FR2532761A1

FR2532761A1 - Method for calibrating a transducer

Info

Publication number: FR2532761A1
Application number: FR8215201A
Authority: FR
Inventors: Francois Marcaillou
Original assignee: SEDEME
Current assignee: SEDEME
Priority date: 1982-09-07
Filing date: 1982-09-07
Publication date: 1984-03-09
Also published as: FR2532761B1

Abstract

The method calibrates a transducer with an electrical output. The input quantity, e.g. pressure, is applied simultaneously to the transducer to be calibrated 13 and to a reference transducer 12 and its magnitude is varied slowly and continuously (generator 14). Calibration is carried out by comparison between the two transducers. The method is suitable for automation of the various stages of the calibration.

Description

PROCEDE D'ETALONNAGE D'UN lDRAtISl;}IJCs
L'invention concerne un procédé d'étalonnage d'un transducteur à sortie électrique, pressentant le double avantage d'ameliorer la précision d'étalonnage et de faciliter l'automatisation des différentes opérations. On entend par "transducteur à sortie électrique", tout dispositif sensible à un phénomène physique et possédant une sortie de signal électrique représentatif de l'intensité du phénomène physique qu'il perçoit.CALIBRATION PROCESS OF A lDRAtISl;} IJCs
The invention relates to a method for calibrating an electrical output transducer, sensing the double advantage of improving the calibration accuracy and facilitating the automation of the various operations. The term "electrical output transducer" means any device sensitive to a physical phenomenon and having an electrical signal output representative of the intensity of the physical phenomenon that it perceives.

L'étalonnage d'un transducteur de pression, par exemple, se fait classiquement de la façon suivante. On dispose d'un générateur étalon de pression et on soumet le transducteur à onze paliers prédéterminés de pression balayant toute son étendue de mesure, de façon à définir dix intervalles à lqnterieur desquels une interpolation linéaire permet de connattre n'importe quelle valeur de pression avec la précision requise. L'étalonnage consiste à associer une valeur de tension de sortie à chacune des valeurs prédéterminées de pression réalisant ainsi un échantillonnage de toute l'étendue de mesure. On peut ensuite, avec ces couples de valeurs, tracer un courbe caractéristique assez proche d'une droite compte-tenu de la bonne linéarité de ce type de transducteur.On préfère le plus souvent dresser un tableau decescouplesdevaleu rspression/Tension,pour disposer d'un plus grand nombre de chiffres significatifs. - Bien entendu, il ne s'agit là que d'une méthode usuelle d'étalonnage et il est bien certain qu'un plus grand nombre de valeurs prédéterminées de pression peut être choisi pour dresser le tableau ou tracer la courbe. Ce processus d'étalonnage est long car dans la pratique il nécessite un technicien expérimenté capable d'apprécier la valeur du signal électrique réellement représentatif de la pression appliquée, malgré le bruit de mesure relativement important qui l'accompagne et les changements de palier qui sollicitent l'hystérésis du transducteur.En effet celui-ci ne se stabilise qu'apres une phase d'oscillations amorties pendant laquelle il effectue un certain dépassement de la valeur finale de la tension de sortie. Il en résulte que cette tension, une fois stabilisée est différente de la valeur recherchée qui aurait été atteinte en l'absence d'oscillations. Ceci rend pratiquement impossible de tracer la courbe d'hystérésis globale du transducteur qui serait cependant souhaitable dans certains cas, puisqu'elle permettrait de déterminer les termes correctifs nécessaires à la mesure, en fonction du sens de variation de la grandeur physique d'entrée. The calibration of a pressure transducer, for example, is conventionally done as follows. A standard pressure generator is available and the transducer is subjected to eleven predetermined pressure stages sweeping over its entire measurement range, so as to define ten intervals within which a linear interpolation makes it possible to know any pressure value with the required precision. Calibration consists in associating an output voltage value with each of the predetermined pressure values, thus sampling the entire measurement range. We can then, with these pairs of values, draw a characteristic curve fairly close to a straight line, taking into account the good linearity of this type of transducer. We usually prefer to draw up a table of pressure / tension values, to have more significant digits. - Of course, this is only a usual calibration method and it is certain that a larger number of predetermined pressure values can be chosen to draw up the table or draw the curve. This calibration process is long because in practice it requires an experienced technician capable of appreciating the value of the electrical signal actually representative of the pressure applied, despite the relatively large measurement noise which accompanies it and the changes in bearing which require the hysteresis of the transducer. Indeed it only stabilizes after a phase of damped oscillations during which it performs a certain overshooting of the final value of the output voltage. As a result, this voltage, once stabilized, is different from the desired value which would have been reached in the absence of oscillations. This makes it practically impossible to trace the overall hysteresis curve of the transducer which would however be desirable in certain cases, since it would make it possible to determine the corrective terms necessary for the measurement, as a function of the direction of variation of the physical input quantity.

L'invention a pour but de résoudre tous ces inconvénients. The invention aims to solve all of these drawbacks.

Dans cet esprit, l'invention concerne principalement un procédé d'étalonnage d'un transducteur à sortie électrique, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer simultanément au transducteur à étalonner et à un transducteur de référence la même grandeur physique d'entrée avec une intensité variant lentement et continûment au cours du temps et à comparer des valeurs du signal de sortie dudit transducteur à étalonner avec des valeurs correspondantes du signal de sortie dudit transducteur de référence. In this spirit, the invention mainly relates to a method for calibrating a transducer with an electrical output, characterized in that it consists in simultaneously applying to the transducer to be calibrated and to a reference transducer the same physical input quantity with an intensity varying slowly and continuously over time and comparing values of the output signal of said transducer to be calibrated with corresponding values of the output signal of said reference transducer.

Ainsi, les mesures sont effectuées "au vol" au cours d'une exploration progressive de toute l'étendue de mesure du transducteur, sans variation bruque de la grandeur d'entrée. Les erreurs dûes à la sollicitation de l'hystérésis du transducteur sont donc éliminées. En outre, on peut envisager un double balayage de l'étendue de mesure du transducteur croissant puis décroissant pour en déduire une courbe d'hystérésis exploitable de ce transducteur. Thus, the measurements are carried out "on the fly" during a progressive exploration of the entire measurement range of the transducer, without abrupt variation in the input quantity. Errors due to stress on the transducer hysteresis are therefore eliminated. In addition, it is possible to envisage a double scanning of the measuring range of the increasing and then decreasing transducer in order to deduce therefrom an exploitable hysteresis curve of this transducer.

La variation de la grandeur physique d'entrée n'est pas critique (il suffit qu'il n'y ait pas de variation brusque) en raison de la prise de données effectuée par rapport à un transducteur de référence. Par ailleurs, comme on le verra plus loin, la prise des données et le traitement des informations peuvent facilement être automatisés et l'influence du bruit de mesure peut être éliminée au cours de ce traitement. Plusieurs transducteurs à étalonner peuvent être installés en même temps sur le banc de mesure, ce qui permet de gagner du temps et de programmer à l'avance l'étalonnage sans surveillance de toute une série de transducteurs.The variation of the physical input quantity is not critical (it suffices that there is no sudden variation) due to the data taken with respect to a reference transducer. Furthermore, as will be seen below, the taking of data and the processing of information can easily be automated and the influence of the measurement noise can be eliminated during this processing. Several transducers to be calibrated can be installed at the same time on the measurement bench, which saves time and allows advance programming of the calibration without supervision of a whole series of transducers.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels:
- la figurez est un graphe illustrant la caractéristique
Pression/Tension d'un transducteur de pression;
- la figure 2 est un double graphe qui illustre l'évolution des tensions de sortie délivrées par un transducteur de référence et un transducteur à étalonner au cours de la mise en oeuvre du procédé ;
- la figure 3 est un graphe Tension/Tension élaboré à partir de ceux de la figure 2 et illustrant une phase du procédé selon l'invention pour éliminer les erreurs dQes au bruit de mesure ; et
- la figure 4 est. un schéma bloc d'un système d'étalonnageconforme à l'invention.The invention will be better understood and other advantages thereof will appear better on reading the description which follows, given by way of example and made with reference to the appended drawings in which:
- figure it is a graph illustrating the characteristic
Pressure / Voltage of a pressure transducer;
- Figure 2 is a double graph which illustrates the evolution of the output voltages delivered by a reference transducer and a transducer to be calibrated during the implementation of the method;
- Figure 3 is a Voltage / Voltage graph developed from those of Figure 2 and illustrating a phase of the method according to the invention to eliminate errors dQes measurement noise; and
- Figure 4 is. a block diagram of a calibration system in accordance with the invention.

La figure 1 représente la caractéristique P = f(Vs) d'un transducteur de pression à sortie électrique, L'étendue de mesure (plage de variation de pression pour laquelle le transducteur est conçu) étant normalisée à 1 en ordonnée. Un tel capteur de pression a, par construction, une bonne linéarité, de sorte qu'il est correctement caractérisé par la connaissance précise d'un nombre fini de points de cette caractéristique. Dans la pratique9 l'étalonnage consiste donc à déterminer les couples de valeurs (P,Vs) représentés par les coordonnées des points aO, al.ofal0 répartis pour partager étendue de mesure en dix zones égales à l'intérieur desquelles une interpolation linéaire est suffisante. L'étalonnage se résume donc à dresser le tableau de ces onze couples de valeurs.La mise un oeuvre de l'invention suppose simplement que le tableau d'un transducteur étalon soit connu et, comme on le verra plus loin, mémorisé. FIG. 1 represents the characteristic P = f (Vs) of a pressure transducer with electrical output, the measuring range (range of pressure variation for which the transducer is designed) being normalized to 1 on the ordinate. Such a pressure sensor has, by construction, a good linearity, so that it is correctly characterized by the precise knowledge of a finite number of points of this characteristic. In practice9 calibration therefore consists in determining the pairs of values (P, Vs) represented by the coordinates of the points aO, al.ofal0 distributed to share the measurement range in ten equal zones within which a linear interpolation is sufficient . Calibration therefore comes down to drawing up the table of these eleven pairs of values. The implementation of the invention simply assumes that the table of a standard transducer is known and, as will be seen below, memorized.

Le principe de base de l'invention est expliqué en référence à la figure 2. I1 consiste à soumettre le transducteur étalon et le transducteur de référence (qui sont choisis de même type pour admettre la meme étendue de mesure) à une même pression continûment et lentement variable au cours du temps, balayant l'étendue de mesure des transducteurs. La valeur de la pression à un moment donné n'a pas besoin d'être connue avec précision, non plus que sa vitesse de variation. Il suffit de mesurer les valeurs des tensions électriques de sortie délivrées par les deux transducteurs et, chaque fois que la tension délivrée par le transducteur de référence atteint une valeur correspondant à l'un des couples de valeurs prédéterminées (l'un des points ai) de mesurer la valeur de tension délivrée par le transducteur à étalonner. The basic principle of the invention is explained with reference to FIG. 2. It consists in subjecting the standard transducer and the reference transducer (which are chosen to be of the same type to admit the same measuring range) at the same pressure continuously and slowly varying over time, sweeping the measurement range of the transducers. The value of the pressure at a given time does not need to be known with precision, nor does its speed of variation. It suffices to measure the values of the electrical output voltages delivered by the two transducers and, each time the voltage delivered by the reference transducer reaches a value corresponding to one of the pairs of predetermined values (one of the points ai) to measure the voltage value delivered by the transducer to be calibrated.

L'expérience montre qu'il n'est pas toujours possible d'opérer aussi simplement, lorsqu'un certaine précision est requise, en raison du bruit affectant les deux mesures. Sur le graphe de la figure 3 chaque point à pour coordonnées les tensions de sortie des deux capteurs à un instant donné, au voisinage de l'une des valeurs de tension VRi prédéterminées du transducteur de référence, c'est-àdire l'une des tension pour laquelle on connaît avec précision la valeur de pression correspondante. Le bruit qui se superpose aux mesures a pour conséquence qu'on observe un nuage de points bi impossible à exploiter directement. Pour remédier à ce problème, le procédé de l'invention est complété de la manière suivante. Pour chaque valeur prédéterminée de l'étendue de mesure du transducteur de référence, on sélectionne un certain nombre de points de mesure bl, b2,...bn élaborés à partir de couples de valeurs des signaux de sortie des deux transducteurs mesurées sensiblement simultanément, au voisinage d'un couple de valeurs prédéterminé et connu du transducteur de référence, représenté par un point ai. Puis, on détermine l'équation de la droite d. la plus favorable passant au voisinage de ces points de mesure et on calcule par rapport à cette droite la réponse Vxi du transducteur à étalonner connaissant celle VRi du transducteur de référence pour la valeur de pression prédéterminée correspondante de son étendue de mesure.La détermination de l'équation de la droite la plus favorable d. est obtenue simplement par programmation de la méthode des moindres carrés dans un ordinateur ou une unité de calcul adaptée. Experience shows that it is not always possible to operate so simply, when a certain precision is required, due to the noise affecting the two measurements. On the graph of FIG. 3, each point has for co-ordinates the output voltages of the two sensors at a given instant, in the vicinity of one of the predetermined voltage values VRi of the reference transducer, that is to say one of the voltage for which the corresponding pressure value is precisely known. The noise which is superimposed on the measurements has the consequence that a cloud of points bi is impossible to exploit directly. To remedy this problem, the method of the invention is completed in the following manner. For each predetermined value of the measurement range of the reference transducer, a certain number of measurement points bl, b2, ... bn are selected, based on pairs of values of the output signals of the two transducers measured substantially simultaneously, in the vicinity of a predetermined and known pair of values of the reference transducer, represented by a point ai. Then, we determine the equation of the line d. the most favorable passing in the vicinity of these measurement points and the response Vxi of the transducer to be calibrated is calculated with respect to this straight line knowing that VRi of the reference transducer for the corresponding predetermined pressure value of its measurement range. most favorable line equation d. is obtained simply by programming the method of least squares in a computer or a suitable calculation unit.

Plus précisemment, on peut mesurer et mémoriser à intervalle de temps constant pendant l'évolution de la pression appliquée aux transducteurs, des couples de valeurs de tension précités et sélectionner un nombre fini de tels couples au-delà et en - deçà de celui pour lequel la valeur mesurée du signal de sortie du transducteur de référence est la plus proche de l'une des valeurs prédéterminées connues et mémorisées. More precisely, it is possible to measure and store at constant time intervals during the evolution of the pressure applied to the transducers, of the above-mentioned pairs of voltage values and to select a finite number of such couples above and below that for which the measured value of the reference transducer output signal is the closest to one of the known and stored predetermined values.

Un système conforme au schéma bloc de la figure 4 est conçu pour mettre en oeuvre ce principe. A system conforming to the block diagram of FIG. 4 is designed to implement this principle.

Le banc de mesure ll reçoit le transducteur de référence 12 et le transducteur à étalonner 13. Il est relié à un générateur de pression 14. Ce banc est agencé pour communiquer cette pression (ou une force représentative de cette pression) aux deux transducteurs simultanément. Le générateur 14 délivre une pression vari able, par exemple lentement croissante ou décroissante, balayant toute l'étendue de mesure des transducteurs.Les sorties de signal électrique S et SR du transducteur à étalonner et du transducteur de références respectivement, sont connectées à un convertisseur analogique-numérique rapide 15, à deux voies, cgest-à-dire comportant deux entrees de signal analogique A et A R et deux sorties numériques Nx et NR multiplexées au rythme d'une horloge H. Les sorties S; et 3R des transducteurs sont respectivement connectées aux entres Ax et AR du convertisseur 15.Il est avantageux d'utiliser un circuit convertisseur unique pour éviter des différence de conversion entre les deux voies. Selon un mode de réalisation préféré, on mesure les tensions de sortie des deux transducteurs toutes les quarante millisecondes mais la commutation d'une voie sur l'autre ne nécessite qu'une milliseconde. La pression commune appliquée aux capteurs n'a pas le temps d'évoluer de façon notable pendant un intervalle de temps aussi court, de sorte que l'on peut considérer que les informations numériques qui apparaissent aux sorties N R et Nx sont représentatives des réponses respectives des transducteurs 12 et 13 à une même pression.Les sorties N R et Nx sont respectivement reliées aux entrées de deux registres à décalage DR et Dx à sept sorties (dans cet exemple). Par conséquent, on peut lire à chaque instant sur ces sorties les sept dernières valeurs de tension délivrées par chaque transducteur 12 et 13 pour sept valeurs de pression distinctes. Toutes ces sorties sont reliées à une mémoire de transfert MT et les sorties du registre DR sont également connectées à un circuit comparateur 16 lui-même couplé à une mémoire de référence Mg dans laquelle sont incrits les couples de valeur Tension/Pression (prédéterminées et connues avec précision) du transducteur de référence 12.Le comparateur est agencé pour comparer les signaux numériques apparaissant aux sorties du registre à décalage DR aux valeurs prédéterminées de tension inscrites dans -la mémoire Mo Lorsque l'écart entre la quatrième sortie du registre DR et l'une des valeurs prédéterminées de tension inscrite dans la mémoire Mo passe par un minimum, le circuit comparateur pilote le chargement (liaison 17) de la mémoire de transfert MT qui reçoit donc au même instant sept valeurs de tension successives délivrées par le transducteur de référence 12 et sept valeurs de tension correspondantes délivrées par le transducteur à étalonner 13.Cette mémoire de transfert MT est connectée à une unité de calcul 18 agencée pour calculer l'équation de la droite la plus favorable (conforme à la figure 3) passant au voisinage de tous les points dont les coordonnées sont inscrites dans la mémoire de transfert MT. Plus précisemment, cette unité de calcul est programmée pour appliquer la méthode des moindres carrés, c'est-à-dire pour déterminer les paramètres de la droite passant au plus près des sept points dont les coordonnées sont inscrites dans la mémoire de transfert. Une autre unité de calcul 19 est agencée pour remplacer dans l'équation de cette droite la variable d'abscisse par la valeur prédéterminée de tension inscrite dans la mémoire Mg, (liaison 20) ce qui donne immédiatement la valeur de tension correspondante délivrée simultanément par le transducteur à étalonner 13.Cette dernière est associée à la valeur de pression correspondante inscrite dans la mémoire Mo et ce couple de valeurs constitue les coordonnées de llun des points de la caractéristique d'étalonnage du transducteur 13. Le processus qui vient d'être décrit se renouvelle automatiquement chaque fois que la pression délivrée par le générateur 14 évolue au voisinage de l'un des points prédéterminés de la caractéristique d'étalonnage conforme à la figure 1 du transducteur de référence. A la fin du balayage de toute l'étendue de mesure des transducteurs, on dispose ainsi de toutes les valeurs nécessaires pour remplir le tableau d'étalonnage du transducteur 13.Si on désire caractériser le transducteur non plus par-ce tableau mais par l'unique équation d'une droite, on peut à nouveau appliquer la méthode des moindres carrés à l'ensemble des points dont les coordonnées forment ce tableau. The measurement bench 11 receives the reference transducer 12 and the transducer to be calibrated 13. It is connected to a pressure generator 14. This bench is arranged to communicate this pressure (or a force representative of this pressure) to the two transducers simultaneously. The generator 14 delivers a variable pressure, for example slowly increasing or decreasing, sweeping the entire measurement range of the transducers. The electrical signal outputs S and SR of the transducer to be calibrated and of the reference transducer respectively, are connected to a converter. fast analog-digital 15, two-channel, ie comprising two analog signal inputs A and AR and two digital outputs Nx and NR multiplexed at the rate of a clock H. The outputs S; and 3R transducers are respectively connected to the inputs Ax and AR of the converter 15. It is advantageous to use a single converter circuit to avoid conversion differences between the two channels. According to a preferred embodiment, the output voltages of the two transducers are measured every forty milliseconds, but switching from one channel to the other requires only one millisecond. The common pressure applied to the sensors does not have time to change significantly during such a short time interval, so it can be considered that the digital information which appears at the outputs NR and Nx are representative of the respective responses transducers 12 and 13 at the same pressure. The outputs NR and Nx are respectively connected to the inputs of two shift registers DR and Dx with seven outputs (in this example). Consequently, the last seven voltage values delivered by each transducer 12 and 13 can be read at these instant at these outputs for seven distinct pressure values. All these outputs are connected to a transfer memory MT and the outputs of the register DR are also connected to a comparator circuit 16 itself coupled to a reference memory Mg in which are written the pairs of value Voltage / Pressure (predetermined and known with precision) of the reference transducer 12. The comparator is arranged to compare the digital signals appearing at the outputs of the shift register DR with the predetermined voltage values written in the memory Mo When the difference between the fourth output of the register DR and l one of the predetermined voltage values recorded in the memory Mo goes through a minimum, the comparator circuit controls the loading (link 17) of the transfer memory MT which therefore receives at the same instant seven successive voltage values delivered by the reference transducer 12 and seven corresponding voltage values delivered by the transducer to be calibrated 13. This MT transfer memory is connected e to a calculation unit 18 arranged to calculate the most favorable equation of the straight line (in accordance with FIG. 3) passing in the vicinity of all the points whose coordinates are entered in the transfer memory MT. More precisely, this calculation unit is programmed to apply the method of least squares, that is to say to determine the parameters of the line passing as close as possible to the seven points whose coordinates are written in the transfer memory. Another calculation unit 19 is arranged to replace in the equation of this straight line the abscissa variable by the predetermined voltage value written in the memory Mg, (link 20) which immediately gives the corresponding voltage value delivered simultaneously by the transducer to be calibrated 13. The latter is associated with the corresponding pressure value entered in the memory Mo and this pair of values constitutes the coordinates of one of the points of the calibration characteristic of the transducer 13. The process which has just been described is automatically renewed each time the pressure delivered by the generator 14 changes in the vicinity of one of the predetermined points of the calibration characteristic in accordance with FIG. 1 of the reference transducer. At the end of the scanning of the entire measuring range of the transducers, we thus have all the values necessary to fill the calibration table of the transducer 13. If we wish to characterize the transducer no longer by this table but by the single equation of a straight line, we can again apply the method of least squares to the set of points whose coordinates form this table.

Bien entendu, il est clair que le système décrit en référence à la figure 4 ne représente qutun mode de réalisation possible parmi d'autre. En particulier, il est à noter qu'un ordinateur fonctionnant en temps réel peut être programmé pour remplir toutes les fonctions assurées par les registres à décalage, l'horloge H, les mémoires Mo et MT et les circuits de calcul 18 et 19. Le convertisseur 15 constituerait alors l'interface entre le banc de mesure 11 et l'ordi- nateur. C'est dire que l'invention couvre tous les équivalents techniques des moyens et fonctions décrits, si ceux-ci le sont dans le cadre des revendications qui suivent. Of course, it is clear that the system described with reference to FIG. 4 represents only one possible embodiment among others. In particular, it should be noted that a computer operating in real time can be programmed to perform all the functions provided by the shift registers, the H clock, the Mo and MT memories and the computing circuits 18 and 19. The converter 15 would then constitute the interface between the measurement bench 11 and the computer. This means that the invention covers all the technical equivalents of the means and functions described, if these are in the context of the claims which follow.

Claims

1. Method for calibrating an electrical output transducer (13), characterized in that it consists in applying the same quantity simultaneously to the transducer to be calibrated and to a reference transducer. input physics with an intensity varying slowly and continuously over time and comparing (FIG. 2) values of the output signal of said transducer to be calibrated (13) with corresponding values of the output signal of said reference transducer (12) .

2. Calibration method according to claim 1, characterized in that it consists, successively for a finite number of predetermined value pairs of the measurement range of said reference transducer, in selecting a certain number of measurement points (bl , b2 ... bn) produced from pairs of values of the output signals of the two transducers measured substantially simultaneously, in the vicinity of a predetermined pair of values (ai) mentioned above, to determine the equation of the straight line (di) the most favorable passing in the vicinity of these measurement points and calculating with respect to this straight line the response of the transducer to be calibrated (Vxi) knowing that (VRi) of the reference transducer for said pair of predetermined values of its measurement range.

3. Calibration method according to claim 2, characterized in that it consists in then determining the equation of the most favorable line passing in the vicinity of all the points of the calculated characteristic of said transducer to be calibrated.

4. Calibration method according to claim 2 or 3, characterized in that the determination of the equation of a said line is obtained by application of the method of least squares.

5 calibration method according to one of claims 2 to 4, characterized in that it consists in measuring and memorizing during the evolution of said physical input quantity of the above-mentioned pairs of values (Dx, DR) and in selecting a finite number of such couples above and below that for which the measured value of the output signal of said reference sensor is the closest to one of the predetermined values (VRi) of its measurement range