées x,y, la figure 2 représente les courbes caractéristiques d'un système de mesure à deux références, d'une façon correspondant à celle de la figure 1, la figure 3 montre un procédé et un circuit de mesure selon l'invention, sous forme d'un schéma par blocs, la figure 4 montre un mode de réalisation, à titre d'exemple, du procédé et du circuit selon l'invention, sous forme d'un schéma de câblage. La figure 1 représente un procédé de mesure à référence unique dans un système de coordonnées x,y. On fixe à titre de référence qui est par exemple une capacité dont la valeur électrique est située au centre d'une plage de mesure X1 un point xo, yO par lequel passe une ligne droite k représentant l'unité de mesure électronique. La o coordonnée x représente la variable d'entrée, c'est-à-dire dans le cas présent l'amplitude de la capacité à mesurer, et y représente la variable de sortie, c'est-à-dire dans le cas présent par exemple une tension en courant continu ou une fréquence variable. Cependant, en raison des fuites de l'unité de mesure électronique et d'autre circonstances, la ligne droite qui représente les propriétés du système diverge de la ligne droite de base k entre les lignes k1 et k2 des exemples représentés par une ligne en tiretés et une ligne en traits mixtes. La plage de mesure X1 autour de x0 devient donc relativement
étroite à l'intérieur des marges d'erreur permises.
De manière correspondante, la figure 2 représente un procédé de mesure à deux références, qui constitue le point de départ de la
présente invention, d'une façon correspondant à celle de la figure 1.
Dans ce procédé, on utilise deux références, à savoir les références 1 et 2, qui fixent deux points dans le système de coordonnées x,y, à savoir les points x1, Y1 et x2, Y2, la ligne droite k passant par ces points constituant le ligne de fonctionnement linéaire de base du système. Dans la pratique et du fait des changements de température et d'autres circonstances, les courbes caractéristiques du système varient sur les deux côtés de la ligne droite k entre les courbes fl et f2. Il est donc possible, dans les limites des marges d'erreur, de réaliser une plage de mesure X2 qui est plus importante que x2-x1. Par comparaison avec le procédé de mesure à référence unique, on peut donc obtenir une plage de mesures X2 qui est au moins d'un ordre de grandeur
plus importante.
Du fait qu'il est possible, au moyen de l'invention qui va être décrite plus en détail dans ce qui suit, d'éliminer les calculs compliqués qu'il fallait effectuer dans l'art antérieur en liaison avec un circuit de mesure à deux références, on obtient au moyen de la présente invention un procédé de mesure et un circuit de mesure avantageux, qui peuvent être mis en oeuvre de façon très simple et dont on décrira dans ce qui suit en référence aux figures 3 et 4 un mode de
réalisation à titre d'exemple.
Selon la figure 3, le système comprend une capacité (CM) 12 à mesurer et deux capacités de référence 10 et 11 (CRI et CR2). Les valeurs entre les capacités de référence 10 et 11 correspondent aux points x1 et x2 montrés à la figure 2, la plage de mesure X2 s'étendant entre ces points, et même à l'extérieur. Le circuit de mesure comprend un permutateur de commutation électronique 13 et son circuit de commande 15 qui est commandé par une horloge 14. Etant commandé par les signaux de commande a, r1, r2 provenant du circuit de commande 15, le commutateur de permutation 13 relie la capacité CM à mesurer et les capacités de référence CR1 et CR2 de façon alternative à l'unité de
mesure électronique 16.
D'une manière connue en soi, l'unité de mesure électronique comprend par exemple un oscillateur RC, la capacité à mesurer qui est comprise en général dans la plage allant de 0 à 100 pF et les capacités de référence étant alternativement reliées au circuit d'entrée qui détermine la fréquence dudit oscillateur. L'unité de mesure électronique 16 peut également comprendre des distributeurs et autres agencements de commutation connus, de manière que l'on obtienne de l'unité de mesure électronique une variable de sortie telle qu'une tension en courant continue ou une fréquence variant sensiblement
linéairement en fonction de la valeur électrique de la capacité CM.
On supposera que la variable de sortie de l'unité de mesure électronique 16 est une tension U1. Cette tension U1 est appliquée au premier circuit de comparaison 19 et au second circuit de comparaison 20. Selon la présente invention et dans le circuit et le procédé de mesure, on utilise deux circuits de référence auxiliaires externes 17 et 18. On obtient par exemple de ces circuits de référence 17, 18 des tensions en courant continu URi et UR2 dont chacune est appliquée à son propre circuit de comparaison 19 ou 20. Les tensions différentielles aU1 et aU2 desdites tension de référence auxiliaires externes UR1 et UR2 et de la tension de sortie U1 de l'unité de mesure électronique constituent les tensions d'entrée des circuits de comparaison 19 et 20. Les circuits de comparaison 19 et 20 sont commandés par des séquences d'impulsions de commande R1 et R2 obtenues du circuit de commande 15 du commutateur de permutation 13, ce qui fait que l'on obtient à partir des circuits de comparaison 19 et 20 des tensions de sortie Ucl et Uc2 au moyen desquelles l'unité de mesure électronique 16 est commandée par
l'intermédiaire des circuits RC 21 et 22 (filtres passe-bas).
L'invention est de préférence mise en oeuvre de manière que le premier signal de commande Ucl agisse, à la façon d'un terme constant, sur l'unité de mesure électronique 16, c'est-à-dire sur ce que l'on appelle le décalage de l'unité de mesure électronique. Le second signal de commande Uc2 agit également sur la raideur de l'unité de mesure
électronique, par exemple sur son gain.
Les signaux de commande Ucl et Uc2 ont un effet sur l'unité de mesure électronique dans un sens tel que lesdites tensions différentielles AU1 et AU2 sont réduites par étapes, et cet effet de contre-réaction est répété, en étant commandé par exemple par le circuit de commande 15 du commutateur de permutation, pendant la durée d'un nombre de cycles de mesure tel que lesdites tensions différentielles,U1 et pU2 puissent être rapprochées par étapes de zéro. Lorsque lesdites tensions différentielles AU1 et AU2 ont été amenées suffisamment proches du point zéro, l'unité de mesure électronique 16 est "correctement" réglée. Le commutateur de permutation 13 qui est commandé par le circuit de commande 15 relie de
ce fait la capacité 12 à mesurer à l'unité de mesure électronique.
Dans le même temps et grâce au circuit de commande 15 du commutateur de permutation 13, un élément 'de blocage 23 ou autre composant équivalent est commandé de manière que le signal de sortie U1 de l'unité de mesure électronique 16 soit relié tel quel ou échelonné
de façon appropriée, de manière à obtenir le signal de sortie Uout.
La figure 4 montre le schéma de câblage d'un mode de réalisation d'un système de câblage pratique qui constitue l'unité de mesure électronique de petits détecteurs capacitifs (de 0 à 100 pF). La fréquence de la mesure est d'environ 100 kHz, laquelle fréquence n'a pas été obtenue en tant que telle mais a été divisée de façon suffisante.par les circuits 25 et 26 pour obtenir une fréquence plus basse, de sorte que les retards des portes, etc. et les modifications qu'elles subissent n'aient pas d'effet sur le résultat de la mesure. En ce qui concerne la construction et le fonctionnement du circuit multi-prises 27 qui constitue une partie essentielle du système de câblage et qui est un circuit expressément breveté pour la mesure de détecteurs capacitifs, référence est faite aux brevets ci-dessus FI
57.664 et 57.319 (correspondant aux brevets US 4 295 090 et 4 295 091).
La variable qui est examinée est le temps. La référence auxiliaire consiste dans le temps obtenu de l'oscillateur à quartz 24 (32.768) et en outre d'une broche 3 du micro-circuit distributeur 25 (4024). La
mise à zéro a lieu un peu plus tard (les broches 3 et 6 étant à un).
Une seconde référence auxiliaire n'est pas nécessaire du fait que l'on a prélevé un nombre de distributions différent de l'autre micro-circuit
distributeur 26 (4040) au moyen des références CR1 et CR2.
La comparaison entre les différences de temps est réalisée par les portes 31 et 32. Les portes 33 et 34 ont pour fonction de faire agir les courants correcteurs sur lès tensions des condensateurs C de 47 nF seulement quand on mesure les références CR1 et CR2. Le signal de sortie U t, dans le câblage de la figure 4, est une amplification brusque de fréquence, dont la fréquence contient l'information sur l'amplitude électrique de la capacité CM du détecteur qui doit être mesurée. La sortie peut également être reliée de la même manière que cela a été fait en ce concerne les références CRi et CR2, ce qui permet d'obtenir une impulsion dont la largeur (durée d'un demi-cycle) contient l'information sur la valeur électrique de la capacité du détecteur. Il est possible au moyen du câblage de la figure 4 de calculer le nombre des impulsions dans l'amplification brusque de fréquence, ou bien, avec quelques modifications, on obtient une amplification brusque dont on déduit le nombre d'impulsions correspondant à la valeur de
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l'une des références CR1, CR2. Ces derniers modes de réalisation n'ont pas besoin d'un oscillateur à quartz du fait que les nombres
d'impulsions sont des nombres abstraits.
Comme il va de soi, et comme il résulte déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire,
toutes les variantes.
Claims (10)
1. Procédé de mesure de capacités, notamment de faibles capacités, dans lequel on utilise une unité de mesure électronique (16) comprenant un oscillateur de mesure dont la fréquence de sortie est fonction de la capacité à relier aux bornes d'entrée du circuit déterminant la fréquence dudit oscillateur, et dans lequel on utilise deux capacités de référence (CR1, CR2) dont les valeurs électriques (x1, x2) sont comprises dans la plage de mesure (X2) et qui sont reliées, en étant alternativement remplacées par la ou les capacités (CM) à mesurer, à l'oscillateur de mesure en utilisant un agencement de commutation, (13, 14, 15) caractérisé en ce que: l'on utilise dans-ce procédé deux références auxiliaires externes (R1, R2), les signaux de référence auxiliaires (URI, UR2) obtenus de celles-ci étant comparés aux signaux de sortie (U1) correspondants de l'unité électronique de mesure dérivés desdites capacités de référence
(CRI, CR2),
l'on forme des signaux (AU1, 6U2) représentant les différences entre lesdits signaux de sortie (U1) et lesdits signaux (URI, UR2) provenant des références auxiliaires externes, au moyen desquels sont formés les signaux de contre-réaction (Ucl, Uc2) commandant le circuit (16), l'unité électronique de mesure (16) étant commandée au moyen desdits signaux de contre-réaction dans un sens tel que lesdits signaux différentiels (OU1, AU2) ou équivalents se rapprochent de zéro ou d'une valeur prédéterminée correspondante, et l'on détermine le signal de sortie ( U1, UOUT) correspondant à la capacité (CM) à mesurer au moyen de l'unité de mesure électronique (16) réglée de façon correcte au moyen des étapes du procédé qui sont
définies ci-dessus.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits signaux différentiels (4U1, LU2) sont constitués au cours de plusieurs cycles de mesure ou d'un nombre de cycles de mesure suffisant pour que lesdits signaux différentiels (AU1, AU2) puissent être amenés à se rapprocher par étapes de zéro ou être suffisamment proches de zéro, suite à quoi on détermine la variable de sortie correspondante (U1,
UOUT) de la capacité (CM) à mesurer.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un terme constant ou ce que l'on appelle un décalage de l'unité de mesure électronique est commandé au moyen d'un signal de commande (Uci) formé dans un comparateur (19) ou équivalent, sur la base du premier (4U1) desdits signaux différentiels, en ce que la raideur de l'unité de mesure électronique (16), telle que le gain de cette unité de mesure électronique (16), est commandée par un signal de commande (Uc2) obtenu par exemple d'un comparateur (20) sur la base de l'autre (4U2) desdits signaux différentiels, et en ce que ledit réglage est réalisé par sommation pendant un nombre de cycles de mesure suffisant pour un procédé itératif et tel que les variables illustrant la différence entre les capacités de référence (CRi, CR2) et les références externes (R!, R2) puissent ftre
rendues égales à zéro ou égales à une constante prédéterminée.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans
lequel la capacité (CM) à mesurer et les deux capacités de référence (CRI, CR2) sont appliquées alternativement au moyen d'un commutateur électronique de permutation (13) à l'unité de mesure électronique (16) et dans lequel le commutateur de permutation (13) est commnandé par un circuit de commande de permutation (15) commandé lui=meme par une horloge (14), caractérisé en ce que lesdits signaux de commande (r1, r2) du circuit de commande (15) du commutateur de permutation (13), qui relie les capacités de référence (CRI, CR2) sont utilisés l'un (r1) pour commander un comparateur (19) et l'autre (r2) pour commander
l'autre compqrateur (20).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,
caractérisé en ce que l'on utilise en tant que fréquence de mesure une fréquence de base de l'ordre d'environ 100 kHz, cette fréquence de base étant abaissée au moyen de distributeurs (25, 26) à un niveau suffisamment bas pour que les retards des portes, etc., et les variations de ces dernières, n'ait pas un effet interférant avec le
résultat de la mesure.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que le signal de sortie (UOuT) du circuit est une
tension en courant continu.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que le signal de sortie du circuit mettant en oeuvre le procédé est une amplification brusque de fréquence, dont la fréquence contient l'information sur l'amplitude de la capacité (CM) du détecteur à mesurer.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que dans le procédé, on calcule le nombre d'impulsions de l'amplification brusque de fréquence, le résultat de ce calcul étant utilisé comme mesure de la
capacité (CM) à mesurer.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le nombre d'impulsions correspondant à la valeur de l'une des références est déduit du nombre d'impulsions de ladite amplification brusque de fréquence, et en ce que le résultat du calcul obtenu de cette manière
est utilisé pour déterminer la capacité à mesurer.
10. Utilisation du procédé selon la revendication 1 ou d'un circuit fonctionnant selon ledit procédé en télémétrie de radiosondes pour la mesure de la pression atmosphérique, de la température et/ou de l'humidité.
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