CH630178A5 - Circuit de mesure de difference de capacite. - Google Patents
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Description
La présente invention concerne un circuit de mesure de différence de capacité. Un tel circuit sert en particulier à déterminer la capacité ou l'écart entre les armatures d'un condensateur.
Dans les circuits antérieurs de mesure de capacité, on mesure la capacité en appliquant aux armatures du condensateur 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 qui passe dans le condensateur comme mesure de la capacité ou de l'écart entre les armatures du condensateur. Cependant, du fait que la capacité d'un condensateur varie en raison inverse de la distance ou de l'écart entre les armatures, une variation de cet écart se traduit par une absence de linéarité de l'intensité de sortie qui risque, dans certains cas dans l'application d'une mesure de capacité, d'être importante. Par exemple, une variation de dix pour cent de l'écart donne lieu à un écart de linéarité de plus d'un pour cent, une variation de l'écart de vingt pour cent donne lieu à un écart de linéarité de plus de quatre pour cent, et une variation de distance de cinquante pour cent se traduit par un écart de linéarité de trente pour 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 circuits de mesure de capacité dans un grand nombre d'applications instrumentales, par exemple les transducteurs et les accéléromètres, ainsi que pour certains accéléromètres et transducteurs asservis extrêmement sensibles, dans lesquels les écarts de linéarité dus à des variatons importantes de l'écart entre les armatures du condensateur risquent dêtre une source d'erreur importante.
En outre, les dispositifs antérieurs de mesure de capacité sont, d'un point de vue pratique, d'application limitée à une bande d'information dont la largeur est inférieure à la moitié de la fréquence porteuse de la tension variant avec le temps qui est appliquée aux armatures du condensateur. Du fait que ce sont des amplificateurs opérationnels qui sont le plus souvent utilisés dans les circuits de mesure, la fréquence porteuse est généralement de 20 kHz au maximum.
Un objectif essentiel de la présente invention est de procurer un circuit de mesure de différence de capacité qui tend à éliminer les défauts de linéarité dus aux variations de l'écart ou de la distance entre les armatures des condensateurs plans de mesure. Le circuit selon l'invention est défini par la revendication 1. De préférence on prévoit un générateur d'intensité de référence pour appliquer une onde rectangulaire au condensateur, et la tension résultante aux bornes du condensateur de mesure est appliquée à un condensateur fixe. Le courant qui passe dans le condensateur fixe peut alors servir à mesurer la capacité ou la distance entre les armatures du condensateur.
Un autre objectif de l'invention est de procurer un circuit de mesure de différence de capacité qui permette aussi d'éliminer les défauts de linéarité dus aux variations de la distance entre les armatures des condensateurs de mesure. De préférence le circuit utilise un générateur d'intensité de référence pour appliquer un signal en forme d'onde rectangulaire à chacun des condensateurs de mesure, et les tensions de forme triangulaire résultantes aux bornes de chacun des condensateurs de mesure sont appliquées, par l'intermédiaire d'un amplificateur, à un condensateur fixe correspondant. Des circuits-miroirs d'intensité sont connectés à chacun des amplificateurs et servent à alimenter un circuit démodulateur avec une intensité équivalente à celle qui passe dans chacun des condensateurs fixes.
La figure 1 est un schéma synoptique d'un circuit de mesure de différence de capacité selon l'invention; et
La figure 2 est un diagramme de temps pour le circuit de la Figure 1.
La figure 1 représente un schéma synoptique de la forme de réalisation préférée de l'invention, qui consiste en un circuit de mesure de différence de capacité dans lequel des condensateurs Cpi et Cp2 peuvent servir d'éléments détecteurs de position dans un certain nombre de types différents d'instruments, y compris les transducteurs, les accéléromètres, etc. Comme le montre la figure 1, un générateur 10 d'intensité de référence qui est habituellement commandé par une horloge 12 applique une intensité à onde rectangulaire d'amplitude constante aux condensateurs de mesure Cpi et Cpî sur les lignes respectives 14 et 16. Une onde rectangulaire type dont les deux alternances ont des amplitudes égales mais des polarités opposées est illustrée par la forme d'onde 18 de la figure 2. Il faut noter qu'une intensité de référence symétrique doit s
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de préférence être appliquée aux condensateurs de mesure Cpi et Cp2 mais, ainsi qu'on l'expliquera plus loin,
il n'est pas toujours nécessaire d'avoir une intensité de référence symétrique pour que le circuit de la figure 1 fonctionne correctement.
Les intensités de référence Iri et Ir2 passent dans les condensateurs de mesure Cpi et Cp2 preliés à la masse 20. Comme l'illustre la forme d'onde 22 de la figure 2, les tensions Vc aux bornes des condensateurs de mesure Cpi et Cp2 sont de forme triangulaire. Ces tensions sont ensuite appliquées, par les lignes 24 et 26, à deux suiveurs de tension à haute impédance d'entrée, représentés par des amplificateurs 28 et 30. Les amplificateurs 28 et 30 servent à appliquer les tensions des condensateurs de mesure à deux condensateurs fixes Cfi et Cf2, par les lignes respectives 32 et 34. Les intensités résultantes loi et I02 qui passent dans les condensateurs fixes Cfi et Cf2 sont illustrées par la forme d'onde 36 de la figure 2. Ainsi que la forme d'onde 36 permet de s'en rendre compte, l'intensité résultante qui passe dans les condensateurs fixes Cfi et Cf2 est essentiellement une onde rectangulaire, et l'amplitude de cette intensité représente la capacité ou l'écart entre les armatures des condensateurs plans de mesure Cpi et Cp2.
Deux circuits-miroirs d'intensité 42 et 44 sont connectés par des lignes respectives 38 et 40 à chacun des amplificateurs de tension 28 et 30. Les circuits-miroirs d'intensité 42 et 44 non seulement constituent une source d'intensité pour les amplificateurs 28 et 30, mais aussi délivrent sur les lignes respectives 46 et 48 des intensités loi, et I02, qui sont égales ou liées fonctionnellement aux intensités loi et I02 qui passent dans les condensateurs fixes Cfi et Cf2. Dans le circuit de mesure de différence de capacité qui est représentée sur la figure 1, le courant qui passe dans la ligne 48 est inversé par un circuit 50 inverseur de courant, de telle sorte que sa polarité devient opposée à celle du courant I02, qui passe dans la ligne 48. Le courant de sortie loi, de la ligne 46 et le courant de sortie inversé I02, de l'inverseur 50 sont alors combinés à la jonction 52 et sont appliqués à un circuit démodulateur 54. La fonction du circuit démodulateur 54 est de produire à la borne de sortie 56 un signal Vo qui représente la différence entre les amplitudes moyennes des intensités loi et I02 qui passent dans les condensateurs fixes Cfi et Cf2. On se rendra compte que, lorsque les capacités de Cpi et de Cp2 sont égales, et en supposant bien entendu que les autres éléments du circuit de la Figure 1 sont égaux, c'est-à-dire que Cfi = Cf2, Iri = Ir2, et que les gains des amplificateurs 28 et 30 sont égaux, le signal de sortie Vo du démodulateur est nul. Lorsque les capacités de Cpi et de Cp2 ne sont pas égales, du fait par exemple d'une différence entre les distances qui séparent les armatures des condensateurs, le signal de sortie Vo reflète cette différence sous la forme d'une fonction linéaire de la différence des écarts entre les armatures. Le démodulateur 54 peut être l'un quelconque de nombreux circuits démodulateurs bien connus, y compris les démodulateurs demi-alternance, les démodulateurs deux alternances et les démodulateurs synchrones.
On va maintenant expliquer le fonctionnement du circuit et en particulier la relation linéaire entre la distance entre les armatures des condensateurs plans de mesure et le signal de sortie. L'équation (1) ci-dessous illustre la relation fondamentale entre la variation de la tension du condensateur de mesure, l'intensité de référence Ir et la capacité du condensateur de mesure Cp:
Ir = Cp dVc dt
Equation (1)
Comme on peut le voir d'après l'équation (1) et le signal représenté sur la figure 2, une onde rectangulaire à amplitude constante Ir, lorsqu'elle est appliquée à un condensateur de mesure Cp, a pour résultat une tension en forme d'onde triangulaire aux bornes de Cp avec la pente:
dVc i° dt
Ir
Cp
Equation (2)
Etant donné que la capacité d'un condensateur plan est égale à:
«s C
£OA D
Equation (3)
20
dans laquelle eo est la constante diélectrique ou permittivité relative; A est la surface des armatures et D est l'écart entre les armatures, on a les relations suivantes:
Ir dVc eoA Ir
D
Equation (4)
dt
D
eoA
dVc
25 En appliquant alors la forme d'onde de tension ^ aux condensateurs fixes Cf, on obtient des intensités dé charge-décharge lo ayant les caractéristiques suivantes:
Io = Cf dVc dt
■= Cf-
Ir eoA
D
Equation (5)
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40
Comme on peut le voir d'après l'équation (5), l'intensité de sortie lo est directement proportionnelle à l'écart entre les armatures des condensateurs de mesure Cp, comme le montre la forme d'onde 36 de la figure 2. Ainsi, dans le circuit de mesure de différence de capacité de la figure 1, les variations des intensités de sortie loi et I02 sont directement proportionnelles à toute variation de l'écart entre les armatures des condensateurs de mesure Cpi ou Cp2.
Le fonctionnement du circuit de mesure de différence de capacité qui est représenté sur la figure 1 est illustré par l'équation suivante:
Ido = Cfi iriDi eoAi
Cf2
IR2D2 60A2
Equation (6)
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Par conséquent, si Cfi est égal à Cf2 et si Iri est égal à Ir2 et si les surfaces Ai et A2 sont égales, on a la relation suivante pour le circuit de la figure 1 :
so Ido = Cf1[R (D1-D2) Equation (7)
eoA
Ainsi, la différence d'intensité Ido sera égale à la différence des écarts entre les plaques des condensateurs de mesure Cpi et Cp2, la polarité du signal indiquant lequel des écarts est le 55 plus grand, avec pour résultat un fonctionnement bipolaire du circuit de mesure de capacité.
Comme indiqué précédemment, les intensités de référence préférées Iri et Ir2 sont des ondes rectangulaires d'amplitudes égales, mais cela n'est pas nécessaire pour que le circuit de 60 mesure de capacité fonctionne correctement. Une intensité de référence à onde rectangulaire est préférable d'un point de vue pratique afin de maintenir les tensions Vc des condensateurs de mesure dans les limites d'alimentation en courant électrique du circuit qui comprend les amplificateurs 28 et 30.
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1 feuille dessins
Claims (5)
1. Circuit de mesure de différence de capacité permettant de mesurer la différence de capacité entre un premier et un second condensateur, comportant un circuit générateur d'intensité de référence qui est connecté au premier et au second condensateur de façon à appliquer à chacun de ces condensateurs une intensité variant avec le temps qui a pour résultat une tension variant avec le temps aux bornes de chacun des condensateurs, caractérisé en ce que ce circuit comporte un premier condensateur fixe, un second condensateur fixe, un premier moyen de raccordement du premier condensateur au premier condensateur fixe, ce qui fait que l'application au premier condensateur fixe de la tension variant avec le temps aux bornes du premier condensateur a pour résultat le passage d'un courant dans le premier condensateur fixe, un second moyen de raccordement du second condensateur au second condensateur fixe, ce qui fait que l'application au second condensateur fixe de la tension variant avec le temps aux bornes du second condensateur a pour résultat le passage d'un courant dans le second condensateur fixe, un moyen, connecté au premier et au second moyens de raccordement, permettant de combiner au moins une fonction du courant du premier condensateur fixe à au moins une fonction du courant du second condensateur fixe, et un moyen, connecté à ce moyen de combinaison, permettant de transformer le courant combiné en un signal qui représente la différence des écarts entre les armatures des condensateurs.
2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant qui varie avec le temps est un courant à onde rectangulaire d'amplitude constante.
2
REVENDICATIONS
3. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des premier et second moyens de raccordement comporte un amplificateur de tension à haute impédance d'entrée.
4. Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacun des premier et second moyens de raccordement comporte un circuit-miroir d'intensité qui est connecté à l'amplificateur et au moyen de combinaison pour alimenter le moyen de combinaison avec des intensités en relation fonctionnelle avec les courants des premier et second condensateurs fixes.
5. Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un inverseur de courant est interposé entre le circuit-miroir d'intensité du second moyen de raccordement et le moyen de combinaision.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased |