FR2817035A1 - Dispositif de mesure exploitant une mesure indirecte de permittivite a sondes mulitiples - Google Patents

Dispositif de mesure exploitant une mesure indirecte de permittivite a sondes mulitiples Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de mesure comprenant au moins une tête de mesure comportant au moins une sonde de mesure (10), des moyens (30) aptes à appliquer séquentiellement une tension d'alimentation contrôlée entre la sonde de mesure (10) et un élément de référence (20) et des moyens (50) aptes à intégrer les charges électriques accumulées sur la sonde de mesure (10), caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens aptes à placer successivement en circuit sur l'entrée de l'étage intégrateur, des sondes respectives différentes (10. 1, 10. n).

Description

<Desc/Clms Page number 1>
La présente invention concerne le domaine des capteurs. Plus précisément, la présente invention concerne un dispositif de mesure exploitant une mesure indirecte de permittivité entre deux corps électriquement conducteurs formant respectivement une sonde de mesure et un élément de référence, par exemple une sonde de référence.
On a décrit dans le document WO-0025098 un dispositif dont la structure de base est schématisée sur la figure 1 annexée.
Ce dispositif comprend deux corps électriquement conducteurs constituant respectivement une sonde de mesure 10 et une sonde de référence 20, des moyens d'alimentation électrique 30 aptes à délivrer une tension électrique continue d'amplitude contrôlée, un étage intégrateur 50 comprenant un système à commutation de capacité 53 et des moyens de commande 40 adaptés pour définir cycliquement, à une fréquence contrôlée, une suite de deux séquences : une première séquence T1 cours de laquelle les moyens d'alimentation électrique 30 sont reliés à la sonde de mesure 10 pour appliquer un champ électrique entre la sonde de mesure 10 et la sonde de référence 20 et accumuler des charges électriques sur la sonde de mesure 10, puis une seconde séquence T2 au cours de laquelle les moyens d'alimentation électrique 30 sont déconnectés de la sonde de mesure 10 et
Figure img00010001

celle-ci est reliée à un point de sommation de l'étage intégrateur 50 pour i transférer des charges dans l'étage intégrateur 50 et obtenir en sortie de celui-ci un signal représentatif de la permittivité existant entre la sonde de mesure 10 et la sonde de référence 20.
Plus précisément encore, selon le document WO-0025098, l'étage intégrateur 50 comprend un amplificateur opérationnel 51, un premier condensateur d'intégration 52 monté en contre-réaction sur cet amplificateur 51 et un second condensateur 53 commuté entre la sortie et l'entrée de l'amplificateur opérationnel 51 au rythme des séquences pilotées par les moyens de commande 40, de sorte que, en régime d'équilibre établi, on obtienne en sortie de l'amplificateur opérationnel 51, une tension d'équilibre égale à-E. Cs/C53, relation dans laquelle-E désigne l'amplitude de la tension aux bornes des moyens d'alimentation électrique 30 et Cs et
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C53 désignent respectivement les valeurs des capacités définies entre la sonde de mesure 10 et la sonde de référence 20 d'une part, et le second condensateur commuté 53 d'autre part.
La commutation des moyens d'alimentation électrique 30 et du second condensateur 53 est assurée par des interrupteurs inverseurs 42, 43 pilotés par une base de temps 41.
Le fonctionnement de ce dispositif connu est essentiellement le suivant.
Supposons qu'à l'origine le condensateur d'intégration C52, le condensateur de commutation C53 et le condensateur Cs formé entre la sonde de mesure 10 et la sonde de référence 20 soient chacun totalement déchargés, soit QC52 = 0 QC53 = 0, et QCs = 0.
Lors de la première séquence T1, le condensateur Cs est chargé sous la tension d'alimentation délivrée par le module 30, que l'on suppose ici égale à-E.
A la fin de la séquence T1, on a donc : QCs =-E. Cs QC52 = 0.
QC53 = 0.
Au cours de la séquence T2 suivante, les charges sont transférées de Cs vers C52 ; soit, les charges étant conservées et Cs et C53 étant reliés à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 51 d'impédance virtuelle nulle : - E. Cs = Vs2. C52, en appelant Vs2 la tension de sortie de l'amplificateur opérationnel 51 pendant la séquence T2.
Au cours de la séquence T1 suivante, les deux condensateurs C52 et C53 sont placés en parallèle. On a alors :
Figure img00020001

Vs = Vs2. C52/ (C52 + C53) = QC53/C53 = QC52/C52, soit QC53 = [Vs2. C52/ (C52+C53)]. C53
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Figure img00030001

= [Vs2/ (1+C53/C52). C53 soit si C52 = nC53 C53 QC53 Vs2. C53.
Figure img00030002
A la séquence suivante T2, les charges contenues dans C53 viennent en opposition de celles Cs. La partie restante des charges de Cs est transférée dans C52, etc...
La tension de sortie Vs, en sortie de l'amplificateur opérationnel 51 croît progressivement jusqu'à une tension Vs équilibre = QC53/C53 telle que QC53 = Vs équilibre. C53 =-E. Cs.
Ainsi après x itérations le dispositif atteint un régime d'équilibre sur le point de sommation. Les charges QC53 de C53 viennent compenser les charges de la sonde Cs.
Dès qu'une variation de capacité Cs est détectée, le supplément (ou la perte) de charges sur Cs vient charger (ou décharger) la capacité C52.
Ainsi en régime établi la capacité de commutation C53 vient équilibrer les variations de charges de la sonde Cs.
La présente invention a maintenant pour but de proposer un nouveau dispositif présentant des performances supérieures à celles des dispositifs connus.
Figure img00030003
Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un . dispositif comprenant au moins une tête de mesure comportant au moins une sonde de mesure, des moyens aptes à appliquer séquentiellement une tension d'alimentation contrôlée entre la sonde de mesure et un élément de référence et des moyens aptes à intégrer les charges électriques accumulées sur la sonde de mesure, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens aptes à placer successivement en circuit sur l'entrée de l'étage intégrateur, des sondes respectives différentes.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, le dispositif comprend en outre des moyens aptes à assurer une correction d'offset de l'entrée de l'étage intégrateur et un étage différenciateur recevant sur ses entrées respectives des signaux
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représentatifs de la sortie de tête de mesure, pour une correction d'offset similaire mais des tensions d'alimentation contrôlée différentes.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, le dispositif comprend deux têtes de mesure et les signaux appliqués à l'étage différenciateur proviennent respectivement de la sortie des étages intégrateurs de ces deux têtes de mesure.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, les deux sondes de mesure appartenant respectivement aux deux têtes de mesure précitées sont situées dans une étroite proximité et dans un même milieu.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, en option le dispositif peut comprendre une tête de mesure unique et des moyens de mémorisation aptes à mémoriser le signal représentatif de la sortie de la tête de mesure pour une correction d'offset donnée et une tension d'alimentation contrôlée, afin de permettre à l'étage différenciateur de comparer ensuite le signal ainsi mémorisé avec le signal obtenu à la sortie de la tête de mesure, pour une correction d'offset similaire, mais une tension d'alimentation contrôlée différente.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, la correction d'offset de l'étage intégrateur est réalisée à l'aide d'un circuit comprenant un condensateur alimenté par une tension réglable.
Figure img00040001
; Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, le dispositif comprend en outre des moyens aptes à asservir la correction d'offset sur le signal de sortie de l'étage intégrateur.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 précédemment décrite représente schématiquement un dispositif conforme à l'état de la technique divulgué dans le document WO- 0025098, ta figure 2 représente un circuit de base conforme à la présente invention comprenant des moyens de correction d'offset,
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la figure 3 représente la structure de base d'un dispositif conforme à la présente invention comprenant deux têtes de mesure, - la figure 4 représente schématiquement un chronogramme de fonctionnement d'un dispositif conforme à la présente invention, comprenant deux têtes de mesure utilisées en différentiel, - la figure 5 représente un chronogramme similaire de fonctionnement pour un dispositif conforme à la présente invention, comprenant une tête de mesure unique avec mémorisation de la sortie de celle-ci, - la figure 6 représente schématiquement un asservissement de la correction d'offset réalisé dans le cadre de la présente invention, - les figures 7 à 9 représentent schématiquement une variation brutale de capacité entre une sonde de mesure et une sonde de référence, la réponse classique obtenue avec un dispositif de mesure connu conforme au document WO-0025098, et la réponse obtenue avec un dispositif conforme à la présente invention exploitant un asservissement de la correction d'offset - la figure 10 représente un dispositif conforme à la présente invention comprenant plusieurs têtes de mesure, - la figure 11 représente un chronogramme de fonctionnement du dispositif conforme à la présente invention comprenant plusieurs têtes de mesure, - les figures 12,13 et 14 représentent schématiquement trois variantes de sonde conformes à l'invention.
On retrouve sur la figure 2 le circuit de base dénommé tête de mesure dans le cadre de la présente invention, comprenant une sonde de mesure 10 définissant en combinaison avec un élément de référence 20, une capacité Cs, des moyens d'alimentation 30, un étage intégrateur de charge électrique 50 et une base de temps 41.
Dans le cadre de la présente invention, l'élément de référence 20 peut être formé d'une sonde de référence ou encore d'une masse constituée par exemple par la terre ou une masse métallique avoisinante, par exemple le chassis d'un véhicule automobile.
Les moyens d'alimentation électrique 30 sont ici constitués d'un étage inverseur de potentiel. Cet étage comprend un amplificateur
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opérationnel 31 dont l'entrée non inverseuse est reliée à la masse. L'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 31 reçoit une tension d'alimentation Vf = + E par l'intermédiaire d'une résistance R32. Une résistance de contre-réaction R33, de préférence de même valeur que R32 est montée en contre-réaction entre l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel OP31 et sa sortie.
La sortie de l'amplificateur opérationnel OP31 est appliquée séquentiellement sur la sonde de mesure 10 par l'intermédiaire d'un interrupteur 420 piloté par la base de temps 41.
La sonde de référence 20 est reliée à la masse.
La sonde de mesure 10 est par ailleurs reliée séquentiellement à l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel 51 appartenant à l'étage intégrateur 50 par l'intermédiaire d'un deuxième interrupteur 422 piloté en opposition de l'interrupteur 420 par la base de temps 41.
Les deux interrupteurs 420,422 constituent l'interrupteur inverseur 42 schématisé sur la figure 1.
Sur la figure 2 on a schématisé CLK1 et CLK2, les deux signaux en opposition de phase pilotant les deux interrupteurs 420,422.
L'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel 50 est relié à la masse.
Le condensateur d'intégration C52 est placé en contre-réaction entre l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel OP50 et sa sortie.
Le condensateur commuté 53 a une première électrode reliée à la masse.
Sa seconde électrode est reliée séquentiellement à la sortie de l'amplificateur opérationnel OP512 et à l'entrée inverseuse de celui-ci par deux interrupteurs 430,432 pilotés en opposition de phase par les signaux CLK1 et CLK2 générés par la base de temps 41.
Les deux interrupteurs 430,432 constituent l'interrupteur 43 schématisé sur la figure 1.
La base de temps 41 définit ainsi une séquence comprenant deux périodes de base T1, T2 :
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une période T1 pendant laquelle les interrupteurs 420 et 430 sont fermés, tandis que les interrupteurs 422 et 432 sont ouverts. Pendant cette première période la sonde de mesure 10 est chargée à la tension d'alimentation-E issue de l'étage 31, tandis que le condensateur de commutation 53 est relié à la sortie de l'étage intégrateur.
- puis la base de temps 41 définit une seconde période T2 pendant laquelle les interrupteurs 422 et 432 sont fermés, tandis que les interrupteurs 420 et 430 sont ouverts. Au cours de cette deuxième période, la sonde de mesure 10 est reliée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel OP51, tandis que le condensateur de commutation 53 est relié à l'entrée de l'étage intégrateur 50.
Par ailleurs le dispositif de base illustré sur la figure 2 comprend des moyens 60 aptes à assurer une correction d'offset de l'entrée de l'étage intégrateur 50.
Ces moyens de correction d'offset 60 sont adaptés pour appliquer sur l'entrée de l'étage intégrateur 50 une tension de correction compensant la tension d'offset susceptible d'être générée en entrée de l'étage intégrateur, par exemple suite à une dérive de température, à l'humidité, ou encore à des perturbations électriques basses fréquences générées par couplage capacitif.
Selon le mode de réalisation particulier illustré. sur la figure 2, les ; moyens de correction d'offset 60 comprennent un condensateur 62 associé à un amplificateur opérationnel 64.
L'amplificateur opérationnel 64 est monté en suiveur. Il reçoit sur son entrée non inverseuse une tension d'alimentation variable VO. Son entrée inverseuse est montée en contre-réaction sur sa sortie. La sortie de l'amplificateur opérationnel OP64 est reliée séquentiellement au rythme de l'horloge CLK1, par l'intermédiaire d'un interrupteur 66, au condensateur 62.
Par ailleurs, le condensateur 62 est lui-même appliqué séquentiellement au rythme de l'horloge CLK2 générée par la base de temps 41, par l'intermédiaire d'un deuxième interrupteur 68, à l'entrée de l'étage intégrateur 50, c'est-à-dire à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel OP51.
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Le dispositif illustré sur la figure 2 délivre ainsi sur la sortie de l'amplificateur opérationnel 51 de l'étage intégrateur 50 un signal de sortie Vs = (Vf. Cs/Cc)- (VO. CO/Cc), dans laquelle : - Vf désigne la tension d'alimentation en entrée de l'étage inverseur 30 d'alimentation, - V0 désigne la tension d'alimentation en entrée de l'étage de correction d'offset 60, Cs désigne la capacité définie entre la sonde de mesure 10 et la sonde de référence 20, CO désigne la capacité du condensateur 62 et Ce désigne la capacité du condensateur de commutation 53.
Le moyen de correction d'offset 60 illustré sur la figure 2 permet d'injecter une quantité de charge QO = VO. CO sur le point de sommation de l'amplificateur 51 de manière synchrone à la commutation de la capacité 53.
En ajustant la tension V0 par tout moyen approprié, par exemple un convertisseur digital analogique, on peut ramener la tension de sortie Vs pratiquement à 0.
Le dispositif ainsi formé permet de mesurer de faibles variations de la capacité Cs définie entre la sonde de mesure 10 et la sonde de référence 20, y compris avec un offset important de la sonde, sans saturer l'étage
Figure img00080001

intégrateur 51. En effet, on peut décomposer la sonde de mesure Cs en ; deux capacités élémentaires Cs0 et Cm, CsO désignant l'offset de la sonde due aux fils de connexion, généralement de valeur élevée, pouvant atteindre plusieurs centaines de picofarads, et - Cm désignant la variation de la capacité virtuelle de la sonde mesurant la permittivité entre la sonde de mesure 10 et la sonde de référence 20, généralement de quelques centaines de femtofarads.
La valeur de Cs0 peut évoluer notamment en fonction de la température et du degré hygrométrique. Comme sa valeur est élevée par rapport à Cm, sa dérive est amplifiée dans le rapport ACsO/Cc, qui est très supérieure à la pleine échelle de la variation de Cm.
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Pour éviter de fausser la mesure par saturation de l'étage d'entrée, on utilise comme mentionné précédemment, dans le cadre de la présente invention, un étage différentiel 70.
Cet étage différentiel reçoit sur ses deux entrées respectives des signaux représentatifs de la sortie de tête de mesure pour une correction d'offset similaire mais des tensions d'alimentation contrôlée différentes.
On a illustré sur la figure 3 annexée un exemple de réalisation d'un tel dispositif conforme à la présente invention comprenant un étage différentiel (soustracteur) 70.
On retrouve sur cette figure 3 deux têtes de mesure TE1 et TE2 comprenant chacune une sonde de mesure 10 associée à un étage intégrateur 50, du type illustré sur la figure 2 précédemment décrite.
Chaque sonde de mesure 10 est associée à des moyens d'alimentation électrique 30 du type illustré sur la figure 2 et des moyens de compensation d'offset 60 respectifs du type illustré sur la figure 2.
Les moyens d'alimentation 30 sont conçus pour appliquer une tension contrôlée spécifique En entre chaque sonde de mesure 10 d'une tête de mesure TE1 ou TE2 et un élément de référence 20 associé. Chaque élément de référence d'une tête TE1 ou TE2 peut être formé d'une sonde de référence spécifique, ou commune aux deux têtes, ou encore d'une masse constituée par exemple par la terre ou une : masse métallique avoisinante, par exemple le chassis d'un véhicule automobile. Selon encore une autre variante l'élément de référence 20 d'une tête donnée peut être formé par la sonde de mesure 10 de l'autre tête. En particulier l'élément de référence 20 de la tête de mesure TE1 peut être formé par la sonde de mesure 10 de la tête de référence TE2.
L'étage différentiel 70 reçoit sur ses entrées respectives les signaux de sortie Vs1 et Vs2, issus des deux têtes de mesure TE1 et TE2.
L'ensemble du dispositif est piloté par la base de temps 41.
Le signal disponible à la sortie de l'étage différentiel 70 peut être exploité par tout moyen approprié, par exemple par un échantillonneur bloqueur 72 suivi d'un convertisseur analogique numérique 74 ou tout moyen d'analyse approprié, par exemple un micro-calculateur.
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Sur la figure 3 on a schématisé sous les références Cso1 et Cso2 des capacités parasites dues notamment aux fils de connexion et susceptibles de générer une tension d'offset en entrée des étages intégrateurs 50 des têtes de mesure TE1 et TE2.
Par ailleurs sur la figure 3 on a schématisé sous la référence P des perturbations par couplage électrique susceptibles d'être appliquées en entrée de chaque tête de mesure TE1 et TE2.
Le séquenceur 41 illustré sur la figure 3 commande un fonctionnement cyclique du dispositif comprenant principalement deux cycles successifs C1, C2, comme illustré sur la figure 4 :
Au cours d'un premier cycle C1 d'étalonnage de la correction d'offset :
Le dispositif applique sur les deux têtes TE1 et TE2 une tension d'alimentation d'entrée Vf = Eo identique, de préférence faible, par exemple de 1 voit.
Pendant ce cycle Cl, le contrôleur 74 ajuste la tension de correction d'offset Vo1 de la tête de mesure TE1 pour obtenir une tension de sortie Vs1 très proche de 0, par exemple de 0,1 volt.
Pendant ce même cycle C1, le contrôleur 74 ajuste la tension de correction d'offset Vo2 appliquée à la seconde tête de mesure TE2 pour obtenir une tension de sortie Vs2 également très proche de 0, par exemple de 0,1 volt.
Pendant ce premier cycle C1, l'étage différentiel 70 délivre une tension de sortie Vs = Vs1-Vs2 très proche de 0, égale à une tension Vs. ref prise comme référence.
Pendant le deuxième cycle C2 consécutif (de mesure), le contrôleur 74 applique sur la tête de mesure TE1 la même tension de correction d'offset Vo1 que définie à la fin du premier cycle, mais une tension d'alimentation Vf = Ei différente, par exemple de 5 volts.
Pendant le deuxième cycle C2, le contrôleur 74 applique sur la deuxième tête de mesure TE2, servant de tête de mesure de référence, la même tension de correction d'offset Vo2 et la même tension d'alimentation Vf = Eo définie à l'issue du premier cycle C1.
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Si des dérives, dues par exemple à la température ou au degré hygrométrique apparaissent, elles sont présentes sur les sondes des deux têtes de mesure TE1 et TE2 en raison de la proximité de celles-ci et de leur similitude de milieu ambiant. La mesure étant faite en différentiel grâce à l'étage 70, on obtient en sortie de celui-ci une tension Vs qui s'affranchit des dérives dues éventuellement à Cso1 et Cso2, soit :
Figure img00110001
Si les deux sondes des têtes de mesure TE1 et TE2 sont suffisamment proches l'une de l'autre et si les deux cycles sont très rapprochés dans le temps, par exemple à une fréquence de 50 KHz, le bruit de mode commun par couplage capacitif est également éliminé.
Le dispositif illustré sur la figure 3 travaillant en différentiel comporte deux têtes de mesures TE1, TE2.
Selon une variante de réalisation conforme à la présente invention, on peut procéder à une mesure différentielle, afin de maximiser le rapport signal 1 bruit, avec une tête de mesure unique. Pour cela le dispositif doit comprendre un moyen de mémorisation apte à mémoriser l'amplitude du signal de sortie de la tête de mesure pour une correction d'offset et une tension d'alimentation contrôlée donnée, afin de comparer ultérieurement ce signal avec le signal obtenu à la sortie de la tête mesure pour la même
Figure img00110002

correction d'offset, mais une tension contrôlée différente, ; Dans une telle variante un moyen comparable au contrôleur 74 définit deux cycles C1, C2, comme illustré sur la figure 5 :
Dans un premier cycle C1 (d'étalonnage de la correction d'offset) on applique un champ électrique connu faible Eo, par exemple de 0 volt, sur la sonde de mesure 10 et l'on mémorise le signal de sortie Vs1 obtenu pour une correction d'offset donnée Vo1, lequel signal de sortie Vs1 correspond au bruit.
Cette tension de sortie Vs1 correspondant au bruit est mémorisée.
Dans un deuxième cycle C2 (de mesure) on applique un champ électrique de travail Ei, avec la même correction d'offset Vo1, pour obtenir un signal de sortie Vs2.
<Desc/Clms Page number 12>
Si les deux mesures sont suffisamment rapprochées dans le temps, le bruit ambiant n'a pas évolué entre deux cycles.
Il suffit alors de procéder par différenciation entre le signal Vs1 mémorisé à la fin du premier cycle C1 et le signal Vs2 obtenu au cours du deuxième cycle C2, pour obtenir un résultat de mesure débarrassé du bruit.
Les deux cycles C1, C2 précités sont réitérés successivement tout au cours de l'utilisation du dispositif.
Que le dispositif exploite deux têtes de mesure TE1 et TE2 comme illustré sur la figure 3, ou une tête de mesure unique avec mémorisation d'un signal Vs1, chacun des cycles C1, C2 précités comprend lui-même au moins deux séquences T1, T2 successives, telles que décrites précédemment, comme on l'a illustré sur les figues 4 et 5.
Bien évidemment, les chronogrammes illustrés sur les figures 4 et 5 peuvent connaître de nombreuses variantes.
En premier lieu par exemple, le cycle d'étalonnage C1 peut comporter plusieurs suites de couples de séquence T1, T2, si nécessaire, pour ajuster les corrections d'offset, avant de procéder à un cycle de mesure C2.
Par ailleurs, on peut prévoir une alternance régulière d'un cycle C1 d'étalonnage de la correction d'offset et d'un cycle C2 de mesure, ou encore
Figure img00120001

un cycle C1 d'étalonnage, périodique, pour plusieurs cycles de mesure C2 e consécutifs.
On a schématisé sur la figure 6, un dispositif conforme à la présente invention, dans lequel la tension de correction d'offset est asservie sur la tension de sortie de l'étage intégrateur.
Le schéma fonctionnel illustré sur la figure 6 comprend une tête de mesure (formée par la sonde 10, les moyens d'alimentation 30 recevant une tension d'entrée Vf et l'étage intégrateur 50) présentant une fonction de transfert G (z), un premier étage différentiateur (soustracteur) 90 qui reçoit une tension de correction d'offset Vo d'une part et d'autre part la tension Vs de sortie du dispositif, par l'intermédiaire d'une cellule 92 ayant une fonction de transfert C (z) et un deuxième étage différentiateur (soustracteur) 94 qui reçoit d'une part la sortie de la tête de mesure et d'autre part la sortie Vo'du
<Desc/Clms Page number 13>
premier étage différentiateur 90, par l'intermédiaire d'une cellule 96 ayant une fonction de transfert H (z). On a :
Figure img00130001
Figure img00130002

De là on obtient : C (z) = C52/Co.
Ainsi il apparaît que la stabilité et le temps de réponse du système ne dépendent que du rapport C52/Co. Il suffit donc de choisir judicieusement ce rapport (le plus grand possible) pour obtenir un temps de réponse minimal, tout en conservant le terme d'intégration (qui dépend de C52), ce qui permet d'obtenir un rapport signal sur bruit correct.
On remarquera en particulier que la présente invention qui opére l'asservissement sur la tension de correction d'offset Vo, améliore la stabilité du système par rapport à un asservissement qui serait opéré sur la tension d'entrée Vf. En effet ainsi la stabilité du système ne dépend que de ci et Co et en particulier ne dépend pas de Cs (capacité virtuelle de la sonde 10 qui est variable).
On a illustré sur la figure 7 la variation brutale de capacité Cs, sous forme d'une marche, entre la sonde de mesure 10 et un élément de référence 20.
Un dispositif classique, conforme à l'état de la technique illustré sur la figure 1 et tel que décrit dans le document WO-0025098 donne une réponse lente du type illustré sur la figure 8.
Par contre le dispostif conforme à la présente invention, exploitant un asservissement de la correction d'offset sur le signal de sortie Vs, permet d'obtenir une réponse rapide du type illustré sur la figure 9.
L'homme de l'art appréciera que le dispositif conforme à la présente invention permet d'atteindre beaucoup plus rapidement que le dispositif antérieur connu, une valeur de sortie représentative de la valeur réelle de la capacité définie entre la sonde de mesure 10 et l'élément de référence 20.
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La présente invention permet un temps de convergence inférieur à 1 ms en choisissant correctement Ci et Co.
Un temps de réponse très court est appréciable dans de nombreuses applications. On citera par exemple, et non limitativement, le domaine de la détection en vue de la commande de coussins gonflables de sécurité. Dans ce domaine en particulier, il est en effet très important de disposer d'un temps de réponse très court, typiquement inférieur à 10 ms.
On aperçoit sur la figure 10 un circuit conforme à la présente invention, comprenant une série de sondes de mesure référencées 10.1 à 10. n définissant en coopération avec un élément de référence 20, une capacité respective Cs1, Cs2... Csn, associée à des moyens d'alimentation 30, un étage intégrateur de charge électrique 50 et une base de temps 41.
Chaque sonde de mesure 10 peut être associée à un élément de référence distinct respectif 20. En variante un élément de référence 20 peut être commun à plusieurs sondes de mesure 10, voire à la totalité de cellesci.
Les moyens d'alimentation 30, l'étage intégrateur 50 et la base de temps 41 sont avantageusement conformes aux dispositions définies précédemment en regard de la figure 2.
Comme on le voit sur la figure 10, dans le cadre de la présente invention, les sondes de mesure 10.1 à 10. n sont reliées successivement, par l'intermédiaire d'interrupteurs 80.1 à 80. n cadences par la base de temps 41, au noeud défini entre les interrupteurs 420 et 422, de sorte que ces sondes de mesure 10.1 à 10. n sont successivement reliées à la tension d'alimentation Vf pendant la période T1 et à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 51 pendant la période T2.
Le chronogramme de fonctionnement correspondant est illustré sur la figure 11.
On aperçoit sur cette figure 11, une première période Pe1 comprenant une suite de n paires de deux séquences T1, T2 d'étalonnage, c'est-à-dire de recherche de la tension de correction d'offset VO, pour chacune des sondes de mesure 10 et une deuxième période Pe2
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comprenant également une suite de n paires de deux périodes T1, T2 de mesure pour chaque sonde de mesure 10.
Les séquences T1 et T2 sont conformes aux dispositions décrites précédemment.
Selon l'illustration donnée sur la figure 3 les périodes d'étalonnage Pe1 sont regroupées et de même les periodes Pe2 de mesure sont regroupées entre elles.
En variante, on peut prévoir d'intercaler les périodes de mesure Pe2 entre les périodes d'étalonnage Pe1.
Bien évidemment le chronogramme schématisé sur la figure 11 doit être combiné avec celui des figures 4 et 5 lorsque la présente invention exploite en combinaison, une mesure en différentiel (à base de deux têtes comme schématisé sur les figures 2 et 3, ou à base d'une seule tête et avec mémorisation comme schématisé sur la figure 4) et plusieurs sondes de mesure (comme schématisé sur la figure 10).
On a illustré sur la figure 12 annexée une variante de structure de sonde conforme à la présente invention, comprenant une sonde de mesure 10 de géométrie en U encadrant une sonde de référence 20, formée d'un brin unique.
Cette disposition permet, par rapport à un dispositif plus classique,
Figure img00150001

dans lequel les deux sondes 10 et 20 sont formées de brins uniques i parallèles, d'obtenir une sensibilité supérieure de l'ordre de 30 à 50 %, car elle cumule la distribution des champs entre chacun des deux éléments de la sonde de mesure 10 en U et la sonde de référence 20 placée entre ceux-ci.
Un avantage similaire peut être obtenu en utilisant de manière symétrique une sonde de référence 20 en U encadrant une sonde de mesure 10, formée d'un brin unique.
A titre d'exemple non limitatif, on peut prévoir pour les sondes 10 et 20 les caractéristique suivantes : L = largeur des sondes 10 et 20 de l'ordre de 0, 5 mm à 5 mm (bande plate ou fil), 1 longueur des sondes 10 et 20 égale à la zone à détecter,
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e = espacement entre les sondes 10 et 20 de l'ordre de 5 à 40 mm dépendant de la distance de détection souhaitée, E = épaisseur de la sonde. De l'ordre de 0,5 mm à 5 mm pour du fil. De quelques microns à 0,5 mm si la structure est en bande plate.
Les sondes 10 et 20 ont typiquement une résistivité de l'ordre de 0,1 à 100 ohm carré et sont recouvertes de préférence d'un matériau étanche à l'eau. Ce revêtement présente avantageusement une résistivité élevée (R > 100 Mohms) et une permittivité relativement faible (er < 7).
Sur la figure 12, on a référencé C, les connections des sondes 10, 20 à un câble blindé F étanche. La sonde de mesure est connectée à l'âme du câble blindé et la sonde de référence 20 au blindage du câble blindé.
La présente invention peut également bénéficier des avantages d'une structure de sonde en U dans le cadre du système à sondes multiples, tel qu'illustré sur la figure 10.
Il suffit pour cela de conformer l'un au moins de l'élément de référence 20 et de la sonde de mesure 10, voire les deux, en U.
On a par exemple représenté sur la figure 13 un système comprenant plusieurs sondes de mesure 10 constituées chacune d'un brin unique, associées à un élément de référence commun 20 formé d'un peigne. Le peigne formant l'élément de référence est constitué de multiples
Figure img00160001

éléments en U juxtaposés qui encadrent chacun un brin formant une sonde ; de mesure.
Sur la figure 13, on a référencé C, un connecteur assurant d'une part les connections des sondes 10 aux conducteurs d'un câble blindé F étanche multibrins et d'autre part la connection de l'élément de référence 20 au blindage de ce cable F. La sonde de mesure est connectée à l'âme du câble blindé et la sonde de référence 20 au blindage du câble blindé.
On a illustré sur la figure 14 une variante selon laquelle ce sont les sondes de mesure 10 qui possèdent une forme en U.
De telles sondes de mesure 10 et élément de référence associé 20 peuvent être prévus sur tous supports appropriés, rigide ou souple, selon l'application recherchée.
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Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits mais s'étend à toute variante conforme à son esprit.
La présente invention peut concerner un grand nombre d'applications. On a évoqué précédemment la détection de présence d'un usager sur un siège de véhicule automobile, notamment pour la commande d'un système de coussion gonflable de sécurité. Mais la présente invention n'est pas limitée à cette application particulière. La présente invention peut par exemple concerner également, entre autres, les domaines de détection anti-intrusion ou encore les détecteurs de niveau de fluide.

Claims (24)

  1. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure comprenant au moins une tête de mesure comportant au moins une sonde de mesure (10), des moyens (30) aptes à appliquer séquentiellement une tension d'alimentation contrôlée entre la sonde de mesure (10) et un élément de référence (20) et des moyens (50) aptes à intégrer les charges électriques accumulées sur la sonde de mesure (10), caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens aptes à placer successivement en circuit sur l'entrée de l'étage intégrateur, des sondes respectives différentes (10.1, 10. n).
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'il comprend deux corps électriquement conducteurs constituant respectivement une sonde de mesure (10) et un élément de référence (20), des moyens d'alimentation électrique (30) aptes à délivrer une tension électrique continue d'amplitude contrôlée, un étage intégrateur (50) comprenant un système à commutation de capacité (53) et des moyens de commande (40) adaptés pour définir cycliquement, à une fréquence contrôlée, une suite de deux séquences (T1, T2) : une première séquence au cours de laquelle les moyens d'alimentation électrique (30) sont reliés à la sonde de mesure (10) pour appliquer un champ électrique entre la sonde
    Figure img00180001
    de mesure (10) et l'élément de référence (20) et accumuler des charges i électriques sur la sonde de mesure (10), puis une seconde séquence au cours de laquelle les moyens d'alimentation électrique (30) sont déconnectés de la sonde de mesure (10) et celle-ci est reliée à un point de sommation de l'étage intégrateur (50) pour transférer des charges dans l'étage intégrateur (50) et obtenir en sortie de celui-ci un signal représentatif de la permittivité existant entre la sonde de mesure (10) et l'élément de référence (20), l'étage intégrateur (50) comprenant en outre un amplificateur opérationnel (51), un premier condensateur d'intégration (52) monté en contre réaction sur cet amplificateur (51) et un second condensateur (53) commuté entre la sortie et l'entrée de l'amplificateur opérationnel (51) au rythme des séquences (T1, T2) pilotées par des moyens de commande
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    (40), de sorte que en régime d'équilibre établi, on obtienne en sortie de l'amplificateur opérationnel (51), une tension"Vs équilibre"égale à : - Ecs/C53, relation dans laquelle-E désigne l'amplitude de la tension aux bornes des moyens d'alimentation électrique (30), et Cs et C53 désignent respectivement les valeurs des capacités définies entre la sonde de mesure (10) et l'élément de référence d'une part et le second condensateur commuté (53) d'autre part.
  3. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend un réseau d'interrupteurs (80.1, 80. n) conçus pour assurer la liaison successive des sondes sur l'entrée de l'étage intégrateur (50).
  4. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 3, prise en combinaison avec la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens aptes à définir un cadencement comprenant une première période (Pe1) comprenant une suite de n paires de deux séquences (T1, T2) d'étalonnage, pendant lesquelles les moyens d'analyse recherchent la tension de correction d'offset (via), pour chacune des sondes de mesure (10) et une deuxième période (Pe2) comprenant également une suite de n
    Figure img00190001
    paires de deux périodes (T1, T2) de mesure pour chaque sonde de mesure (10).
  5. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par
    Figure img00190002
    i le fait qu'il comprend en outre des moyens (60) aptes à assurer une correction d'offset de l'entrée de l'étage intégrateur (50), et un étage différenciateur (70) recevant sur ses entrées respectives des signaux représentatifs de la sortie de tête de mesure pour une correction d'offset similaire, mais des tensions d'alimentation contrôlée différentes.
  6. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comprend deux têtes de mesure (TE1 et TE2), et les signaux appliqués à l'étage différentiel (70) proviennent respectivement de la sortie des étages intégrateurs (50) de ces deux têtes de mesure.
  7. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les deux sondes de mesure sont en étroite proximité et placées dans le même milieu.
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  8. 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait qu'il comprend un contrôleur apte à appliquer un fonctionnement cyclique comprenant deux cycles successifs : un premier cycle au cours duquel les deux têtes de mesure reçoivent des tensions d'alimentation Vf similaires et la tension d'offset est corrigée, et un second cycle au cours duquel la tension d'alimentation sur l'une des têtes de mesure TE1 est modifiée, tandis que la tension d'alimentation sur la deuxième tête de mesure TE2 et les tensions d'offset précédemment obtenues sont maintenues.
  9. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend une tête de mesure unique et des moyens aptes à mémoriser le signal de sortie de la tête de mesure pour une correction d'offset et une tension d'alimentation contrôlée donnée, afin de comparer cette tension mémorisée à celle obtenue en sortie de la tête de mesure pour la même correction d'offset, mais une tension d'alimentation contrôlée différente.
  10. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de correction d'offset (60) comprenant un condensateur (62) alimenté par une tension Vo réglable.
  11. 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, prise en combinaison avec la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend t plusieurs cycles C1, comportant chacun un couple de deux séquences (T1, T2) pour un étalonnage de la correction d'offset avant un cycle C2 de mesure.
  12. 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, prise en combinaison avec la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend plusieurs cycles de mesure C2, consécutifs à un cycle C1 d'étalonnage de la correction d'offset.
  13. 13. Dispositif selon l'une des revendication 1 à 12, prise en combinaison avec la revendication 2, caractérisé par le fait que chaque cycle C1 d'étalonnage de correction d'offset et chaque cycle C2 de mesure comprend au moins une suite de deux séquences (T1, T2).
    <Desc/Clms Page number 21>
  14. 14. Dispositif selon l'une des revendication 1 à 13, caractérisé par le fait que l'un au moins de la sonde de mesure (10) ou de l'élément de référence (20) a une géométrie en U .
  15. 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait que la sonde de mesure (10) a une géométrie en U .
  16. 16. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait que l'élément de référence (20) a une géométrie en U .
  17. 17. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 16, caractérisé par le fait qu'il comprend un élément de référence (20) commun à plusieurs sondes de mesure.
  18. 18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé par le fait qu'il comprend un élément de référence (20) en peigne.
  19. 19. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre des moyens aptes à asservir la correction d'offset sur le signal de sortie de l'étage intégrateur.
  20. 20. Dispositif selon la revendication 19 prise en combinaison avec la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens d'asservissement (C (z)) possèdent une fonction de transfert en C52/Co, C52 désignant le condensateur d'intégration, tandis que Co désigne le condensateur utilisé pour la tension de correction d'offset.
  21. 21. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 20, caractérisé par
    Figure img00210001
    ; le fait qu'il comprend des moyens aptes à définir un cadencement comprenant une première période (Pe1) comprenant une suite de n paires de deux séquences (T1, T2) d'étalonnage, pendant lesquelles les moyens d'analyse recherchent la tension de correction d'offset (via), pour chacune des sondes de mesure (10) et une deuxième période (Pe2) comprenant également une suite de n paires de deux séquences (T1, T2) de mesure respectivement pour chaque sonde de mesure (10), pendant la deuxième période, un étage différenciateur (70) recevant sur ses entrées respectives deux signaux représentatifs d'une sortie de tête de mesure pour une correction d'offset similaire, mais des tensions d'alimentation contrôlée différentes.
    <Desc/Clms Page number 22>
  22. 22. Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 21, caractérisé par le fait que au cours de chaque paire de deux séquences successives, respectivement une tension contrôlée est appliquée à une sonde de mesure (10), puis la sonde de mesure (10) est reliée à l'entrée de l'étage intégrateur (50).
  23. 23. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 22, caractérisé par le fait que l'élément de référence est formé d'une sonde de référence (20).
  24. 24. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 22, caractérisé par le fait que l'élément de référence (20) est formé d'une masse constituée par exemple par la terre ou une masse métallique avoisinante, par exemple le chassis d'un véhicule automobile.
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