Brevet FR2101213A1 — publié le 19720331

La présente invention se rapporte à un appareil de mesure de rayonnement thermique ou pyromètre optique, fonctionnant suivant la méthode de la lumière modulée pour la mesure et la régulation de température sans contact, avec une photorésistance en tant qutélément de mesure0 Dans des appareils de ce type, le rayonnement infrarouge est mesuré en tant que partie essentielle du. rayonnement émis par 11 objet de mesure chauffé, et ce rayonnement est utilisé pour la mesure et la régulation de la température de l'objet de mesure.. Cette méthode de mesure absolument sans contact et très rapide permet la déterminati'on de la température d'objets de mesure gloignçs, mobiles ou difficilement accessibles; le champ de tempéra- ture de petits objets sensibles-ne se trouve pas perturbé. Par suite de la sensibilité de réponse élevée, on peut enregistrer et. régler automatiquement même des processus de chauffage se déroulant relativement vite. Un tel appareil de mesure de température se compose essentiellement d'un appareil de base comprenant un amplificateur de mesure et un instrument indicateur, et dune tête de'mesure mobile comprenant 11 élément de mesure et un pré amplificateurç A l'aide d'un dispositif de visée incorporé, sans parallaxes pour l'observation de l'objet de mesure, on peut pointer de façon appropriée la tête de mesure, L'élément de mesure est maintenu, par exemple par un thermostat électronique, à une température déterminée pour éviter que le résultat de la mesure. ne soit faussé par des variations de la température ambiante Cependant, du fait que déjà des variations de température très faibles sur 11 élément de mesure peuvent avoir des effets. indésirables sur le pré-amplificateur monté dans la tête de mesure, on fait appel à la méthode dite "de lumière modulée Un modulateur optique hache le rayonnement thermique à mesurer et fournit à l'élément de mesure un signal alternatif qui est envoyé, en tant que tension pulsatoire, au pré-amplificateur se trouvant dans la tête de mesure. Ainsi, sur l'élément de mesure, des variations faibles et lentes par rapport à cette fréquence de pulsations n'ont pas d'effet notable sur le pré-amplificateur et donc sur le résultat de mesure. Dans le mode de réalisation le plus simple, llélEment de mesure est une photorésistance0 Les photorésistances sont formées d*une résistance à semiconducteur homogène., pourvue de deux contacte pour l'application d'une tension. Des matériaux photosen sigles pour la détection de rayonnement infrarouge sont, par exemple, le sulfure de plomb, le séléniure de plomb ou l'antimoniure d'indium, le matériau pour l'établissement des contacts étant de l'or. A ce sujet, il s'avère cependant défavorable que les photorésistances subissent, au cours du temps, un vieillissement se manifestant sous la forme d'une variation de leur résistivité d'obscurité, donc de leur résistivité en cas dtabsence de rayonnement incident, variation qui peut aller jusqu'à 50 % de la valeur initiale. On considère que cette variation est due à des effets de diffusion et à une modification de la structure aux jonctions entre la couche semiconductrice et la couche de contact. Une telle variation de la résistivité d'obscurité de la photorésistance entrasse cependant également une modification de l'amplitude du signal de mesure électrique recueilli sur un diviseur de tension formé par la photorésistance et une résistance série, c'est-à-dire que le résultat de la mesure se trouve faussé par une telle variation. La présente invention vise à remédier à cet inconvénient et à créer un dispositif de mesure permettant une mesure non faus sée, malgré la variation de la résistivité d'obscurité de la photo-. résistance Selon l'invention, on obtient ce résultat par le fait que la photorésistance est montée dans une branche dsun circuit de régulation électrique en pont, la mesure de la grandeur à régler et la formation d ''encart de réglage s'effectuant dans la diagonale du pont, et par le lait que le régulateur agit sur la branche du pont, renfermait la photorésistance. Suivant une première variante de 1 'invention, le régulateur du circuit de régulation est réalisé sous la forme dgun amplificateur monté dans la diagonale du pont et agissant sur la résistivité d'une résistance montée en série avec la photorésis- tance, Suivant un mode de réalisation avantageux, le circuit de régulation est réalisé à la manière d'un pont de Wheatstone, dont une branche est formée de deux résistances et l'autre dgune photorésistance et d'une thermistance CTN (coefficient de température négatif), la diagonale du pont renfermant un transistor dont l'électrode de commande est reliée entre les deux résistances, dont une électrode de sortie est reliée entre la photorésistance et la thermistance CUN et dont l'autre électrode de sortie est reliée à un filament chauffant de la thermistance CTN. Suivant une seconde variante de l'invention, le régulateur du circuit de régulation est réalisé sous la forme d'un amplificateur monté dans la diagonale du pont et agissant sur la fourniture de courant d*un composant actif monté en série avec la photorésistance. Suivant un mode de réalisation avantageux, le circuit de régulation est rdaligé å la manière d'un pont de Wheatstone dont la diagonale renferme un transistor dont la base se trouve entre deux résistances formant l'une des branches du pont et dont une électrode de sortie est reliée à la photorésistance et l'autre électrode de sortie à un second transistor dopé de façon complémentaire, la photorésistance formant l'autre branche du pont avec la jonction des électrodes de sortie du second transistor et l'autre électrode de sortie du premier transistor étant reliée à la-base du second transistor0 En se référant au dessin annexé, on va décrire plus en détail plusieurs exemples de réalisation non limitatifs de l'objet de l'invention; sur ce dessin: la figure la représente le schéma synoptique d'un appareil de mesure de rayonnement thermique; la figure lb représente, plus en détail, une partie du schéma de la figure las la figure 2a représente le schéma de principe dtun dis- positif de mesure électrique avec source de tension; la figure 2b représente le schéma électrique du dispositif de la figure 2as la figure 3a représente le schéma de principe d'une variante du dispositif de mesure électrique de la figure 2a, avec source de courant; la figure 3b représente le schéma électrique de disposi- tif de la figure 3a. L'appareil de mesure de rayonnement thermique représenté sur la figure la se compose d'un appareil de base 1 et d'une tête de mesure mobile 2. Appareil de base 1 comprend essentiellement un amplificateur de mesure 3 et un instrument indicateur de température 4, ainsi que le système d'alimentation électrique non re présenté, tandis que la tête de mesure 2 comprend une photorésis tance 5 en tant qu'élément de mesures un pré-amplificateur 6 et un modulateur optique 7. Le modulateur 7 hache le rayonnement thermique infrarouge 8 émis par l'objet de mesure et fournit à la photorésistance 5 un signal de lumière modulée 9. Ce modulateur peut être constitué, par exemple, par un disque à segments entrainé par un moteur, ou par un miroir vibrant (non représenté en détail)0 Le signal électrique alternatif fournit par la photorésistance 5 est amplifié par l'amplificateur 6 et parvient à l'asplificatëir de mesure 3 d'où le signal amplifié davantage est ensuite e#tòyé à l'instrument indicateur 4 Comme représenté sur la figure lb, le signal électrique alternatif fourni par la photorésistance 5 est recueilli de façon connue à la connexion 10 d'un diviseur de tension formé par la photorésistance 5 et une résistance série ll, auquel est appliquée une tension constante 12, ce signal étant envoyé au pré-amplificateur 6 en passant par un condensateur 13. Si l'on désigne la résistance dtobscurité de la photorésistance 5 par Rd, la résistance série 1l par RVS la résistance d'éclairement, c'est-à-dire la résistance que possède la photorésistance 5 pour une incidence de lumière définie, par Rb, et la tension continue 12 appliquée au diviseur par U, la variation de résistance relative est égale à On a constaté maintenant qu'une variation de la résistivité de la photorésistance par suite du vieillissement agit non seulement sur la résistivité d'obscurité, mais également sur la résistivité d'éclairement, à savoir qu'on observe une variation à peu près égale des deux résistivités; cela revient à dire que la variation de résistance relative 4 ne varie que très faiblement pendant ce processus de vieillissement. Cependant, l'amplitude H du signal utile sur le diviseur de tension s'élève à .11 résulte, d'après cette formule, que dans ce dispositif connu, l'amplitude du signal rutile sur le diviseur de tension varie également en cas de variation de la résistivité dtobscurité de la photorésistance0 Sur la figure 2a, on a représenté un circuit de régulation en pont, l'une des branches. du pont renfermant deux résistances 15 et 16 et l'autre une résistance variable 17 et une photorésistance 18. Dans la diagonale du pont est monté, en tant que régulateur, un préamplificateur 20, agissant sur le curseur 17.1 de la résistance 17.Le pont est alimenté par une source de tension constante 19; le signal utile est recueilli.à la connexion 21, .en passant par un condensateur 22. Borsque-le système réguler varie, c'est-à-dire lorsque la résistivité d'obscurite de la photorésistance 18 varie (lentement par rapport à la fréquence du signal utile ), la grandeur à régler du circuit, c'est-à-dire la tension continue recueillie sur la photorésistance, varie également0 L2écart de réglage peut donc être enregistré en-tant que dérive de la tension dans la diagonale du pont dans le régulateur 20, la grandeur pilote étant la chute de tension constante dans la résistance 160 Le régulateur 20 fait varier la résistance 17 en fonction de l'écart de réglage. Si l'on désigne la résistance 17 à réguler par R et le rapport du pont en tant que rapport des deux résistances de pont 15 et 16 par k, on peut écrire, pour lsamplitude E 01x signal utile On reconnaît que dans un tel dispositif conforme à l*inven- tion, une variation de la résistivité d'obscurité n'agit pas sur l'amplitude du signal utile et donc sur le résultat de mesure0 Le montage selon la figure 2b est réalisé à la manière dgun pont de Wheatstone, dont une branche renferme deux résistances 23 et 24 et l'autre une thermistance CN 25 et une photorésistance 26.Dans la diagonale du pont, entre les connexions 27 et 28, est monté uz transistor 29, de telle manière que l'émetteur soit relié à la connexion 27 et la base à la connexion 28, tandis que le collecteur est branché sur un filament chauffant 25.1 de la thermistance OTN 25. Le signal utile est recueilli en passant par un condensateur 30. Une tension continue constante 31 est appliquée au pont Le montage est dimensionné de manière que lorsque la photorésistance 26 présente une résistivité d'obscurité normale, une chute de tension définie se produise dans la diagonale du pont, entre les connexions 27 et 28s oXest-à dire que circule un courant de base défini et donc également un courant de collecteur défini. Ce courant de collecteur défini traverse le filament chauffant 25.1 et donne ainsi à la thermistance OTN 25 une température définie et donc également une résistivité définie. Dans le cas où la résistivité d'obscurité de la photorésistance 25 varie par suite d'un processus de vieillissement (la résistivité augmente ou diminue), la chute de tension dans la diagonale du pont varie en conséquence, du fait que la tension recueillie à la connexion 27 reste constante, en tant que tension du diviseur de tension formé par les résistances 23 et 24. Il en résulte un courant de base plus important ou plus faible, entraînant un courant de collecteur plus important ou plus faible De ce fait, le courant traversant le filament chauffant 25.1 augmente ou diminue.La température et donc la résistivité de la thermistance OTN 25 varient en fonction de la variation de la résistivité dtobscurité, et cela si lentement que cette variation n'ait pas d?effet sur le signal utile (environ 900 Hz). Le circuit de régulation en pont, représenté sur la figure 3a, ne se distingue de celui de la figure 2a que par le fait que la branche du pont, renfermant la photorésistance 18, comporte, au lieu de la résistance variable 17, un composant actif 32 en tant que source de courant du circuit. Ici également, l'écart de réglage est enregistré en tant que dérive de la tension dans la diagonale du pont dans le régulateur 20. Le régulateur 20 fait varier, en fonction de l'écart Ide réglage, le courant passant dans le composant 32 et donc le courant passant par la photorésistance 18. La régulation du courant s'effectue de telle manière que la valeur de la chute de tension moyenne sur la photorésistance reste constante. Lorsque R est la valeur de résistance moyenne formée m par la résistance d'obscurité et la résistance d'éclairement et lorsque Um est la chute de tension moyenne, on obtient la chute de tension sur la photorésistance par Um =1 . = J R Rd ( 1 - ~~~~~~~~~ ) I . Rd c'est-à-dire qu'avec une bonne approximation, on peut utiliser la valeur de la résistance dtobscurité en tant que valeur de résistance moyenne. De ce fait, l'amplitude H du signal utile est donnée par H = I . Rd - I Rd ti ) = I . Rd . 29 , donc H = Um On reconnatt qutici également, une variation de la résistivité d'obscurité de la photorésistance n'a aucun effet sur l'ampli tude du signal utile. Dans le montage en pont représenté sur la figure 3b, une branche renferme deux résistances 35 et 36 et l'autre une photoré- sistance 37 et la jonction émetteur-collecteur d'un transistor 38 de type pnp. Dans la diagonale du pont, entre les connexions 40 et 41, se trouve un transistor 42 du type npn, dont l'émetteur est relié avec le collecteur du transistor 38 à la connexion 41 et dont la base est reliée à la connexion 40; son collecteur est relié à la base du transistor 38. Une tension continue constante 43 est appliquée au montage en pont; le signal utile est recueilli à la connexion 41, en passant par un condensateur 44.Lorsque la résistivité dXobscurité de la photorésistance 37 est normale, la chute de tension entre l'émetteur et la base du transistor 42 est si élevée que circule un courant de base ou de collecteur défini. La tension ainsi également définie entre l'émetteur et le collecteur du transistor 42 définit le potentiel à la base du transistor 38, de sorte que la jonction émetteur-collecteur de ce transistor est de nouveau traversée par un courant défini qui produit une chute de tension définie sur la photorésistance 37o Une augmentation ou diminution de la résistivité d'obscurité conduit à une chute de tension plus faible ou plus élevée entre l'émetteur et la base du transistor 42, du fait que la tension appliquée à la connexion 40 reste constante. De ce fait, les courants de base et de collecteur du transistor 42 diminuent ou augmentent; le potentiel à la base du transistor 38 varie en conséquence. Par conséquent, un courant de collecteur-émetteur plus grand ou plus petit traverse le transistor 38 et la photorésistance 37. Le montage est dimensionné de manière qu'une variation de la résistivité d'obscurité entrain une variation inverse correspondante du courant passant par la photorésistance 37 de sorte que la chute de tension sur la photorésistance reste constante. Des condensateurs 45 et 46 montés entre l'émetteur et la base du transistor 42 et du transistor 38 empêchent tout effet du circuit de régulation sur le signal utile. Ici également, la régulation du courant s'effectue de façon lente par rapport à la fréquence de modulation. REVENDICAtIONS 1 - Appareil de mesure de rayonnement thermique, fonctionnant suivant la méthode de la lumière modulée, pour la mesure et la régulation de température sans contact, avec une photorésistance en tant qutélément de mesure, caractérisé par le fait que la photorésistance est montée dans une branche d'un circuit de régulation électrique en pont, la mesure de la grandeur à régler et la formation de l'écart de réglage steffeatuant dans la diagonale du pont, et le régulateur agissant sur la branche du pont, renfermant la photorésistance. 2 - Appareil de mesure suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le régulateur du circuit de régulation est réalisé sous la forme d'un amplificateur disposé dans la dia- gonale du pont et agissant sur la valeur d'une résistance montée en série avec la photorésistance. 3 - Appareil de mesure suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le régulateur du circuit de régulation est réalisé sous la forme dtun amplificateur monté dans la diagonale le du pont et agissant sur la fourniture de courant dgun composant actif monté en série avec la photorésistance0 4 - Appareil de mesure suivant les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le circuit de régulation est réalisé à la manière d*un pont de Wheatstone dont une branche est formée. par deux résistances et l'autre par une photorésistance et une thermistance CTN, la diagonale du pont renfermant un transistor dont l'électrode de commande se trouve entre les deux résistances, dont une électrode de sortie est reliée entre la photorésistance et la thermistance CTN et dont l'autre électrode de sortie es reliée à un filament chauffant de la thermistance C2N0 5 - Appareil de mesure suivant les revendications 1 et 3, caractérisé par le fait que le circuit de régulation est réalisé à la manière d'un pont de Wheatstone dont la diagonale renferme un transistor dont la base se trouve entre deux résistances transistor.étant~ reliée à la base du second transistor.