Brevet FR2072050A1 — publié le 19710924

La présente invention concerne un appareil à la fois capteur et transducteur pour la mesure etjou la surveillance d'un écou- lement d'un fluide, ainsi que l'utilisation de cet appareil. On connait déjà des dispositifs pour la mesure des débits de fluides qui s'écoulent ou pour la mesure de la vitesse d'écoulement et pour la transformation des grandeurs mesures en signaux électriques. La plupart de ces dispositifs utilisent des appareils compliqués comportant des soufflets et des pistons ou membranes mobiles, ainsi que des transmetteurs électriques de signaux, raccordés à ces moyens. De tels dispositi2s, en raison Se leur constitution compliquée, sont exposés à des pa-mes et ils sont d' une fabrication coutense On connait d'un autre coté dee appareils dits anémomètres 2 fil de chauffage qui servent à mesurer la grandeur et la direc tion de vitesse de l'air.Ils comprennent un fil mince en plats ne qui est placé entre les extrémités dlune fourche métallique Les conducteurs d'alimentation sont reliés à la fourche et ils passent à travers le manche du détecteur. Si le fil mince est chauffé par un courant électrique, il existe une relation entre la vitesse d'un fluide qui s'écoule en passant devant le fil et la transmission de calories du fil métallique à ce fluide. La relation entre l'intensité du courut de chauffage, la résistance ce du fil métallique et la vitesse de l'écoulement est à la base de l'application de l'anémomètre à fil métallique de chauffage. Pour l'indication de la grandeur fourni par la mesure, on se sert habituellement de circuits électriques en pont qui reposen--. soit sur le principe de la rosista-lce constante du d-tecteur d mesure, soit sur le principe d'une intensité de courant constante à travers le détecteur. Toutefois, les systemes de fil métallique soudes à l'étain entre les branches de la fourche sont extremement sensibles à une sollicitation mécanique exagérée. Pour supprimer ces difficultés, on a proposé déjà un transducteur pour la transformation de la mesure de l'écoulement en grandeur électrique, comportant un support en une matière thermoplastique isolante au point de vue électrique et présentant la fonde d'un canal d'écoulement dans lequel est dispose au moins un fil de chauffage. Le fil de chauffage présente des diamètres différents et les longueurs de petit diamètre fonctionnent en tant que capteurs proprement dits. La paroi du canal d'écoulement est forme directement en tant que support mécanique pour le fil de chauffage bien pue la température de fusion de la matière thermoplastique soit inférieure à la température maximale de fonctionnement du fil de chauffage.Afin d'assurer une meilleure conduction de la chaleur et en raison de la résistance mécanique plus élevée qui est nécessaire, le fil métallique présente à ces endroits un dianètre plus grand, qu'à 11 intérieur du canal d'écoulement. Sur le support peuvent entre fixés des raccords pour la liaison électrique entre le fil métallique de chauffage et un circuit extérieur. L'invention a pour objet de zenfournir un capteur-transducteur du genre mentionné au début, qui fonisse des signaux, qui sont d'une fabrication simple et pe ouse et qui puisse être intew gré dans un bloc fonctionnel facilement accessible avec le disco sitif de mesure destiné à exploiter les dits signaux électriques. Ce problème est résolu, conformément à l'invention, du fait que dans le canal écoulement du transducteur . est disposé au moins un fil métallique constituant une résistance chauffé élec- triquement, ce fil étant noyé directement dans la paroi en matière thermoplastique du canal dtécoulement et ce fil étant raccordé à un circuit électrique pour mesurer le transfert de calories au fluide qui s'écoule et assurer ainsi la surveillance de l'écou- lement. On peut utiliser d'une maniera particulièrement avantageuse un tel dispositif pour l'exploration de supports perforés porteurs d'enregistrements, tels que par exemple, des bandes perforées ou des cartes perforées. On a décrit ci-après des exemples de réalisation de l'inven- tien, à laide des dessins, sur lesquels, La figure 1 est une vue en perspective dun élément capteur transducteur selon l'invention. La figure 2 est une vue en élévation, avec coupe partielle, d'un élément capteur-transducteur terminé sur lequel sont posées des bagues de raccordement et comportant un tuyau flexible de frettage représenté en coupe. La figure 3 est une vue on perspective d'un premier exemple de réalisation dans lequel l'objet de l'invention est utilisé comme lecteur de bande perforée. La figure 4 est une vue en perspective d'un second exemple de réalisation dans lequel l'objet de l'invention est utilisé pareillement comme lecteur de bande perforée. La figure 5 montre un autre exemple de realisation qui peut entre appliqué comme sonde-de mesure pour la mesure numérique de distances. L'élément capteur transducteur représenté sur la figure 1 se compose d'un corps porteur 1 en une matière thermoplastique. De telles matières peuvent être des polyacétals, un polyacryle, un polyamide ou un verre fondant à de basses températures. Le corps porteur, qui est représente dans l'exemple sous la forme d'un petit tube, muni d'un canal d'écoulement 3, porte un fil métallique de chauffage 2 qui est constitué dans l'exemple par un fil de platine enveloppé d'argent. Ce fil de platine est perpendiculaire à l'axe du petit tube et par conséquent, dans la zone du canal d'écoulement 3, il est perpendiculaire à la direction de l'écoulement d'un fluide s'écoulant à travers ce canal. Le fil de chauffage est disposé dans l'exemple en méandres dans un plan parallèlement à l'axe du petit tube formant le canal d'écoulement.Ainsi que le montre en outre la figure 1, ce plan est excentré parwrapport à l'axe du petit tube. On reviendra ultérieurement sur les particularités de cette constructión. Le principe de la mesure de l'écoulement repose sur la relation entre la transmission de chaleur du fil chauffé à un fluide s'écoulant autour de ce fil, d'une part, et la vitesse de l'écoulement de ce fluide, d'autre part. La transmission de chaleur Q' dans le temps, en Ecal/mh par unité de longueur d'un fil mince chauffé, ayant une section droite circulaire et disposé perpendiculairement à la direction de la vitesse d'écoulement v, a pour expression expression t = densité (Kp/m3) du fluide qui s'écoule & = coefficient de conductibilité calorifique du fluide qui s'écoule. d = diamètre du fil (m) g = accélération dûe à la pesanteur (m/S2) T = température absolue du fil métallique T0 = température absolue du fluide qui s'écoule Cv = chaleur spécifique du fluide qui s'écoule (cal/g.degré Quand le fil ayant la résistance R est parcouru par un courant électrique d'intensité I, on a dans des conditions par ailleurs stationnaires 0,24 I2R = Q', le facteur 0,24 étant lé- quivalent électrique de la calorie. Pour des valeurs constantes de Q , Cv , & et d , on a donc, d'après l'équation (1) Dans cette expression, a et b sont des constantes physiques qui sont conditionnées par la matière et que l'on peut déterminer empiriquement avec facilité.De la formule (2) il résulte que pour une résistance maintenue constante, le courant I est fonction de la vitesse d'écoulement v v et que le courant étant maintenu constant, la résistance R est fonction de -la vitesse d'écoulement v. Pour déterminer ces grandeurs, on emploie d'une manière générale des montages en pont connus. Toutefois, étant donné que ces montages en pont sont connus et que sont connus des montages analogues de mesure, on n'entrera pas ici plus loin dans le détail au sujet de ces particularités. Pour la liaison des extrémités du fil de chauffage 2 avec un circuit électrique extérieur, on dispose-avantageusement sur le corps porteur des éléments de branchement. Ces éléments peuvent Hêtre, quand le corps porteur a la forme d'un petit tube, des bagues montées à la presse sur les extrémités du petit tube. Comme matière première pour ces bagues, on emploie de préférence de l'or ou un autre métal bon conducteur et résistant bien à la corrosion. Toutefois, il est possible aussi de sonder les extrémités du tube de chauffage en des points déterminés du corps porteur, de sorte que ces points de soudure remplissent directement la fonction de bornes pour le raccordement i un circuit. Afin d'augmenter le signal pour des dimensions données du canal, on peut faire passer le fil de chauffage plusieurs fois, dans un montage en série, à travers la section droite du canal, ainsi que cela est indiqué sur la figure 1, sur laquelle il n'y a que les longueurs du fil de chauffage dénudées et se trouvant dans le canal qui soient exposées au fluide qui s'écoule. Le mode de fixation du fil de chauffage dans la paroi thermoplastique a donné, dans des recherches poussées concernant la stabilité des résistances du-transducteur, pendant des intervalles de temps assez long, des résistances pouvant outre reproduits avec une précision telle que l'on peut renoncer à procéder à une vérification de l'étalonnage du circuit de mésure, vérification à laquelle il était jusqu'à présent nécessaire de procéder fréquemment. En outre, on peut même, en raison de la constance, dans le temps, de la résistance, renoncer dans la plupart des applications techniques, aux circuits en pont couramment utilisés jusqu'à présent. Dans un élément transducteur construit d'une manière correspondant à l'exemple de réalisation préféré et présentant un diamètre de canal de 2,5 mm, une longueur de petit tube de 20 mm et un fil de chauffage en platine ayant un diamètre de 10/1, ainsi qu'une résistance intérieure de 25 ohms, ce fil de chauffage passant six fois à travers le canal d'écoulement, le seuil de fonctionnement du capteur a correspondu, le fluide qui s'écoulait étant de l'ai; à 1,5 litres/minuteu Pour la mesure de quantités relativement grandes du fluide qui s'écoule, un dispositif comportant un écoulement principal légèrement étranglé et un élément transducteur placé dans un écoulement secondaire a donné des résultats bien meilleurs que si l'élément avait été adapté directement aux conditions de fonctionnement dans le courant principal. Pour protéger les parties du fil de chauffage se trouvant en dehors du canal d'écoulement, on peut prévoir un blindage de l'élément transducteur. On peut réaliser ce blindage d'une manière particulièrement avantageuse en disposant un tuyau flexible de frettage 11, selon figure 2, qui peut entre par exemple en polycarbonate ou en tetrafluorèthyle. En raison de l'élasticité du tuyau flexible de frettage, toute la surface du transformateur se trouve protégé contre des influences extérieures indésirables. Bien entendu, on peut adopter aussi d'autres mesures de protection ; par exemple procéder à un vernissage. En raison de la faible capacité calorifique du fil de chauffage, extremement mince, on peut obtenir, avec le transducteur décrit; une bonne séparation dans le temps et par suite une saceession de mesures tries rapide. Dans un exemple de réalisation préféré on a fait jusqu'à 500 mesures par seconde. En outre, le transducteur qui doit être considéré comme un élément électrique passif, fournit un signal puissant qu'il est facile de transformer. Par suite, on peut construire d1 une manière simple et économique des circuits électriques de mesures éleBtri- ques reliés au transducteur. te dispositif décrit peut être incorporé facilement à des circuits intégrés étant donné que le corps porteur thermoplastique peut entre prévu, en vue de son incorporation dans un circuit impri me. On va décrire maintenant un exemple de mise en oeuvre préféré d'un capteur-transducteur numérique convenant par exemple pour l'exploration de bandes perforées. Suivant la figure 3, plusieurs éléments capteurs-transducteurs 21, dont les corps porteurs sont constitués par de petits tubes, sont montés sur un circuit imprimé 20. Les axes des petits tubes sont perpendiculaires au plan du circuit imprimé. Des trous 22 sont disposés tout au moins aux endroits du circuit imprimé sur lesquels se trouvent les éléments 21. Les éléments 21 sont ou bien introduits directement dans les trous 22 ou bien solidarisés avec le circuit imprimé 20 par des moyens de fixation supplémentaires. Le moyen de fixation peut être obtenu par déformation thermoplastique de la matière des petits tubes ou bien il peut être constitué par des dispositifs ajoutés.Les extré- mités des fils de chauffage noyées dans les petits tubes Sont reliées à des conducteurs qui sont par exemple disposés sur la face inférieure du circuit imprimé. Par l'intermédiaire de bornes 23, le dispositif décrit est relie à Un circuit électrique de mesure non représenté. Bien entendu, il peut être logé sur le circuit imprimé 20 des éléments supplémentaires de couplage électrique, ce qui conduit à une constitution plus compacte du dispositif. En outre, les bornes 23 peuvent être constituées par c zabre de contact fixée en supplément dans un circuit imprimé on bien par des languettes de con- tact appliquées directement sur le circuit imprimé en tant que con- ducteurs. Si le dispositif décrit doit etre utilisé par exemple comme lecteur de bande perforée, on place, au dessous du dispositif représenté sur la figure 3, parallèlement au circuit imprimé 20, une table de guidage non représentée Entre la table de guidage et le circuit imprimé 209 on dispose ensuite la bande perforée à explorer.Si l10n déplace maintenant la bande perforée dans la di rection indiquée par la flèche 24 sur la figure 3, les trous 22 et par conséquent les éléments 21 sont disposés perpendiculairement à la flèche 24, à une distance l'un de l'autre qui correspond à l'écartement des canaux d'enregistrement sur la bande perforée à explorer Les trous 22 ou les éléments 21 ne doivent pas entre nécessairement disposés en une rangée unique perpendiculaire à la flèche 24 mais ils peuvent aussi astre répartis, suivant la place dont on dispose, sur plusieurs rangées. Les canaux d'écoulement des éléments 21 sont raccordés à une source de fluide ou à un réservoir de fluide, de sorte que lorsque les bandes perforées n'ont pas été mises en place, on obtient à intérieur des éléments un écoulement uniforme. Par exemple, on peut utiliser comme source de fluide un petit ventilateur à partir duquel un canal d' écoulement commun conduira le fluide aux entrées des éléments 21. En raison de la grande sensibilité au seuil de fonctionnement, déjà mentionnée, des éléments 21, il suffit, polu. les buts indiqués, d'un petit ventilateur usuel de refroidissement. Les canaux d'écoulement des éléments 21 restent fermés-par la bande perforée mise en place, non représentée sur la figure 3, aussi longtemps qu'un trou ne vient pas au droit d'un canal correspondant. S'il en est autrement, c'est-à-dire si un trou vient au droit du canal correspondant, il s'établit soudainement, à travers l'élément 21 appartenant à ce canal, un écoulement de courte durée qui est analysé au moyen de la modfication de la valeur de la résistance du fil de chauffage, du circuit électrique de mesure. En raison de la faible capacité calorifique, déjà mentionnée des fils de chauffage on peut lire, avec un tel dispositif, des bandes perforées avec une fréquence d'environ 1000 signes par seconde. Sur la figure 4, on a représenté un autre exemple de réalisation dans lebel les éléments 21 sont disposés en ce qui concerne les axes des petits tubes, parallèlement au plan du circuit imprimé 20. Le fonctionnement de ce dispositif est le meme que celui du dispositif représenté sur la figure 3. Toutefois, dans cet exemple, les extrémités des fils de chauffage peuvent entre disposées de côtés opposés des petits tubes.En outre, on peut, dans ce dispositif, disposer avantageusement un canal d'écoulement commun 25 au voisinage des bornes, de sorte que lors de l'introduction de la carte perforée dans un dispositif de maintien correspondant, ce ne sont pas seulement les raccordements électriques qui sont établis, mais il en est de même pour les raccords d'écoulement0 Un avantage du dispositif décrit par rapport aux dispositifs explorateurs connus de bandes perforées réside en ce que la bande elle-meme n'est pas soumise à une sollicitation mécanique, en ce qu'en raison de la grande sensibilité des éléments de transducteur la forme des trous par le support d'enregistrement est sans influence sur le résultat de la mesure et en ce que les malpropretés existant éventuellement sur la bande, telles que des machures du papier ou des détritus de papier, etc.. sont enlevés d'une manière simple par le fluide qui s'écoule, ce fluide étant, dans l'exemple de réalisation préféré, de l'air. En outre, les modifications optiques de transparence sur la bande qui constituent une source d'erreur fréquente dans le cas de l'exploration optique de bandes perforées, sont sansinfluence sur le résultat de l'exploration. Il est même possible d'utiliser des parties de bande collées ltune sur l'autre sans que le résultat de l'exploration soit influencé. En raison du principe de la mesure des débits au moyen des éléments selon l'invention et pour une section de passage du canal d'écoulement donnée, des variations de pression à l'intérieur du fluide qui s'écoule et qui est utilisé pour l'exploration-sont sans influence sur le résultat de cette dernière. Pour cet-te raison, on peut obtenir aussi avec le dispositif décrit des rapports très élevés signal/bruit. Il suffit, comme pression minimale pour une lecture correcte pour une applleatLoD numérique, de 10 à 12 me de colonne d'eau. Il y a lieu de signaler encore, pour que lexposé-soit complet qu'avec le dispositif décrit il est possible d'explorer non seulement des bandes perforées mais aussi dtautres supports dBen- registrements perforés quelconquesg tels que, par exemple, des cartes perforées. Dans un autre exemple de réalisation, le capteur-transducteur selon l'invention -est utilisé en combinaison avec un dispositif représenté sur la figure 5, pour la mesure de distances. Ce dispositif peut être employé d'une manière avantageuse comme~interrupiur de fin de course dans des conditions qui sont par exemple celles des commandes de machines-outils. Conformément à la figure 5, un élément 30 est raccorde à une sonde. Cette sonde contiellt7 en tant que prolongement du canal dsé- coulement appartenant à la cellule 30 de transduction, un premier canal central d'écoulement 31. Un second canal d'écuulement 32 disposé coaxialesnewt est relié par l'intermédiaire d'une ouverture 33 à une source de fluide ou à un réservoir de fluide. A l'extré- mité distale de la sonde, les deux canaux se terminent par une ouverture 34. Le second canal d'écoulement 32 présente une section droite qui va en s'élargissent, l'endroit le plus étroit étant au voisinage de l'élément 30 et la section droite la plus large étant dans la zone de l'ouverture 2 . Si la largeur du canal à l'endroit le plus étroit, a pour valeur b, l'éloignement optimal entre l'endroit le plus large, à l'ouverture du canal d'écoulement, et l'endroit le plus étroit est C = 40 b. Si la paroi d'un objet 35 à explorer est à une distance suffisante de ltouverture d'exploration 34 et si l'ouverture 33 est reliée à une source de fluide, il se produit dans le premier canal d'écoulement 31 et en raison de l'écoulement entre lgonverture 33 et l'ouverture d'exploration 34, un écoulement par entrainement dont la direction est parallèle à celle de l'écoulement dans le second canal d'écoulement 32. Si la paroi de l'objet 35 à explorer se rapproche toujours davantage de l'ouverture d'exploration de la bande, il se produit une inversion de la direction de l'écoulement dans le premier canal 31. Cet effet peut être saisi et capte à l'aide de la cellule de transduction 30raccordée au premier canal d'écoulement. Par exemple, on peut saisir le passage à zéro du débit mesuré par la cellule de transduction. En outre, on peut raccorder des circuits logiques supplémentaires. De cette manière, on peut exécuter sans qu'il y ait de con tact, des réglages de distance très précis ou des explirations très précises de pièces usinées. Bien entendu, l'invention ntest pas limitée à l'exemple de réalisation représenté et décrit, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 10/ dispositif de captage et de transduction en grandeurs électriques de l'écoulement d'un fluide en vue de la surveillance de cet écoulement, caractérisé en ce que dans le canal d'écoulement du transducteur, est disposé au moins un fil métallique de resistance chauffé électriquement, ce fil étant noyé à même la paroi thermoplastique du canal d'écoulement et étant raccordé à un cir- cuit électrique pour capter la transmission de chaleur au fluide qui s'écoule etassurer la surveillance de cet écoulement. 20/ Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, dans l'écoulement, est disposée une résistance variable à l'écoulerjent présentant deux valeurs discrètes de résistance à l'é- écoulement. 30/ - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est prévu comme résistance à écoulement, un support per- foré d'enregistrements, en forme de bande ou de feuille. 4 / - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le transducteur est monté sur un circuit imprimé. 5 / - Dispositif suivait la revendication 45 caractérisé en ce que sur le circuit imprimé est monté un nombre de transducteurs qui correspond au nombre de canaux d'enregistrement du support d'enregistrement, en forme de bande ou e:a fournie de feuille, à explorer. 6 / - Dispositif suivant la revendication 3 p caractérise en ce qu'une ouverture du canal d'écoulement est constituée en ouverture d'exploration pour capter les variations de 1 écoulement au droit de l'ouverture d'exploration 7 / - Dispositif suivant la. revendication 6, caractérisé en ce que le canal d'écoulement est en forme de canal passif qui est couplé à son ouverture avec un canal d'écoulement actif, le couplage pouvant etre modifié par un objet se trouvant devant i 'ou- verture ' exploration 8*f - Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que un premier canal d'écoulement qui continent le transducteur est accouplé avec un second canal d'écoulement raccordé à une source de fluide ou à un réservoir de fluide et en ce que les deux canaux d'écoulement sont coaxiaux 90/ - Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le second canal d'écoulement présente dans la zone d'une ouverture, reliée à la source de fluide, une section.de passage minime et en ce que la section de passage va en augmentant en la direction du point de couplage des deux écoulements. 10'/ - Application du dispositif selon la revendication 1, à la surveillance d'une distance.