Brevet FR2423761A1 — publié le 19791116

L'invePtion est relative à une sonde électronique pour détecter la température d'une ambiance fluide même éventuellement solide. Le développement actuel de systèmes de chauffage dit à énergie douce utilisant notamment l'énergie rayonnée par le soleil et où l'on fait circuler un fluide caloporteur à température basse par rapport aux températures couramment rencontrées dans les systèmes classiques, rend de plus en plus nécessaire la mise en oeuvre de dispositifs de régulation très sensibles et à temps de réponse très court. En effet la recherche de systèmes aussi économiques que possible conduit à la recherche de l'efficacité maximale en tentant d'exploiter quasi-instantanément les variations momentanées de température, comme par exemple celles induites par le passage d'un nuage entre le soleil et la surface captrice du rayonnement. Si des systèmes de régulation en fonction de la température existent déjà dans des installations de chauffage à énergie douce, ceux-ci font appel à des composants classiques hérités des installations conventionnelles pour lesquelles le souci de la recherche de l'économie, donc de ltefficacité maximale n'était pratiquement pas présent. Les sondes détectrices de température connues sont encombrantes et ne peuvent par conséquent être disposées que dans des canalisations de diamètre relativement important, ce qui en interdit pratiquement la présence aux endroits de 11 installation qui sont précisément les plus critiques et où la détection des paramètres s'avère la plus importante. En outre elles perturbent exagérément l'écoulement fluide que l'on cherche à contrôler.Ainsi il est totalement exclu de pouvoir utiliser de telles sondes avec des canalisations de faible diamètre (jusqu'a' 8 mm) que l'on rencontre de plus en plus fréquemment dans le chauffage solaire. Par ailleurs les sondes connues présentent toutes une tries grande inertie thermique, donc un temps de réponse assez long, qui les rend tout à fait inadaptées au chauffage solaire, ce temps de réponse étant souvent plus long que le temps moyen d'occultation de la surface d'un capteur par un nuage. Cette inertie thermique est essentiellement due au principe même de la détection : dilatation d'un fluide comme dans les tubes de Bourdon ou d'un organe métallique comme dans les bilames.L'utilisation parfois proposée de thermocouples ou de thermistances, théoriquement assez sensibles et de faible encombrement, hormis les prix de revient prohibitifs pour des applications qui ne sont plus purement de laboratoire mais industrielles, implique aussi que l'élément sensible soit isolé électriquement : un enrobage isolant est donc nécessaire, ce qui augmente bien évidemment l'encombrement mais surtout la résistance thermique, l'élément sensible ne baignant pas dans le fluide à surveiller, de même que l'inertie thermique, du fait que les isolants électriques sont également de bons isolants thermiques. Le gain de sensibilité et de rapidité de réponse obtenu théoriquement est perdu par l'isolation nécessaire. L'invention se propose de surmonter ces difficultés en utilisant les possibilités de l'électronique moderne et à bon marché pour réaliser une sonde de faible encombrement, de mise en oeuvre aisée même dans des canalisations de faible diamètre et en des endroits normalement difficilement accessibles, de grande sensibilité et très faible temps de réponse, et qui soit le cas échéant susceptible de détecter la température au sein d'une ambiance solide, comme le besoin peut notamment s'en faire sentir dans les installations de chauffage à basse température par circulation de fluide Ca- loporteur dans le sol. Une sonde électronique détectrice de température d'un milieu fluide ou d'un milieu solide, notamment pour régulation de chauffage à basse température, conforme à l'invention, est caractérisée par le fait que son élément sensible est constitué par une diode dont un point, soit de la cathode, soit del'anode, est en contact thermique direct avec le milieu fluide ou solide dont la température est mesurée. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit et pour l'intelligence de laquelle on se réfèrera au dessin dont la figure unique représente en coupe partielle un exemple de réalisation préférentielle de L'invention. Une sonde de température selon l'invention est essentiellement constituée par une diode représentée par son encapsulage 1 (ampoule de verre) duquel sortent axialement deux pattes de connexion 2 3. Les avantages que présente l'utilisation d'une diode par rapport à d'autres composants tels que thermocouples ou thermistances ont dé ja' été évoqués plus haut. Pour les applications envisagées, c'està-dire dans un domaine de température pouvant aller par exemple de - 500 C à + 1800 C, on utilisera de préférence une diode au silicum dont la courbe tension-température a une pente régulière, bien connue et fiable. L'une des bornes 2 de la diode 1 est en contact thermique direct avec le milieu dont la température doit être mesurée. Cette borne peut être indifféremment celle de la cathode ou celle de l'anode. Pour des raisons de commodité, on se réfèrera à cette borne comme étant celle de la cathode, étant bien entendu que ce qui sera dit sera valable par simple transposition des termes pour le cas où cette borne serait celle de l'anode. L'extrémité de la patte 2 de la cathode est le point extrême de la sonde et est directement plongée dans l'ambiance fluide contrôlée. Dans le cas d'un milieu solide1 la sonde serait placée dans un canal ménagé dans ce milieu de sorte que ce point de la cathode soit effectivement en contact direct avec le milieu solide, ce cas pouvant se présenter, par exemple, pour le contrôle de la température effective en un point d'une chape de revêtement de sol dans laquelle circulent des canalisations transportant un fluide caloporteur, comme il est maintenant très courant. L'éncapsulage 1 de la diode est enfermé dans une cavité axiale 4 ménagée dans un embout métallique 5, par exemple en laiton qui est un bon conducteur de l'électricité. Une extrémité de l'embout 5 est percée pour permettre le passage de la patte 2 de la cathode qui y est fixée à l'orifice de sortie par une goutte de soudure 6, par exemple à l'étain. L'autre extrémité de la cavité 4 de l'embout 5 est ouverte pour permettre la sortie d'un conducteur 7 relié par soudure conventionnelle à la patte 3 de l'anode. Ce conducteur7, sa soudure à la patte 3 de l'anode et cette patte 3 ellemême, sont isolés du corps de l'embout 5 par un manchon isolant 8. Le corps de l'embout 5 est lui-même, à cette meme extrémité connecté par soudure à un deuxième conducteur 9 isolé électriquement du précédent 7. De préférence, l'embout 5 a,du côté de la cathode 2, une forme conique de révolution 10 dont la soudure 6 constitue le sommet, de manière a perturber le moins possible les lignes de courant de l'écoulement fluide dans lequel la sonde est placée et à garantir le contact thermique direct entre cette soudure 6 et l'ambiance. Contiguë à cette partie conique 10 et de diamètre inférieur å celui de la base du cône, l'embout 5 présente une partie cylindrique de révolution il portant une série de cannelures circulaires 12. Un tube 13, de préférence en matériau plastique choisi essentiellement pour ses propriétés mécaniques de souplesse alliée cependant à une rigidité suffisante, est forcé sur l'embout 5 jusqu'a la portée que constitue la base de la partie conique 10, les cannelures 12 assurant par leur forme la solidarité mécanique de l'em- bout 5 et du tube 13 ainsi que l'étanchéité entre l'intérieur et l'extérieur de ce tube 13. Un matériau plastique se prétant particulièrement bien à cette utilisation est commercialisé sous la marque "RILSAN". Dans le tube 13 courent les deux conducteurs 7, 9 allant respectivement à l'anode 3 et à la cathode 2. Pour des raisons pratiques, on utilisera de préférence un cable coaxial dont le conducteur central 7 sera relié à l'apode 2 et le conducteur extérieur 9 à l'embout 5 donc à la cathode 3. En outre, pour des raisons de se- curité électrique, le point sensible de la sonde, c'est-à-dire la soudure 6, sera relié directement à la terre par l'intermédiaire de ce conducteur extérieur 9.Ce détail peut avoir une grande importance, notamment du fait de la forme en pointe de l'extrémité de la sonde et que ce type de sonde peut être utilisé en conjonction avec des capteurs solaires disposés sur un toit, donc où les risques que peut présenter la foudre sont loin d'être négligeables. A l'extrémité non active de la sonde, le tube plastique 13 est monté de façon conventionnelle (non représenté) sur un raccord permettant l'installation pratique de la sonde sur l'organe dans lequel elle doit surveiller la température. De même les conducteurs 7, 9 sont reliés à ce niveau à un système classique de broche pour la connexion électrique de la sonde avec un circuit de mesure ou de régulation. Du fait du très faible encombrement de l'encapsuláge 1 et, par suite, de l'embout nécessaire 5, et du fait que le point sensible 6 est directement en contact thermique avec l'ambiance surveillée, et que ce point n'est pas isolé électriquement de cette ambiance et qu'ainsi aucun enrobage isolant n'est nécessaire, il est possible d'atteindre un très haut degré de miniaturisation. On peut ainsi arriver sans aucune difficulté à un diamètre extérieur de 4mm. Ainsi, dans une conduite ayant un diamètre intérieur de 8 mm, comme on a tendance à vouloir en utiliser de plus en plus fréquemment, une sonde selon l'invention n'occupera qutun part de la section. Dans des conduites de plus grands diamètre, les perturbations induites par la sonde dans l'écoulement deviennent très vite pratiquemment négligeables. Par ailleurs l'absence d'enrobage isolant électrique donc également thermique à l'extrémité active de la sonde, confère à celle-ci une inertie thermique quas-nulle. La réponse d'une telle sonde à une variation de température du milieu surveillé sera donc quasi-instantanée, d'où la grande efficacité d'un système de régulation mettant en oeuvre une ou plusieurs sondes conformes à l'invention. Les qualités mécaniques du matériau plastique constituant le tube 13, â savoir une grande souplesse alliée cependant à une rigidité suffisante, permettent de construire sans difficulté d'utilisation des sondes de plusieurs mètres de longueur qu'il est très facile d'introduire et de faire passer dans des canalisations formant des coudes même de rayon de courbure très faible. On peut ainsi atteindre des points assez éloignés des raccords extérieurs et qui, par les moyens actuellement connus seraient tout à fait inaccessibles. Quand on sait que cette inaccessibilité est bien souvent un caractère des points critiques d'une installation, donc de ceux qui auraient le plus besoin d'être surveillés, on comprendra le progrès notable que représente l'invention. I1 n'est pas inutile d'ajouter que la diode au silicium tient fort bien aux chocs thermiques, et que ltensemble de la sonde est également très résistant aux chocs mécaniques. D'autre part, au contraire des thermistances ou thermocouples, la tension électrique d'utilisation, de quelques millivolts, est très faible. On notera en otitre que l'extrême simplicité de la sonde selon l'invention conduit à des prix de revient très faibles en comparaison de ceux des moyens actuellement disponibles sur le marché. REVENDICATIONS 1. Sonde électronique détectrice de température d'un milieu fluide ou solide, notamment pour régulation de chauffage a basse température, caractérisée par le fait que son élément sensible est constitué par une diode dont un poing, soit de la cathode! soit de l'anode, est en contact thermique direct avec le milieu fluide ou solide dont la température est mesuree. 2. Sonde électronique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la diode est logée dans un embout métallique d'une extrémité duquel le point considéré, soit de la cathode, soit de l'anode, est rendu mécaniquement et électriquement solidaire par une soudure. 3. Sonde électronique selon la revendication 2, caractérisée par le fait que l'embout métallique est monté à l'extrémité d'un tube en matériau plastique, à la fois relativement souple et relativement rigide, à l'intérieur duquel passent les conducteurs de connexion de la diode. 4. Sonde électronique selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les conducteurs de connexion de la diode se présentent sous la forme d'un cable coaxial dont le conducteur extérieur est relié à l'embout et le conducteur central à la borne de la diode opposée a celle qui est en contact thermique direct avec le milieu dont la température est mesurée. 5. Sonde électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que le point en contact thermique direct avec le milieu dont la température est mesurée est électriquement relié à la terre.