Brevet FR2487973A1 — publié le 19820205

La presente invention a trait aux dispositifs permettant de mesurer l'écoulement d'un fluide évoluant a l'intérieur d'un conduit et elle concerne plus particulièrement les dispositifs de mesure appelés débitmètres thermiques. Le principe d'un débitmètre thermique est connu depuis longtemps et consiste à chauffer (au moyen d'une résistance chauffante) un fluide circulant dans un conduit et à mesurer l'élévation de température de ce fluide entre deux points fixes d'un segment de ce conduit. La puissance P dissipée par la résistance chauffante, le débit d du fluide, les températures T e et T5 détectées par deux capteurs d'entrée et de sortie disposés respectivement en amont et en aval de la résistance sont alors liés par la relation P = a.d(Ts~Te) où a est un coefficient dépendant du fluide. I1 decoule de cette relation que, pour un débit très faible (voire presque nul), l'élévation de température peut devenir considérable, et entraîner des conséquences dommageables si elle n'est pas mesurée avec exactitude, afin de réguler en conséquence la puissance de chauffage. C'est un des buts de la presente invention que de pouvoir mesurer effectivement cette importante élévation de température, en proposant un débitmètre thermique remarquable par le fait que le capteur d'entrée dispose en amont est plus eloigné de la resistance chauffante que le capteur de sortie disposé en aval. Ainsi, pour des écarts de température très grands, les deux capteurs ne s'échauffent pas simultanément par conduction et des mesures de débit très faible pourront être alors réalisées sans danger. Dans un premier mode de fonctionnement d'un débitmètre thermique, la puissance P dissipee dans la résistance chauffante est maintenue constante et le débit d est mesuré en fonction de l'écart de température entre le capteur d'entrée et le capteur de sortie selon la relation Po 1 d = - x --- a T5-T e où P = P0 = cste, et (Ts - Te) est la variable. En supposant que P=P0 est correctement réalisée, un calcul d'erreur donne comme incertitude relative : Ad = 2AT d e #T étant l'incertitude absolue avec laquelle Te et T5 sont mesurées. Si p est la précision souhaitée sur la mesure du débit, et TL est la valeur limite de l'écart de température autorisée par le système dans lequel est inseré le débitmètre, le débitmètre doit respecter la double condition suivante 2#T p Par exemple, si, en appliquant ce mode de fonctionnement à un débitmètre pouvant varier de 2 I/h à 30 l/h, une élévation de température de 150C est tolérée pour le plus faible débit, PO 1 Po d = - x --- = 2 1/h a = 15 x 20.1/h = 300.1/h &alpha; Ts-Te &alpha; l'élévation de température pour le débit le plus fort sera de Po 1 1 Ts-Te = - x - = 30 1/h x = 1 C &alpha; d 30 1/h et la precision p sera alors egale a la precision avec laquelle on mesure cet écart de 1 C. Ce mode de fonctionnement est simple car la mesure d'une puissance est facile à contrôler, mais n'est valable que si la plage de variation du débit à mesurer est étroite et si l'éléva- tion de température tolérée est assez élevée. Dans le deuxieme mode de fonctionnement d'un débitmètre thermique, l'élévation de température T5-T e entre le capteur d'entree et le capteur de sortie est maintenue constante et on mesure le débit d en fonction de la puissance P dissipée dans la résistance chauffante selon la relation d = 1 x P a.To où Ts-To = To = cste et P est la variable. En supposant une mesure assez précise de la puissance P, un calcul d'erreur donne comme incertitude relative #d = 2#T d To La précision souhaitée sur le débit, ne dépend donc plus du débit d mais seulement de la précision avec laquelle TS-Te=To est mesurée, dans la gamme de température de fonctionnement du débitmètre. En reprenant l'exemple d'un débit pouvant varier de 2 l/h à 30 l/h et en fixant T5Te= To = 30C, l'application de ce deuxième mode de fonctionnement est plus intéressant car il présente notamment - une élévation de température moins élevée aux faible débits (30C au lieu de 15"C), - et une précision meilleure aux forts débits (la précision sur la mesure de 3"C est trois fois meilleure que celle sur la mesure de 1"C). Ce mode de fonctionnement est un peu plus difficile à mettre en oeuvre que le précédent car il nécessite un asservissement de la puissance pour maintenir un écart de température constant entre les deux capteurs. Cependant, il offre au débitmètre thermique des avantages non négligeables, à savoir - la même precision p surtout la plage de mesure du débit, - une faible élévation de température du fluide, - et une sécurité de fonctionnement intrinsèque (pas d'emballement thermique). Quel que soit le mode de fonctionnement choisi, une mesure précise de la puissance est indispensable, soit pour déterminer directement le débit, soit pour introduire la valeur de cette mesure dans une boucle d'asservissement. Aussi, partant de la relation P = U.I. = R.12 = U2/R, la méthode classique employée consiste - soit à élever au carré I ou U en supposant R constant, - soit à effectuer le produit de U par I en supposant R non constant. C'est un autre but de la présente invention que de pouvoir mesurer la puissance P sans effectuer ces opérations, même lorsque la valeur de R varie (en fonction de la température, par exemple). A cet effet, l'invention propose un procédé de traitement des signaux (informations) envoyés à et/ou reçus de la résistance chauffante et des deux capteurs de température d'entrée et de sortie, remarquable en ce que la source d'alimentation de la résistance chauffante est commandée par un cycle de période T et de rapport X variable. En prenant comme source d'alimentation en énergie de la résistance chauffante un générateur de courant, celui-ci soumis à un cycle de période T et de rapport T fournit un signal de sortie du courant I représente à la figure 1 et où - I = lo (indépendant de la résistance chauffante R) pendant le temps TT où le signal est l'état haut, - I = 0 pendant le temps (1- T)T où le signal est à l'état bas. Il en résulte un courant moyen Imoy = T10 (calculé sur la durée T) une tension moyenne U = TRI0 une puissance moyenne Pmoy = TPo (avec Po=RIo). = IoUmOy En conséquence, la mesure de la puissance dissipée se ramè- ne, au facteur la pries, à celle d'une tension moyenne qui est aisément obtenue, selon une autre caracteristique du procéde de l'invention, en filtrant cette tension par un réseau résistance capacité, r-c, jouant le rôle d'integrateur et dont la constante de temps égale à r.c est grande devant la période T. Le signal de la tension Uc obtenue aux bornes de la capacité C est représenté à la figure 2 et on comprend, à la lecture de la représentation graphique de ce signal, que plus le rapport T est grand, plus le temps T.T est grand et plus l'amplitude de la tension Uc est importante. La tension Uc est donc directement liée à la tension moyenne aux bornes de la résistance chauffante R. Il va de soi que le générateur de courant pourra être remplace par un générateur de tension et il suffit pour cela de mesurer le courant Imoy traversant la résistance R au moyen d'un shunt placé en série. En résumé, en agissant sur la valeur du rapport cyclique T la tension moyenne Um a ux bornes de la résistance R est modifiée ainsi que la tension Uc mesuree aux bornes de ld capacité C. Les figures 3 et 4 illustrent respectivement le signal du courant 1o en sortie du générateur de courant et celui de la tension Uc aux bornes de la capacité C lorsque le rapport T est ramené à une valeur T 8 = T 2 Dans le premier mode de fonctionnement, où la puissance dissipé dans la résistance R est maintenue constante, le rapport cyclique T est determiné en fonction de la différence entre la tension moyenne Um aux bornes de la résistance R et une tension de référence UO. On obtient alors un asservissement d'une puissance PO aux bornes de la resistance R. Dans le deuxième mode de fonctionnement où la différence de température (T5- Te) entre les deux capteurs est maintenue constante, le rapport cyclique T est déterminé en fonction de la difference entre l'écart de température (Ts-Te) et une temperature de référence T,. On obtient alors un asservissement d'un écart de température (Ts-Te) = TU entre les deux capteurs d'entrée et de sortie. D'autre part, il est indispensable de prévoir une sécurité par arrêt du chauffage quand T5-T e atteint un seuil defini comme dangereux tant pour le fluide que pour preserver, comme on l'a précisé au début du présent mémoire, les deux capteurs d'un échauffement simultané par conduction. Selon une autre caracteristique particulièrement avantageuse du procédé de l'invention, le generateur de courant est donc limité par un écart de température maximum TL autorisé entre la température T e du capteur d'entrée et la température Ts du capteur de sortie. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de deux exemples de réalisation concrète, choisis pour illustrer les concepts fondamentaux de l'invention. Ces deux exemples de réalisation reposent sur deux dispositifs électroni- ques mettant en oeuvre le procédé de l'invention selon les deux modes de fonctionnement d'un débitmètre thermique et sont annexés de dessins sur lesquels La figure 5 est un schéma fonctionnel du premier dispositif électronique traitant les informations d'un débitmètre thermique fonctionnant en mode à puissance constante ; La figure 6 est un schéma fonctionnel du second dispositif électronique traitant les informations d'un débitmètre thermique fonctionnant en mode à température constante. Le dispositif electronique, représente à la figure 5,permet de traiter les signaux envoyés à et/ou reçus d'une résistance chauffante R introduite dans un courant de fluide et de deux capteurs fournissant les températures d'entree Te et de sortie T5 en amont et en aval de la résistance R, laquelle est installée avec les deux capteurs à l'intérieur d'un conduit dans lequel évolue ledit fluide dont on veut mesurer l'écoulement par la détermination de son débit. Ce dispositif est constitué d'une unité d'asservissement 100 et d'une unité de mesure 200 du débit du fluide. L'unité d'asservissement 100 est destinée à maintenir la puissance P dissipée par un générateur de courant 101 a travers la resistance chauffante R. A cet effet, le générateur 101 est commande par un oscillateur 102 de période T faible devant les constantes thermiques du système resistance chauffante-capteurs et de rapport cyclique E assujetti à la sortie d'un amplificateur différentiel 103 par l'intermédiaire d'un filtre 104. A l'entrée positive de cet amplificateur 103 est appliquée une tension de référence UO alors qu'à l'autre entrée, néoative, est appliquée la tension Uc apparaissant aux bornes de la capacite C d'un réseau intégrateur resistance-capacite, r.c, monté en parallèle avec la résistance chauffante R.Le signal de cette tension Uc est représenté à la figure 2 et évolue (cf. signal U'c de la figure 4) en fonction de la valeur qui est donnée au rapport cyclique T de la periode T du courant de sortie Io fourni par le géné- rateur 101 (cf.figures 1 et 3). De ce fait, lorsque la puissance moyenne Pm dissipée dans la résistance R par le générateur 101 varie, la tension moyenne Ums liée à la puissance par la relation P= IovUm (Io étant un facteur constant) varie proportionnellement ainsi que la tension Uc aux bornes de la capacité C. L'amplificateur 103 qui compare cette tension Uc à une tension UO de référence, fournit donc un signal résultant Uc -U0 qui agira en conséquence sur le rapport cyclique T de 1 'oscillateur 102 pour corriger le signal Uc et par voie de conséquence, la puissance Pm dissipée dans la résistance R.La puissance Pm est donc asservie à une valeur optimale PO = T0 U,.I, ou T0 est une constante. Il est utile de préciser que, pour autoriser une mesure correcte de la tension Uc aux bornes de la capacite C, la constante de temps égale à r.c du réseau intégrateur r-c doit être grande devant la periode T du cycle. L'unite de mesure 200, quant à elle, est constituée d'un amplificateur différentiel 201 sur les entrées duquel sont appli quées les températures T e et Ts ramenees à des tensions et sur la sortie duquel est branché un circuit électronique 202 tel qu'un diviseur analogique, un microproceis$urou autre effectuant le calcul analogique ou numérique du débit d en divisant le facteur P, par la différence de température T -T a Le dispositif électronique, représenté à la figure 6, permet egalement de traiter les signaux envoyés à et/ou reçus d'une résistance chauffante R introduite dans un courant de fluide et de deux capteurs fournissant les températures d'entrée T e et de sortie Ts, afin de mesurer l'écoulement du fluide évoluant à l'intérieur d'un conduit par la détermination de son débit. Un tel dispositif est constitué d'une manière identique au précédent, d'une unité d'asservissement 100' et d'une unite de mesure 200' du débit du fluide. L'unite d'asservissement 100' est destinée à maintenir constant un écart de température TS-Te entre les capteurs d'entree et de sortie. Elle comprend à cet effet, un générateur de courant 101' qui fournit un signal de sortie d'amplitude la (cf.figure 1) qui traverse la résistance chauffante R. Ce générateur 101' est commandé par un oscillateur 102' de période T (faible devant les constantes de temps thermiques du systeme resistance chauffantecapteurs) et de rapport cyclique T assujetti à la sortie d'un amplificateur différentiel 103' par l'intermédiaire d'un filtre 104'.A l'entrée positive de cet amplificateur est appliquée une température de reference To alors qu à l'autre entrée, négative, est appliquee la tension de sortie d'un amplificateur différentiel 105', ladite sortie correspondant à l'écart de température TS-Te entre les capteurs d'entrée et de sortie.Ainsi, lorsque l'écart de température TS-Te varie, l'amplificateur différentiel 103' compare cet écart à une température de réference To et fournit une tension de sortie qui agit alors sur le rapport cyclique z de la période T du courant la fourni par le générateur 101' dans la résistance R afin de modifier la puissance Pm = Io.Um dissipée dans cette dernière et de corriger l'écart de température TS-Te. L'unité de mesure 200' comprend quant à elle, un réseau intégrateur résistance-capacité, r-c, de constante de temps égale à r.c grande devant la période T. La tension Uc aux bornes de la capacité C et représentée à la figure 2 varie proportionnellement avec le rapport cyclique T du courant la (cf. figures 1 et 2 et figures 3 et 4) et fournit une tension proportionnelle à la tension moyenne Um aux bornes de la résistance R, liee à la puissance moyenne dissipée Pm par la relation Pm = IoUm La mesure de cette tension Uc est donc proportionnelle à la puissance dissipée dans la résistance chauffante R, laquelle puissance est modulée pour maintenir un ecart de température TS-Te entre les deux capteurs d'entrée et de sortie. Un circuit électronique de type connu 201' effectue le calcul analogique ou numérique du débit d en multipliant par le coefficient IO la tension U aux bornes de la résistance R aT0 m obtenue par la mesure de la tension Uc aux bornes de la capacité C, dont la valeur est multipliée par le facteur la liant à la tension Um. Il est à noter sur les deux dispositifs électroniques décrits ci-dessus, qu'il est prevu une sécurité thermique des débitmètres équipés d'un de ces dispositifs au moyen d'une dérivation aménagée sur la sortie de l'amplificateur différentiel determinant l'écart de température TS-Te. Lorsque l'écart T5-T e atteint une température limite TL cette dérivation provoque pendant un laps de temps suffisant l'arrêt du générateur alimentant en courant la résistance chauffante R. L'invention qui vient d'être décrite plus haut possède un vaste domaine d'applications industrielles et elle permet notamment, couplée avec un capteur de vitesse, de déterminer la consommation de carburant rapporte aux 100kms. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, diverses modifications équivalentes pourront être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'être ci-dessus décrits, uniquement à titre d'exemple non limitatif. REVENDICATIONS 1. Procédé électronique de traitement des signaux envoyés à et/ou reçus d'une résistance chauffante (R) introduite dans un courant de fluide et de deux capteurs de température disposés en amont et en aval de ladite résistance, et ce afin de mesurer l'écoulement dudit fluide évoluant à l'intérieur d'un conduit, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE le capteur d'entrée dispose en amont est plus éloigné de la resistance chauffante que le capteur de sortie disposé en aval. 2. Procede selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QUE la source d'alimentation de la resistance chauffante (R) est commandée par un cycle de période (T) et de rapport (T) variable. 3. Procédé selon les revendications 1 et 2, dans lequel la puissance (P) dissipée dans la resistance chauffante (R) est maintenue constante, CARACTERISE EN CE QUE le rapport (T) du cycle est détermine en fonction de la différence entre la tension moyenne (Um) aux bornes de la résistance (R) et une tension de référence (UO)- 4.Procédé selon les revendications 1 et 2, dans lequel la différence de température (TS-Te) entre le capteur de sortie dispose en aval et le capteur d'entree disposé en amont de la résistance chauffante est maintenue constante, CARACTERISE EN CE QUE le rapport ()du cycle est déterminé en fonction de la difference entre l'écart de température (TS-Te) detecté entre le capteur d'entrée et le capteur de sortie d'une part, et une température de référence (To) d'autre part. 5. Procedé selon les revendications 1, 2 et 3, CARACTERISE EN CE QUE la tension moyenne eux bornes de la résistance chauffante (R) est filtrée par un réseau résistance-capacité (r-c) jouant le rôle d'intégrateur et dont la constante de temps (r.c) est grande devant la période (T) du cycle. 6. Procéde selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, CARACTERISE EN CE QUE la source d'alimentation de la résistance chauffante (R) est limitée par un écart de température maximum (T1) autorisé entre le capteur d'entree et le capteur de sortie. 7. Dispositif électronique permettant de traiter les signaux envoyés à et/ou reçus d'une résistance chauffante (R) introduite dans un courant de fluide et de deux capteurs de température d'entrée et de sortie disposés respectivement en amont et en aval de ladite résistance, et ce afin de mesurer l'écoulement dudit fluide évoluant à l'intérieur d'un conduit selon le procédé des revendications 1, 2, 3, 5 et 6, prises ensemble, CARACTERISE PAR LE FAIT QU'il comprend d'une part, une unité d'asservissement (100) destinée à maintenir la puissance dissipée (P) dans la résistance chauffante (R) et constituée d'une source d'alimentation en energie de ladite résistance, ladite source est limitée par un écart de température maximum (T1) autorisé entre le capteur d'entrée et le capteur de sortie et est commandée par un oscillateur (102) de période (T) faible devant les constantes de temps thermiques du système résistance chauffante-capteurs et de rapport cyclique (T) assujetti à la sortie d'un amplificateur différentiel (103), une tension de référence (UO) étant appliquée à l'une des entrées dudit amplificateur et la tension (Uc) aux bornes de la capacité (C) d'un reseau intégrateur résistance-ea- pacite (r-c) monté en parallele avec la résistance chauffante (R) étant appliquée à l'autre entrée, et d'autre part une unité de mesure (200) du débit (d) du fluide en fonction de l'écart de température (T5Te) décele entre le capteur d'entrée et le capteur de sortie. 8. Dispositif électronique permettant de traiter les signaux envoyes à et/ou reçus d'une resistance chauffante (R) introduite dans un courant de fluide et de deux capteurs de température d'entree et de sortie disposes respectivement en amont et en aval de ladite résistance, et ce afin de mesurer l'écoulement dudit fluide evoluant à l'intérieur d'un conduit selon le procedé des revendications 1, 2, 4, 5 et 6 prises ensemble, CARACTERISE PAR LE FAIT QU'il comprend d'une part, une unité d'asservissement (100') destinee à maintenir un ecart de température (Ts-Te) entre le capteur d'entrée et le capteur de sortie et constituée d'une source d'alimentation en énergie de la résistance chauffante (R), ladite source est limitée par un écart de température maximum (T1) autorisé entre les deux capteurs et est commandée par un oscillateur (102') de période (T) faible devant les constantes de temps thermiques du systeme résistance chauffante-capteurs et de rapport cyclique (T) assujetti à la sortie d'un amplificateur différentiel (103'), une température de référence (To) ramenée à une tension etant appliquée à l'une des entrées dudit amplificateur et l'écart de température (TS-Te) détecté entre les capteurs d'entrée et de sortie et ramene à une tension étant appliqué à l'autre entrée, et d'autre part une unité de mesure (200') du débit (d) du fluide en fonction de la tension moyenne (Um) détectée aux bornes de la capacite (C) d'un reseau intégrateur résistance-capacité (r-c) monté en parallele avec la resistance chauffante (R). 9. Dispositif électronique selon la revendication 7 ou 8, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE la source d'alimentation en énergie de la résistance chaufffante (R) est un générateur de courant (101 ou 101'). 10. Dispositif electronique selon la revendication 7 ou 8, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE la source d'alimentation en énergie de la resistance chauffante (R) est un générateur de tension.