FR2528997A1 - Systeme d'acquisition de donnees a convertisseur analogique/numerique - Google Patents

Abstract

A.SYSTEME D'ACQUISITION DE DONNEES A CONVERTISSEUR ANALOGIQUENUMERIQUE. B.SYSTEME COMPORTANT UN PONT A THERMISTANCE (RTD) R, R, RSUPP UNE SOURCE DE TENSION DE REFERENCE 10, UN MULTIPLEXEUR 50 ATTAQUANT DEUX AMPLIFICATEURS OPERATIONNELS OA, OA COUPLES PAR L'INTERMEDIAIRE D'UN DISPOSITIF DE COUPLAGE 27 A UN MICROPROCESSEUR MP. C.L'INVENTION CONCERNE LA LINEARISATION DE DETECTEURS DE MESURE NOTAMMENT POUR LA MESURE DE TEMPERATURE.

Description

Système d'acquisition de données à convertisseur ana-

logique/numérique ".

La présente invention concerne un système d'acqui-

sition de données à convertisseur analogique/numérique.

L'invention concerne de façon plus particulièrele con-

trôle des températures et notamment un système d'acquisi-

tion de données comportant des détecteurs à résistance variable en fonction de la température (thermistance)

(RTD) constituant des points de mesure multiplexés.

Les techniques actuelles utilisent pour le contrôle des procédés industriels, des systèmes d'acquisition de données à forte résolution fonctionnant en multiplexage

avec un ensemble de points de mesure de données analogi-

ques Lorsque les détecteurs de température à thermis-

tance encore appelés dispositifs (RTD) sont utilisés en divers points de mesure multiplexés, la non linéarité propre à un tel dispositif ou pont RTD rend difficile l'introduction de tels montages en pont dans le système

d'acquisition de données, en particulier à cause de l'im-

précision et de la dérive engendrées après le calibrage

du pont.

La présente invention permet des mesures de tempé-

rature de grande précision à l'aide d'un pont RTD rendu compatible avec des systèmes d'acquisitionde données de

résolution élevée.

La présente invention concerne un moyen permettant de coupler de nouveaux ponts RTD sur n'importe quel canal de mesure pour assurer un traitement correct et précis des données par un système d'acquisition de données en permettant des mesures très précises ne nécessitant que

des équipements en circuit, réduits et de faible coût.

L'invention a également pour but de faciliter l'utilisation des ponts RTD pour des points de mesure distincts dans des -systèmes d'acquisition de données à forte résolution de façon à rendre maximum la qualité de la mesure après les canaux de mesure sans poser des conditions particulièrement sévères à la fabrication du

circuit et des composants utilisés au niveau des canaux.

L'invention utilise un microprocesseur à l'inté-

rieur du système d'acquisition de données pour assurer le calibrage et la linéarisation dans les limites de la

plage complète des mesures et à la résolution voulue.

Il est connu que dans les calculs effectués avec un microprocesseur, certaines constantes qui définissent la plage et les résolutions des mesures effectuées par un système d'acquisition de données en fonction d'une tension de référence interviennent uniquement sous la forme d'un rapport entre la grandeur de référence et la grandeur mesurée au point de mesure analogique Il est également connu que les ponts RTD sont intrinsèquement

non linéaires c'est-à-dire qu'une correction est néces-

saire pour compenser cette absence de linéarité sur l'échelle prévue pour les mesures En particulier, il a été proposé d'utiliser un polynome du second degré pour transformer la fonction non linéaire en une fonction linéaire (voir notamment "Technisches Messen 48, 1981, publication N 04, pages 127-130 W Carius intitulé

"Multichannel Temperature Measuring Device With Lineari-

zation pour Pt 100 Resistance Thermometers".

La présente invention concerne un moyen permettant

d'assurer la réponse (pour un certain pont avec un dispo-

sitif de mesure thermométrique à résistance (RTD) parti-

culier), d'un système d'acquisition de données, ce moyen consistant à établir une plage d'échelle complète de mesure dans le système d'acquisition de données et un

diviseur référence/tension monté entre une source de ten-

sion de référence et la masse, à effectuer une mesure de zéro sur toute l'échelle telle qu'elle est définie au cours de l'étape ci-dessus, avec le système d'acquisition de données et un diviseur de tension de précision élevée comportant le dispositif RTD entre la source de tension

de référence et la masse, à calculer à l'aide du micro-

processeur l'erreur de la division de tension de référence

par comparaison avec le diviseur de tension de haute pré-

cision, à mesurer à l'aide du pont et du dispositif TRD particulier, une lecture de température au point de mesure

pour obtenir une donnée de mesure par le système d'acqui-

sition de données, à corriger cette donnée de mesure en fonction de l'erreur calculée et à corriger cette donnée par linéarisation à l'aide du micro-ordinateur suivant

une fonction choisie.

La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est un schéma d'ensemble d'un système d'acquisition de données, à multiplexage, utilisant des données analogiques provenant de dispositifs RTD, dérivant d'un diviseur de tension de référence et d'une tension de référence correspondant à un mode de réalisation de l'invention. la figure 2 montre la relation entre le signal de sortie du pont RTD de-la figure 1 et la courbe linéaire

qui adapte les températures à l'échelle prévue.

la figure 3 est un pont de calibrage de haute précision utilisé pour calibrer le signal de réponse sur

tout l'échelle du diviseur de tension de la figure-l.

2528997.

la figure 4 montre le système de la figure 1 avec un diviseur de tension de référence à deux points de

réglage suivant le type de pont RTD utilisé.

les figures 5 et 6 correspondent à un autre mode de réalisation de l'invention; ces figures représentent les courbes d'un second procédé de calibrage utilisant

le pont RTD lui-même.

DESCRIPTION DE DIFFERENTS MODES DE REALISATION PREFEREN-

TIELS La mesure de la température (T) en un point de mesure pour un canal de mesure se fait à l'aide d'un dispositif thermométrique à résistance encore appelé thermistance ou dispositif RTD tel que celui représenté à la figure 1 monté dans un pont entre les points B et C.

Le pont comporte une diagonale AB branchée entre une ten-

sion de référence qui est de façon caractéristique une tension de 10 volts fournie par une source de référence par l'intermédiaire du conducteur 11, du point de Jonction 31 et de la masse G Le déséquilibre du pont engendré par une température particulière T appliquée au dispositif RTD se détecte sur la diagonale CD entre les

conducteurs 17 et 18.

Un diviseur de référence formé d'un réseau en série

de résistances (R 2, R 1) branchées entre le point de Jonc-

tion 31 et la masse G donne une tension de référence qui correspond à un rapport donné de la source de tension, entre le conducteur 12 pour le point de Jonction 32 commun aux résistances R 2 et R 1 et le conducteur 13 venant du

point de Jonction 33 de la mise à la masse et de la résis-

tance R 1.

Pour une résistance R 2 égale à 50 k;L et une résistance R 1 égale à 167 1 CL, le diviseur donne entre les conducteurs 12 et 13 une tension qui correspond à

1/300 ème de-la tension de 10 volts appliquée au conduc-

teur 11 c'est-à-dire en général le point de Jonction 31 On suppose que le pont comporte entre les noeuds AC et AD la même résistance R = 60 k' -L; on suppose également que la résistance du dispositif RTD entre les noeuds BC est égale à 300-O l lorsque cette résistance est soumise à la température maximale prévue (Tchaud) et - qu'entre les noeuds BD, il y a une résistance Rsupp égale supp à 100-S; cette résistance correspond à la résistance Rfroid du dispositif RTD pour la température la plus

basse que l'on envisage de mesurer c'est-à-dire Tfroid.

Dans cette hypothèse, la tension aux bornes de la diago-

nale CD, c'est-à-dire entre les conducteurs 17 et 18 sera pour T = Tchaud: o O _alool 200 oj'L 1 R 60 Kf L 300 i 5 de la tension aux bornes de la diagonale AB c'est-à-dire 1/300 ème de la tension du point 3 I C'est pourquoi entre les lignes 12 et 13 du diviseur R 2, R 1 apparalit le même rapport 1/300 ème de la tension de référence entre les conducteurs 17, 18 du pont RTD Si la tension de référence est de 10 volts, cette mesure est alors 1/300 x 10 = 33,33 millivolts Si le dispositif RTD détecte la température Tfroid, les branches à résistances ACB et ADB du pont ont des valeurs symétriques C'est pourquoi, la valeur

de la tension sur la diagonale CD est nulle.

La tension dérivée sur les conducteurs ( 12, 13)

et sur les conducteurs ( 17, 18) est respectivement uti-

lisée sur les entrées 4 3 et # 1 du système d'acquisition de données Selon une pratique habituelle, une seconde entrée 4 2 est prise entre les conducteurs 19 et 20 par

rapport à l'entrée # 1 et qui correspond au mode de mas-

se commune pour la Jonction 35 du noeud D du pont, ainsi qu'une seconde entrée -4 pour les conducteurs 15 et 16 avec l'entrée # 3 correspondant au point de mise à la masse en 33, 34 et sur le conducteur 13 provenant du

diviseur (R, R 2).

Le système d'acquisition de données utilise les

entrées * 1, j 2, 43, $ 4 par l'intermédiaire d'un multi-

plexeur 50 commandé par un conducteur 42 à partir du cir-

cuit de commande de multiplexeur MC de façon à choisir la

séquence des entrées 4 1, 4 2, 4 3, # 4.

Selon la figure 1, le canal d'acquisition de don-

nées se compose de deux amplificateurs opérationnels OA 1,

OA 2 branchés selon un montage différentiel L'amplifica-

teur OA 1 est relié au conducteur de sortie positif 14 et l'amplificateur OA 2 est relié au conducteur de sortie

négatif 21 du mu'ltiplexeur 50 L'amplificateur opération-

nel OA 1 fournit à son conducteur de sortie 22 un signal

représentant l'entrée qui a été branchée par le multi-

plexeur à savoir l'une des entrées 'lt, 2, 3 ou 4 dans le cas du canal de mesure représenté La grandeur analogique, dérivée sur la ligne 22 à un moment donné est transformée en un signal de fréquence par un convertisseur intensité/ fréquence (I/F) 23 synchronisé par un signal de cadence appliqué au conducteur 25 Les impulsions du convertisseur

I/F 23 sur le conducteur 24 sont transférées par un dis-

positif d'isolation 27 à la ligne 26.

Le système d'acquisition de données-de la figure 1 présente une partie numérique commune comprenant les compteurs CNT, PROM, RAM et autres composants logiques associés au microprocesseur MP pour former la logique

numérique DGL Les canaux analogiques ont une masse flot-

tante, isolée Un transformateur d'impulsions reçoit en

continu les impulsions de la partie numérique Le secondai-

re est redressé pour alimenter les canaux analogiques et la source de tension de référence 10 donnant une tension de 10 volts associé au pont RTD Le microprocesseur permet d'arrêter brusquement les impulsions du primaire pendant une courte durée pour générer des impulsions de commande qui commutent le multiplexeur 50 de l'une à l'autre des quatre entrées + 1,# 2, -3,1 4 La masse flottante permet

de brancher le pont RTD à la masse générale.

Lorsque le multiplexeur commande l'une des quatre

entrées, le signal d'entrée de tension choisie est ampli-

fié entre une tension de zéro volt et une tension de 4 volts pour être converti en intensité sur le conducteur 22 et être additionné à la jonction 34 à un courant de polarisation de 50 4 A de la ligne 76 Le courant ainsi

additionné sur le conducteur 75 est converti par le con-

vertisseur I/F 23 en un nombre proportionnel d'impulsions; ces impulsions sont appliquées au compteur correspondant dans le circuit CNT de la partie numérique Le courant de polarisation de 50 -WA représente le courant d'entrée pour le maximum de l'échelle (puisque 4 volts correspond à 80 K égal à 50 " 4 A) autorisant ainsi une amplitude de bruit maximale en mode normal Les impulsions sur les conducteurs 24 et 26 sont comptées et enregistrées comme état de comptage par un compteur dans le circuit de

comptage CNT Cet état de comptage caractérise l'ampli-

tude du signal analogique du conducteur 75 Le circuit de comptage CNT reçoit de la même manière les signaux

de fréquence des lignes 26 ', 26 " des autres canaux.

Le système d'acquisition de données est ainsi relié

à un ensemble d'entrées analogiques à distance pour assu-

rer le contrôle et le réglage à partir d'un point central et sous forme numérique à l'aide d'un ordinateur Pour chaque étage de multiplexeur comme celui de la figure 1, le système d'acquisition de données transmet une série d'impulsions par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolation vers le canal choisi (comme le conducteur 26

de la figure 1); ces impulsions sont reçues et enregis-

trées dans un compteur correspondant (tel que le disposi-

tif CNT de la figure 1) Les états de comptage sont-alors traités commedes données numériques par uîn ordinateur central assurant la correction de dérive, le calibrage, la mise à l'échelle et le traitement des données de mesure. De façon préférentielle, tous les canaux et les

transformateurs correspondants ainsi que les alimenta-

tions en tension continue telles que l'alimentation 74 sont montés sur une plaquette commune avec une horloge centrale et l'unité de traitement de données numériques sous la forme d'un micro-ordinateur MP tel que celui de

la figure 1.

La logique numérique-DOL comprend une mémoire morte

programmable PROM, une mémoire vive RAM et un micropro-

cesseur MP qui sont combinés pour réaliser l'algorithme appliqué aux états de comptage enregistrés, fournis par

le.conducteur 45 à partir du circuit de comptage CNT.

Le fonctionnement du microprocesseur est synchronisé par

l'horloge 43, le signal de synchronisation SYNC du con-

ducteur 44 fourni par un diviseur 31 et le signal de cadence ou d'horloge du conducteur 30 Le microprocesseur est un dispositif en technique-état solide de référence 8048 Il établit un état de commande marche/arrêt pour le port 11 (encore appelé "port P ll") par le conducteur 29 et assure la commande de porte du circuit de comptage

CNT par l'intermédiaire du conducteur 32 ' Il adresse éga-

lement les compteurs par le bus interne 28 et la mémoire RAM par le bus 46 Le microprocesseur reçoit les états de comptage du bus 28 et transmet les données à la mémoire RAM par le bus 46 La mémoire PROM est reliée au microprocesseur par le bus 45 En utilisant une plaque

globale avec une horloge centrale et l'unité de traite-

ment numérique, on obtient un dispositif compact-et léger,

avec des composants câblés, peu coûteux pour les diffé-

rents canaux Les conditions relatives à la précision et à l'état de développement sont focalisées sur l'horloge

centrale et le micro-ordinateur.

Un-tel système d'acquisition de données peut se brancher facilement comme sous-système dans un système à ordinateur de commande global pour une commande générale

de procédé ayant de nombreuses unités de mesure à distan-

ce telles que les canaux; néanmoins, il subsiste la difficulté liée aux points de mesure RTD qui doivent pou- voir fournir des signaux tels que ceux du conducteur 22 de la figure 1, que l'on puisse facilement lire sous la forme d'états de comptage pour obtenir la valeur de la température vraie mesurée par le pont RTD Pour cela,

une condition concerne la linéarisation du signal de sor-

tie du pont RTD -

Pour cela, on utilise une source de référence et un compteur pour déterminer par des essais, un ensemble de quatre constantes pour assurer pendant le calibrage

et les essais une linéarisation de la fonction de trans-

fert dans le système d'acquisition de données et pour la plage complète des mesures Il est également connu selon le document ci-dessus dans Technisches Messen 48,

n O 4, 1981 de Carius, d'utiliser un polynome pour linéari-

ser un pont RTD, la compensation étant faite par une bou-

cle de réaction construite autour de l'amplificateur

opérationnel donnant le signal de sortie de mesure.

Il a été proposé d'utiliser le microprocesseur du

système d'acquisition des données pour réaliser un algo-

rithme assurant la compensation de l'absence de linéarité propre au pont RTD Cette technique est combinée à une

technique de calibrage particulière qui permet de bran-

cher n'importe quel pont RTD, défini, dans un système d'acquisition de données, au point de mesure calibré, et

d'obtenir directement une information correcte Un avan-

tage direct lié à une telle solution est la suppression des dispositifs d'accord, en circuit câblé, nécessaires dans l'art antérieur; cela permet également une plus grande fiabilité à moindre coût Des lectures de calibrage périodiques peuvent se faire sans être influencées par une

2528 97

quelconque variation ou changement de la tension de réfé-

rence de la source utilisée pour le calibrage Pour une température T, donnée, appliquée au pont de la figure 1, le dispositif de mesure thermométrique par résistance entre les noeuds BC a une résistance (RTD) = R qui est i déterminée à partir de la tension Vpont entre les lignes 17, 18 sur les noeuds CD: Vref x Ri Vref x Rfroid 1 Vpont R +R R + Rfroid ( 1) Cette équation donne le déséquilibre du pont entre l'état 'froid" pour RTD = Rfroid et l'état présent RTD = Ri sous une tension de référence commune Vref entre le point

de jonction 31 et la masse Si l'on a R >" RTD, l'équa-

tion ( 1) devient l'équation ( 2) simplifiée suivante: V Vref Vpont R (Ri Rfroid) ( 2) Dans l'exemple donné précédemment: RTD = Rchaud = 300 f, RTD = Rfroid = 100; R = 60 Kf- En utilisant la formule simple n 2, on obtient une sortie de pont V O pour la température maximale Tchaud égale exactement à 300 de la tension de référence c'est-à-dire V est la o tension de référence Vre de la source 10 divisée par le

même rapport K que l'entrée 3 du diviseur (R 1, R 2).

Pour RTD = Rchaud = 300 f L, le système d'acquisition

de données assure la lecture de toute l'échelle ( 1000)H.

Toutefois en pratique, la tension V O entre les lignes

17, 18 est définie par l'équation ( 1) et non par l'équa-

tion ( 2) L'équation ( 1) n'est pas linéaire, c'est pour-

quoi pour la température Tchaud, la valeur de la résis-

chaud chud tance Rchaud ne permet pas une lecture de toute l'échelle

( 1000)H La même non linéarité affecte toute valeur inter-

médiaire Ri Pour un exemple donné Rchaud Rfroid 300 100 = 200, on a une absence de linéarité comme le montrent les calculs ci-après: Formule ( 2) Formule ( 1) V =Vref * R V Vref (RT Dx R Rfroid x R rpont R pont Vref R + RTD R + Rfroid Comptage Sortie linéaire Sortie réelle linéarité 300 Vref 1000 Vf OFE 4 28

300 302

250 Vre 00 fOCOO O f OBEE 18

400 402

Vref Vref 07 F 5

6 V O0800 603 07 F 5

Vref Vref

1200 0400 205 03 F 8 5

O 000 O O

Le tableau ci-dessus donne les courbes Y et X à la figure 2; la courbe Y correspond au comptage, linéaire et la courbe X au comptage non linéaire Le polynome suivant est utilisé pour transformer l'état de comptage non linéaire X en un état de comptage linéaire Y: Y = B + B X + B 2 X 2 + B Xi ( 3) i2 i n= 3. Le caleul aboutissant à l'équation ( 3) est le suivant: La formule générale ( 1) qui est non linéaire donne un signal de sortie V O entre les conducteurs 17, 18 en général sur l'entrée 1 à partir des noeuds CD du pont pour une température T et une résistance Ri entre les noeuds BC du pont L'équation ( 1) peut s'écrire de la manière suivante: Vref Ri _ ref froid Vref (Ri Rfroid) R Vo R + Ri R+ (R + R) (R + R frid) 1 froid i Rfrid) Vref (Ri Rfrod) R = 2 E R 2 + R(R + Rfrid) + Rfroid i froid i froid

Comme l'expression Ri Rfroid négligeable dans le dénomina-

teur si l'on tient compte des deux premiers termes, l'équation ( 1) peut s'écrire comme suit: Vref (Ri Rfroid) R Vref (Ri -Rfroid) i froid= ( 4) R

Or, l'expression Ri -Rfroid = AR représente l'augmenta-

tion de la résistance à partir de la valeur initiale Rfroid pour une température T = Tfroid En substituant cette expression dans les termes supérieur et inférieur pour éliminer Ri, on transforme l'équation ( 4) qui devient l'équation ( 5) suivante

V A

V ref x ( 5 > R 1 +( 2 Rfroid + AR

R

En posant: A = (+ Rr id dans l'équation ( 5), on obtient la nouvelle expression:

V AR

V ref x A 6

V R A+ ( 6)

AR On remarque que V 'R

On remarquref -R correspond de fa-on pré-

cise au signal de sortie Vn entre les conducteurs 17, 18 si au lieu de suivre la courbe X de la figure 4, le point

de mesure de la lecture était sur la ligne Y selon l'équa-

tion ( 2) C'est pourquoi, l'équation aboutit à la formule Y = V en termes de X = V O comme suit: VL =Vref R Vo A Vo A A Vref (ef V) () V ref

L'équation ( 7) montre que la valeur linéaire VP corres-

pondant au signal de sortie non linéaire V O mesuré s'obtient en calculant: Vo A VO (l V) 1 ref On remarque en outre que (Vo/Vref) peut s'écrire sous la forme de 1/Z avec Z = Vref/VO Dans l'exemple

particulier d'un diviseur (R 1, R 2) correspondant au rap-

port 310 pour une tension-de référence Vref, pour avoir

une précision de lecture de 12 bits, le système d'acqui-

sition de données assure une échelle de lecture complète de 4096 = Vref/300 Pour la lecture de V O (V O = Vref/Z), et avec Z = 4096 x 300/Vo, on a: V 5 o A Vo A x( %) Vref

1 A 12 13

= Vo A ( 1 + + () + () + ( 8) Cette formule utilise le développement en série de la fonction 1 /( 1 -) de la racine ( 7) L'équation ( 8) s'identifie à l'équation ( 3) en remarquant que V = Y; V = X; z = 4096 x 300 V =Y; Vo X; Z 409 Vo 30

=Y;V O X ZV O

En partant de l'équation ( 8), on obtient ainsi le développementen série suivant:

X X 2 +

Y = XA + XA x 4096 x 300 + XA x 4096 x 300 Si B O = O; B 1 = A = ( 1 + 2 Rfroid/R); B 2 = A x ( 1/4096 x 300); B 3 = A x 1/( 4096 x 300)2 etc; le polynome de X devient les termes de l'équation

( 3) mentionnée ci-dessus.

Dans l'exemple donné c'est-à-dire pour Rfroid = 100 o; Rchaud = 300-0; R = 60 Kf L; K = 1/300 pour la dérivation de toute l'échelle à partir de la tension Vref; Bl = 1,00333;

B 2 = B 1/300 x 4096 = 0,0000008.

Dans cet exemple, l'équation ( 3) se réduit au second degré De façon plus générale, suivait le pont RTD particulier et la précision voulue, on peut utiliser

un nombre plus grand de termes.

Dans l'exemple donné, l'équation ( 3) est utilisée avec les coefficients Bo = O et B 1, B 2 se calculant de façon numérique comme indiqué cidessus Ces grandeurs se trouvent dans la mémoire PROM de la logique numérique

DGL et sont à utiliser par le microprocesseur Pour cha-

que valeur Xi appliquée à l'entrée $l (pour une valeur instantanée Ri de la résistance et T de la température appliquée au pont), le microproceseeur calcule la valeur Yi définie par l'équation ( 3) en fonction de l'état de comptage fourni par le compteur CNT; le point courant

de la courbe X passe ainsi sur la courbe Y selon la figu-

re 2 C'est pourquoi lorsque le pont est couplé au sys-

tème d'acquisition de données représenté à la figure 1,

les valeurs linéaires s'obtiennent automatiquement à par-

tir de chaque valeur X détectée à l'entrée 1 du multi-

plexeur en permettant ainsi un réglage et un contrôle

corrects de l'ensemble du procédé industriel.

2528997.

Il en résulte ainsi les valeurs caractéristiques de X et Y obtenues pour cinq valeurs de R i égales à 50.Jl, comme suit:

300Q 4096 4096 4096,082

250 1 ' 3072 3054 3071,7955

2005 EC 2048 2037 2047,178

150 Q-f 1024 1019 1023,22 loo L o O O

Ayant déterminé la valeur corrigée Y par le microproces-

seur MP, on obtient la valeur corrigée de Ri selon la relation suivante: Y R = +R 4096 x d R ( 9) Ri Rfroid + 096 x (Rchaud froid) IX est connu que la grandeur Ri d'un dispositif RTD est une fonction non linéaire de la température

mesurée Ti Cette non linéarité peut se compenser en uti-

lisant la logique numérique DGL du système d'acquisition de données Les coefficients du polynome sont enregistrés dans la mémoire PROM de façon que le microprocesseur puisse calculer la valeur corrigée de la température Ti puisque la valeur Riest fournie automatiquement par

l'équation ( 9).

Comme déjà indiqué, lors du choix d'un pont RTD branché entre les noeuds BC d'un dispositif RTD, les valeurs des résistances du pont pour la température Tfroid sont choisies de façon à être symétriques par rapport à l'axe des noeuds AB C'est pourquoi, pour Tfroid, la

tension dérivée entre les noeuds C et D sera de zéro volt.

Ainsi entre les noeuds B et D, la résistance Ssupp est égale à Rfroid du dispositif RTD de la branche opposée; la résistance R est placée dans chacune des branches AC

et AD définissant un rapport de division Ayant u ne-réfé-

rence nulle à la fois pour l'entrée nulle j 4 du diviseur de référence (R, R 2) et le pont TRD à -la température Tfroid sur l'entrée f 1, il reste à assurer une correspon- dance exacte entre toute l'échelle de lecture du diviseur de référence (R 1, R 2) à l'entrée 4 3 et la température

de lecture Tchaud de l'entrée * 1.

En revenant à la figure 1, on remarque qu'à moins que le diviseur (R 1, R 2) ne soit réalisé avec une très grande précision et que la source 10 ne fournisse qu'une tension précise comme tension de référence, les comptages effectués par les entrées * 3 et * 4 dans le système d' acquisition de données ne fournissent pas une tension

invariable traduite en-des états de comptage correspon-

dant à l'échelle comprise entre la valeur zéro et la

valeur maximale En présentation hexadécimale, en utili-

sant une résolution à 12 bits, le maximum de l'échelle est égal à ( 1000) H (représentation hexadécimale), ce qui correspond à 4096, et la valeur zéro sur cette échelle est égale à (OOOO)H (représentation hexadécimale) Le zéro s'obtient par construction pour Rfroid et Tfroid' Le calibrage est nécessaire pour garantir une valeur vraie

pour le maximum de l'échelle à l'aide du système d'acqui-

sition de données.

Pour calibrer le diviseur de référence à résistance (R 1, R 2), on substitue un diviseur de calibrage SCB (figure 3) à la place du pont de mesure de la figure 1

pendant l'opération de 'calibrage normal", effectuée ini-

tialement à l'aide du système d'acquisition de données.

Le diviseur de calibrage normal SCB est un réseau de type série de très grande précision ayant entre les noeuds BC une résistance R'1 de valeur précise et entre les noeuds AC une autre résistance de valeur précise Kl R'l (K 1 = 299 + 0,01 %) Le diviseur comporte également entre les noeuds BD, une résistance qui est nulle alors qu'entre les noeuds AD, il comporte une résistance R'3 = K 1 R'I + 1 %

tenant compte de l'entrée différentielle des amplifica-

teurs opérationnels OA 1, OA 2.

A l'entrée 1, c'est-à-dire entre les noeuds CD, ainsi qu'entre les noeuds BC, le dispositif de calibrage donne une tension de calibrage v c qui est exactement une fraction de la tension de référence Vref de la source 10:

R'1 1

R'I+Ki R'1 K Ril+Kl R 300 Ainsi à la lecture de l'entrée 4 2 par lediviseur de calibrage, le comptage C dérivé sur la masse en mode gc commun correspond à la lecture du zéro ( 0000)H alors qu'à la lecture de l'entrée 1, le comptage dérivé CF Sc correspond au maximum de l'échelle de lecture ( 1000)H du système d'acquisition de données Par comparaison du comptage Cg de l'entrée de masse * 4 par le diviseur de référence (R 1, R 2) et le maximum de la lecture de l'échelle CFS pour l'entrée de lecture de maximum d'échelle 3, on obtient la mesure CFS -Cg qui n'est pas exactement égale à CFSO Cg C'est pourquoi, le maximum de la lecture de

*Fc gc-

l'échelle ( 1000)H par le diviseur (R 1, R 2) doit se corri-

ger selon le rapport inverse:

(CF C

(CFS C

(CFSC Cge).

On prenant la mesure instantanée X appliquée à

l'entrée & 1 et du pont de la figure 1, le système d'ac-

quisition de données utilise les quatre entrées 41 4 avec le diviseur de référence (R 1, R 2), la lecture C 2 i

pour Xi et prend la lecture du maximum ( O 100)H sur l'en-

trée 1 3 La sortie X sera: X = ( O100)H x C-C CFS-C (OOO)H x C -C 9 (i 0) FS Cg CFS Cgc CF Sc goc A l'aide du-diviseur de calibrage, à l'entrée O 1, on obtient la tension d'entrée Xca 1 appliquée au système d'acquisition de données et qui satisfait à la formule linéaire générale suivante: X = A O + A 1 lCF AC ( 11) lS l Lorsque cette formule est appliquéeà l'essai de calibrage, on obtient:

C -C

CFS Cgc Xcal AO + A 1 c C CF$ Initialement, on a A O = ( 0000)H et A 1 = ( 1000)H C'est pourquoi, on a:

CFS C= ( 1000)H ( 12)

CF Sc g Cc Xcal L'équation ( 10) montre que les grandeurs corrigées-sont A' = O et: A'i 1 A 1 x C -C = A 1 ( 1000)H F Sc gc cal après l'équation ( 12), et

A' ( 1000000)

A 1 = Xa cal Cette dernière grandeur est introduite dans la mémoire PROM et est utilisée après le calibrage pour

toutes les phases de mesure.

Il en résulte que toute erreur qui apparaîtrait autrement pour le niveau maximum de l'échelle et le niveau 19- zéro, pour la lecture est automatiquement corrigée par

le diviseur de référence (R 1, R 2) La mesure de la gran-

deur X utilise un pont normal relié au système d'acquisi-

tion de données et un diviseur (R 1, R 2) de faible coût de fabrication La source de tension 10 peut varier puis- qu'elle intervient seulement dans les deux termes du rapport. Le microprocesseur effectue en continu la lecture de l'entrée ( 1) Périodiquement, le microprocesseur

effectue la lecture des entrées ( 2), ( 3) et ( 4) pour assu-

rer le calibrage automatique Pour contrôler étroitement l'entrée, il est intéressant d'utiliser le schéma suivant: entrée ( 1), entrée ( 1),, entrée ( 1), entrée ( 2), entrée ( 1) - ( 16 fois)

entrée ( 3), entrée ( 1), entrée ( 4), entrée ( 1), entrée ( 1), entrée ( 1).

Comme chaque entrée est branchée pendant 400 milli-

secondes en utilisant ce schéma, on assure que l'entrée

est quittée pendant une durée maximale de 400 millisecon-

des Le but étant un signal de sortie d'une résolution de 12 bits, la formule exécutée par le microprocesseur est la suivante:

C 1 C 2

X= A O + A 1 C 1 2 ( 13)

C 3 -C 4

Dans cette formule C 1 est un état de comptage relatif à

l'entrée t 1, C 2 est un état de comptage relatif à l'en-

trée * 2 etc et initialement, on a AO = ( 0000)H et

A 1 = ( 1000)H.

Le rapport intensité/fréquence I/F est égal à 2 x 108 Ainsi, l'entrée maximale donne

x 10-6 x 2 x 109 = 20 000 comptages alors que les en-

trées de masse donnent environ 10 000 comptages.

La figure 4 montre deux ensembles de grandeurs pour

À " - 2528997

le diviseur R 1, R 2 correspondant à une plage de grandeurs GO( 1) avec R 2 = 100 KQ et R 1 = 100-L de façon à obtenir un diviseur donnant le rapport K = 1 pour la tension de référence Vref à la Jonction 31 L'autre ensemble de grandeurs GO( 2) représenté à la figure 4 est celui donné

pour le rapport mentionné ci-dessus de K = 300 c'est-à-

dire R 2 = 50 K DL et R 1 = 1674 JL En tenant compte du rap-

i port K = 1 OO O dans le réglage de GO(,) du divisetr (R 1, R 2), les valeurs de R, RTD et Rsupp du pont sont choisies de la manière décrite cidessus pour GO( 2) réglant le diviseur de référence De la même manière, le calibrage du diviseur donnera K 1 = 999 + 0,01 %; R' 2 = K 1 R'1 et R' = Ki R'I + 1 % Le pont RTD est tel que la valeur de

3 1 -

R par rapport aux résistances du dispositif RTD pour les

températures T foid et Tchaud donne un rapport de divi-

1 froid chaud sion K = 1000 Ainsi à la place de 300 dans l'équation polynomale ( 3), la constante B 2 sera la suivante:

= 1 B 1

B 2 1000 x 4096 De façon plus générale, on utilise le même procédé pour le choix de n'importe quel pont, le choix des valeurs R et Rsupp adaptant la plage, R entre Rhaud et chaud Rfroid pour le dispositif RTD particulier, pour avoir un rapport K voisin de la plage choisie comme GO( 1) et GO( 2) dans les exemples donnés Dès que le calibrage est fait avec un pont précis comme celui de la figure 3, le microprocesseur doit uniquement calculer la valeur corrigée de X, puis calculer la valeur corrigée de Y et enfin déterminer la valeur de R

I 1 est à remarquer qu'en calibrant à l'aide du divi-

seur de calibrage ainsi qu'en mesurant à l'aide du pont

RTD, les données obtenues englobent le rapport de diffe-

rence des états de comptage enregistrés en relation avec les entrées 4 1 et # 2 et la différence des états de

252899 7

comptage enregistrés pour les entrées ï 3 et e 4, ce qui supprime l'importance de la tension de référence Vref qui ne doit pas correspondre nécessairement à une source de tension ayant une très grande stabilité Il est également à remarquer que les opérations de calibrage donnent une référence précise malgré l'utilisation au cours de la

mesure d'un diviseur de référence non parfait Par ail-

leurs, au cours des mesures à l'aide du diviseur de réfé-

rence, l'approche par le rapport permet de supprimer

l'influence de la dérive.

Selon la figure 1, on suppose suivant un autre mode

de réalisation de l'invention, qu'à la place d'un divi-

seur de calibrage comme représenté ci-dessus en référence à la figure 3, on utilise le pont RTD lui-même pour le

calibrage c'est-à-dire comme calibrage à la fabrication.

Dans le cas de la figure 3, on suppose que la

lecture inférieure correspond à (OOOO)H, ce qui corres-

pond à un signal de sortie nul Ainsi dans l'équation ( 11), la constante A O est égale à (OOOO)H indiquant que la caractéristique linéaire passe par zéro Dans le second mode de réalisation, après avoir branché le pont RTD de fabrication, on règle le pont premièrement pour RTD = Rfroid à la température T = Tfroid et deuxièment pour RTD = Rchaud pour la température T = Tchaud' En même

temps pour les étapes respectives, le système d'acquisi-

tion de données fournit les signaux de sortie à savoir Xfroid et Xchaud' En se reportant à la figure 5, la ligne Xl est une ligne droite passant par les points l froid l, (R froid): et Q f(Xchaud) et (Rchaud)l dans le système d'axes de coordonnées X, Ri Les points P et Q sont définis par les étapes 1) et 2) ci-dessus Il est souhaitable de suivre de façon idéale la ligne Y 2 passant par l'origine O E(Xfrod = 0), (Rfrod 0)l p sortie nulle et par le point M ú(Xchaud =( 000)H, Rchaud) pour-le maximuml Mathématiquement, la courbe Y 2 est déduite de la courbe Y 1 par la formule suivante: ( 1000)H Y 1 _ ( 1000)H * Xfroid ( 14)

Y 2 = -( 14)

2 X -X X -x chaud froid chaud froid En comparant avec l'équation ( 11) qui concerne Y 2 dans le premier mode de réalisation, pour YI l'équation se présente sous la forme suivante: Yi = A' O + A'1 X dans cette formule A'O n'est pas égal à ( 0000)H mais: A'I ( 1000)H * Xfroid O Xchaud Xfroid A'1 n'est pas égal à (l OOO)H mais I

A' ( 10 OOOOO)H

X chaud Xf roid Le microprocesseur utilise ces deux constantes pour dériver la fonction linéaire idéale OM de la ligne

calibrée PQ du pont.

Toutefois, la ligne transformée ne suit pas exacte-

ment Y 1 En réalité, elle suit la ligne Y 3 de la figure 6 C'est pourquoi, au lieu de convertir X en Xcal le procédé donne X'i qui est toujours éloigné de X linéaire i c

destiné à être Xl.

cal' Par des calculs adéquats, on peut montrer que la déviation par rapport à la réponse idéale YI ou encore OM présente un maximum pour une abscisse à mi-chemin entre Rfroid et Rchaud c'est-à-dire

(R -R

(Rchaud froid) x X =(X X)

R + Rchaud + Rfroid) -

dans cette formule Xt est le signal de sortie idéal de

la ligne idéale Y 2 La déviation par rapport 'à la linéa-

rité est donnée de façon générale par la relation suivan-

te: = 1 (l-l/n) (Rchaud Rfroid) ( 15) = R + R + Roi( 15) Xi R + Rchaud + Rfroid avec Rchaud Rfroid N = R -R froid Cette dernière relation est un paramètre définissant de combien le point normal sur la courbe Y 3 précède ou suit

le point moyen Ainsi pour le point moyen M sur la cour-

be Y 3 par rapport à R 2 sur la courbe Y 2, dans l'exemple donné à la relation de la figure 1, R = 200 È et N = 2 et la sortie de lecture 4096 donne avec l'équation ( 15): 2048/Fl ( 1 4) x-2001 2048

2048 / 1 ( 60000 = 0,99833 2051

La déviation correspond seulement à trois compatages, ce qui montre que la transformation de l'équation ( 3) est

une transformation valable comme calibrage.

Si l'on veut compenser -le résidu de non linéarité, on peut utiliser le procédé suivant: en premier lieu, on recherche la sortie, on définit N en divisant la lecture pour le maximum de l'échelle soit 4096 par ce signal de sortie Cette valeur est alors utilisée dans

la formule ( 15) pour linéariser la lecture.

Les étapes concernées par une procédure de cali-

brage à la fabrication sont les suivantes: 1) brancher le pont RTD à utiliser pour déterminer les températures à l'aide du système d'acquisition -de données, 2) enregistrer A O = O et A 1 = ( 1 1000)H,

2-528997

3) prendre la lecture de Rfroid; dériver Xfroid, froid 'fod 4) prendre la lecture de Rchaud; dériver Xchaud' ) calculer A'0 et A'1 comme indiqué cidessus en utili- sant les données obtenues précédemment dans les étapes

1 à 4,

6) introduire dans la mémoire PROM les grandeurs de A'0 et A'1, 7) utiliser le microprocesseur avec la formule générale

en procédant selon les étapes de mesure de Xi.

Lorsque l'alimentation (+ 12 V) est branchée, cela

donne une impulsion de remise à l'état initial Le micro-

processeur MP est remis à l'état initial Si le micro-

processeur est adressé au cours de cette remise à l'état initial, la logique numérique DGL applique en retour un bit zéro ("O") à la position de bit la plus significative

de la donnée indiquant que cette donnée est invalidée.

Huit cents millisecondes après que la tension d'ali-

mentation ait dépassé 10 volts, la remise à l'état initial

se termine Le microprocesseur MP et les compteurs pro-

grammables CNT sont initialisés Une horloge de programme est démarrée pour donner un delai de mise en route approximativement égal à 15 secondes Au cours de cette période " de mise en route", le bit 15 est mis à O Un compteur de calibrage est initialisé pour démarrer un cycle de calibrage pour chaque groupe de 16 lectures d'entrée. Le microprocesseur prend 16 lectures séquentielles du pont sur les entrées + 1 et t 2 Après chaque lecture, le microprocesseur exécute la formule suivante: Ci_ Ca intervalle en pourcentage = AO + A 1 C 2 C 3 I les états de comptage sont: C( (i = 1, 2, 3, 4) comptages obtenus lorsque

le multiplexeur 5 est mis sur l'entrée # i.

(AO, A 1 représentent respectivement la constante

de décalage du zéro et le gain) Après 16 lectures appli-

quées à l'entrée f 1, le microprocesseur passe sur un

cycle de calibrage Au cours de ce cycle, le microproces-

seur effectue les opérations suivantes:

En premier lieu s'effectue la lecture de CFS (en-

trée du maximum de l'échelle) et les grandeurs remises à Jour sont enregistrées dans la mémoire RAM Puis, les valeurs C 2 et C 3 sont testées pour vérifier qu'elles sont dans la plage acceptable 10 666 + 10 % Si C 2 C 3 n'est

pas dans la plage, le bit 14 est mis à 0 Puis, le micro-

processeur revient pour prendre une lecture de l'entrée -

4 1 et la sortie est mise à Jour Le microprocesseur commute pour mettre à la masse l'entrée * 3 Après mise

à Jour des grandeurs de C 3 dans la mémoire RAM, les gran-

deurs C 4 C 3 et C 3 sont essayées pour vérifier qu'elles se trouvent dans la plage acceptable Dans la négative, le bit 14 est mis à 0 Le microprocesseur revient sur

l'entrée 1, donne une lecture et met à Jour la sortie.

Puis, le microprocesseur est commuté sur l'entrée-# 2 ou sur la masse en mode commun C 2 est mis à Jour dans la mémoire RAM et est testé pour vérifier qu'il se trouve dans la plage acceptable Dans la négative, le bit 14 est

mis à 0.

IDENTIFICATION DES REFERENCES NUMERIQUES DES FIGURES

LEGENDE REF N FIGURE

SOURCE DE TENSION 10 1

SOURCE DE TENSION 10 4

ENTREE ( 3) 12 1

ENTREE ( 3) 12 4

ENTREE ( 3) 13 1

ENTREE ( 3) 13 4

ENTREE ( 4) 15 1

ENTREE ( 4) 15 4

ENTREE ( 4) 16 1

ENTREE ( 4) 16 4

ENTREE ( 2) 19 1

ENTREE ( 2) 19 4

ENTREE ( 2) 20 1

ENTREE ( 2) 20 4

I/F 23 1

I/F 23 4

DIVISEUR 31 1

CONVERSION AU NIVEAU TTL 34 1

ALIMENTATION 74 1

2528997-

Claims (1)

R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Système d'acquisition de données et d'interface de pont pour régler la température à l'aide d'un disposi- tif de détection de température par thermistance (dispo- sitif RTD) donnant des signaux de sortie non linéaires, système caractérisé en ce qu'il comporte un microproces- seur avec une mémoire, un pont (RTD) comportant un dispo- sitif (RTD) branché entre la tension de référence et la masse pour donner un signal (X), ce système d'acquisition de données répondant au signal d'entrée mesuré (X) qui représente la température (Ti) avec une résistance (Ri) i dans le dispositif (RTD), le microprocesseur ayant un moyen pour linéariser les valeurs de la température (RTD) et pour calculer la valeur linéarisée (Y) de (X) selon la formule suivante: Y = B + Bl X + B 2 X 2 + Bl Xi O1 2 n= 3 i formule dans laquelle BO, B 1, B 2 et Bisont des grandeurs prédéterminées enregistrées dans la mémoire et X est i le signal de mesure instantané fourni par le dispositif (RTD). 2 ) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mémoire contient les grandeurs BO, B 1, B 2 et B sous la forme: 2 Rfrid B= O;B 1 = 1 + R B = C + 2 Rfroi d); 302 KF 1 2 Rfr B = (+ 2 Rfoid)) 1)2; etc. B 3 = +R 2 dans ces formules Rfroid est la-valeur de la résis tance du dispositif (RTD) pour (Ti = Tfroid-): (R) est la valeur de la résistance inserrée dans le pont en série entre le dispositif (RTD) et la source de tension de référence, (FS) est la résolution de lecture pour le maximum de l'échelle dans le système d'acquisition de données et K est une fraction de la tension de référence (V ref) dé la source de tension de référence correspondant à l'en- trée du système d'acquisition de données pour la résolu- tion de lecture pour le maximum (FS). ) Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un diviseur à résistances en série branché entre la source de tension de référence et la masse pour fournir au système d'acquisition de données un signal d'entrée essentiellement -égal à Vf Vref K et pour dériver du système d'acquisition de données un signal de lecture de maximum d'échelle (FS). 4 ) Système selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il donne un état de comptage de maximum d'échelle (CFS) fourni par le système d'acquisition de données à partir de Vref K fourni par le diviseur de référence, avec un état-de comptage (Ci) fourni par le système d'acquisition de don- nées à partir du signal d'entrée du pont (RTD) pour la température (Ri), le microprocesseur calculant selon la formule suivante: x -Lx FS 0 C FS ' comme indication pour (T 1). ) Système selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte une connexion donnant l'état de comptage de mise à la masse (C gs) à partir du diviseur de référence et un état de comptage de masse commune (C) à -g partir du pont (RTD), (Xi) étant calculé selon la for- mule suivante: Cti C X = g x FS CFS g 5 ) Système selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un diviseur de calibrage dont la précision correspond au rapport 1 utilisé en combinaison avec le diviseur de référence et à la place du pont (RTD) pour déterminer un coefficient de correction: CFS C CF Sc Cgs à partir des états de comptage (CF Sc) et (C gs) dérivés par le diviseur de calibrage pour une lecture correspon- dant au maximum de l'échelle et une lecture correspondant à la masse, respectivement, le facteur de correction étant utilisé par le microprocesseur pour la détermina- tion de (Xi). ) Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le pont (RTD) est utilisé initialement pour la détermination initiale de (AO = zéro) et (A 1 = maximum de l'échelle) suivie par l'obtention de Xfroid pour la température Tfroîd et Xchaud pour la température Tchaud les grandeurs: FS xx froid A Xchaud Xfroid F 52 A' = 52 -

1 = Xchaud Xfroid étant utilisées pour linéariser les grandeurs de lecture (Xi) du pont (RTD) entre les températures Tfroidet Thaud (Xi> T fridchaud' suivant l'équation linéaire Yi = A' + A'l Xi plutôt que Yi = O +

Y A + A X

i O Aixi.