CH629311A5

CH629311A5 - Circuit de mesure de difference de capacite.

Info

Publication number: CH629311A5
Application number: CH120879A
Authority: CH
Inventors: Joseph Paul Gerber
Original assignee: Sundstrand Data Control
Priority date: 1978-02-10
Filing date: 1979-02-07
Publication date: 1982-04-15
Also published as: DE2904834C2; FR2417117A1; IL56640A; NO790414L; IT7947938A0; AU528772B2; GB2015173A; DE2904834A1; US4167697A; AU4411979A; IT1114522B; FR2417117B1; SE7901195L; CA1119253A; JPS54118880A; GB2015173B

Description

La présente invention concerne un circuit de mesure de différence de capacité permettant de mesurer les capacités relatives d'un premier condensateur et d'un second condensateur.

Dans les installations antérieures de mesure de capacité, on mesure la capacité en appliquant aux armatures d'un condensateur plan une tension qui varie avec le temps, par exemple une forme d'onde triangulaire ou en dents de scie. On utilise alors l'intensité résultante du courant qui passe dans le condensateur comme mesure de la capacité du condensateur ou de l'écart entre ses armatures. Cependant, du fait que la capacité d'un condensateur varie en raison inverse de la distance ou de l'écart entre ses armatures, une variation de cet écart se traduit par un défaut de linéarité de l'intensité de sortie qui risque, dans certains cas et dans certains applications des circuits de mesure de capacité, de conduire à des erreurs importantes. Par exemple, une variation de 10 pour cent de la distance entre les armatures donne lieu à un défaut de linéarité de plus de 1 pour cent, une variation de là distance de 20 pour cent donne lieu à un défaut de linéarité de plus de 4 pour cent, et une variation de l'écart de 50 pour cent se traduit par un défaut de linéarité de 30 pour 5 cent. D'autre part, étant donné que l'intensité de sortie du condensateur devient très grande lorsque l'écart entre les armatures devient très petit, d'importants problèmes de stabilité risquent de se poser lorsqu'on utilise le condensateur comme élément détecteur de position dans un dispositif asservi. On utilise des io circuits de mesure de capacité dans un grand nombre d'applications instrumentales, par exemple les transducteurs et les accé-léromètres, ainsi que pour certains instruments extrêmement sensibles tels que les accéléromètres et les transducteurs asservis, dans lesquels les défauts de linéarité dûs à des variations 15 importantes de l'écart entre les armatures du condensateur risquent d'être une source d'erreur importante.

C'est donc un objectif de l'invention de procurer un circuit de mesure de capacité qui tend à éliminer les défauts de linéarité dûs à dès variations de l'écart ou de la distance entre les armatu-20 res du condensateur de mesure. Le circuit selon l'invention est défini par la revendication 1. Un circuit dans lequel un condensateur de mesure fait partie d'un circuit de réaction comprenant un amplificateur opérationnel, et dans lequel le gain de cet amplificateur opérationnel est une fonction directe de la capacité 25 du condensateur de mesure. Une source de tension variant avec le temps est appliquée à l'amplificateur opérationnel, et la tension de sortie résultante de cet amplificateur opérationnel constitue une mesure de la capacité du condensateur de mesure.

C'est un autre objectif de l'invention de procurer un circuit 30 de mesure de différence de capacité qui permette d'éliminer les défauts de linéarité dûs à la variation de la distance entre les armatures des condensateurs plans de mesure, circuit comportant deux amplificateurs opérationnels comportant des circuits de réaction qui comprennent les condensateurs de mesure. Cha-35 que condensateur de mesure sert à régler le gain de l'un des amplificateurs opérationnels, et une tension variant avec le temps qui est appliquée aux entrées des amplificateurs opérationnels donne pour chacun des amplificateurs opérationnels une tension de sortie, les deux tensions de sortie étant à leur 4o tour combinées pour obtenir un signal représentant la différence de capacité entre les condensateurs de mesure, cette combinaison étant réalisée de préférence par un amplificateur différentiel.

L'unique figure ci-jointe est un schéma simplifié d'un circuit 45 de mesure de différence de capacité selon l'invention.

Sur cette unique figure, qui représente une forme de réalisation préférée de l'invention, est représenté un circuit de mesure de différence de capacité qui comporte deux condensateurs de 50 mesure CP1 et CP2. Des condensateurs de mesure tels que CP1 et Cp2 sont habituellement utilisés comme éléments détecteurs de position dans différents types d'instruments comprenant les transducteurs, les accéléromètres, et les instruments similaires. Comme le montre la figure 1, ime source 10 de tension variant 55 avec le temps applique une tension sinusoïdale VIN, au moyen de lignes 12 et 14 et de résistances 16 et 18, à une entrée inverseuse de deux amplificateurs opérationnels 20 et 22. Chacun des amplificateurs opérationnels 20 et 22 comporte un circuit de réaction, représenté en 24 et 26, qui comporte des confie densateurs de mesure CP1 et CP2. Etant donné; que CP1 et CP2 sont placés dans les boucles de réaction négative des amplificateurs 20 et 22, ils servent, en combinaison avec les résistances 16 et 18, à régler le gain des tensions de sortie et V2 des amplificateurs opérationnels 20 et 22. Du fait que les amplificateurs 65 opérationnels 20 et 22 utilisent en fait les armatures planes des condensateurs de mesure CP1 et CP2 comme éléments de réaction, le gain des amplificateurs sera une fonction inverse de la capacité des condensateurs de mesure CP1 et CP2, et les tensions

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de sortie Vj et V2 des amplificateurs 20 et 22 seront des fonctions linéaires des écarts entre les armatures des condensateurs.

Dans la forme de réalisation préférée de l'invention qui est représentée sur la figure 1, les entrées non inverseuses de chacun des amplificateurs opérationnels 20 et 22 sont reliées à la . terre par des résistances 28 et 30. En outre, des condensateurs 32 et 34 sont montés en relation de réaction entre les bornes de sortie et les bornes non inverseuses des amplificateurs opérationnels 20 et 22. Les condensateurs 32 et 34 peuvent servir à équilibrer les capacités parasites dans le circuit.

Un amplificateur différentiel 36 constitue un moyen pour combiner les tensions de sortie des amplificateurs opérationnels 20 et 22 de façon à engendrer un signal représentant la différence de capacité entre les condensateurs CP1 et CP2. La tension de sortie Vi de l'amplificateur 20 est appliqué par l'intermédiaire d'une résistance 38 à une entrée inverseuse de l'amplificateur 36. De même, la tension de sortie V2 de l'amplificateur 22 est appliquée par l'intermédiaire d'une résistance 40 à une entrée non inverseuse de l'amplificateur 36. L'entrée non inverseuse de l'amplificateur 36 est reliée à la terre par une résistance 42, et un circuit de réaction, comprenant une résistance ou impédance 44, connecte la sortie de l'amplificateur 36 à l'entrée inverseuse. La borne de sortie du circuit de mesure de capacité de la figure 1 est connectée, par un condensateur 46, à la sortie de l'amplificateur 36, et y produit la tension de sortie V0.

Le fonctionnement du circuit de mesure de différence de capacité qui est représenté sur la figure 1 est décrit par les équations suivantes dans lesquelles la tension d'entrée VJN est représentée par:

Etant donné que la tension de sortie de l'amplificateur différentiel 36 est égale à:

Vo = V2-V1

Equation (4)

V0 = Va

10

2C

la substitution des Equations (2) et (3) dans l'Equation (4) donne l'expression suivante pour la tension de sortie V0:

( ~5"4; — ) cos cot Equation (5)

V K16M>1 ■KlSl-P2 /

En introduisant la formule qui donne la capacité d'un condensateur plan à armatures parallèles:

g ^

C = ^ Equation (6)

' dans laquelle A est la surface des armatures du condensateur, D est l'écart ou distance entre les armatures et e0 est la constante diélectrique ou permittivité du matériau qui sépare les armatures, pour les condensateurs de mesure Cri et Cp2 on tire de l'Equation (5) la relation suivante:

Di D2 '

V,

VA

Rl6EcAl

Rl8eoA2

cos cot Equation (7)

25

Alors, si les résistances R16 et Rlg sont égales et si les surfaces de Aj et A2 des condensateurs de mesure sont elles aussi égales, la tension de sortie VD sera une fonction directe de la distance entre les armatures, comme le montre l'équation ci-dessous:

30

VIN = VA sin cot

Equation (1)

Vr

VA

RAe„

(DrD2) cos cot

Equation (8)

Les tensions de sortie Vx et V2 des amplificateurs 20 et 22 sont alors représentées par:

VA

V,

35

Vi =

et

Ri «Ci

16M>1

VA

RioCp cos rot cos cut

Equation (2)

On peut donc se rendre compte que la tension de sortie VQ du circuit représenté sur la figure 1 représente d'une manière linéaire la différence des écarts entre les armatures des condensateurs CP1 et CP2.

Equation (3) 40

C

1 feuille dessins

Claims

629 311 REVENDICATIONS

1. Circuit de mesure de différence de capacité permettant de mesurer les capacités relatives d'un premier condensateur et d'un second condensateur, comportant une source de tension variant avec le temps, caractérisé en ce qu'un premier amplificateur opérationnel, ayant une première borne d'entrée, est connecté à ladite source de tension, et a une borne de sortie; un premier circuit de réaction, comportant le premier condensateur, connecte ladite première borne d'entrée dudit premier amplificateur à ladite borne de sortie dudit premier amplificateur, grâce à quoi le premier condensateur permet de régler le gain dudit premier amplificateur ; un second amplificateur opérationnel, ayant une première borne d'entrée, est connecté à ladite source de tension, et a une borne de sortie; un second circuit de réaction, comprenant le second condensateur, connecte ladite première borne d'entrée dudit second amplificateur à ladite borne de sortie dudit second amplificateur, grâce à quoi le second condensateur permet de régler le gain dudit second amplificateur; et un moyen permet de combiner les sorties desdits premier et second amplificateurs pour engendrer un signal représentant la différence de capacité entre le premier et le second condensateurs.

2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite tension variant avec le temps est une tension sinusoïdale.

3. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premier et second amplificateurs ont chacun une seconde borne d'entrée qui est reliée à la terre.

4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un troisième circuit de réaction, qui comprend un troisième condensateur, est monté entre la borne de sortie du premier amplificateur et ladite seconde borne d'entrée, et un quatrième circuit de réaction, qui comprend un quatrième condensateur, est monté entre ladite borne de sortie du second amplificateur et ladite seconde borne d'entrée.

5. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites premières bornes d'entrée desdits premier et second amplificateurs sont des bornes d'entrée inverseuses.

6. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de combinaison comporte un troisième amplificateur opérationnel ayant une entrée inverseuse et une entrée non inverseuse, ladite borne de sortie dudit premier amplificateur étant connectée à ladite entrée inverseuse dudit troisième amplificateur et ladite borne de sortie dudit second amplificateur étant connectée à ladite entrée non inverseuse dudit troisième amplificateur.

7. Circuit selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un cinquième circuit de réaction est monté entre une sortie dudit troisième amplificateur et ladite entrée inverseuse dudit troisième amplificateur.