Brevet FR2722567A1 — publié le 19960119

La présente invention concerne un thermomètre numérique à pression de gaz. Elle concerne également un appareil d'application de micro-ondes sur au moins un produit contenu dans un récipient disposé dans une cavité d'application en liaison ax ec un guide d'ondes, couplé à un générateur de micro-ondes, équipé d'un dispositif de mesure de la température régnant dans la cavité d'application. A titre d'exemple, de tels appareils se trouvent décrits dans les documents européens EP-A-O 155 893, EP-A-O 156 742 et EP-A-O 387 161. Les produits placés au sein de la cavité d'application sont soumis aux champs de micro-ondes, afin d's subir un chauffage rapide par exemple en vue de réaliser une réaction chimique ou toute autre opération physique en milieu liquide sur le produit. La mesure de température d'un liquide contenu dans un récipient soumis à un chauffage est généralement réalisée à l'aide d'une sonde de type thermocouple plongeant dans ledit liquide. Ces sondes qui sont nécessairement métalliques et reliées par des fils conducteurs à un dispositif de lecture ne peuvent être utilisées pour mesurer la température d'un produit contenu dans un récipient placé dans une cavité d'application de micro-ondes. En effet, de telles sondes métalliques et leurs fils de connection jouent le rôle d'antennes et émettent donc des microondes hors de la cavité d'application, ce qui présente un réel danger. Au surplus, ce type de sondes peut présenter un échauffement préjudiciable à la mesure de température. Pour éviter ce phénomène d'antenne, on a alors envisagé de mesurer la température au moyen de sondes, plongeant dans l'échantillon liquide, constituées de fibres optiques conduisant le rayonnement à un pyromètre optique. Cette méthode de mesure reste très limitée et ne permet pas de suivre de façon continue l'évolution de la température d'un produit car chaque sonde ne permet la mesure que dans une plage de température restreinte et nécessite plusieurs changements de sondes de mesure pour balayer une plage de température plus grande. En outre, lors de la réalisation de la réaction chimique en milieu humide, telles que les minéralisations, le milieu réactionnel est très corrosif ce qui nuit à la fiabilité de la mesure et à la durée de vie des fibres optiques. Afin de pallier les inconvénients précités, la Demanderesse a proprosé dans la demande de brevet français n 93 01220 un thermomètre à dilatation de gaz qui comprend un tube capillaire en verre dont l'extrémité inférieure communique avec un réservoir fermé en verre, placé dans la cavité d'application et dont l'extrémité supérieure comporte un transducteur délivrant un signal de sortie représentatif de la température de ladite cavité d'application. Toutefois, ce thermomètre à dilatation de gaz permet d'obtenir des mesures de température avec une précision de plus ou moins 10 C, ce qui s'avère insuffisant pour certaines applications, notamment pour effectuer des mesures de température dans des appareils d'application de microondes tels que prédécrits. Les imprécisions de mesures obtenues à l'aide du thermomètre prédécrit, proviennent entre autres du fait, que la détermination de la mesure à l'aide de ce thermomètre ne tient pas compte du volume mort, c'est-à-dire du volume émergeant du tube capillaire et du volume de la chambre du capteur de température. Afin de pallier les inconvénients de la technique antérieure, l'invention propose un nouveau thermomètre numérique à pression de gaz caractérisé en ce qu'il comprend un tube fermé contenant un gaz, ce tube comprenant une partie médiane sous la forme d'un tube capillaire, une extrémité distale sous la forme d'un réservoir destiné à être plongé dans un milieu de température T à déterminer, et une extrémité proximale constituant une chambre de mesure renfermant un capteur de pression et un capteur de température délivrant des signaux représentatifs respectivement de la pression P et de la température Tc régnant dans ladite chambre de mesure, le tube capillaire et le réservoir étant réalisés dans un matériau diélectrique à faible dilatation thermique, et en ce que la température à déterminer T est donnée par la relation suivante: c T = ----------------------------- a/P - (1-c)/Tc avec des paramètres d'étalonnage s'exprimant suivant les relations: V1 Po c = ---------- ; a = - V1 + Vc To dans lesquelles V1 = volume chauffé (volume du réservoir + partie immergée du tube capillaire), Vc = volume mort (volume émergeant du tube capillaire + chambre de mesure) To, P0 = température et pression initiale, Tc = température régnant dans la chambre de mesure et donnée par le capteur de température, P = pression régnant dans la chambre de mesure et le réservoir, donnée par le capteur de pression, lesdits paramètres d'étalonnage a, c étant préalablement déterminés dans des conditions particulières d'utilisation dudit thermomètre. Ainsi, à l'aide du thermomètre selon l'invention on atteint une précision de mesure de la température qui est d'environ plus ou moins 3"C sur une plage de température allant de O:C à 100"C et d'environ plus ou moins 3 % sur une plage de température allant de 100"C à 500"C, lorsque la chambre de mesure est à la température ambiante. Selon un mode de réalisation avantageux du thermomètre selon l'invention, le volume mort Vc représente jusqu'à 50 % du volume total dudit tube fermé. En outre, l'invention propose un appareil d'application de microondes sur au moins un produit contenu dans un récipient disposé dans une cavité d'application en liaison avec un guide d'ondes, couplé à un générateur, équipé d'un tel thermomètre à pression de gaz dans lequel le tube capillaire et le réservoir sont réalisés dans un matériau transparent aux micro-ondes. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse dudit appareil d'application de micro-ondes selon l'invention, ce thermomètre à pression de gaz est apte à mesurer la puissance micro-ondes absorbée P' par un liquide placé dans la cavité d'application en contrôlant l'évolution dans le temps de la température T dudit liquide soumis à un échauffement sous micro-ondes, ladite puissance micro-ondes s'exprimant comme suit: P' = m. Cp. S où m = la masse du liquide en kg, Cp = la chaleur massique du liquide en J/kg/C, S = la pente à l'origine de la courbe T = f(t). La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 représente un schéma d'un appareil d'application de micro-ondes équipé d'un thermomètre à pression de gaz selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un appareil d'application de microondes qui comprend une cavité d'application 18, ici une cavité monomode, reliée à un guide d'ondes 26 associé à un générateur tel qu'un magnétron 24. Ce magnétron 24 génère un champ micro-ondes qui se propage à travers le guide d'ondes 26 vers la cavité d'application 18. La cavité d'application 18 comporte ici une ouverture supérieure prolongée verticalement vers l'extérieur par une cheminée ouverte supérieurement qui forme une barrière à la propagation des micro-ondes vers l'extérieur. Un produit 16 est placé dans la cavité d'application afin d'être chauffé par micro-ondes. On relévera que le produit 16 est contenu dans un tube 20 introduit dans la cavité d'application 18 via la cheminée, ce tube 20 étant placé dans un doigt de gant de protection 22. Bien évidemment, les éléments 20 et 22 doivent être réalisés en un matériau perméable aux micro-ondes. En outre, l'appareil d'application de micro-ondes est équipé d'un dispositif de mesure de la température régnant dans la cavité et plus particulièrement de la température du produit 16 chauffé. Ce dispositif de mesure comporte un thermomètre numérique à pression de gaz qui comprend un tube fermé contenant un gaz sec, choisi par exemple parmi l'air et les gaz neutres, tel que l'azote. Ce tube fermé comporte une partie médiane sous la forme d'un tube capillaire 12, une extrémité distale formant un réservoir 10 et une extrémité proximale constituant une chambre de mesure 1 1 renfermant un capteur de pression et un capteur de température. Le thermomètre à pression de gaz est introduit dans le tube 20 de telle sorte que le réservoir 10 est plongé dans le produit 16 de telle sorte que la température du produit est communiqué au gaz contenu dans le réservoir 10, le gaz en se dilatant provoque une élévation de pression. Le diamètre intérieur du tube capillaire 12 sera choisi par l'homme du métier de façon à permettre une transmission rapide et sans-à-coup des variations de pression existantes dans le réservoir 10. Le tube capillaire 12 et le réservoir 10 sont de manière avantageuse réalisés dans un matériau diélectrique à faible dilatation thermique et ici bien entendu transparent aux micro-ondes, tel que par exemple le verre. Le capteur de pression contenu dans la chambre de mesure 11 est apte à délivrer un signal représentatif de la pression P régnant dans ladite chambre de mesure. Ce capteur de pression est de préférence un capteur de pression absolue afin de s'affranchir des variations de la pression atmosphérique. Le capteur de température est apte à délivrer un signal représentatif de la température Tc régnant dans ladite chambre de mesure 11 et est par exemple un couple thermo-électrique, une sonde platine ou encore un capteur sur puce silicium. Selon un mode de réalisation du thermomètre, le capteur de température est positionné sur le même substrat que le capteur de pression, tel qu'un substrat à base de silicium ou de céramique. Selon une variante, on peut envisager que le capteur de température soit intégré dans le capteur de pression afin de compenser en température le capteur de pression et de corriger la dérive due au volume mort. Le gaz contenu dans le tube fermé du thermomètre à pression de gaz, se comportant comme un gaz parfait, la température T à déterminer, c'est-à-dire la température du milieu chauffé est donnée à l'aide dudit thermomètre, par la relation suivante c T = ----------------------------- (1) a / P - (1-c)/Tc avec des paramètres d'étalonnage s'exprimant suivant les relations V1 Po c = -------- (2) ; a = --- (3) V1 + Vc To dans lesquelles V1 = volume chauffé (volume du réservoir + partie immergée du tube capillaire), Vc = volume mort (volume émergeant du tube capillaire + chambre de mesure) To, P0 = température et pression initiale, Tc = température régnant dans la chambre de mesure et donnée par le capteur de température, P = pression régnant dans la chambre de mesure et le réservoir, donnée par le capteur de pression. Les paramètres d'étalonnage a, c sont préalablement déterminés dans des conditions particulières d'utilisation dudit thermomètre. Cet étalonnage est réalisé en usine lors de la fabrication en série du thermomètre, et dans les conditions suivantes. Dans une première étape, le thermomètre à pression de gaz est placé en entier dans une enceinte adiabatique de température connue, ce qui permet d'obtenir Tc = T, c'est-à-dire que la température donnée par le capteur de température dans la chambre de mesure est égale à celle du milieu chauffé. En remplaçant Tc = T dans l'expression (1) précitée, on a obtient alors P = ~~~~~~ ce qui implique P = aT avec P = pression l-c + c T T régnant dans la chambre de mesure et donnée par le capteur de pression. P Le paramètre d'étalonnage a = --- est donc ainsi déterminé. T Dans une deuxième étape, on positionne le thermomètre de telle sorte que son réservoir 10 est plongé dans un four chauffé à température T connue et la chambre de mesure 11 est placée dans une enceinte de température Tc fixée. Suivant l'expression (1) précitée on obtient Tc.T 1 c = ( - a --) ----- P T-Tc avec a déterminé lors de la première étape précitée, les températures T et Tc connues et la pression P donnée par le capteur de pression dans la chambre de mesure. Les paramètres a et c ainsi déterminés sont mémorisés dans une mémoire morte réinscriptible, non volatile, du type EEPROM prévue dans le thermomètre lui-même. Une unité électronique de contrôle 28 à laquelle sont reliés par un cordon 13 les capteurs de pression et de température de la chambre de mesure du thermomètre, assure la lecture desdits paramètres d'étalonnage dans ladite mémoire morte dudit thermomètre. I1 convient de noter que la mémoire morte du thermomètre peut être placée au niveau du raccordement du cordon 13 à l'unité électronique 28. En outre, l'unité électronique 28 assure la conversion numérique des signaux émis par lesdits capteurs de température et de pression, le calcul de la température T du milieu chauffé selon l'expression (t) précitée et l'affichage de la température T. Par ailleurs, il convient de préciser que les températures To, Po sont des température et pression initiales déterminées en plaçant l'ensemble du thermomètre à pression de gaz dans un milieu de température To connue, la pression P0 étant alors donnée par le capteur de pression de la chambre de mesure du thermomètre. 11 est intéressant de préciser que les paramètres d'étalonnage a et c sont obtenus à l'aide du thermomètre à pression de gaz, avec une précision à la quatrième décimale ; ce qui permet alors par la suite d'obtenir une précision de mesure de température au dixième de degré. Par ailleurs, comme on peut le voir sur la figure 1, l'unité électronique 28 à laquelle est relié ledit thermomètre, est elle-même connectée au générateur de micro-ondes 24 de manière à assurer une régulation de la puissance dudit générateur, réalisant ainsi des cycles de température dans ledit produit 16. De plus, selon une caractéristique avantageuse du thermomètre à pression de gaz, celui-ci est apte à mesurer la puissance microndes absorbée P' par un liquide, tel que le produit 16, placé dans la cavité d'application 18 en contrôlant l'évolution dans le temps de la température T du produit 16 soumis à un échauffement sous microndes, ladite puissance micro-ondes étant donnée par la relation P' = m.Cp.S avec m = la masse du liquide en kg, = = la chaleur massique du liquide en J/kg/3C, S = la pente à l'origine de la courbe T = f(t). Il est clair que le thermomètre décrit précédemment peut également être utilisé dans un four micro-ondes ménager, de type classique équipé d'un guide d'ondes multimodes. Dans pareil cas, il suffit simplement de prévoir un orifice dans la paroi du four, au travers duquel on fera pénétrer le dispositif de mesure. Il est également possible de possible, soit d'afficher simplement la température, soit de contrôler la puissance du générateur micro-ondes du four par l'intermédiaire d'un circuit électronique adapté. I1 convient enfin de noter que lors de la réalisation du thermomètre à pression de gaz, il conviendra cependant de prendre quelques précautions, et ceci principalement afin d'éviter la présence de traces trop importante d'humidité. C'est ainsi qu'il est conseillé d'introduire le gaz dans le dispositif.de mesure après y avoir fait régner un vide poussé. REVENDICATIONS 1. Thermomètre numérique à pression de gaz, caractérisé en ce qu'il comprend un tube fermé contenant un gaz, ce tube comprenant une partie médiane sous la forme d'un tube capillaire, une extrémité distale sous la forme d'un réservoir destiné à être plongé dans un milieu de température T à déterminer, et une extrémité proximale constituant une chambre de mesure renfermant un capteur de pression et un capteur de température délivrant des signaux représentatifs respectivement de la pression P et de la température Tc régnant dans ladite chambre de mesure, le tube capillaire et le réservoir étant réalisés dans un matériau diélectrique à faible dilatation thermique, et en ce que la température à déterminer T est donnée par la relation suivante c T = ----------------------------- (1) a/P - (1-c)/Tc avec des paramètres d'étalonnage s'exprimant suivant les relations: V1 Po c = --------- (2) ; a =--- (3) V1 + Vc To dans lesquelles V1 = volume chauffé (volume du réservoir + partie immergée du tube capillaire), Vc = volume mort (volume émergeant du tube capillaire + chambre de mesure), To, P0 = température et pression initiale, Tc = température régnant dans la chambre de mesure et donnée par le capteur de température, P = pression régnant dans la chambre de mesure et le réservoir, donnée par le capteur de pression, lesdits paramètres d'étalonnage a,c étant préalablement déterminés dans des conditions particulières d'utilisation dudit thermomètre. 2. Thermomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz est un gaz sec, choisi parmi l'air et les gaz neutres, en particulier l'azote. 3. Thermomètre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le capteur est un capteur de pression absolue. 4. Thermomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le capteur de température est positionné sur le même substrat que le capteur de pression, tel qu'un substrat à base de silicium ou de céramique. 5. Thermomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le capteur de température est intégré dans le capteur de pression afin de compenser en température le capteur de pression et de corriger la dérive due au volume mort Vc. 6. Thermomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une mémoire morte réinscriptible, non volatile, du type EEPRONf, pour le stockage des paramètres d'étalonnage a et c, définis selon les expressions (2) et (3), du thermomètre. 7. Thermomètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que les capteurs de pression et de température sont reliés à une unité électronique de contrôle assurant la lecture des paramètres d'étalonnage a et c préalablement déterminés et stockés dans la mémoire morte du thermomètre, la conversion numérique des signaux émis par lesdits capteurs de pression et de température, le calcul de la température T du milieu selon l'expression (1), l'affichage de la température T. 8. Thermomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le volume mort Vc représente jusqu'à 50% du volume total dudit tube fermé. 9. Appareil d'application de micro-ondes sur au moins un produit contenu dans un récipient disposé dans une cavité d'application en liaison avec un guide d'ondes couplé à un générateur de microndes, équipé d'un dispositif de mesure de la température régnant dans la cavité d'application, comportant un thermomètre à pression de gaz, caractérisé en ce que ledit thermomètre est un thermomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le tube capillaire et le réservoir sont réalisés dans un matériau transparent aux micro-ondes. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit thermomètre à pression de gaz est apte à mesurer la puissance microondes absorbée P' par un liquide placé dans la cavité d'application en contrôlant l'évolution dans le temps de la température T dudit liquide soumis à un échauffement sous micro-ondes, ladite puissance micro-ondes s'exprimant comme suit P'=m.Cp. S (4) où m = la masse du liquide en kg, Cp = la chaleur massique du liquide en J/kg/"C, S = la pente à l'origine de la courbe T= f(t). 11. Appareil selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que le thermomètre de pression à gaz est couplé à un générateur de micro-ondes, de manière à assurer une régulation de la puissance dudit générateur, réalisant ainsi des cycles de température dans ledit produit.