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CA 02476009 2004-08-16
WO 03/071237 PCT/FR03/00516
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" Module d'acquisition à entrée universelle pour la mesure
de grandeurs physiques "
La présente invention se rapporte à un module
d'acquisition pour la mesure de grandeurs physiques, et
concerne en particulier, mais non limitativement, une
carte d'acquisition autonome. Une telle carte
d'acquisition comporte un connecteur pour être relié à un
capteur de grandeur physique telle que par exemple la
température.
La carte d'acquisition reçoit des données analogiques
en provenance du capteur, les convertit en données
numériques en direction d'un micro-ordinateur ou tout
autre moyen de calcul et de traitement.
D'une façon générale une carte d'acquisition comporte
plusieurs voies d'acquisition. Chaque voie d'acquisition
comprend des moyens de protection contre la surtension et
des moyens de filtrage et d'amplification du signal
analogique. Les voies d'acquisition injectent les signaux
analogiques dans un unique multiplexeur destiné à relier
une unique voie d'acquisition à un convertisseur
analogique numérique à chaque instant.
Les cartes d'acquisition de l'art antérieur
comportent des entrées qui sont prédéterminées pour une
grandeur physique donnée. Par exemple une carte
d'acquisition conçue pour recevôir une tension en entr'ee
ne peut pas mesurer un courant ou une résistance sans
mettre en oeuvre des adaptateurs spécifiques. Ces
adaptateurs sont contraignants car ils nécessitent un
câblage spécifique et rendent difficile la réalisatïon de
mesure.
On connaît par exemple des convertisseurs analogique
numérique du type Delta-Sigma produits pas la société
Analog Devicés~. Les spécifications techniques de ces
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convertisseurs mentionnent un certain nombre de modes de
mise en oeuvre, dans lesquels on distingue par exemple deux
modes pour mesurer la température, au moyen d'une sonde
platine PT100 (capteur de température) et au moyen d'un
thermocouple, et un mode pour mesurer la pression au moyen
d'un transducteur de pression. On remarque clairement que
chaque mode de mise en ceuvre nécessite un câblage et une
configuration particulïère.
La présente invention a pour but de remédier aux
inconvénients précités en proposant un module
d'acquisition capable de mesurer un grand nombre de
grandeurs physiques, c'est à dire rendre les entrées d'une
telle carte d'acquisition quasi-universelles, et
principalement pour les grandeurs Tension, Courant et
Résistance.
Un autre but de l'invention est de limiter
l'utilisation d'adaptateur en amont des entrées d'une
carte d'acquisition, en particulier l'utilisation de
convertisseurs de mesure externes.
On atteint les objectifs précités avec un module
d'acquisition selon l'invention, pour la mesure de
grandeurs physiques, ce module comprenant au moins un
convertisseur analogique-numérique et au moins un
connecteur d'entrée apte à recevoir un capteur.
Selon l'invention, ce module d'acquisition comporte
en outre une source d'alimentation et une impédance de
référence disposée en série entre la source d'alimentation
et une borne du connecteur d'entrée. Le convertisseur
analogique-numérique comporte une entrée de référence
alimentée par une tension prélevée aux bornes de
l'impédance de référence et une entrée de conversion
alimentée par une tension prélevée via le connecteur
d'entrée aux bornes du capteur. En outre, ce module
d'acquisition comporte des moyens pour délivrer une image
de la grandeur physique mesurée par le capteur.
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Za présente invention est remarquable par le fait
qu'elle utilise avantageusement un convertisseur
analogique-numérique nécessitant une référence externe. Ce
convertisseur peut être du type à entrées différentielles
et à titre d'exemple non limitatif on peut citer les
convertisseurs de type Delta-sigma, les convertisseurs à
approximations successives, les convertisseurs flash ou
encore les convertisseurs à rampe.
Le convertisseur analogique-numérique peut également
être du type à entrées en mode commun; et il peut
comporter un premier amplificateur différentiel disposé
entre l'entrée de référence et l'impédance de référence et
un second amplificateur différentiel disposé entre
l'entrée de conversion et le capteur. Dans ce cas il y a
lieu de définir une masse commune à ces deux
amplificateurs.
Pour les mesures les plus courantes, généralement, la
source d'alimentation est une tension et l'impédance une
résistance. Zes caractéristiques de la source de tension
et de la résistance de référence étant connues, il est
alors possible de déduire la valeur de la grandeur
physique mesurée à partir de la valeur numérique générée
par le convertisseur analogique-numérique. En utilisant
une source de courant, on aboutit au même résultat.
Avantageusement, le module d'acquisition peut
comporter une mémoire pour stocker l'ensemble des
paramètres et des variables.
Contrairement aux cartes de l'art antérieur, la carte
d'acquisition selon l'invention peut mesurer une tension
ou une résistance sans modifier l'architecture de la carte
et sans interposer un quelconque adaptateur.
Avantageusement, chaque connecteur comprend quatre
broches de sorte que plusieurs types de montage peuvent
être envisagés tels que la mesure sur quatre fils en
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utilisant les quatre broches ou encore la mesure de
tension ou de courant en n'utilisant que deux broches.
Avec le procédé selon l'invention, on devient
indépendant de la source d'alimentation et du courant qui
traverse la branche de mesure.
En ce qui concerne la mesure dé courant, le module
d'acquisition comporte en outre une résistance de mesure
disposée aux bornes du connecteur d'entrée. Dans ce cas,
la résistance de mesure est traversée par le courant
devant être mesuré et par le courant issu de la source de
tension. La mesure de courant nécessite simplement l'ajout
d'une résistance de mesure. Cette résistance
supplémentaire peut être une résïstance pré-disposée sur
la carte, sa prise en compte s'effectuant par commutation
du connecteur d'entrée sur cette résistance de manière
automatique au moyen d'un commutateur ("switch")
analogique par exemple.
Selon une caractëristique avantageuse de l'invention,
le module d'acquisition consiste en une carte enfichable
dans une unité de traitement tel qu'un micro-ordinateur.
Par conséquent, il peut être équipé d'un connecteur de
type PCI (Peripheral Component Interconnect).
La source d'alimentation peut être fournie par
l'utilisateur ou provenir d'une source indépendante. Cette
source indépendante péut par exemple être le micro
ordinateur auquel le module d'acquisition est relié au
moyen d'une liaison de type USB (Universal Serial Bus) par
exemple.
Autrement, la source d'alimentation peut être interne
au convertisseur analogique-numérique. Elle peut également
être programmable.
Selon un mode de mise en ~euvre de l'invention, le
module d'acquisition peut comprendre des moyens de
traitement aptes à traiter les données numériques
provenant du convertisseur analogique-numérique de façon à
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déterminer une valeur de la grandeur physique mesurée.
Cette caractéristique serait avantageuse pour un
fonctionnement autonome dans le cas d'un module
d'acquisition comportant une intelligence intégrée telle
que par exemple un micro-contrôleur associé à des
applications dédiées.
Par ailleurs, des moyens de protection de surtension
peuvent être disposés entre le convertisseur analogique
numërique d'une part et la résistance de référence et le
connecteur d'une autre part.
Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, le
module d'acquisition peut comprendre une pluralité de
voies d'acquisition.
D'autres particularités et avantages de l'invention
apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux
dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs:
- La figure 1 est un schéma synoptique illustrant une
voie d'entrée analogique d'une carte d'acquisition de
grandeurs physiques selon l'invention;
- La figure 2 est un schéma électronique simplifié
d'une carte d'acquisition selon l'invention pour la
mesure d'une sonde platine selon l'invention;
- La figure 3 est un schéma électronique simplifié
illustrant le principe de base pour la mesure de
courant selon l'invention;
- La figure 4 est un schéma électronique simplifié
illustrant le principe de base pour la mesure de
tension selon l'invention;
- La figure 5 reprend le schëma électronique simplifïé
de la figure 1 en y incorporant un amplificateur
opérationnel; et
- La figure 6 est un schéma électronique illustrant un
module d'acquisition selon l'invention doté de
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plusieurs voies d'acquisition sur la branche de
mesure.
Cette carte d'acquisition selon l'invention comprend
au moins une voie d'entrée analogique représentée par un
connecteur doté de deux bornes 3 et 4. L'objet de mesure
est destiné à se connecter entre les bornes 3 et 4. La
carte d'acquisition comprend un convertisseur analogique
numérique 2 de type delta-sygma pour lequel l'entrée de
conversion est alimentée par la tension aux bornes du
connecteur (3, 4).
L'entrée de référence du convertisseur analogique
numérique est alimentée par une tension Vgéf prélevée aux
bornes d'une résistance R. La résistance R est disposée
entre une source de tension ST et la borne 3 du connecteur
d'entrée, la borne 4 du connecteur d'entrée étant
directement reliée à la masse 5. La valeur numérique à la
sortie du convertisseur analogique numérique 2 est dirigée
vers une unité de traitement 6 qui peut être un micro-
contrôleur disposé sur la carte d'acquisition ou alors le
microprocesseur d'un micro-ordinateur dans lequel la carte
d'acquisition est intégrée. Des moyens de stockage de
données 7, disposés sur la carte d'acquisition, garde en
mémoire les valeurs caractéristiques de la source de
tension ST et de la résistance R afin de permettre à
l'unité de traitement de déterminer la valeur de la
grandeur physique mesurée. A titre d'exemple, lorsqu'on
dispose un capteur de température aux bornes 3 et 4,
l'unité de traitement permet de déterminer la tèmpérature
de ce capteur à partir de la valeur numérique de la
tension mesurée aux bornes 3 et 4.
Sur la figure 2 est représenté un mode de mise en
oeuvre de la carte d' acquisition selon l' invention pour la
mesure d'une sonde platine de type PT100 ou PT1000, ou
jauge de contrainte par exemple. Par rapport au schéma de
la figure 1, certains éléments supplémentaires sont
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intégrés. On distingue des moyens de protection et de test
8 permettant de protéger les entrées du convertisseur 2
contre d'éventuelles surtensions. Une résistance de
protection 10 est disposée entre la source de tension ST
et la résistance de référence R. Le connecteur d'entrée
comporte quatre broches (ou bornes) 3a, 3b, 4a, 4b
permettant de réaliser des mesures selon_la méthode à
quatre fils avec un maximum de précision. Le fait de
posséder ces quatre broches autorise de nombreux types de
montage.
La sonde platine 9 à mesurer est directement reliée
au connecteur d'entrée au moyen de quatre fils.
La figure 3 illustre un autre mode de mise en oeuvre
de la carte d'acquisition 1 selon l'invention pour la
mesure du courant. '
Pour ce faire, on ajoute une nouvelle résistance 11
dont la valeur est identique à la valeur de résistance de
référence R. Cette résistance 11 est disposée aux bornes
du connecteur d'entrée. Le courant devant être mesuré est
alors appliqué aux bornes de cette résistance 11. La
tension analogique qui est alors convertie est la tension
aux bornes de cette résistance 11.
Le montage de la figure 3 peut également servir à la
mesure de tout type de thermocouples. La compensation de
la température de la soudure froide peut alors être
réalisée par une des voies disponibles de la carte, un
logiciel se chargeant de compenser et de linéariser les
mesures dans l'unité de traitement.
Sur la figure 4 est représenté un autre mode de mise
en oeuvre de la carte d' acquisition selon l' invention pour
la mesure de tension. La tension devant être mesurée est
directement appliquée aux bornes du connecteur d'entrée.
Pour la mesure de courant et de tension (figures 3 et
4), la tension d'alimentation.peut être une source de
tension de référence interne au convertisseur analogique
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numérique, c'est une tension stabilisée qui permet
d'optimiser les mesures.
L'invention est notamment remarquable par le fait que
les mesures successives sont obtenues de façon précise,
fiable et fidèle. Pour ce faire, on se prémunit contre
d'éventuelles dérives dues à la source d'alimentation ou
au courant de mesure. En effet, en ce qui concerne la
mesure de la tension ou de la sonde platine par exemple
(capteur résistif), le courant qui parcours la branche de
mesure (Imes) est le même que celui (Irêf) qui traverse la
résistance de référence.
Par ailleurs .
Vréf - R * Irêf -- tension présente aux bornes de la
résistance de référence et mesurée par l'entrée de
référence du Convertisseur analogique-numérique.
De même aux bornes de la résistance à mesurer (le
capteur):
Vmes = Rcapteur * Imes
Sachant que .
Imes = Iréf
Par conséquent, comme le convertisseur réalise à la sortie
S = K VmeslVrêf =_~ S = K * Rcapteur~R
S0lt S = Kl Rcapteur
La mesure n'est donc pas tributaire ni de la tension
d'alimentation ni du courant de mesure (K et K1 sont deux
coefficients' ) .
30~ Comme on le voit à travers l'ensemble des modes de
mise en oeuvre représenté, la carte d'acquisitïon selon
l'invention permet la mesure d'une pluralité de grandeurs
physiques sans pour cela en modifier profondément
l'architecture. Seul pour la mesure de courant, une
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résistance de mesure est à disposer aux bornes du
connecteur d'entrée.
Le figure 5 illustre un mode de mise en oeuvre dans
lequel le convertisseur analogique-numérique n'est plus du
type à entrées différentielles. Dans ce cas on dispose
deux amplificateurs 12 et 16 en amont des entrées de
référence et de conversion. Une masse commune 15 est alors
prévue.
La figure 6 illustre une variante de l'invention
comprenant plusieurs voies d'acquisition, seules deux
voies étant représentées. On distingue deux capteurs 13 et
14 respectivement disposés sur les deux connecteurs
d'entrée. On conserve une tension de référence Vréf et le
convertisseur analogique-numérique accepte deux tensions
de mesure Vinl~ et V;,n~~ .
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples
qui viennent d'être décrits et ~de nombreux aménagements
peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre
de l'invention.
