Brevet FR2308090A1 — publié le 19761112

La présente invention, développée au Centre d'Etudes et de Recherches de Toulouse (C.E.R.T.), établissement de l'O.N.E.R.A., a pour objet un procédé et un dispositif de mesure du débit massique de fluide en écoulement dans un canal et utilisant un capteur thermorésistant. On connaît déjà des procédés de mesure d'une propriété d'un milieu dans lequel est plongé un capteur thermorésistant, propriété en relation avec les transferts thermiques entre le capteur et le milieu. On chauffe le capteur, constitué par un fil ou un film thermorésistant à très faible inertie placé dans le courant de fluide et on détermine les transferts thermiques. On pourra notamment se reporter à ce sujet awbreuets antérieurs dus aux mêmes inventeurs que la présente demande, et notamment au brevet français n" 1 448 925, à ses additions n 89 612 et 90 224 ainsi qu'au brevet français n 72 26310 (publié sous le n" 2 193 487). Ces procédés et dispositifs permettent notamment de mesurer la vitesse de circulation et le débit d'un fluide et, en plaçant le capteur dans un canal de faible section séparant deux enceintes à pression différente, de mesurer la différence de pression entre ces enceintes. L'invention vise notamment à fournir un procédé de mesure du débit massique d'un fluide constituant un perfectionnement à ceux antérieurement connus, notamment en ce qu'il assure une précision accrue quel que soit le débit en question, et ceci en ne mettant en oeuvre que des moyens simples. Dans ce but, l'invention propose un procédé de mesure du débit massique de fluide en écoulement suivant un sens déterminés dans un canal à parois formant puits de chaleur dans lequel est placé un capteur thermorésistant auquel on applique un courant électrique de ,chauffage et dont on détermine les transferts thermiques avec le fluide, procédé caractérisé en ce que l'on juxtapose à l'écoulement principal sur le capteur une sollicitation tendant à provoquer un écoulement alternativement dans le même sens que l'écoulement principal et en sens inversé, d'amplitude suffisante pour provoquer un écoulement résultant alterné sur le capteur. Le capteur peut être chauffé électriquement soit en régime continu, soit en régime d'impulsions. Il peut être chauffé sous tension constante, h courant constant ou à puissance calo roue constante, c'est-à-dire suivant l'une quelconque des o iu- tions envisagées dans les brevets mentionnés ci-dessus. On donne avantageusement au canal une section rétrécie au voisinage immédiat du capteur, de telle façon que la vitesse de passage du fluide s'en trouve augmentée et que le capteur soit soumis à une "ventilation" par des jets de très faible section. On pourra en général, dans le cas de mesure de débit de gaz, utiliser des orifices en minces parois, de très petit diamètre, de l'ordr' du dixième de millimètre. Ltinven; Ar ~opçse ~ a ment; un dispositif de mesure permettant de mettre en oeuvre le procezé ci-dessus défini. Ce dispositif comprend au moins un capteur thermorésistant, des moyens pour appliquer un courant électrique de chauffage = ce capteur et des moyens associés au capteur pour déterminer ses transferts thermiques avec le fluide. Il comporte de plus des moyens pour imposer a 11 écoulement de fluide sur le capteur une composante alternative d'amplitude suffisante pour que la vitesse dBécoulemenz du fluide sur le capteur soit alternativement dans le sens de l'ecoulement général et en sens opposé. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs constituant des modes particuliers de mise en oeuvre de l'invention, et du procédé qu'ils rret- tent en oeuvre La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe montrant un montage possible du capteur dans le dispositif, - la figure 2 est une courbe de réponse d'un capteur suivant la figure 1 en fonction de la vitesse, - la figure 3 est une courbe représentative de la variation du signal de mesure en fonction du temps dans un dispositif suivant l'invention - la figure 4 est un schéma de principe d'un dispositif suivant l'invention - la figure S est un bloc-diagramme d'un dispositif fonctionnant sensiblement suivant les grandes lignes du circuit de principe de la figure 4 - la figure 6 est un synoptique montrant les signaux qui apparaissent à divers emplacements du dispositif de la figure 5. Avant de décrire le dispositif suivant l'invention, on rappellera des données sur les dispositifs de mesure de débit massique et les anémomètres dont le capteur est constitué par un élément thermorésistant, en faisant référence à la figure 1. L'élément thermorésistant 10, généralement de faible épaisseur (fil de faible diamètre ou bande mince) est plac dans un canal 11 dont la paroi 12 forme puits de chaleur à proximité du capteur. Celui-ci reçoit d'un circuit non représenté un courant électrique de chauffage qui peut être continu (à tension ou intensité constante) ou pulsé et qui tend à porter le capteur à une température supérieure à celle du fluide qui circule à vitesse moyennelag du canal. Le capteur est associé à un circuit de mesure de sa résistance ou de ses échanges thermiques avec le milieu (non représenté sur la figure 1) qui fournit un signal m. L'expérience montre que la variation du signal m en fonction du module de la vitesse v,est de Bforme illustrée en fig. 2, quel que soit le mode d'excitation du fil. La sensibilité dm/dv est très faible à petite vitesse, augmente avec v, passe par un maximum puis décroît. Il est donc très difficile de mesurer les vitesses inférieures à un seuil, la sensibilité étant trop faible. Pour écarter cet inconvénient, on peut penser qu'il suffit de placer le capteur dans une zone du canal où on augmente artificiellement la vitesse, par exemple entre deux rétrécissements 13 et 14 du canal(fig.1) ou dans le rétrécissement lui-même, ou de placer deux demi-capteurs chacun d'un côté d'un rétrécissement. Ces solutions sont d'effet limité et tendent à réduire la longueur de capteur soumise à l'action du fluide en écoulement. Le dispositif suivant l'invention résoud le problème en superposant à l'écoulement à mesurer un phénomène qui permet d'effectuer la mesure à proximité du milieu A de la zone où la sensibilité est maximum. Pour cela, on superpose à la vitesse Vm, de sens déterminé, à mesurer une composante alternative, sinusoidale par exemple, d'amplitude Va supérieure à Vm et choisie pour que, pour la plage prévue de variation de Vm, le signal obtenu soit à peu près maximum. On voit de plus qu'il sera à peu près linéaire, la courbe de la figure 2 étant à peu près rectiligne dans la zone BC. Comme le montre la figure 3, la variation du signal en fonction du temps se présentera sous forme d'un signal ayant la même période que la composante alternative de vitesse. La différence 2 sm entre les deux maxima successifs sera représentative de la vitesse Vm. Dans la pratique, la composante alternative sera créée en appliquant une différence de pression alternative entre deux points situés l'un en amont et l'autre en aval du capteur 10 dans le sens de l'écoulement. L'amplitude de cette différence de pression sera choisie en fonction de la perte de charge due à l'écoulement à vitesse Vm entre les deux points. Dans le mode de réalisation illustré en figure 1, la différence de pression alternative est créée par deux membranes vibr 15,et 16 antesr, paf exemple du qenre utilisé dans les haut-parleurs si le fluide est un gaz, excitées en synchronisme mais en opposition de phase. Les membranes délimitent deux chambres, reliées l'une à l'amont, l'autre à l'aval du capteur 10. La transmission vers l'amont et l'aval des oscillations( en qénéral à une fréquence de quelques centaines d'Hertz à une dizaine de kHz) est avantageusement diminuée par des changements de section, représentés sur la figure 1 par des rétrécissements 17 et 18. Au lieu de deux membranes, on peut en utiliser une seule, séparant deux chambres reliées l'une à l'amont et l'autre à l'aval du capteur 10. Surtout à basse fréquence (au-dessous de 100 Hz environ) et dans les gaz, on peut utiliser, au lieu de membranes vibrantes, deux cavités contenant chacune une résistance électrique de très faible inertie thermique : en appliquant des impulsions électriques brèves à ces résistances, on provoque des dilatations de courte durée du gaz contenu dans les cavités et on provoque des surpressions qui sont transmises au canal. Les parois des cavités doivent être assez massives pour former puits de chaleur et permettre le refroidissement rapide des résistances. Le dispositif de mesure représenté schématiquement en figure 4 (où les organes correspondant à ceux de la figure 1 portent le même numéro de référence) utilise une membrane de haut-parleur pour superposer une composante de vitesse à variation approximativement sinusoïdale à la composante continue Vm à mesurer. Les circuits électriques et électroniques du dispositif comportent un pont de Wheatstone 19 formant séparateur, une alimentation 20 et une chaîne d'excitation de la membrane et de détection synchrone. Pour simplifier, on supposera tout d'abord que l'alimentation 20 du pont 19, qui fournit le courant de chauffage du capteur 10 est permanente. La chaine d'excitation et de détection comporte un bloc oscillateur 21, formant base de temps, qui fournit sur sa sortie 22 un signal sinusoïdal d'excitation de la membrane et,sur sa sortie 23, un signal carré de synchronisme, à la même période T et en phase avec le premier. Le signal de déséquilibre du pont 19 est porté à un niveau suffisant pour le mémoriser par un amplificateur 24 qui attaque deux blocs mémoires 25 et 26. Un bloc de déphasage 27 fournit, à chaque période du signal carré, deux impulsions successives qui commandent l'une la mémoire 25, l'autre la mémoire 26. Ces impulsions sont émises avec un déphasage d'une demi-période pour provoquer l'une la mémorisation du signal correspondant à v + m, l'autre à celle de v - v a m a m (points B et C sur la figure 2).Les deux signaux mémorisés sont appliqués sur les entrées d'un amplificateur différentiel 28 muni d'une porte analogique de sortie ouverte, par exemple par le bloc 27, lorsque les deux signaux sont disponibles sur les entrées de l'amplificateur. Le dispositif des figures 1 et 4 peut être réalisé en circuits intégrés coe indiqué en figure 5 où les organes correspondant à ceux des figures 1 et 4 sont désignés par les mêmes numéros de référence. Le bloc oscillateur 21 est constitué par un circuit intégré 30 (circuit 8038 de Intersil par exemple) et de résistances ajustables 31 et 32 de réglage de la fréquence et de l'amplitude du signal sinusoïdal émis sur la sortie 22 et du signal carré émis sur la sortie 23. Le signal sinusoïdal est amplifié par un transistor 33 et appliqué aux bobinages des deux haut-parleurs 15 et 16 dont les membranes sont associées au capteur 10. Le capteur 10 est placé dans le pont de Wheatstone 19 alimenté sous une tension constante, stabilisée par une diode Zener 34 et ajustable à l'aide d'un potentiomètre 35 placé dans un pont de résistances. Le signal de déséquilibre du pont 19 (ligne 36 sur la figure 6) est appliqué sur les entrées d'un amplificateur différentiel 36. La sortie de l'amplificateur 36 (AD 520 J par exemple) attaque, par l'intermédiaire d'un condensateur 37 et d'un second amplificateur 38, un filtre actif passe-bande 39 (LM 308 par exemple) dont la bande passante est centrée sur la fréquence fournie par le bloc oscillateur 21. Le signal de sortie du filtre 39 comporte ainsi seulement la fréquence fondamentale du signal de déséquilibre du pont de Wheatstone 19. On évite ainsi des distorsions et déphasages dans la channe de mesure. La sortie 23 du bloc oscillateur, sur laquelle apparaissent les signaux carrés schématisés sur la ligne 23 de la figure 6, est reliée a l'entrée du bloc de déphasage 27. Celui-ci comporte deux circuits intégrés 40 et 41 (342 AS par exemple) munis de résistances ajustables de réglaqe du déphasage.Pour chaque front avant du signal carré reçu du bloc 21, le circuit 40 émet sur la sortie 44 un signal de remise à zéro et de mémorisation, schématisé en figure 6, qui est appliqué à la mémoire 26 (circuit intégré 8007 C par exemple) avec un déphasage tel que la valeur mémorisée corresponde au maximum le plus faible de la figure 2, c'est-à-dire au minimum du fondamental (à l'instant où la vitesse v a est maximum et en sens inverse de I'écoulement). Pour chaque front avant, le circuit 41 émet de son côté sur la sortie 45 un signal de mémorisation (ligne 45 sur la figure 6) correspondant au maximum du fondamental. Ce signal provoque la remise à zéro de la mémoire 46 (circuit 8007 C par exemple) et la mémorisation de la sortie de l'amplificateur différentiel 28.Celui-ci reçoit sur une entrée le signal mémorisé une demi-période plus tôt par la mémoire 26 et sur l'autré entrée le signal de sortie du filtre 39. Le contenu de la mémoire 46 apparaît sur une sortie 47. Elle est portée à un niveau mesurable par un amplificateur opérationnel de filtrage 48 (circuit LM 308 par exemple) dont la sortie est munie d'un commutateur 49 permettant d'orienter le signal soit vers une sortie permanente 50, soit vers une sortie avec intégration sur un circuit RC constitué d'une résistance 51 et d'un condensateur tampon 52. Le fonctionnement du dispositif ressortant de la description qui précède, il n'est pas nécessaire de le détailler. Mais il faut noter que ce dispositif est susceptible de nombreuses variantes. En particulier, on peut utiliser une alimentation du capteur par impulsions (par exemple du genre décrit dans le brevet n" 72 26310 déjà mentionné). Le circuit générant ces impulsions sera synchronisé avec le bloc 27, de façon à effectuer les mesures aux instants où la sensibilité est maximale (maxima de la courbe 36 de la figure 6). Le circuit de traitement des signaux provenant du pont n'aura plusvà a comporter le circuit de filtraqe 39, l'échantillonage par les impulsions créant lui-même un effet de filtrage. Quel que soit le mode de réalisation adopté, on cherchera toujours à prélever des Informations aux instants où les échanges thermiques entre capteur et milieu fluide dus à la vitesse instantanée d'écoulement passent par un maximum. Dans la pratique, on peut mesurer des débits d'air à 3 pression atmosphérique de 0,1 mm3/sec. Parmi les applications de l'invention, on peut notamment citer la constitution de dispositifs barométriques comprenant un capteur placé entre un volume de référence calorifugé et stabilisé en température et un réservoir tampon contenant un déshydratant et relié à l'atmosphère par l'intermédiaire d'un filtre. En utilisant un volume de lm3 à une température régulée à 0,20C près, on peut enregistrer les variations de pression à 0,1 mb près, avec une dérive qui reste très faible, étant donné qu'elle tend à se compenser dans le temps. REVENDICATIONS 1 - Procédé de mesure du débit massique de fluide en écou- lement suivant un sens déterminé le long d'un canal à parois formant puits de chaleur, dans lequel est placé au moins un capteur thermorésistant auquel on applique un courant électrique de chauffage et dont on détermine les transferts thermiques avec le fluide, caractérisé en ce que l'on juxtapose à l'écoulement principal sur le capteur une sollichation tendant à provoquer un écoulement alternativement dans le même sens que l'écoulement principal et en sens inverse, d'amplitude suffisante pour provo :uer un écoulement résultant alterné sur le capteur. 2 - Procédé suivant la revendication1,caractérisé en ce que l'on applique au capteur des impulsions de courant électrique de chauffage à intervalles réguliers et en ce que l'on détermine les transferts thermiques avec le fluide pendant les intervalles de temps séparant les impulsions de chauffage. 3 - Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on étrangle la circulation du fluide à proximit du capteur de façon à donner à la vitesse de passage du fluide sur le capteur une valeur supérieure à la vitesse moyenne le long du canal. 4 - Dispositif de mesure du débit massique de fluide en écoulement suivant une direction déterminée le long d'un canal à parois formant puits de chaleur, comprenant au moins un capteur thermorésistant, des moyens pour appliquer un courant électrique de chauffage à ce capteur et des moyens associés au capteur pour déterminer ses transferts thermiques avec le fluide, dispositif comportant des moyens pour imposer à l'écoulement de fluide sur le capteur une composante alternative d'amplitude suffisante pour que la vitesse d'écoulement du fluide sur le capteur soit alternativement dans le sens de l'écoulement général et en sens opposé. 5 - Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé par des moyens d'étranglement de l'écoulement, tels qu'un diaphragme percé d'une fente ou d'un orifice, pour que la vitesse d'écoulement sur le capteur soit supérieure à la vitesse dans le reste du canal. 6 - Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la dimension transversale ou le diamètre de la fente ou de l'orifice est de l'ordre du dixième de millimètre. 7 - Dispositif suivant la revendication 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens pour provoquer une composante alternative d'écoulement sont constitués par des moyens pour créer entre un point situé à l'amont du capteur et un point situé à l'aval du capteur une variation alternative de pression d'amplitude supérieure à la perte de charge de l'écoulement permanent entre ces deux points. 8 - Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par une membrane vibrante séparant deux chambres reliées chacune à l'un desdits points. 9 - Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par deux membranes vibrant en opposition de phase et reliées chacune à l'un desdits points. 10- Dispositif suivant 1 'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé par des moyens pour mesurer et mémoriser un paramètre représentatif des transferts thermiques pour la vitesse maximum et la vitesse minimum instantanées d'écoulement sur le capteur. 11- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que l'amplitude de la composante alternative de vitesse est choisie pour que la mesure s'effectue avec une précislon maximum. 12- Application du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 ou du dispositif suivant 1 'une quelconque des revendications 4 à Il à la mesure de la pression différentielle entre deux enceintes que l'on relie par le canal.