Contrôleurs de température

Pour la cryogénie, le rapport annuel de 1972 mentionne l'achat et la mise en fabrication de 3 régulations à diodes AsGa (1.5 T 300). Il s'agissait de régulations (familièrement appelées "régules CNRS") développées au CNRS/CRTBT par Jean-Louis Bret, Jean-Paul Faure et Gilles Pelletier en 1972 et commercialisées par la société MERIC [1] Contrôleurs de température. Elles étaient basées sur de l'électronique analogique et dotées d'une thermométrie à diodes AsGa. 
C'était ce qu'il y avait de mieux à l'époque et le seul concurrent était Lake Shore, le fournisseur actuel de l'ILL. Les régulations CNRS s'avérèrent difficiles d'utilisation pour les non-spécialistes. Dominique Brochier dit maintenant que le choix de cette thermométrie à diode a été une erreur.

Alain Filhol se souvient en effet que ces régulations étaient très capricieuses. Ah le fameux bouton "gain" dont personne ne savait quoi faire exactement et qui était pourtant essentiel ! Chacun avait sa recette.

Pour les fours, peu d'informations ont été retrouvées, excepté un message de Pierre Andant :

Je me souviens des régulations "Drush" à réglage de P.I.D manuel sortant du 0 à 5 volt continu et pilotant un ampli à courant continu destiné à saturer le circuit magnétique d'une self montée en série avec le transformateur de puissance et alimentant le four. Ce principe est toujours en application et a été préféré aux systèmes à triacs car, à l'époque, ils généraient des parasites pouvant interférer avec les détecteurs de neutrons.

La régulation à microprocesseur c'est donc Paul Dagleish qui a eu la lourde tâche de la conception et de la programmation du prototype.

A cette époque les régulations industrielles sont encore analogiques et non programmables. De ce fait, pour un simple changement de température, un scientifique doit venir sur place, même en pleine nuit ou durant le week-end. C'est extrêmement contraignant et peu compatible avec le rythme rapide des expériences à l'ILL.

Les objectifs visés étaient donc ambitieux pour l'époque :

• dispositif autonome pouvant être contrôlé par l'ordinateur de l’instrument,
• programmation automatique de la température,
• gestion de la thermométrie par diode déjà utilisée à l'ILL, mais surtout par résistance de platine ou de carbone (plus performante), et de tous les types de thermocouples,

mais ils seront pleinement atteints. Les nouveaux contrôleurs sont en test dès 1984 Paul Dagleish les baptise PTC (Precision Temperature Controller). En 1985 l'ILL clame :

“It is now possible for an experimentalist to verify and change temperature from home.” et cela se faisait via le célébre Minitel dont la commercialisation avait débuté en 1982. L'ILL était donc à la pointe du progrès !

Les PTC sont un véritable succès et ils ont très vite été réclamés par d'autres laboratoires. Dès 1988, ils sont produits sous licence ILL par ASL (Automatic Systems Laboratories Ltd) en Angleterre, puis par la société Duhamel Automatisme.

Paul Dagleish écrit à ce propos [2] :

Le premier contrôleur automatique de température a été conçu et programmé par moi. 
Je l'ai baptisé PTC (Precision Temperature Controller). C'était le premier contrôleur de température piloté en totalité par un microprocesseur, le Motorola MC6809 qui disposait d'un bus 8-bits et de registres internes 16-bits. Le programme de contrôle comportait une simple boucle qui auscultait en permanence 4 canaux de mesure [3], affichait les valeurs des températures, et calculait la puissance de chauffe appropriée via un algorithme PID (Proportionnel-Intégral-Dérivé) afin d'atteindre et de maintenir la température de consigne. Cette boucle communiquait avec l'ordinateur du spectromètre via un port série RS232 [NDT: le lointain ancêtre des ports Ethernet ou Lightning des ordinateurs modernes.]
L'introduction de la calibration individuelle des thermomètres pour chaque cryostat a été un énorme pas en avant pour la réduction des erreurs de température. Ceci a été possible grâce à des modules de calibration enfichables simples. L'EPROM de chacun d'eux contenait deux tables calibrations (thermomètre de platine et thermomètre de carbone) et le PID optimum pour chaque cryostat. Autrement dit, pour la 1ère fois à l'ILL, on pouvait obtenir la température échantillon souhaitée sans intervention humaine. 
J'ai alors passé un certain temps à visiter des fabricants européens potentiels et j'ai finalement choisi ASL (Automatic Systems Laboratories Ltd) en Angleterre [...] qui était au top en matière de mesure de température par résistance grâce au pont automatique inventé par son PDG Peter C.F. Wolfendale.

Le rapport annuel de 1988 fait état de la conception et du développement d’un nouveau contrôleur de température ILLSEC (ILL Sample Environment Controller) [4]. C'était une version améliorée du PTC et Paul Dagleish en dit ceci [5] :

Il a aussi été développé par moi avec l’aide du “gone lyonnais” Guy Drevetton. Il avait une bien meilleure électronique et un OS (système opérationnel) approprié, l’OS9 de Microware Systems Corporation tournant sur microprocesseur MC68032 32-bits. Chaque canal de mesure avait son propre microprocesseur 16-bit pour une mesure de température bien plus rapide et précise. Chaque ILLSEC contenait l’ensemble complet des paramètres de calibration et de contrôle des appareils de l’ILL. Chaque dispositif d’environnement échantillon (cryostat, cryofour, etc.) était doté d’un système qui transmettait à l’ILLSEC son identifiant unique ce qui réduisait les risques d’erreur de calibration, chose qui arrivait parfois avec les PTC lorsqu’on se trompait de module de calibration.
L'ILLSEC a été construit par la société Duhamel Automatisme à Domène.

Eddy Lelièvre-Berna précise que c'était une réussite et qu'une partie des caractéristiques de l'ILLSEC restent inégalées par les régulations industrielles modernes.

L'ILLSEC pouvait stocker plus de 100 courbes de calibration alors que les célèbres régulateurs LakeShore 340 sont limités à 40. L'ILLSEC délivrait plus de 110 W sur 50 Ohms alors que les mêmes LakeShore bloquent à 50 W. L'ILLSEC était aussi capable de réguler la température à partir de 2 thermomètres couvrant des plages différentes, ce qui est encore impossible en 2015 avec les systèmes du commerce.

Deux ILLSEC sont toujours en service au laboratoire de cryogénie de l'ILL et personne n'ose les éteindre de peur qu'elles ne se rallument plus.

Un apport essentiel du contrôleur ILLPTC était de pouvoir être piloté par l’instrument. Autrement dit, le scientifique pouvait enfin définir à l’avance une série d’actions, changements de température compris, que l’instrument effectuait ensuite en son absence. Enfin des nuits et des week-ends tranquilles !
Encore fallait-il adapter le programme de contrôle des spectromètres (MAD) et c’est John Allibon qui s’en est chargé en créant DTI (Digital Temperature Interface). L’ordinateur de l’instrument peut alors demander une température, attendre qu’elle se stabilise, effectuer des rampes de montée ou de descente contrôlées (“Cramps” en jargon ILL), et cela en même temps ou entre deux mesures, etc. A ceci s’ajoutait une innovation : un algorithme de PID (correcteur proportionnel, intégrateur, dérivateur) externe à celui de l’ILLPTC permettant d’ajuster la consigne du contrôleur afin d’amener l’échantillon le plus rapidement possible à la température souhaitée. L’utilisateur dispose enfin d’un suivi informatisé de la température et des niveaux des fluides cryogéniques, ce qui a marqué la fin des enregistreurs à plume trop souvent en panne d’encre ou de papier. 

Le DTI, d’abord développé pour ordinateur PDP11, a ensuite migré sur VAX-VMS, Unix puis Linux, au gré de l’évolution du contrôle des instruments de l’ILL. Le triptique ILLPTC - MAD - DTI a été un succès et a donc été réclamé par divers laboratoires : University of Århus (DK), University of Helsinki (Fi), Risø (DK), HMI (Berlin), etc.