Brevet FR2407459A1 — publié le 19790525

La présente invention concerne la mesure de la température, et a pour but de redire au minimum les circuits électroniques nécessaires à la mesure de la température dans une plage donnée, à l'aide de détecteurs de température à résistance, afin de réduire le coût du dispositif de mesure, tout en améliorant sa fiabilité. te détecteur de température à résistance le plus courant pour les applications de haute précision est à l'heure actuelle l'élément à résistance au platine, avec trois fils de cornexion (figure 1). On utilise trois fils pour faire en sorte que la tension de sortie VO du circuit en pont fondamental (figure 1) dans lequel cet élément est couramment utilisé soit moins sensible à la longueur de ces fils. En ajoutant des résistances supplémentaires au circuit en pont fondamental, on peut obtenir une approximation d'une relation linéaire entre VO et la température du détecteur. On peut ensuite procéder à une scrutation portant sur plusieurs de ces circuits en pont, mais il faut alors employer un multiplexeur analogique de type différentiel.Du fait que le détecteur de température à résistance est traversé par un courant permanent, il est nécessaire de maintenir ce courant à une valeur faible pour éviter un auto-échauffement. On aboutit ainsi dans l'art antérieur à un signal de sortie du pont à bas niveau, ce qui impose d'autres contraintes sur la stabilité des circuits de scrutation et d'amplification, pour pouvoir obtenir des résultats significatifs. L'invention permet d'obtenir un certain nombre de résultats intéressants qui suppriment les inconvénients des principes de mesure de l'art antérieur. L'invention n'impose pas de contraintes spéciales sur la structure du détecteur de température à résistance, et utilise au contraire la configuration existante à trois fils, largement répandue. L'invention permet de supprimer les résistances de très grande stabilité que l'on doit utiliser dans le circuit en pont fondamental de l'art antérieur. L'élimination des non-linéarités s1 effectue par une excitation à courant constant, de façon que la seule non-linéarité présente dans la tension qui apparat aux bornes de l'élément à résistance au platine, en fonction de la température, soit due aux propriétés physiques du platine lui-même. En. employant un courant constant se présentant sous la forme d'impulsions de forte amplitude à faible rapport cyclique, on réduit l'auto-échauffement, tout en assouplissant les conditions de stabilité des circuits de traitement des signaux. L'utilisation d'un multiplexeur analogique dissymétrique, et non d'un multiplexeur différentiel, permet d'obtenir une relation de proportionnalité directe entre la résistance et la température. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma du circuit en pont fondamental de l'art antérieur, pour la mesure de la température par résistance; La figure 2 est un schéma simplifié d'un mode de réalisation avantageux du dispositif de mesure de température par résistance de l'invention; La figure 3 est un schéma plus détaillé d'un mode de réalisation avantageux des circuits de scrutation qui font partie du dispositif de mesure de l'invention; La figure 4 est un schéma d'une configuration avantageuse de la source à courant constant qui est utilisée dans le dispositif de l'invention; La figure 5 est un schéma des circuits d'amplification et de linéarisation de signal du dispositif de l'invention;; La figure 6 représente un exemple de profil de température que peut fournir le dispositif de l'invention; et La figure 7 est un graphique qui montre les variations de plusieurs signaux qui apparaissent en plusieurs points des circuits du dispositif de mesure. Le principe fondamental du dispositif de mesure de l'invention consiste à prélever le signal indiqué par le détecteur de température à résistance à l'emplacement intéressant, et à lier ce signal à un signal de "température zéro", afin que le signal indiqué représente directement la température réelle à l'emplacement considéré, ce qui permet d'obtenir une loi linéaire pour le signal résultant, et d'avoir ainsi un signal de sortie directement proportionnel à la température de l'emplacement considéré. Ce principe fondamental ressortira plus clairement d'une analyse rapide du comportement du platine en ce qui concerne la relation résistance/température. L'équation de Oallendar définit la résistance du platine dans la plage de température allant de OOC à 6300C: Dans cette équation, on a : RT = résistance à la température T R0 = résistance à T = OOC A,D= constantes. On peut également écrire l'équation ci-dessus sous la forme RT = Rg (1 + &alpha;T - bT2) avec Fi le détecteur de température est traversé par un courant constant I = O, il apparaît une tension VT donnée par la relation: VT = IORT = 1o Ro (1 + T - - bT2) = VO (1+ &alpha;T- bT) Si on soustrait VO de VT, et on multiplie la différence par un gain G, on obtient une tension V égale à V = (VT - v0) G = VO G&alpha;T (1 - b T) &alpha; le signal de sortie désiré est ET = VO Go(T, et est évidemment linéaire par rapport à la température T exprimée en 00. Un mode de réalisation avantageux du dispositif de mesure de l'invention, représenté sur la figure 2, comprend un scrutateur, un circuit d'amplification et de zéro et un circuit de linéarisation. Le scrutateur comporte un ou plusieurs détecteurs de température à résistance placés à une certaine distance les uns des autres à l'emplacement ou aux emplacements intéressants auxquels on désire mesurerla température, et ce scrutateur comporte des moyens de commutation qui effectuent une scrutation séquentielle de chaque détecteur de température à résistance et fournissent à partir de chaque détecteur un signal, appelé ci-après signal de détecteur, qui est proportionnel à la température de l'emplacement choisi. te circuit d'amplification et de zéro reçoit séquentiellement chaque signal de détecteur, et l'amplifie avec un gain approprié, puis compare le signal amplifié avec un signal de référence standard, pour produire un signal de différence qui est lié de façon directe à la température réelle du ou des emplacements intéressants. Le circuit de linéarisation linéarise le signal de différence et fournit un signal de sortie linéaire qui est directement proportionnel à la température réelle du ou des emplacements intéressants. Sur la figure 2, les différents détecteurs de température à résistance marqués N 1, No2,...Non sont disposés aux différents emplacements auxquels on désire mesurerla température. Ces détecteurs sont scrutés séquentiellement et individuellement par le scrutateur qui branche séquentiellement et individuellement chaque détecteur entre une source à courant constant lo et la masse G du dispositif. Dans ce but, le scrutateur comporte un circuit d'attaque et de décodage 12, correspondant à n'importe quelle configura tion appropriée disponible dans le commerce, comme par exemple le circuit d'attaque et de décodage DCB/décimal du type 54/74145 de la firme Signetics Inc. Le circuit d'attaque et de décodage 12 comporte un nombre de transistors de commutation de sortie Q1, Q2, ... e égal au nombre de détecteurs de température à résistance utilisés. Cette configuration du circuit d'attaque et de décodage 12 fournit un nombre choisi de -sorties individuelles (n) qui est m défini par l'équation n = 2m, en désignant par m le nombre d'entrées d'adresse. Ainsi, dans le cas de trois entrées d'adresse, on peut obtenir 8 signaux de sortie distincts. Comme il est représenté sur la figure 2, l'adresse à m bits qui est appliquée à l'entrée du circuit d'attaque et de décodage 12,est appliquée simultanément à un multiplexeur analogique à n voies 14, décrit ultérieurement. Chaque détecteur de température à résistance N 1, N02, ,,.Non est identifié par une adresse particulière qui, lorsqu'elle est appliquée au circuit d'attaque et de décodage 12, provoque la conduction du transistor de commutation (Q1 > Q2...Qn) associé, ce qui a pour effet de connecter le détecteur de température correspondant à la source à courant constant Io L'entrée du circuit d'attaque et de décodage 12 reçoit également un signal de validation E a qui "valide" le circuit d'attaque et de décodage, pour la réception de l'adresse. Comme il est représenté sur la figure 6, le orignal de validation E a ect appliqué au circuit d'attaque et de décodage 12 pendant un intervalle de temps prédéterminé, et il t'valide" ainsi le circuit d'attaque et de décodage, pour la réception d'une adresse pendant la durée de l'intervalle représenté. Pendant cet intervalle, le circuit d'attaque et de décodage 12 reçoit séquentiellement l'adresse de chaque détecteur de température par exemple chacune des huit adresses (N 1 - N 8) comme il est représenté sur la figure 6, et chaque adresse valide séquentiellement le détecteur de température associé, pour qu'il fournisse un signal représentant la température à l'emplacement respectif. Par exemple, en se reportant aux figures 2 et 6, on voit que si l'adresse qui est appliquée au circuit d'attaque et de décodage 12 concerne le détecteur N01, le transistor de commutation Q1 devient conducteur, ce qui branche le détecteur N01 entre la source à courant constant lo et la masse G du dispositif. La figure 2 montre que la source à courant constant comprend deux générateurs 1o (gauche) et lo (droit) branchés à une source de tension commune Es, qui peut être de + 15 V. Les générateurs de courant sont connectés séparément au point A et au conducteur commun 25. Comme il a été indiqué précédemment, les générateurs de courant peuvent fournir des impulsions de courant de faible rapport cyclique, par exemple 10 impulsions par seconde de 7,5 mA, pour empêcher un échauffement excessif des détecteurs de température, tout en permettant d'obtenir un signal de détecteur approprié en sortie de chaque détecteur de température. Au moment de la "fermeture "du transistor de commutation associé Q1, Q2 - Qnf la source à courant constant 1o est donc branchée au détecteur de courant particulier qui lui est associé à un instant donné, pour exciter ce détecteur. On comprendra mieux le comportement de ce circuit en se référant également à la figure 3 sur laquelle on n'a représenté que les détecteurs N01 et N02, et sur laquelle on a porté entre parenthèses les états des transistors de commutation associés Q1 et Q2. Chaque détecteur de température est du type classique à trois fils,. comme il a été indiqué précédemment, dans lequel tous les fils ont pratiquement une même résistance, désignée par r. Par exemple, un fil (rl) du détecteur N01 est connecté au point A, branché à l'une des bornes de la source à courant constant Iof et à la borne positive (+) de l'amplificateur de mesure A1. L'amplificateur différentiel en circuit intégré monolithique fabriqué par la firme Analog Devices Inc. sous la référence AD521 constitue un type d'amplificateur de mesure disponible dans le commerce qui s'est avéré convenir à cette application. Les deux autres fils R2, R3 du détecteur de température N01 sont branchés respectivement au collecteur du transistor de commutation Q1 et au point B. te détecteur N02 est branché de façon similaire au scrutateur , et son fil r1 est connecté au collecteur du transistor de commutation Q2, qui est représenté à l'état bloqué, tandis que les deux autres fils R2, R3 sont branchés respectivement au point A (par le conducteur 16) et au point C. Le multiplexeur analogique à n voies est représenté schématiquement en 14, et il accomplit la fonction de plusieurs interrupteurs G1, G2, ... G n connectés en commun par le conducteur 20 à la borne négative (-) de l'amplificateur A1. I1 existe un interrupteur de ce type pour chaque détecteur; Par exemple, la borne de l'interrupteur G1 qui n'est pas connectée en commun est branchée par le conducteur 17 au point B. De façon similaire, la borne correspondante de l'interrupteur G2 est branchée par le conducteur 18 au point C. Tous les autres interrupteurs G3,...Gn sont branchés de façon similaire au point correspondant du circuit pour les autres détecteurs de température, c'est-à-dire les détecteurs N03, ...NOn. La figure 2 montre quelle circuit d'attaque et de décodage 12 et le multiplexeur analogique 14 reçoivent tous deux le signal d'adresse et le signal de validation, de façon. à être déclenchés simultanément. La figure 6 montre que le signal de validation qui est appliqué aux deux éléments 12 et 14 et qui se prolonge pendant la durée représentée, valide ces éléments de façon qu'ils reçoivent, scrutent et traitent séquentiellement chaque signal de détecteur particulier. Le multiplexeur analogique 14 peut être d'un type quelconque disponible dans le commerce, comme par exemple le multiplexeur fabriqué par la firme Harris Corporation, Semiconductor Division, sous la référence HI-506A/HI-5. On considèrera dans la description de ce circuit que l'interrupteur G1 est fermé et que les interrupteurs G2, ... Gn sont ouverts, comme il est représenté sur les figures 2 et 3. De même, c-omme il est représenté sur la figure 3, on utilise une seule résistance R pour la seconde source à courant constant lo (droit) dans la mesure où on peut tolérer de faibles variations du courant en ce point. Des diodes de blocage CR1, CR2, ... CRn sont connectées individuellement à chaque circuit de détecteur, entre la source à courant constant 1o (droit) et le côté inférieur (sur la figure 3) de chaque détecteur. Ainsi, par exemple, la diode CR1 est branchée entre les points D et B en série avec le détecteur NQ1, et la diode CR2 est branchée de façon similaire entre les points D et C, dans le circuit du détecteur N02. Avec le scrutateur représenté sur la figure 3, le courant constant 10 de la source Io (gauche) circule entre T point A et le point 21, en passant par le fil supérieur rl du détecteur N01, et ce détecteur lui-même. De façon similaire, le courant constant 1o de la source 1o (droit) part du point D, traverse la diode CR1 vers le point , puis traverse le fil inférieur r du détecteur N01 pour atteindre le point 21, auquel il se combine avec le courant constant lo de la source 1o (gauche) qui traverse le détecteur N01.Les deux courants combinés-traversent ensuite le fil inférieur restant r2 du détecteur N01, pour atteindre la masse G du dispositif par l'intermédiaire du collecteur du transistor de commutation Du fait que les deux courants 1o circulent dans des sens opposés en traversant les résistances égales (r1, r3) des fils du détecteur N01, il apparaît des tensions égales et opposées (r.IO) qui s'annulent, et la tension entre les points A et B est égale à VT, c'est-à-dire à la chute de tension aux bornes du détecteur N01, qui représente la température à l'emplacement de ce détecteur. La figure 4 représente une configuration de circuit appropriée pour la source de courant 1o Cette source comporte un amplificateur opérationnel A2 dont la sortie est connectée aux transistore T1 et T2, qui sont branchés en montage Darlington. On peut par exemple utiliser dans- ce but l'amplificateur opérationnel qui est fabriqué par la firme Precision Monolithics Inc. sous la référence OP-07. L'amplificateur A2,avec le circuit de contre-réaction représenté tend à maintenir la chute de tension aux bornes de la résistance RR à une valeur égale à une tension de référence VR. Lorsque les transistors T1 et T2 sont branchés de la manière représentée, on peut considérer que le courant de base Ib est négligeable. Le courant d'émetteur, qui représente le signal de sortie désiré, est égal au courant qui traverse la résistance RR (le courant de polarisation de l'amplificateur est également négligeable), si bien qu'on a : lo = VR/RR = constante. Lorsque lssinterrupteur analogique Gì est fermé, cette tension VT est appliquée à l'amplificateur A1, qui l'amplifie de façon appropriée. La tension VT est représentée sur la figure 7, à la fois sous sa forme théorique V'T, et sous sa forme réelle VT. La tension VT réelle qui apparaît aux bornes du détecteur N01 présente un certain défaut de linéarité, du fait des paramètres propres au platine, comme il est bien connu. On a indiqué précédemment que la tension de sortie désirée s' exprime par ET + VO GiT, ce qui correspond à une relation linéaire par rapport à la température, exprimée en degrés centigrades. L'amplificateur de mesure A1 qui apparaît sur les figures 2 et 5 est un amplificateur en circuit intégré monolithique disponible dans le commerce, qui comporte en outre deux entrées supplémentaires, marquées S et R, et qui correspondent respectivement à une entrée de détection et une entrée de référence. L'application d'une tension sur l'entrée R modifie la tension de sortie de la même valeur (addition), tandis que l'application d'une tension sur l'entrée S modifie en sens inverse la tension de sortie, pour donner une tension de sortie de différence.On utilise cette fonction de l'amplificateur pour obtenir une tension de sortie nulle (ET = 0 lorsque T = OOG) lorsque VT = VO, en appliquant une tension positive VO sur l'entrée de détection, par l'intermédiaire du diviseur de tension RC, RD qui est branché à une tension d'alimentation positive appropriée Es, pour fournir une tension positive VO. La borne d'entrée de référence R de cet amplificateur constitue un point commode pour appliquer à l'amplificateur une tension de correction de loi quadratique, afin d'obtenir un signal de sortie linéaire. Comme il est représenté sur les figures 2 et 5, l'amplificateur A1 est branché dans une boucle qui comprend un additionneur 22, un circuit d'élévation au carré (multiplicateir analogique) 24, et un atténuateur 26. La réponse en tension de cette boucle repr sentée sur les figures 2 et 5 s'exprime sous la forme ET = VTG - VoG + KET2 = V + VTG V0G KET = V + KET = ET (1 - b T) + KET2 = ET (1 - b T + KET) avec : V = (VG - VoG) et b T = KET = KV0Go(T b ou K = &alpha;V0 G Avec cette valeur de K, le terme b s'annule pour toutes les valeurs de T, sous l'effet d'un terme égal et opposé KET Ainsi, la tension de sortie ET pour chaque détecteur de température du dispositif est directement proportionnelle à la température exprimée en degrés centigrades ( O) et cette relation est représentée graphiquement par la droite ET/T sur la figure 7. Une fois qu'on a obtenu la tension ET pour le détecteur N01, on peut appliquer au circuit d'attaque et de décodage 12 l'adresse qui correspond au détecteur N02, comme il est représenté sur la figure 6, pour scruter le détecteur N02, et obtenir ensuite, après traitement la tension (représentant une température) pour le détecteur N02. De façon analogue, on peut attaquer séquentiellement le circuit d'attaque et de décodage 12 avec ses adresses pour scruter individuellement chaque détecteur, afin d'obtenir une tension qui représente la température à l'emplacement ou aux emplacements des détecteurs. On a réalisé avec succès un dispositif de mesure correspondant à l'invention en utilisant les valeurs de composants et les configurations indiquées. On voit ainsi que le dispositif de mesure de l'invention permet d'obtenir la température en un nombre prédéterminé quelconque d'emplacements intéressants, En outre, on voit également que la tension de sortie obtenue ET peut être appliquée à n'importe quel appareil d'affichage, comme par exemple un thermomètre numérique, un enregistreur graphique, etc, ce qui permet d'obtenir un enregistrement visuel et renseigné des mesures de température effectuées. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure destiné à déterminer de façon électrique la température en plusieurs emplacements intéressants, caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur de température à résistance situé en chacun des emplacements qui comporte un élément à résistance soumis à la température à l'emplacement considéré, la valeur de la résistanee de cet élément dépendant de la température à laquelle il est soumise;plusieurs paires de premiers et seconds conducteurs, chaque paire étant connectée aux bornes de l'un des éléments à résistance, et à une source à courant constant; un premier circuit qui possède un troisième conducteur connecté séparément à une extrémité de chaque élément à résistance, ce premier circuit comportant des moyens de commutation qui connectent séparément chaque troisième conducteur et l'élément à résistance qui lui est connecté à la masse du dispositif; des organes qui actionnent séquentiellement les moyens de commutation pour connecter séquentiellement chaque élément à résistance entre la masse du dispositif et la source de courant, afin que le courant de la source traverse les premiers et secondsconducteurs et l'élément à résistance qui leur est connecté, les connexions de chaque paire de premiers et seconds conducteurs avec la source à courant constant faisant circuler des courants de sens opposés dans cette paire de conducteurs, et les premier et second conducteurs de chaque paire ayant des résistivités effectives égales, afin de faire apparaître des chutes de tension égales et opposées aux bornes de chaque conducteur de chaque paire, pour qu'lles s'annulent mutuellement, tandis que le courant qui traverse l'élément à résistance connecté fait apparaltre aux bornes de cet élément une première tension de signal dont la valeur est proportionnelle à la température à l'emplacement considéré; un second circuit qui est branché aux bornes de chaque élément à résistance et qui fournit une tension de signal de sortie qui est proportionnelle à la première tension de signal; un organe qui fournit une seconde tension de signal dont la valeur est égale à celle de la tension de signal de sortie du second circuit, lorsque la température à l'emplacement choisi est nulle, le second circuit comportant un additionneur qui additionne la première tension de signal à une seconde tension de signal de signe opposé lorsque l'élément à résistance choisi est branché entre la masse du dispositif et la source de courant, pour faire apparaître une tension de signal de différence entre ces points; et un organe qui produit une troisième tension de signal et qui combine cette troisième tension de signal avec la tension de signal de différence, pour fournir une tension de mesure de température dont la valeur est directement proportionnelle à la température à l'emplacement choisi. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second circuit comporte un amplificateur qui amplifie la première tension de signal. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un additionneur qui peut être connecté à l'ampli- ficateur, et qui ajoute la seconde tension de signal de signe opposé à la première tension de signal amplifiée. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe qui combine la troisième tension de signal comporte un circuit d'élévation de tension au carré. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un atténuateur qui peut être connecté au circuit d'élévation au carré, et qui fonctionne en relation avec ce dernier pour fournir la tension de mesure de température dont la valeur est directement proportionnelle à la température à l'emplacement considéré. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second circuit comporte des seconds moyens de commutation qui fonctionnent simultanément aux moyens de commutation du premier circuit, et qui connectent l'élément à résistance choisi aux bornes du second circuit.