Brevet FR2213493A1 — publié le 19740802

La présente invention, développée au Centre d'Etudes et e Recherches de TOULOUSE (C.E.R.T.)1 Etablissement del'O.N.E.R.A., est relative à un procédé et un dispositif de mesure de température, mettant en oeuvre des cristaux liquides. Le terme de mesure doit évidemment être interprété de façon lage t comme s'étendant à la détermination des variations de température ParmI les applications particulièrement importantes de l'invention, on peut notamment citer la mesure précise des variations de température dans une plage étroite (variations a divers emplacements du corps humain par exemple) et la mesure de la répartition des champs électromagnétiques. On a déjà employé des cristaux liquides, et notamment des cristaux liquides cholestériques, pour détecter des variations de température o n règle générale, on a procédé en pla çant une pate ou une capsule contenant des cristaux liquides à l'emplacement dont la température est à mesurer et éclairant les cristaux liquides à l'aide d'une source de lumière blanche. La détermination approchée de la température s'effectue de fa çon visuelle. Or. a notamment prévu de déduire une répartition de la distribu-/n des couleurs apparentes des cristaux liquides éclairés en lumière blanche. On a aussi envisagé d'utiliser les cristaux liquides pour constituer des thermomètrN à maxima, les couleurs vives caractéristiques disparaissant lorsqu'on dépasse le pic de diffusion du cristal liquide et, pour des constitutions particulières du matériau contenant les cristaux liquides, cette décoloration présentant une certaine permanence. Ces procédés et dispositifs de mesure de températures suivant l'art antérieur présentent des défauts importants qui interdisent leur emploi dans de nombreux cas. En particulier on a en général utilisé l'observation visuelle, ce qui exclut ce genre d'application lorsque l'emplacement de la sonde où l'on doit mesurer la température est inaccessible à l'observa- tion directe. La mesure reste toujours qualitative. a présente invention vise à fournir un procédé et un dispositif répondant mIeux que ceux suivant l'art antérieur aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'ils permettent une mesure -à distance en ne mettant en oeuvre qu'une sonde peu encombrante, pouvant-être reliée au reste de I'équipement-né- cessaire par des connexions de très faible dimension trans zersale - et qui peuvent être souples Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé de mesure d'une température variant . l'intérieur d'une plage déterminée, suivant lequel on porte ;; ladite température une sonde comprenant une masse translucide contenant une couche de cristaux liquides dolestériques présentant un pic de diffusion occupant ladite plage, on dirige un pinceau de lumière sur ladite couche par l'intermédiaire d'un conducteur optique, on recueille à l'aide d'un conducteur optique la lumière transmise ou dispersée par ladite couche et on détermine les caractéristiques de cette dernière. Par le terme de "conducteur optique", on désignera une fibre optique ou un faisceau de fibres optiques de dimensions transversales suffisamment faibles par rapport à ses dimensions longitudinales pour pouvoir être déformées sous des courbes de grand rayon. On voit que ce procédé permet d'atteindre les buts cidessus définis, particulièrement lorsque les deux conducteurs sont placés parallèlement et côte u côte et ne sont raccordés la la sonde que sur un côté de celle-ci. On voit également que l'on conserve tous les avantages des emplois antérieurs de cristaux liquides, et notamment la faible inertie thermique (qui ne modifie pas la répartition des températures dans la zone à mesurer) et l'absence de toute pièce métallique (qui permet de travailler dans des champs magnétiques ou électromagnétiques). L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs constituant des modes particuliers de mise en oeuvre, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description de réfère au dessin qui l'accompagne dans lequel La figure lest un schéma de principe d'un dispositif de mesure de température comportant un conducteur optique d'a.ne- née de lumière et un conducteur optique de retour, placés dans le prolongement l'un de l'autre. La figure 2 est une vue de détail montrant la sonde d'un dispositif dans lequel le conducteur optique d'amenée de lumière et le conducteur optique de retour sont placés côte '? côte. La figure 3, similaire - la figure 2, montre une variante de celle-ci. La figure 4 est une courba reprsentatve de la variatlon de la longueur d'onde L diffusée par une couche de cristaux liquides- cholestériques en fonction de la température t, indiquant la couleur prise par la couche lorsqu'elle est observée depuis le côté d'incidence de la lumière qui l'éclaire (c'est-àdire par réflexion). Le dispositif représenté en figure 1 comporte une sonde 10 susceptible d'être introduite à l'emplacement dont on veut mesurer la température pour être portée à cette température (par exemple contre une muqueuse du corps humain), un système d'amenée de lumière et un système de retour de lumière. La sonde utilise le phénomène de transmission et de diffusion sélectives des cristaux liquides, la longueur sonde de la lumière diffusée variant rapidement avec la température. Elle comporte dans ce but une enveloppe opaque 11, suffisamment mince pour ne présenter qu'une résistance thermique négligeable par rapport à celle des systèmes d'amenée et de retour de lumière, contenant une masse translucide 12 de matériau conducteur de la chaleur. Dans cette masse 12 est noyée une couche 13 de cristaux liquides cholestériques présentant un pic de diffusion qui recouvre sensiblement la plage p (fig. 4) dans laquelle doivent être mesurées les variations de température de la sonde. La couche doit évidemment être prévue pour ne pas se détruire rapidement en service, ce qui implique notamment qu'elle est à l'abri de l'air. Elle doit, par ailleurs, présenter une épaisseur convenable. Dans la pratique, on pourra notamment utiliser une couche de cristaux cholestériques en microcapsule, telle que l'une de celles fournies par la Société N.C.R.(National Cash Register Company, Dayton, Ohio U.S.A.) Chaque fois que l'on recherchera une mesure précise, on utilisera les cristaux dits " à gamme étroite " qui, observés par réflexion, virent du brun au bleu pour une plage de température de l'ordre de 10C. On peut ainsi mettre en évidence des variations de flux thermi 2 que correspondant à des champs dissipés de l'ordre de 1 mW/cm Avec des microcapsules, qui isolent parfaitement les cristaux, la masse 12 n'a plus qu'à remplir le critère de protection -: il suffit qu'elle soit limpide et on peut notamment utiliser, dans ce cas, une masse à base d'ester polymétacrylique, telle que celle commercialisée en France sous la marque "Altufix". On peut également utiliser une couche mince déposée sur un support transparent à condition de la placer dans une masse compatible avec les cristaux liquides, ou de la constituer d'un mélange de cristaux liquides et d'un produit protecteur. A titre d'exemple, lorsqu'on cherche G mesurer des tempér-atures qui sont celles du corps humain, on peut notamment utiliser une composition de nonanoate de cholestéryle, de carbonate de chole-stéryl-oléyle et de benzoate de cholestéryle, laquelle peuvent être ajoutés des stabilisants ou des liants. L'épaisseur de la couche sera en général de quelques centièmes quelques dizlèmes de millimètre. La couche de cristaux liquides est disposée entre le système d'amenée de lumière et le système de retour de lumière, perpendiculairement à l'axe commun de ces deux systèmes. Dans le mode de réalisation illustré en figure 1, le système d'amenée de lumière comporte un conducteur optique 14, constitué par exemple par un faisceau de fibres optiques, et une source 15 de lumière blanche, figurée par une lampe à incandescence 16 associe a un miroir concentrateur 17. Le système de retour de lumière comporte un conducteur optique 18 raccordé à un détecteur de lumière 19 permettant de déterminer l'énergie des photons incidents donc la longueur d'onde de la lumière trans mise. Le système 18 peut comporter notamment un spectrographe muni d'un photo-multiplicateur 19 suivi d'un amplificateur 20 et d'un enregistreur 21. Pour tenir compte des variations possibles d'intensité et de répartition spectrale de la source 15, une branche de compensation (non représentée) permettant une mesure différentielle peut être prévue. Pour éviter l'accès de lumière extérieure, la gaine opaque et souple 1 recouvrant la sonde se prolonge le long des conducteurs 14 et 18 et se raccorde de façon étanche à la source 15 et au boîtier contenant le récepteurs Suivant un autre mode de réalisation de l'invention (non illustré), la source de lumière fournit un rayonnement mono-chromatique et le récepteur est constitué par une simple dispositif de mesure d'intensité, la couche de cristaux liquides fonctionnant en filtre. On peut utiliser, au lieu d'un photomultiplicateur, d'autres types de détecteurs présentant une sen sibilité suffis-ante. Le transducteur pourra notamment être une photo diode, un phototransistor ou une photorésistance. Le conducteur optique peut notamment être constitué par des fibres optiques du type fourni par la SOLVIS et disponibles conmercialement en France. Mais toutes autres fibres optiques, pleines ou tubulaires, en verre ou en matériau plastique trans lucide conviendraient de la même- façon à condition de présenter la souplesse requise. Le mode de réalisation illustré en figure 2 utilise encore la transmission sélective de. la lumière à travers une couche de cristaux liquides. La sonde iOa est formée par une gaine ia dans laquelle est placée une masse translucide 12a. La couche e cristaux liquides 13a est placée juste après la face terminale d'un conducteur optique 14a. La lumière ayant traversé la couche 13a est réfléchie par un miroir 22 qui renvoie la lumière sur le conducteur optique 18a de retour. Les conducteurs 4a et Le dispositif qui vient d'être décrit a l'avantage de permettre d'introduire facilement la sonde dans des endroits d'accès malaisé, éventuellement en même temps qu'un endoscope. Enfin, dans le mode de réalisation illustré en figure 3, la couche de cristaux liquides 13b fonctionne par diffusion de lumière ou, en d'autres terres, par réflexion (bien que celleci n1 ait pas un caractère spéculaire). Dans le mode de réali- sation illustré, cette couche est placée sur un fond noir, le long de la gaine 11b, et sa forme est telle qu'elle- renvoie sur le conducteur de retour 18b une partie importante de la lumière qu'elle diffuse après l'avoir reçue par le conducteur 14b. La gaine ilb sera i encore en un matériau soupe cempatible avec les températures d'emploi et les autres conditions imposées par l'application envisagée. En particulier,. il faudra que ce matériau soit bien toléré par l'organisme pour la mesure de -la température interne d'êtres vivants. On pourra notamment utiliser un matériau plastique rétracté sur les autres composants, par exemple le polytétrafluoroéthylène que l'on contracte en le soumettant à une dose suffisante de rayonnements ionisants. Dans tous les modes de réalisation décrits jusqu'ici, le dspositif est prévu pour mesurer la température de la zone dans laquelle est placée la sonde. Cette température peut être liée N l'absorption e 'un rayonnement. Dans le cas où il s'agit d'un rayonnement électromagnétique, le dispositif permet de mesurer directement l'intensité du chant, en utilisant une muse 11 constituée d'un matériau qui absorbe ce rayonnement. Pour les champs hyperfréquence, on peut utiliser la plupart des corps translucides présentant un angle de perte élevée t la fréquence d'emploi. Dans la gamme de fréquence qui s'étend de 1000 = 18 000 MHz, on peut notamment utiliser une suspension de graphite colloidal dans l'eau, telle que celle connue sous le nom de "Aquadag" Le cas échéant, le matériau constitutif de la gaine pourra lui-même recevoir une charge d'absorption des rayonnements électromagnétiques à la fréquence des ondes dont le champ est à déterminer. Il va sans dire que l'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. Le retour de la lumière pourra par exemple être assuré par des moyens autres qu'un miroir dans le cas de la fig. 2, tels qu'un organe à réfraction totale. REVENDICATIONS procédé de mesure précise de températures variant dans une plage déterminée, caractérisé en ce qu'on porte à la dite température une sonde comprenant une masse translucide contenant une couche de cristaux liquides cholestériques présen tant un pic de diffusion occupant ladite plage, on dirige un pinceau de lumière sur ladite couche par l'intermé diaire d'un conducteur optique, on recueille la lumière transmise ou dis persée par ladite couche et on détermine les caractéristiques de cette dernière. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue une ànalyse spectrale de la lumière émise Si le pinceau de lumière incidente est polychromatique ou une mesure d'intensité, absolue e par- rapport à la lumière incidente, si le pinceau de lumière incidente est monochromatique. 3. Dispositif de mesure de températures, caractérisé en ce qu'il -comprend, en combinaison,- une sonde comportant une masse translucide contenant une couche de cristaux liquides cbeefitériqu-s présentant un pic de diffusion de lumière dans la plage de températures à mesurer, un premier conducteur optique destiné à amener un pinceau de lumière d'une source à la couche de cristaux liquides, un second conducteur de lumière destiné à ramener la lumière transmise ou dispersée par la couche vers des moyens d'analyse de la lumière. 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'analyse de la lumière comportent des moyens spectrographiques si la source émet une lumière poly chromatique et des moyens de mesure d'intensité si la source émet une lumière monochromatique. 5. Dispositif suivant la revendication 3 ou 4, caracté risé en ce que les deux conducteurs de lumière sont disposés dans le prolongement l'un de l'autre et séparés par ladite cou che, placée transversalement à l'axe commun des conducteurs. 6. Dispositif suivant la revendication 3 ou 4, carac térisé en ce que les deux conducteurs de lumière sont placés parallèlement et côte à côte, ladite couche étant placé face au conduit d'arrivée de lumière incidente et ladite zone com portant, derrière la couche des moyens optiques de renvoi de la lumière transmise vers le second conducteur de lumière. 7. Dispositif suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite couche est placée dans la sonde sur un fond opaque et présente une forme et un emplacement tels qu'elle concentre la lumière qu'elle disperse sur le second conducteur de lumière. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la sonde est protégée contre la lumière extérieure par une gaine opaque, qui peut également entourer les conducteurs de lumière. 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que les conducteurs de lumière présentent une longueur importante par rapport aux dimensions de la sonde et est de nature telle qu'ils puissent être courbés. 10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conducteurs de lumière sont constitués chacun par une fibre optique ou un faisceau de fibres optiques. 11. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est constitué uniquement de matériaux diélectriques,de sorte qu'il n'apporte que des perturbations négligeables aux champs électromagnétiques dans lesquels il est plongé. 12. Application du dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 3 à 11 à la mesure de la répartition des champs électromagnétiques, caractérisée en ce que ladite masse comporte une charge absorbant les rayonnements électromagnétiques à la fréquence du champ.