Brevet FR2757951A1 — publié le 19980703

DISPOSITIF DE REEQUILIBRAGE AUTOMATIQUE DE BOBINAGES D'UN CAPTEUR DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un dispositif de rééquilibrage automatique de bobinages d'un capteur. Elle trouve une application, notamment, dans la réalisation de sondes à résonance magnétique nucléaire (RMN) destinées à la mesure précise des champs magnétiques ou de capteurs pour étude des sols. Etat de la technique antérieure Bien que l'invention ne se limite pas aux sondes à RMN, c'est dans ce cas que l'état de la technique antérieure sera exposé. Une sonde à RMN est décrite dans les documents FR- A-1 447 226 et FR-A-2 098 624. Le principe de onctionnement de ces appareils est schématiquement je suivant. Lorsqu'un échantillon liquide, dont les noyaux atomiques ont un moment magnétique et un moment cinétique non nuls, est soumis a un champ magnétique, les moments magnétiques nucléaires ont tendance à s'aligner parallèlement ou antiparallêlement au champ. La différence d'énergie entre ces deux états définit une énergie de résonance nucléaire ou une fréquence de résonance nucléaire, laquelle tombe généralement dans la gamme des basses fréquences (BF), de l'ordre du millier de Hertz. Cependant, avec les champs habituels et aux températures ordinaires, la polarisation nucléaire globale (positive ou négative) présentée par l'échantillon reste faible et difficilement détectable. L'effet OVERHAUSER-ABRAGAM permet d'augmenter sensiblement cette polarisation. A cette fin, on dissout une substance paramagnétique appropriée dans un solvant, cette substance étant choisie pour posséder un électron non apparié donnant naissance à un niveau électronique excité présentant une structure hyperfine, à quatre sous-niveaux. En général, la fréquence de pompage est située dans la gamme des hautes fréquences (HF), de l'ordre de quelques dizaines de Mégahertz. Le couplage dipolaire entre le spin électronique de la substance paramagnétique ainsi excitée et le spin nucléaire du solvant augmente considérablement la polarisation de ce dernier. Selon la transition électronique excitée, on favorise la polarisation nucléaire positive ou négative du solvant. Cette technique est encore perfectionnée par la mise en oeuvre d'un "double effet". Une première solution radicalaire (c'est-à-dire un solvant avec un substance paramagnétique) est soumise à une haute fréquence qui sature le niveau électronique favorisant la polarisation positive du solvant, alors qu'une deuxième solution radicalaire est soumise à une haute fréquence qui sature le niveau électronique favorisant la polarisation négative du solvant. Dans le premier cas, un signal d'excitation à la fréquence de résonance nucléaire appliqué à l'échantillon sera absorbé par celui-ci alors que, dans le second cas, un signal d'excitation à cette me fréquence provoquera une émission stimulée à la fréquence de résonance. Les enroulements de prélèvement disposés autour de la première et de la seconde solutions délivreront alors des tensions de même fréquence mais de phases opposées. Un montage en opposition permettra d'en faire la somme. Tous les signaux parasites induits dans ces enroulements, et qui eux, ont la même phase, seront annulés. Une telle sonde à double effet peut fonctionner avec deux solutions différentes et une seule fréquence HF d'excitation, à condition que les spectres d'absorption des deux solutions soient décalés l'un par rapport à l'autre de telle sorte que la fréquence unique corresponde à la polarisation positive pour l'un et à la polarisation négative pour l'autre. Mais une sonde à double effet peut fonctionner aussi avec une meme solution répartie en deux échantillons et en appliquant à ces deux échantillons deux fréquences différentes, pour saturer séparément les deux sous-niveaux de la substance paramagnétique. Enfin, par un dernier perfectionnement, le signal délivré par la sonde, qui est à la fréquence de résonance nucléaire, peut être réinjecté comme signal d'excitation des échantillons, dans un montage en boucle qui fonctionne alors en oscillateur. On obtient alors une sonde du type "oscillateur à couplage de spins et à double effet". Sur la figure 1 annexée, on volt ainsi une sonde comprenant un premier flacon 1 à polarisation Positive avec son enroulement 2, un second flacon 3 a polarisation négative avec son enroulement 4, un résonateur haute-fréquence unique 5 entourant les deux flacons et un générateur haute-fréquence 6 alimentant ce résonateur. Les deux enroulements 2 et 4 sont montés en serie-opposition et sont reliés aux entrées positive et négative d'un amplificateur différentiel 7, dont la sortie est rebouclée, par l'intermédiaire d'un régulateur de niveau référencé 8, sur les enroulements 2 et 4, le bouclage s'effectuant à travers un pont résistif d'équilibrage 9 comprenant deux résistances R et R' et un potentiomètre P. Ce pont est réglé manuellement, une fois pour toutes, par le potentiomètre P. La fréquence du signal délivré par un tel oscillateur est égale à la fréquence de résonance nucléaire, laquelle est directement proportionnelle au champ magnétique ambiant, le facteur de proportionnalité étant égal au rapport gyromagnétique des noyaux atomiques. Des exemples de réalisation de telles sondes sont décrits dans les documents FR-A-2 583 887 et PR-A- 2 660 760. Bien que donnant satisfaction à certains égards, ces sondes présentent un inconvénient lié à ce que la moindre dissymétrie dans les enroulements entraîne un défaut d'équilibrage, qui se traduit par l'apparition d'une tension de déséquilibre, laquelle entraîne un glissement du signal de mesure. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient. Exposé de l'invention Dans l'art antérieur des capteurs, quels qu'ils soient, l'équilibrage s'effectue une fois pour toutes et manuellement. Selon l'invention, Si un équilibrage manuel préalable reste possible, des moyens particuliers sont prévus pour permettre aussi un rééquilibrage automatique. De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de rééquilibrage automatique de deux bobinages montés en différentiel dans un capteur, ce dispositif comprenant un pont résistif à point milieu connecté en parallèle sur l'ensemble des deux bobinages ainsi qu'un amplificateur différentiel dont les entrées sont reliées aux extrémités de l'ensemble des bobinages et la sortie est rebouclée sur le point milieu du pont résistif, ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comprend un autre amplificateur à deux entrées directes connectées aux extrémités de l'ensemble des enroulements, un circuit de détection synchrone à deux entrées, l'une reliée à la sortie de l'amplificateur différentiel et l'autre à la sortie de l'autre amplificateur et un circuit d'équilibrage relié au circuit de détection synchrone et commandant le rééquilibrage du pont résistif. Le dispositif de l'invention s'applique notartment aux sondes à RMN à au mois deux flacons à polarisation respectivement positive et négative, les bobinages étant disposés autour de chaque flacon et constituant des bobinages d'excitation-prélêvement. L' invention s'applique également à des sondes à RMN à deux flacons dont un seul est actif. Elle s'applique encore à l'étude des sols, par la mesure de leur susceptibilité. Brève description des dessins - la figure 1, déjà décrite, montre une sonde connue fonctionnan en oscillateur - la figure 2 est un schéma synoptique des moyens électroniques permettant un reequilibrage automatique ; - la figure 3 illustre un exemple de réalisation des moyens de commande du pont résistif - la figure 4 montre une sonde à deux flacons dont un seul est actif - la figure 5 montre le dispositif de rééquilibrage dans le cas de la sonde de la figure précédente. Exposé détaillé d'un mode de réalisation Sur la figure 2, ne sont représentés que certains des moyens de la sonde, à savoir les enroulements 2, 4, le pont résistif schématisé par un bloc 9 et l'amplificateur différentiel 7. La forme des flacons, le détail des enroulements, etc. . . sont décrits dans les documents cités plus haut. Selon l'invention, la sonde comprend en outre un autre amplificateur 20, à deux entrées directes (ou positives) reliées aux enroulements 2 et 4, cet amplificateur fait la somme des tensions d'injection aux bornes des bobinages. La sonde comprend encore un circuit de détection synchrone 22, à deux entrées reliées, l'une, à la sortie de l'amplificateur différentiel 7 et l'autre à la sortie de l'amplificateur 20. Ce circuit de détection synchrone est relié à un circuit d'équilibrage 24, lequel commande le pont résistif 9. Le fonctionnement de cet ensemble est le suivant. L'amplificateur différentiel 7 délivre, comme dans les sondes classiques, une tension d'injection correspondant au signal de Larmor (signal issu de la précession des spins nucléaires), auquel se superpose une très petite tension résiduelle de déséquilibrage. L'amplificateur 20 délivre, lui, une tension en quadrature avec le signal de Larmor et en phase avec la tension résiduelle de désquilibrage. Le circuit 22 de détection synchrone reçoit ces grandeurs et délivre une tension continue proportionnelle à l'amplitude de la tension résiduelle, car seule cette tension résiduelle possède la phase de la tension prise pour référence, à savoir celle de l'amplificateur 20. Le circuit 24 utilise cette tension continue pour modifier les valeurs de résistance du pont, autrement dit pour modifier l'équilibrage. La figure 3 montre un mode de réalisation des moyens 24. Sur cette figure, le pont résistif 9 comporte deux résistances R, R' et un potentiomètre comprenant deux résistances P1, P2, par exemple de 2 kOhms. Le pont résistif 9 comporte, dans tous les cas, au moins deux résistances PL, P2, mais pour obtenir une meilleure précision de réglage, il est préférable de choisir des résistances P et P2 de faible valeur et de leur associer des ré is.ances R et R' de valeur complémentaire. Ln parallèle sur chacune ces résistances P1 et P2, sont disposés deux transistors à effet de champ, respectivement 30 et 30', par exemple du type 2i5911. Les grilles des deux transistors sont commandées par des tensions de signes opposés délivrées par deux amplificateurs 32 et 32' montés en contre- réaction à l'aide de résistance rl et r'l. L'entrée positive ce ces amplificateurs est reliée à des résistances, respectivement r5, r2, r3 et r 3, r'4. La tension continue délivrée par le circuit de détection synchrone 22 est appliquée sur les résistances r2, r'2 tandis que la tension de réinjection délivrée par l'am?lifica.eur différentiel 7 est appliquée sur les résistances r3, r'3. Des résistances r4, r'4 servent à appliquer des tensions de polarisation, respectivement positive et négative. L'entrée négative des amplificateurs 32 et 32' est reliée respectivement aux résistances r4 et R'2. Le circuit de détection synchrone 22 peut être un circuit AD 630 ou AD 633. Si le signal d'erreur délivré par le circuit de détection synchrone 22 est nul, les amplificateurs 32 et 32' délivrent respectivement des tensions positive et négative d'équilibre. Si le signal d'erreur est positif, les amplificateurs opérationnels 32, 32' délivrent des tensions légèrement différentes, qui modifient l'état des transistors 30 et 30' et modifient la répartition des résistances. La variation s'effectue dans un sens tel que le signal d'erreur tend à revenir vers zéro. Si le signal d'erreur est négatif, la correction s'effectue dans l'autre sens. Dans tous les cas et à tout instant, la sonde fonctionne avec un pont parfaitement équilibré. Dans une variante de l'invention, le capteur possède un seul flacon contenant la solution radicalaire. En effet, il peut être intéressant, dans des zones ou le gradient de champ magnétique est important, de réduire le volume global utile du capteur. La sonde correspondante est représentée sur la figure 4, où l'on voit les deux flacons 1 et 3 avec deux paires de bobinages symétriques, respectivement 41, 42 pour le premier et 51, 52 pour le second. Le premier flacon 1 contient la solution radicalaire et le second, 3, est vide ou contient le solvant sans radical dissous. Le signal de Résonance Magnétique Nucléaire est alors produit par un volume réduit et la sensibilité au gradient dans l'axe longitudinal est améliorée d'un facteur supérieur à deux, puisque la longueur du capteur est divisée par plus de deux. Evidemment, l'amplitude du signal en l'absence de gradient est réduite de 6 dB. Mais, les cas de forts gradients sont souvent liés à de forts champs magnétiques, de sorte que le signal peut, dans certains cas, être plus exploitable avec une sonde de ce type. Le principe de l'équilibrage automatique décrit reste applicable à ce type de capteur. Le schéma du dispositif est représenté sur la figure 5, où l'on n'a représenté, pour simplifier, que le circuit d'équilibrage 24 d'injection du signal de rééquilibrage. Un autre type d'application concerne les systèmes de mesure de susceptibilité utilisés dans les puits de forage. Certains de ces systèmes sont du type électromagnétique et utilisent des bobines d'rémission et des bobines de réception, ces dernières permettant ce recueillir le signal réfléchi par le milieu et provenant des premières. Pour garantir le bon onctionnement de l'ensemble, il faut éviter tout couplage direct entre les bovines d'émission et les bobines de réception, l'objectif étant que le système ne soit sensible qu'au signal provenant du terrain. Deux tes de signaux sont rêflecnis vers les bobines de réception les signaux de suscestibll -é, qui sont en phase avec le signal semis, et les signaux dus aux courants de Toucault induits lorsque le milieu est conducteur, et qui sont en quadrature de phase. Pour réduire les problèmes de positionnement ces bobines, il est posslDle d'utiliser une paire de bobines montées selon le dispositif préconisé par l'invention. Comme dans l'application ci-dessus, une bobine est placée sffisamment loin du milieu à mesurer, pour que ce dernier n'induise pas de signal, l'autre bobine étant proche du milieu à mesurer. L'équilibrage automatique compense les dérives des bobinages et absorbe également le signal en quadrature qui n'est pas significatif de la susceptibilité mais seulement de la résistivité du terrain. Selon une autre possibilité encore, les deux bobines peuvent être décalées en position le long du puits, auquel cas le système donne l'écart de susceptibilité entre deux points (sure de gradient) REVENDICATIONS 1. Dispositif de rééquilibrage automatique de deux bobinages (2, 4) montés en différentiel dans un capteur, ce dispositif comprenant un pont résistif (9) à point milieu connecté en parallèle sur l'ensemble des deux bobinages (2, 4) ainsi qu'un amplificateur différentiel (7) dont les entrées sont reliées aux extrémités de l'ensemble des bobinages (2, 4) et la sortie est rebouclée sur le point milieu du pont résistif (9), ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comprend un autre amplificateur (20) à deux entrées directes connectées aux extrémités de l'ensemble des enroulements (2, 4), un circuit de détection synchrone (22) à deux entrées, l'une reliée à la sortie de l'amplificateur différentiel (7) et l'autre à la sortie de l'autre amplificateur (20) et un circuit d'équilibrage (24) relié au circuit de détection synchrone (22) et commandant le rééquilibrage du pont résistif (9). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel au moins deux résistances du pont (9) sont connectées chacune à un transistor (30, 30') dont l'état est commandé par des moyens sensibles à la tension délivrée par le circuit de détection synchrone (22). 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les transistors (30, 30') sont des transistors à effet de champ dont les grilles sont reliés à des amplificateurs (32, 32') délivrant des tensions de signes opposés, dont la valeur est fonction de la tension délivrée par le circuit de détection synchrone. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les deux bobinages (2, 4) sont disposés respectivement autour de deux flacons d'une sonde, ces flacons ayant des polarisations respectivement positive et négative. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les deux bobinages (41, 42) (51, 52) sont disposés autour respectivement d'un premier flacon (1) rempli d'une solution r2dicalaire et d'un second flacon (2) sans radical.