Dispositif de détermination d'une erreur induite par un filtre passe-haut et méthode de correction d'erreur associée

La présente invention concerne la détermination et la correction d'une erreur induite par un filtre passe-haut dans la chaîne de mesure d'un capteur.

Dans le domaine de la mesure des grandeurs physiques au moyen d'un capteur, il est connu pour certains principes de mesure de disposer un filtre passe- haut nécessaire à l'obtention de la mesure. Cependant ce même filtre passe-haut provoque une erreur par introduction de perturbations. Le seul remède connu à ce problème est actuellement de limiter l'impact du filtre passe-haut sur le signal utile, en réduisant au minimum la fréquence de coupure du filtre passe-haut, afin de l'éloigner de la bande passante du capteur. Un but de l'invention est d'estimer théoriquement l'erreur induite par le filtre passe-haut en fonction des caractéristiques du filtre passe-haut et du signal de mesure en sortie du filtre passe-haut afin de corriger cette erreur pour reconstruire le signal de mesure.

L'invention concerne un dispositif de détermination d'une erreur induite par un filtre passe-haut sur un signal, comprenant un moyen de calcul de ladite erreur selon la formule :

E{t) = V _e {t) - Vχt) = 2H.F _L . \' {V _s {a)- Vχa)).da + E(t ₀ ) avec :

E{t) la valeur de l'erreur induite par le filtre passe-haut, en fonction de la variable temps t, π la constante trigonométrique,

F _c la fréquence de coupure du filtre passe-haut

/ ₀ l'instant initial, a variable d'intégration,

V _e le signal en entrée du filtre passe-haut, V _s le signal en sortie du filtre passe-haut, V _s la valeur moyenne du signal V _s .

Selon un premier mode de réalisation de l'invention ledit moyen de calcul est périodiquement remis à zéro.

La remise à zéro peut être commandée selon l'invention par un signal périodique externe.

Alternativement la remise à zéro peut être commandée selon l'invention par un seuillage du signal V _s .

Avantageusement selon l'invention ledit seuillage est réalisé avec une hystérésis. Selon une autre caractéristique de l'invention la valeur de seuil utilisée pour le seuillage est sensiblement égale à la valeur moyenne V _s du signal.

Selon un second mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend encore un filtre stabilisant.

Selon une autre caractéristique de l'invention ledit filtre stabilisant comprend un filtre passe-bas de premier ordre, de fonction de transfert , appliqué au l + τ.p signal de valeur moyenne V _s et un filtre passe-haut de premier ordre, de fonction

de transfert — ^' ^- , appliqué au signal d'erreur E, avec T constante de temps l + τ.p desdits filtres et p variable de laplace.

Selon encore une autre caractéristique de l'invention ledit filtre passe-bas emploie la formule de récurrence : vXή = k.V _s (i - i)+ (l - k).V _s (i) et ledit filtre passe-haut emploie la formule de récurrence :

avec k nombre réel compris entre 0 et 1 , tel que k = — ?— ,

T _e période d'échantillonnage, i index de récurrence, et

F _e fréquence d'échantillonnage.

L'invention concerne également et plus généralement une méthode de correction d'une erreur induite par un filtre passe-haut dans la chaîne de mesure d'un capteur, ladite méthode comportant notamment les étapes suivantes:

- estimation de l'erreur induite par le filtre passe-haut en fonction des caractéristiques dudit filtre passe-haut en utilisant un moyen de calcul de ladite erreur du type

E(t) = V _e (t)- V (t)

- correction de l'erreur induite par le filtre passe-haut.

L'invention concerne encore l'application du dispositif selon l'un des modes de réalisation précédents à la construction d'un conditionneur pour un capteur comportant un filtre passe-haut, ledit conditionneur comprenant en outre un dispositif additionneur, ajoutant ladite erreur E au signal de sortie du capteur V _s , afin de produire un signal corrigé V _e .

L'invention concerne encore un capteur comportant un filtre passe-haut, comprenant un tel conditionneur. L'invention concerne encore l'application à un capteur de pression comportant un élément sensible piézoélectrique.

D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description détaillée donnée ci-après à titre indicatif en relation avec des dessins sur lesquels : - la figure 1 présente un schéma d'un capteur comportant un filtre passe- haut,

- la figure 2 illustre un détail d'un dispositif correcteur selon l'invention,

- la figure 3 illustre un dispositif de détermination selon l'invention de l'erreur induite par un filtre passe-haut, - la figure 4 illustre un second mode de réalisation d'un tel dispositif de détermination selon l'invention.

La figure 1 illustre la problématique de l'invention. Un capteur 5 mesure une grandeur Ve au moyen d'un élément sensible 6 et produit un signal de mesure V _e . Ce signal de mesure V _e est traité par un conditionneur 4 comportant un filtre passe-haut 2, entre autres composants non représentés et figurés par le trait pointillé. Ce filtre passe-haut 2 peut être nécessité par le principe même de mesure et peut ne pas être retiré. Cependant ce filtre passe-haut 2 perturbe le signal V _e et produit un signal perturbé V _s . Le but de l'invention est de réaliser un dispositif correcteur 1 capable de déterminer une erreur E{t) = V _e (t) - V _s (t) , afin de pouvoir reconstruire par addition, le signal d'origine V _e .

La figure 2 illustre en détail ledit dispositif correcteur 1 qui reconstruit un signal d'origine V _e au moyen d'un dispositif de détermination 3 de l'erreur E(t) = V _e (t) - V _s (t) et d'un sommateur 11 , à partir du signal perturbé V _s .

La suite de la description se concentre sur le dispositif de détermination 3 de l'erreur E. Le principe de calcul repose sur une analyse théorique de l'influence d'un filtre passe-haut 2 sur un signal. La fonction de transfert d'un filtre passe-haut de premier ordre est : -{p) = — — , avec e \ + τ.p s signal de sortie, e signal d'entrée, p variable de Laplace, et τ constante de temps, avec 2.Tl.F _c .τ = l , F _L étant la fréquence de coupure du filtre passe-haut 2.

L'équation différentielle équivalente est : ds de

— — + z .il .t _c .s - — — , où t représente la variable temps. Par intégration on en dt dt déduit : E{t) = [e - 2H.F _c . [' s{a).da + [e - . Il est important de remarquer que cette formule n'est utilisable que pour un signal s de valeur moyenne nulle. Le signal réel V ₃ ne répondant pas nécessairement à cette condition, ceci est corrigé en employant un signal V ₅ corrigé de sa valeur moyenne V _s . Dans le cas considéré la formule devient :

E(t) = V _e (t) - Vχt) = 2.π.F _c . \' (vXa)- En connaissant la valeur de l'erreur E(to) à un instant donné to, il est possible de déterminer l'erreur E(t) à tout instant, par intégration du signal V _s ôté de sa valeur moyenne V _s . On connaît au moins un instant initial ou l'erreur est nulle. La figure 3 illustre ainsi le dispositif de détermination de l'erreur 3. Ce dispositif 3 comprend un module de détermination 12 de la valeur moyenne V _s du signal V _s , un sommateur 13 qui ôte cette valeur moyenne au signal V _s , un intégrateur 14 qui détermine l'intégrale de ce signal de moyenne nulle V _s - F et un multiplicateur scalaire 15 qui multiplie par 2. Fl. F _c pour obtenir une estimation de l'erreur E. La fréquence de coupure F _c est déterminée en fonction des caractéristiques du filtre passe-haut 2. Ainsi, dans le cas d'un filtre passe-haut 2 classiquement réalisé par un dipôle RC, F _t = . Une

détermination précise de la fréquence de coupure contribue à la précision du dispositif 3.

Le dispositif 3 objet de l'invention et ses différents composants peuvent être réalisés par tout moyen connu de l'homme du métier de type analogique ou numérique. Cependant quel que soit la technologie employée, la présence d'un intégrateur 14 conduit à une dérive. Ainsi, par exemple, lorsque le dispositif 3 est réalisé en utilisant une technologie numérique des erreurs liées à l'échantillonnage et à l'approximation trapézoïdale utilisée pour l'intégration contribuent à cette dérive. Si l'on fait l'hypothèse que le signal mesuré V _e , et donc le signal perturbé V _s , est périodique, il en découle que l'erreur E issue d'une intégration dudit signal V _s s'annule périodiquement selon une période identique à celle des signaux V _e , V _s . Ceci est mis à profit selon deux modes de réalisation de l'invention, afin de réduire l'impact de cette dérive. Cette dérive est considérée acceptable durant une période du signal car négligeable relativement à l'erreur E déterminée. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'erreur E est périodiquement remise à zéro. Selon un second mode de réalisation, un filtrage additionnel est appliqué à l'erreur E.

Selon le premier mode de réalisation le moyen de calcul 3 comprend un moyen de remise à zéro de l'erreur E(t). Selon une première variante le moyen de remise à zéro est commandé par un signal périodique externe au dispositif.

Cependant il est possible que ce signal périodique externe ne soit pas disponible. Selon une seconde variante, le signal périodique V _s peut avantageusement être seuillé afin de commander la remise à zéro. Un moyen de seuillage (non représenté) compare alors le signal V _s à une valeur de seuil S. Ledit signal V ₅ étant périodique, un tel seuillage doit faire apparaître, pour un seuil S bien choisi, sur chaque période, un franchissement du seuil S "montant" et un franchissement du seuil S "descendant". La remise à zéro peut alors avantageusement s'effectuer, commandée par l'un de ces franchissements. Afin de s'affranchir d'une oscillation locale du signal seuillé, il est avantageux de réaliser le seuillage avec une certaine hystérésis, selon un procédé bien connu de l'homme du métier, en utilisant une largeur d'hystérésis supérieure à l'amplitude prévisible de ladite oscillation.

Avantageusement, afin d'effectuer une remise à zéro de l'erreur E proche du

point où elle s'annule naturellement, la remise à zéro est effectuée lorsque le signal V ₃ présente un point d'inflexion. Pour cela la valeur de seuil S utilisée pour le seuillage est prise égale à la valeur moyenne V _s du signal.

Selon le second mode de réalisation, alternativement à une remise à zéro, le dispositif selon l'invention 3 comprend un filtre stabilisant. Un tel dispositif est avantageux en ce qu'il ne provoque pas de discontinuité du signal telle que celle pouvant être induite par la remise à zéro utilisée dans le premier mode de réalisation. Ainsi ce second mode de réalisation, puisqu'il ne réalise pas de seuillage, est avantageusement plus robuste aux oscillations du signal V ₅ et aux bruits parasites.

Le filtre stabilisant comprend avantageusement un filtre passe-bas 9 de premier ordre, de fonction de transfert , appliqué au signal de valeur

\ + τ.p moyenne F et un filtre passe-haut 10 de premier ordre, de fonction de transfert

— ^' ¥— , appliqué au signal d'erreur E, T désignant une constante de temps l + τ.p identique pour ces deux filtres et p la variable de Laplace. Une constante de temps de l'ordre de τ=0,2 s s'avère satisfaisante.

La figure 4 illustre un dispositif 3 de détermination de l'erreur E comprenant, en plus des composants décrits en référence à la figure 3, un tel filtre passe-bas 9 et un tel filtre passe-haut 10. On peut remarquer que le filtre 10 peut indifféremment être appliqué à E en étant disposé en aval du multiplicateur 15 ou à la grandeur f {y _s {a)- V _s {a)).da en étant disposé en amont du multiplicateur

15.

Selon une méthode bien connue de l'homme du métier, la réalisation de filtres avec des moyens de calcul numériques remplace les fonctions de transfert par des formules de récurrence applicables aux signaux échantillonnés selon une période Te et indexés en fonction d'un index i. Ainsi le signal de mesure perturbé V ₅ est noté V _s (t) à l'instant t en mode continu. De manière équivalente V _s (i), respectivement V _s (i-1 ), désigne la valeur échantillonnée du signal V ₃ respectivement pour le i ^eme et pour le i-i ^eme échantillonnage. Les formules de récurrence sont respectivement pour le filtre passe-bas 9 : -k)vXi) et pour le filtre passe-haut 10 :

k nombre réel compris entre 0 et 1 , et tel que k =

T _e , F _e respectivement période et fréquence d'échantillonnage, et i index de récurrence. Une valeur de k = 0,9999 s'avère satisfaisante. Elle correspond à une valeur de la constante de temps τ=0,2, pour une période d'échantillonnage de 200 ms. L'augmentation de la valeur de k, permet d'améliorer la précision du dispositif 3. Cependant ceci s'effectue au détriment de sa rapidité, une augmentation de k étant équivalente à une augmentation du temps de réponse T. De même il est possible de diminuer k, afin la rapidité au détriment de la précision.

En se référant aux figures 1 et 2, l'invention concerne encore un conditionneur 4 pour un capteur 5 comportant un filtre passe-haut 2, comprenant un dispositif 3 selon l'un des modes de réalisation précédemment décrit déterminant l'erreur E induite par le filtre passe-haut 2 sur un signal de mesure et un dispositif sommateur 11 , ajoutant ladite erreur E au signal de sortie du capteur V _s , afin de produire un signal corrigé V _e corrigeant ainsi la perturbation induite par le filtre passe-haut 2.

La présente invention peut tout à fait être généralisée à des filtres d'ordre supérieur à un en appliquant les principes énoncés ci-dessus. L'invention concerne donc également une méthode de correction d'une erreur induite par un filtre passe-haut dans la chaîne de mesure d'un capteur, ladite méthode comportant notamment les étapes suivantes:

- l'estimation de l'erreur induite par le filtre passe-haut en fonction des caractéristiques dudit filtre passe-haut. Cette estimation est faite en utilisant un moyen de calcul de ladite erreur du type

- la correction de l'erreur induite par le filtre passe-haut.

A titre d'exemple d'application de l'invention, on peut citer un capteur 5 de pression dont l'élément sensible 6 comprend un condensateur à diélectrique piézoélectrique. Selon un principe de mesure connu, ledit condensateur fait apparaître à ses bornes une charge représentative de la pression auquel il est soumis. Un signal de tension indicatif de la pression est obtenu en intégrant ladite

charge au moyen d'un amplificateur opérationnel. La réalisation du circuit d'amplification de la charge introduit nécessairement un filtre passe-haut. L'invention est applicable à un tel capteur de pression afin de compenser la perturbation introduite par ledit filtre passe-haut.

Un cas d'application dudit capteur de pression est la mesure de la pression dans un cylindre de moteur à combustion interne. Une telle mesure fait apparaître un signal périodique dont la période correspond à un cycle moteur. Le signal externe de remise à zéro peut dans ce cas être issu de la mesure de l'angle vilebrequin.