Brevet FR2258640A1 — publié le 19750818

L'invention se rapporte d'une maniere générale à la mesure des flux d'ions négatifs, et concerne plus particulièrement un appareil électronique permettant la mesure différentielle d'un tel flux engendré par une source telle que la peau ou l'haleine d'une personne ou un dispositif d'enrichissement électro-ionique de llatmosphère ambiante. Si la mesure de densités ou flux ioniques en phase liquide peut être assure assez facilement par divers processus électrochimiques ou purement physiques, il en va autrement des mesures à effectuer en phase gazeuse ou en milieu solide, en raison de l'im- portance relative des effets parasites par rapport à la très faible valeur des charges électriques à mesurer. Binsi et par exemple, la densité éleetro-ionique de l'atmosphère d'un local peut être fortement affectée par la présence d'arcs électriques ou de radiations ionisantes, tandis que les corps solides peuvent wetre le siège d'effets de conduction ou de génération de charges par action voltarque ou triboélectrique.I1 81 ensuit notamment que les mesures de flux électro-ioniques en phase gazeuse ou en milieu solide ne peuvent Xetre que relatives, et donc assurées par une procédure de comparaison à l'aide d'un appareil de type différentiel. L'invention a précisément pour objet la réalisation d'un tel appareil qui par principe ne soit sensible qulà la présence d'ions négatifs -dont on connait l'action biologiquement bénéfique- tout en permettant de mesurer de manière stable et reproductible des flux d'ions de très faible intensité méme en présence d'actions perturbatrices relativement importantes. Un appareil conforme à lfinvention pour la mesure différentielle d'un flux d'ions négatifs est essentiellement caractérisé en ce qulil comprend en combinaison: - - un tube électronique comportant entre une cathode émettrice et une anode collectrice au moins deux grilles respectivement de commande et de polarisation, - au moins un dispositif capteur agencé pour collecter tout ou partie du flux d'ions à mesurer et l'appliquer à la grille de commande, et des moyens de polarisation pour porter l'autre grille du tube à une tension positive règlable par rapport à sa cathode, - des moyens c'amplification reliés à l'anode du tube pour fournir en'sortie une tension modulée en fonction des variations du potentiel de ladite anode1 - et des moyens de mesure pour afficher ladite tension. Le tube électronique utilisé est de préférence une pentode dont la première grille et la grille écran sont respectivement reliées au dispositif capteur -ou à l'un de plusieurs dispositifs par l'inter médiaire d'un sélecteur et au curseur d'un potentiomètre alimenté par une source symétrique de tension de polarisation dont le p81e négatif est relié à la cathode du tube. L'anode laissée en l'air" est couplée par condensateur à un circuit intégré amplificateur lui-même couplé à un montage amplificateur de puissance fournissant la tension précitée, qui est avantageusement mesurée par un voltmètre électronique à affichage numérique.Le facteur global d'amplification est ajustable et limité à environ 10.000, valeur suffisant à des mesures précises mais assez faible pour atténuer l'influence des effets perturbateurs, compte-tenu de la grande stabilité de fonctionnement du montage. D'autres caractéristiques et avantages de l'appareil conforme à l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit d'un exemple de réalisation non limitatif illustré par le dessin annexé, sur lequel La Figure 1 montre l'appareil en vue extérieure perspective simplifiée; et La Figure 2 donne le schéma détaillé des circuits essentiels de l'appareil. Dans le mode de réalisation illustré par le dessin, l'appareil se présente sous la forme d'un boîtier portable B pourvu d'un cordon de branchement C pour son alimentation par le secteur; un commutateur de tension à fusible incorporé est agencé sur la face arrière de l'appareil invisible sur la Figure 1.Sur sa face frontale visible sont disposés tous les organes de commande, de raccordement et d'affichage nécessaires aux mesures: Les organes de commande comprennent un interrupteur I pour Arrêt/Marche, le bouton d'un potentiomètre rotatif P1 de règlage de la tension de polarisation fournie au tube détecteur de flux électro-ionique et les boutons de deux sélecteurs de fonctions rotatifs S1,S2. Le premier sélecteur S1 permet d'adapter l'appareil à la mesure du flux ionique émis par différentes sources, telles que des générateurs électrostatiques alimentés sous des tensions respectives D et Y, ou collecté par des capteurs de différents types, à savoir une sonde ou des électrodes de mesure locale par contact direct "loc", des touches de contact digital "dig et un collecteur d'haleine "hal". Les organes de raccordement comprennent en correspondance deux touches digitales "dig" implantées sur la rasade de l'appareil pour en pern-ettre ure facile préhension, et deux douilles D pour le branchement respectivement d'une conde S ou d'électrodes de mesure locale UV,loc et d'un capteur d'haleine "hal", par l'intermédiaire d'un câble coaxial X pourvu d'une gaine à la masse et terriné par une fiche ou ack J formant connecteur séparable. Les organes d'affichage comprennent d'une part des voyants ou témoins lulineux associés aux sélecteurs S1,S2 et d'autre part le cadran d'ur. voltmètre numérique VN affichant le résultat des mesures. Âu sélecteur S1 sont associés cinq voyants U,V,loc,dig,hal dont seul s'illumine celui correspondant à la fonction choisie; au sélecteur S2 sont associés deux voyants "att" et "mes" qui stillu- minent respectivement pour les positions d'attente et de mesure du sélecteur.Enfin, dans exemple de réalisation illustré, le cadran du voltnètre numérique VI: comporte quatretubes du type dit "Nixie" pour l'affichage d'un nonbne à quatre chiffres. Par ailleurs, le bouton de commande du potentiomètre rotatif PI est entouré d'une graduation de 1 à 9 qui peut Autre assimilée à un organe d'affichage. Bien entendu, la présentation de l'appareil comme le nombre et la nature de ses organes de raccordement, commande et affichage pourraient Qtre modifiés selon les fonctions assure, et des dispositifs accessoires pourraient lui être adjoints en cas de besoin, par exemple pour assurer son alimentation autonome ou pour permettre l'enregistrement des mesures, ou encore l'emploi independant du voltmètre numérique. On va maintenant décrire en se référant 2 ligure 2 un exemple préféré de réalisation des circuits électroniques assurant la mesure du flux d'ions négatifs collecté par 1 l'un quelconque des dispositifs capteurs associés à l'appareil: e circuits comportent cinq entrée distinctes dénommées U,V,L, D, en correspondance avec les organes de raceordeme7t susmentionnés" dont chacune est reliée à l'un de plats de contact du sélecteur S1- par l'intermédiaire d'une résistance dradaptation respective de valeur choisie en fonction des caractéristiques propres du dispositif capteur concerné; en pratique, ces résistances sont de l'ordre de 1 à 100 Xiloohms pour les sources et capteurs indiqués. Le contact mobile du sélecteur sl est directement relié à la grille de commande G d'un tube électronique T, à savoir la pre mière grille d'une pentode EL84 dans exemple préféré de réalisa tIen décrit et illustré. La cathode K de cette pentode, chauffée ingirectement par un filament F, est directement reliée au p81e négatif d'une source de tension continue t50 V symétrique par rapport à la masse,ainsi qu'à la grille d'arrêt du tube.Cette source alimente un potentiomètre P1 dont le curseur est directellent relié à la grille-écran i, qui peut ainsi Autre portée à un potentiel règlable positif par rapport à celui de la cathode K. Enfin, l'anode A du tube est montée "en l'air", c'est à dire isolée de toute source de tension. I1 s'ensuit que l'anode A est normalement portée à un potentiel négatif sensiblarlent conet2nt, puisqu'elle collecte une frc- tion des électrons émis par la cathode i' et accélérés par la grille écran E, fraction qui dépend de la transparence et-de la tension de polarisation de cette grille, fixée par le règlage du potentiomètre P1.En pratique, cette tensior est règlée de manière qu en présence du seul flux ionique amblant, le courant électronique qui parvint à l'anode A après. avoir traversé la grille-écran E soit presque nul et donc que la pentode travaille au voisinage du point de fonctionnement dénombré "cut-off" dans ses conditions d'utilisation habituelles, et par suite présente une très faible pente fa-rorisant la préoision des mesures et l'atténuation des effets paras les. Ceci étant, en présence d'un flx oyions négatifs n-collec té par l'axx u quelconque des dispositifs capteurs raccordés aux bornes U,V,L,P,H, la grille de commande G est potée à un potentiel plus négatif et repousse une fraction des électrons émis par la cathode k, de sorte que le potentiel de l'anode A est modulé en fonction de l'intensité du flux ionique capté, mais ce exclusivement en présence d'ions négatifs, puisque toute variation positive du potentiel de la grille de commande G est sans effet sur les eonditions de fonctionnement du tube. Ce dernier agit donc comme détecteur sélectif et quantitatif du flux d'ions négatifs capté par référence aux Conditions ambiantes règnant avant la mesure. L'amplitude des variations du potentiel de la plaque A du tube étant très faible, le signal détecté doit faire l'objet d'une importante amplification avant d'étire appliqué à l'entrée du voltmètre numérique VIS: A cet effet, l'anode A est reliée par un potentiomètre P2 d'adaptation d'impédance et un condensateur de liaison 42 à l'entrée d'un préamplificateur constitué d'un circuit intégré CI alimenté sous +12 et -12V et pourvu de circuits de polarisation CP2 et de réaction CR2. Ce circuit intégré CI, du type 7209E par exemple, assure une amplification modérée mais très stable du signal fourni par le tube T. Le signal ainsi amplifié doit donc faire 1' objet d'une nouvelle amplification destinée à en porter la puissance à un niveau suffisant A cet effet, les bornes de sortie du circuit intégré CI sont reliées respectivement par un condensateur C3 et une résistance R3 de contre-réaction à un condensateur de liaison Q3 et un potentiomètre de règlage de puissance P3, dont le curseur est couplé par un condensateur Q'3 à ltentrée d'un montage amplificateur de puissance essentiellement formé de quatre transistors T1-4:Le signal prélevé sur le potentiomètre P3 est appliqué à la base du premier transistor T1, reliée à la masse par une résistance de polarisation R1; l'émetteur de ce transistor Tl, de type PEP, est également couplé à la masse par une résistance Z1, tandis que son collecteur est relié dlune part à travers'un condensateur de réaction Cl à sa propre base, et d'autre part à travers deux diodes 21,D2 jouant un roule de polarisation à la base du second transistor T21 de type NPN. Le collecteur de ce second transistor est couplé à l'entrée du montage à travers une résistance Z2 et un condensateur Q2 en série, tandis que son émetteur est directement relié à la base du troisième transistor T3, de type NPN également.Le quatrième transistor T4, aemblable au troisième, est monté en cascade avec ce dernier aux bornes d'une source de tension +35 Y, chacun de ces transistors de puissance étant pourvu d'une charge d'émetteur respective 33,Z4 de faible valeur. Le signal de sortie du montage, prélevé sur la base du transistor T4 à travers un condensateur Q4, est d'une part converti en tension par une résistance R4 et un condensateur C4 en série, et d'autre part renvoyé à l'entrée dumontage par une résistance de réaction R5. Ce montage aplificateur a pour avantages de présenter un fonctionnement tres stable et une forte insensibilité aux parasites et autre effets transitores susceptilie3 d'affecter la qualité des mesures; il est toutefois-bien évident que tout montage amplificateur de caractéristiques équivalantes pourrait wetre utilisé en combinaison avec le circuit intégré XI ou tout autre préamplificateur équivalent. Pans tous les cas, le gain global de ltensemble doit être de l'ordre de 10.000, valeur compatible avec la précision et la stabilité requises des mesures permises par la pentode détectrice EL84. La tension continue intégrée par le circuit R4-CO est transmise par une résistance 5 à l'une des bornes du sélecteur S2, dont l'autre borne est à la masse. Le voltmètre numérique VN est branché entre le curseur du sélecteur S2 et la masse, de manière à pouvoir être sélectivement court-circuité en position d'attente ou mis en circuit pendant les mesures.. Ces mesures s'effectuent selon la procèdure suivante: l'appareil étant dAment alimenté,le sélecteur S1 est amené dans la position correspondant au dispositif capteur approprié, raccordé si besoin est à la douille D convenable. Le sélecteur 52 est alors placé en position de mesure, et le potentiomètre PI est règlé de manière que le voltmètre VN affiche une valeur déterminée en fonction du type de mesure pour assurer la meilleure sensibilité; le dispositif capteur est alors mis en service, ou bien la source dl ions négatifs mise en action; le voltmètre VN affiche dès lors une nouvelle valeur, dont la différence avec celle préalablement affichée constitue une mesure du flux d'ions capté. Cette mesure différentielle relative peut Btre traduite en valeur absolue du flux d' ions par étalonnage expérimental. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation préféré qui a été décrit et illustré, mais au contraire comprend tous les moyens eonstituant des équivalents techniques, considérés séparément ou en combinaison et mis en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. RVEN PI CATI ON s 1. Appareil pour la mesure différentielle d'un flux d'ions négatifsengendré par une source telle que la peau ou l'haleine dl une personne ou un dispositif dlenrichissement électro-ionique de l'atmosphère ambiante, caractérisé en ce qu?il comprend essentiellement et en combinaison:: - un tube électronique comportant-entre une cathode émettrice d'électrons et une anode collectrice au moins deux grilles respectivement de commande et de polarisation, - au moins un dispositif capteur agencé pou-r collecter tout ou partie du flux d'ions à mesurer et l'appliquer à la grille de commande du tube, - des moyens pour porter la grille de polarisation du tube à une tension positive règlable par rapport G sa cathode, - es moyens d'amplification reliés à l'anode du tube, fournissant en sortie une tension modulée en fonction des variations du potentiel de ladite anode, - et des moyens de mesure pour afficher ladite tension. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube électronique précité est une pentode, par exemple du type dit EL84, dont la première grille et la grille-écran sont respectivement utilisées comme grilles décommande et de polarisation, et dont anode est isolée de toute source de tension. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cathode et la grille-écran de la penthode précitée sont respectivement reliées au pole négatif d'une source de tension symétrique et au curseur d'un potentiomètre alimenté par ladite source. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un commutateur-sélecteur permet de relier sé lectivement la grille de commande du tube à l'une de plusieurs touches ou bornes pour le raccordement de différents capteurs. 5. appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4r caractérisé en ce que l'anode du tube précité est couplée par ur circuit capacitif à l'entrée de forte impédance d'un préamplifica teur tel qu'un circuit intégré par exemple du type 7209I, dort la sortie ect reliée r un montage amplificateur de puissance fournis sent la teroiooi modulée précité. 6. Appareil selon la revendication j, caractérisé en ce que le montage amplificateur précité comprend un étage d'attaque tran sistori-sé fournissant le courant de base de l'un de deux transistors de puissance montés en cascade, dont le second fournit par son circuit de base la tension précitée. 7. Appareil selon l'ensemble des revendications 3 et 6, caractérisé en ce que le préamplificateur et le montage amplificateur sont couplés par une liai son capacitive incluant un poten tiomètre de règlage de leur gain global, limité à un facteur de l'ordre de 10.000 environ. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la sortie des moyens d'amplification précités est couplée à un circuit intégrateur, aux bornes duquel sont branchés les moyens de mesure précités. 9. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mesure précités sont constitués par un voltmètre électronique à affichage numérique/ 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce qu' il comporte un commutateur pour court-circuiter l'entre du voltmètre numérique entre les mesures.