CH696895A5

CH696895A5 - Dispositif de mesure d'une capacité variable à circuit de mesure résonant.

Info

Publication number: CH696895A5
Application number: CH6712003A
Authority: CH
Inventors: Pierre Dubey; Michel Cochard
Original assignee: Mc Monitoring S A
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2008-01-15

Description

CH 696 895 A5

Description

[0001] L'invention concerne un dispositif de mesure d'une capacité variable, sans contact, formée par la position statique et dynamique (vibration) d'une cible électriquement conductrice ou semi-conductrice par rapport à une électrode de mesure d'un capteur relié par un câble coaxial ou triaxial au dispositif de mesure.

[0002] La recherche a aussi eu pour objectif de trouver des solutions techniques pour déporter l'électronique de traitement le plus loin possible du capteur au moyen de câbles sans pour autant réduire la qualité et la sensibilité de la mesure. Ces solutions techniques réduisent d'une manière drastique les effets parasites du câble et des isolants du capteur, éliminent les effets des fuites vers la terre de référence, de l'environnement tels que la température, les vibrations et les influences électromagnétiques, etc.

[0003] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description ci-après faite en regard des dessins annexés qui représentent schématiquement:

fig-

li un dispositif de mesure de l'état de la technique,

fig-

2:

un capteur de mesure capacitif,

fig-

3:

une électrode de mesure avec blindage,

fig-

4:

un capteur de mesure capacitif avec électrode de garde,

fig-

5:

un circuit équivalent avec électrode de garde,

fig-

6:

un dispositif de mesure capacitif de l'état de la technique,

fig-

7:

le dispositif de mesure capacitif objet de l'invention,

fig-

8:

un graphique (Bode) montrant les variations d'amplitude de la tension en fonction circuit à un pôle RC,

de la fréquence pour un fig

9:

un graphique (Bode) montrant les variations d'amplitude de la tension en fonction circuit avec résonance deux pôles.

de la fréquence pour un

[0004] L'état de la technique montre que les systèmes de mesures capacitifs conventionnels (fig. 1) de position statique ou dynamique (vibration) ne permettent pas d'obtenir une bonne sensibilité lorsque le capteur capacitif est monté au bout des câbles de transmission de plusieurs mètres de longueur (1 à 20 mètres) en raison de la forte capacité parasite de ces derniers. Aussi, le signal utile étant très faible, il devient très difficile de garantir une reproductibilité de la mesure en raison des variations des caractéristiques électriques intrinsèques des câbles. Dans la plupart des applications, un câble entre le capteur et le traitement du signal est nécessaire pour pouvoir placer l'électronique de traitement en dehors des zones critiques en ce qui concerne la température, la pression et l'environnement électromagnétique.

[0005] Les procédés de mesure de position statique ou dynamique (vibration) utilisant le principe de variation de capacité entre l'électrode de mesure et la cible offrent plusieurs avantages comme une très grande résolution et des influences insignifiantes sur l'objet mesuré. Un autre avantage non moins important est que le dispositif de mesure capacitif n'est pas sensible aux influences d'un champ magnétique ou de la composition métallurgique de la cible.

[0006] Une bonne sensibilité et une réduction des effets des capacités parasites peuvent être obtenues en utilisant une ou plusieurs électrodes appelées électrodes de garde associées à un moyen de contrôle du potentiel par rapport à l'électrode de mesure. Ce principe de base a été mis en lumière par l'Institut für Allgemeine Elektrotechnik der Technischen Universität de Berlin dans une publication ACTA IMEKO 1982.

[0007] En mettant en œuvre le principe physique de mesure capacitif de la fig. 2 de la publication citée précédemment, le calcul de la variation de capacité peut se faire comme suit. Pour une électrode de mesure ayant un déplacement d par rapport à une surface conductrice la capacité Ci peut être calculée, en négligeant les effets de fuites dans les bords de l'électrode, par l'approximation suivante:

Ci = Zq ■ £r • A/d

[0008] A représente la surface de l'électrode, e, la constante diélectrique et d la distance.

[0009] Afin de réduire les interférences dues à des champs électriques externes, réduire la dispersion du champ électrique dans le pourtour de l'électrode de mesure (4) et fixer la capacité de fuite Co, il est d'usage de placer un blindage qui enveloppe partiellement l'électrode de mesure selon la fig. 3. Puisque Co doit être additionnée à la capacité variable Ci en fonction de la distance de la cible, il n'est plus possible d'obtenir une précision suffisante en raison des modifications de la capacité de fuite en fonction des influences de l'environnement (spécialement l'influence de la température sur le diélectrique).

[0010] Il faut alors rechercher des constructions visant à réduire la capacité de fuite.

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[0011] En maintenant au potentiel de l'électrode de mesure une troisième électrode dite de garde (fig. 4), l'influence néfaste de la capacité Co peut être réduite voire totalement annulée. Les capacités entre l'électrode 1 respectivement 2 et la terre (C^ C2 et C^ 2) sont montrées sur la fig. 5. Si les pertes sont négligées la capacité totale entre l'électrode 1 et la terre devient:

Ctotal=Ci, 2 (1-U2/Ui) + Ci

[0012] Si les électrodes 1 et 2 sont à un potentiel identique alors U2=U1 et de fait CtotakCi et alors, l'influence de la capacité de fuite Co est éliminée. Plus encore, il est possible d'augmenter la sensibilité et la sélectivité de la mesure en augmentant le potentiel de l'électrode de garde. Cependant, la publication ne se prononce pas sur la validité du procédé lorsqu'un câble de transmission est inséré entre le capteur et l'électronique.

[0013] La publication ne propose pas non plus de circuit électronique à mettre en œuvre pour résoudre le problème du câble de transmission (7,12) selon les fig. 1,6 et 7.

[0014] Dans un premier dispositif de mesure connu selon la fig. 6, l'électrode de mesure (4) du capteur est alimentée par un oscillateur à haute fréquence (13) entre 10 kHz et 10 MHz au travers d'une résistance de grande valeur ohmique R(9) simulant une source de courant, permettant ainsi de réduire la tension entre les conducteurs du câble et limitant les courants de fuite au travers des capacités intrinsèques du câble triaxial (7) reliant le capteur au circuit électronique de mesure (8). La tension générée aux bornes de la capacité de mesure définie comme la capacité entre l'électrode de mesure (4) et la cible est réinjectée au moyen d'un circuit électronique (10) à haute impédance d'entrée et d'une impédance de sortie complexe sur le blindage intérieur du câble et sur l'électrode de garde (2). Dans ce dispositif, la fréquence de coupure du circuit à un pôle est définie par la résistance R(9) et de la capacité Ci qui varie en fonction de la distance d entre l'électrode de mesure et la cible. Pour une fréquence et une amplitude constante du générateur (13), la variation de fréquence de coupure fc (fCi vers fc2 en fonction de la capacité C^ due à la variation de la distance d entraîne une variation de tension de sortie comme le montre la fig. 8. La lecture du signal de tension modulée à la fréquence de la porteuse développée sur l'électrode de garde peut se faire sans artifice au travers d'un circuit (11) à haute impédance d'entrée et basse impédance de sortie capable de fournir le courant nécessaire sur un câble de transmission (12) tout en éliminant les effets de sa capacité parasite.

[0015] Dans le procédé de l'invention montré dans la fig. 7, il est principalement revendiqué que l'utilisation d'un circuit de mesure (8) comportant un circuit avec résonance (17) ou mieux comportant un filtre actif à deux pôles avec résonance, permet d'augmenter fortement la sensibilité du circuit de mesure. On constate que l'effet de résonance montré dans la fig. 9 se traduit par une grande différence de pente des asymptotes de la fonction de transfert ayant pour effet d'augmenter fortement la sensibilité du système de mesure. Par un choix judicieux des fréquences de coupure fc du circuit résonnant en fonction de la capacité Ci (fonction de la distance d) et de la fréquence du générateur, la sensibilité du système peut être optimisée.

[0016] L'effet de résonance du circuit électronique (17) permet d'augmenter fortement la variation du signal utile à la fréquence porteuse du générateur (13) et permet, en outre, de contribuer à la linéarisation du signal mesuré et d'augmenter la stabilité du système de mesure en réduisant sa complexité.

[0017] La présente invention porte aussi sur un dispositif de mesure faisant usage de la technique capacitive, soit une variation de capacité Ci en fonction de la distance d entre une cible et une électrode de mesure; permettant de réduire drastiquement les effets parasites des câbles (7,12) tout en assurant une excellente sensibilité du système de mesure.

[0018] L'électronique de traitement peut faire appel à un filtrage à bande étroite de la porteuse, amplification et démodulation synchrone ou asynchrone (15) de l'amplitude de la porteuse. En raison des effets perturbateurs des capacités parasites des câbles, de la non-linéarité de l'effet de variation de capacité de mesure, le signal de sortie (14) n'est pas directement proportionnel à la variation de distance et doit être linéarisé. L'usage de circuits intégrés (16) capables de multiplication et division ou mieux d'une table de correction digitale permet une linéarisation aisée de la fonction de transfert du système de mesure.

Claims

Revendications

1. Dispositif de mesure sans contact d'une capacité Ci formée par la position statique et dynamique d'une cible électriquement conductrice ou semi-conductrice par rapport à une électrode de mesure (4) d'un capteur de mesure quant à lui relié à un circuit électronique (8) de mesure par un câble (7) triaxial, caractérisé en ce que:

a) le circuit électronique (8) de mesure qu'il comprend comporte un circuit de mesure résonant (17) placé entre un câble de transmission (12) vers une électronique de traitement (15,16) partie au dispositif de mesure et le câble (7) connecté au capteur de mesure b) ledit circuit de mesure résonant (17), dans lequel vient se placer la capacité Ci à mesurer, est composé du câble (7) triaxial et d'un adaptateur d'impédance alimentant une électrode de garde (2) au travers du blindage intérieur du câble triaxial (7) avec une tension mesurée sur l'âme dudit câble (7) triaxial relié à l'électrode de mesure (4) du capteur,

c) un adaptateur d'impédance (11) mesure l'amplitude de la tension aux bornes du blindage intérieur du câble triaxial (7) pour assurer sa transmission au travers du câble de transmission (12) vers l'électronique de traitement (15,16).

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2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonction de transfert du circuit électronique de mesure (8) présente une résonance permettant ainsi d'augmenter la sensibilité du dispositif et, par conséquent, la plage de mesure.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit résonant de mesure (17) est constitué d'un circuit passif ou actif avec inductance et capacitance formant un circuit résonant à deux ou plusieurs pôles.

4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit électronique de mesure (8) est intégré au capteur de mesure capacitif.

5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit électronique de mesure (8) est inséré entre le câble (7) connecté au capteur de mesure et le câble de transmission (12) connecté à l'électronique de traitement (15,16).

6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de mesure résonant (17) fournit un signal utile sinusoïdal même pour un oscillateur générant un signal triangulaire ou carré.

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