Procédé pour éliminer l'erreur introduite par les résistances de contact d'organes de commutation,
de capteurs tensiométriques à un pont de mesure
L'invention a pour objet un procédé pour éliminer l'erreur introduite par les résistances de contact d'organes de commutation, de capteurs tensiométriques à un pont de mesure.
On connaît déjà des procédés pour commuter des points de mesure tensiométriques à l'aide de schémas simples qui utilisent des organes de commutation constitués par des commuateurs rotatifs ou des relais électromagnétiques les deux à contacts en métaux nobles et à haute pression sur le contact, pour diminuer la résistance de contact et implicitement sa variation. Dans ces procédés et même avec ces précautions, les résistances de contact présentent des variations pendant le fonctionnement, qui quoique petites, conduisent à des erreurs importantes.
On connaît aussi un procédé qui, dans le cas des mesures à demi-pont, complète le pont par deux bras formés de deux résistances distinctes pour chaque point de mesure. Mais le procédé n'est pas efficace quand on travaille avec un capteur compensateur commun, ce qui est le cas le plus fréquent des mesures tensiométriques. On connaît un procédé dans lequel on alimente les capteurs à courant constant, au moyen des transformateurs. Celui-ci présente l'inconvénient de ne pas pouvoir connecter les dispositifs qui travaillent en pont complet, c'est-à-dire à quatre capteurs.
L'invention a pour but d'éliminer les inconvénients mentionnés ci-dessus.
Selon l'invention, le procédé est caractérisé en ce qu'on utilise, pour former les deux bras d'un pont, au moins un autotransformateur dont la prise médiane est située au milieu du bobinage et en ce qu'on connecte ces organes de commutation disposés dans le pont en série avec ledit autotransformateur, afin de réduire le courant à travers lesdits organes de commutation et par conséquent l'effet de la variation de leur résistance de contact sur l'équilibre du pont.
Le dessin illustre deux procédés connus et, à titre d'exemple, deux formes d'exécution du procédé selon l'invention:
Les fig. 1 et 2 illustrent deux procédés connus et,
les fig. 3 et 4 deux formes d'exécution du procédé selon l'invention.
A la fig.1, est représenté un schéma électrique connu pour commuter n de points de mesure. Un pont tensiométrique de construction usuelle PT peut être connecté à chaque point de mesure en utilisant trois organes de commutation: d1a, dlb et d1c pour le premier point, ou en général pour un point quelconque: dia, dib et dic. Au premier point de mesure (à gauche sur la fig. I) on peut connecter quatre capteurs (pont-entier) T1, T2, T3 et T4 à quatre bornes Al,
B1, C1 et D1. Pour ce point de mesure, un segment de contact p peut être disposé à droite (trait continu).
Lorsqu'on utilise deux capteurs seulement (demi-pont), le segment p est disposé à gauche et le complètement du pont dans ce cas s'effectue à l'aide de deux autres tras, constitués par deux résistances R1 et R2.
Dans l'exemple de la fig. 1, seul le premier point de mesure peut travailler en pont-entier ou en un demipont; les points de 2 à n ne peuvent travailler qu'en demi-pont, lequel est constitué soit par deux capteurs distincts T5 et T6, pour chaque point de mesure, soit par un seul capteur actif T7, qui travaille avec un capteur compensateur T6 commun à plusieurs points
Dans ce but, il faut faire effectuer la connexion
C2-Cn.
On va faire une analyse des erreurs que ce schéma peut générer dans différents modes de connexions des capteurs. Pour le premier point de mesure, qui travaille en pont entier, on observe que les trois contacts de commutation dia, dib et die sont situés en dehors des bras du pont Wheatstone constitué par les quatre capteurs T1, T2, T3 et T4. Pour ce mode de connexion des capteurs les variations des résistances de contact des organes de commutation d1a, d1b et d1c ne peuvent introduire que des erreurs (dérives) négligeables.
Pour le point 2 on employe un demi-pont, constitué par les capteurs T5 et T6 désignés par A dans leur ensemble. Dans ce cas le complètement du pont se fait par deux résistances R1 et R2, de valeurs égales et du même ordre de grandeur que celles des capteurs. Le pont Wheatstone est formé par T5, T6, R1 et R2. Seul le contact de commutation d2b se trouve en dehors des bras du pont; les contacts d2a et d2c se trouvent en série avec les bras T4 et T5. La même situation se présente lorsqu'on travaille avec un capteur actif T7 et
EMI2.1
valeur qui représente une erreur importante.
On utilise parfois au lieu de deux résistances R1 et
R2 un autotransformateur Tr dont la prise médiane est située sur la moitié du bobinage. Les erreurs sont les mèmes, parce qu'elles ne dépendent pas des valeurs des résistances R1 et R2, respectivement de l'autotransformateur Tr (voir formule 1).
A la fig. 2, on a représenté un schéma de commutation perfectionné, utilisé par certains constructeurs.
Ce schéma peut travailler seulement en pont entier ou en demi-pont. La particularité de ce schéma est que le complètement des deux bras de pont, lorsqu'on travaille en demi-pont (A), se fait par deux résistances distinctes pour chaque point de mesure (Ra2, Rc2).
Dans ce cas tous les contacts de commutation lorsqu'on travaille en demi-pont, se trouvent à l'extérieur du pont constitué par T5, T6, Ra2 et Rc2.
Mais ce schéma ne permet pas de travailler avec un capteur compensateur commun. Si l'on effectue les connexions indiquées dans la fig. 2 en B, on voit que le capteur T7 ne peut pas travailler avec T6 parce que ce dernier est en permanence en parallèle avec d'autres résistances (T5+Ra2+Rc2).
Dans la forme d'exécution illustrée à la fig. 3, un pont tensiométrique PT de construction usuelle, est connecté à chaque point de mesure par quatre organes de commutation d1,, dit, d1e et d1d pour le premier point de mesure ou en général dia, dib, dic et did pour un point de mesure quelconque. Au premier point de mesure (à gauche sur la fig. 1) quatre capteurs (pont entier) T1. T2, T3 et T4 peuvent être c onnectés à quatre bornes Ai, Bi, Ci et D1 dans ce cas un segment de contact P est disposé horizontalement. Quand on utilise un demi-pont, formé soit par deux capteurs distincts T1 et T2, soit un capteur compensateur compensateur commun pour plusieurs points, le segment p est disposé verticalement et le complètement du pont dans ce cas est effectué par un autotransformateur T@ à prise médiane.
Dans l'exemple de la fig. 1, chaque point de 2 à n peut travailler en demi-pont seulement. Les capteurs en A et B travaillent avec un capteur compensateur commun T6, et dans ce but une connexion est établie entre C2 et Cn. Dans n'importe quel mode de connexion des capteurs, les organes de commutation dia dib et dir étant en dehors des bras du pont, la variation de leur résistance de contact ne donne pas lieu aux erreurs mentionnées plus haut. Les organes de commutation did étant en série seulement avec l'autotransformateur Tri, sa résistance de contact n'introduit elle aussi pas d'erreurs.
un seul capteur compensateur T6 commun à plusieurs points de mesure (point n en B).
Si on considère une variation # R =# 10-2 #, comme la variation usuelle d'une résistance de contact des organes de commutation, et on suppose qu'on travaille avec des capteurs ayant une résistance nominale R=120# une coefficient de sensibilité k = 2, il se produit une erreur (ou dérive) e exprimée en contrainte qui est égale à
La fig. 3 illustre une variante dans laquelle on n'utilise qu'un seul autotransformateur, cinq organes de commutation dia, dib, dic, did et die étant par contre nécessaire au lieu des quatre dia, dib, dic et die/did utilisés à la fig. 3.
Dans cette variante on utilise en outre, un segment de contact Pi P2, Pn pour chacun des points de mesure, pour permettre la connexion à une borne Di du point de mesure correspondant.
Ces deux formes d'exécution éliminent pratiquement complètement les erreurs introduites par les résistances de contact des organes de commutation, dans n'importe quel mode de connexion des capteurs.
Ainsi, considérons le schéma de la fig. 3 au point de mesure 2. Les organes de commutation d2a, d2b et d2e sont en dehors des bras du pont constitué par T5
T6 et les deux moitiés de l'autotransformateur Tr2. Le seul contact de commutation qui se trouve à l'intérieur de ce pont est d2d mais celui-ci se trouve en série avec une moitié de l'autotransformateur Tr2. L'autotransformateur se présente comme une inductance parallèle à une résistance de grande valeur (résistance qui représente les pertes). Cette résistance étant d'un ordre de grandeur deux à trois fois supérieur aux valeurs nominales des résistances des capteurs, la variation de la résistance du contact de commutation did n'introduit qu'une très faible erreur.
Si l'on considère une inductance propre de l'autotransformateur Tr2, L = 4H avec un facteur de qualité Q = 10, et qu'on travaille à une fréquence de i kHz, la résistance de perte Rp est:
Rp = QL#10.4.2.3.14.10 = 250 k Q (2) soit pour une moitié du bobinage (un bras):
R'n=#RD=#.250=125k# (3)
2 2
On voit que l'erreur en appliquant la même formule (1) est réduite de plus de 1000 fois, étant ainsi totalement négligaeable (# 0,04 m/m ou D).
En ce qui concerne l'inductance propre, celle-ci n'introduit aucune erreur décelable lorsque la résistance de l'organe de commutation d2d varie avec A R.
En fait, la réactance de l'autotransformateur Tr2 a une grande valeur et elle est en quadrature avec la résistance # R. De plus, I'installation de mesure n'est pas sensible à une composante de déséquilibre en quadrature. Pour l'exemple choisi de module de la valeur du déséquilibre dû à la réactance propre de l'autotransformateur Tr2 et à la résistance A R du contact d2d est d'après la même formule (1) approximativement égal à 0,8 m/m ou D. La composante active de ce déséquilibre (due à l'inductance propre et à la résistance r
Pour un bras: de 40# de l'enroulement de Tr2 est de 628 fois plus petite (# 0.0013 m/m ou D), comme démonté ciaprès.
XL = L.W = 4.2.3.14.10 = 25 k Q XL1/2=(1/2)ê.XL=1/4.25=6,25k#
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tg#L=1/LW=40/4.2.3.14.10 =1/628
ReL=eL.tg#L=#0,81/628.10-3##0,0013.10-6
La situation est la même lorsqu'on travaille avec un capteur compensateur commun (T6) pour plusieurs capteurs actifs T5...T7), parce que le seul contact qui se trouve à l'intérieur du pont (dnd) est aussi en série avec l'autotransformateur (en ce cas TRu).
A la fig. 4, la modification permet l'utilisation d'un seul autotransformateur Tr, pour un groupe (ou tous) les points de mesure. La différence est qu'il existe un organe de commutation en série avec chaque moitié de l'autotransformatcur (did, ct die)
Method for eliminating the error introduced by contact resistors of switching members,
from tensiometric sensors to a measuring bridge
The subject of the invention is a method for eliminating the error introduced by the contact resistances of switching members, from tensiometric sensors to a measuring bridge.
Methods are already known for switching tensiometric measuring points with the aid of simple diagrams which use switching members constituted by rotary switches or electromagnetic relays, both with noble metal contacts and at high pressure on the contact, to decrease the contact resistance and implicitly its variation. In these methods and even with these precautions, the contact resistances exhibit variations during operation which, although small, lead to large errors.
A method is also known which, in the case of half-bridge measurements, completes the bridge by two arms formed of two separate resistors for each measurement point. But the method is not efficient when working with a common compensating sensor, which is the most frequent case of tensiometric measurements. A method is known in which the sensors are supplied at constant current, by means of transformers. This has the drawback of not being able to connect the devices which work as a full bridge, that is to say with four sensors.
The object of the invention is to eliminate the drawbacks mentioned above.
According to the invention, the method is characterized in that one uses, to form the two arms of a bridge, at least one autotransformer whose center tap is located in the middle of the winding and in that these components are connected. switching devices arranged in the bridge in series with said autotransformer, in order to reduce the current through said switching members and therefore the effect of varying their contact resistance on the balance of the bridge.
The drawing illustrates two known methods and, by way of example, two embodiments of the method according to the invention:
Figs. 1 and 2 illustrate two known methods and,
figs. 3 and 4 two embodiments of the method according to the invention.
In fig.1, there is shown a known electrical diagram for switching n measurement points. A tensiometric bridge of the usual PT construction can be connected to each measuring point using three switching elements: d1a, dlb and d1c for the first point, or in general for any point: dia, dib and dic. At the first measuring point (on the left in fig. I) four sensors (full bridge) T1, T2, T3 and T4 can be connected to four Al terminals,
B1, C1 and D1. For this measuring point, a contact segment p can be placed on the right (solid line).
When only two sensors are used (half-bridge), the segment p is placed on the left and the completion of the bridge in this case is carried out using two other tras, formed by two resistors R1 and R2.
In the example of FIG. 1, only the first measuring point can work as a full-bridge or a half-bridge; points from 2 to n can only work as a half-bridge, which is made up either by two separate sensors T5 and T6, for each measuring point, or by a single active sensor T7, which works with a common compensating sensor T6 at several points
For this purpose, the connection must be made
C2-Cn.
We will analyze the errors that this diagram can generate in different connection modes of the sensors. For the first measuring point, which works as a full bridge, we observe that the three switching contacts dia, dib and die are located outside the arms of the Wheatstone bridge formed by the four sensors T1, T2, T3 and T4. For this method of connecting the sensors, the variations in the contact resistances of the switching elements d1a, d1b and d1c can only introduce negligible errors (drifts).
For point 2, a half-bridge is used, consisting of the sensors T5 and T6 designated by A as a whole. In this case, the bridge is completed by two resistors R1 and R2, of equal values and of the same order of magnitude as those of the sensors. The Wheatstone bridge is formed by T5, T6, R1 and R2. Only the switching contact d2b is located outside the bridge arms; contacts d2a and d2c are in series with arms T4 and T5. The same situation arises when working with an active T7 sensor and
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value that represents a large error.
We sometimes use instead of two resistors R1 and
R2 an autotransformer Tr whose center tap is located on half of the winding. The errors are the same, because they do not depend on the values of resistors R1 and R2, respectively of the autotransformer Tr (see formula 1).
In fig. 2, an improved switching diagram has been shown, used by certain manufacturers.
This scheme can work only in full bridge or in half bridge. The particularity of this diagram is that the completion of the two bridge arms, when working in half-bridge (A), is done by two distinct resistors for each point of measurement (Ra2, Rc2).
In this case all the switching contacts when working in half-bridge, are located outside the bridge formed by T5, T6, Ra2 and Rc2.
But this diagram does not allow to work with a common compensating sensor. If the connections indicated in fig. 2 in B, we see that the T7 sensor cannot work with T6 because the latter is permanently in parallel with other resistors (T5 + Ra2 + Rc2).
In the embodiment illustrated in FIG. 3, a PT tensiometric bridge of usual construction, is connected to each measuring point by four switching members d1 ,, dit, d1e and d1d for the first measuring point or in general dia, dib, dic and did for a measuring point. any measure. At the first measuring point (on the left in fig. 1) four sensors (full bridge) T1. T2, T3 and T4 can be connected to four terminals Ai, Bi, Ci and D1 in which case a contact segment P is arranged horizontally. When using a half-bridge, formed either by two separate sensors T1 and T2, or a compensating compensating sensor common for several points, the segment p is arranged vertically and the completion of the bridge in this case is carried out by an autotransformer T @ to median grip.
In the example of FIG. 1, each point from 2 to n can work in half bridge only. The sensors in A and B work with a common compensating sensor T6, and for this purpose a connection is established between C2 and Cn. In any mode of connection of the sensors, the switching elements dia dib and dir being outside the arm of the bridge, the variation of their contact resistance does not give rise to the errors mentioned above. Since the did switching units are only in series with the Tri autotransformer, its contact resistance also does not introduce errors.
a single compensating sensor T6 common to several measurement points (point n in B).
If we consider a variation # R = # 10-2 #, like the usual variation of a contact resistance of the switching members, and we assume that we are working with sensors having a nominal resistance R = 120 # a coefficient of sensitivity k = 2, there occurs an error (or drift) e expressed in stress which is equal to
Fig. 3 illustrates a variant in which only one autotransformer is used, five switching members dia, dib, dic, did and die being on the other hand necessary instead of the four dia, dib, dic and die / did used in FIG. . 3.
In this variant, a contact segment Pi P2, Pn is also used for each of the measurement points, to allow connection to a terminal Di of the corresponding measurement point.
These two embodiments practically completely eliminate the errors introduced by the contact resistances of the switching members, in any mode of connection of the sensors.
Thus, consider the diagram of fig. 3 at measuring point 2. The switching elements d2a, d2b and d2e are outside the arms of the bridge formed by T5
T6 and the two halves of the autotransformer Tr2. The only switching contact that is inside this bridge is d2d but this is in series with one half of the autotransformer Tr2. The autotransformer is presented as an inductance parallel to a resistance of great value (resistance which represents the losses). This resistance being of an order of magnitude two to three times greater than the nominal values of the resistances of the sensors, the variation of the resistance of the switching contact did introduces only a very small error.
If we consider a specific inductance of the autotransformer Tr2, L = 4H with a quality factor Q = 10, and that we work at a frequency of i kHz, the loss resistance Rp is:
Rp = QL # 10.4.2.3.14.10 = 250 k Q (2) i.e. for one half of the winding (one arm):
R'n = # RD = #. 250 = 125k # (3)
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We see that the error by applying the same formula (1) is reduced by more than 1000 times, thus being totally negligible (# 0.04 m / m or D).
As regards the intrinsic inductance, this introduces no detectable error when the resistance of the switching device d2d varies with A R.
In fact, the reactance of the autotransformer Tr2 has a large value and it is in quadrature with the resistor # R. In addition, the measuring installation is not sensitive to an unbalance component in quadrature. For the chosen example of modulus, the value of the imbalance due to the own reactance of the autotransformer Tr2 and to the resistance AR of the contact d2d is according to the same formula (1) approximately equal to 0.8 m / m or D. The active component of this imbalance (due to the proper inductance and to the resistance r
For one arm: 40 # of the winding of Tr2 is 628 times smaller (# 0.0013 m / m or D), as dismantled below.
XL = L.W = 4.2.3.14.10 = 25k Q XL1 / 2 = (1/2) ê.XL = 1 / 4.25 = 6.25k #
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tg # L = 1 / LW = 40 / 4.2.3.14.10 = 1/628
ReL = eL.tg # L = # 0.81 / 628.10-3 ## 0.0013.10-6
The situation is the same when working with a common compensating sensor (T6) for several active sensors T5 ... T7), because the only contact which is inside the bridge (dnd) is also in series with the autotransformer (in this case TRu).
In fig. 4, the modification allows the use of a single autotransformer Tr, for a group (or all) of the measuring points. The difference is that there is a switch member in series with each half of the autotransformatcur (did, ct die)