Brevet FR2468887A1 — publié le 19810508

La présente invention due à la collaboration de MM. René CREFF, Patrick ANDRE et Claude LOMBARD est relative à un dispositif de mesure du débit d'un fluide gazeux ou liquide. D'une manière plus particulière, elle est relative à un dispositif de mesure du débit d'air à l'admission d'un moteur à combustion interne, dispositif susceptible de se substituer avantageusement aux fils chauds ou aux volets d'air qui s'ouvrent plus ou moins suivant le débit. I1 existe de nombreux brevets sur les dispositifs de mesure de débit d'air, mais ces dispositifs sont, en général, à réponse lente. Seuls les fils chauds très fins, les capteurs à mouvement d'ions, les dispositifs à laser, les dispositifs ultrasoniques et, éventuellement, les systèmes à vortex échappent à ce défaut mais présentent, en contrepartie, des inconvénients. Les fils chauds sont fragiles, nécessitent des réétalonnages dans le temps, résistent mal aux opérations de pyrolyse nécessaires pour détruire les dépôts qui se forment à leur surface. Les capteurs à mouvement d'ions exigent une source de haute tension, délivrent des courants faibles et posent, de ce fait, des problèmes d'isolement. Le laser n a pu jusqu'à présent être utilisé sur véhicule. En particulier le problème de la propreté de la fenêtre de mesure dans le conduit où circule le fluide ne parait pas résolu. Les capteurs à ultrasons sont encombrants et relativement coûteux lorsque l'on cherche une bonne précision de mesure. Les capteurs à vortex ont une réponse instable aux basses vitesses. La présente invention a pour objet un dispositif de mesure du débit d'un fluide, d'une grande simplicité, robuste, de réponse rapide et qui élimine la plupart des défauts cités ci-dessus. Dans le cas particulier du débit d'air à l'admission d'un moteur, son temps de réponse est suffisant pour suivre les fluctuations de débit à chaque temps d'aspiration dans le cylindre. I1 comprend une ou plusieurs structures composées successivement d'une source de chaleur sans contact direct avec le fluide, d'un matériau mince à conductibilité thermique faible mais bien définie, d'un revêtement dont les caractéristiques électriques varient avec la température, ledit revêtement étant en bon contact thermique avec le fluide.La caractéristique électrique usuellement choisie sera, par exemple, une variation de résistance, mais on peut tout aussi bien choisir une variation de constante diélectrique se traduisant par ùne variation de capacité Le choix de lthomme de l'art pourrait aussi se porter sur une propriété similaire comme une perméabilité ou un coefficient de pertes variables avec la température sans changer les caractéristiques de l'invention. Lorsque la propriété utilisée est une variation de résistance, le matériau à faible conductibilité thermique devra être un bon isolant électrique. Lorsque l'une des structures indiquées est plongée dans un fluide, celui-ci extrait du revêtement de surface un flux de chaleur qui dépend de la vitesse du fluide, de sa chaleur spécifique, de sa température et de la nature de l'écoulement, des caractéristiques de surface du matériau, etc. Du fait de l'interposition du matériau à conductibilité thermique faible, la température du revêtement de surface variera avec le débit de fluide. La constante de temps mise en jeu lors des variations de débit dépendra de la capacité calorifique du revêtement de surface et des zones proches du matériau faiblement conducteur thermique. Si le revêtement de surface est mince, cette constante de temps peut être, à titre d'exemple non limitatif, comprise entre un centième et un millième de seconde sans précautions particulières.Il est possible egalement de maintenir constante, pour une température de fluide donnée, la température du revêtement de surface. On fera varier alors la puissance de chauffe. Selon un cas particulier de réalisation de 1 invention, le matériau à faible conductibilité thermique peut être un gaz éventuellement disposé entre les mailles d'un matériau solide pour éviter les courants de convection. Dans le cas limite, ce matériau à faible conductibilité thermique peut être constitué par du vide dont la conductibilité thermique est nulle. Dans ce cas, la transmission de l'énergie de la source de chaleur vers l'élément thermosensible se fait uniquement par rayonnement et non par conduction et rayonnement. L'invention sera maintenant décrite à l'aide des huit figures annexées - Les figures 1 et 2 sont des vues en coupe, selon 2 plans perpendiculaires d'un dispositif selon l'invention, sous sa forme la plus simple, placé dans une conduite fluide. - Les figures 3 et 4 sont des vues respectivement en coupe et de face d'une forme de réalisation en couches fines déposées à la surface d'une plaque isolante. Cette forme de réalisation permet de distinguer facilement le sens decoulement du fluide. - Les figures 5 et 6 sont des vues respectivement en coupe et de face d'une forme de réalisation similaire à partir d'un matériau semiconducteur et notamment du silicium. - La figure 7 est une vue en coupe d'une forme de réalisation dérivée des figures 3 et 4 et dans laquelle la présence de deux plaques isolantes parallèles permet, d'une part, une meilleure canalisation des filets d'air qui s'échauffent le long du dispositif et, d'autre part, la mesure correcte de la température du fluide en dehors du dispositif de mesure de débit. - La figure 8 est une analogie électrique du fonctionnément de la structure de base du capteur. Sur la figure 1, on distingue un conduit de fluide 1, avec une entrée 2, un barreau chauffant 4 traversant la conduite, un manchon 5 mince en matériau à conductibilité thermique faible mais définie, un revêtement 6 soumis à l'échange de chaleur avec le fluide parcourant la conduite et donc chargé de la mesure de température de surface. Ce revêtement 6 peut hêtre, par exemple, une fine couche de nickel ou de platine, matériau dont on connaît bien la variation de résistance avec la température, mais tout matériau remplissant la condition d'avoir un paramètre physique dépendant de la température convient, même si sa conductibilité thermique n'est que moyenne. Sur la figure 2, le revêtement de surface 6 a été partagé en 2 fractions de couronne 6a et 6b, faisant chacune 11 obj et d'une mesure de résistance séparée, pour introduire une différence suivant le sens de circulation du fluide. Le fonctionnement du dispositif pourra être compris à l'aide de l'analogie électrique représentée figure 8. La source- de chaleur 4 est équivalente à un générateur de courant portant la surface intérieure du manchon à un potentiel thermique El. L'épaisseur du manchon correspond à une résistance thermique 5 et à une capacité thermique 14, tandis que l'épaisseur du revêtement de surface introduit une résistance thermique 6 et une capacité thermique 15. La dissipation du flux de chaleur dans le fluide ambiant est équivalente à une-résistance 13 variant avec le débit. Il existe donc aux bornes de cette résistance 13 un potentiel thermique E2. Suivant les objectifs visés, on maintiendra soit El, soit E2 constants pour une température de fluide donnée. La présence des capacités 14 et 15 introduit un retard dans la mesure, mais il est possible de choisir des matériaux à faible chaleur spécifique et sous forme de couches minces, ce qui conduit à- une grande vitesse de réponse mais à une sensibilité plus faible. Une des caractéristiques particulières de ce mode de réalisation consiste en la prise en compte de l'ensemble des vitesses fluides de la section de veine fluide considérée, procédant ainsi à une intégration du débit. Sur les figures 3 et 4, on distingue un support isolant 7 sur lequel a été déposée, par sérigraphie ou par évaporation sous vide, une couche conductrice 4 parcourue par un courant électrique et qui sert de source de chaleur, une couche isolante 5 à base de verre ou d'un produit similaire également déposee par sérigraphie, un revêtement de mesure 6 qui peut être composé d'un mélange de verre et de poudre de nickel. Ce revêtement de nickel (figure 4) a été partagé en deux résistances de mesure 6a et 6b. Suivant que le fluide vient de la gauche ou de la droite de -la figure, la résistance 6b, ou au contraire la 6a, sera plus chaude ou moins dissipante car le fluide se sera échauffé au contact de la première surface rencontrée. Il est ainsi possible de distinguer le sens de circulation du fluide.Si les résistances sont égales c'est que la vitesse moyenne est nulle. ta figure 5 correspond à une forme de réalisation similaire dans laquelle- le support de base 7 est un matériau semi-conducteur et notamment du silicium monocristallin. On distingue une zone diffusée 4 avec un taux détermine d'accepteurs ou de donneurs qui constitue la résistance de chauffage. Une couche isolante thermique 5 est constituée d'un oxyde du genre SiO2 formé à la surface. Par dessus celle-ci on a déposé par décomposition gazeuse ou unprocédé équivalent, un revêtement de surface 6 dont la résistance varie avec la température, c'est titred'exemple du silicium polycristallin, sur lequel on a préparé une couche très mince de matériau -protecteur 8 qui sera usuellement du dioxyde de silicium SiO2. La figure 6 correspond à une forme de réalisation dérivée de la figure 5 dans laquelle le support en matériau semi-conducteur constitue lui-mne la couche chauffante 4. Pour la régularité de chauffage du support, il est nécessaire de prévoir une échancrure 17 qui donne à la piece la forme d'un U renverse. Comme pour la figure 4 on a prévu deux revêtements de mesure 6a et 6b pour distinguer le sens d'écoulement du fluide. Les formes de réalisation décrites par les figures 1 à 6 demandent, en général, une mesure de température du fluide extérieure au dispositif. I1 est cependant possible, si les variations de débit du fluide sont lentes, d'opérer de manière séquentielle, c'est-à-dire de mesurer la température du fluide par le revêtement 6, d'appliquer ensuite le chauffage sur 4, de lire la nouvelle valeur indiquée par le revêtement 6 et de recommencer l'opération. La figure 7 décrit une variante plus perfectionnée du dispositif, incluant un moyen de mesure en continu de la température du fluide. Le dispositif comprend alors 2 plaques support 7 et 9 disposées parallèlement au sens de déplacement du fluide et à une petite distance l'une de l'autre. La plaque 7 correspond au dispositif selon les figures 4 ou 6, revêtement 6a, 6b de mesure vers l'intérieur, avec en vis-à-vis, déposé sur l'autre plaque 9, une couche réfléchissante 16, tandis que sur la face extérieure de la plaque 9 est disposé un revêtement 10 de mesure de la température du fluide. Cette mesure de température aux bornes de 10 permet, par exemple, de maintenir un écart de température constant entre la source de chaleur 4 ou encore la moyenne des températures de révêtements de mesure 6a, 6b et la température du fluide.La mesure de la température de la source de chaleur est facile si le matériau qui la constitue a une résistance électrique dépendant de la température. Ces formes décrites de réalisation de l'invention sous formes de barreau ou de plaque ne sont, bien entendu, pas limitatives de la portée de celle-ci. Le dispositif peut notamment être réalisé sous une forme annulaire et faisant partie de la paroi de la conduite. Les éléments constitutifs du dispositif sont alors disposés de la façon suivante, en allant de l'extérieur de la conduite vers tinté rieur : la source de chaleur, le matériau à conductibilité thermique faible, le ou les revêtements intérieurs sensibles à la température. Il est souvent indiqué de placer dans la conduite, en amont du dispositif, un moyen de régularisation de l'écoulement ou, si cela est impossible, au contraire, un moyen créant un écoulement tourbillonnaire rapide, à une fréquence supérieure à celle des variations de débit, ceci en vue d'égaliser les vitesses d'écoulement suivant une section perpendiculaire à la conduite. REVENDICATIONS 10) Débitmètre thermique pour fluide, caractérisé en ce qu'il comprend une ou plusieurs structures composées successivement : d'une source de chaleur sans contact direct avec le fluide dont on veut mesurer le débit, un matériau mince à conductibilité thermique faible ou nulle mais bien définie et au moins un revêtement de mesure présentant à la fois les caractéristiques d'un bon échange thermique avec le fluide à mesurer et de variation notable d'une au moins de ses propriétés physiques avec la température. 2") Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement sensible à la température est composé d'un matériau dont la résistance électrique varie notablement avec la température. 30) Débitmètre selon la revendication 2 caractérisé en ce que le matériau sensible à la température contient du nickel ou un métal noble en couche mince ou sous forme d'un verre incorporant des fines particules de métal. 40) Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau constituant la source de chaleur est un conducteur électrique présentant une variation notable de sa résistance en fonction de la température. 50) Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le ou les revêtements de mesure ne couvrent qu'une partie de la surface de la source de chaleur. 60) Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la source de chaleur est une couche mince déposée à la surface d'une plaque isolante pouvant être de l'alumine ou un matériau équivalent. 70) Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une source de chaleur en matériau semi-conducteur, notamment du silicium, un matériau mince en oxyde d'un semi-conducteur, un revêtement en matériau semi-conducteur ou métallique et éventuellement une couche de protection. 8") Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est prévu au moins deux revêtements de mesure au-dessus d'une morne source de chaleur et placés une certaine distance l'un de l'autre le long du trajet du fluide. 9 ) Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte 2 plaques de mesure placées parallèlement à une faible distance l'une de l'autre, la première avec une structure de mesure du débit composée dtau moins une source de chaleur, d'au moins un matériau à faible conductibilité'thermique, d'un revetement de mesure, ladite structure étant placée en face de l'autre plaque qui porte, d'un côté, sur sa face interne, un revêtement réfléchissant thermique et, de l'autre côté, vers l'extérieur, au moins un revêtement de mesure de la température ambiante du fluide dans une partie non échauffée sensiblement par le débitmètre thermique. 10 ) Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il comprend une source de chaleur sans contact direct avec le fluide dont on veut mesurer le débit, un espace annulaire ou plan constitué par du vide et une paroi thermosensible de mesure présentant à la fois les caractéristiques d'un bon échange thermique avec le fluide à mesurer et de variation notable d'une au moins de ses propriétés physiques avec la température.