FR3108172A1 - Radiometre et son application a la mesure de temperature - Google Patents
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Abstract
Le radiomètre comporte un capteur de microondes (1), un amplificateur microonde (11), une première source de bruit thermique (9) qui est apte à être portée successivement à au moins deux températures de référence différentes (T1 et T2), et qui présente pour chaque température de référence une charge qui peut selon le cas être identique (R) ou différente pour chaque température de référence (T1, T2), un commutateur microonde (4) à au moins deux voies (A /B), un circulateur (7) à au moins trois ports, dont le premier port (P1) est relié à la sortie du commutateur microonde, dont un deuxième port (P2) est relié à l’entrée de l’amplificateur microonde, et dont le troisième port (P3) est relié à la première source de bruit thermique (9). Le commutateur microonde (4) permet dans sa première position de commutation (A) de relier le capteur de microondes (1) à l’entrée de l’amplificateur (11) via le circulateur, et permet dans sa deuxième position de commutation (B) d’isoler l’amplificateur en reliant l’entrée de l’amplificateur (11) à la masse via le circulateur (7). Le radiomètre comprend une deuxième source de bruit thermique (13), qui est apte à être portée successivement et en même temps que la première source de bruit thermique (9), aux mêmes températures de référence (T1, T2) que la première source de bruit thermique (9), et qui présente pour chaque température de référence (T1, T2) une charge (R) identique à celle de la première source de bruit thermique. Figure 2
Description
La présente invention concerne un radiomètre perfectionné et son application principalement à la mesure de température d’un corps par détection du rayonnement émis par ce corps. Elle trouve de préférence, mais non exclusivement, son application à la mesure non invasive de la température de tissus biologiques, et notamment à la mesure de la température d’un corps humain ou d’une partie de corps humain, et à la mesure non invasive de la température de tout corps dissipatif ayant une forte teneur en eau.
Art antérieur
Dans le présent texte, le terme «corps» doit être pris dans son acceptation la plus générale et désigne aussi bien des tissus biologiques que des objets matériels, des substances, etc….
Tout corps émet des signaux de bruits thermiques en rapport direct avec sa température. Ces signaux de bruit thermique sont émis dans un domaine de fréquence très large.
La mesure de température non invasive et à distance de tout type de corps s’effectue de manière usuelle en mesurant la puissance de bruit thermique émis par ce corps.
Un premier type connu de thermomètre utilise le rayonnement infrarouge émis par le corps sous investigation, et par exemple par le tympan.
Avec ce type de thermomètre utilisant le rayonnement infrarouge, on obtient une profondeur d’investigation très limitée, de l’ordre de quelques microns, ce qui rend la mesure de température peu précise. En outre, la mesure dépend fortement de l’émissivité du corps sous investigation, et est ainsi dépendante par exemple de la couleur du corps et l’état de surface du corps sous investigation. Plus particulièrement, dans le cas du corps humain, les obstacles naturels (pilosité, cérumen, …) rendent la mesure dépendante de l’émissivité du corps. En outre, lorsque la mesure de température est effectuée sur le tympan, les variations de températures liées à l’inflammation du conduit auditif altèrent également la précision de la mesure de température.
Une autre approche de mesure de la température non invasive d’un corps, permettant de s’affranchir de ces problèmes et d’améliorer la précision de mesure de température, consiste à utiliser un thermomètre radiométrique comportant un capteur d’ondes hyperfréquences ou microondes (généralement dans le domaine 0,5 GHz à 20 GHz et plus particulièrement typiquement entre 1,2 GHz et 1,5 GHz), tel que par exemple une antenne ou une sonde. Ce capteur, désigné dans le présent texte, «capteur de microondes» est positionné à proximité du corps ou au contact du corps dont on souhaite mesurer la température. Le signal de sortie délivré par le capteur de microondes est traité par des moyens électroniques, qui comportent un amplificateur microonde délivrant une grandeur électrique directement proportionnelle à la puissance du signal, et donc à la température mesurée.
Par exemple un capteur de microondes fonctionnant dans une bande de fréquences entre 1,2 GHz et 1,5 GHz permet avantageusement des investigations en profondeur, typiquement entre 2cm et 3cm.
Plus particulièrement, il est connu d’utiliser dans ce domaine un type particulier de radiomètre, dit «radiomètre à méthode de zéro», tel que par exemple celui décrit dans la demande de brevet français FR 2497947 ou dans la demande de brevet français FR 2650390 ou celui représenté à titre d’exemple sur la figure 1 annexée.
Ce type de radiomètre permet avantageusement de s’affranchir de l’émissivité du corps sous investigation. Cependant tel que cela sera décrit en détail ultérieurement en référence aux figures annexées, avec un radiomètre à méthode de zéro classique, le facteur de bruit de l’amplificateur utilisé pour amplifier le signal délivré par le capteur de microondes , et par voie de conséquence la température de bruit de ce dernier, sont variables, ce qui nuit à la fiabilité et à la précision de la mesure.
Présentation de l’invention
La présente invention vise à proposer un nouveau radiomètre, qui de manière comparable aux radiomètres à méthode de zéro de l’art antérieur, permet de pallier les inconvénients susvisés inhérents aux thermomètres par infrarouge, mais qui pallie également l’inconvénient précité inhérent à ces radiomètres à méthode de zéro, c‘est-à-dire dire qui rend la mesure de température moins indépendante, et de préférence quasiment indépendante, du facteur de bruit de l’amplificateur du radiomètre.
Cet objectif est atteint par le radiomètre présentant les caractéristiques techniques suivantes.
Le radiomètre comporte un capteur de microondes, un amplificateur microonde, une première source de bruit thermique qui est apte à être portée successivement à au moins deux températures de référence différentes (T1 et T2), et qui présente pour chaque température de référence une charge qui peut selon le cas être identique ou différente pour chaque température de référence (T1, T2), un commutateur microonde à au moins deux voies (A/B), un circulateur à au moins trois ports, dont le premier port est relié à la sortie du commutateur microonde, dont un deuxième port est relié à l’entrée de l’amplificateur microonde, et dont le troisième port est relié à la première source de bruit thermique, dans lequel le commutateur microonde permet dans sa première position de commutation (A) de relier le capteur de microondes à l’entrée de l’amplificateur via le circulateur, et permet dans sa deuxième position de commutation (B) d’isoler l’amplificateur en reliant l’entrée de l’amplificateur à la masse via le circulateur.
De manière caractéristique selon l’invention, le radiomètre comprend, entre la masse et la voie du commutateur correspondant à la deuxième position de commutation (B), une deuxième source de bruit thermique, qui est apte à être portée successivement et en même temps que la première source de bruit thermique, aux mêmes températures de référence (T1, T2) que la première source de bruit thermique, et qui présente pour chaque température de référence (T1, T2) une charge identique à celle de la première source de bruit thermique.
Plus particulièrement, le radiomètre de l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles et facultatives ci-après, prises isolément ou en combinaison les unes avec les autres :
- Il comporte un filtre passe-bande entre le commutateur microonde et le circulateur microonde.
- Il comporte en outre un détecteur connecté à la sortie de l’amplificateur et une unité de traitement qui est apte à commander le commutateur microonde et les deux sources de bruit thermiques de manière à réaliser successivement les quatre phases suivantes de mesure de la tension (V1, V2, V3, V4) en sortie du détecteur:
- Phase 1: Commutateur en première position de commutation (A) [ou respectivement en deuxième position de commutation B], régulation de la température des deux sources de bruit thermique à la première température de référence T1, et mesure de la tension V1 en sortie du détecteur;
- Phase 2: Commutateur en première position de commutation (A) [ou respectivement en deuxième position de commutation B], régulation de la température des deux sources de bruit thermique à la deuxième température de référence T2, et mesure de la tension V2 en sortie du détecteur ;
- Phase 3: Commutateur en deuxième position de commutation (B) [ou respectivement en première position de commutation A], régulation de la température des deux sources de bruit thermique à la première température de référence T1, et mesure de la tension V3 en sortie du détecteur;
- Phase 4: Commutateur en deuxième position de commutation (B) [ou respectivement en première position de commutation A], régulation de la température des deux sources de bruit thermique à la deuxième température de référence T2, et mesure de la tension V4 en sortie du détecteur.
- L’unité de traitement est apte à calculer la température (Tx) du corps sous investigation au moyen de la formule suivante:
Tx = [(T2(V1-V3)-T1(V2-V4)]/(V1-V3-V2+V4).
- L’unité de traitement est apte à calculer le coefficient d’émissivité ρ de l’interface entre le capteur microondes et le corps sous investigation au moyen de la formule suivante:
ρ = (V2 - V1)/(V4-V3)
- Il comporte un capteur de température permettant de mesurer la première température de référence (T1) de l’une des deux sources de bruit, lequel capteur de température délivre un signal de mesure de température pour l’unité de traitement; l’unité de traitement est apte à réaliser une procédure d’auto-talonnage et à calculer la différence de température δT entre la première température de référence (T1) et la deuxième température de référence (T2).
- Pour réaliser la procédure d’auto-étalonnage, l’unité de traitement est apte à commander le commutateur microonde et les deux sources de bruit thermiques et à réaliser successivement les quatre phases suivantes de mesure de la tension (V1, V2, V3, V4) en sortie du détecteur:
- Phase I: Commutateur en première position de commutation (A) [ou respectivement en deuxième position de commutation B], régulation de la température des deux sources de bruit thermique à la première température de référence T1, et mesure de la tension V1 en sortie du détecteur ;
- Phase II: Commutateur en première position de commutation (A) [ou respectivement en deuxième position de commutation B], régulation de la température des deux sources de bruit thermique à la deuxième température de référence T2et mesure de la tension V2 en sortie du détecteur;
- Phase III: Commutateur en deuxième position de commutation (B) [ou respectivement en première position de commutation A], régulation de la température des deux sources de bruit thermique à la première température de référence T1et mesure de la tension V3 en sortie du détecteur;
- Phase IV: Commutateur (4) en deuxième position de commutation (B) [ou respectivement en première position de commutation A], régulation de la température des deux sources de bruit thermique à la deuxième température de référence T2, et mesure de la tension V4 en sortie du détecteur ;
et l’unité traitement est apte, à l’issue des quatre phases de mesure, à calculer la différence de température δT entre la première température de référence T1 et la deuxième température de référence T2 au moyen de la formule suivante:
δT = (Tx-T1)*(n-1)/n
avec n = (V2-V1)/V4-V3), et Tx étant la température connue du corps sous investigation lors de la procédure d’auto-étalonnage.
- La source de bruit thermique comporte une charge résistive.
- La source de bruit thermique comporte une diode à avalanche.
- La charge de la première source de bruit thermique et la charge de la deuxième source de bruit thermique sont égales à 50 Ohms.
L’invention a pour autre objet une utilisation du radiomètre susvisé pour mesurer la température d’un corps ou pour mesure le coefficient d’émissivité (ρ) de l’interface entre le capteur microondes du radiomètre et un corps sous investigation.
L’invention a pour autre objet un procédé de mesure, au moyen d’un radiomètre susvisé, de la température (Tx) d’un corps ou du coefficient d’émissivité (ρ) de l’interface entre le capteur microondes du radiomètre et un corps sous investigation, au cours duquel on réalise automatiquement et successivement les quatre phases suivantes de mesure de la tension en sortie du détecteur :
- Phase 1: Commutateur en première position de commutation (A) [ou respectivement en deuxième position de commutation B], régulation de la température des deux sources de bruit thermique à la première température de référence T1, et mesure de la tension (V1) en sortie du détecteur;
- Phase 2: Commutateur en première position de commutation (A) [ou respectivement en deuxième position de commutation B], régulation de la température des deux sources de bruit thermique à la deuxième température de référence T2 et mesure de la tension (V2) en sortie du détecteur;
- Phase 3: Commutateur en deuxième position de commutation (B) [ou respectivement en première position de commutation A], régulation de la température des deux sources de bruit thermique à la première température de référence T1, et mesure de la tension (V3) en sortie du détecteur.
- Phase 4: Commutateur en deuxième position de commutation (B) [ou respectivement en première position de commutation A], régulation de la température des deux sources de bruit thermique à la deuxième température de référence T2, et mesure de la tension (V4) en sortie du détecteur.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-après de plusieurs variantes préférée de réalisation de l’invention, laquelle description est donnée à titre d’exemple non limitatif et non exhaustif de l’invention, et en référence aux dessins annexés sur lesquels:
Description détaillée de l’invention
On a représenté sur la figure 1, un exemple de radiomètre à méthode de zéro de l’art antérieur permettant de mesurer la température d’un corps C.
Ce radiomètre comporte de manière usuelleun capteur de microondes 1, sous la forme d’une antenne ou d’une sonde adaptée, qui capte les microondes émises par le corps C sous investigation avec le lequel il est en contact ou quasi en contact. La puissance de bruit de ces microondes, dans une bande de fréquences déterminée entre 0.5GHz et 20GHz est proportionnelle à la température Tx du corps.
L’interface entre le capteur 1 et le corps C présente un coefficient de réflexion ρ (également désigné coefficient d’émissivité) compris entre 0 et 1, qui représente la proportion de signaux microondes émis par le corps C en direction du capteur 1 et réfléchis par l’interface. Le capteur 1 reçoit un signal microondes d’intensité proportionnelle à (1- ρ)Tx.
Le radiomètre comporte également un commutateur 4 à deux voies (A B), un circulateur microondes 7 à large bande et à trois ports (P1, P2, P3), une source de bruit thermique 9 et un amplificateur microonde 11 à large bande. La sortie de l’amplificateur microonde 11 est connectée à l’entrée d’un détecteur quadratique 12.
La voie A du commutateur 4 est reliée au capteur de microondes 1 par une ligne de transmission microonde 2. L’autre voie B du commutateur 4 est reliée à la masse par un court-circuit microonde 3, qui est formé par une ligne de transmission microonde, et qui permet une réflexion totale des microondes qui lui sont appliquées.
Le port P1 du circulateur 7 est relié à la sortie du commutateur 4 par une ligne de transmission microonde 6. Le port P2 du circulateur 7 est relié à une entrée de l’amplificateur microonde 11 par une ligne de transmission microonde 10. Le port P3 du circulateur 7 est relié à la source de bruit thermique 9 par une ligne de transmission microonde 8.
Le commutateur 4 permet dans une première position de commutation (voie A) de relier le capteur de microondes 1 à l’entrée de l’amplificateur microonde 11 via les ports P1 et P2 du circulateur 7, et permet dans la deuxième position de commutation (voie B) d’isoler l’entrée de l’amplificateur 11 en la reliant à la masse via le court-circuit 3.
La source de bruit thermique 9 comporte une charge résistive 9a de résistance ohmique R (typiquement une résistance ohmique R de 50 ohms), qui est connectée à la masse et qui de manière connue en soit peut être portée successivement à deux températures de référence différentes T1 et T2 lors de la mise en œuvre de la mesure de température par la méthode de zéro.
Le radiomètre comporte également une unité de traitement électronique 5, qui d’une part est apte à commander automatiquement le commutateur microonde 4 au moyen d’un signal de synchronisation 50 et à commander la source de bruit thermique 9 au moyen d’un signal de commande 51, et qui d’autre part est apte à calculer automatiquement la température Tx du corps C à partir de la tension Vi en sortie du détecteur 12.
Sur la figure 1, β1 correspond au coefficient de réflexion vu par l’amplificateur 11, entre l’entrée de l’amplificateur 11 et la source de bruit thermique 9 via les voies P2 et P3 du circulateur 7. β2 correspond au coefficient de réflexion vu par l’amplificateur 11, entre l’entrée de l’amplificateur 11 et le court-circuit 3 via les voies P2 et P1 du circulateur 7.
Dans ce type de radiomètre, le coefficient de réflexion β1 est toujours égal à zéro. En revanche, le circulateur 7 présente toujours des imperfections se traduisant par une mauvaise isolation du circulateur 7. Cette mauvaise isolation du circulateur 7 rend la température de bruit TA de l’amplificateur microonde 11 fonction du coefficient de réflexion β2 et variable selon le coefficient de réflexion ρ de l’interface entre le capteur 1 et le corps C. Il en résulte que dans ce type de radiomètre la mesure de température est de manière préjudiciable fortement dépendante du facteur de bruit (NF) de l’amplificateur 11 rendant la température de bruit TA de l’amplificateur 11 variable.
Pour pallier cet inconvénient, en référence à la figure 2, le radiomètre de l’invention a été amélioré en remplaçant le court-circuit 3 par une deuxième source de bruit thermique 13 apte à être portée successivement et en même temps aux mêmes températures de référence T1 et T2 que la première source de bruit thermique 9. Cette deuxième source de bruit thermique 13 comporte une charge résistive 13a présentant une résistance R identique à celle de la charge résistive 9a de la source de bruit thermique 9.
L’unité de traitement électronique 5‘ est apte d’une part à commander automatiquement le commutateur microonde 4 au moyen d’un signal de synchronisation 50, à commander la source de bruit thermique 9 au moyen d’un signal de commande 51, et à commander la source de bruit thermique 13 au moyen d’un signal de commande 52, et est apte d’autre part à calculer automatiquement la température Tx du corps C à partir de la tension Vi en sortie du détecteur 12.
Avec le radiomètre de l’invention, la mesure et le calcul de la température de température Tx du corps C par l’unité de traitement électronique 5’ sont effectués en mettant en œuvre les quatre phases (i) successives de mesure de la tension Vi en sortie du détecteur 12.
Phase 1: Commutation en A et régulation de la température des deux sources de bruit thermique 9 et 13 à la température de référence connue T1
L’unité de traitement 5’ commande le commutateur 4 au moyen du signal de synchronisation 50 pour l’amener en position commutation A et commande les sources de bruit thermique 9 et 13 de manière à porter en même temps leurs charges résistives R à la première température de référence connue T1. L’unité de traitement 5’ mesure la tension V1 en sortie du détecteur 12.
La relation entre cette tension V1 et la température Tx du corps C est donnée par l’équation suivante:
(1) V1= (1- ρ)Tx + ρT1 + TA
Phase 2: Commutation en A et régulation de la température des deux sources de bruit thermique 9 et 13 à la température de référence connue T2
L’unité de traitement 5’ commande les sources de bruit thermique 9 et 13 de manière à porter en même temps leurs charges résistives R à la deuxième température de référence connue T2 (T2 différente de T1). L’unité de traitement 5’ mesure la tension V2 en sortie de l’amplificateur 11.
La relation entre cette tension V2 et la température Tx du corps C est donnée par l’équation suivante:
(2) V2= (1- ρ)Tx + ρT2 +TA
Phase 3: Commutation en B et régulation de la température des deux sources de bruit thermique 9 et 13 à la température de référence connue T1
L’unité de traitement 5’ commande le commutateur 4 au moyen du signal de synchronisation 50 pour l’amener en position commutation B et commande les sources de bruit thermique 9 et 13 de manière à porter en même temps leurs charges résistives R à la première température de référence connue T1. L’unité de traitement 5’ mesure la tension V3 en sortie du détecteur 12.
La relation entre cette tension V3 et la température de référence T1 est donnée par l’équation suivante:
(3) V3= T1+TA
Phase 4: Commutation en B et régulation de la température des deux sources de bruit thermique 9 et 13 à la température de référence connue T2
L’unité de traitement 5’ commande les sources de bruit thermique 9 et 13 de manière à porter en même temps leurs charges résistives R à la deuxième température de référence connue T2 (T2 différente de T1). L’unité de traitement 5’ mesure la tension V4 en sortie du détecteur 12.
La relation entre cette tension V4 et la température de référence T2 est donnée par l’équation suivante:
(4) V4 = T2+TA
Une fois ces quatre phases de mesure effectuées, l’unité de traitement 5’ calcule la température Tx partir des tensions mesurées V1, V2, V3 V4 au moyen des relations susvisées (1), (2), (3), (4) soit:
Tx = [(T2(V1-V3)-T1(V2-V4)]/(V1-V3-V2+V4)
Comme pour le radiomètre de l’art antérieur de la figure 1, la méthode de mesure susvisée avec deux références de température T1 et T2, permet de s’affranchir de l’émissivité ρ.
En outre, dans l’invention, grâce à la deuxième source de bruit thermique 13 comportant une charge résistive 13a de résistance R identique à celle de la charge résistive 9a de la source de bruit thermique 9, et à la différence du radiomètre de la figure 1 de l’art antérieur, quelle que soit la position de commutation (A ou B) du commutateur 4, l’amplificateur 11 voit une charge résistive constante (R). A cause du défaut d’isolation du circulateur 7, l’amplificateur 11 voit une charge caractérisée par l’adaptation capteur 1-corps C sous investigation et généralement proche de celle présentée par la charge R. En effet, la conception du capteur 1 (antenne) est optimisée pour assurer une adaptation capteur-corps sous investigation quasiment parfaite, ce qui se traduit par un coefficient de réflexion capteur-matériau équivalent à celui présenté par une charge R. De ce fait le facteur de bruit de l’amplificateur 11 reste quasiment constant rendant la température de bruit TA de l’amplificateur quasiment constante. La méthode de calcul susvisée permet de supprimer cette température TA dans le calcul de la température Tx. Ainsi grâce à cette deuxième source de bruit thermique 13, on rend la mesure quasiment indépendante de la température de bruit TA.
La charge résistive 9a de la source de bruit thermique 9 est de préférence une charge résistive à très faible inertie thermique, et par exemple une charge résistive à très faible inertie telle que celle décrite sur les figures 4 et 5 de la demande de brevet internationale WO 2008/142283.
Dans la variante de la figure 2, chaque source de bruit thermique 9 ou 13 met en œuvre une charge résistive 9a ou 13a de résistance constante R et la régulation de la température de référence T1 ou T2 de la source de bruit est réalisée par l’unité de traitement 5’ en modulant l’intensité du courant I circulant dans la charge résistive 9a ou 3a pour obtenir par effet Joule la température de référence souhaitée T1 ou T2. Dans ce cas la résistance R est identique pour les deux références de température T1 et T2.
Dans une autre variante de réalisation, la source de bruit thermique 9 ou 13 pourrait être réalisée avec un courant constant mais avec charge résistive 9a ou 13a de résistance R variable ou avec deux charges résistives en parallèle de résistance différentes R1 ou R2 spécifiques respectivement de chaque température de référence T1 et T2, tel que décrit par exemple dans la demande de brevet français FR 2650390. Dans ce cas, pour la mise en œuvre de l’invention la deuxième source de bruit thermique 13, qui est apte à être portée successivement et en même temps que la première source de bruit thermique 9, aux mêmes températures de référence (T1, T2) que la première source de bruit thermique, doit présenter pour chaque température de référence (T1, T2) une charge résistive identique à celle de la première source de bruit thermique.
L’invention n’est pas limitée à la mise en œuvre d’une charge résistive 9a ou 13a pour réaliser la source de bruit thermique 9 ou 13. Dans une autre variante de réalisation, chaque source de bruit thermique 9 ou 13 peut être réalisée au moyen d’une diode à avalanche générant un bruit d’électrons chauds, le cas échéant associée à un atténuateur pour régler le bruit généré par la diode à avalanche. Par exemple, si la diode à avalanche génère un bruit de 10000 degrés Kelvin lorsqu'elle est alimentée, il suffit de placer un atténuateur de 20 dB pour obtenir une température de 100 degrés Kelvin. Ainsi, tant que la diode n'est pas alimentée, la température de bruit équivalente est celle de l'atténuateur de 20 dB porté à la température ambiante T1. Quand la diode est alimentée la température de bruit équivalente est: T2=T1+ 100.
Cette variante permet avantageusement de s’affranchir de l’inertie thermique inhérente aux autres solutions précitées mettant en œuvre des charges résistives. Dans ce type de variante, pour la mise en œuvre de l’invention, la charge de la diode à avalanche de la source de bruit thermique 13 doit être identique à la charge de la diode à avalanche de la source de bruit thermique 9, de manière à ce que l’amplificateur 11 voit toujours la même charge, quelle que soit la position de commutation du commutateur 4.
Dans la variante de la figure 3, on a amélioré le radiomètre en ajoutant un filtre passe-bande 14 de bande passante Δf entre le commutateur 4 et le circulateur 7, ce qui permet un meilleur fonctionnement de l’amplificateur 11 et permet de s’affranchir des fréquences parasites (GSM, …). Les fréquences de coupures F1 et F2 du filtre passe-bande seront donc sélectionnées en fonction des fréquences parasites que l’on souhaite éliminer.
Au surplus, l’erreur ΔT commise sur la mesure de chaque température est proportionnelle à :
avec:
- T0 étant la température ambiante,
- Tε étant la température liée en grande partie au facteur de bruit de l’amplificateur 11,
-
- Δf étant la bande passante du filtre 14.
Il en résulte que plus la largeur de la bande passante Δf du filtre est importante, et meilleure est la précision de la mesure de température.
A titre d’exemple uniquement, on utilisera par exemple un amplificateur à large bande de bande de bande passante centrée sur la fréquence de1350MHz et un filtre passe bande 14 centré sur la fréquence centrale fc de 1350MHz, et avec une bande passante de 300MHz (fréquences de coupure du filtre F1 et F2 égales respectivement à 1200MHz et 1500MHz).
L’invention n’est pas limitée à la mesure de température Tx d’un corps, mais le radiomètre de l’invention peut également être utilisé pour caractériser un corps par mesure et calcul du coefficient d’émissivité ρ à l’interface entre le corps et le capteur de microondes. Dans ce cas, le coefficient d’émissivité ρ est donné par la formule suivante:
ρ = (V2 - V1)/(V4-V3)
Cette mesure du coefficient d’émissivité ρ permet d’obtenir des informations relatives à la nature du matériau, et par exemple de détecter une hétérogénéité dans le matériau (par exemple une hétérogénéité relative à la présence d’une tumeur lorsque des radiomètres de l’invention sont utilisés en mammographie) ou de détecter toute modification dans le temps du corps sous investigation affectant le coefficient d’émissivité ρ, tel que par exemple l’état de murissement de fruits, etc…
On a représenté sur la figure 4 une autre variante de réalisation d’un radiomètre de l’invention qui comporte un capteur de température 15 placé au plus près de la charge résistive de l’une des deux sources de bruit thermique 9 ou 13, et dans le cas particulier de la figure 4 au plus près de la charge résistive 9a de résistance R de la source de bruit thermique 9. Le signal de mesure de température 15a délivré par le capteur de température 15 est échantillonné par l’unité de traitement 5’.
Dans cette variante, l’unité de traitement 5‘ est programmée pour effectuer un auto-étalonnage permettant de mesurer automatiquement la différence de température δT entre les deux températures T1 et T2 de la source de bruit thermique 9.
Procédure d’auto-étalonnage
permettant le calcul
de
δT
(
δT
= T2 –T1)
Cet auto-étalonnage est réalisé automatiquement de la manière suivante.
Le capteur de microondes 1 est positionné:
- soit sur un matériau étalon, à une température connue Tx, et possédant des propriétés diélectriques voisines du corps C, et par exemple dans le cas du corps humain possédant des propriétés diélectriques voisines du muscle;
-soit sur le corps C à investiguer, dans une partie du corps dont on connaît la température; par exemple pour le corps humain, on positionne le capteur de microondes 1 sur la zone temporale ou sur la zone carotidique et on considère que la température Tx vaut 37°C.
Ensuite, on déclenche la procédure d’auto-étalonnage suivante qui est mise en œuvre automatiquement par l’unité de traitement 5’ en réalisant les phases successives de mesure suivantes:
Phase I: Commutation en A et régulation de la température des deux sources de bruit thermique 9 et 13 à la température de référence T1
L’unité de traitement 5’ commande le commutateur 4 au moyen du signal de synchronisation 50 pour l’amener en position commutation A et commande les sources de bruit thermique 9 et 13 de manière à porter en même temps leurs charges résistives R à la première température de référence connue T1. L’unité de traitement 5’ mesure la tension V1 en sortie du détecteur 12 et mesure la température de référence T1 au moyen du capteur 15.
La relation entre cette tension V1 et la température Tx du corps C est donnée par l’équation suivante:
(1) V1= (1- ρ)Tx + ρT1 + TA
Phase II: Commutation en A et régulation de la température des deux sources de bruit thermique 9 et 13 à la température de référence T2
L’unité de traitement 5’ commande les sources de bruit thermique 9 et 13 de manière à porter en même temps leurs charges résistives R à la deuxième température de référence T2 (T2 différente de T1), la température T2 n’étant pas connue. L’unité de traitement 5’ mesure la tension V2 en sortie du détecteur 12.
La relation entre cette tension V2 et la température Tx du corps C est donnée par l’équation suivante:
(2) V2= (1- ρ)Tx + ρT2 +TA
Phase III: Commutation en B et régulation de la température des deux sources de bruit thermique 9 et 13 à la température de référence connue T1
L’unité de traitement 5’ commande le commutateur 4 au moyen du signal de synchronisation 50 pour l’amener en position commutation B et commande les sources de bruit thermique 9 et 13 de manière à porter en même temps leurs charges résistives R à la première température de référence connue T1. L’unité de traitement 5’ mesure la tension V3 en sortie du détecteur 12.
La relation entre cette tension V3 et la température de référence T1 est donnée par l’équation suivante:
(3) V3= T1+TA
Phase IV: Commutation en B et régulation de la température des deux sources de bruit thermique 9 et 13 à la température de référence T2
L’unité de traitement 5’ commande les sources de bruit thermique 9 et 13 de manière à porter en même temps leurs charges résistives R à la deuxième température de référence T2 (T2 différente de T1). L’unité de traitement 5’ mesure la tension V4 en sortie du détecteur 12.
La relation entre cette tension V4 et la température de référence T2 est donnée par l’équation suivante:
(4) V4 = T2+TA
Une fois ces quatre phases de mesure effectuées, l’unité de traitement 5’ calcule automatiquement la différence de température δT (δT = T2 –T1) entre les deux températures T1 (mesurée par le capteur 15) et T2 au moyen de la relation suivante:
(5) δT = (Tx-T1)*(n-1)/n
avec n = (V2-V1)/V4-V3).
Cet auto-étalonnage permet ainsi à l’unité de traitement 5’ de calculer automatiquement la température de référence T2 (T2 = T1 + δT). Cette valeur de T2 est stockée en mémoire et est utilisée ensuite par l’unité de traitement 5’ lors des phases de mesure (1) à (4) susvisées.
L’avantage de cet auto-étalonnage est qu’il permet de prendre en compte toutes les imperfections du système (pertes en ligne, désadaptation).
Dans une autre variante de réalisation, le capteur de température 15 pourrait non plus être associé à la première source de bruit thermique 9, mais pourrait être associé à la deuxième source de bruit thermique 13 pour mesurer la température de de référence T1.
Claims (12)
- Radiomètre comportant un capteur de microondes (1), un amplificateur microonde (11), une première source de bruit thermique (9) qui est apte à être portée successivement à au moins deux températures de référence différentes (T1 et T2), et qui présente pour chaque température de référence une charge qui peut selon le cas être identique (R) ou différente pour chaque température de référence (T1, T2), un commutateur microonde (4) à au moins deux voies (A/B), un circulateur (7) à au moins trois ports, dont le premier port (P1) est relié à la sortie du commutateur microonde, dont un deuxième port (P2) est relié à l’entrée de l’amplificateur microonde, et dont le troisième port (P3) est relié à la première source de bruit thermique (9), dans lequel le commutateur microonde (4) permet dans sa première position de commutation (A) de relier le capteur de microondes (1) à l’entrée de l’amplificateur (11) via le circulateur, et permet dans sa deuxième position de commutation (B) d’isoler l’amplificateur en reliant l’entrée de l’amplificateur (11) à la masse via le circulateur (7), caractérisé en ce qu’il comprend, entre la masse et la voie du commutateur (4) correspondant à la deuxième position de commutation (B), une deuxième source de bruit thermique (13), qui est apte à être portée successivement et en même temps que la première source de bruit thermique (9), aux mêmes températures de référence (T1, T2) que la première source de bruit thermique (9), et qui présente pour chaque température de référence (T1, T2) une charge (R) identique à celle de la première source de bruit thermique (9).
- Radiomètre selon la revendication 1 comportant un filtre passe-bande (14) entre le commutateur microonde (4) et le circulateur microonde (7).
- Radiomètre selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant en outre un détecteur (12) connecté à la sortie de l’amplificateur (11) et une unité de traitement (5’) qui est apte à commander le commutateur microonde (4) et les deux sources de bruit thermiques (9; 13) de manière à réaliser successivement les quatre phases suivantes de mesure de la tension (V1, V2, V3, V4) en sortie du détecteur (12):
- Phase 1: Commutateur (4) en première position de commutation (A) [ou respectivement en deuxième position de commutation B], régulation de la température des deux sources de bruit thermique (9;13) à la première température de référence T1, et mesure de la tension V1 en sortie du détecteur (12);
- Phase 2: Commutateur (4) en première position de commutation (A) [ou respectivement en deuxième position de commutation B], régulation de la température des deux sources de bruit thermique (9;13) à la deuxième température de référence T2, et mesure de la tension V2 en sortie du détecteur (12);
- Phase 3: Commutateur (4) en deuxième position de commutation (B) [ou respectivement en première position de commutation A], régulation de la température des deux sources de bruit thermique (9;13) à la première température de référence T1, et mesure de la tension V3 en sortie du détecteur (12);
- Phase 4: Commutateur (4) en deuxième position de commutation (B) [ou respectivement en première position de commutation A], régulation de la température des deux sources de bruit thermique (9;13) à la deuxième température de référence T2, et mesure de la tension V4 en sortie du détecteur (12). - 4. Radiomètre selon la revendication 3, dans lequel l’unité de traitement (5’) est apte à calculer la température (Tx) du corps sous investigation au moyen de la formule suivante:
Tx = [(T2(V1-V3)-T1(V2-V4)]/(V1-V3-V2+V4). - Radiomètre selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l’unité de traitement (5’) est apte à calculer le coefficient d’émissivité ρ de l’interface entre le capteur microondes (1) et le corps (C) sous investigation au moyen de la formule suivante:
ρ = (V2 - V1)/(V4-V3) - 6. Radiomètre selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu’il comporte un capteur de température (15) permettant de mesurer la première température de référence (T1) de l’une des deux sources de bruit (9 ou 13), lequel capteur de température (15) délivre un signal de mesure de température (15a) pour l’unité de traitement (5’), et dans lequel l’unité de traitement (5’) est apte à réaliser une procédure d’auto-talonnage et à calculer la différence de température δT entre la première température de référence (T1) et la deuxième température de référence (T2).
- 7. Radiomètre selon la revendication 6, dans lequel pour réaliser la procédure d’auto-étalonnage, l’unité de traitement (5’) est apte à commander le commutateur microonde (4) et les deux sources de bruit thermiques (9; 13) et à réaliser successivement les quatre phases suivantes de mesure de la tension (V1, V2, V3, V4) en sortie du détecteur (12):
- Phase I: Commutateur (4) en première position de commutation (A) [ou respectivement en deuxième position de commutation B], régulation de la température des deux sources de bruit thermique (9;13) à la première température de référence T1, et mesure de la tension V1 en sortie du détecteur (12);
- Phase II: Commutateur (4) en première position de commutation (A) [ou respectivement en deuxième position de commutation B], régulation de la température des deux sources de bruit thermique (9;13) à la deuxième température de référence T2et mesure de la tension V2 en sortie du détecteur (12);
- Phase III: Commutateur (4) en deuxième position de commutation (B) [ou respectivement en première position de commutation A], régulation de la température des deux sources de bruit thermique (9;13) à la première température de référence T1et mesure de la tension V3 en sortie du détecteur (12);
- Phase IV: Commutateur (4) en deuxième position de commutation (B) [ou respectivement en première position de commutation A], régulation de la température des deux sources de bruit thermique (9;13) à la deuxième température de référence T2, et mesure de la tension V4 en sortie du détecteur (12);
et dans lequel l’unité traitement (5’) est apte, à l’issue des quatre phases de mesure, à calculer la différence de température δT entre la première température de référence T1 et la deuxième température de référence T2 au moyen de la formule suivante:
δT = (Tx-T1)*(n-1)/n
avec n = (V2-V1)/V4-V3), et Tx étant la température connue du corps sous investigation lors de la procédure d’auto-étalonnage. - 8. Radiomètre selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la source de bruit thermique (9 ou 13) comporte une charge résistive (9a ou 13a).
- 9. Radiomètre selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la source de bruit thermique (9 ou 13) comporte une diode à avalanche.
- 10. Radiomètre selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la charge (R) de la première source de bruit thermique (9) et la charge (R) de la deuxième source de bruit thermique (13) sont égales à 50 Ohms.
- 11. Utilisation du radiomètre de l’une quelconque des revendications précédentes pour mesurer la température (Tx) d’un corps (C) ou pour mesure le coefficient d’émissivité (ρ) de l’interface entre le capteur microondes (1) et un corps (C) sous investigation.
- 12. Procédé de mesure, au moyen d’un radiomètre l’une quelconque des revendications 1 à 10, de la température (Tx) d’un corps (C) ou du coefficient d’émissivité (ρ) de l’interface entre le capteur microondes (1) du radiomètre et un corps (C) sous investigation, au cours duquel, le radiomètre comportant en outre un détecteur (12) connecté à la sortie de l’amplificateur (11), on réalise automatiquement et successivement les quatre phases suivantes de mesure de la tension en sortie du détecteur (12):
- Phase 1: Commutateur (4) en première position de commutation (A) [ou respectivement en deuxième position de commutation B], régulation de la température des deux sources de bruit thermique (9; 13) à la première température de référence T1, et mesure de la tension (V1) en sortie du détecteur (12);
- Phase 2: Commutateur (4) en première position de commutation (A) [ou respectivement en deuxième position de commutation B], régulation de la température des deux sources de bruit thermique (9; 13) à la deuxième température de référence T2, et mesure de la tension (V2) en sortie du détecteur (12);
- Phase 3: Commutateur (4) en deuxième position de commutation (B) [ou respectivement en première position de commutation A], régulation de la température des deux sources de bruit thermique (9; 13) à la première température de référence T1, et mesure de la tension (V3) en sortie du détecteur (12);
- Phase 4: Commutateur (4) en deuxième position de commutation (B) [ou respectivement en première position de commutation A], régulation de la température des deux sources de bruit thermique (9; 13) à la deuxième température de référence T2, et mesure de la tension (V4) en sortie du détecteur (12).
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