Brevet FR2687782A1 — publié le 19930827

Dispositif de compensation de jonction froide pour thermocouple La présente invention concerne les techniques de mesure et de transmission du signal de mesure, plus parti- culièrement la mesure de températures au moyen d'un ther- mocouple, et a pour objet un dispositif de compensation de jonction froide pour thermocouple, destiné notamment à être mis en oeuvre dans l'enceinte d'un spectromètre de résonance magnétique nucléaire. Actuellement, différents types de systèmes de mesure à thermocouple, associés généralement à des systè- mes régulateurs de température, sont connus et mis en oeuvre dans des applications variées. Ainsi, la régulation de la température d'un échantillon placé dans un aimant de spectromètre de réso- nance magnétique nucléaire est réalisé par un régulateur électronique utilisant un thermocouple pour la mesure de la température à proximité immédiate de l'échantillon. A la base de l'aimant du spectromètre, les fils du thermocouple, entourés d'une gaine de blindage, sont raccordés à un câble prolongateur, dit câble de compensa- tion, pour acheminer le signal à l'entrée du régulateur, souvent distant de plusieurs mètres. Comme un thermocouple est sensible à des diffé- rences de température, la jonction de référence, dite jonction froide, c'est-à-dire les points de rencontre entre les deux conducteurs des fils du thermocouple et les deux conducteurs en cuivre du circuit de mesure, doit être à une température connue pour faire une mesure de tempé- rature. Une façon de procéder consiste à plonger la jonction froide dans un bain de glace fondante Ceci a pour avantage de donner une tension de sortie nulle pour 0 C, rendant l'usage de table pour thermocouple possible. Une méthode plus pratique, connue sous le nom de "compensation électronique de soudure (ou de jonction) froide", consiste à additionner une tension de compensa- tion au signal du thermocouple de manière à éviter l'usage d'une jonction de référence maintenue à une température 5 constante (glace ou four). Les systèmes régulateurs de température actuels sont munis généralement d'un dispositif de compensation de jonction froide intégré dans leur structure, qui permet d'atténuer les erreurs de mesure induites par des varia-10 tions de température ambiante. Néanmoins, cette compensation de jonction froide interne des systèmes régulateurs actuels est relativement imprécise La précision maximale pouvant être atteinte étant au mieux de 5/100 de degré par degré de variation de température ambiante. De plus, les jonctions entre les fils du thermo- couple et les fils du câble de compensation sont également sensibles aux variations de température En effet, la com- position des deux fils du thermocouple, réalisés par exem-20 ple respectivement en cuivre et en constantan, n'est ja- mais rigoureusement identique à celle des deux fils du câ- ble de compensation, entraînant ainsi la génération d'un signal électrique perturbateur venant s'additionner au si- gnal utile fourni par le thermocouple de mesure.25 On connaît également des boîtiers autonomes de compensation de jonction froide pour thermocouple. Toutefois, la précision de la compensation réa- lisée par ces boîtiers connus n'est pas supérieure à celle indiquée précédemment, du fait, notamment, de l'influence30 directe des variations de température ambiante au niveau des connexions des fils du thermocouple sur ledit boîtier par l'intermédiaire de connecteurs. Le problème posé à la présente invention con- siste à réaliser un dispositif de compensation de jonction froide pour thermocouple pour lequel l'influence des va- riations de température ambiante sur le signal de mesure est fortement diminuée et préférentiellement inférieure à /1000 de degré par degré de variation de température am- biante, rendant le signal de mesure du thermocouple prati- quement insensible aux variations de température ambiante. A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif de compensation de jonction froide pour thermocouple, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué par un boîtier d'interface thermostaté, recevant directement les fils du thermocouple et assurant l'inter- connexion de ces derniers avec un câble prolongateur, le- dit boîtier d'interface comportant, en outre, un circuit de compensation de jonction froide. L'invention sera mieux comprise grâce à la des- cription ci-après, qui se rapporte à un mode de réalisa- tion préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe du boîtier d'interface conforme à l'invention et, la figure 2 est un schéma de principe du dispositif de compensation de jonction froide et du dispositif de régu- lation thermique, disposés dans le boîtier d'interface représenté à la figure 1, selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention. Conformément à l'invention, et comme le montrent les figures 1 et 2 des dessins annexés, le dispositif de compensation de jonction froide pour thermocouple est principalement constitué par un boîtier d'interface 1 thermostaté, recevant directement les fils 3, 3 ' du ther- mocouple 2 et assurant l'interconnexion de ces derniers avec un câble prolongateur 4, ledit boîtier d'interface 1 comportant, en outre, un circuit 5 de compensation de jonction froide. Le maintien d'une température constante et uni- forme à l'intérieur du boîtier d'interface 1, notamment dans l'espace environnant le point de contact 5 ', point générateur d'une tension d'erreur liée à ses variations de température, dont les variations maximales sont préféren- tiellement maintenues inférieures à 0,10 C, permet de réa- 4 liser, par voie électronique, une compensation de jonction froide très précise. A cet effet et selon une première caractéris- tique de l'invention, le boîtier d'interface 1 est consti- tué, d'une part, par un boîtier externe 6, portant les connecteurs 7, 7 ' du câble d'alimentation et du câble pro- longateur 4 et, d'autre part, par un boîtier interne 8 régulé en température, disposé dans ledit boîtier externe 6 avec interposition d'une couche 9 de matériau isolant et comportant un circuit imprimé 10 portant un dispositif 11 de régulation thermique et le circuit 5 de compensation de jonction froide. De plus, afin de limiter au maximum les possibi- lités de génération de signaux d'erreurs dus à des conne- xions réalisées au moyen de connecteurs et à des chocs thermiques transmis par les fils 3 et 3 ' du thermocouple 2, ces derniers pénètrent, sur une certaine longueur, à l'intérieur du boîtier interne 8, les conducteurs desdits fils 3, 3 ' étant fixés directement sur le circuit imprimé20 10. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, représentée à la figure 2 des dessins an- nexés, le dispositif 11 de régulation thermique est com- posé d'un capteur de température 12 associé à un cicuit 1325 d'évaluation et de commande d'un moyen chauffant 14, ledit dispositif 11 étant réglé de manière à maintenir constante la température intérieure du boîtier interne 8 à une va- leur donnée supérieure à la température ambiante. Le capteur de température 12 précité, pouvant se présenter sous la forme d'une thermistance intégrée à une structure en pont, est avantageusement disposé à proximité immédiate du point de contact 5 ' consistant, pour le mode de réalisation représenté à la figure 2, en la liaison entre le fil 3 de constantan du thermocouple 2 et le35 circuit imprimé 10. Comme le montre également la figure 2 des des- sins annexés, le circuit 5 de compensation peut consister avantageusement en un générateur d'un signal d'erreur dé- pendant directement de la variation de la température du point de contact 5 ' (thermocouple 2 circuit imprimé 10) et superposé au signal de mesure issu du thermocouple 2, ledit générateur étant réglé en fonction de la température intérieure du boîtier interne 8 thermostaté et en fonction du type de thermocouple 2. Le circuit imprimé 10 porte, par ailleurs, comme représenté à la figure 2 des dessins annexés, un généra- teur 16 de tension constante, indépendante de la tempéra- ture, alimenté par l'intermédiaire du connecteur 7, ainsi qu'un dispositif d'ajustage du décalage de l'origine de mesure, permettant d'obtenir un signal de mesure, à la sortie du boîtier d'interface 1, référencé à 00 C. Les constitutions des dispositifs électroniques décrits ci-dessus et illustrés à la figure 2 des dessins annexés, ainsi que le choix des composants adéquats, font partie des connaissances de l'homme du métier et sont susceptibles de se présenter selon différentes variantes de réalisation pratiques. En vue de limiter aussi l'influence des chocs thermiques pouvant éventuellement être véhiculés par le câble d'alimentation ou le câble prolongateur 4, les con- necteurs 7 et 7 ' respectifs, montés sur le boîtier externe 6, sont reliés aux bornes correspondantes du circuit im- primé 10 par l'intermédiaire de fils fins de liaison 15 de longueurs relativement importantes, évitant l'établisse- ment de ponts thermiques entre l'intérieur du boîtier d'interface 1 et l'extérieur au niveau desdits connecteurs 7 et 7 ' Selon une autre caractéristique de l'invention, les conducteurs du câble prolongateur 4 sont réalisés en un matériau identique à celui constituant les fiches du connecteur 7 ' et les fils fins de liaison 15, préféren- tiellement du cuivre, minimisant les effets thermoélec- 35 triques au niveau de la liaison entre les fils du câble prolongateur 4 et les circuits d'entrée du régulateur de température. Afin de permettre une mise en oeuvre du boîtier d'interface 1 à proximité immédiate ou dans l'enceinte même d'un spectromètre de résonance magnétique nucléaire, le boîtier externe 6 et, le cas échéant, le boîtier in- terne 8 sont réalisés en un matériau amagnétique, préfé- rentiellement en aluminium ou en un alliage d'aluminium. Le boîtier externe 6, constituant l'enveloppe support du boîtier d'interface 1, peut en outre comporter des moyens de fixation ou des éléments permettant la fi- xation sur la structure du spectromètre même En effet, le boîtier d'interface 1 présentant une taille réduite et consécutivement un faible encombrement, peut être disposé sans difficulté en un emplacement quelconque sur ledit spectromètre, notamment sur la tête de mesure de ce dernier. Grâce à l'invention, il est donc possible de réaliser un dispositif de compensation de jonction froide pour thermocouple 2, comportant un boîtier d'interface 1 de taille réduite et d'un seul tenant avec ledit thermo- couple 2, les fils 3, 3 ' de ce dernier étant reliés direc- tement aux circuits internes dudit boîtier d'interface 1. Ce dernier permet, par les effets cumulatifs d'une thermostatisation du boîtier interne 8 et d'une com- pensation électronique précise des variations de tempéra- ture restantes du point de contact 5 ', d'assurer une mesure indépendante de la température ambiante, d'une précision supérieure à tous les dispositifs de mesure à thermocouple connus par la demanderesse. Par ailleurs, le dispositif de compensation con- forme à l'invention peut, bien entendu, être associé à tous les types de thermocouple connus, notamment par une adaptation conséquente des différents composants électro- niques montés sur le circuit imprimé 10. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins an- nexés Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1 Dispositif de compensation de jonction froide pour thermocouple, caractérisé en ce qu'il est principale- ment constitué par un boîtier d'interface ( 1) thermostaté, recevant directement les fils ( 3, 3 ') du thermocouple ( 2) 5 et assurant l'interconnexion de ces derniers avec un câble prolongateur ( 4), ledit boîtier d'interface ( 1) compor- tant, en outre, un circuit ( 5) de compensation de jonction froide. 2 Dispositif de compensation, selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que le boîtier d'interface ( 1) est constitué, d'une part, par un boîtier externe ( 6), portant les connecteurs ( 7, 7 ') du câble d'alimentation et du câble prolongateur ( 4) et, d'autre part, par un boîtier interne ( 8) régulé en température, disposé dans ledit15 boîtier externe ( 6) avec interposition d'une couche ( 9) de matériau isolant et comportant un circuit imprimé ( 10) portant un dispositif ( 11) de régulation thermique et le circuit ( 5) de compensation de jonction froide. 3 Dispositif de compensation, selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que les fils ( 3, 3 ') du ther- mocouple ( 2) pénètrent, sur une certaine longueur, à l'in- térieur du boîtier interne ( 8), les conducteurs desdits fils ( 3, 3 ') étant fixés directement sur le circuit im- primé ( 10).25 4 Dispositif de compensation, selon l'une quel- conque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le dispositif ( 11) de régulation thermique est composé d'un capteur de température ( 12) associé à un cicuit ( 13) d'évaluation et de commande d'un moyen chauffant ( 14), le-30 dit dispositif ( 11) étant réglé de manière à maintenir constante la température intérieure du boîtier interne ( 8) à une valeur donnée supérieure à la température ambiante. Dispositif de compensation, selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le circuit ( 5) de compensation consiste en un générateur d'un signal d'erreur, dépendant directement de la variation de la température du point de contact ( 5 ') thermocouple ( 2) circuit imprimé ( 10) et superposé au signal de mesure issu 5 du thermocouple ( 2), ledit générateur étant réglé en fonc- tion de la température intérieure du boîtier interne ( 8) thermostaté et en fonction du type de thermocouple ( 2). 6 Dispositif de compensation, selon l'une quel- conque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les connecteurs ( 7 et 7 ') du câble d'alimentation et du câble prolongateur ( 4) sont reliés aux bornes correspondantes du circuit imprimé ( 10) par l'intermédiaire de fils fins de liaison ( 15) de longueurs relativement importantes. 7 Dispositif de compensation, selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que les conducteurs du câble prolongateur ( 4) sont réalisés en un matériau identique à celui constituant les fiches du connecteur ( 7 ') et les fils fins de liaison ( 15), préférentiellement du cuivre. 8 Dispositif de compensation, selon l'une quel- conque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le boîtier externe ( 6) et, le cas échéant, le boîtier interne ( 8) sont réalisés en un matériau amagnétique, préféren- tiellement en aluminium ou en un alliage d'aluminium.