Brevet FR2454085A1 — publié le 19801107

DEBITffETRE. La présente invention se rapporte à un dispositif de mesure du débit ou vitesse d'écoulement d'un fluide. Les dispositifs de ce genre sont utilisés pour mesurer le débit ou vitesse de passage de gaz ou de liquides d'après des principes différents. Le principe de fonctionnement d'un type des débitmètres utilisés jusqu'ici depart du fait qu'un fluide en écoulement refroidit un corps réchauffé dans une mesure qui dépend, entre autres, du débit ou vitesse d'écoulement du fluide. Un débitmètre connu de ce genre comporte deux thennis- tors qui se trouvent toutes deux au milieu du fluide qui s'écoule mais dont un seulement est réchauffé. En déterminant la différence entre les valeurs de résistance des deux thermistors, par exemple au moyen d'un couplage en pont, on a pu mesurer la vitesse d'écoulement du fluide. L'inconvénient principal d'un tel procedé de mesure est que les thermistors doivent être rigoreusement adaptés l'un a l'autre. Une différence très faible entre leurs caractéristiques température-résistance peut facilement donner lieu a une erreur dont la grandeur est sensiblement égale a celle de la valeur de mesure elle-même. Les tolérances fort étroites résultent en ce que les débitmètres de ce genre sont très coûteux à fabriquer. D'autres débitmètres de la technique antérieure (voir,par exemple, le brevet US NO 3 030 806) du genre sus-décrit font appel a des éléments thermo-electriques, a savoir deux fils de métaux différents qui sont soudés entre eux a deux endroits, d'où résulte la production d'une force thermo-électromotrice si les endroits de soudure sont maintenus à des températures différentes. Si les deux endroits de soudure sont placés dans le fluide qui s'écoule et l'un d'eux est réchauffe au moyen d'une source thermique extérieure, la tension produite par l'élément thermo-électrique sera une mesure de la vitesse d'écoulement du fluide.L'inconvénient principal d'un dFbitmètre de ce type est la sensibilité relativement basse de l'élément thermo-électrique (la tension produite est de l'ordre de 40 V/ C dans le cas de cuivre-constantan). Le but de la présente invention est de fournir un débitmètre dont la sensibilité est plus élevée que dans les débitmètres utilisant les éléments thermo-électriques, mais dont le coût de revient est faible. Selon la présente invention, ce but est atteint par la réalisation d'un dispositif qui est caractérisé par le fait qu'il comprend un corps semi-conducteur à deux raccordements électriques, qui est destiné à être placé dans le fluide qui s'écoule, des moyens pour établir un gradient de température dans le corps semi-conducteur entre lesdits raccordements, et un amplificateur de tension, à l'entrée duquel sont connectés lesdits racoerde- mente. L'invention sera décrite plus en détail ci-apries en référence aux dessins ci-annexés, dans lesquels: - La figure 1 est un schema de circuit d'un mnae de réalisation du dispositif conforme a l'invention et - La figure 2 est un diagramme qui montre les caractéristiques température-tension de deux ratiièrres semi-conductrices. Le débitmètre montré à la figure 1 comporte un corps semi-conducteur 1 en forme d'un bâton ou barre qui est placé à l'intérieur d'un conduit où s'écoule la fluide dont le débit ou vitesse de passage doit être mesuré. Un serpentin réchauffeur 3 sous forme d'un enlcoplenrent autour d'une partie d'extrémité du corps 1 est connecté a une source de courant (non représentée). Par des rarnat- dements ou connexions électriques prévus aux extrémités du corps semi-conducteur 1 en forme de bâton ou barre, ce corps semi-conducteur, en série avec une resistance 4, 4, est connecté au coté d'entrée d'un amplificatear opéra- tionnel 5. Entre la sortie de l'amplificateur 5 et son entrée d'inversion est couplée une résistance 6 qui, avec la résistance 4, détermine l'amplification de l-anplifica- teur 5.Un voltmètre 7 est prévu pour indiquer la grandeur de la tension à la sortie de l'amplificateur 5 ayant convenablement une haute impédance d'entrée. Le dispositif ci-dessus décrit fonctionne de la façon suivante. Le serpentin réchauffeur 3 réchauffe une extrémité du corps 1 de telle façon qu'un gradient de température et, par 1d, une différence de température se produisent entre les extrémités du corps 1. Cette différence de température est réduite a un degré varié par le fluide s'écoulant dans le conduit 2. Par suite du gradient de température, il se produit une tension dans le corps semi-conducteur 1 entre les raccordements de celui-ci, tension qui est amplifiée par l'amplificateur 5 et qui est indiquée par le voltmètre 7. La tension U produite entre les raccordements du corps semi-conducteur 1 est sensiblement de la forme U = K v -a où K est une constante fonction du fluide qui s'écoule et de la forme du corps, v est le débit ou vitesse de passage du fluide et a est une constante déterminée par le fluide (qui dépend, en particulier, du fait qu'il s'agit d'un gaz ou d'un liquide). L'avantage principal de l'emploi d'un corps semiconducteur 1 comme sonde ou élément détecteur réside en premier lieu dans l'obtention d'une sensibilité plus élevée par rapport aux éléments thermo-électriques classiques. Une augmentation de la sensibilité d'un facteur 10 peut être obtenue sans difficultés. En conséquence, les circuits d'évaluation connectés au corps 1 peuvent être simples, fiables et peu coûteux, Le dispositif conforme d'l'invention est donc très approprié, par exemple, pour mesurer la consommation de carburant de vehicules automobiles. A titre d'exemple de corps semi-conducteurs utilisables, il est montré à la figure 2 une première courbe de temperature-tension A pour une résistance NTC de la société Philips, qui possède une résistance de 4,7 kohm et qui est réalisée en oxyde de nickel avec une addition d'ions de titane, à savoir qui est un semi-conducteur de type N. Cette résistance est sousforme d'un bâton qui a une longueur de 11 mm environ et un diamètre de 2,8 mm environ.Comme le montre la courbe, cette résistance a une sensibilité d'environ 0,4 mV/OC. Un autre exemple d'un corps semi-conducteur utilisable est montre à la figure 2 par une courbe de température-tension B qui se rapporte à une résistance PTC de la société Siemens, résistance qui a la forme d'un disque d'un diamètre d'environ 8 mm et d'une épaisseur d'environ 2 mm, qui possède une résistance de 30 ohm et qui est constituée par le titanate de baryum dopé d'ions de titane. Les courbes montrées à la figure 2 ont été tracées en utilisant un fil de résistance électrique-comme source thermique et des éléments thermo-électriques de cuivreconstantan comme détecteur ou transmetteur de température. Un seul et même amplificateur a été utilisé pour mesurer les tensions des corps semi-conducteurs et pour mesurer les tensions des éléments thermo-électriques. L'origine de la tension produite dans le corps semi-conducteur 1 par suite du gradient de température est à trouver dans l'équation générale de transport de courant: T = a1 . E + a2 VT, où T est le vecteur de densité de courant, E est l'intensité de champ, VT et le gradient de température et al et a2 sont des constantes propres aux matériaux. Du fait que le nombre de porteurs de charge d'un semi-conducteur dépend fortement de la température, la constante a2 sera non négligeable, raison pour laquelle une différence de température donne lieu à une tension sensible. Enfin, il convient de noter que le mode de réalisation ci-dessus décrit peut être modifié sous bien des rapports sans sortir pour autant hors du cadre de l'invention. Donc, il est possible de faire appel à une source thermique autre que le serpentin réchauffeur 3. De même, au lieu d'être réchauffée, une partie du corps semi-conduc teur 1 peut être refroidie. Au lieu d'utiliser le signal de sortie de 11 ampli- ficateur 5 en tant qu'une mesure du débit ou vitesse d'écoulement du fluide, ce signal de sortie peut être employé de façon connue dans une servo-boucle au moyen de laquelle la différence de température dans le corps est maintenue constante par le réglage du courant qui est fourni au serpentin réchauffeur 3. Dans ce cas, ce courant sera une mesure de la vitesse d'écoulement actuelle. - REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure du débit ou vitesse d'écoulement d'un fluide, caractérisé par le fait qu'il comprend un corps semi-conducteur (1) a deux raccordements électriques, qui est destiné à être placé dans le fluide qui s'écoule, des moyens (3) pour établir un gradient de température dans ledit corps semi-conducteur entre lesdits raccordements, et un amplificateur de tension (5), à l'entrée duquel sont connectés lesdits raccordements 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le corps semi-conducteur (1) est un thermistor. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que lesdits moyens (3) d'établissement dudit gradient de température sont constitués par un serpentin réchauffeur qui est enroulé autour d'une partie du corps semi-conducteur et connecté à une source de courant. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par une servo-boucle comportant ledit amplificateur (5), pour maintenir constant ledit gradient de température dans le corps semi-conducteur (1). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la sortie de l'amplificateur (5) est connectée à un convertisseur d'intensité/de tension qui commande lesdits moyens (3) d'établissement du gradient de températuredans le corps semi-conducteur (1).