Brevet FR3057062A1 — publié le 20180406

Procédé de mesure de température d'un milieu, produit programme d'ordinateur, dispositif de traitement et ensemble de mesure associés La présente invention concerne un procédé de mesure de température d'un milieu, un produit programme d'ordinateur, un dispositif de traitement et un ensemble de mesure associés. Il est souvent nécessaire de mesurer la température de manière particulièrement précise dans des milieux contraignants notamment lors des phases de calibration des appareils complexes scientifiques ou industriels nécessitant une grande précision de mesure Un milieu peut par exemple être sensible à des perturbations générées par des sondes conventionnelles de mesure de température qui utilisent un courant électrique passant via des conducteurs électriques présents dans ce milieu. Un milieu peut en outre présenter des contraintes de nature mécanique et/ou thermique rendant la mesure de température par des sondes conventionnelles présentes dans ce milieu particulièrement difficile. On conçoit alors que les sondes conventionnelles de mesure de la température se trouvent inadaptées pour l'utilisation dans ces milieux. En effet, d'une part, ces sondes transmettent souvent des mesures vers un dispositif de traitement de ces mesures sous la forme d'un courant électrique perturbant le milieu correspondant et d'autre part, elles peuvent être perturbées par des contraintes de ce milieu notamment de nature thermique ou/et mécanique. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients de sondes de mesure conventionnelles. En particulier, la présente invention a pour but de proposer notamment un procédé et un ensemble de mesure permettant de mesurer la température d'un milieu avec une très grande précision et ceci sans perturber ce milieu par la circulation d'un courant électrique et pouvant supporter, mieux qu'une sonde de température conventionnelle, des contraintes mécaniques et/ou thermiques élevées. À cet effet, l'invention a pour objet le procédé de mesure de température d'un milieu mis en oeuvre par un dispositif de traitement raccordé à une cavité microonde via un câble de transmission, la cavité microonde étant disposée dans le milieu. Le procédé comprend les étapes suivantes : - envoi d'une pluralité de signaux électromagnétiques, dits signaux initiaux, à des fréquences différentes vers la cavité microonde via le câble de transmission ; 3057062 2 - acquisition d'une pluralité de signaux électromagnétiques, dits signaux réfléchis, issus du câble de transmission et correspondant aux signaux initiaux réfléchis par la cavité microonde ; - détermination d'une fréquence de résonnance de la cavité microonde à partir des 5 signaux réfléchis ; - détermination de la température du milieu à partir d'une relation linéaire prédéterminée entre la fréquence de résonnance de la cavité microonde et de sa température. Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le procédé de mesure 10 comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - chaque signal initial est un signal hyperfréquence ; - la fréquence de chaque signal initial est choisie dans un intervalle de balayage choisi en fonction de la plage de température à mesurer ; 15 - la durée de la mise en oeuvre de l'étape d'envoi des signaux initiaux est inférieure ou égale à environ une seconde ; - l'étape de détermination d'une fréquence de résonnance de la cavité microonde comprend les sous-étapes suivantes : - acquisition d'une courbe de dépendance de l'amplitude des signaux 20 réfléchis de la fréquence de ces signaux ; - interpolation de la courbe de dépendance par une équation de Lorenz ; - détermination d'un pic de résonnance dans la courbe de dépendance interpolé ; - détermination de la fréquence de résonnance du pic de résonnance ; 25 - le procédé comprend en outre une étape de mesure de la température du câble de transmission et de détermination d'une erreur de mesure de la température du milieu en fonction de la température du câble ; - la relation linéaire prédéterminée définit la température de la cavité microonde en fonction de sa fréquence de résonnance avec une précision inférieure ou égale à 30 environ 2 mK. L'invention a également pour objet un produit programme d'ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsque mises en oeuvre par un équipement informatique, mettent en oeuvre le procédé tel que défini ci-dessus. L'invention a également pour objet un dispositif de traitement mettant en oeuvre le procédé tel que défini ci-dessus. 3057062 3 Suivant un aspect avantageux de l'invention, le dispositif comprend un analyseur vectoriel de réseau mettant en oeuvre les étapes d'envoi des signaux initiaux et d'acquisition des signaux réfléchis, et un calculateur mettant en oeuvre les étapes de détermination de la fréquence de résonnance de la cavité microonde et de détermination 5 de la température du milieu. L'invention a également pour objet un ensemble de mesure comprenant un dispositif de traitement tel que défini ci-dessus, une cavité microonde et un câble de transmission raccordant la cavité microonde au dispositif de traitement. Ces caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la 10 description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non-limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un ensemble de mesure selon l'invention, l'ensemble comportant notamment un dispositif de traitement mettant en oeuvre un procédé de mesure selon l'invention ; 15 - la figure 2 est un organigramme du procédé de mesure de la figure 1 ; et - la figure 3 est un graphe illustrant la précision de mesures de la température acquises par l'ensemble de mesure de la figure 1. L'ensemble de mesure 10 de la figure 1 permet de mesurer la température d'un milieu 14. 20 Le milieu 14 présente par exemple un espace interne d'une machine industrielle contenant des équipements de natures différentes. Le milieu 14 et notamment les équipements présents dans ce milieu, sont par exemple sensibles à des perturbations générées par la circulation d'un courant électrique dans ce milieu 14. 25 Le milieu 14 présente par exemple une température homogène et de variation lente. L'ensemble de mesure 10 comporte une cavité microonde 21 disposée dans le milieu 14, un dispositif de traitement 23 disposé à l'extérieur du milieu 14 et permettant de déterminer la température de ce milieu 14 à l'aide de la cavité microonde 21, et un câble 30 de transmission 25 raccordant la cavité microonde 21 au dispositif de traitement 23. La cavité microonde 21 est connue en soi et présente par exemple un boîtier en cuivre de forme parallélépipédique. Les parois de ce boîtier sont non-modifiables. La cavité microonde 21 est vide à l'intérieur. La cavité microonde 21 est par exemple disposée librement dans le milieu 14. 35 Selon une variante de réalisation, la cavité microonde 21 est associée à l'un des équipements du milieu 14 de sorte que sa température est sensiblement égale à la 3057062 4 température de cet équipement. Ainsi, selon cette variante de réalisation, au moins une des parois de la cavité microonde 21 est en contact avec ledit équipement. La fréquence de résonnance de la cavité microonde 21 à la température ambiante est d'environ 9 GHz, le facteur de surtension est de 1000. 5 Le câble de transmission 25 est par exemple un câble métallique semi-rigide qui est apte à transmettre des signaux électromagnétiques, de préférence des signaux hyperfréquence. On entend par signaux hyperfréquence, des signaux électromagnétiques dont la fréquence est comprise entre 1 GHz et 30 GHz. 10 Le câble de transmission 25 est disposé au moins partiellement dans le milieu 14. Le dispositif de traitement 23 comprend un analyseur vectoriel de réseau 30 et un calculateur 32. L'analyseur vectoriel de réseau 30 est un dispositif électronique connu en soi qui permet de générer des signaux électromagnétiques de fréquences différentes et 15 d'analyser des signaux électromagnétiques issus de l'extérieur pour notamment déterminer la fréquence de ces signaux. Dans l'exemple décrit, l'analyseur vectoriel de réseau 30 est raccordé au câble de transmission 25 et permet d'y émettre des signaux électromagnétiques. L'analyseur vectoriel de réseau 30 permet en outre de recevoir et d'analyser des signaux 20 électromagnétiques issus de ce câble. Le calculateur 32 comporte par exemple un processeur et une mémoire qui est apte à stocker une pluralité de logiciels que le processeur est apte à exécuter. Le calculateur 32 est raccordé à l'analyseur vectoriel de réseau 30 par des moyens de communication informatiques connus en soi. 25 Ainsi, par exemple, ces moyens de communication présentent une liaison filaire lorsque l'analyseur vectoriel de réseau 30 et le calculateur 32 sont disposés dans un même endroit physique, ou une liaison sans fil lorsque l'analyseur vectoriel de réseau 30 et le calculateur 32 sont disposés dans des endroits physiques distincts. Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention, l'ensemble de mesure 10 30 comporte en outre une sonde 34 de mesure de la température associée au câble de transmission 25 et raccordée au calculateur 32 par des moyens de communication informatiques à des fins de surveillance et de compensation éventuelle des effets des variations de température du câble 25. La sonde 34 est disposée par exemple sur une surface du câble de transmission 35 25 à l'extérieur du milieu 14 et permet de mesurer la température de ce câble 25. En 3057062 5 particulier, la sonde 34 est apte à transmettre des mesures de la température de la surface correspondante du câble 25 au calculateur 32. La sonde 34 est par exemple une sonde conventionnelle. Le procédé de mesure de température du milieu 14 sera désormais expliqué en 5 référence à la figure 2 illustrant l'organigramme de ses étapes. Lors d'une étape initiale (non-illustrée sur la figure 2), dite par la suite étape de calibrage, le calculateur 32 établit une relation entre la fréquence de résonance de la cavité microonde 21 et sa température. Pour ce faire, le calculateur 32 détermine la fréquence de résonance de la cavité 10 microonde 21 associée à un objet dont la température est maintenue à une valeur connue. La détermination de la fréquence de résonance de la cavité microonde 21 est effectuée par exemple en utilisant des méthodes analogues à celles décrites en relation avec les étapes 110, 120 et 130 expliquées en détail par la suite. 15 Puis, le calculateur 32 détermine un coefficient de proportionnalité entre la valeur connue de la température et la fréquence de résonance de la cavité microonde 21 mesurée. Ce coefficient de proportionnalité définit alors une relation linéaire entre la fréquence de résonance de la cavité microonde 21 et sa température. Cette relation est 20 propre à la cavité microonde 21 considérée. L'étape de calibrage est mise en oeuvre une fois préalablement à la mise en oeuvre des étapes 110 à 140 suivantes. Bien entendu, lorsqu'une autre cavité microonde est utilisée, l'étape de calibrage est à nouveau mise en oeuvre. 25 Lors de l'étape 110, l'analyseur vectoriel de réseau 30 envoie une pluralité de signaux électromagnétiques, dits par la suite signaux initiaux, vers la cavité microonde 21 via le câble de transmission 25. Ces signaux initiaux sont par exemple des signaux hyperfréquence. Les signaux initiaux sont envoyés à des fréquences différentes de sorte que 30 chaque fréquence est comprise dans un intervalle de balayage délimité par des valeurs qui dépendent de la plage de température à mesurer. La durée de la mise en oeuvre de cette étape 110 est par exemple inférieure ou égale à environ une seconde Lors de l'étape 120 suivante, l'analyseur vectoriel de réseau 30 acquiert une 35 pluralité de signaux électromagnétiques, dits par la suite signaux réfléchis, issus du câble 3057062 6 de transmission 25 et correspondant aux signaux initiaux réfléchis par la cavité microonde 21. Lors de la même étape, l'analyseur vectoriel de réseau 30 reconstitue les signaux réfléchis en construisant une courbe de dépendance de l'amplitude des signaux réfléchis 5 de la fréquence de ces signaux. À la fin de cette étape 120, l'analyseur vectoriel de réseau 30 transmet la courbe de dépendance obtenue au calculateur 32. L'étape 130 suivante permet de déterminer une fréquence de résonance de la cavité microonde 21 à partir des signaux réfléchis. 10 Cette étape 130 comprend plusieurs sous-étapes. Lors d'une première sous-étape 131, le calculateur 32 acquiert la courbe de dépendance générée par l'analyseur vectoriel de réseau 30. Lors d'une deuxième sous-étape 132, le calculateur 32 fait une interpolation de la courbe de dépendance en utilisant par exemple une équation de Lorenz. 15 Lors d'une troisième sous-étape 133, le calculateur 32 détermine un pic de résonance dans la courbe de dépendance interpolée. Lors de la même sous-étape, le calculateur 32 détermine en outre le taux de corrélation, la hauteur du pic ainsi que la fréquence centrale de ce pic de résonance. Lors d'une quatrième sous-étape 134, le calculateur 32 détermine la fréquence de 20 la cavité 21 qui correspond alors à la fréquence de résonance du pic de résonance. Lors de l'étape 140 suivante, le calculateur 32 détermine la température du milieu 14 en utilisant la relation linéaire prédéterminée lors de l'étape de calibrage à partir de la fréquence de résonance de la cavité microonde 21. Selon le mode avantageux de réalisation dans lequel l'ensemble de mesure 10 25 comprend la sonde 34, le procédé de mesure comprend en outre une étape optionnelle lors de laquelle la sonde 34 mesure la température du câble de transmission 25. La précision de ces mesures est par exemple de l'ordre d'un degré. Il pourra être choisi soit d'avoir établi une loi de correction au préalable pour corriger l'erreur due à la variation de température du câble, soit de réguler la température du câble. 30 Lors de la même étape, ces mesures sont transmises par la sonde 34 au dispositif de traitement 32 qui déduit alors l'erreur due au réchauffement du câble de transmission 25 des mesures de la température obtenues lors de l'étape 140. Bien entendu, les étapes 110 à 140 du procédé décrit ci-dessus peuvent être mises en oeuvre plusieurs fois de manière continue afin de suivre la variation de la 35 température du milieu 14 en fonction de la fréquence de résonance de la cavité microonde 21. 3057062 7 Ainsi, la figure 3 illustre un graphe de mesures de la fréquence de résonnance de la cavité microonde 21 en fonction du temps, lorsque le milieu 14 est maintenu à une température constante durant plusieurs heures. Selon ce graphe, le bruit de mesure de la fréquence de résonance mesuré est 5 d'environ 2 kHz soit, pour une relation en fréquence/température de 150 kHz/° K. Ceci donne alors un bruit sur la mesure sur la température de la cavité 21 de 7 mK et un écart-type d'Allan de 2 mK. On conçoit alors que les mesures de la température du milieu 14 faites par l'ensemble de mesure 10 sont particulièrement précises. 10 La présente invention présente alors un certain nombre d'avantages. Tout d'abord, selon l'invention, il n'est pas nécessaire de faire circuler un courant électrique dans le milieu correspondant afin de déterminer sa température ou celle des objets présents dans ce milieu. Ainsi, le milieu n'est pas perturbé. De plus, la cavité microonde présente un dispositif mécanique simple de sorte que 15 son fonctionnement peut être difficilement perturbé par des contraintes de nature mécanique et/ou thermique. Finalement, il a été prouvé que l'invention donne des mesures particulièrement précises de la température et que la température ainsi mesurée peut être garantie en continue sur plusieurs semaines. 20 REVENDICATIONS1.- Procédé de mesure de température d'un milieu (14) mis en oeuvre par un dispositif de traitement (32) raccordé à une cavité microonde (21) via un câble de transmission (25), la cavité microonde (21) étant disposée dans le milieu (14) ; le procédé comprenant les étapes suivantes : - envoi (110) d'une pluralité de signaux électromagnétiques, dits signaux initiaux, à des fréquences différentes vers la cavité microonde (21) via le câble de transmission (25) ; - acquisition (120) d'une pluralité de signaux électromagnétiques, dits signaux réfléchis, issus du câble de transmission (25) et correspondant aux signaux initiaux réfléchis par la cavité microonde (21) ; - détermination (130) d'une fréquence de résonnance de la cavité microonde (21) à partir des signaux réfléchis ; - détermination (140) de la température du milieu (14) à partir d'une relation linéaire prédéterminée entre la fréquence de résonnance de la cavité microonde et de sa température. 2.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel chaque signal initial est un signal hyperfréquence. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la fréquence de chaque signal initial est choisie dans un intervalle de balayage choisi en fonction de la plage de température à mesurer. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la durée de la mise en oeuvre de l'étape (110) d'envoi des signaux initiaux est inférieure ou égale à environ une seconde. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de détermination (130) d'une fréquence de résonnance de la cavité microonde (21) comprend les sous-étapes suivantes : - acquisition (131) d'une courbe de dépendance de l'amplitude des signaux réfléchis de la fréquence de ces signaux ; - interpolation (132) de la courbe de dépendance par une équation de Lorenz ; 3057062 9 - détermination (133) d'un pic de résonnance dans la courbe de dépendance interpolé ; - détermination (134) de la fréquence de résonnance du pic de résonnance. 5 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape de mesure de la température du câble de transmission (25) et de détermination (140) d'une erreur de mesure de la température du milieu (14) en fonction de la température du câble (25). 10 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la relation linéaire prédéterminée définit la température de la cavité microonde (21) en fonction de sa fréquence de résonnance avec une précision inférieure ou égale à environ 2 mK. 15 8.- Produit programme d'ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsque mises en oeuvre par un équipement informatique, mettent en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9.- Dispositif (23) de traitement mettant en oeuvre le procédé de mesure selon 20 l'une quelconque des revendications 1 à 7. 10.- Dispositif (23) selon la revendication 9, comprenant un analyseur vectoriel de réseau (30) mettant en oeuvre les étapes (110, 120) d'envoi des signaux initiaux et d'acquisition des signaux réfléchis, et un calculateur (32) mettant en oeuvre les étapes 25 (130, 140) de détermination de la fréquence de résonnance de la cavité microonde (21) et de détermination de la température du milieu (14). 11.- Ensemble (10) de mesure comprenant : - un dispositif (23) de traitement selon la revendication 9 ou 10 ; 30 - une cavité microonde (21) disposée dans un milieu (14) ; et - un câble (25) de transmission raccordant la cavité microonde (21) au dispositif de traitement (32).