FR2975187A1 - Mesure differentielle de tension - Google Patents

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Abstract

Système et méthode de mesure adapté pour mesurer un différentiel de tension, le système comprenant une unité de mesure (1) ayant une première masse (10) comme référence de tension et comprenant un microcontrôleur (7) avec un convertisseur analogique-numérique (5), un capteur (2) ayant une deuxième masse (20) comme référence de tension, ladite deuxième masse (20) pouvant présenter une différence de potentiel par rapport à la première masse (10), ladite unité de mesure (1) ayant une première entrée (11) directement connectée à la sortie de signal (21) du capteur (2), et une deuxième entrée (12) directement connecté à ladite deuxième masse (20), les première et deuxième entrées (11, 12) étant reliées à des entrées numériques (61, 62) du microcontrôleur (7) au travers de circuits de conditionnement (31, 32, 41, 42) et de conversion analogique-numérique (51, 52).

Description

La présente invention est relative aux systèmes et procédés d'acquisition de signaux délivrés par un capteur. Plus précisément, l'invention concerne un système de mesure adapté pour mesurer un différentiel de tension, ledit système comprenant : - une unité de mesure ayant une première masse comme référence de tension, comprenant un microcontrôleur, - un capteur ayant une deuxième masse comme référence de tension, ladite deuxième masse pouvant présenter une différence de potentiel par rapport à la première masse, ledit capteur ayant une sortie de signal, ladite unité de mesure ayant une première entrée directement connectée à la sortie de signal du capteur, et une deuxième entrée directement connectée à ladite deuxième masse. Il est connu de placer un amplificateur différentiel pour mesurer la différence de tension existante entre la première entrée et la deuxième entrée, dont la sortie est numérisée et raccordée à une entrée numérique du microcontrôleur. Cependant, ce dispositif ne permet pas de mesurer de façon satisfaisante le signal délivré par le capteur dans le cas où la deuxième masse présente un potentiel négatif par rapport à la première masse. De plus, un amplificateur différentiel est généralement coûteux. La présente invention a notamment pour but de remédier à ces inconvénients.
A cet effet, selon l'invention, le système de mesure est remarquable en ce que la première entrée est reliée à une première entrée numérique du microcontrôleur au travers d'un circuit de conditionnement et de conversion analogique numérique et en ce que la deuxième entrée est reliée à une deuxième entrée numérique du microcontrôleur au travers d'un circuit de conditionnement et de conversion analogique numérique, ladite unité de mesure étant ainsi adaptée pour mesurer le différentiel de tension aux bornes du capteur en éliminant la différence de potentiel entre la première et deuxième masses. Grâce à ces dispositions, un amplificateur différentiel n'est plus nécessaire et la fiabilité de la mesure est améliorée dans le cas où la deuxième masse présente un potentiel négatif par rapport à la première masse.
Dans divers modes de réalisation de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions décrites dans les revendications dépendantes. La première entrée peut être polarisée par une première résistance de polarisation raccordée à un premier potentiel de polarisation, et la deuxième entrée peut être polarisée par une deuxième résistance de polarisation raccordée à un deuxième potentiel de polarisation. Ainsi, la polarisation permet de décaler vers les tensions positives une éventuelle tension négative sur la deuxième entrée. Les première et deuxième tensions de polarisation peuvent être chacune dérivée de la tension de référence du convertisseur analogique-numérique de l'unité de mesure. Ainsi, on améliore la précision de la mesure en supprimant des différences éventuelles de potentiels entre les circuits de polarisation et le convertisseur analogique-numérique. Les première et deuxième tensions de polarisation peuvent être identiques à la tension de référence du convertisseur analogique-numérique de l'unité de mesure ; ce 10 qui permet d'améliorer encore la précision de mesure. Le premier circuit de conditionnement peut comprendre une première résistance de pied, et le deuxième circuit de conditionnement peut comprendre une deuxième résistance de pied ; moyennant quoi la précision des conditionneurs est améliorée. 15 Le capteur peut comprendre une source de tension et une résistance série, l'unité de mesure étant adaptée pour calculer une image numérique de la source de tension ; de sorte que la source de tension peut être mesurée précisément. L'invention vise également une méthode de mesure mise en oeuvre dans le système de mesure en question, 20 ledit procédé comprenant les étapes : a- fournir une polarisation de la première entrée, b- fournir une polarisation de la deuxième entrée c- acquérir simultanément les tensions présentes sur les première et deuxième entrées de l'unité de mesure, 25 d- conditionner la tension lue sur la première entrée en une première tension conditionnée Vax, numériser cette tension conditionnée en une première valeur numérique Nax fournie sur la première entrée numérique du microcontrôleur, e- conditionner la tension lue sur la deuxième entrée en une deuxième 30 tension conditionnée Vay, numériser tension conditionnée en une deuxième valeur numérique Nay fournie sur la deuxième entrée numérique du microcontrôleur, f- en déduire la valeur de la source de tension, g- éliminer ainsi de la mesure la différence de potentiel entre la première et 35 deuxième masses. De plus, une image numérique Ns de la valeur la source de tension est obtenue par la formule : (Rs + Rin + Rp) (Rin_gnd + Rp_gnd) Ns = Nax - Nay +Noff Rp Rp_gnd dans laquelle :
Rs est la résistance série du capteur Rin est la résistance série du premier circuit de conditionnement Rin_gnd est la résistance série du deuxième circuit de conditionnement Rp est la résistance de polarisation du premier circuit de conditionnement Rp_gnd est la résistance de polarisation du deuxième circuit de conditionnement Noff est une valeur d'offset constante tel que Vref Ks_gnd Ks Les première et deuxième tensions de polarisation peuvent être identiques à la tension de référence du convertisseur analogique-numérique de l'unité de mesure, moyennant quoi Noff = 2N Rin_gnd _ Rin + Rs Rp_gnd Rp Alors Noff est plus simple et ne dépend plus des tensions de polarisations. On peut en outre procéder, pour une unité de mesure donnée, à une opération d'étalonnage initial, comprenant une mesure sur au moins un capteur étalon, permettant de déduire un coefficient de correction absolu B et un coefficient de correction proportionnel A, et de calculer une image numérique corrigée Ns_corr de l'image numérique Ns de la source de tension selon la formule : 20 Ns_corr = A * Ns + B. Ainsi la précision de la mesure est améliorée en fonction des caractéristiques propres de chaque unité de mesure. D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple 25 non limitatif, en regard des dessins joints sur lesquels : - la figure 1 présente un système de mesure selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est un diagramme illustrant le procédé mise en oeuvre dans le système de la figure 1. 30 Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. La figure 1 montre un système de mesure comprenant une unité de mesure 1 ayant une première masse 10 comme référence de tension, aussi désignée par `Gnd' sur la figure 1. Noff = 2N Vp_gnd * Kp_gnd Kp * Vp15 L'unité de mesure 1 est adaptée pour mesurer la tension délivrée par un capteur 2 ayant une deuxième masse 20 comme référence de tension, ladite deuxième masse 20 pouvant présenter une différence de potentiel notée 'Vgnd' par rapport à la première masse 10. Ledit capteur 2 a une sortie de signal 21 et comprend une source de tension Vs et une résistance série Rs. L'unité de mesure 1 et le capteur 2 sont par exemple installés à bord d'un véhicule automobile, la caisse métallique dudit véhicule étant utilisée comme conducteur de référentiel de masse. La différence de potentiel `Vgnd' peut résulter de courants circulant dans les fils conducteurs de liaison à la caisse métallique dudit véhicule, où ces courants, notamment variables dans le temps, engendrent des chutes de tensions générant des différentiels de tension de masse vue par les équipements électriques. L'unité de mesure 1 comprend un microcontrôleur 7 avec une unité logique 6 et un convertisseur analogique-numérique 5, intégré dans le microcontrôleur 7 sur l'exemple illustré, mais le convertisseur analogique-numérique 5 pourrait toutefois être extérieur au microcontrôleur 7. Le convertisseur analogique-numérique 5 a une référence de tension positive Vref et un nombre de bits d'échantillonnage N. Par ailleurs l'unité de mesure 1 comprend une première entrée 11 directement connectée à la sortie de signal 21 du capteur 2, et une deuxième entrée 12 directement connectée à ladite deuxième masse 20.
Selon l'invention, la première entrée 11 est reliée à une première entrée numérique 61 du microcontrôleur 7 au travers d'un premier circuit de conditionnement 31, 41 puis au travers d'un premier canal 51 du convertisseur analogique-numérique 5, La deuxième entrée 12, quant à elle, est reliée à une deuxième entrée numérique 62 du microcontrôleur 7 au travers d'un deuxième circuit de conditionnement 32, 42 puis au travers d'un deuxième canal 52 du convertisseur analogique-numérique 5. Le premier circuit de conditionnement 31 est polarisé par une première tension de polarisation Vp au travers d'une première résistance de polarisation Rp. Le premier circuit de conditionnement 31 comprend une résistance d'entrée Rin, agencée en série sur le premier circuit d'entrée. Ces résistances forment avec la résistance Rs présente dans le capteur un pont diviseur dont on peut établir les coefficients de la façon suivante : Ks = Rp / (Rs+Rin+Rp) Kp = (Rs+Rin) / (Rs+Rin+Rp) Ks+Kp=1 Le premier circuit de conditionnement 31 peut comprendre optionnellement une résistance de pied Rpd, reliée à la première masse. Le second circuit de conditionnement 32 est polarisé par une seconde tension de polarisation Vp_gnd au travers d'une seconde résistance de polarisation Rp_gnd. Le second circuit de conditionnement 32 comprend une résistance d'entrée Rin_gnd, agencée en série sur le second circuit d'entrée. Ces résistances forment un pont diviseur dont on peut établir les coefficients de la façon suivante : Ks_gnd = Rp_gnd / (Rin_gnd +Rp_gnd) Kp_gnd Rin_gnd / (Rin_gnd +Rp_gnd) Ks_gnd + Kp_gnd = 1 Le second circuit de conditionnement 32 peut comprendre optionnellement une résistance de pied Rpd_gnd, reliée à la première masse 10. En outre, le premier circuit de conditionnement 31 peut être complété par un filtre RC passe bas 41, connu en soi. De manière similaire, le second circuit de conditionnement 32 peut être complété par un filtre RC passe bas 42 similaire. La tension V1 lue sur la première entrée 11 traverse le premier circuit de conditionnement 31 et accessoirement le circuit de filtrage 41. En sortie des ces circuits, une tension Vax résultante est reliée à l'entrée du premier canal 51 du convertisseur analogique-numérique 5. De même, la tension Vgnd lue sur la seconde entrée 12 traverse le second circuit de conditionnement 32 et accessoirement le circuit de filtrage 42. En sortie des ces circuits, une tension Vay résultante est reliée à l'entrée du second canal 52 du convertisseur analogique-numérique 5. En négligeant le courant d'entrée dans le convertisseur analogique-numérique, on peut écrire les équations suivantes : Vax = Vgnd + Vs + Kp [Vp - Vs - Vgnd] Vay = Vgnd + Kp_gnd [Vp_gnd - Vgnd] Qui s'écrit également : Vax = Ks Vgnd + Ks Vs + Kp Vp Vay = Ks_gnd Vgnd + Kp_gnd Vp_gnd En isolant le terme Vgnd en vue de l'éliminer et faisant ressortir Vs on obtient Vs=[Vax-KsVgnd-KpVp]/Ks Vgnd = [ Vay - Kp_gnd Vp_gnd ] / Ks_gnd Soit : Vs = Vax Vay + Kp_gnd * Vpgnd _ Kp * Vp Ks Ks_gnd Ks gnd Ks Le dernier terme est une tension d'offset `Voff' qui peut s'écrire : Voff = Kp_gnd * Vp_gnd + Kp * Vp Ks_gnd Ks Alors : Vax Vay Vs = - + Voff Ks Ks_gnd qui est une expression de la source de tension du capteur 2 en fonction dans 5 tensions Vax, Vay entrant dans le microcontrôleur 7. En passant dans le domaine numérique, et en posant : Noff = (2N) Voff / Vref, Nax = (2N) Vax / Vref, et Nay = (2N) Vay / Vref, 10 On obtient l'image numérique de la source de tension du capteur 2, en fonction des valeurs numérisés Nax, Nay respectivement de Vax, Vay : Nax Nay Ns = - + Noff Ks Ks_gnd que l'on peut écrire aussi : (Rs + Rin + Rp) (Rin gnd + Rp_gnd) Ns = Nax - Nay - + Noff Rp Rp_gnd 15 Avec Noff = _ 2 N Vp_gnd * Kp_gnd Kp * V. p Vref Ks_gnd Ks Noff est une valeur constante mémorisée dans la mémoire de l'unité de mesure 1. Il est à noter que dans le cas de l'utilisation d'un microcontrôleur sans 20 opérateur de virgule flottante, il est possible de faire appel à des multiplicateurs additionnels pour éviter toute division par un nombre non entier. Selon un autre aspect de l'invention, les première et deuxième tensions de polarisation (Vp,Vp_gnd) peuvent être chacune dérivée de la tension de référence (Vref) du convertisseur analogique-numérique 5 de l'unité de mesure 1 et on s'affranchit ainsi 25 des dérives ou décalages entre la tension de référence Vref et les première et deuxième tensions de polarisation (Vp,Vp_gnd). Selon encore un autre aspect de l'invention, les première et deuxième tensions de polarisation (Vp,Vp_gnd) peuvent être identiques à la tension de référence Vref du convertisseur analogique-numérique 5 de l'unité de mesure 1. Alors l'expression 30 de Noff se simplifie et on s'affranchit encore mieux des décalages entre la tension de référence Vref et les première et deuxième tensions de polarisation (Vp,Vp_gnd) Noff = 2 Ou aussi écrit Kp_gnd Kp Ksgnd Ks Noff . = 2 N Rin_gnd _ Rs + Rin Rp_gnd Rp qui ne dépend plus alors des tensions de polarisation.
Le procédé de mesure mis en oeuvre dans le système de mesure décrit ci-dessus (cf. figure 2) comprend les étapes suivantes : a- fournir une polarisation de la première entrée 11, au moyen de la première résistance de polarisation Rp et de la première tension de polarisation Vp, b- fournir une polarisation de la deuxième entrée 12, au moyen de la deuxième résistance de polarisation Rp_gnd et de la deuxième tension de polarisation Vp_gnd, c- acquérir simultanément les tensions présentes sur les première et deuxième entrées 11, 12 de l'unité de mesure, cet aspect simultané étant important car le différentiel de masse Vgnd peut évoluer rapidement dans le temps, d- conditionner la tension lue sur la première entrée V1 en une première tension conditionnée Vax, numériser cette tension conditionnée en une première valeur numérique Nax fournie sur la première entrée numérique 61 du microcontrôleur 7, e- conditionner la tension lue sur la deuxième entrée Vgnd en une deuxième tension conditionnée Vay, numériser cette tension conditionnée en une deuxième valeur numérique Nay fournie sur la deuxième entrée numérique 62 du microcontrôleur 7, f- en déduire la valeur de la source de tension Vs, en particulier de son image numérique Ns, par exemple conformément aux expressions de Ns et Noff données plus haut. Grâce à quoi la différence de potentiel entre la première masse 10 et la deuxième masse 20 peut être éliminée de la mesure, et ceci même dans le cas ou Vgnd 30 est négatif. Selon encore un autre aspect de l'invention, on peut procéder en outre, pour une unité de mesure donnée, à une opération d'étalonnage initial, comprenant une mesure sur un ou plusieurs capteurs étalon, permettant de déduire un coefficient de correction absolu B et un coefficient de correction proportionnel A, permettant de corriger 35 l'image numérique Ns de la source de tension (Vs) selon la formule Ns_corr = A * Ns + B.
Il est alors possible d'obtenir ainsi une image Ns_corr corrigée des coefficients d'étalonnage qui caractérise l'unité de mesure considérée. Ces coefficients de correction A et B sont identifiés, pour chaque unité de mesure, de préférence à la fin de son opération de fabrication, selon un processus classique d'étalonnage au moyen de un ou plusieurs capteurs étalon, puis les coefficients obtenus A et B mis en mémoire dans la mémoire non volatile de l'unité de mesure 1.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Système de mesure adapté pour mesurer un différentiel de tension, ledit système comprenant - une unité de mesure (1) ayant une première masse (10) comme référence de tension et comprenant un microcontrôleur (7) avec un convertisseur analogique 5 numérique (5), - un capteur (2) ayant une deuxième masse (20) comme référence de tension, ladite deuxième masse pouvant présenter une différence de potentiel (Vgnd) par rapport à la première masse (10), ledit capteur ayant une sortie de signal (21), ladite unité de mesure (1) ayant une première entrée (11) directement connectée à la 10 sortie de signal (21) du capteur (2), et une deuxième entrée (12) directement connecté à ladite deuxième masse (20), caractérisé en ce que la première entrée (11) est reliée à une première entrée numérique (61) du microcontrôleur au travers d'un premier circuit de conditionnement (31, 41) et de conversion analogique-numérique (51), et en ce que la deuxième entrée (12) est reliée à une deuxième entrée numérique (62) du 15 microcontrôleur au travers d'un deuxième circuit de conditionnement (32, 42) et de conversion analogique-numérique (52), ladite unité de mesure (1) étant adaptée pour mesurer le différentiel de tension aux bornes du capteur en éliminant la différence de potentiel (Vgnd) entre la première et deuxième masses.
  2. 2. Système de mesure selon la revendication 1, dans lequel la première 20 entrée (11) est polarisée par une première résistance de polarisation (Rp) raccordée à un premier potentiel de polarisation (Vp), et dans lequel la deuxième entrée (12) est polarisée par une deuxième résistance de polarisation (Rp_gnd) raccordée à un deuxième potentiel de polarisation (Vp_gnd).
  3. 3. Système de mesure selon la revendication 2, dans lequel les première et 25 deuxième tensions de polarisation (Vp, Vp_gnd) sont chacune dérivée d'une tension de référence (Vref) du convertisseur analogique-numérique (5) de l'unité de mesure (1).
  4. 4. Système de mesure selon la revendication 3, dans lequel les première et deuxième tensions de polarisation (Vp, Vp_gnd) sont identiques à la tension de référence (Vref) du convertisseur analogique-numérique (5) de l'unité de mesure (1). 30
  5. 5. Système de mesure selon la revendication 4, dans lequel le premier circuit de conditionnement (31) comprend une première résistance de pied (Rpd), et dans lequel le deuxième circuit de conditionnement (32) comprend une deuxième résistance de pied (Rpd_gnd). 10
  6. 6. Système de mesure selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le capteur (2) comprend une source de tension (Vs) et une résistance série (Rs), l'unité de mesure (1) étant adaptée pour calculer une image numérique (Ns) de la source de tension (Vs).
  7. 7. Procédé de mesure d'une source de tension mis en oeuvre dans un système comprenant : - une unité de mesure (1) ayant une première masse (10) comme référence de tension et comprenant un microcontrôleur (7), - un capteur (2) ayant une deuxième masse (20) comme référence de tension, 10 ladite deuxième masse (20) pouvant présenter une différence de potentiel par rapport à la première masse (10), ledit capteur (2) ayant une source de tension (Vs) avec une sortie de signal (21), ladite unité de mesure (1) comprenant une première entrée (11) directement connectée à la sortie de signal (21) du capteur (2), et une deuxième entrée (12) directement connecté 15 à ladite deuxième masse (20), ledit microcontrôleur (7) comprenant une première entrée numérique (61) reliée à la première entrée (11) au travers d'un premier circuit de conditionnement (31, 41) et de conversion analogique-numérique (51), et une deuxième entrée numérique (62) reliée à la deuxième entrée au travers d'un deuxième circuit de conditionnement (32, 42) et de conversion analogique-numérique (52), 20 ledit procédé comprenant les étapes : a- fournir une polarisation de la première entrée (11), fournir une polarisation de la deuxième entrée (12), c- acquérir simultanément les tensions présentes sur les première et deuxième entrées de l'unité de mesure (1), 25 d- conditionner la tension lue sur la première entrée (V1) en une première tension conditionnée (Vax), numériser cette tension conditionnée en une première valeur numérique (Nax) fournie sur la première entrée numérique (61) du microcontrôleur (7), e- conditionner la tension lue sur la deuxième entrée (Vgnd) en une 30 deuxième tension conditionnée (Vay), numériser tension conditionnée en une deuxième valeur numérique (Nay) fournie sur la deuxième entrée numérique (62) du microcontrôleur (7), f- en déduire la valeur de la source de tension (Vs),g- éliminer de la mesure la différence de potentiel (Vgnd) entre la première et deuxième masses (10,20).
  8. 8. Procédé de mesure selon la revendication 7, dans lequel une image numérique (Ns) de la valeur la source de tension (Vs) est obtenue par la formule : Ns Nax (Rs + Rin + Rp) Nay (Rin_gnd + Rp_gnd) = - + Noff Rp Rp_gnd dans laquelle : Rs est la résistance série du capteur (2), Rin est la résistance série du premier circuit de conditionnement (31), Rin_gnd est la résistance série du deuxième circuit de conditionnement (32), 10 -Rp est la résistance de polarisation du premier circuit de conditionnement (31), Rp_gnd est la résistance de polarisation du deuxième circuit de conditionnement (32), Noff est une valeur d'offset constante, et dans lequel Vp_gnd * Kp-gnd Kp * Vp Ks_gnd Ks 2N Noff = Vref 15
  9. 9. Procédé de mesure selon la revendication 8, dans lequel les première et deuxième tensions de polarisation (Vp,Vp_gnd) sont identiques à la tension de référence (Vref) du convertisseur analogique-numérique (5) de l'unité de mesure (1) Vp = Vp_gnd = Vref et dans lequel Noff = 2 N Rin_gnd - Rin + Rs Rp_gnd Rp
  10. 10. Procédé de mesure selon l'une des revendications 8 à 9, dans lequel on procède en outre, pour une unité de mesure donnée, à une opération d'étalonnage initial, comprenant une mesure sur au moins un capteur étalon, permettant de déduire un coefficient de correction absolu B et un coefficient de correction proportionnel A, et de 25 calculer une image numérique corrigée Ns_corr de l'image numérique Ns de la source de tension (Vs) selon la formule : Ns_corr = A * Ns + B. 20
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