Brevet FR2859785A1 — publié le 20050318

L'invention se rapporte à un dispositif de mesure de la température d'un milieu, en particulier à un dispositif monté sur un ballon stratosphérique et destiné à la mesure de températures de différentes couches de l'atmosphère, comportant une nacelle, au moins un capteur de température, et des unités de pilotage et d'alimentation en énergie dudit capteur solidaires de ladite nacelle. Classiquement, pour mesurer la température des différentes couches de l'atmosphère, on envoie un ballon stratosphérique tel que celui représenté sur la figure 1, conçu pour mesurer, de manière autonome, la température Ta du milieu qui l'environne et dans lequel il est amené à se déplacer. Le ballon stratosphérique 1 comporte une enveloppe souple 3 est destinée à contenir un gaz plus léger que l'air au niveau du sol, et ainsi permettre l'envol du ballon 1. Une chaîne de vol 4, comprenant typiquement une nacelle 5 pouvant emporter des instruments scientifiques, un réflecteur radar 6 et un parachute 6', est fixée en partie basse de l'enveloppe 3. Comme représenté sur la figure 2, un capteur de température 7 est généralement fixé à l'extrémité d'un bras longiligne 9 solidaire de la nacelle 5 ou d'une nacelle spécifique. Cette disposition du capteur 7 limite les échanges thermiques entre la nacelle 5 et le capteur 7, à l'origine d'une erreur de mesure. La nacelle 5 supporte également une unité de pilotage 11 et une unité d'alimentation en énergie électrique 13, connectées électriquement au capteur 7 et entre elles. L'unité d'alimentation en énergie électrique 13 est par exemple une batterie ou un capteur d'énergie solaire. La température Tc du capteur 7 résulte de plusieurs échanges thermiques entre le capteur 7 et son environnement. Des échanges par conduction ou échanges conductifs ont lieu avec la nacelle 5, via le bras 9, et avec le milieu environnant, en l'occurrence l'air de l'atmosphère. Les échanges conductifs avec la nacelle 5 résultent généralement principalement d'un gradient de température dû au maintien de l'unité de pilotage 13 à une température supérieure à celle de la nacelle 5. Les échanges par convection ou échanges convectifs résultent de la circulation de l'air environnant sur la paroi extérieure du capteur 7. Le flux thermique net reçu par rayonnement résulte de la différence entre d'une part le flux incident, constitué essentiellement du flux solaire, reçu directement ou après réflexion sur la terre, et du flux terrestre, et d'autre part le rayonnement émis par le capteur lui-même, conformément à la loi du corps noir. La température Tc du capteur 7 est enfin influencée par son fonctionnement propre. En fonctionnement, le capteur 7 est en effet parcouru par un courant électrique qui, par effet Joule, a tendance à augmenter sa température (auto-échauffement). Sous l'effet des différents échanges thermiques mentionnés ci-dessus, la 10 température T, du capteur 7 est généralement différente de la température du milieu environnant à mesurer, Ta. Quand la température Ta est constante, après stabilisation de la température Tc, l'erreur, dite erreur statique , est sensiblement constante. Quand le capteur 7 évolue dans un environnement dont les caractéristiques sont variables dans le temps, une erreur dynamique s'ajoute à l'erreur statique. Cette erreur résulte du temps de réponse du capteur 7 à l'évolution de son environnement. L'objectif de l'invention est de fournir un dispositif apte à mesurer la température d'un milieu l'environnant avec une erreur de mesure minimisée. Selon l'invention, on atteint ce but au moyen d'un dispositif de mesure de la température d'un milieu, en particulier d'un dispositif monté sur un ballon stratosphérique et destiné à la mesure de températures de différentes couches de l'atmosphère, comportant une nacelle, au moins un capteur de température, et des unités de pilotage et d'alimentation en énergie dudit capteur solidaires de ladite nacelle. Ce dispositif est remarquable en ce qu'il comporte en outre des moyens de déplacement, dans ledit milieu, dudit capteur relativement à ladite nacelle. L'invention concerne en particulier un dispositif monté sur un ballon stratosphérique et destiné à la mesure de températures de différentes couches de l'atmosphère. Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, le déplacement du capteur 7 dans le milieu environnant permet d'augmenter les échanges par convection. Des essais ont montré que cette convection forcée permet de diminuer très sensiblement l'écart de température entre le capteur 7 et l'air environnant, en particulier pendant la phase de plafonnement, et donc réduit l'erreur de mesure. Selon d'autres caractéristiques préférées du dispositif selon l'invention, lesdits moyens de déplacement comportent un bras 9 mobile en rotation autour d'un pivot de ladite nacelle 5 et un moteur d'entraînement dudit bras 9 en rotation autour dudit pivot; ledit capteur 7 et/ou ledit bras 9 comportent une symétrie de révolution autour d'axes de capteur et/ou de bras, respectivement, sensiblement perpendiculaires à une direction dudit déplacement; ledit bras est sensiblement longiligne, le rapport entre la longueur L et la plus grande largeur I dudit bras étant compris entre 80 et 130, de préférence d'environ 100; le dispositif comporte des moyens d'évaluation du flux thermique par conduction entre ladite nacelle et ledit capteur à travers ledit bras, et des moyens de compensation dudit flux thermique aptes à réduire ledit flux thermique; lesdits moyens d'évaluation comportent un thermomètre différentiel comportant des premier et deuxième thermistances disposées sur ledit bras, écartées axialement l'une de l'autre; lesdits moyens de compensation comportent des moyens de chauffage et/ou de refroidissement dudit bras; ladite première thermistance étant disposée plus proche dudit capteur que ladite deuxième thermistance, lesdits moyens de chauffage et/ou de refroidissement dudit bras sont disposés sur ledit bras du côté dudit bras opposé audit capteur relativement à ladite deuxième thermistance. L'invention concerne également un procédé de mesure d'une température d'un milieu au moyen d'un capteur de température, remarquable en ce qu'on augmente artificiellement, par exemple au moyen d'un moteur électrique, les échanges par convection entre ledit capteur et ledit milieu. De préférence, on met en rotation ledit capteur par rapport à un point de pivot, fixe ou mobile par rapport audit milieu. De préférence encore, on détermine la vitesse de rotation w dudit capteur par rapport audit point de pivot de manière que la variation temporelle de la vitesse dudit capteur par rapport audit milieu reste inférieure à une valeur de seuil. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel la figure 1, partiellement décrite en introduction, représente schématiquement un ballon stratosphérique selon l'invention. Pour minimiser l'erreur de mesure d'une température, on considère classiquement que le capteur 7 de mesure de cette température doit être protégé 10 des perturbations du milieu environnant et que cette erreur doit être compensée. Le document intitulé High resolution balloon-bom temperature sensor par F. CAPLAN et D. CAMP, publié dans Journal of Applied Meteorology, Vol 8, décrit un ballon équipé d'un capteur de température à haute résolution. II préconise de monter le capteur de température de manière à le maintenir dans un air non perturbé pendant le vol. Les turbulences sont considérées comme nuisibles à la précision de la mesure. La Demanderesse a découvert qu'en augmentant la vitesse du capteur par rapport au milieu environnant, il était possible d'améliorer la précision de la mesure. La figure 1, décrite en introduction, représente schématiquement un ballon 20 stratosphérique selon l'invention. La figure 2 représente un dispositif de mesure de température selon l'invention permettant d'augmenter la vitesse du capteur 7 par rapport au milieu environnant. Sur les dessins, des références identiques ont été utilisées pour désigner 25 des organes identiques ou analogues. On se reporte à présent à la figure 2. Le capteur de température 7 a de préférence la forme d'un cylindre d'axe A monté à un première extrémité 15 du bras 9, coaxialement au bras 9. Par une deuxième extrémité 16, le bras 9 est monté à rotation autour d'un 30 pivot 17 fixé sur la nacelle 5. Des moyens d'entraînement permettent d'entraîner à une vitesse de rotation w le bras 9 autour du pivot 17. Ces moyens d'entraînement comprennent classiquement un moteur électrique, non représenté, alimenté par l'unité d'alimentation électrique 13 et commandé par l'unité de pilotage 11. Pour minimiser les échanges par conduction entre la nacelle 5 et le capteur 7, le bras 9 est de préférence long et étroit. Le rapport UI entre la longueur L du bras 9 et son diamètre I est limité par le compromis entre résistance mécanique et résistance thermique. De préférence, le bras 9 est sensiblement cylindrique, le rapport UI entre sa longueur L et son diamètre I étant de préférence compris entre 80 et 130, de préférence d'environ 100. Par exemple, on peut utiliser un bras en fibres de verre de 30 centimètres de long et de 3 millimètres de diamètre. De préférence, le bras 9 est en un matériau léger et peu conducteur thermiquement. Par exemple, le bras peut être en fibre de carbone ou en verre. Des fils électriques 19 sont utilisés pour transmettre au capteur 7 de l'énergie depuis l'unité d'alimentation 13 ou des commandes depuis l'unité de pilotage 11. De préférence, les fils électriques 19 sont en un matériau peu conducteur thermiquement, par exemple en platine ou en nickel. Pour limiter les échanges conductifs entre la nacelle 5 et le capteur 7, le dispositif selon l'invention comporte de préférence des moyens d'évaluation du flux thermique par conduction à travers le bras 9 entre la nacelle 5 et le capteur 7, et des moyens de compensation dudit flux thermique par conduction. Les moyens d'évaluation comportent un thermomètre différentiel comportant des premier et deuxième thermistances, 21 et 23 respectivement, disposées sur le bras 9, respectivement à proximité des première et deuxième extrémités, 15 et 16 respectivement. Les moyens de compensation comportent des moyens de chauffage local et/ou de refroidissement local du bras 9. Le flux calorifique pouvant être dirigé depuis la nacelle 5 vers le capteur 7 ou depuis le capteur 7 vers la nacelle 5, on dispose de préférence un module Peltier 25 et/ou une résistance chauffante 26 sur le bras 9. De préférence, le module Peltier 25 et la résistance 26, plus lourds que les thermistances 21 et 23, sont placés du côté du bras 9 opposé au capteur 7 relativement à la deuxième thermistance 23. Avantageusement, les contraintes mécaniques subies par le bras 9 lors de sa rotation autour de la nacelle 5 sont ainsi limitées, ce qui permet de minimiser la section du bras 9, et donc de diminuer le flux thermique entre la nacelle 5 et le capteur 7. De préférence, le module Peltier 25 et/ou la résistance électrique 26 sont disposés à proximité du pivot 17. De préférence encore, les thermistances 21 et 23 sont disposées de manière à délimiter sur le bras 9 trois portions de longueurs sensiblement égales, entre le module Peltier 25 et/ou la résistance électrique 26 et la thermistance 23, entre les deux thermistances 21 et 23, et entre la thermistance 21 et le capteur 7, respectivement. Les thermistances 21 et 23, le module Peltier 25 et/ou la résistance électrique 26 sont connectés électriquement aux unités de pilotage 11 et d'alimentation électrique 13 par des fils conducteurs électriquement, référencés 27, 28, 29 et 30, respectivement, de préférence en un matériau peu conducteur thermiquement, par exemple en platine ou en nickel. Selon l'invention, pour améliorer la précision de la mesure de la 15 température du milieu environnant, on augmente artificiellement les échanges par convection entre le capteur 7 et le milieu. Les échanges par convection entre l'air environnant et le capteur 7 dépendent principalement de la géométrie du capteur 7, de la vitesse Vc/a du capteur 7 relativement à l'air environnant, de la différence entre la température T, du capteur 7 et la température Ta de l'air environnant, de la viscosité cinématique et de la conductivité thermique de l'air environnant. Pour modifier les échanges convectifs, il est donc théoriquement possible d'agir sur la géométrie du capteur 7, sur la température Tc du capteur 7 et sur sa vitesse Vc/a. Pour augmenter artificiellement les échanges par convection entre le capteur et l'air ambiant, on peut agir sur la géométrie du capteur 7, et en particulier augmenter sa surface de contact avec l'air. L'augmentation de la surface en contact du capteur 7 avec l'air environnant se heurte cependant au risque d'augmenter simultanément son inertie thermique, et donc son temps de réponse à une évolution de température de l'air environnant. Classiquement, un compromis doit donc être déterminé. Selon l'invention, les échanges convectifs pouvant être augmentés par déplacement du capteur 7 par rapport à la nacelle 5, il est donc avantageusement possible d'utiliser un capteur de petites dimensions, donc à faible inertie thermique, tout en maintenant des échanges convectifs élevés. Les échanges convectifs entre le capteur et l'air ambiant augmentent avec la différence entre la température Ta de l'air et celle T0 du capteur 7. Mais cette différence est une source d'erreur de mesure et doit être maintenue à une valeur la plus faible possible. Avantageusement selon l'invention, il est possible d'utiliser un capteur 7 ne dégageant que peu de chaleur pour réduire autant que possible cette différence, et d'agir sur la vitesse Voir, du capteur 7 par rapport à la nacelle 5 pour augmenter les échanges convectifs. La vitesse Vcka du capteur 7 relativement à l'air environnant est égale, vectoriellement, à la somme de la vitesse Var, du capteur 7 par rapport à la nacelle 5 et de la vitesse Vn/a de la nacelle 5 relativement à l'air environnant. Selon l'invention, on augmente les échanges par convection en agissant sur la vitesse V01,, du capteur 7 par rapport à la nacelle 5, ce qui évite de devoir limiter la durée de séjour du ballon dans le milieu à mesurer et donc le nombre de mesures. De plus, avantageusement, la quantité d'énergie nécessaire pour déplacer le capteur 7 par rapport à la nacelle 5 est faible. Le fonctionnement du dispositif selon l'invention représenté sur la figure 1 20 est le suivant. Pour mettre en mouvement le capteur 5 par rapport à la nacelle 7, l'unité de pilotage 13 commande le moteur 18 d'entraînement en rotation du bras 9. Le bras 9 est entraîné à la vitesse w autour du pivot 17. La vitesse Ven du capteur 7 relativement à la nacelle 5 est donc égale L.w. La vitesse Vcn est orientée dans une direction B, perpendiculaire à l'axe A du bras 9 et du capteur 7. Le capteur 7 étant de révolution autour de l'axe A, les mouvements de l'air autour du capteur 7 ne dépendent avantageusement pas du sens de la rotation autour du pivot 17. Le capteur 7 est de préférence entraîné selon un mouvement de balancier entretenu. La fonction de la vitesse absolue IV0,nl en fonction du temps est alors sensiblement cycloïdale. La fréquence d'oscillation, ou de battement , est de préférence choisie supérieure au temps de réponse i du capteur 7 de manière que le capteur 7 ne perçoive que la vitesse moyenne du capteur 7 relativement à la nacelle 5. Ainsi les mesures de température ne sont-elles sensiblement pas perturbées par l'évolution instantanée de la vitesse du capteur 7 par rapport à la nacelle 5. Selon une variante de l'invention, le moteur 18 entraîne le bras 9 et le 5 capteur 7 à une vitesse de rotation w sensiblement constante. De préférence, l'unité de pilotage 11 adapte la vitesse de rotation w ou le mouvement d'oscillation du capteur 7 en fonction du milieu l'environnant. De préférence en particulier, l'unité de pilotage 11 adapte la vitesse de rotation w ou le mouvement d'oscillation du capteur 7 en fonction de la vitesse Vnia de la nacelle 5 dans l'air, par exemple de manière que la variation temporelle de la vitesse du capteur 7 par rapport au milieu reste inférieure à une valeur de seuil déterminée. Avantageusement, cette adaptation permet d'assurer une erreur de mesure minimale tout en limitant l'énergie nécessaire au déplacement du capteur 7. De préférence, l'unité de pilotage 11 prend également en compte 15 l'évolution de la viscosité cinématique et/ou de la conductivité thermique de l'air environnant. De préférence encore, le déplacement du capteur 7 relativement à la nacelle 5 est déterminé de manière à obtenir un gain sur la conductivité thermique compris entre 2 et 9. On appelle gain sur la conductivité thermique le rapport entre conductivité thermique avec déplacement du capteur 7 par rapport à la nacelle 5, selon l'invention, et conductivité thermique sans déplacement du capteur 7 par rapport à la nacelle 5, selon la technique antérieure. Pour limiter les échanges conductifs entre la nacelle 5 et le capteur 7 et améliorer encore la précision de la mesure de température, l'unité de pilotage 11 est programmée de manière à évaluer, en fonction des températures TI et T2 mesurées par les première et deuxième thermistances, 21 et 23 respectivement, le flux thermique par conduction à travers la bras 9 entre la nacelle 5 et le capteur 7. Généralement, la nacelle 5 est plus chaude que le capteur 7 et il existe un flux calorifique depuis la nacelle 5 vers le capteur 7. L'unité de pilotage 11 commande alors le module Peltier 25 de manière qu'il émette de l'énergie frigorifique, c'est-à-dire capte de l'énergie calorifique, en une quantité permettant d'annuler sensiblement le flux thermique par conduction entrant dans le capteur 7. La résistance 26 est alors inactive. Dans certaines conditions, pendant la phase de descente du ballon 1 en particulier, la nacelle 5 peut être plus froide que le capteur 7. L'unité de pilotage 11 désactive alors le module Peltier 25 et commande la résistance chauffante 26 de manière à ce qu'elle émette de l'énergie calorifique en une quantité permettant d'annuler sensiblement le flux thermique par conduction entrant dans le capteur 7. La diminution active des échanges conductifs entre la nacelle 5 et le capteur 7 au moyen du module Peltier 25 et/ou de la résistance chauffante 26 permet avantageusement d'améliorer encore la précision des mesures de température. Un vol stratosphérique comporte classiquement - une première phase de montée du ballon 1, à environ 5 m/s, puis - une phase de plafonnement à une altitude pouvant être fixée jusqu'à environ 40 kilomètres, phase pendant laquelle le ballon 1 dérive, sensiblement horizontalement, avec une vitesse relative par rapport au milieu environnant sensiblement nulle, puis enfin une phase de descente rapide, le ballon 1 ralentissant progressivement jusqu'à une vitesse de 5 m/s au fur et à mesure que les couches de l'atmosphère se 20 densifient. L'invention est particulièrement utile dans les phases du vol où la vitesse du ballon 1 par rapport au milieu environnant est faible, en particulier dans la phase de plafonnement. Dans cette phase en effet, la convection résultant du déplacement du ballon 1 dans le milieu est particulièrement faible. Le tableau 1 suivant indique les évaluations de l'erreur de mesure en fonction de l'altitude, pour 3 capteurs, selon que les capteurs testés ont été maintenus fixes ou ont été déplacés par rapport à la nacelle 5. Les capteurs testés sont les capteurs Perle 127 um , Thermistance 0603 et Thermistance 0805 , commercialisés par les sociétés Perle, Veco Thermistance et Murata. Les tests ont été effectués au sol et à 35 kilomètres d'altitude, en phase de plafonnement, le ballon ayant une vitesse sensiblement nulle relativement au milieu environnant. Chaque capteur était placé à l'extrémité d'un bras de 25 centimètres de long. Pour les tests sans déplacement, le bras était maintenu fixe sur la nacelle. Pour les tests avec déplacement, le bras était entraîné en oscillation à une fréquence d'oscillation adaptée pour assurer une vitesse moyenne de déplacement du capteur par rapport à l'air d'au moins 2 m/s, les oscillations, sensiblement centrées sur un axe vertical, ayant une amplitude d'environ 45 degrés. Toutes les autres conditions opératoires étaient identiques. Les erreurs reportées dans le tableau 1 correspondent à des différences entre les mesures et les résultats de simulations. Elles ne sont pas égales à des erreurs effectives réelles, mais permettent des comparaisons entre capteurs fixe et déplacé. Tableau 1: Effet du déplacement du capteur par rapport à la nacelle sur l'erreur de mesure de la température T du milieu environnant Capteur testé Perle 127 um Thermistance 0603 Thermistance 0805 Altitude 0 km 35 km 0 km 35 km 0 km 35 km Erreur (en K) 0,053 6,003 0,55 0,25 1,36 2,46 Capteur fixe Erreur (en K) 0,023 0,063 0,06 0,25 0,18 0,21 Capteur déplacé Quels que soient le capteur utilisé et l'altitude de la mesure, on constate que le déplacement du capteur n'a pas nuit, contrairement aux attentes, à la précision de la mesure. Au contraire, le déplacement du capteur a presque toujours amélioré la précision de la mesure. Comme cela apparaît clairement à présent, le dispositif selon l'invention permet des mesures de la température d'un milieu l'environnant avec une erreur minimisée, en particulier quand les caractéristiques dudit milieu environnant sont stables, c'est-à-dire notamment pendant la phase de plafonnement. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté fourni à titre d'exemple illustratif et non limitatif. En particulier, le déplacement du capteur par rapport à la nacelle n'est pas limité à un mouvement en rotation et pourrait être quelconque. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de la température d'un milieu, en particulier dispositif monté sur un ballon stratosphérique (1) et destiné à la mesure de températures de différentes couches de l'atmosphère, comportant une nacelle (5), au moins un capteur de température (7), et des unités de pilotage (11) et d'alimentation en énergie (13) dudit capteur (7) solidaires de ladite nacelle (5), caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de déplacement (9,15,18), dans ledit milieu, dudit capteur (7) relativement à ladite nacelle (5). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de déplacement comportent un bras (9) mobile en rotation autour d'un pivot (17) de ladite nacelle (5) et un moteur d'entraînement (18) dudit bras (9) en rotation autour dudit pivot (17). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit capteur (7) et/ou ledit bras (9) comportent une symétrie de révolution autour d'axes de capteur et/ou de bras, respectivement, sensiblement perpendiculaires à une direction (B) dudit déplacement. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit bras (9) est sensiblement longiligne, le rapport entre la longueur (L) et la plus grande largeur (I) dudit bras (9) étant compris entre 80 et 130, de préférence d'environ 100. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'évaluation (21,23,13) du flux thermique par conduction entre ladite nacelle (5) et ledit capteur (7) à travers ledit bras (9), et des moyens de compensation (25,26,13) dudit flux thermique par conduction. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens d'évaluation comportent un thermomètre différentiel comportant des première (21) et deuxième (23) thermistances disposées sur ledit bras (9), écartées axialement l'une de l'autre. 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de compensation comportent des moyens de chauffage (26) et/ou de refroidissement (25) dudit bras (9). 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que, ladite première thermistance (21) étant disposée plus proche dudit capteur (7) que ladite deuxième thermistance (23), lesdits moyens de chauffage (26) et/ou de refroidissement (25) dudit bras (9) sont disposés sur ledit bras (9) du côté dudit bras (9) opposé audit capteur (7) relativement à ladite deuxième thermistance (23). 9. Procédé de mesure d'une température d'un milieu au moyen d'un capteur de température, caractérisé en ce qu'on augmente artificiellement les échanges par convection entre ledit capteur (7) et ledit milieu. 10.Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on met en rotation ledit capteur (7) par rapport à un point de pivot (17), fixe ou mobile par rapport audit milieu. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on détermine la vitesse de rotation w dudit capteur (7) par rapport audit point de pivot (17) de manière que la variation temporelle de la vitesse dudit capteur (7) par rapport audit milieu reste inférieure à une valeur de seuil.