Brevet FR2088066A1 — publié le 19720107

La présente invention a pour objet un dispositif pour la mesure par voie électrique de paramètres physiques, tels notamment que les températures cryogéniques, pour lesquels les capteurs délivrant les signaux électriques traduisant la grandeur de ces paramètres ont des réponses non-linéaires, bien qu' était d'exploitation particulièrement intéressante en raison de l'importance de la plage de variation d'amplitude des dits signaux en réponse à la plage de variation d'intensité du paramètre physique capté.Tel est notamment le cas des mesures par voie électrique des températures cryogéniques, comprises dans la gamme de 4 à 30 K il est particulièrement intéressant d'exploiter alors comme capteurs certaines résistances de carbone, du type "aggloméré" telles que celles connues sous la dénomination commerciale d"'Allen Bradley", 1/8 W type BB, qui ont un coefficient de température important en cette gemme, mais dont la résistance est, en première approximation tout au moins, fonction exponentielle de l'inverse de la température, Sans mesure particulière, une mesure doit donc être interprétée à l'aide d'une table ou d'une courbe d'étalonnage. Un but de l'invention est de prévoir ce dispositif tel qutil permette un affichage direct de la grandeur du paramètre mesuré, la température en un tel cas typique d'application de l'invention, De plus, souvent, certaines sujétions apparaissent dans l'utilisation de tels capteurs : notamment, ces capteurs ne supportent qu'une très faible dissipation de puissance électrique et, pour éviter que leurs signaux ne soient "noyés" dans le bruit de fond de parasites de toutes natures, ou ne soient "faussés" par l'influence des présences obligatoires d'impédances fonctionnelles, leur emploi nécessite un matériel particulièrement étudié et performant. Un but complémentaire de l'invention est de prévoir ce dispositif tel qu'il incorpore des moyens automatiques propres à éliminer l'influence de tels facteurs parasites sur les résultats des mesures. Un but plus particulier encore de l'invention est de prévoir ce dispositif tel qu'il assure un affichage numérique des valeurs des paramètres ainsi mesurés. Selon une caractéristique de l'invention, ce dispositif procède par périodes alternées d'alimentation du capteur et de mémorisation du signal issu de ce capteur,périodes dont la durée est égale à celle d'une période de la tension d'alimentation secteur. Il procède également par cycles de mesure, dont la durée est beaucoup plus longue (environ 1 seconde), comportant une phase de mesure dont le début colncide avec le début d'une période de mémorisation et dont la durée est inférieure à la durée de celle-ci, et une phase d'affichage numérique visuel de la grandeur à mesurer.Le dispositif comporte à cet effet la combinaison de moyens pour mémoriser le signal du capteur alimenté comme indiqué ci-dessus, de moyens pour engendrer un signal analogique dont la variation simule celle de la réponse du capteur dans la gamme de mesure du paramètre physique concerné, de moyens de comptage déclenchés à chaque début de cycle de mesure et de moyens comparateurs du signal mémorisé et du signal analogique pour arrêter ces moyens de comptage à la détection d'une identité de grandeur entre ces deux signaux et provoquer l'affichage numérique visuel de la grandeur alors contenue en ces moyens de comptage. Selon une autre caractéristique de l'invention, ce dispositif incorpore des moyens, activés pendant les périodes de mémorisation pour former un signal de correction d'effets parasites dans les circuits attachés au capteur et pour maintenir ce signal de correction au cours des périodes de mesure alternant avec les dites périodes de mémorisation. Ces caractéristiques, ainsi que d'autres encore venant en renforcer les effets, vont être exposées dans le détail en relation avec un exemple non limitatif d'exécution pratique concernant le cas des mesures de températures cryogéniques et donné sur les figures jointes, en lesquelles - la figure 1 est un schéma-bloc de l'ensemble du dispositif - la figure 2 représente un exemple de schéma des circuits de la partie "capteur" de ce dispositif - - la figure 3 représente un exemple de schéma des circuits de la partie "analogique" dudit dispositif - les figures 4a et 4b donnent des graphiques facilitant l'exposé du fonctionnement du schéma de la figure 3 ; et, - la figure 5 donne, illustrativement, un graphique de courbe de réponse du capteur dans la gamme concernée du paramètre physique et de courbe de variation au cours d'une phase de mesure du signal analogique de simulation de cette réponse du capteur dans ladite gamme. On considère, comme dit, le cas d'une mesure de température dans la gemme comprise entre 4 et 30 K. effectuée avec un capteur constitué d'une résistance de carbone dont la variation de résistance est sensiblement telle qu'indiquée qualitativement sur la courbe R de la figure 5, ladite résistance ayant un coefficient de température négatif et variant sensiblemelit exponentiellement, en pre ornière approximation, de 4 K à 30 K.Cette résistance est indiquée en 1 sttr les figures 1 et 2, et elle est branchée aux bornes d'un circuit d'entrée 2 dont la sortie, par une "porte" 24, est reliée à l'entrée d'une mémoire analogique 3. La sortie de 3 est reliée à une entrée d'un comparateur 4 dont l'autre entrée est reliée à la sortie d'un générateur de foncticn 6 adapté à la délivrance d'un signal simulant, par rapport au temps, la variation de résistance du capteur 1 en fonction de la température à laquelle il est soumis lorsque cette température passe d'un extrême à l'autre de sa gemme. En 9 est indiqué un décompteur d'impulsions qui peut recevoir des signaux d'horloge H à travers une "porte" 10 lorsque cette dernière est rendue passante. La sortie 16 du comparateur 4, lorsqu'activée, stoppe le décomptage en 9 par inhibition en 17. Le décompteur d'impulsions 9 est équipé d'un décodeur 13 dont les sorties sont dirigées, à travers un aiguilleur 14, en fait un ensemble de "portes" sur les entrées d'activation d'un visualisateur numérique 15. Cette activation a lieu en 18 a partir de l'activation de la sortie 16 du comparateur 4 lorsqu'est inhibé le décomptage en 9. L'activation de la sortie 16 du comparateur 4 provoque, en 19, 1' arrt et en fait la remise à la valeur initiale du générateur de fonction 6. La résistance 1 n1 est alimentée que lorsqu'est passante une porte 23 qui lui applique alors, et Far exemple, une "haute" tension +ET. Le générateur de fonction 6 n'est, similairement, déclenché que lorsqu'unie porte 27 lui applique une tension, par exemple la masse, à cet effet, Le courant provenant du capteur 1 n'est transféré pour mémorisation en 3 sous forme de tension analogique, par charge d'un condensateur par exemple, que lorsque la porte 24 est rendue passante. De plus, et selon une particularité de l'invention, la caractéristique de transfert du générateur de fonction 6 est modifiable, au cours d'une phase de mesure, à partir m8me de "l'avance" du décompteur 9, équipé à cet effet d'un décodeur spécialisé 1 1 appliquant sur les entrées 12 dudit générateur 6 de tels signaux de modification de caractéristique de transfert. C'est en début de chaque cycle de mesure et après activation du fonctionnement du générateur de fonction 6 que celui-ci, par une sortie 7 alors activée, provoque l'application des impulsions d'torloge H sur le décompteur, en rendant passante la porte 10 avec un léger retard sur une "remise à un contenu prédéterminé" de ce décompteur 9. Ce contenu correspond à la valeur minimale de la résistance 1, courbe R de la figure 5, pour la température de haut de gamme, soit donc ici 30 K. La régie du dispositif est assurée à partir d'un signal alternatif, qui peut, par exemple être pris directement sur le réseau normal d'alimentation, donc à 50 p.p,s. La tension secteur est alors modelée en 20 pour la commande d'un circuit 21 fonctionnant en diviseur par deux de ladite fréquence du secteur, ce par quoi ses sorties 22 et 28 seront activées en alternance à 25 p,p.s. Si désiré, cette cadence d'alternance des périodes d'alimentation et des périodes de mémorisation pourrait être prise inférieure en établissant l'organe 21 avec un coefficient de division supérieur à deux. Lorsqu'activée, la sortie 22 rend passantes les portes 23 et 24. Elle synchronise également en 25 un relaxateur 26 commandant la porte 27 pour l'acti- vation du générateur de fonction 6. Le circuit d'entrée 2 est équipé d'un circuit 29 qui, ainsi qu'on le verra, est adapté à former un signal de correction d'effets parasites pour le signal prélevé sur le capteur 1. La sortie 28 du diviseur 21 active alors ce circuit de correction dans les intervalles entre les périodes d'alimentation. Brièvement, le fonctionnement du dispositif s'établit comme suit, en référence également aux figures 4a et 4b. Chaque cycle de mesure déclenché par le relaxateur 26, synchronisé par le diviseur 21, commence lorsque celui-ci changé d'état, activant sa sortie 28, c'est-à-dire au début d'une période de mémorisation. Pendant cette période, le circuit 29 assure un signal de correction effets parasites de diverses origines, qui seront précisées plus loin. Cette correction persistera pendant la période d'alimentation qui commencera lorsque le diviseur 21 changera à nouveau d'état. La tension de sortie de la mémoire analogique 3 est appliquée en permanence sur une des entrées du comparateur 4. Le déclenchement d'un cycle de mesure par le relaxateur 26 rend passante la porte 27, ce qui active le générateur de fonction 6. La sortie du relaxateur 26 est indiquée en M(26) sur les graphiques de la figure 4b dans laquelle - g représente la période d'alimentation - h représente la période de mémorisation - k Ir représente la phase de mesure - l représente la phase d'affichage - m représente le cycle de mesure. A un instant tl après l'instant to de début du cycle de mesure, le générateur de fonction 6 délivre en 7 le signal qui, après avoir remis le décomp de contenu teur 9 à la valeur maximum/, commande le début du décomptage en rendant passante la porte 10, donc en autorisant l'application des impulsions d'horloge sur le décompteur 9. La caractéristique de transfert du générateur 6 est telle qu'il délivre au comparateur une tension qui suit une fonction du temps f (kt), fonction qui fait correspondre la tension soit V et la température, soit T, sous la forme V = f (30 - T), le contenu initial du décompteur étant tel qu'il corresponde à la valeur de mesure pour la température de 30 K. La fréquence des impulsions d'horloge est prise telle que le coefficient k de ladite fonction soit unité, donc en fait t = 30 - T.Lorsque le comparateur délivre un signal de sortie, c'est donc à l'instant t = 30 - T, et par suite, le contenu du décompteur 9 est alors la mesure de la température réelle T de la résistance de carbone 1. Comme dit, le signal de sortie du comparateur 4 stoppe le décomptage et provoque l'affichage numérique en 15 de ladite valeur. Le visualisateur 15 est, par exemple, constitué de tubes à gaz. Le décompteur peut comporter un premier ensemble de quatre bascules, constituant un diviseur par seize, suivi de deux décades pour l'affichage des dixièmes de degré et des unités. Deux bascules suffisent ici pour l'affichage des dizaines puisque leur nombre est limité à trois. Au cours de la phase de mesure, la caractéristique de transfert du générateur 6 a pu être modifiée à partir de la variation de contenu du décompteur 9, ce qui sera détaillé plus loin, afin d'approcher au mieux, et de façon simple et économique, la loi de variation de la résistance de carbone 1 en fonction de la température To La réalisation pratique de la plupart des circuits exploités en ce dispositif est évidente pour le technicien qui pourra, notamment, faire appel à une des technologies bien connues des circuits logiques et amplificateurs intégrés, Bien que réalisés de préférence en une telle technologie, on va toutefois décrire plus en détail l'organisation des circuits 2-29 et 6 afin de préciser l'adaptation de la technique courante à ces circuits particuliers de dispositif de l'invention0 En se reportant à la figure 2, on voit que la résistance capteur 1 est reliée par une de ses extrémités à la masse et, à travers la résistance série 63 à une entrée d'un amplificateur 50 dont 64 constitue la résistance de charge d'entrée L'autre extrémité de la résistance 1 est reliée par la résistance série 62 à 1' autre entrée de cet amplificateur 50 et, par la résistance 61 et une "porte" 23 à la "haute" tension +HT.Ladite porte peut consister, illustrativement, en un transistor à effet de champ, comme d'ailleurs, les diverses autres portes du schéma du dispositif0 La résistance 1 n'est donc alimentée que pendant les périodes d'alimentation. L'entrée-de l'amplificateur 50 est de plus connectée au point intermédiaire d > un pont de résistance 56-65 à la-masse. Sur le diviseur de tension 56 est branchée la résistance 55 pour le bouclage sortie-entrée - de l'amplificateur 50 dont la sortie est, par la résistance série 66, reliée à l'entrée - de l'amplificateur 51 dont lten*réefést 3 la masse ; cette entrée étant reliée à la masse par un diviseur de tension 58 dont un point intermédiaire sert au branchement de la résistance de contre-réaction 57 entre sortie et entrée. Par la porte 24, la sortie de ce second amplificateur inverseur est reliée au réseau intégrateur à résistance 59 et capacité 60 attaquant l'entrée + d'un amplificateur suiveur 52, constituant la mémoire analogique (3) précitée. La sortie de l'amplificateur 52 est, par une résistance de sommation 70, connectée à l'entrée - d'un amplificateur 69 dont l'entrée + est à la masse. L'autre résistance de sommation 71 reçoit en 72 le signal analogique délivré par le générateur de fonction 6, cet amplificateur en boucle ouverte constituant en fait le comparateur (4) précité. De la sortie de l'amplificateur 51, par la porte (29) est assuré un bouclage contenant l'amplificatelc 54, intégrateur et attaqué par la résistance série 67. L'entrée + de 54 est à la masse, La sortie de 54, par la résistance série 68 est reliée à un point intermédiaire du diviseur de tension 65, donc à l'entrée - de l'amplificateur inverseur 50. Pendant les périodes d'alimentation, les interrupteurs ou portes 23 et 24 sont passants, l'interrupteur ou porte (29) est bloqué. La tension aux bornes de 1 est donc normalement amplifiée par les étages 50 et 51 et la tension amplifiée est appliquée sur la mémoire analogique (3)0 Pendant les périodes de mémorisation, seule la porte (29) est passante. L'amplificateur 54 étant référencé au zéro électrique se charge de façon telle que sa tension de sortie, appliquée sur l'entrée - de 50, rende nulle la tension de sortie de 51. Ainsi est formé un signal de correction qui compense les tensions parasites continues ou lentement variables (dérives) sur toute la chaîne allant de 1 à la sortie de l'amplificateur 51 (force électro-motrice thermoélectrique sur les fils de connexion, dérives internes des amplificateurs 50 et 51, et autres)0 Ce signal de correction conservé par l'intégrateur 54 continue d'être appliqué sur l'entrée de l'amplificateur 50 pendant les périodes d'alimentation puisqu'alors l'entrée de l'intégrateur 54 est déconnectée" par blocage de la porte (29).La tension de sortie de l'amplificateur 51 est donc rigoureusement proportionnelle, sans décalage, à la tension créée par le passage du courant dans la résistance 1. Cette tension est donc effectivement l'image de la résistance électrique R du capteur 1. Le générateur de fonction 6 est détaillé sur la figure 3o Il comporte un premier étage amplificateur 73 en cascade par une résistance 80 avec un second étage amplificateur 74 dont la sortie est dirigée sur les bases de deux transistors 75 et 76. La sortie émetteur de 75 est ramenée en bouclage résistif, résistances série 88 et 89, sur 1 'entrée de commande de 1' étage amplificateur 73, dont l'entrée + est à la masse. Cette même entrée - de l'amplificateur 73 reçoit la "haute" tension +HT à travers une résistance ajustable 79.Cet étage est bouclé par une capacité 77 et la masse peut être ramenée, par les branches d'un diviseur de tension 78 sur cette même entrée et sa sortie lorsqu'est passante la porte 271, en fait pendant chaque cycle de mesure défini par la sortie du relaxateur 26. Lorsque la porte 271 est passante, l'étage 73 opère en intégrateur0 Lorsque cette porte est bloquée, il opère en inverseur0 On doit noter que le bouclage résistif est conditionné par la porte 272, commandée simultanément à la porte 271 à partir du relaxateur 26, pour appliquer alors la masse sur le point de liaison des résistances 89 et 88. Ce même point est également relié à la masse par une cascade de résistances 90, 91, 92 et 93, dans l'exemple figuré (il pourrait en exister un plus grand nombre quand de besoin). L'entrée de commande de l'étage 74, dont I'enp trée + est à la masse, est connectée à une "haute" tension à travers une résistan- ce ajustable 81. Cet étage est bouclé par une diode 82 et une boucle additionnelle passe par la sortie émetteur de 75 et un diviseur de tension 83 à 1' entrée - de l'amplificateur 74, boucle transportant une tension St. La masse peut être appliquée au point intermédiaire du diviseur de tension 83 à travers la porte 84 lorsque cette dernière est passante. En cette dernière condition, l'étage 74 opère en boucle ouverte faisant fonction de comparateur alors que, lorsque ladite porte 84 est rendue passante, il opère en boucle fermée faisant fonction d'amplificateur. On a indiqué en 86 la résistance du collecteur de 75, à une tension positive. La sortie de 73, en 72, est dirigée sur le comparateur, résistance de sommation 71 de la figure 2. La sortie de 74 est dirigée sur la base du transistor de commutation 76, dont on a indiqué la résistance collecteur à une tension positive en 87, l'émetteur de 76 étant à la masse, La sortie collecteur de ce transistor est appliquée sur un circuit 85 qui délivre, en une condition à définir plus loin, un signal rectangulaire S1 d'unie part à l'entrée de commande de la porte 84, d'autre part à-la porte 10 d'application des impulsions d'horloge sur le compteur 9. Du décodeur 11 de ce compteur sont dérivés des signaux de commande de portes 9t, 95 et 96, respectivement branchées aux points de liaison des résistances 90-91, 91-92, et 92-93, pour appliquer alors la masse en de tels points. Avant le début d'un cycle de mesure, la porte 271 est bloquée et la porte 272 est passante0 L'amplificateur 73, isolé de la sortie du transistor 75, est alors bouclé par une faible résistance à une valeur de gain très faible, inférieure en fait à l'unité et la tension de sortie S de cet amplificateur 73 est négative, voir le graphique S de la figure 40 La porte 84 est passante et l'amplificateur 74 est donc en boucle ouverte et présente un gain important : sans la présence de la diode 82, cet étage serait saturé, condition réalisée par le réglage de la résistance 81. Sa sortie est donc légèrement négative, ainsi que celle de l'émettodyne 75, voir graphique S1 de la figure 4.Au temps to du cycle de mesure, défini par la forme d'onde SI de sortie du r-laxnteur 26, synchronisé avec la commande du diviseur par deux 21 de la- figure 1, la porte 271 est rendue passante alors que la porte 272 est bloquée. L'étage 73 opère alors en intégrateur linéaire et sa tension de sortie S croit négativement avec le temps. Au temps tl, la sortie S devient telle que entrée de l'étage 74 passe par zéro. Cette valeur est ajustée par 81 pour correspondre, au signe près, à la valeur de tension qui serait mémorisée en 3 pour la température du haut de gamme, soit ici 30 K. La sortie de 74 passe brusquement dtune valeur négative à une valeur légèrement positive qui débloque le transistor 76.Le signal de sortie de 76, mis en forme par le circuit 85, bloque alors la porte 84, bouclant ainsi l'ensemble 74-75 alors que la sortie de 75, qui a un gain sensiblement unité, est encore sensiblement à zéro0 D'autre part, ce mdme signal S1 déclenche le début du décomptage en 9 après avoir remis ce décompteur à son contenu maximum, correspondant à la valeur de 1 pour la tem perature de haut de gamme 30 Ko C' est à partir de-cet instant tl que la variation de la tension de sortie S du générateur de fonction doit suivre la loi f (kt) susdite, soit donc, f(30 - T). Cette forme est obtenue, voir figure 5, courbe S, en commandant la caractéristique de transfert du générateur de fonction pour qu'elle soit formée d'une pluralité de segments d'exponentielle raccordés entre eux. La tension de sortie S1 de l'ensemble 74-75 est égale à S plus k1 .V, k1 étant le gain vu de l'entrée de cet ensemble et V la tension appliquée +HT sur la résistance 81. En désignant par k le gain, plus précisément le coefficient d'atténuation, entre la sortie de 75 et le point N de liaison entre les résistances 88 et 89, la valeur de k dépendant évidemment de la résistance présentée en N par la dérivation 90~91-9293, donc des conditions des portes 94 à 96, on voit que le courant I à entrée de l'intégrateur 73 est la somme du courant dans la résistance 79 et du courant dans la résistance 89. (1) I = VN/89 = k.S1/89 = k. (S+D)/89, en désignant par VNs la tension au point N, par 89 la valeur de la résistance de même référence et par D la valeur de la tension fixe de décalage égale en fait àk1.V. En ces conditions, à partir de l'instant tl, la variation de S est donnée par en désignant par C la valeur de la capacité 77 de l'intégrateur De la relation (2), on déduit (3) S = A. e kt/(89.C) (I (1.89)/k - D,A coefficient numérique, d'où, pour avoir (4) S (à l'instant tl) = -D qui est bien une loi exponentielle du type requis pour cette application. A un instant t2 postérieur à tl et correspondant à une autre valeur de température T2 de la gamme de températures à mesurer, le passage du compteur 9 à un tel contenu T2 déclenchera la porte 94 qui deviendra bloquée, dtoù la modification de valeur de k et le passage de la caractéristique de transfert du générateur de fonction à un segment Ci' exponentielle distinct quoique faisant suite sans discontinuité au premier segment parcouru. Ce même processus sera répété pour d'autres passages du décompteur 9 à d'autres valeurs de température, ici T2 puis T3 provoquant le blocage des portes 95 puis 96 sur l'atténuateur 90 - 93 donc la modification de la vitesse d'intégration en 73. Lorsque le comparateur 4 détecte l'égalité entre la valeur de tension mémorisée en 3 et celle atteinte par S, le signal de sortie provoque, comme dit, l'arrêt du décomptage,le transfert du contenu du décompteur au dispositif d'affichage et le retour au repos du générateur de fonction par blocage du relaxateur 26 (commande des portes 271 et 272). L'arrêt du comptage peut soit être directement assuré sur les circuits du décompteur soit être assuré par blocage de la porte 10, par exemple et illustrativementO Toute variante technologique des circuits et de 1' organIsation susdécrits entre d'ailleurs sans plus dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la mesure par voir électrique de la grandeur d'un prélevé paramètre physique/par un capteur à réponse non-linéaire dans la gamme de me sure de ce paramètre, caractérisé en ce que, opérant par phases alternées de mesure et de maintien d'un affichage numérique de la valeur mesurée, ce dispositif comporte la combinaison de moyens pour mémoriser le signal de mesure, de moyens pour engendrer, en tout cycle de mesure, un signal analogique dont la variation dans le temps simule celle de la réponse du capteur dans la gamme de variation dudit paramètre physique, de moyels de comptage déclenchés à chaque début de cycle de mesure et de moyens comparateur du signal mémorisé provenant du capteur et du signal analogique provenant de ces moyens générateurs pour stopper les dits moyens de comptage à la détection d'une identité de valeurs entre ces deux signaux et provoquer alors l'affichage numérique visuel de lb grandeur mesurée par le contenu de ces moyens de comptage 2. Dispositif selon la revendication 1, caiactérisé en ce qu'il incorpore des moyens, activés pendant les périodes de mémorisation, pour former un signal de correction de valeur du signal de mesure délivré par le capteur pendant les périodes d'alimentation. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il incorpore, en ses moyens générateurs dudit signal analogique, des moyens de modification de la caractéristique de transfert des dits moyens au passage des dits moyens de comptage à des valeurs prédéterminées au cours des cycles de mesure. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que, ces moyens de formation du signal analogique incorporent un intégrateur entraînant un amplificateur dont la tension de sortie est ramenée sur l'entrée de cet intégrateur à travers un réseau d'atténuateur de coefficient d'atténuation modifiable par commutations ordonnées à partir de sorties prédéterminées des dits moyens de comptage. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les dits moyens de comptage comportent un décompteur d'impulsions d!horloge activé en chaque début de cycle de mesure par venue de la tension de sortie de ltamplifica- teur entraîné à une valeur prédéterminée 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les dits moyens de formation du signal de correction comportent une boucle de rétroaction à circuit intégrateur de la tension de sortie de l'amplificateur du signal du capteur à l'entrée de cet amplificateur et des moyens pour connecter ladite sortie à ladite boucle pendant les intervalles entre les périodes d'alimentation et pour déconnecter cette sortie de ladite boucle pendant les périodes d'alimentation.