Brevet FR2433201A1 — publié le 19800307

L'invention concerne un dispositif autorégulé en température, et son application à la mesure ou à la régulation de température par couple thermo-électrique. Le couple thermo-électrique, association par soudure à une extrêmité de deux conducteurs convenablement choisis, est un capteur de température très fréquemment utilisé pour mesurer ou réguler la température dans un domaine allant de -2000C environ jusqu'à 180000 et au dessus Selon la gamme de température à contrôler le couple de conducteurs est choisi par exemple comme suit - de -150 C environ à 4000C, le cuivre et le constantan (sensibilité moyenne du thermocouple : 50 microvolts par degré Celsius); - de - 50 C à 1100 C, le chromel et l'alumel (sensibilité de 40 V/ C); - de 100 C à 1500 C, le platine et le platine rhodié à 10% (sensibilité de 10 V/ C) - de 5Q0 C à 1800 C, le tungstene et l'alliage de tungstène et de-rhénium à 20% de rhénium (sensibilité : 15 V/ C) On sait que la force électromotrice qui apparat aux extremites ouvertes du thermocouple dépend de la différence de température entre la soudure qui unit les extrêmités réunies et le.s extrémités libres des deux métaux ou alliages (celles-ci maintenues à la même température).Cette force électromotrice donne donc une mesure de la différence de température et non une mesure absolue de la température On-- en effet n appelant V- la tension mesurée au millivoltmètre, exprimant la force électromotrice existant entre les points mentionnés ci-avant, et E (T) la fonction donnant cette force électromotrice à partir d'une température de référence To, l'équation d'étalonnage du thermocouple V = E (T-To) (1) En pratique la soudure est plaque par exemple dans un four dont on veut mesurer la température T, les extrémités libres étant soit à l'ambiante, soit dans une enceinte à température bien définie T0 par un mélange d-'eau et de glace dans un vase calorifugé, ou dar.d un dispositif à effet Peltier, ou encore une enceinte à température stabilisée par un autre changement de phase, de préférence à une température voisine de l'ambiante. On peut éviter la sujétion d'une enceinte à température stabilisée en intercalant un circuit électronique entre la soudure et les extrêmités libres du thermocouple de manière à corriger la valeur de la force électromctrice donnée par l'équation (1) lorsque T0 varie.On écrit en ce cas le second membre de cette équation de la façon suivante E(T - To) = E1 (T) - Eo (To) (2) L'équation (1) devient donc V = E1 (T) - E0 (To) (3) d'où lton tire E1 (T) = V + Eo (To) (4) On réalise alors un circuit électronique donnant une tension Vo telle que lton ait Vo = E0 (To) (5) L'équation (4) devient alors E1 (T) = V +V0 (6) d'où l'on tire T en utilisant la courbe d'étalonnage. On ne peut donc pas graduer directement E1 (T) en degrés Celsius puisque T0 n'est pas fixé, et, en outre, le circuit donnant la caractéristique définie par l'équation (5), imposée par la nature du thermocouple, est relativement élaboré, ce qui constitue un inconvénient supplémentaire. L'invention tend à remédier aux sujétions qui précèdent. Dans le dispositif selon l'invention, on stabilise la température d'un ou plusieurs points matériels par exemple des extrêmités libres d'un thermocouple en les rendant thermiquement solidaires d'une résistance à coefficient de température positif alimentée sous une tension électrique prédéterminée L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparaîtront au moyen de la description qui suit, et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels La figure 1 représente schématiquement l'essentiel d'un dispositif selon l'invention; Les figures 3 et 4 sont des courbes explicatives. Les figures 5 et 6 représentent d'autre réalisations de l'invention. Figure 1, on a représenté en vue par dessus (a), et en coupe (b), les parties essentielles d'un thermocouple 1 à deux branches 11 et 12 qui sont constituées par exemple de cuivre et de constantan respectivement. Une soudure 100 réunit d'un côté ces deux branches, constituant ainsi l'extrêmité du thermocouple à introduire au point de mesure de la température. Les extrêmités séparées 110 et 120 situées du côté opposé à la soudure sont rendues thermiquement solidaires d'un composant 2 à-température autorégulée. L'essentiel de ce composant est constitué par une masse parallélépipédique 21 en matériau céramique dont la résistance ohmique présente un coefficient positif de variation av > 1 température. Un tel matériau ou une telle résistance est dit C.T.P. (coefficient de température positif).De façon classique, il s'agit par exemple d'une soution solide de Sr Ti 03 et de Ba Ti 03 préalablement additionnée de Y2 35 Si 02. ou Mn C03 frittée selon la technique des céramiques. Sur une grande face du parallélépipède 21 on trouve un dépôt 22 de résine isolante d'épaisseur suffisante pour noyer les extrêmités 110 et 120 des branches 11 et 12 du thermocouple. A ces extrémités llO.et 120 sont soudées des connexions 1.3 et 14 en cuivre, destinées à être raccordées à un millivoltmètre (non représenté). Deux connexions 23 et 24 sont soudées sur deux grandes faces opposées du parallélépipède 21 pour permettre la mise sous tension électrique continue ou alternative de la masse 21. la température autorégulée du composant est déterminée par trois facteurs principaux 10) La caractéristique "résistance ohmique/tem.pérature" (dessinée figure 3-) du matériau C.T.P.; 20) La tension d'alimentation V aux-bornes de la resistance C.T.P. détermine la puissance P, engendrée par effet Joule, pour une valeur R de là résistance ohmique; 30) La puissance PO dissipée par fuites thermiques, dans des conditions déterminées de ventilation et d'isolement. Figure 3 on a porté en abscisses la température en degrés Celsius de O à 1000C et en ordonnées le logarithme de la valeur 2 de la résistance en ohms, notamment de 10 à I0 ohms. On observe en I un point d'inflexion de la courbe pour une température T0 (de l'ordre de 600C) correspondant à une résistance de 1000 ohms environ. Figure 4, on a porté en abscisses les températures à la même échelle que figure 3, et en ordonnée la puissance en watts. Deux courbes de puissance 41 et 42 ont été dessinées, lesquelles correspondent à deux valeurs de la tension V, soit respectivement 50 et 70 volts. Si les pertes thermiques ont en watts une valeur P1, on voit facilement que la température est autorégulée selon la valeur de V, au point A ou au-point B, soit aux valeurs T ou T2. En effet: a) Si la température T tend à s'élever-au-dessus de l'abscisse du point A (ou B) l'augmentation correspondante de la résistance tend à faire baisser la puissance produite par effet Joule; or, les pertes thermiques ne diminuent pas, mais tendent plutôt à augmenter en fonction de l'élévation de température; donc la température tend à revenir à la valeur fixée par l'abscisse du point A (ou B) ; b) Le phénomène inverse se produit Si T tend à descendre en dessous de l'abscisse du point A (ou B). Si on diminue les pertes thermiques, par exemple en isolant le composant ou en diminuant son rayonnement, on se rapproche de la valeur PO correspondant à l'ordonnée du point J d'abscisse Tous qui est celle du point d'inflexion I de la courbe de la figure 3. Les courbes 41 et 42 étant pratiquement confondues au voisi nage du point J, la température T est alors indépendante de la o tension appliquée à partir d'un seuil, ici de l'ordre de 50 volts. Toutefois on peut avoir avantage à se placer au voisinage des points A et B c'est à dire à ne pas trop diminuer les pertes thermiques du composant pour améliorer la stabilité de la tem pérature d'autorégulation par rapport à d'autres-causes de perturbations, par. exemple un courant d'air chaud ou froid. Dans les différents'modes de réalisations possibles du dispositif selon l'invention, le matériau CTP peut être façonné de manières très diverses, trois conditions principales devant être satisfaites - assurer un bon contact thermique entre le ou les points matériels dont on veut stabiliser la température et le matériau CTP; - réaliser des connexions entre deux points du matériau CTP choisis de telle sorte que le courant électrique traverse le matériau CTP sous une épaisseur suffisante pour obtenir l'effet de stabilisation de température; - isoler électriquement la-résistance CTP. - en outre, dans le cas d'un thermocouple, isoler entre eux les deux conducteurs. Dans un premier exemple de réalisation (figure 2) de l'invention, le matériau CTP est une pIaque 21 percée d'au moins un trou 210, garni d'un canon 211 en matériau électriquement isolant et thermiquement conducteur (alumine ou polytétrafluoréthylène)-. Le même matériau ou un équivalent, sous la forme d'une feuille 212, est placé entre une grande face de la plaque 21 et une ou deux plaques de cuivre 25.de quelques millimètres d'épaisseur, présentant chacune un trou --taraudé 250 de diamètre lègére- ment inférieur à celui du canon 211 et d'une perforation correspondante (non répertoriée) de la feuille 212. 'ensemble est monté de façon à permettre la fixation d1un picot 26'en cuivre traversant la plaque 21, la feuille 212 et se vissant dans le taraudage 250 (ou son homologue non répertorié figure 2). Des connexions 23 et 24 permettent l'aIimentat1on de la résistance CTP comme dans le dispositif représenté figure 1. Le picot 26 comporte une fente 261 destinée à permettre ltutilisation d'un tournevis pour visser le picot dans la plaque 25. D'autre part au picot 26 est soudé un conducteur 13 (ou 14) dans un cas d'utilisation analogue à celui de la figure=1. -Dans la réalisation de la figure 2, le contact thermique entre conducteur 13-et plaque 21 est amélioré par l'intermédiaire de la plaque de cuivre 25 en contact sur une grande surface avec la plaque 21 à travers la feuille 212 dont I'épaisseur est réduite à 1 mm ou moins. Dans un deuxième type de réalisation dont un exemple est représenté figure 5, le matériau CTP est sous la forme d'un canon cylindrique 50 à parois -épaisses, au centre duquel sont logés deux conducteurs 13 et 14 isolés électriquement mais non thermiquement par une gaine (131, 141) en polytérafluoréthylène. Les connexions non représentées destinées à l'alimentation de la résistance CTP sont soudées à deux métallisations 51 et 52 respectivement réalisées sur les parois cylindriques (externe et interne) du canon 50. Un bourrage 53 en matériau électriquement isolant et thermiquement conducteur est introduit entre paroi interne du canon 50 et les gaines 131 et 141 pour améliorer le contact thermique. Dans un-autre exemple de réalisation du deuxième type, (figure 6) le point matériel dont on veut stabiliser la température est une jonction 61 entre deux conducteurs 60 et 62, jonction qui est située au centre d'un canon 50 identique à celui de la figure 5, mais dont on n'a pas représenté les connexions d'alimentation de la résistance CTP. En outre, à .titre d'exemple, on a logé.le canon et les extrémités libres des conducteurs 60 et 62 dans l'axe d'un boitier isolant 63 encastré dans la face avant d'un appareillage de mesure dont on n'a représenté qu'une portion de la face avant 64. De telles réalisations sont applicables, outre à la mesure par thermocouples, à la stabilisation de températurefd'un point déterminé d'un circuit électronique, notamment pour la mesure du rapport "signal à bruit. La réalisation constitue en ce cas, un connecteur isotherme nouveau. REVENDICATIONS 1. Dispositif autorégulé en température, destiné à stabiliser en température au moins un point matériel, caractérisé en ce qu'il comporte une résistance à coefficient de température positif alimentée sous une tension électrique prédéterminée, un bon contact thermique étant assuré entre le point matériel et le matériau constituant la résistance à coefficient de température positif. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractéris-é en ce que la résistance est un parallélépipède alimenté par deux faces opposées. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance est un canon cylindrique dont les parois internes et externe sort métallisées pour permettre la ?cudure de connexions d'alimentation électrique, l'intérieur du canon constituant le logement du point matériel dont la température est à stabiliser. 4. Dispo-sitif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le parallélépipède est accolé à au moins une plaque thermiquement conductrice, électriquement isolée de la résistance, cette plaque étant reliée au pointmatériel dont la température est à stabiliser. 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que chaque plaque thermiquement conductrice porte un pivot de soudure traversant la résistance à coefficient de température positif par un trou comportant un canon isolant. 6. Dispositif-suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les points matériels dont la température est à stabiliser appartiennent à deux conducteurs entourés chacun par une gaine électriquement isolante et thermiquement conductrice maintenus en bon contact thermique avec la paroi interne du canon. 7. Dispositif suivant l'une des-revendications précédentes, caractérisé en ne qu'il comporte, à titre de point matériel dont on veut stabiliser la température, un conducteur d'un circuit électrique. 8. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte, à titre de points matériels dont on veut stabiliser la température, les extrêmités libres d'un thermocouple. 9. Proc-édé de stabilisation de la température des extrêmités libres d'un thermocouple, caractérisé en ce qu'il consiste à - assurer un bon contact thermique entre ces extrêmités et le matériau constituant une résistance à coefficient de température positif, tout en isolant électriquement chacune de ces extrêmités, - à alimenter à tension électrique constante cette résistance à coefficient de température positif.