FR2683318A1 - Procede et dispositif de mesure de temperature. - Google Patents

Abstract

Le dispositif selon l'invention fait intervenir un module de détection comportant deux oscillateurs à quartz dont l'un sert de capteur de température et l'autre permet d'élaborer un signal définissant une période de comptage, une porte ET (8) dont une entrée est reliée au premier oscillateur et l'autre reçoit ledit signal, un compteur d'impulsions (9) dont l'entrée de comptage est connectée à la sortie de la porte ET (8) et un microcontrôleur (10) apte à effectuer la lecture du compteur d'impulsions (9) à la fin de chaque période de comptage, la conversion du contenu (N) du compteur (9) en une valeur numérique représentative de la température, grâce à une table de correspondance, et la mémorisation de cette valeur, dans une mémoire (11), à une adresse en correspondance avec le moment où a été effectuée la mesure. Ce dispositif présente l'avantage de jouir d'une grande autonomie et de ne pas faire l'objet de dérive.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE TEMPERATURE.

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de température permettant d'obtenir directement un signal numérique représentatif de la température à mesurer et exploitable par un circuit de traitement numérique, en vue de son enregistrement dans une mémoire numérique, de son affichage, et/ou d'une analyse ultérieure exécutée conformément a un programme préétabli.

Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, à la surveillance de la température pendant des périodes relativement longues, par exemple de produits surgelés ou frigorifiés, en vue de détecter d'éventuelles ruptures de la chalne de froid, de situer dans le temps ces ruptures et d'en déterminer éventuellement les causes et les conséquences.

D'une manière générale, on sait qu'il a déjà été proposé de nombreux dispositifs de ce genre faisant intervenir des capteurs de température de type analogique tels que, par exemple, des éléments thermorésistifs ou des couples thermoélectriques.

Toutefois, ces dispositifs font habituellement intervenir des circuits de linéarisation relativement complexes ainsi que des convertisseurs analogique/numérique dans le cas où l'on veut procéder à des traitements numériques des températures mesurées.

Pour ces différentes raisons, ces dispositifs sont relativement coûteux et peu économes en énergie électrique.

Ils ne conviennent donc pas bien à la réalisation d'appareils de surveillance présentant une grande autonomie, et ce, avec un volume réduit et un faible poids.

Il s' avère en outre que les détecteurs utilisés sont sujets à des dérives et doivent être réétalonnés périodiquement, si l'on souhaite obtenir, dans le temps, des mesures suffisamment précises : I1 est clair que cette exigence n'est pas compatible avec le type d'application précité qui implique une circulation libre et sans contrainte des détecteurs.

L'invention a donc plus particulièrement pour but de supprimer cet inconvénient.

Pour parvenir à ce résultat, l'invention exploite les propriétés de variation de fréquence (pratiquement linéaire) d'un oscillateur à quartz, en fonction de la température.

Elle propose un procédé de mesure de température comprenant une pluralité de cycles de mesure successifs, comportant chacun le comptage du nombre d'oscillations engendrées par un oscillateur à quartz, au cours d'une période de temps prédéterminée, mesurée par une horloge utilisant un quartz distinct de celui de l'oscillateur, mais placé dans des mêmes conditions de température, la détermination, à partir du nombre d'oscillations ainsi comptées, d'une valeur de température, grâce à une table de correspondance entre un nombre d'oscillation/température préalablement établie grâce à un étalon nage et la mémorisation de la température ainsi déterminée.

Il convient de remarquer que, d'une façon similaire à celle de l'oscillateur de mesure de température.

l'horloge est sujette à des variations de fréquence en fonction de la température.

En ce qui concerne la variation de fréquence du quartz de mesure, cette variation s'exprime par une relation du type
f(T) = fo (1 + a(T-To) + p(T-To)2 + #(T-To) ] expression dans laquelle T est la température à mesurer,
To est une température de référence, par exemple de 25 C et fo est la fréquence du quartz à la température To, fo étant, par exemple, égal à 262 144 Hz.

Les constantes a, ss et 6 peuvent alors présenter les valeurs suivantes
a = 35 x IO-6"C-1 0 = 2 x 10-8"C-2
6 = 10-100C-3
La variation de la fréquence du quartz de l'horloge en fonction de la température s'exprime, quant à elle, par une relation du type
fl(T) = flo El + pl(T-To)2] expression dans laquelle - flo est la fréquence du quartz à une température To,
par exemple, de 27 C, cette fréquence pouvant, par
exemple, être égale à 32 768 Hz, - la constante Pi est, par exemple, égale à
-3,5 x 10-6vC-2.

L'horloge peut comprendre un oscillateur utilisant le quartz d'horloge et un diviseur de fréquence permettant, par exemple, d'obtenir des périodes d'environ quatre secondes.

Dans les conditions précédemment indiquées, à titre d'exemple, le nombre N d'impulsions comptées pendant une période de quatre secondes, est de 1 048 576.

Une variation de température de 1"C correspond alors à une variation du nombre N égal à a N, soit environ trente-sept impulsions.

La résolution de cette mesure de fréquence est donc de l'ordre de 0,03"C.

La variation du nombre N en fonction de la température s'exprime par une relation du type
k fo rl+a(T-To)+P(T-To)2 + ô(T-To)3J
N =
flo (l+Pl(T-To)21 expression dans laquelle k est une constante, par exemple, egale à
k = 131 072
On constate donc que, moyennant une légère approximation (compatible avec la précision souhaitée), cette relation est assimilable à un polynôme du troisième degré du type
N* = aT3 + bT2 + cT + d
L'invention tire parti de cette propriété pour établir la table de correspondance permettant de déterminer la température en fonction du nombre N.

D'une façon plus précise, l'établissement de cette table de correspondance comprend une phase d'étalonnage du dispositif de mesure totalement fabriqué, au cours de laquelle le dispositif est soumis successivement à quatre températures (T1 à T4) qui correspondent aux quatre points d'étalonnage nécessaires, compte tenu du degré du polynôme.

Pour chacune de ces températures, on relève le nombre d'impulsions N compté par l'appareil de sorte que l'on dispose de quatre couples de valeurs (NlTl, N2T2, N3T3,
N4T4) qui définissent quatre points de la courbe réelle
N = f(T).

A partir de ces quatre points, on détermine, par un calcul à l'aide des polynômes de Lagrange, une courbe théorique sous la forme du polynôme du troisième degré précédemment évoqué N* = f(T).

A partir de cette courbe, on détermine une table de correspondance qui donne par exemple quatre-vingt-cinq valeurs de N* correspondant aux valeurs entières de la température comprise entre -35 C et +49 C. Cette table de correspondance est alors mémorisée dans le dispositif.

Une fois que cette phase d'élaboration de la table de correspondance est terminée, la détermination de la température est obtenue simplement en relevant la température mémorisée à l'adresse du nombre N compté à chaque cycle de comptage.

Un mode d'exécution d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précédemment défini, sera décrit ci après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels
La figure 1 est un schéma synoptique d'un dis
positif de mesure de température, conçu de
manière à pouvoir se coupler sur un microordi
nateur
La figure 2 est un diagramme temporel permet
tant d'illustrer les différentes phases d'un
cycle de fonctionnement du dispositif repré
senté figure i
La figure 3 est une vue de face du boitier d'un
module de détection pouvant se connecter à un
module de lecture.

Tel que représenté sur la figure 1, le dispositif de mesure de température fait coopérer trois éléments, à savoir - un module de détection 1 portatif et autonome, de
faible dimension et de faible coût dont le circuit est
schématisé dans le bloc en traits interrompus ; - un lecteur 2 dans lequel des modules de détection peu
vent se connecter ; et - un microordinateur 3 couple au lecteur 2 par exemple
grâce à un connecteur classique de type RS 232.

Les modules de détection 1 sont, de préférence, conçus de manière à pouvoir etre soumis à des conditions d'utilisation très dures et manipulés par un personnel non qualifié en électronique ou en informatique (manutentionnaires, dockers).

Ils comprennent, logé dans un boitier étanche et résistant au choc, un circuit électronique alimenté par des piles ou des accumulateurs amovibles ou rechargeables et comprenant - un premier oscillateur 4 à quartz 5 appelé oscillateur
de mesure (dans lequel le quartz 5 sert de capteur de
température), - un second oscillateur à quartz 6 appelé oscillateur
horloge couplé à un diviseur de fréquence 7 piloté par
un circuit de logique combinatoire, dont une sortie
délivrant un signal d'inhibition S2 est reliée à une
entrée de commande de I'oscillateur de mesure 4, - une porte ET 8 dont 1' une des entrées est connectée à
la sortie de l'oscillateur de mesure 4 tandis que
l'autre entre est reliée à une sortie du diviseur de
fréquence 7 délivrant un signal S4, - un compteur d'impulsions 9 dont l'entrée de comptage
est connectée à la sortie de la porte ET 8 et qui com
prend une entrée de remise à zéro RAZ connectée à une
sortie du diviseur de fréquence 7 délivrant un signal Si, - un microcontrôleur 10 apte à effectuer la lecture du
compteur d'impulsions 9 et la conversion du contenu du
compteur 9 (nombre N) en une valeur numerique représen
tative de la température, grâce à une table de corres
pondance, et la memorisation de cette valeur dans une
mémoire il à une adresse permettant de définir le
moment où a été effectuée la mesure, llalimentation 12
de ce microcontrôleur 10 étant pilotée par un signal S6
fourni par une sortie du diviseur de frequence 7, - un connecteur extérieur 13 relié au microcontrôleur 10
et apte à venir se connecter sur un connecteur corres
pondant 14 du lecteur 2, de manière à permettre au
microprocesseur 2 de lire les températures mémorisées
dans la mémoire 11 et, lors de la phase
d'initialisation, d'entrer en mémoire la table de cor
respondance.

Comme cela est visible sur la figure 2, le cycle de fonctionnement de ce dispositif, de période TM, est rythmé par le signal S1 émis par le diviseur de fréquence 7 qui, au cours d' une première fraction de période TM1, par exemple de 16 s, qui débute à l'instant ti, habilite le compteur 9 à effectuer un comptage puis, au cours de la fraction restante TM2 (entre les instants t5 et t6) inhibe le compteur 9 et le remet à zéro. La période TM peut présenter une durée réglable en fonction du type d'application, par exemple entre 32" et 512".

L'oscillateur 4 est, quant à lui, commandé par le signal S2 de manière à osciller au cours d'une période P1 par exemple de huit secondes, débutant à l'instant tl et se terminant à l'instant t3.

Toutefois, les oscillations produites par l'oscillateur 4 ne sont transmises au compteur 9 qu'au bout d'une période
P2, dite de stabilisation, à compter du temps tl, en raison du fait que la deuxième entre de la porte logique
ET 8 n'est à l'état logique 1 (signal S4) que pendant une période P3, par exemple de quatre secondes qui débute à l'instant t2 et se termine à l'instant t3.

A l'issue de cette période de comptage P3, le signal S6 commande une phase P4 de fonctionnement du microcontrôleur 10 dans laquelle ce dernier effectue - la lecture du contenu du compteur 9, - la conversion en un signal binaire représentatif de la
température, du nombre N d'impulsions comptées par le
compteur 9, et ce, en utilisant la table d'étalonnage
préalablement mémorisée, - la mise en mémoire, dans la mémoire 11, de la tempéra
ture ainsi déterminée.

A l'instant t4 qui marque la fin de cette phase P4, l'alimentation du microcontrôleur 10 est coupée jusqu'au début d'une nouvelle phase P4 dans le cycle suivant (qui débute à l'instant t6).

On constate donc qu'au cours d'un cycle, les périodes de fonctionnement de l'oscillateur de mesure 4, du compteur 9 et du microcontrôleur 10 sont réduites au minimum admissible, de sorte que la consommation énergétique du module de détection est très faible. Il est donc possible d'utiliser des piles ou des batteries de très faibles dimensions, et ce, pour une autonomie de plusieurs années.

Lorsqu'on souhaite procéder à l'analyse des températures mémorisées dans le module de détection 1, on le connecte à un lecteur 2, tel que celui représenté figure 1 couplé à un microordinateur 3 convenablement programmé. Celui-ci procède à la lecture des informations mémorisées dans la mémoire 11 en vue d'un traitement spécifique. En outre, le module de lecture 2 pourra être utilise pour initialiser périodiquement le module de mesure en provoquant 1' effacement des mémoires contenant les valeurs de température précédemment détectées et en mémorisant une nouvelle date. I1 est clair que, grâce à cette date et au fait que lton connaît la période de temps séparant chaque mesure de température, le lecteur peut facilement effectuer un horodatage des températures mémorisées par le module de mesure. En outre, au moment de l'initialisation du module, l'ensemble lecteur/microordinateur peut être utilisé pour réaliser un cycle d'étalonnage tel que celui précédemment décrit avec mise en mémoire de la table de correspondance spécifique du module 1.

I1 convient d'insister sur le fait qu'un des avantages importants du dispositif précédemment décrit consiste en ce que, du fait que l'on utilise le quartz 5 de l'oscillateur 4 en tant que capteur de mesure, on s'affranchit des problèmes de dérives, dans le temps, précédemment évoqués. De ce fait, on dispose d'une mesure précise et fiable dans le temps et, par conséquent, juridiquement acceptable. Cette dernière particularité se trouve renforcée par le fait qu'un défaut de fonctionnement se traduira par un écart très important dans le comptage des impulsions, le résultat du comptage se trouvant alors complètement en dehors de la plage de valeurs de mesures plausibles (et donc de la table de correspondances).

Compte tenu de cette propriété, le dispositif pourra avantageusement comprendre des moyens permettant de comparer le résultat du comptage effectué par le compteur avec deux valeurs définissant la plage de valeurs de mesures plausibles puis d'émettre et de mémoriser avec horodatage un signal de défaut, dans le cas où le resultat du comptage se trouve en dehors de ladite plage.

Bien entendu, de nombreuses mesures doivent être prises en vue d'assurer l'inviolabilité du module de détection.

Ainsi, le boîtier renfermant les circuits électroniques du module de détection 1 est, de préférence, réalisé en un matériau résistant aux chocs et est refermé de façon étanche et définitive par exemple par soudage. Cette étanchéité pourra être garantie, même en cas de détérioration du boîtier, en injectant dans le volume libre compris entre le circuit électronique et les parois internes du boîtier, une matière de remplissage imperméable telle que, par exemple, une résine de polyuréthane.

La communication entre les modules de détection 1 et les lecteurs 2 notamment en vue d'effectuer l'initialisation du module de détection 1, et la lecture des informations memorisées dans ce dernier, peut s'effectuer - soit au moyen d'éléments de connexion électrique prévus
sur la face extérieure du boîtier, qui coopèrent avec
des éléments de connexion correspondants, prévus dans
les lecteurs 2, et/ou - par une transmission à distance, par exemple au moyen
d'une onde électromagnétique, optique, sonore ou ultra
sonore.

Dans tous les cas, des mesures doivent etre prises pour garantir l'inviolabilité des informations mémorisées dans le module de détection 1 et, en particulier, pour se prémunir contre la destruction de ces informations.

Ainsi, dans le cas d'une transmission faisant intervenir des moyens de connexion accessibles de ltextérieur du module de détection, l'inviolabilité électrique du module pourra être obtenue au moyen de relais aptes à assurer, en position ouverte, une isolation entre les éléments de connexion et les circuits électriques du module, ces relais étant commandés de manière à ne passer en position fermée que lorsque le module 1 se trouve engagé dans le lecteur 2. Dans un mode d'exécution particulièrement avantageux de l'invention, ces relais sont de type à commande magnétique (relais "reed"), et 'sont disposés de manière à ne se refermer que lorsqu'ils se trouvent dans le champ magnétique d'un aimant permanent équipant le lecteur 2. Des moyens de détrompage sont alors prévus de manière à ce que seul cet aimant permanent puisse provoquer cette fermeture.

Dans l'exemple représenté figure 3, le lecteur (en traits pleins) comprend un boltier 20 de forme plate comprenant une partie sensiblement carrée 21 logeant les circuits électroniques du module (carte de circuit imprimé 22), cette partie présentant, d'un côté, une région angulaire tronquée 23 et, à l'opposé de cette région tronquée, une région angulaire prolongée par une poignée 24.

La région angulaire tronquée 23 porte six languettes de contact L1 à L6 disposées en deux groupes de trois séparées par une nervuration 25.

Le module 1 est destiné à venir s'engager dans la fente d'un lecteur 2 (ici de forme triangulaire) équipé de languettes de contact disposées de manière à venir porter sur les languettes L2 à L6 et d'un aimant permanent apte à venir s'engager dans la nervuration 25.

Les languettes de contact L2 à L6 sont reliées au circuit électronique 22 inclus dans le module 1 par l'intermédiaire de relais à commande magnétique R1 à R5 loges à l'intérieur du boitier au droit de la nervure 25, et ce, de manière à pouvoir se fermer sous l'effet du champ magnétique engendré par l'aimant permanent.

Gracie à une telle disposition, il devient impossible à une personne ne disposant pas du lecteur 2 d'accéder au circuit électronique du module de détection 1 (par exemple en vue de le détruire en appliquant sur les languettes de contact Li à L6 un courant électrique intense).

Dans l'exemple représenté sur la figure 3, l'une des languettes (la languette L1) n'est pas utilisée en tant qu'élément de connexion électrique, mais en tant qu'élément de conduction thermique. Cette languette L1, qui pénètre à l'intérieur du boîtier du module, vient en contact thermique avec les deux quartz 5, 6 utilisés par le module de lecture 1.

Cette disposition permet de réduire le temps de réponse du circuit de mesure, à un écart de température.

Comme précédemment mentionné, les transmissions entre le module de détection 1 et le module de lecture 2 peuvent s'effectuer à distance, par exemple grâce à un émetteur 26, figure 1, logé dans le module de détection 1 et piloté par le microcontrôleur 10, et à un récepteur 27 situé dans le module de lecture 2.

Dans le but de limiter la consommation du module de mesure 1 et donc d'accroltre son autonomie, le module de lecture 2 pourra etre équipé de moyens permettant de ne déclencher la mise en service de l'émetteur 26 que pendant le temps de la transmission.

Claims (12)

Revendications

1. Procédé de mesure de température, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de cycles de mesure successifs comportant chacun le comptage du nombre d'oscillations engendrées par un oscillateur à quartez, au cours d'une période de temps prédéterminée, mesurée par une horloge utilisant un quartz distinct de celui de l'oscillateur, mais placé dans des mêmes conditions de température, la détermination, à partir du nombre d'oscillations ainsi comptées, d'une valeur de température grace à une table de correspondance nombre d'oscillation/température préalablement établie et mémorisée au cours d'un étalonnage, et la mémorisation avec horodatage de la température ainsi déterminée.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase d'étalonnage exécutée en vue d'établir la table de correspondance comprend - le relevé du nombre d'impulsions (N1, N2, N3, N4)

engendrées par ltoscillateur de mesure au cours de

ladite période de temps pour quatre valeurs de tempéra

ture distinctes (tri, T2, T3, T4), - le calcul, à l'aide des polynômes de Lagrange, d'une

courbe théorique sous la forme d'un polynôme du troi

sieme degré, à partir des quatre couples de valeur tem

pératures (T1, T2, T3, T4)/nombres (Ni, N2, N3, N4)

précédemment relevés, - la détermination de la table de correspondance à partir

de ladite courbe théorique.

3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications I et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un module de détection comportant - un premier oscillateur (4) à quartz (5), dans lequel le

quartz (5) sert de capteur de température, - un second oscillateur à quartz (6) couplé à un diviseur

de fréquence, - une porte ET (8) dont une première entrée est connectée

à la sortie du premier oscillateur, tandis que la

deuxième entrée est connectée à une sortie du diviseur

de fréquence (7) délivrant un signal (S4) qui définit

la période de comptage, - un compteur d'impulsions (9) dont l'entrée de comptage

est connectée à la sortie de la porte ET (8), et - un microcontrôleur (10) apte à effectuer la lecture du

compteur d'impulsions (9) à la fin de chaque période de

comptage, la conversion du contenu (N) du compteur (9)

en une valeur numérique représentative de la tempéra

ture grâce à une table de correspondance, et la mémori

sation de cette valeur dans une mémoire (11), a une

adresse en correspondance avec le moment où a été

effectuée la mesure.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le susdit module de détection est portatif et autonome et comprend des moyens permettant sa connexion à un lecteur (2) couplé à un processeur (3).

5. Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le diviseur de fréquence comprend une sortie délivrant un signal d'inhibition, reliée à une entrée de commande du premier oscillateur, ce signal permettant d'inhiber périodiquement le premier oscillateur à la fin d'une période d'oscillation incluant la susdite période de comptage.

6. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le susdit compteur d'impulsions comprend une entrée de remise à zéro (RAZ) connectée à une sortie du diviseur de fréquence qui délivre un signal (S1) définissant une période de fonctionnement incluant la susdite période de comptage.

7. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que l'alimentation du microcontrôleur (10) est pilotée par un signal (S6) fourni par le diviseur de fréquence qui définit une période de fonctionnement incluse dans la période de fonctionnement du compteur d'impulsions et succédant à la susdite période de comptage.

8. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le susdit module de lecture (2) comprend des moyens permettant d'initialiser le module de mesure (I), ces moyens permettant d'effacer les memoires du module de mesure (1) contenant les valeurs de température précédemment detectees et à mémoriser une nouvelle date qui permettra d'effectuer un horodatage des nouvelles valeurs de température mesurées.

9. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que le module de mesure (1) comprend des moyens permettant de comparer le résultat du comptage effectué par le compteur (9) avec deux valeurs définissant une plage de valeurs plausibles et de mémoriser avec horodatage un signal de défaut, dans le cas où ledit résultat se trouve en dehors de ladite plage.

10. Dispositif selon l'une des revendications 3 å 9, caractérisé en ce que la communication entre le module de détection (1) et le module de lecture (2) s'effectue grâce à des premiers éléments de connexion électrique (L2 à L6) prévus sur la face exterieure du boîtier du module de détection (1), qui sont destinés a coopérer avec des seconds éléments de connexion correspondants prévus dans le module de lecture (2), et en ce que la liaison entre les premiers éléments de connexion (L2 à L6) et le circuit électronique du module de détection (1) s'effectue par 1 'intermédiaire de relais commandables à distance (R à R5).

11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les susdits relais (R1 à Rg) sont commandables par un champ magnétique émanant d'un aimant permanent placé dans le module de lecture (2).

12. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que les communications entre le module de détection (1) et le module de lecture (2) s'effectuent par l'intermédiaire d'un émetteur (26) logé dans le module de détection et d'un récepteur (27) logé dans le module de lecture (2).