FR2576109A1 - Dispositif de mesure et de transmission de la valeur d'une impedance - Google Patents

Abstract

DANS CE DISPOSITIF, L'IMPEDANCE 60 DEVANT ETRE MESUREE EST DIRECTEMENT RACCORDEE AU CIRCUIT SECONDAIRE 42 D'UN TRANSFORMATEUR D'IMPULSIONS 40 DONT LE CIRCUIT PRIMAIRE 41 EST ALIMENTE EN COURANT ALTERNATIF DE FREQUENCE ELEVEE PAR UN OSCILLATEUR 20 ET EST RELIE PAR L'INTERMEDIAIRE D'UNE RESISTANCE DE CHARGE 43 A UN ETAGE D'AMPLIFICATION 70 ET A UN GENERATEUR DE COURANT 100. LES VARIATIONS DE L'IMPEDANCE 60 SONT REPERCUTEES DIRECTEMENT AU PRIMAIRE DU TRANSFORMATEUR, AMPLIFIEES PAR L'AMPLIFICATEUR 70 ET TRANSMISES PAR LE GENERATEUR 100, TOUT EN ISOLANT GALVANIQUEMENT LE CAPTEUR 60. CE DISPOSITIF PEUT ETRE UTILISE POUR LA MESURE DE N'IMPORTE QUEL TYPE D'IMPEDANCE. APPLICATION A LA REGULATION DE TEMPERATURE OU DU NIVEAU DE LIQUIDE DANS UNE CUVE.

Description

DISPOSITIF DE MESURE ET DE TRANSMISSION
-DE LA VALEUR D'UNE IMPEDANCE
La présente invention a pour objet un dispositif de mesure d'une impédance et de transmission de la valeur mesurée, destiné notamment à être utilisé pour la mesure de variations de résistances correspondant
à des variations d'une grandeur donnée telle qu'une température, prélevée,
par exemple, au moyen d'une sonde au platine, ou le niveau de liquides
dans une cuve, mesuré, par exemple, à l'aide d'un potentiomètre asservi
mécaniquement par un flotteur.

Actuellement, les mesures de résistances et la transmission
de celles-ci sont réalisées à l'aide de systèmes compliqués du fait de
la nécessité d'isoler galvaniquement le capteur de mesure (sonde ou poten
tiomètre) des tensions d'alimentation.

Ces systèmes connus sont basés sur le principe illustré de façon
schématique sur la figure 1. La résistance (1) du capteur (sonde, poten
tiomètre) est mesurée à Plaide d'un pont de mesure (2), généralement
un -pont de Wheatstone, alimenté en courant continu à l'aide d'une alimen
tation auxiliaire (3) dérivée de l'alimentation générale stabilisée (4) après
transformation en courant continu par un convertisseur (5).

La variation de résistance mesurée à l'aide du pont de Wheat
stone est amplifiée à l'aide d'un amplificateur de mesure (6) et est ensuite
envoyée à un générateur de courant généralement de type 4-20 mA (11), après passage à travers un étage d'isolement (8) constitué par un trans
formateur d'impulsions ou un photocoupleur.

Cette variation de résistance correspondant à une variation de tension doit donc être transformée en impulsions en amont de l'étage d'isolement (8) à l'aide d'un convertisseur tension/fréquence (7), puis à nouveau en variation de tension en aval de cet étage d'isolement (8)
à l'aide d'un convertisseur fréquence/tension (9).

Un translateur de commande (10) doit en outre être prévu entre
le bloc convertisseur fréquence/tension (9) et le générateur de courant
(11) pour adapter leur impédance.

Ce système est donc très complexe, cette complexité prove
nant essentiellement de la nécessité d'isoler galvaniquement (à l'aide
d'un étage d'isolement (8)) le capteur (1) de l'alimentation du système.

Ceci conduit à un montage électronique très onéreux et empêchant une
grande diffusion du produit.

Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients et notamment de prévoir un dispositif de mesure et de transmission de la valeur d'une impédance qui soit de conception particulièrement simple et peu coûteuse, tout en étant fiable et en satisfaisant aux conditions d'isolation galvanique des capteurs.

Ce but est atteint en ce que dans le dispositif de mesure selon l'invention, I'impédance devant être mesurée est directement raccordée au circuit secondaire d'un étage d'isolement dont le circuit primaire est relié à un étage de transmission de la valeur mesurée.

De cette façon, les variations de l'impédance sont répercutées directement au circuit primaire de l'étage d'isolement et peuvent donc être mesurées directement à l'aide de celui-ci, tout en ayant une excellente isolation galvanique du capteur à l'aide de cet étage d'isolement.

Avantageusement, L'étage d'isolement est formé par un transformateur.

Cette disposition permet d'avoir, outre la transmission des vairations de l'impédance, une certaine amplification de celles-ci en jouant sur le gain du transformateur.

Avantageusement aussi, le transformateur est un transformateur d'impulsions, son circuit primaire est alors alimenté en courant alternatif de fréquence élevée à l'aide d'un oscillateur et de deux transistors montés en interrupteurs de courant.

Les variations d'impédance transmises par le primaire du transformateur sont amplifiées à l'aide d'un circuit approprié, et des mesures sont prévues pour régler le seuil et le gain d'amplification de celui-ci.

De toute façon, l'invention sera bien comprise et d'autres caractéristiques seront mises en évidence à l'aide de la description qui suit en référence au dessin schématique annexé dont
- Figure 2 est un schéma de principe du dispositif selon l'invention
- Figure 3 est le schéma électrique d'un exemple de réalisation de ce,dispositif.

Le principe du dispositif de mesure selon l'invention est illustré schématiquement à la figure 2.

Un oscillateur (20) à fréquence élevée (de l'ordre de 20 kHz par exemple) alimente en courant alternatif, au moyen de deux transistors (30) montés en interrupteurs de courant, les extrémités du primaire (41) d'un transformateur (40) à point milieu (M), celui-ci étant relié à la masse par une résistance de charge (43).

L'oscillateur (20) est lui-même alimenté en courant continu (sous une tension d'environ 8 V) par une alimentation stabilisee (50).

Le secondaire (42) du transformateur, d'impédance plus faible, applique une tension plus faible (environ 2 Volts) au capteur de mesure (60) formé, par exemple, par une sonde au platine ou par un potentiomètre.

Les variations d'impédance du capteur de mesure (60) correspondant à des variations de tension dans le secondaire (42) du transformateur sont répercutées, avec déjà une amplification par le coefficient du transformateur, au primaire (41) de celui-ci et sont appliquées à la résistance de charge (43) branchée sur le point milieu M. Ces variations sont à nouveau amplifiées à l'aide d'un amplificateur opérationnel (70), alimenté en courant continu par la même alimentation stabilisée (50) que l'oscillateur (20), et qui est raccordé par son entrée (71) au point milieu M du transformateur (40).

Son autre entrée (72) est reliée, de façon connue en soi, à un dispositif de réglage du seuil d'amplification (80).

Une impédance variable (90) montée entre la sortie (73) de l'ampli- ficateur (70) et son entrée (71) permet d'en régler le gain et de n'amplifier que les variations correspondant à celles de la sonde (60).

La tension à la sortie de l'amplificateur (70), qui varie entre 0,4 et 2 Volts et est fonction de la valeur donnée par le capteur (60), est appliquée à un générateur de courant 4-20 mA (100) lui-même relié, de façon connue en soi, à un instrument de lecture (non représenté sur le dessin).

On voit donc que le dispositif selon l'invention permet de simplifier de façon considérable le circuit de transmission des valeurs mesurées par la sonde puisque celui-ci ne comprend essentiellement qu'un amplificateur du signal, alimenté en courant continu, et relié directement au générateur de courant. Alors que dans les dispositifs connus jusqu'à présent, il était nécessaire de prévoir un étage d'isolement et deux convertisseurs tension/fréquence et fréquence/tension, respectivement en aval et en amont de cet étage d'isolement, ainsi qu'un adaptateur d'impédance, entre l'amplificateur du signal et le générateur de courant.

Ce dispositif évite donc tout circuit de redressement du signal et tout défaut de linéarité par dérivation.

Il permet, en outre, de mesurer directement les variations d'impédance du capteur, sans recourir à un pont de Sheatstone et en diminuant par conséquent les incertitudes de mesure liées au nombre d'éléments intermédiaires.

Le transformateur remplit deux fonctions: La mesure des variations du capteur et son isolement galvanique du reste du circuit électronique. En outre, la zone du capteur, qui est, en fait, constituée par le secondaire du transformateur, est de type passif (c'est-à-dire qu'elle ne contient aucun composant électronique) et de ce fait est très robuste et ne nécessite aucune protection spéciale.

Le dispositif de mesure selon l'invention nécessite un nombre de composants électroniques fragiles et coûteux beaucoup moins important que les dispositifs connus jusqu'à présent et est, par conséquent, beaucoup plus fiable et résistant tout en étant beaucoup moins coûteux.

Bien entendu, le dispositif fonctionnerait de la même manière si le transformateur était remplacé par un photocoupleur ou un autre élément d'isolement.

Celui-ci serait alors monté de façon à fournir une énergie directe au capteur dont les variations seraient répercutées directement au phototransistor (dans le cas d'un photocoupleur) aux bornes duquel serait monté un circuit électronique de type amplificateur permettant la lecture de ces variations.

La figure 3 montre de façon détaillée un exemple de réalisation industrielle du dispositif de la figure 2, dans lequel les mêmes éléments seront désignés par les mêmes références que dans celle-ci.

Ce dispositif se présente extérieurement comme un boîtier pré- sentant six bornes (A,B,C,D,E,F). Les bornes (A,C) sont destinées à être raccordées extérieurement à une alimentation en courant continu d'environ 24 Volts (la borne (C) étant reliée à la masse). Ces bornes (A,C) sont raccordées intérieurement au circuit électronique (50) délivrant une alimentation stabilisée de 8 Volts, qui va alimenter les différents éléments du dispositif, à savoir l'étage d'amplification (70), I'oscillateur (20) et les transistors (30).

L'alimentation stabilisée (50) comporte un premier étage avec diode (52) (contre les inversions du sens de courant dues par exemple aux erreurs de branchement), diode Zener (54), condensateur (53) et résistance chutrice t55) ayant pour but de dissiper l'excédent de tension et de fournir une tension de -prestabilisation de 12 Volts tout en admettant une grande excursion de la tension d'alimentation de 24 Volts. Cette tension de 12 Volts est appliquée à un régulateur intégré (51) de 8 Volts.

On obtient ainsi à la sortie (56) de l'étage d'alimentation une tension de 8 Volts, tout en limitant la dissipation thermique du régulateur intégré (51) et en augmentant de ce fait la stabilité de sa tension de sortie.

L'oscillateur (20) est formé essentiellement de façon connue en soi d'une succession de portes logiques (inverseurs) (21), et de même que précédemment alimente le primaire (41) du transformateur (40) au moyen de deux transistors (30).

Les extrémités (44,45) du secondaire (42) du transformateur (40) sont raccordées aux bornes D,E et F du boîtier du dispositif.

L'extrémité (45) est raccordée, d'une -part, directement à la borne E et, d'autre part, à la borne F avec interposition d'une résistance (46) (d'environ 100 Ohm).

Le capteur de mesure (60) sera donc branché soit entre les bornes D et E du boîtier, soit, s'il a une résistance très faible et voisine de zéros entre les bornes D et F du boîtier de façon à introduire une résistance supplémentaire (46) dans le circuit du secondaire du transformateur (40).

Le point milieu M du transformateur (40) est relié par l'intermédiaire de la résistance de charge (43) à l'entrée (71) de l'amplificateur opérationnel (70).

L'étage de réglage du seuil (80) de l'amplificateur (70) est formé par un potentiomètre branché sur la sortie (56) de l'alimentation stabilisée (50).

Le réglage du gain de l'amplificateur est obtenu à l'aide d'une impédance variable (91) et d'une capacité (92).

Un filtre (95) peut être, en outre, disposé entre la sortie de l'amplificateur (70) et l'entrée du générateur de courant (100) selon les conditions d'utilisation du dispositif. Le générateur de courant 4/20 MA est formé essentiellement d'un amplificateur opérationnel (101) raccordé à un transistor à effet de champ (102) et d'une résistance (103) placée dans la source de ce dernier.

La sortie de ce générateur de courant (100) est raccordée à la borne (8) du boîtier sur laquelle on peut brancher un instrument de lecture approprié ou une boucle d'asservissement dans le cas d'une regula- tion.

I1 est à noter que le dispositif selon l'invention est universel et permet de mesurer les variations de n'importe quel type d'impédance, qu'elle soit de type résistif, selfique ou capacitif, alors qu'avec les dispositifs connus des ponts de mesure différents doivent être utilisés pour mesurer des impédances de différentes natures.

Comme il va de soi, la présente invention ne se limite pas aux exemples de réalisation montrés ici, à titre d'exemples non limitatifs, mais en embrasse, au contraire, toutes les formes de réalisation mettant en oeuvre des moyens similaires ou équivalents.

C'est ainsi que, par exemple, les différents blocs du circuit électronique pourraient être réalisés différemment sans que l'on sorte pour autant du cadre de la présente invention, ou que par exemple, dans le cas du transformateur, la résistance de charge (43) pourrait être placée entre le point milieu M de celui-ci et l'alimentation positive au lieu de la masse.

Claims (10)

1. - REVENDICATIONS -

   1- Dispositif de mesure et de transmission de la valeur d'une impédance, caractérisé en ce que l'impédance (60) devant être mesurée est directement raccordée au circuit secondaire (42) d'un étage d'-isolement (40) dont le circuit primaire (41) est relié à un étage de transmission (100) de la valeur mesurée.
2. 2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage d'isolement est formé par un transformateur (40).
3. 3- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le transformateur (40) est un transformateur d'impulsions et en ce que son circuit primaire (41) est alimenté en courant alternatif de fréquence élevée à l'aide d'un oscillateur (20) et de deux transistors (30) montés en interrupteurs de courant.
4. 4- Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les variations d'impédance transmises par le primaire (41) du transformateur sont amplifiées à l'aide d'un amplificateur opérationnel (70) et sont transmises à l'aide d'un générateur de courant (100) monté à la suite de cet amplificateur (70).
5. 5- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que des moyens (90) sont prévus pour régler le gain de l'amplificateur (70).
6. 6- Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que des moyens (80) sont prévus pour régler le seuil de l'amplifi- cateur (70).
7. 7- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alimentation de chaque circuit électronique, oscillateur (20), transistors (30), et amplificateur (70) est formée par une alimentation commune (56) en courant continu.
8. 8- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que cette alimentation commune (56) est stabilisée à l'aide d'un régulateur intégré (51).
9. 9- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'un filtre (95) est dispose entre la sortie de l'amplificateur (70) et l'entrée du générateur de courant (100).
10. 10- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage d'isolement est formé par un photocoupleur.