Brevet FR2480935A1 — publié le 19811023

Syt de mesure d'un- a-mèn-Dsgu tL -É-ELa-r La présente invention concerne les sondes pour la mesure de paramètres physiques et en particulier pour la mesure de températures qui comportent une thermistance sensible à la température à mesurer, qui commande la fré- quence-de sortie d'un oscillateur de façon à effectuer une conversion température-fréquence. L'invention s'applique en particulier aux systèmes océanographiques dans lesquels le signal de sortie de la sonde e st transmis à une station de mesure en surface. Dans certains systèmes'de ce type, l'oscillateur contenu dans la sonde est alimenté à partir d'une source d'alimentation de surface et le signal de sortie de la sonde est transmis vers un détecteur en surface. Du fait qu'il est souhaitable de réduire au minimum la taille et le coût de la sonde, en particulier lorsque la sonde ne peut pas être récupérée, il est souhaitable de réduire au minimum la taille des cables transmettant l'énergie vers la sonde et le signal de sortie provenant de la sonde. Un câble plus petit augmente également la profondeur po- tentielle que peut atteindre la sonde, en permettant de loger une plus grande longueur de câble dans le même vo- lume. Cependant, de gros câbles et des signaux de sortie d'oscillateur de puissance élevée sont habituellement nécessaires pour obtenir un signal mesurable à la sta- tion en surface. Conformément à l'invention, et de façon générale, la sonde contient un élément de ccnmutation qui est connecté à un circuit de dé- tection; l'oscillateur est connecté à l'élément de ccaunutation de façon à ouvrir et à fenrer le circuit sous la dépendance de la fréquence de sortie de l'cscillateur; le système ccrnprend des moyens destinés à fournir de l'énergie à l'oscillateur et au circuit de détection; et des noyens de détection de fréquence sont placés à une station de mesure éloignée de façon à dérecter l'ouverture et la fermneture du circuit. Dans des modes de réalisation préférés, une seule source d'énergie électrique continue siutée à la station de mesure alimente il la fois l'oscillatceur et le circuit de d('tection; le fil connectant les composants de la sonde aux composants de la station de mesure a une longueur d'au moins 750 ni et cette longueur peut aller jus(lu'à 3 000 m ou davantage, tandis q(lue le dia- - mètre du fil est inférieur à environ 0,10 mm; l'1lémernt de commutation est un transistor; l'oscillateur est un multivibrateur du type CMOS qui est connecté à un diviseur CMOS; le facteur cide gain du transistor est au moins égal à 100; et l'oscillateur consomme moins de 10 mW. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre non limitatif. La suite de la description se réfère au dessin annexé qlui est un schéma du cir- cuit (le l'invention, dans une sonde et une station de me- sure associée. Le dessin représente schématiquement une son- de bathythermographique 20 qui est connectée à d(les fils de cuivre 34 et 36, de 0,09 mm de diamètre d'un cable isolé à dcieux fils, 38, q(ui est un câble de grande lon- gueur (plus de 750 m) qui s 'étend entre la sonde et une station de mesure 21 (par exemple un navire). Le systè- me global peut être par exemple du type qui est décrit dans le brevet US 3 221 556 et il comprendrait dans ce cas des moyens de bobinage appropriés au niveau de la sonde et de la station 21, pour permettre le (dévidage du câble et la mise en oeuvre de la sonde à partir d'un navire en mouvement. Un tel système, utilisant des (électrodes de mer 44 et 46 et un chemin de retour par l'eau de mer pour fermer les circuits de la sonde, ne constitue que l'un des nombreux systèmes de mesure auxquels l'invention peut être avantageusement ap- pliquée. A la station de mesure 21, le fil 36 est colnnecté à la borne positive d'une source d'énergie continue à 28 V, portant la r(f(érence 30, par l'in- termnédiaire dl'une résistance de chute de tension 40, pour former un circuit de dctection faisant intervenir un transistor à gain élevé "12 dans la sonde 20, le cir- cuit se refermant à la borne négative de lc source d('(Inergie 30 par les é'lectrodes de masse 44 et 46 en contact avec l'eau (e mer. Un déteeteur cIe fré'quence 32 est branché aux bornes dlu circuit pour détecter la fréquence d(es chutes de tension (lui se produisent lorsque le transistor!42 ferme le circuit de façon rép(éte. Dans la sonde 20, la base clu transistor de com- mutation 42 est connectée par une resistaincee 48 à la sortie d'un oscillateur 24 fourInissant des signaux car- rés, qui comprend un circuit intégré multivibrateur 26 et un circuit intóIgré diviseur 27. La fréquence de sor- tie du multivibrateur 26 est conmmandée par une thermis- tance 22 et un condensateur 28. L'énergie nécessaire à l'oscillateur 24 est fournie par la source d'énergie 30 par l'intermédiaire du fil (le bobinagFe 34 qui, dan;s la station 21, est con- necté à la borne positive dle la source 30 et, dans la sonde 20, est connecté à un conducteur 54 et aux con- ducteurs positifs d'un condensateur 50 et d'une diode zener 52 branchés en parallèle. Les conducteurs néga- tifs du condensateur 50 et de la diode zener 52 sont connectés au conducteur 56 de l'oscill.teur et'à l'élec- trode de masse 44, en contact avec l'eau doe mer. Le cir- cuit se referme vers la borne négative de la source d'éInergie 30 par l'électrode de masse 46, en contact avec l'eau doe mer. Les composants utiliséls dans le mode de réa- lisation prrf('re sont les suivants: Rt 22.................. varie de 18 094 ohms à - 2 C à 3263 ohms à 35 C. Multivibrateur 26.. multivibrateur astable de faible puissance CMOS 4047 Diviseur 27........ diviseur CMOS 4024, divisant la fréquence par 16. Détecteur dce fré- quence 32.......... LM 306 R1 48......... 100 000 ohms R148....... ql - R h0o................--..... - -1000ohms Condensateur 28............. 0,0086 pF Condensateur 50............. 5,6 pF Transistor 42.............. . MPS 5172 Fils 34 et 36............... fil de bobinage de 0,09 mim de cliinmètre I)iode zoner 52.............. CR1 1N5240 10 V Du fait que la fré(quence do sortie dlu multivi- brateur 26 varie en fonction inverse de la ré(sistance de la thermistance 22, et (lu fait que la résistance dle la thermistance 22 varie en fonction inverse die sa temi)éra- ture, le circuit (décrit effectue une conversion tempéra- ture-fréquence. Plus précisé(ment, le n:ultivibrateur 26 et le diviseur 27, qui utilisent la technologie métal- oxyde-semiconducteur à symétrie compl'irentaire (CMIOS) se sont averes avoir la stabilité de fréquence nécessaire en fonction d(lu temps et sur une plage de températeur étendue. i La fréquence d1e sortie est: F =, en désignant m 4h4Rtci par Rt la résistance de la thermistance 22 et par C1 la capacité du condensateur 28. Il est souhaitable de main- tenir à une valeur faible la taille et donc la capacité du condensateur 28, et dans le mode de réalisation pré- f6ré sa valeur est le fréquence (le sortie du multivibrateur 26 dans un rap- port (le 16 eon utilisant le diviseur CMOS 27, ce qui don- ne pour la fréquence de sortie F0 de l'oscillateur 24 une valeur de 91,25 Hz à - 2 C et de 506,2 Hz à 35 C. Ce signal do sortie est appliqué à' la base du transistor 42, de façon qu'il ouvre et ferme le cir- cuit de détection à la cadence de F = Q 16(l,4RtC1). A la.station 21, le détecteur fernime de façon r6pt'te, et ceci offre un moyen pour dé- teeter à distance la frc'quence teur 24 et donc la templ'rature de la thermistance 22. L'oscillateur 2214 1ut avantageusement ne fournir qu'une puissance de sortie suffisante pour faire fonction- ner i'ó1i4lmónt de commutation à transistor 42, et ceci consomme relativemont peu de puissance, par exemple moins de 10 mW, ce qui évite la nécessité d-'employer des fils de forte section capables d'alimenter l'oscillateur et de transmettre le signal de sortie de leoscillateur vers la station de mesure éloign6e avec une énergie suffisante pour permettre une mesure de fréquence. D'autres modes de réalisation entrent dens le cadre de l'invention. Par exemple, on peut utiliser l'in- vention dans le cas o des paramètres autres que la tem- pérature sont convertis en fréquence pour effectuer une mesure. On peut utiliser (les stations de surface situées sur terre et sur mer en association avec une sonde mari- ne. On peut r'duire la section des fils de la sonde, par exemple jusqu'à 0,08 mm de diamàtre, en fonction de la longueur des fils et (les exigences que. On peut é'galoment utiliser une plus forte section, comn:e par exemple 0,16 mm (de diamàtre, en fonction de ces exigences. La longueur périeure à 750 m, et elle peut aller par exemple jusqu'à au moins 3000 m. Le facteur de gain de l'él('mont (le com- mutation à transistor peut varier et il est de préféren- ce supérieur à 100. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et repre- senté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICAT IONS 1. Système de mesure d'un paramètre physique compre- nant une station de mesure, une sonde éloignée de la station de mesure et des moyens destinés à fournir de l'é- nergie aux composants situés dans la sonde, ces composants de la sonde comprenant un oscillateur dont la fréquence de sortie varie en fonction de la valeur d'un élément détec- teur, tandis que la station de mesure comporte des compo- sants qui comprennent des moyens destinés à détecter la fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend un élément de commutation situé dans la sonde(20)et connecté à un circuit de détection; et en ce que la sortie de l'oscilla- teur 24 est connectée à l'élément de commutation(42)de façon à ouvrir et à fermer le circuit de détection sous la dépendance de la fréquence de sortie de l'oscillateur, et les moyens de détection de fréquence(32)sont connectés au circuit de détection afin de détecter la fréquence de la fermeture répétée du circuit. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens destinés à fournir de l'énergie sont constitués par une source d'énergie continue (30) qui est située à la station de mesure (21) et qui est connectée à l'oscillateur (24) et au circuit de détection. 3. Système selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il existe au moins un fil (34) ou (36) connectant les composants de la sonde (20) aux composants de la station de mesure (21) et ce fil a une longueur d'au moins 750 m. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le diamètre du fil est inférieur à 0,10 mm. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'oscillateur (24) consom- me moins de 10 mW. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de-commutation est un transistor (42) et la sortie de l'oscillateur (24) est connectée à la base de ce transistor. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que ce transistor'a un facteur de gain au moins égal à 100. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'oscillateur comprend un multivibrateur (26) à faible puissance du type CMOS. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que la sortie du multivibrateur est connectée à un divi- seur CMOS, et la sortie de ce diviseur (27) est connectée à la base de l'élément de commutation à transistor. 10. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un premier fil (34) connecte une première entrée de l'oscillateur à la borne positive de la source d'énergie continue (30) et un second fil connecte le collecteur du transistor à cette borne positive, une seconde entrée de l'oscillateur (24) et l'émetteur du transistor sont connec- tés à une première électrode (44) de masse en contact avec l'eau de mer dans la sonde, et la borne négative de la source d'énergie continue est connectée à une seconde élec- trode de masse (46) en contact avec l'eau de mer, à la station. 11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que la première entrée (54) de l'oscillateur (24) est également connectée au conducteur positif d'un condensateur (50) et au conducteur positif d'une diode zener (52), et la seconde entrée (56) de l'oscillateur est également connec- tée au conducteur négatif de ce condensateur et au conducteur négatif de cette diode zener. 12. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'un premier conducteur d'un détecteur de fréquence (32) est connecté au collecteur de l'élément de commutation à transistor (42) et un second conducteur du détecteur de fréquence est connecté à la seconde électrode de masse (46). 13. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que la connexion entre l'oscillateur et la base du transistor comprend une première résistance (48). 14. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que la connexion entre la borne positive de la source d'énergie et le collecteur du transistor comprend une seconde résistance (40). 15. S-stème de mesure d'un paramètre phy- sique comportant une station de mesure, une sonde éloignée de cette station de mesure et des moyens desti-_ nés à fournir de l'énergie aux composants situés dans la sonde, ces composants de la sonde comprenant un oscilla- teur dont la fréquence de sortie est sensible à la valeur d'un élément détecteur, et la station de mesure compor- tant des composants qui comprennent des moyens de détec- tion de fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend un premier circuit (34) qui connecte l'oscillateur aux moyens qui fournissent de l'énergie, et un'second circuit (36) comportant un élément (42) situé dans la sonde qui réagit au signal de sortie de l'oscillateur (24) en produisant un second signal de sortie dans le second circuit, ce second signal de sortie étant représentatif de la fréquence de sortie de l'oscillateur, et ce second circuit (36) s'étendant entre ledit élément (42) et les moyens de détection de fréquence (32) à la station. 16. Système selon la revendication 15, caractérisé en ce que ledit élément (42) est un élément de coaoptation. 17. Système selon la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens qui fournissent de l'énergie consis- tent en une source d'énergie continue (30) située à la station de mesure (21) et connectée à l'oscillateur (24) et aux moyens de détection. 18. Système selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'oscillateur (24) consomme moins de 10 mW. 19. Système selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'élément de commutation est un transistor (42) et la sortie de l'oscillateur est connectée à la base de ce transistor. 20. Système selon la revendication 19, caractérisé en ce que le premier circuit comprend un premier fil (34) qui est branché entre la source d'énergie (30) et l'os- cillateur (24) et un chemin de retour de courant par l'eau de mer, entre l'oscillateur (24) et la source d'énergie; et le second circuit comprend un second fil (36) qui est branché entre la source d'énergie et le collecteur de l'élément de commutation à transistor (42) et un chemin de retour de courant par l'eau de mer entre l'émetteur du transistor et la source d'énergie. 21. Système selon la revendication 20, caractérisé en ce que les premier et second fils ont une longueur d'au moins 750 m. 22. Système selon l'une quelconque des revendications ou 21, caractérisé en ce que les premier et second fils ont un diamètre inférieur à 0,10 mm.