Brevet FR2009392A1 — publié le 19700206

La température de fils qui sont suspendus librement, et sont chauffés par un courant ou une tension électrique déterminé, dépend de la proportion de chaleur que ces fils cèdent au milieu ambiant. La quantité de chaleur cédée dépend, aux températures basses, essentiellement de la conduction thermique des fluides où sont immergés les fils, de leur mouvement (écoulement laminaire, écoulement turbulent ou convexion), des conditions de fixation des fils, et des pertes calorifiques qui en résultent. A ces pertes calorifiques s' ajoute encore, aux températures élevées, le rayonnement calorifique. Dans des procédés de mesure connus, c'est la dépendance de la grandeur de sortie à l'égard de la position du zéro, c'est-à-dire la déviation pour une valeur nulle de la grandeur mesurée, qui a un effet perturbateur, et qu'il n'est même pas toujours possible d'éliminer, dans des conditions satisfaisantes, par l'emploi de montages en pont. Les sensibilités qui sont requises actuellement dans les mesures de conductibilité thermique sont souvent telles que même des montages en pont ne permettent plus d'éliminer de façon satisfaisante les perturbations du zéro. Même dans le cas des méthodes connues dites "de déviation", l'établissement lent de la nouvelle température du fil est gênant. Ceci n'est cependant pas le cas pour les méthodes de compensation, suivant lesquelles on annule la variation de température des fils par exemple en modifiant le courant qui les traverse. La présente invention concerne un procédé pour mesurer la conductibilité de gaz et de liquides,indépendamment de la température ambianteetdesvitesses d'écoulement de ces gaz et liquides; le procédé selon la présente invention-est caractérisé par le fait que l'on chauffe à une température déterminée un fil tendu dans une chambre où s'écoulent les gaz ou les liquides, à l'aide d'impulsions de courant électrique, appliquées aux extrémités dudit fil, et que, pendant chaque intervalle entre deux impulsions de courant, au cours duquel le fil n'est pas chauffé, on mesure électroniquement et on enregistre le refroidissement du fil (signal de mesure), qui est produit par les conducteurs thermiques qui l'entourent.Le refroidissement du fil se traduit en ce que la tension électrique de mesure, qui est prélevée aux extrémités du filet qui a une valeur faible par rapport à sa tension de chauffage, diminue, avec un certain retard, jus qu'à une valeur constante. Le procédé selon la présente invention, qui peut être appliqué à des fils indépendants ou encore à des montages en pont, réduit la dépendance de la grandeur de sortie à l'égard de la position du zéro, et évite complètement que la température du fil n'ait à atteindre lentement sa nouvelle valeur. Si le fil est constitué par un matériau dont la résistance électrique présente un coefficient de température fini, il est possible de déterminer ltéchauffement ou la quantité de chaleur cédée, à partir de la variation de résistance. D'autre part, le procédé selon la présente invention permet en outre de déterminer la vitesse de refroidissement des fils, ce qui procure une sélectivité plus grande, par exemple pour les mesures de conductibilité thermique de l'eau.C'est ainsi que la vitesse de refroidissement des fils à la coupure du courant, est plusieurs fois supérieure par exemple dans l'hydrogène et dans l'hélium à ce qu'elle est dans des gaz usuels, tels que l'oxygène, l'azote ou le gaz carbonique. I1 est d'autre part possible de séparer la vitesse de refroidissement de la déviation normale de mesure, de manière à pouvoir ajouter ou soustraire, selon les besoins, la conducti bilité thermique et la vitesse de refroidissement. Ceci permet d'accroître ou de réduire la sélectivité du signal de mesure, selon que la conductibilité thermique est le phénomène parasite ou le-phénomène utile. A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement 'sur les-figures 1 à 5 du dessin annexé un mode d'exécution du procédé selon l'invention, et une forme de réalisation d'un dispositif-pour le mettre en oeuvre. Par rapport aux dispos-itifs de mesure-connus, qui fonctionnent selon la méthode de déviation ou la méthode de -compensation, le dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon la présente invention offre également l'avantage d'avoir une structure mécanique plus simple. C'est ainsi que, dans lfexemple de réalisation qui va être décrit, il suffit d'une chambre unique, dans'laquelle est tendu un-fil'unique.Des gaz ou des liqui des~(nommes ci-après "fluidesX') sont int-roduits d'un côté de la chambre, par une conduite d'entrée, et ils en sont évacués par une conduite de~sortie. Entre la conduite d'èntrée-'et"la conduite de sortie, les fluides balayént le-fil. La structure de la chambre, la suspension du fil ainsi qué les autres particularités techniques Lhnlques doivent être adaptées à l'application considérée, si bien qu'il n'est pas nécessaire de les décrire en détail.Il est cependant important, pour la compréhension du procédé selon la présente invention, d'indiquer la grandeur caractéristique sur laquelle est fondée la mesure. On va partir pour cela du diagramme de la figure 1, qui représente les caractéristiques de résistance K1, K2, K11, K22, d'un fil chauffé. En ordonnées et en abscisses de ce diagramme on a porté respectivement la tension U appliquée à ce fil et l'intensité I du courant qui~letraverse. La caractéristique K1 correspond à une résistance idéale, c'est-à-dire une résistance suivant la loi d'Ohm. Lorsque la température du milieu ambiant de cette résistance augmente, la caractéristique K1 tourne autour de l'origine O du diagramme, et prend la nouvelle position K2.Si l'on utilise comme résistance un fil qui s'échauffe lorsq est traversé par un courant, la caractéristique réelle de résistance correspond à la courbe K11 à la température T1 et à la courbe K22 à la température T2, supérieure à T1. Le procédé de mesure repose sur le fait que le fil est tout d'abord chauffé par un courant I1, qui provoque un échauffement notable dudit fil (voir la figure 2). Si la résistance du fil était indépendante de la température, sa valeur correspondrait au point 4 de la caractéristique K1. Sa valeur correspond en réalité au point 1 de la caractéristique K11. Si l'on réduit alors rapidement l'intensité du courant I à la valeur 12, qui ne produirait pas d'échauffement supplémentaire du fil, à l'état stationnaire, c'est-à-dire qui correspond au point commun aux caractéristiques K1 et K11, le point représentatif de la résistance dudit fil se déplace le long de la caractéristique K3 jusqu'au point 2. Le refroidissement ultérieur du fil, déterminé par la chaleur que le fil cèdes par rayonnement ou conduction, au fluide qui le baigne ou à son dispositif de fixation, correspond à la distance entre le point 2 et le point 3, et constitue la grandeur mesurée proprement dite. Cette distance entre les points 2 et 3 est une mesure de la conductibilité thermique du milieu ambiant où se trouve le fil, pour la température de ce fil au point 1. D'autre part, la transition du point 2 au point 3 est régie par la constante de temps du refroidissement. Si la température de l'ambiance du fil su élève d'une quantité déterminée, si bien que ce sont les caractéristiques K2 et K22 de la figure 1 qui correspondent à la résistance du fil, la distance entre le point 2 et le point 3 ne varie que faiblement si le courant de chauffage Pilet le courant normal T2 restent les mêmes. Si l'on monte en série avec le fil une résistance constante de valeur déterminée, et que l'on applique à l'ensemble des impulsions rectangulaires de tension, au lieu d'impulsions rectangulaires de courant, on peut éliminer complètement, dans une large mesure, les faibles erreurs de température qui subsistent encore. La valeur de la grandeur de mesure, qui est illustrée à titre d'exemple sur la figure 2, ne reste toujours la même que pour un fluide déterminé, où est immergé le fil. Si ce fluide est modifié, il en résulte aussi généralement une modification de la conductibilité'thermique du milieu ambiant, si bien que l'on obtient, pour différents fluides, des caractéristiques différentes (par exemple la caractéristique K11 pour l'hydrogène et la caractéristique K4 pour le gaz carbonique). Les distances entre les points 2 et 3 sont donc différentes pour des fluides différents ; pour un seul et même fil et des conditions externes semblables, ces distances restent cependant largement constantes pour des fluides déterminés, même s'il y a variation de la température de l'ambiance du fil ou de la vitesse d'écoulement du fluide où il est immergé. La figure 3 représente les variations de la tension U appliquée au fil chauffé, en fonction du temps t. On fait passer par exemple par les extrémités du fil des impulsions rectangulaires de courant, de fréquence déterminée , de façon qu'il y ait une succession de maxima et de minima courant . Ces maxima et ces minima de courant sont choisis de telle sorte que le courant de chauffage traversant le fil ait l'intensité maxima Il où l'intensité minima I La tension U s'élève tout d'abord jusqu'à la valeur U1 (point 1), puis elle s'abaisse brusquement à la valeur U2 (point 2). Pendant I'intervalle (t2 - tel), la tension s'abaisse de Ia valeur U2 à la valeur constante U3, plus ou moins rapidement, selon la conductibilité thermique.La surface triangulaire, dont les sommets sont les points 2 et 3, et le point de coordonnées 'J3 et tl, constitue la valeur de mesure proprement dite, qui est mesurée électroniquement et enregistrée, avec des moyens connus. A l'instant t2 (qui est déterminé par la fréquence de la tension rectangulaire), le fil est ensuite à nouveau traversé par le courant d'intensité I et une nouvelle mesure est possible. La large indépendance du signal de mesure à l'égard de la température ambiante est par ailleurs obtenue grâce au fait qu'un montage électronique enregistre l'état, c'est-à-dire la tension U3, jusqu'à ce que soit atteinte la phase suivante de la mesure. Un commutateur, actionné également de façon électronique, empêche que les valeurs des tensions correspondant aux phases de chauffage ne soient transmises aux circuits électriques, de manière que les signaux de mesure aient la forme illustrée sur la figure 4. On a constaté que, pour presque toutes les mesures, il n'est pas nécessaire d'attendre l'équilibre thermique, si bien qu'il n'est pas nécessaire que la période de répétition des impulsions atteigne quelques secondes, puisque la gaine de chaleur qui entoure le fil chauffé subit l'essentiel du refroidissement en un temps relativement court. Les fréquences de répétition des impulsions rectangulaires de tension ou de courant peuvent donc être rendues élevées sans quSly ait en principe modification des relations essentielles. Les distances entre les points 1 et 4 et entre les points 2 et 3 sont seulement un-peu réduites. La figure 5 représente un montage permettant d'effectuer la mesure qui vient d'être décrite. Un fil H, ou un pont à fil, est alimenté aux bornes a et b, avec des impulsions rectangulaires de tension RS, par l'intermédiaire d'une paire de redresseurs, G1 et G2, de polarités alternées. En série avec les redresseurs G1 et G2 sont montées des résistances R1 et R2, qui déterminent des courants d'intensité I1 et I2 respectivement. Un condensateur réservoir K et un amplificateur à haute impédance V sont montés en parallèle sur le fil H, par l'intermédiaire d'un commutateur à commande électronique S. Le signal de mesure peut être prélevé sur la sortie A de l'amplificateur haute impédance V, pour être ensuite traité. Aux instants où le fil H est traversé par le courant maximum d'intensité Il, le commutateur S reste ouvert., Ce commutateur S est fermé en même temps que l'intensité du courant tombe de sa valeur maxima I1 à sa valeur minima I2, si bien que la tension U2 (voir figure 3) est appliquée aussitôt au condensateur réservoir K. Une résistance constante RK peut être montée en série avec le fil H pour éliminer les erreurs de température rési- duelles. I1 existe plusieurs possibilités pour traiter le signal de mesure prélevé sur la sortie A de l'amplificateur à haute impédance V. C'est ainsi que l'on peut déterminer la composante continue (filtrage), ou bien enregistrer la tension U2, correspondant au point 2, jusqu'à la période suivante, ce qui correspond à la mesure normale de la conductibilité thermique. On obtient alors une courbe en marches d'escalier, et les 100 % de la durée pour le signal de mesure correspondent à la période de répétition des impulsions. I1 est d'autre part possible d'ajouter au signal de mesure sa dérivée par rapport au temps , au début du refroidissement du fil, ce qui correspond à la vitesse de refroidissement. On obtient alors une mesure plus sélective de la conductibilité thermique. L'addition peut alors avoir lieu à l'aide d'un amplificateur à action proportionnelle et par dérivation, de -propriétés déterminées, qui est monté à la suite. D'autre part, il est possible de soustraire du signal de mesure sa dérivée par rapport au temps, c'est-à-dire de lui ajouter dU Ceci rend non sélective la mesure de la conduc Tt tibilité thermique. Un tel comportement est intéressant surtout lorsqu'il s'agit de mesure de débits à l'aide d'un fil chaud, que l'on doit rendre plus indépendants de la conductibilité thermique. REVEND I CATI O N S 1. Procédé pour mesurer la conductibilité de gaz et de liquides, indépendamment de la température ambiante et des vitesses d'écoulement de ces gaz et liquides, caractérisé par le fait que l'on chauffe à une température déterminée un fil tendu dans une chambre où s'écoulent les gaz ou les liquides, à l'aide d'impulsions de courant électrique, appliquées aux extrémités dudit fil, et que, pendant chaque intervalle entre deux impulsions de courant, au cours duquel le fil n'est pas chauffé, on mesure électroniquement et on enregistre le refroidissement du fil (signal de mesure), qui est produit par les conducteurs thermiques qui l'entourent. 2. Procédé suivant la revendication 1., caractérisé par le fait que le refroidissement du fil se manifeste en ce que la tension électrique prélevée sur le fil s'abaisse, de façon retardée, jusqu'à une valeur constante. 3. Procédé suivant la revendication 1., caractérisé par le fait que l'on utilise des impulsions rectangulaires de tension pour produire les impulsions de courant. 4. Procédé suivant la revendication 1. ou l'une des revendications suivantes, caractérisé par le fait que l'on enregistre jusqu'à la mesure suivante la valeur constante à laquelle s1 abaisse la tension prélevée sur le fil pendant le refroidissement de celui-ci. 5. Procédé suivant la revendication 1., caractérisé par le fait que l'on n'attend. pas que le fil ait atteint sa température d'équilibre pour procéder à la mesure, mais que l'on opère avec des fréquences allant jusqu'à plusieurs centaines de Hz. 6. Montage pour mettre en oeuvre le procédé suivant la revendication 1., caractérisé par le fait qu'il comporte un commutateur, qui est commandé avec la fréquence de répétition des impulsions de courant envoyées dans le fil, de manière à être fermé pendant chaque période de mesure, et ouvert pendant chaque période de chauffage. 7. Montage suivant la revendication 5., caractérisé par le fait que la tension prélevée sur le fil pendant chaque période de mesure est transmise à des dispositifs enregistreurs par l'intermédiaire d'un amplificateur à impédance élevée. 8. Montage suivant les revendications 5. et 6., caractérisé par le fait que le fil est alimenté avec des impulsions rectangulaires de tension, par l'intermédiaire d'une paire de redresseurs, de polarités alternées, qui sont montés en série avec des résistances déterminant deux intensités différentes de courant. 9. Montage suivant la revendication 6., caractérisé par le fait qu'une résistance constante est montée en série avec le fil pour éliminer les erreurs de température résiduelles.