Brevet FR2456950A1 — publié le 19801212

La présente invention concerne les catharomètres. Il est précisé que dans la présente description seul le terme de catharomètre sera employé mais il devra Etre pris comme recouvrant toutes définitions des cellules de conductibilité thermique pour toutes les applications possibles mais nullement limitées par exemple à celles de la chromatographie Les catharomètres sont déjà bien connus et-sont utilisés dans de nombreuses applications comme par exemple l'analyse des gaz, la mesure des débits, la détection des différents constituants à la sortie des colonnes de chromatographie, etc. Les catharomètres utilisent un principe qui est essentiellement le fait que lorsqutun fil résistant, placé dans un flux gazeux, est parcouru par un courant électrique de valeur constante, il prénd une température d'équilibre qui lui donne une valeur déterminée de résistance. Si la conductibilité thermique du flux gazeux qui le balaye, pour différentes raisons, vient à se modifier, la température du fil et par là meme la valeur de sa résistance varient. Si ce fil est placé par exemple aux bornes d'entrée d'un ohmmètre, comme par exemple un pont de Wheatstone, on peut mesurer les variations de résistance du filament et en déduire différents paramètres sur le gaz comme par exemple sa composition ou sa concentration dans le domaine de l'analyse, sa vitesse de circulation dans celui de la mesure des débits, etc. Malgré que ces catharomètres soient couramment utilisés leur emploi est limité du fait de certains inconvénients. En effet, il est toujours souhaitable que le temps de réponse d'un détecteur soit le plus court possible. Pour obtenir cette condition dans un catharomètre, on utilise des filaments de platine soutenus sur des embases, les plus fins possible. Ces filaments sont alors placés directement dans le flux gazeux, mais comme ils ne sont pas protégés, ils peuvent se déformer notamment sous des chocs et quelquefois se rompre. Ils peuvent meme réagir avec les flux gazeux qui les baignent et les réactions qu'ils produisent peuvent arriver jusqu'à la combustion. D'une façon générale, tous ces phénomènes entraînent incontestablement des variations de résistance du fil qui affectent considérablement leur durée, variations qui n'ont de toute façon aucune relation avec celles dues à la variation de conductibilité thermique des gaz qui les baignent. Avec de tels filaments de durée de vie très courte, ces détecteurs ne peuvent pas être utilisés dans toutes les applications et notamment dans l'industrie. Pour pallier cet inconvénient les filaments très fins ont été protégés par un matériau protecteur comme par exemple par un enrobage de verre. Cette technologie pourrait être à priori parfaite, car les filaments ne subissent plus les attaques des agents extérieurs et leur durée de vie est alors acceptable pour presque toutes les applications. Par contre, le temps de réponse obtenu avec les détecteurs ayant des filaments protégés est d'une valeur trop grande pour que ceux-ci donnent des résultats satisfaisants ou acceptables. La présente invention a pour but de pallier en partie ces inconvénients et de réaliser un catharomètre plus particulièrement à sonde thermométrique ayant un temps de réponse très court et d'une valeur notamment comparable à celle des catharomètres à filaments libres. I1 est de toute façon bien précisé que la présente invention peut s'appliquer à-tous les catharomètres quelle que soit la structure de la sonde ou du filament utilisé et leur application. Plus précisément, la présente invention a pour objet un catharomètre comportant au moins un élément thermosensible comme par exemple un filament rEsistant chauffé par effet Joule apte à etre baigné par un fluide (gazeux ou liquide), caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens de commande de l'alimentation en énergie dudit filament pour maintenir sa température sensiblement sur un point d'équilibre déterminé, meme quand la conductibilité thermique dudit fluide vient à changer. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention appai- tront au cours de la description suivante donnée en regard du dessin annexé à titre illustratif mais nullement limitatif dans lequel - la figure 1 représente un schéma de principe d'un mode-de réalisation possible d'un catharomètre selon l'invention - la figure 2 représente le schéma électrique d'un mode de réalisation d'un catharomètre avec deux sondes thermométriques respectivement- de mesure et-de-référence conforme à l'invention. La figure 1 représente un mode de réalisation possible pour un catharomètre comportant un seul élément thermosensible 1. Cet élément 1 est une sonde thermométrique constituée d'un filament résistant 2 enrobé dans un corps protecteur 3 comme par exemple du verre. Ce filament résistant 2 est généralement réalisé dans un matériau comme du platine ou du tungstène. Le filament 2 et le corps protecteur 3 sont soutenus par une couronne 4 en un matériau isolant qui est traversé par les deux extrémités 5 et 6 du filament 2. Cette sonde est positionnée dans un logement 7 d'une cellule 8 de façon que la couronne 4 obstrue un orifice 9 de ce logement et tienne le filament et le verre sensiblement dans le milieu de ce logement 7. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure le logement 7 comprend une entrée 10 et une sortie ll afin qu'un gaz ou même un liquide puisse balayer l'intérieur de ce logement et par conséquent la sonde thermométrique 1. I1 est à noter que ce balayage par le fluide peut etre à passage direct comme illustré sur la figure mais qu'il existe d'autres modes de balayage comme par exemple à diffusion ou à diffusion améliorée. La sonde thermométrique 1 est en fait une résistance qui est branchée à des moyens. pour mesurer la variation éventuelle de sa valeur quand le fluide qui balaye la cellule 8 subit une variation de conductibilité thermique. Ces moyens sont constitués par trois autres résistances 12, 13 et 14 formant avec le filament 2 de la sonde un pont de Wheatstone qui est alimenté en énergie électrique aux deux bornes 16 et 17 par une source d'énergie électrique 37. La diagonale de mesure du pont de Wheatstone 15 est obtenue entre les bornes 18 et 19 prises respectivement entre la résistance 13 et les filaments 2 et entre les deux résistances 12 et 14. Les deux bornes 18 et 19 du pont 15 sont reliées respectivement aux deux entrées 20 et 21 d'un amplificateur différentiel 22 dont la sortie est reliée à l'entrée de commande 24 d'un dispositif 25 permettant de faire varier de façon déterminée la tension d'alimentation du pont aux deux bornes 16 et 17. Ainsi ce moyen 25 dans le mode de réalisation illustré est intercalé entre la borne de sortie de la source d'alimentation 37 et la borne d'alimentation du pont 17. Ce moyen est très schématiquement illustré sur la figure par une résistance potentiométrique 26 dont la position du curseur 27 peut etre commandée à partir de l'entrée de commande 24, En fait, il est évident que dans un mode préféré de réalisation, ce moyen 25 sera réalisé par un circuit électronique à base au moins d'un transistor. Le dispositif illustré sur la figure 1 et décrit ci-dessus fonctionne de la façon suivante I1 sera tout d'abord supposé qu'initialement le pont 15 est équilibré et que la résistance a un équilibre thermique. Elle est donc alimentée en courant électrique ayant une certaine valeur déterminée. Toutes ces conditions d'équilibre étant remplies, le pont de résistance 15 est équilibré c'est-à-dire que la différence de potentiel entre les deux points 18 et 19 de la diagonale de mesure est nulle et que par conséquent l'amplificateur différentiel 22 ne délivre aucun signal à sa sortie 23. Par contre, si pour des raisons quelconques la conductibilité thermique du flux gazeux balayant la cellule 8 vient à changer et si, pour prendre un exemple, sa valeur baisse, la température de la sonde aura tendance à augmenter et par là meme la valeur de la résistance du filament 2. De ce fait, la tension au point 18 va, elle aussi, avoir une tendance à augmenter puisque la tension est fixée entre les deux points extrèmes 16 et 17 qui définissent la diagonale d'alimentation du pont de résistancesl5. Comme les points 18 et 19 sont reliés aux deux entrées de l'amplificateur différentiel , la tension à la sortie 23 de cet amplificateur différentiel va subir une variation qui, dans 1'exemple considéré va avoir tendance à diminuer. Cette variation du signal de tension obtenue à la sortie de l'amplificateur sera interprétée par le dispositif 25 pour réajuster la tension au point 17 de façon à ramener la tension aux points 18 et 19 à des valeurs qui en définitive maintiennent le pont en équilibre et donc la température de la sonde sur sa valeur d'équilibre avant la variation du coefficient de conductibilité du flux gazeux.En fait, la tension d'alimentation aux deux points extrêmes 16 et 17 est ajustée pour que le pont soit constamment équilibré c'est-à-dire que l'amplificateur différentiel ne délivre à sa sortie qu'un signal nul et surtout que le pont reste constamment équilibré. Si le pont est constamment équilibré la relation entre les valeurs des résistances pour un pont de Wheatstone sera donc constamment vérifiée, c'est-à-dire R2 = R12 x R13 R2 représentant la valeur de R14 résistance du filament 2, R13 celle de la résistance 13, R12 celle de la résistance 12 et R14 celle de la résistance 14. Comme les valeurs des résistances R12, R13 et R14 sont constantes, il s'ensuit donc que la valeur de la résistance R2 reste constante et par conséquent sa température aussi. Par ce procédé d'asservissement qui vient d'être décrit ci-dessus, la sonde est donc constamment maintenue sur une meme température. L'avantage d'un tel système est important car il réduit considérablement le temps de réponse de la sonde. En effet, les variations de température de celle-ci, par le procédé d'asservissement tendent à titre constamment nulles, la sonde n'a pas besoin de prendre un nouvel équilibre thermique et par conséquent le temps de réponse d'un tel catharomètre est pratiquement nul. Bien entendu, il en serait exactement de meme si la valeur de la conductibilité augmentait, le système maintiendrait constante la température de la sonde. Le signal de sortie représentatif de la mesure effectuée avec un tel mode de réalisation de catharomètre sur un flux de fluides gazeux ou liquide est obtenu à la sortie du dispositif 25 ctest-à-dire en fait à la borne d'alimentation 17. Les variations du signal de tension à ce point 17, prises bien entendu par rapport au potentiel de référence 16, sont une représentation électrique des variations de la conductibilité thermique du fluide qui balaye la cellule. Ceci permet de déduire suivant les cas, par exemple le débit, la nature, les concentrations etc. du fluide. La figure 2 représente un mode de réalisation d'un catharomètre permettant d'obtenir des mesures sur des fluides avec plus de sécurité, de précision, etc. car il fonctionne en différentiel. En effet, ce montage comporte deux éléments 200 et 300 d'une réalisation conforme à celle illustrée sur la figure 1. L'élément 200 par exemple réalise la mesure à effectuer tandis que l'élément 300 élabore un signal de référence qui permet de tenir compte d'un plus grand nombre de paramètres extérieurs influents. Les sorties S 200 et S 300 des éléments de mesure 200 et de référence 300 sont reliées respectivement aux entrées 401 et 402 d'un amplificateur différentiel 400 dont la sortie 403 constitue la sortie S 400 du catharomètre. Les éléments 200 et 300 ont une structure de base identique et comprennent essentiellement une sonde 208-308 qui ~ peut être du même type que celle illustrée. sur la figure 1 intercalée dans un pont de résistancs 215315 comportant les trois résistances 212, 213 ,214-342 313, 314 alimentées par les deux points extrèmes 216, 217 316, 317. Le conducteur 60 est porté à un potentiel de référence qui peut hêtre par exemple la masse. Les deux points 218, 219- 318, 319 des diagonales du pont de mesure sont reliées respectivement aux entrées 220, 221-320, 321 d'un amplificateur différentiel 222-322 dont la sortie 223-323 est reliée à l'entrée de commande 224-324 d'un dispositif 225-325 pour ajuster l'alimentation des résistances du pont à une valeur déterminée.Ce dispositif 225-325 est réalisé par exemple par un transistor NPN dont la base constitue l'entrée des commandes 224-324, le collecteur est relié à un conducteur 50 qui peut être relié à une borne positive d'une source d'énergie électrique, non représentée, tandis que l'émetteur est relié au point 217-317 d'alimentation du point de mesure 215-315. Les sorties de ces deux éléments 200 et 300 respectivement de mesure et de référence sont prises à la sortie du dispositif permettant d'ajuster la tension aux points 217 et 317 des ponts de mesure. Ces deux sorties sont reliées à l'amplificateur différentiel 400 qui délivre à sa sortie un signal représentatif de la différence des mesures effectuées respectivement avec la sonde 208 de l'élément 200 qui est balayée par le flux gazeux sur lequel il est nécessaire d'effectuer la mesure et avec la sonde 308 de l'élément 300 qui est balayée par un flux gazeux de référence dont les caractéristiques sont connues. En fait donc les deux éléments 200 ou 300 fonctionnent de la même façon que celui décrit précédemment à l'appui de la figure 1, mais dans ce cas les signaux obtenus à la sortie de chaque élément sont soustraits dans l'amplificateur de sortie 400 de façon que les influences extérieures parasites qui peuvent influer sur les signaux de mesure soient automatiquement éliminés. REVENDICATIONS 1/. Catharomètre comportant au moins un élément thermosensible comme par exemple un filament résistant chauffé par effet Joule, apte à etre baigné par un fluide (gazeux ou liquide), caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de commande de l'alimentation en énergie dudit filament pour maintenir sa température sensiblement sur un point d'équilibre déterminé meme quand la conductibilité thermique dudit fluide vient à changer. 2/. Catharomètre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de commande de l'alimentation en énergie dudit filament pour maintenir sa température sensiblement sur un point d'équilibre sont constitués par au moins trois éléments résistants formant avec iedit filament un pont de Wheatstone, une alimentation en énergie électrique commandable, connectée aux bornes de la diagonale d'alimentation dudit pont, des moyens aptes à délivrer un signal représentatif de la différence de tension aux bornes de la-diagonaie de mesure dudit pont, pour commander ladite alimentation en énergie électrique commandable. 3/. Catharomêtre selon. la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite alimentation en énergie électrique commandable comporte une source d'énergie électrique ayant deux bornes de sortie, un élément à résistance variable commandable ayant deux bornes respectivement d'entrée et de sortie et une borne de commande, ladite borne d'entrée étant reliée à une borne de sortie de ladite source, l'autre dite borne de sortie dudit élément à résistance variable étant apte à être reliée à l'une des bornes de la diagonale d'alimentation du pont. 4/. Catharomètre selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit élément à résistance variable commandable est constitué par un transistor. 5/. Catharomètre selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit transistor est un transistor NPN dont le collecteur constitue la borne d'entrée, l'émetteur la borne de sortie et- la base la borne de commande. 6/. Catharomètre selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que lesdits moyens aptes à délivrer un signal représentatif i la différence de tension aux bornes de la diagonale de mesure dudit pont sont constitués par un amplificateur dont les deux entrées sont reliées respectivement aux deux bornes de ladite diagonale de mesure, et dont la sortie est apte à commander ladite alimentation.