Brevet FR2491618A1 — publié le 19820409

- l - 24 91618 Capteur ionique à temps de transit de type différentiel La présente invention est relative à un capteur débitmétrique à ionisation et à son électronique de traitement associée, cet ensemble réalisant un dispositif de mesure de débit volumique d'un écoulement gazeux au moyen de déplacements d'ions selon des trajectoires sensible- ment parallèles à l'écoulement. Le capteur, objet de la présente invention, est du type anémomètre à temps de transit; il est destiné à mesurer un débit d'air en vue de contrôler la richesse du mélange air-carburant alimentant un moteur à combustion interne. Le principe des anémomètres à temps de transit est bien connu de l'homme de l'art. Il consiste à mesurer le temps'de parcours d'un jet d'ions, entraîné à la même vitesse que l'écoulement gazeux, entre une électrode d'émission et une électrode de réception. L'électrode d'émission est une pointe sur laquelle on envoie une impulsion haute tension de faible durée qui provoque l'ionisation du gaz au voisinage de celle-ci. Le nuage de gaz ionisé ainsi formé provoque, lors de son passage devant une électrode de réception, une impulsion électrique qui est détectée. L'application de ces anémomètres à temps de transit à la mesure de 2S débit à l'admission d'un moteur thermique rencontre plusieurs diffi- cultés. L'amplitude du signal détecté sur l'électrode de réception dépend à la fois de la vitesse de l'écoulement gazeux et des conditions d'ioni- sation, c'est-à-dire amplitude de l'impulsion haute tension et nature de la pointe d'émission. On obtient donc une information électrique dépendant de plusieurs paramètres, ce qui complique le traitement électronique. De plus, le nuage d'ions est créé en général par une seule pointe d'émission. Le taux d'ionisation est ainsi très faible, ce qui, à faible vitesse d'écoulement, donne un signal électrique sur - 2- 2 49 1 61 8 l'électrode de réception difficilement exploitable. Ceci limite l'étendue de mesure du capteur. Le nuage d'ions n'est pas réparti uniformément dans toute la section de la veine fluide d'écoulement, donc sa vitesse mesurée n'est pas représentative de la vitesse moyenne de l'écoulement gazeux. Dans ce type de capteur, pour une géométrie donnée, et pour une vitesse d'écoulement assez importante, la largeur de l'impulsion haute tension qui crée le nuage d'ions n'est plus négligeable devant le temps de parcours de ce même nuage d'ions. Les phénomènes d'émission et de déplacement du nuage se superposent, ce qui est un facteur d'erreur supplémentaire. La présente invention permet d'éviter ces inconvénients. la présente invention a pour objet une structure de réalisation d'un capteur ionique à temps de transit associé à un dispositif électronique per- mettant d'obtenir une grandeur électrique sous forme d'une impulsion dont la largeur est fonction du débit volumique d'écoulement du fluide gazeux dans la tubulure d'admission. La structure de réalisation du capteur selon l'invention comprend deux grilles de réception situées en aval du système d'émission. Le temps mesuré est le temps de passage entre ces deux grilles. On obtient un système du type différentiel car toute perturbation affec- tant le signal reçu sur la première grille de réception affectera aussi le signal reçu sur la deuxième grille. Après traitement élec- tronique, le signal résultant ne sera fonction que de la vitesse d'écoulement et sera indépendant des phénomènes perturbateurs. La structure de réalisation du capteur selon l'invention comprend éga- lement un système d'émission permettant d'augmenter le taux d'ioni- sation et de répartir cette émission ionique dans toute la section de la veine fluide. On obtient ainsi, sur les électrodes de réception, un signal exploitable même à très faible vitesse d'écoulement, ce qui permet de satisfaire à toute l'étendue de fonctionnement d'un moteur thermique. Le dispositif électronique associé au capteur permet en outre de 3 - 2 4 916 18 fournir, au dispositif d'émission du capteur, une impulsion haute tension synchrone dont la valeur maximale est constante quelles que soient les conditions de fonctionnement. Cette disposition permet d'avoir un niveau d'ionisation constant. Selon l'invention, la structure de réalisation du capteur ionique à temps de transit comporte deux domaines distincts: un domaine d'émission (E) et un domaine de réception (R), ces deux domaines étant séparés par une grille intermédiaire (Gi). Le domaine d'émission (E) est constitué par plusieurs électrodes d'émission équiréparties radialement dans un plan perpendiculaire à l'écoulement. Ces électrodes d'émission sont constituées par de fines aiguilles dont le rayon de courbure au sommet est de quelques dizaines de microns. Ces électrodes sont portées à un potentiel de quelques kilovolts, pendant un temps très court, par rapport à l'enveloppe extérieure du capteur qui est reliée à la masse. Par effet de pointe entre le sommet de chaque aiguille et l'enveloppe extérieure du capteur, il y a création d'un champ électrique intense qui ionise l'air. Il y a donc création d'autant de nuages d'ions qu'il y a d'électrodes d'émission dans la section droite du capteur. Cette disposition permet d'obtenir un domaine d'émission intéressant toute la veine fluide du capteur et d'avoir ainsi une répartition symétrique. Le domaine de réception (R) est constitué par deux grilles isolées électriquement par rapport à l'enveloppe extérieure du capteur et disposées perpendiculairement au déplacement des nuages d'ions. Ces grilles de détection sont constituées par des éléments métalliques perforés tels que grillage ou t6le perforée. Les grilles de détection détectent le passage des charges électriques en transit par influence. Grâce à un circuit électronique approprié, l'instant de passage des charges est détecté. La grille intermédiaire (Gi) séparant les domaines (E) et (R) est une grille de même type que les grilles de détection. Elle est destinée à éviter l'influence directe de l'impulsion de haute tension sur les électrodes réceptrices. - 4 - 24 9 161 8 Le dispositif objet de l'invention comporte, en outre, un générateur d'impulsions haute tension permettant l'ionisation et déclenchable extérieurement de façon synchrone, ainsi qu'un système électronique de traitement des signaux détectés par les grilles de réception. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente un.schéma synoptique d'ensemble d'un capteur de débit avec l'électronique qui lui est associée, - la figure 2 illustre la forme des signaux d'entrée et de sortie obtenus avec les éléments décrits à la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe d'un capteur à temps de transit, - la figure 4 est une variante de réalisation d'un capteur à temps de transit, - la figure 5 illustre un premier mode de réalisation du système d'ionisation du capteur, - la figure 5 a illustre un détail de réalisation d'un élément du système d'ionisation de la figure 5, - la figure 6 illustre un deuxième mode de réalisation d'un système d'ionisation du capteur, - la figure 7 illustre un troisième mode de réalisation d'un système d'ionisation du capteur, - la figure 7 a illustre un détail de réalisation d'un élément du système7d'ionisation de la figure 7, - la figure 8 illustre un quatrième mode de réalisation d'un système d'ionisation, - 5 - 2491618 - la figure 9 représente schématiquement le dispositif électronique fournissant l'impulsion de haute tension au système d'ionisation, - la figure 10 représente la forme des signaux apparaissant en divers points du schéma de la figure 9, - la figure 11 représente-schématiquement le dispositif électronique mesurant le temps de passage du nuage d'ions, - la figure 12 représente la forme des signaux apparaissant en divers points du schéma de la figure 11. Les mêmes références désignent les mêmes organes sur les différentes figures. Comme représenté à la figure 1, le capteur ionique à temps de transit se compose d'une enveloppe métallique 1 reliée à la masse par la connexion M et parcourue par un gaz dont le débit volumétrique est Qv. Le corps métallique 1 comprend essentiellement deux zones de fonctionnement du capteur: une zone d'émission (E) repérée 2 et une zone de réception (R) repérée 3. Ces zones (E) et (R) sont séparées par une grille intermédiaire (Gi) repérée 4. Cette grille 4 est solidaire mécaniquement de l'enveloppe mécanique 1. Elle est également reliée à la masse électrique par la connexion M. La zone d'émission 2 du capteur est alimentée par une impulsion haute tension issue d'un bloc de commande 5, lui-même commandé par des signaux extérieurs de commande El. La zone de réception 3 du capteur délivre les signaux par l'inter- médiaire des connexions 6 et 7 à un bloc de traitement 8. Ce bloc de traitement 8 délivre en sortie un signal S1 pendant un temps t0 proportionnellement à la grandeur Qv selon les relations fonction- nelles de la figure 2. Sur la représentation schématique de la figure 3, on trouve les éléments constituant les zones d'émission (E) et de réception (R) -6- 2 49 161 8 relatifs à la figure 1. La zone d'émission (E) est composée d'un système d'ionisation compre- nant plusieurs fines aiguilles repérées 14 disposées radialement sur un organe central 12. L'organe central 12 est tenu mécaniquement par un pivot 13 relié mécaniquement et électriquement à la borne de sortie 16 d'une traversée isolante 10. La connexion d'entrée de 10 est repérée 15. La traversée isolante 10 amenant l'impulsion de haute tension sur les aiguilles d'ionisation 14 est fixée mécaniquement dans l'enveloppe extérieure 1 du capteur, elle est immobilisée par un écrou 11. La grille intermédiaire Gi repérée 4 est reliée mécaniquement au corps 1 par l'intermédiaire de cales métalliques 17. De plus, ces cales métalliques 17 permettent de faire varier la distance Dl entre zone d'émission et grille intermédiaire. La grille Gi a un double rôle. D'une part, elle rend l'écoulement gazeux plus turbulent et homogène grâce à ses mailles fines. D'autre part, elle atténue notablement l'influence directe du signal haute tension rayonné sur les grilles du système de réception (R). La zone de réception (R) comprend deux grilles de réception 19 et 20. Ces grilles sont maintenues par des rondelles isolantes 21 et 22 maintenues à l'intérieur de l'enveloppe 1 du capteur. Des cales d'épaisseur 18 permettent d'ajuster la distance D2 entre grille intermédiaire 4 et la première grille réceptrice 19. Les grilles 19 et 20 sont reliées électriquement à une prise de sortie double, non représentée sur la figure, permettant de sortir les signaux reçus. La grille intermédiaire 4, les cales de réglage 17 et 18, les grilles de réception 19 et 20 sont maintenues en place par un embout 9, emmanché dans le corps 1 et constituant ainsi l'autre extrémité du capteur. Sur la représentation schématique de la figure 4, o les éléments - 7 - 2 4 916 18 déjà décrits portent la même référence, on trouve une structure de capteur dans laquelle la zone de réception possède une section diminuée par rapport à la section de la zone d'émission. Cette disposition permet d'augmenter la vitesse de l'écoulement dans la zone de récep- tion, donc d'obtenir un signal plus élevé sur les grilles réceptrices. Cette disposition est obtenue par des cales profilées 23 et 24 dont le profil est identique. Ces cales enserrent l'ensemble des grilles 4, 19 et 20. Cette disposition permet ainsi de mesurer un débit volumique plus faible correspondant à un moteur thermique moins puissant sans changer les dimensions extérieures du capteur, ni la structure du système d'émission. Cet aspect modulaire de la structure de ce capteur permet une grande souplesse d'adaptation. La figure 5 représente une vue en coupe de la zone d'émission (E). Le système d'ionisation de la zone d'émission se compose de plusieurs fines aiguilles 14 équiréparties radialement à l'intérieur de la veine fluide du capteur. Ces aiguilles 14 sont maintenues grâce à un organe central 12 percé en son milieu. L'organe central 12 est relié à un pivot 13 lui-même fixé à la borne de sortie 16 de la traversée isolante 10. Les aiguilles 14 ont leur extrémité située à une distance (d) du bord intérieur du corps 1 du capteur. La figure 5 a représente le détail de l'extrémité des aiguilles 14. Cette extrémité se caractérise par un angle au sommet "c faible et un rayon de courbure r de quelques microns. Cette disposition permet d'avoir par effet de pointe, entre l'extrémité de chaque aiguille et le corps du capteur, un champ électrique très intense qui va ioniser les molécules en déplacement. Comme il y a plusieurs aiguilles répar- ties dans la section du capteur, on obtient donc globalement un nuage d'ions répartis dans toute la veine fluide, ce qui améliore la préci- sion et l'étendue de mesure du système. La figure 6 représente un autre mode de réalisation d'un système d'ionisation de la zone d'émission (E) dans lequel les aiguilles 14 sont réparties en "rateau" autour d'un pivot central 25 relié à la -8- 24 9 16 18 borne de sortie 16 de la traversée isolante 10. Ce système à sept aiguilles est construit de façon que l'extrémité de ces sept aiguilles forme un cercle concentrique situé à une distance d de l'intérieur du corps l du capteur. L'extrémité des aiguilles 14 de la figure 6 a le même profil que celui indiqué à la figure 5 a. La figure 7 représente un autre mode de réalisation d'un système d'ionisation de la zone d'émission (E) dans lequel on utilise une rondelle crénelée 26 comportant un certainnombre de cannelures 27 réparties uniformément à sa périphérie. Ces cannelures 27 sont taillées en biseau de façon à obtenir à leur extrémité un profil d'angle au sommet et de rayon de courbure identique à celui des aiguilles décrit figure 5 a. La figure 8 représente un autre mode de réalisation de système d'ioni- sation. Les aiguilles 14 sont fixées radialement à l'intérieur d'une couronne métallique 28 emmanchée à l'intérieur de l'enveloppe 1 du capteur. La partie centrale comporte un cylindre creux 29 fixé à la borne de sortie 16 par l'intermédiaire d'un pivot 30. Contrairement aux dispositifs décrits aux figures 5, 6 et 7, il est nécessaire d'envoyer sur la borne 15 de la traversée 10 du dispositif de la figure 8 une impulsion de haute tension négative par rapport à l'enveloppe 1 du capteur reliée à la masse. Il y a donc entre chaque extrémité de pointe et la partie centrale 29 un champ électrique positif qui crée des ions positifs. Sur la figure 9, se trouvent représentés schématiquement les éléments essentiels du module 5 délivrant des impulsions haute tension a à partir des signaux de commande externe El visibles sur la figure 10. L'impulsion haute tension est fournie par un secondaire de transfor- mateur 31 dont le primaire 32 est commandé par un transistor repéré 37. Une capacité 33 en parallèle sur l'enroulement primaire 32 permet d'amortir légèrement les oscillations obtenues aux bornes de l'enrou- lement secondaire 31. Une diode 34 suivie d'une résistance 35 reliée à la masse permet à la fois de charger le circuit secondaire et d'obtenir, dans le cas de branchement de 34 comme indiqué à la figure 9, une impulsion positive par rapport à la masse M. Cette impulsion positive est envoyée à travers une résistance de protection 36 sur un des systèmes d'ionisation précédemment décrits. Dans l'émetteur du transistor 37 se trouve une résistance 38 reliée à la masse. Le signal b apparaissant aux bornes de 38 est donc représen- tatif du courant circulant dans l'enroulement primaire 32 quand le transistor 37 est conducteur. Le signal b issu de 38, et visible à la figure 10, est envoyé sur l'entrée négative d'un amplificateur 42 dont le gain de boucle est fonction des résistances 40 et 41. Sur l'entrée positive de 42 est envoyée une tension de référence déter- minée par les résistances 43 et 44 à partir d'une tension stabilisée par une diode Zéner 45 en série avec une résistance 46. Le signal issu de l'amplificateur 42 commande la base d'un transistor qui, par l'intermédiaire de la résistance de charge 51, permet de régler le courant de base du transistor 37, donc le courant circulant dans l'enroulement primaire 32. Le signal de commande El représenté à la figure 10 commande, par l'intermédiaire d'une résistance de base 47, un transistor 48 chargé par une résistance 49. Le signal issu du collecteur de 48 commande la base d'un transistor 52 chargé par la résistance 51. Les transistors 48 et 50 permettent la conduction ou le blocage du transistor 37. Le courant de conduction de 37 est régulé à une valeur déterminée grâce aux éléments de la boucle de régulation commandant le transistor 50. Une diode Zéner 39, placée entre le collecteur et la base du tran- sistor 37, permet de protéger celui-ci contre la surtension apparais- sant aux bornes de l'enroulement primaire 32. On voit donc que, grâce à ce dispositif de régulation de courant au primaire 32, l'impulsion de haute tension représentée en a figure 10 a une amplitude constante. Il est à remarquer que, pour obtenir une impulsion haute tension négative nécessaire à un dispositif d'ionisation tel que celui - 10 - 24 91 6 18 représenté à la figure 8, il suffit d'inverser le sens de branchement de la diode 34 ainsi que celui des fils d'alimentation de l'enroule- ment secondaire 31. Sur la figure 1l se trouvent représentés schématiquement les éléments essentiels du bloc 8 de la figure l qui délivre en sortie un signal Si dont la largeur correspond au temps de passage des ions entre les deux grilles réceptrices 19 et 20. Le signal obtenu sur la première grille réceptrice 19 est transmis par la connexion 6 sur la borne positive d'un amplificateur opéra- tionnel 53. L'impédance d'entrée de cet élément 53 est déterminée par la résistance 57 et la capacité 58 montées en parallèle. le signal c apparaissant sur la grille 19 est représenté à la figure 12. Le gain de l'amplificateur 53 est réglé par les résistances 54 et 55; la résistance 56 reliée à la borne négative de 53 permet d'équilibrer l'impédance d'entrée. Le signal amplifié issu de 53 est envoyé sur un amplificateur 66 par l'intermédiaire d'une résistance 65 reliée à l'entrée positive. L'élément 66 forme un comparateur à zéro de grand gain grâce à la résistance 67 reliant l'entrée négative de 66 à la masse. A la sortie du comparateur 66, on obtient un signal e représenté à la figure 12 dont la largeur tl correspond au temps pendant lequel le signal c issu de la grille 19 est supérieur à zéro. L'instant de passage à zéro du signal c correspond à l'instant de passage du barycentre du nuage d'ions dans le plan de la grille 19. Le signal obtenu sur la deuxième grille de réception 20 est transmis par la connexion 7 sur l'entrée positive d'un amplificateur opéra- tionnel 59. L'impédance d'entrée de l'amplificateur 59 est déterminée par les éléments 63 et 64 montés en parallèle. La résistance 62 reliée à l'entrée négative de 59 permet d'équilibrer l'impédance d'entrée. Le signal d apparaissant sur la grille 20 est représenté à la figure 12. Ce signal est amplifié grâce à l'amplificateur 59 dont le gain de boucle est réglé par les résistances 60 et 61. le signal amplifié issu de 59 est envoyé, par l'intermédiaire d'une résistance - il - 2491618 de liaison 68, sur l'entrée positive d'un amplificateur 69 formant comparateur à zéro grâce à la résistance 70 branchée entre l'entrée négative de 69 et la masse. A la sortie du comparateur 69, on obtient un signal f représenté figure 12 dont la largeur t2 correspond au temps pendant lequel le signal d issu de la grille 20 est positif. L'instant de passage à zéro du signal d correspond à l'instant de passage du barycentre du nuage d'ions dans le plan de la grille 20. Au moyen de circuits logiques 71, 72 et 73 réalisant la fonction "NAND", on obtient en sortie du bloc 8 un signal Si dont la largeur est to = t2 tl correspondant au temps de passage du nuage d'ions entre les grilles 19 et 20. On obtient finalement un capteur ionique associé à deux modules électroniques de commande et de détection permettant d'obtenir un signal de sortie dont la largeur est fonction du débit volumique circulant dans la section du capteur. Le traitement du signal de sortie peut être effectué avec une grande précision de calcul grâce aux possibilités des systèmes microprocesseurs actuels. Les modules alimentant le système d'ionisation, d'une part, et traitant les signaux en provenance de la zone de réception, d'autre part, fonc- tionnent en monotension, ce qui correspond parfaitement aux impé- ratifs de l'électronique automobile. La structure modulaire du capteur permet une grande souplesse d'adaptation à la mesure de différentes gammes de débit. La mesure différentielle du temps de passage dans la zone de réception permet de s'affranchir d'un certain nombre de phénomènes perturbateurs. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réali- sation représentés et décrits. En particulier, en ce qui concerne la zone de réception (R) de la figure 1, la théorie indique et l'expé- rience confirme que d'autres formes d'électrodes de réception peuvent gtre envisagées. Ces électrodes, placées dans la section droite du =-: ?12-- 2491618 capteur, peuvent se présenter sous forme d'anneaux ou de grilles montées sur un anneau. Les grilles de réception peuvent également avoir un profil curviligne. Ces électrodes de réception peuvent aussi être séparées par une grille intermédiaire reliée à la masse électrique du capteur. - 13 - 22491618 - 13 - REVENDICATIONS 1. Capteur ionique à temps de transit du type comportant une zone d'émission(Ee)t une zone de réception(Rassocié à un dispositif élec- tronique permettant d'obtenir une grandeur électrique sous forme d'une impulsion dont la largeur est fonction du débit volumique d'un fluide gazeux dans une tubulure d'admission, caractérisé en ce que la zone de réceptio4qncorpore deux grilles parallèles (19, 20) entre lesquelles on mesure le temps de transit des particules ionisées, si bien que l'on réalise un système de mesure différentiel. 2. Capteur ionique à temps de transit suivant la revendication 1, caractérisé par une grille intermédiaire ou grille de blindage (4) séparant la zone d'émission (E) de la zone de réception (R). 3. Capteur ionique à temps de transit suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la zone d'émission (E) comprend une multipli- cité d'électrodes d'émission (14, 27) équiréparties radialement dans un plan perpendiculaire à l'écoulement du fluide gazeux. 4. Capteur ionique à temps de transit suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites électrodes d'émission (14) sont au nombre de cinq et sont supportées soit par un organe central (12), soit fixées radialemert à l'intérieur d'une couronne métallique (28) emmanchée à l'intérieur de l'enveloppe (1) du capteur. 5. Capteur ionique à temps de transit suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites électrodes d'émission (14) sont au nombre de sept et réparties en "rateau" autour d'un pivot central (25) relié à la borne de sortie (16) d'une traversée isolante (10) de façon que les extrémités libres de ces sept électrodes soient répar- ties sur un cercle concentrique à l'enveloppe (1) du capteur. 6. Capteur ionique à temps de transit suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites électrodes d'émission (27) sont cons- titules par l'extrémité extérieure taillée en biseau de cannelures ménagées uniformément à la périphérie d'une rondelle crénelée (26). - 14 - 24 916 18 7. Capteur ionique à temps de transit suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la section de la zone de réception (R) est réduite par rapport à celle de la zone d'émission (E) par interposition de cales profilées (23, 24) dont le profil est identique pour enserrer l'ensemble des grilles (4, 19, 20). 8. Capteur ionique à temps de transit suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les deux électrodes parallèles de réception de la zone de réception (R) sont placées chacune entre deux grilles de blindage. 9. Capteur ionique à temps de transit suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les électrodes de récep- tion de la zone de réception (R) sont constituées par deux profils annulaires placés perpendiculairement au sens d'écoulement du fluide gazeux. 10. Capteur ionique à temps de transit suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'électronique associée comporte une boucle de régulation (40, 41, 42, 50) permettant de réguler le signal haute tension appliqué aux électrodes à une valeur déterminée.