Brevet FR2490340A1 — publié le 19820319

"Thermàmètre électronique" La présente invention concerne les thermomètres et elle porte particulièrement sur des thermomètres destinés à indiquer de façon précise des températures quasi-statiques à un instant antérieur à celui auquel le capteur est stabi- lisé à la température qui est mesurée. Depuis des siècles, les scientifiques travaillant sur les questions de chaleur souhaitent avoir la possibili- té de mesurer des températures de façon précise et rapide. Le type le plus courant de dispositif de mesure de tempéra- ture consiste en un élément de détection d'une certaine sortequi possède une caractéristique qui est fonction de la température du capteur, et en un indicateur d'une cer- taire sorte,qui est sensible à la caractéristique du capteur qui est fonction de la température. Pour mesurer la température d'un objet en utilisant un tel thermomètre, il est nécessaire qu'il y ait un transfert de chaleur de l'objet vers le capteur, jusqu'à ce que le capteur atteigne la température de l'objet, et à ce moment l'indicateur indi- que la température de l'objet, avec la précision du système de mesure. Du fait que la circulation de la chaleur d'un objet vers un capteur prend du temps, la rapidité avec laquelle on peut mesurer une telle température est limitée par les caractéristiques thermodynamiques du système. Le retard qui résulte de la nécessité du transfert de chaleur est appelé "retard thermique". Il arrive souvent que la stabilisation de la température du capteur prenne plus long-temps qu'on ne désire et, dans ces cas, il est souhai- table de faire une mesure précise avant la stabilisation. Les lois du transfert de chaleur sont telles qu'une mesure avant stabilisation est possible. On a décou- vert ceci dès avant le début du vingtième siècle et, au cours des années, on a conçu de nombreux thermomètres des- tinés à mesurer à la fois des températures statiques et dynamiques,tirant parti des caractéristiques de transfert thermique connues d'un système thermique particulier pour effectuer des mesures précises, avant même que la tempéra- ture du capteur ait atteint la température de l'objet. Le principe sur lequel est basée l'aptitude de ces thermomètres à mesurer une température plus rapidement qu'il serait possible par ailleurs est la loi du refroidissement, due à Newton. Lorsque cette procédure est appliquée à un système de mesure de température, on l'appelle compensation du retard thermique. Isaac Newton a découvert en 1701 que la vitesse de changement de température d'un objet (tel qu'un capteur) qui est en contact avec un autre objet est direc- tement proportionnelle à la différence de température entre les objets. Connaissant ceci, il est possible de calculer un facteur de correction à partir de la vitesse de change- ment de la température du capteur, et lorsque ce facteur est additionné à la température instantanée du capteur, il permet de déterminer la température réelle que détecte le capteur, même si la température du capteur n'est pas stabi- lisée. Des travaux anciens et définitifs concernant le principe ci-dessus ont été publiés dans le document Bulle- tin of the Bureau of Standards Vol. 8, 1913, page 659. Ce principe a été appliqué de nombreuses fois dans des dispo- sitifs décrits dans des brevets des E.U.A. et ailleurs. Par exemple, le brevet U.S. 3 111 032 et le brevet U.S. 3 702 076 décrivent tous deux des procédés de compensation du retard thermique. Le brevet S.U. 174 398 décrit un appa- reil particulièrement ingénieux. Bien qu'il puisse sembler à première vue que l'utilisation du principe de la loi de refroidissement de Newton permette d'effectuer une mesure de température presque instantanée, il existe en pratique un certain nom- bre de raisons qui empêchent d'atteindre l'objectif d'une lecture instantanée. Selon la précision désirée, on peut considérer qu'une amélioration du temps de lecture dans un rapport de 4 constitue un bon résultat. Chacun des documentsde l'art antérieur précités fait intervenir une façon différente d'appliquer la compen- sation de retard thermique et une manière différente de déterminer le moment auquel l'indication du thermomètre correspond à la température qui est mesurée. Cependant, aucun d'eux ne permet d'effectuer la mesure dans le temps le plus court possible. Conformément aux brevets U.S. 3 111 032 et 3 702 076, on arrête la mesure (c'est-à-dire qu'on considère que l'indication du thermomètre correspond à la température mesurée) au bout d'une durée fixe après le commencement de la mesure. Le brevet U.S. 3 702 076 décrit un second mode de réalisation dans lequel on arrête la mesure lorsque la vitesse de variation de la température du capteur tombe à une certaine valeur prédéterminée. Dans le brevet S.U. 174 398, on arrête la mesure lorsque la vitesse de varia- tion de la température du capteur multipliée par un facteur fixe est numériquement égale à la température instantanée du capteur. Dans tous ces cas, l'instant d'arrêt de la mesure ne présente pas de relation fixe avec la précision du facteur de correction ou avec la précision de la mesure. Ainsi, l'instant d'arrêt doit être fixé d'une manière assu- rant une marge de sécurité, afin que la précision de la mesure soit acceptable dans toutes les conditions de fonc- tionnement prévues. Conformément à l'invention, l'arrêt de la mesure est lié à la précision de la mesure et il est donc possible, en utilisant les principes décrits ici, d'effectuer des mesures dans le temps le plus court possible, compte tenu du système thermique et des paramètres de fonctionnement. Bien que l'invention soit utile dans d'autres domaines, on la décrira en relation avec des thermomètres médicaux, c'est-à-dire pour la mesure de la température du corps humain. Le capteur utilisé dans les thermomètres destinés à la mesure de la température du corps humain est de façon caractéristique une thermistance placée à l'extré- mité d'une sonde. On utilise habituellement un capuchon stérile à jeter après utilisation pour éviter la contagion. Un circuit électronique comprenant un convertisseur analo- gique-numérique et un dispositif d'affichage numérique per- mettent d'afficher la température du capteur, accompagnée d'une correction quelconque. Lorsque la combinaison de la sonde et du capuchon est introduite initialement dans la bouche, le capteur commence à s'échauffer rapidement. Au fur et à mesure que le temps s'écoule, la température du capteur s'approche de la température de la bouche et, conformément à la loi du refroidissement de Newton, la vitesse de variation de la température du capteur diminue. La courbe 10 sur la figure 1 est une courbe représentative de la température du capteur en fonction du temps. On peut voir qu'au fur et à mesure que le temps s'écoule après insertion de la sonde, la courbe 10 s'approche de façon asymptotique de la tempé- rature mesurée et, après un temps relativement long, elle est suffisamment proche pour qu'on puisse considérer que la température définie par la courbe est la température mesurée. Comme indiqué précédemment, on peut additionner un facteur de correction à toute valeur instantanée de la température du capteur le long de la courbe 10, pour obte- nir la valeur de la température mesurée. Ce facteur de correction est le produit d'un facteur de proportionnalité (appelé constante de temps thermique) et de la vitesse de variation de la température du capteur au moment considéré. Malheureusement, la constante de temps thermique de la plupart des systèmes thermiques n'est pas connue de façon précise et, en fait, ce n'est habituellement pas du tout une constante, mais une valeur qui-varie quelque peu d'une mesure à une autre, en fonction des conditions initiales ainsi que d'autres facteurs et également en fonction-du temps. Par conséquent, on ne peut pas obtenir une indica- tion fiable de la température mesurée au début du cycle de mesure. La courbe 11 de la figure 1 montre un exemple de tracé des températures indiquées en fonction du temps pour la courbe 10, avec une correction basée sur le produit d'une constante de temps thermique supposée pour le système par la vitesse de variation de la température du capteur. Comme on le voit, on ne peut pas obtenir une indication de température précise avant l'écoulement d'une certaine durée après l'insertion de la sonde. Comme mentionné ci-dessus, on a traité ce problème dans le passé soit en attendant pendant une certaine durée fixe, soit en attendant que la vitesse de variation de la température du capteur tombe à une valeur suffisamment faible pour que la correction ajoutée à la tem- pérature du capteur soit suffisamment faible pour que toute erreur présente dans la correction soit faible. Aucun de ces procédés ne permet d'obtenir une indication de température dans le temps le plus court possible. Conformément aux principes de l'invention, on peut obtenir une indication le plus tôt possible. On parvient à ceci en contrôlant la température corrigée du capteur et en arrêtant la mesure lorsque l'indication de température corrigée arrive à une valeur pratiquement stable, c'est-à- dire lorsque l'indication ne varie pas de plus d'une certai- ne valeur prédéterminée pendant un intervalle de temps pré- déterminé. Comme mentionné précédemment, la "constante de temps thermique" dessystèmes thermiques n'est pas vraiment constante, mais varie au cours du cycle de mesure. Ceci est particulièrement vrai en thermométrie médicale, du fait que le système thermique est compliqué par la présence d'un capuchon sur le capteur. Il est possible d'améliorer la vitesse à laquelle on effectue des lectures de température en prenant une valeur variable de la constante de temps thermique dans le calcul du facteur de correction de retard thermique, au lieu d'une valeur fixe, comme il a été décrit dans l'art antérieur. En fait, on a trouvé qu'une forme particulière d'équation de facteur de correction, indiquée ci-après, est très bien adaptée aux caractéristiques de la thermistance habituelle et du capuchon stérile à jeter d'un thermomètre médical. Un aspect de l'invention porte sur un thermomètre électronique du type comprenant des moyens destinés à modi- fier le signal de sortie électrique d'un capteur de tempé- rature pendant un cycle de mesure, en fonction de la vitesse de variation de la température du capteur, la tem- pérature mesurée étant représentée par le signal électrique modifié, caractérisé en ce que cette fonction est pratique- ment A Log (1 + B T'), A et B étant des constantes tandis que T' est la vitesse de variation de la température du capteur. S 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 aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente un exemple d'une courbe des températures d'un capteur en fonction du temps et de la même courbe à laquelle on a ajouté un facteur de correc- tion. La figure 2 est un schéma synoptique d'un mode de réalisation actuellement préféré de l'invention. On va maintenant considérer la figure 2, qui est un schéma synoptique d'un thermomètre utilisant les principes de l'invention, sur laquelle on voit un capteur 21 branché à un amplificateur 22. En thermométrie médicale, le capteur est de façon caractéristique une thermistance montée à l'extrémité d'une sonde et, en utilisation, on emploie normalement un capuchon stérile à jeter après uti- lisation, pour éviter la contagion. Le brevet U.S. 4 054 057 décrit une sonde à thermistance et un capuchon caractéristiques destinés à l'utilisation en thermométrie médicale. Le capteur à thermistance est habituellement connecté dans un circuit du type en pont dont la tension - de sortie est fonction de la température du capteur. On peut utiliser avec l'invention d'autres types de capteurs de température et d'autres circuits, et les circuits et les capteurs appropriés sont bien connus. L'amplificateur 22 amplifie le signal de sortie du circuit du capteur et il fournit une tension destinée à attaquer un convertisseur analogique-numérique (A-N) 23. Dans un mode de réalisation actuellement préféré de l'in- vention, le signal de sortie du convertisseur A-N 23 se présente sous forme binaire parallèle. Un microprocesseur 24 reçoit le signal de sortie du convertisseur A-N 23 et il accomplit certaines opérations mathématiques sur les données, comme on va maintenant le décrire. L'information numérique représentant la tempéra- ture du capteur qui apparaît en sortie du convertisseur A-N 23 est échantillonnée deux fois par seconde par le micro- processeur 24 et enregistrée temporairement dans une mémoire 25. La capacité de mémoire est suffisante pour enregistrer les données représentant les trois échantillons immédiate- ment précédents. Les éléments de calcul du microprocesseur disposent-donc de données représentant trois mesures de température successives. On peut désigner ces températures par T0, T1 et T2. La température la plus récente est T et la plus ancienne (antérieure de.deux secondes) est T2. Si le capteur, en association avec l'objet dont on mesure la température, constitue ce qu'on appelle un système à une seule constante de temps (c'est-à-dire si la constante de temps est vraiment constante), on peut calcu- ler un facteur de correction C à chaque demi-seconde en utilisant la formule suivante C - A(T 0 -T2) Dans cette formule, le facteur (T0 - T2) a une valeur numé- rique très proche de la vitesse de variation de la tempéra- ture du capteur à l'instant de T et A est la constante de temps thermique du système. On a trouvé que,dans un thermomètre médical pra- tique utilisant un capteur et un capuchon du type décrit dans le brevet U. S. 4 054 057 précité, le système thermique est beaucoup plus complexe que le système à une seule cons- tante de temps envisagé au paragraphe précédent, et on peut obtenir une valeur plus précise du facteur de correc- tion en utilisant la formule suivante C - B Log[l+A(TO-T2)] dans laquelle A et B sont des constantes dont les valeurs dépendent des caractéristiques du capteur et du capuchon particuliers qui sont utilisés. A titre d'exemple, les constantes A et B,qui donnent un facteur de correction C qui correspond avec une très bonne approximation à une com-a binaison pratique particulière de capuchon et de capteur largement utilisée,sont les suivantes: A=40 et B=0,8. Une fois que le microprocesseur a calculé le facteur de correction C, que ce soit par l'une ou l'autre des formules indiquées ci-dessus, ou par l'utilisation de quelque autre formule adaptée au système thermique et au capteur particuliers utilisés, la température mesurée Tm est calculée (par le microprocesseur 24), en utilisant la formule T-T + C-- m T1 Le microprocesseur 24 calcule la température T m à chaque demiseconde et il la présente sur le dispositif d'affichage 26. Comme on peut le voir sur la courbe 11, considérée à.titre d'exemple, de façon caractéristique la température Tm augmente tout d'abord rapidement et peut même dans certains cas dépasser la valeur réelle de la tem- pérature qui est mesurée. Cependant, finalement, lorsque la température du capteur s'approche de la température mesurée, et,lorsque le facteur de correction C devient relativement faible, T converge vers la température réelle qui est mesurée. Les valeurs de Tm qui viennent d'être calculées sont comparées avec la valeur de Tm calculée une demi- seconde plus tôt, la valeur précédente étant enregistrée dans la mémoire 25. Le microprocesseur 24 effectue ces comparaisons chaque demi-seconde jusqu'à ce que toutes les différences entre six comparaisons successives soient inférieures à une certaine valeur prédéterminée, par exem- ple 0,030C. Six différences successives inférieures à 0,030C indiquent que la valeur de Tm a convergé vers la température mesurée et, à ce point, le cycle de mesure de température est arrêté, l'affichage est figé et l'avertis- seur sonore 27 est mis en fonction pour informer l'utilisa- teur que la valeur de Tm qui est affichée constitue une mesure précise de la température mesurée.- Les fonctions de calcul et de commande décrites ci-dessus sont des opérations bien connues dans le domaine des microprocesseurs et on ne les décrit donc pas en détail. Les spécialistes de la programmation des micropro- cesseurs pourront aisément mettre en oeuvre les fonctions décrites, sans détails supplémentaires. On vient de décrire un thermomètre électronique dans lequel la température mesurée est calculée de façon répétée au cours d'un cycle de mesure et les valeurs calcu- lées sont comparées pour déterminer si le calcul a donné une série de valeurs cohérentes. Une série de valeurs cohé- rentes de la température calculée indique que la tempéra- ture affichée est exacte, et lorsqu'une telle série appa- rait, la mesure est arrêtée et la dernière valeur calculée est adoptée en tant que mesure de la température qui est mesurée. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Thermomètre électronique du type comprenant des moyens (24) destinés à modifier le signal de sortie électri- que d'un capteur de température (21) pendant un cycle de mesure, en fonction de la vitesse de variation de la tempé- rature de ce capteur, la température à mesurer étant repré- sentée par le signal électrique modifié, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) des moyens (24) destinés à contrôler les variations du signal électrique mesuré; et (b) des moyens (24) qui réagissent à ces variations en arrêtant le cycle de mesure. 2. Thermomètre électronique selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le cycle de mesure est arrê- té lorsque le signal électrique modifié ne varie pas de plus d'une valeur prédéterminée au cours d'un intervalle de temps prédéterminé. 3. Thermomètre électronique selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le signal électrique modifié est échantillonné périodiquement et le cycle de mesure est arrêté lorsqu'un nombre prédéterminé d'échantillons - successifs ne présentent pas de variation supérieure à une valeur prédéterminée. 4. Thermomètre électronique du type comprenant des moyens (24) destinés à modifier le signal de sortie électrique d'un capteur de température (21) pendant un cycle de mesure, en fonction de la vitesse de variation de la température du capteur, la température à mesurer étant représentée par le signal électrique modifié, caractérisé en de que ladite fonction est pratiquement A Log (1 + BT'), A et B étant des constantes,tandis que T' est la vitesse de variation de la température du capteur.