Brevet FR2198132A1 — publié le 19740329

La présente invention concerne un appareil de mesure de température. Elle s'applique notamment a la mesure des températures très basses de milieux refroidis par des fluides dits cryogéniques tels que l'-azote, l'hydrogène ou l'hélium liquides. De tels milieux se rencontrent notamment dans des cryoliaisons" permettant le transport a distance de grandes puissances électriques dans des supraconducteurs et dans les enceintes contenant des bobinages supraconducteurs permettant le stockage d'énergie électrique sous forme magnétique. I1 est connu de mesurer des températures au moyen d'éléments électriques thermosensibles dont les caractéristiques varient avec la température. C'est par exemple le cas de capteurs thermosensibles de types résistif ou capacitif, dont la grandeur caractéristique varie de façon linéaire avec la température du milieu où ils sont plongés. Cette variation de leur résistance ou de leur capacité produit, quand ils sont parcourus par un courant, une variation de la tension à leurs bornes. Une mesure de cette tension donne alors, après étalonnage, la valeur de la température du milieu. I1 est aussi connu d'inclure ces éléments de type résistif ou capacitif dans un oscillateur pour en commander la fréquence. Après étalonnage, il est possible, si on mesure cette fréquence, d'en déduire la température du milieu où est plongé l'élément thermosensible. De tels dispositifs ont notamment pour inconvénient de ne pas permettre la mesure précise des petites variations de la température d'un milieu aux environs d'une température prédéterminée. La présente invention a pour but de remédier a ces inconvénients et notamment de permettre de compenser aisément les dérives de l'appareil de mesure. La présente invention a pour objet un appareil de mesure de la température d'un milieu, cet appareil comportant - un générateur de mesure apte à fournir des signaux périodiques, et muni de deux bornes de mesure, - un élément thermosensible de mesure a deux bornes, choisi parmi les types résistif et capacitif, - une ligne de mesure connectant respectivement les deuxdites bornes de mesure aux deux bornes dudit élément thermosensible, de manière que la fréquence du générateur de mesure dépende de la grandeur caractéristique de cet élément thermosensible et que cet élément thermosensible puisse etre placé en contact thermique avec ledit milieu, - des moyens de mesure de fréquence connectés à une sortie dudit générateur de mesure, pour mesurer sa fréquence, et étant caractérisé par le fait qu'il comporte en outre - un générateur de référence apte à fournir des signaux périodiques, ce gé nérateur étant muni de deux bornes de référence, - un élément thermosensible de référence à deux bornes, de même nature que ledit élément thermosensible de mesure, - une ligne de référence adjacente et en contact thermique avec ladite ligne de mesure, cette ligne de référence connectant respectivement les deuxdites bornes de référence aux deux bornes dudit élément thermosensible de référence, de manière que la fréquence du générateur de référence dépende de la grandeur carac téristique dudit élément thermosensible de référence, cet élément thermosensible de référence étant apte à être porté à une température de référence fixe, - lesdits moyens de mesure de fréquence comportant des moyens de comparaison de fréquence, connectés aux sorties desdits générateurs de mesure et de référence et aptes à mesurer la différence des fréquences de ces générateurs. A titre purement illustratif et nullement limitatif, il va être décrit, à l'aide de deux figures schématiques à l'appui, des exemples de réalisation de l'appareil de mesure de température selon l'invention. Les éléments qui se correspondent sur ces deux figures portent les mêmes références, la lettre a caractérisant des éléments agissant en impulsions. Les figures 1 et 2 représentent schématiquement un premier et un deuxième mode de réalisation de l'appareil selon l'invention, respectivement. L'appareil représenté par la figure 1, permet de mesurer la température d'un milieu 1, par exemple constitué par l'intérieur d'un cryostat 2 refroidi par de l'hélium liquide et non entièrement représenté. Cet appareil comporte un générateur de mesure constitué par un oscillateur 3, dont deux bornes de mesure 4 et 5 sont connectées par l'intermédiaire d'une ligne de mesure 6, 7 aux bornes 8, 9 d'un élément thermosensible de mesure 10, choisi parmi les types résistif ou capacitif et plongé dans ledit milieu 1. Cet élément thermosensible présente une variation de sa grandeur caractéristique, en fonction de la température ; il est choisi de type résistif dans le mode de réalisation représenté. La valeur de sa résistance commande la fréquence de l'bscillateur 3. Une variation de la température du milieu 1 provoque donc une variation proportionnelle de la fréquence de l'oscillateur 3. Une sortie de l'oscillateur 3 est connectée à des moyens 11 pour mesurer la fréquence du signal délivré par cet oscillateur. Un étalonnage fréquence-température , de ces moyens de mesure, permet alors une lecture directe de la température du milieu 1. Selon une variante de ce mode de réalisation de l'invention, figure la) la sortie de ltoscillateur de mesure peut en outre commander un convertisseur fréquence-ten- sion 12, dont une sortie fournit à un enregistreur 13 une tension variant proportionnellement à la fréquence de l'oscillateur 3, et donc à la température de l'élément thermosensible 10. Cet enregistreur, convenablement étalonné, permet, outre la lecture directe de cette température, son enregistrement. L'appareil comporte en outre, selon l'invention, un deuxième oscillateur 14 constituant le générateur de référence, précédemment mentionne, de de anême consti- tution que I'oscillateur de mesure 3. Cet oscillateur 14 comporte deux bornes 15 et 16 de référence, connectées par une ligne de référence, 17, 18 adjacente et en contact thermique avec la ligne de mesure 6, 7, a un élément thermosensible de référence 19, de même nature que l'élément thermosensible de mesure 10, e1est-à-dire résistif dans exemple représenté. Cet élément thermosensible de référence est extérieur au milieu 1. Il est placé dans une enceinte 23 portée a une température fixe prédéterminée. La valeur de sa résistance commande la fréquence de l'oscilla- teur 14. Selon un mode préféré de réalisation de l'appareil, l'élément thermosensible de référence 19 est connecté directement par l'une de ses bornes 20 à l'une des bornes de référence 15, tandis que son autre borne 21, est connectée a l'autre borne de référence 16, par l'intermédiaire de la ligne de référence 17, 18, qui suit le même chemin que la ligne de mesure 6, 7 en étroit contact thermique avec cette dernière, et qui revient sur elle-même au niveau du milieu 1. Cette disposition particulière permet d'avoir des effets parasites équivalents dans les deux lignes qui ont même longueur, par exemple les effets dus aux capacités parasites. Les variations parasites de fréquence dues a ces capacités sont alors égales pour les deux oscillateurs 3 et 14. L'appareil comporte en outre des moyens de comparaison de fréquence 22, connectés aux sorties des deux oscillateurs 3 et 14 et aptes a mesurer la différence des fréquences des signaux reçus de ces oscillateurs. Ainsi, il est possible, après étalonnage fréquence-température, de mesurer autour d'une température donnée, les variations de la température du milieu 1. Lorsque les signaux fournis par les oscillateurs 3 et 14 sont sinusoidaux, les moyens de comparaison 22 comportent, un mélangeur 24 mélangeant les signaux de sortie des oscillateurs 3 et 14. Les signaux de fréquences somme et différence fournis par ce mélangeur sont appliqués à un filtre passe-bas 25, qui transmet le seul signal de fréquence différence à des moyens de mesure de fréquence 26. La fréquence ainsi mesurée est donc égale à la différence des fréquences des deux oscillateurs 3 et 14. La sortie du filtre 25 peut également commander un convertisseur fréquence-tension 27 sont la sortie est connectée à un enregistreur 28 permettant la lecture et l'enregistrement des variations de la température du milieu 1. Selon un autre mode de réalisation, l'appareil selon l'invention, qui va être décrit à l'aide de la figure 2, comporte les mêmes organes que selon le mode de réalisation précédemment décrit, sauf en ce qui concerne les points suivants les générateurs de mesure 3a, et de référence, 14a, sont du type "multivibrateur" et fournissent des signaux de sortie rectangulaires, avec une fréquence de récur rence qui est commandée par les valeurs des résistances des éléments thermosensibles 10 et 19. Les signaux rectangulaires du multivibrateur 3 sont appliqués à un circuit différentiateur et redresseur 30, appelé circuit différentiateur de mesure, qui fournit aux moyens de mesure 1la, constitués par un compteur, des impulsions à la même fréquence de récurrence que les signaux du multivibrateur. Le circuit 30 alimente des moyens de mesure lita, le convertisseur fréquence tension 12a et l'enregistreur 13a. (figure 2a) La mesure de fréquence et la conversion fréquence-tension se font alors à partir d'impulsions et non à partir de signaux sinusoldaux. Un circuit différentiateur et redresseur 31, appelé circuit différentiateur de référence, est connecté à la sortie du multivibrateur 14a. La sortie de ce circuit différentiateur de référence 31 fournit des impulsions à une entrée de comptage 33, d'un compteur-décompteur 32, dont une autre entrée de décomptage 34, reçoit les impulsions en provenance du circuit différentiateur de mesure 30. Ce compteur-décompteur constituant les moyens de comparaison de fréquence précédemment mentionnés, peut permettre une lecture directe de la différence des fréquences de mesure et de référence, si l'on utilise par exemple, des durées de comptage prédéterminées. Ainsi, après étalonnage en fréquence-température , ce compteur-décompteur est apte a indiquer les variations de la température du milieu 1. Les moyens de comparaison peuvent etre réglables ; le compteur-décompteur 32 peut par exemple comporter une troisième entrée recevant des impulsions d'une horloge électronique réglable 35, ce qui permet, au début d'une mesure, par exemple de régler la valeur par le compteur-décompteur 32 à zéro, et ainsi de lire directement la variation de la température du milieu 1, autour de sa température initiale. Une sortie du compteur-décompteur 32 peut également commander, comme dans le mode de réalisation précédemment décrit, un convertisseur fréquence-tension 27a, et un enregistreur 28a. Les avantages de l'appareil selon l'invention, résultent du contact thermique et de la situation adjacente des lignes de mesure et de référence. Ainsi toute variation parasite de fréquence du générateur de mesure, correspondant à une modification d'origine thermique des caractéristiques électriques de la ligne de mesure, se traduit par une modification identique des caractéristiques de la ligne de référence, et par une variation de la fréquence du générateur de référence, équivalente à celle de la fréquence de l'oscillateur de mesure. La mesure différentielle de la température du milieu n'est donc pas erronée. Les générateurs sont choisis d'un type très stable en température, et leur fréquence est avantageusement élevée, ce qui permet une mesure précise de la température, car la sensibilité de l'appareil croît avec cette fréquence. L'appareil permet aussi bien une lecture directe de la température d'un milieu, qu'une lecture des variations de cette température. Il est bien évident que dans les modes de réalisation de l'appareil selon l'invention, qui viennent d'être décrits, en exemple, tout élément peut etre remplacé par un élément équivalent, assurant les mêmes fonctions techniques, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1/ Appareil de mesure de la température d'un milieu, et appareil comportant - un générateur de mesure apte à fournir des signaux périodiques, et muni de deux bornes de mesure, - un élément thermosensible de mesure à deux bornes, choisi parmi les types résistif et capacitif, - une ligne de mesure connectant respectivement les deux dites bornes de mesure aux deux bornes dudit élément thermosensible, de manière que la fréquence du générateur de mesure dépende de la grandeur caractéristique de cet élément thermosensible, et que, cet élément thermosensible puisse être placé en contact thermique avec ledit élément, - des moyens de mesure de fréquence connectés à une sortie dudit générateur de mesure, pour mesurer sa fréquence, caractérisé par le fait que ledit appareil comporte en outre - un générateur de référence apte à fournir des signaux périodiques, ce générateur étant muni de deux bornes de référence, - un élément thermosensible de référence muni de deux bornes et de même nature que ledit élément thermosensible de mesure, - et une ligne de référence adjacente et en contact thermique avec ladite ligne de mesure, cette ligne de référence connectant respectivement les deux dites bornes de référence aux deux bornes dudit élément thermosensible de référence, de manière que la fréquence du générateur de référence dépende de la grandeur caractéristique dudit élément thermosensible de référence, cet élément thermosensible de référence, étant apte à être porté à une température de référence fixe, - lesdits moyens de mesure de fréquence comportant des moyens de comparaison de fréquence connectés aux sorties desdits générateurs de mesure et de référence et aptes à mesurer la différence des fréquences de ces générateurs. 2/ Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit élément thermosensible de référence est connecté directement par l'une de ses bornes a une dite borne de référence du générateur de référence, ladite ligne de référence connectant une autre borne dudit élément thermosensible de référence, à l'autre dite borne de référence. 3/ Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdits moyens de comparaison comportent, connectés en série, un mélangeur recevant et mélangeant les signaux de sortie desdits générateurs de mesure et de référence, ces générateurs étant des oscillateurs fournissant des signaux sensiblement sinu soldaux, un filtre électrique passe-bas recevant le signal de sortie dudit mélangeur et transmettant seulement la composante à fréquence différence de ce signal de sortie, et des moyens de mesure de la fréquence du signal transmis par ce filtre. 4/ Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdits générateurs de mesure et de référence, sont d'un type apte a fournir des impulsions dont la fréquence de récurrence est commandée par les grandeurs caractéristiques desdits éléments thermosensibles, lesdits moyens de comparaison comportant un compteur-décompteur muni d'une entrée de comptage et d'une entrée de décomptage pour compter ces impulsions positivement et négativement respectivement, ces entrées étant connectées l'une a la sortie dudit générateur de référence et l'autre a la sortie dudit générateur de mesure. 5/ Appareil de mesure des températures d'un milieu, selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte une horloge apte à délivrer des impulsions d'horloge de fréquence réglable, ledit compteur-décompteur étant muni d'une entrée de réglage recevant ces impulsions d'horloge de manière a les ajouter aux impulsions fournies par l'un des deux dits générateurs.