Brevet FR2509461A1 — publié le 19830114

La présente invention concerne les débitmètres d'air à ultrasons pour véhicules à moteur Plus spécialement, l'invention se rapporte à un débitmètre d'air à ultrasons comportant au moins deux émetteurs-récepteurs qui sont disposés dans un pas- sage d'admission d'un moteur à combustion interne afin de mesurer le débit de l'air traversant le passage d'admission. Jusqu'ici, on a proposé, pour équiper les véhicules à moteur, des débitmètres à fil chaud, à potentiomètre et à ultrasons. Dans un débitmrtre d'air classique utilisant dés ultrasons, lequel produit un courant de tourbillons de Karman dans la circulation d'air afin de mesurer le débit de l'air, un capteur, ou générateur de courant de tourbillons, utilisé comme débitmètre d'air, est placé dans un passage d'entrée d'air Ainsi, il peut survenir une perte de pression, avec les phénomènes qui en découlent. Plus spécialement,, le débitmétre d'air à ultrasons du type détecteur de courant de tourbillons de Karman, qui mesure la vitesse d'écoulement de l'air en comptant le nombre de tourbil- lons de Karman produits par unité de temps, possède les inconvénients suivants Un écoulement laminaire peut souvent s'établir dans la gamme des faibles vitesses d'écoulement de l'air, auquel cas les tourbillons ne se forment pas facilement D'autre part, dans la gamme des vitesses élevées, l'état tourbillonnaire devient instable. Sur la base de ce qui vient d'être énoncé, un but principal de l'invention est de supprimer les inconvénients ci- dessus décrits qui accompagnent le débitmètre d'air à ultrasons classique. Un autre but de l'invention est de proposer un débitmètre d'air à ultrasons permettant d'empocher qu'il survienne une perte de pression, si bien que la mesure du débit d'air s'effectue avec une grande sensibilité et une précision élevée, même dans la gamme des faibles vitesses d'écoulement de l'air. Un autre but de l'invention est de proposer un débitnetre d'air à ultrasons qui est de taille réduite et de poids léger, ce débimètre pouvant être appliqué à un moteur à combustion interne de motocyclette. Les buts indiqués ci-dessus, ainsi que d'autres, sont atteints au moyen d'un débitmètre d'air à ultrasons selon l'invention, lequel comporte un tube à section droite de forme prédéterminée qui est disposé dans un passage d'admission du moteur à combustion interne, et au moins deux émetteurs-récepteurs d'ultra- sons constitués chacun d'un élément d'émission et d'un élément de réception L'élément d'émission et l'élément de réception sont montés dans le tube de façon que la direction de rayonnement des ultrasons, qui doivent être reçus par l'élément de réception se trouvant en face de l'élément d'émission, est oblique par rapport à la direction d'écoulement de l'air De plus, l'un des émetteurs- récepteurs d'ultrasons produit des ultrasons en direction de l'avant, par référence à la direction d'écoulement de l'air, tandis que l'autre émetteur-récepteur produit des ultrasons en direction de l'arrière par rapport à cette direction d'écoulement de l'air Le débit d'écoulement de l'air est mesuré sur la base du déphasage des ultrasons reçus par les éléments de réception. La description suivante, conçue à titre d'illustra- tion de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est un schéma simplifié illustrant la totalité du dispositif selon l'invention; la figure 2 est un schéma explicatif d'un procédé de mesure par déphasage; la figure 3 est une vue en perspective agrandie montrant un débituètre à ultrasons selon l'invention; la figure 4 est une vue en coupe prise suivant la ligne IV- IV de la figure 3; 'la figure 5 est une vue latérale du débitmètre selon l'invention, lorsqu'on regarde celui-ci depuis un point d'observation indiqué par une flèche sur la figure 3; la figure 6 est un schéma de circuit détaillé montrant un mode de réalisation préféré de l'invention; la figure 7 est un schéma de principe présentant le mode de réalisation de manière simplifiée; et les figures 8 a à 8 t sont des diagrammes montrant les formes d'onde des signaux apparaissant respectivement aux points a à t de la figure 6. Sur la figure 1, est présenté un schéma simplifié montrant l'ensemble du dispositif constitué par le débitmètre d'air à ultrasons de l'invention fixé au moteur à combustion interne d'un véhicule Le capteur 1 du débitmètre d'air à ultrasons est disposé en amont du papillon des gaz 3 dans un passage d'admission 2. Le capteur 1 est doté de deux émetteurs-récepteurs d'ultrasons 4 et 5 qui sont juxtaposés l'un à l'autre et sont inclinés par rapport à la direction A d'écoulement de l'air, ainsi que le montre la figure 1 L'émetteur-récepteur 4 est conçu pour produire les ultra- sons en direction de l'avant, par référence à la direction A d'écou- lement de l'air dans le passage d'admission 2, tandis que l'autre émetteur-récepteur 5 a pour fonction de produire des ultrasons dirigés vers l'arrière Dans le capteur 1, il est prévu une ther- mistance 6 permettant de mesurer la température de l'air se trouvant à l'intérieur Les signaux de sortie respectifs des émetteurs- récepteurs d'ultrasons 4 et 5 et de la thermistance 6 sont envoyés à un circuit 7 de mesure de déphasage et de compensation de tempéra- ture dans lequel ils sont soumis à un traitement prédéterminé. A l'aide des signaux de sortie ainsi obtenus, un circuit 8 de com- mande d'injecteur est actionné, puis l'injecteur 9 est excité de manière voulue pour injecter dans un cylindre 10 une quantité appropriée de carburant. Une particularité importante du débitmètre d'air à ultrasons de l'invention réside en ce que les deux émetteurs- récpeteurs d'ultrasons 4 et 5 sont juxtaposés de telle façon que la direction de rayonnement des ultrasons respectivement produits par les éléments d'émission 4 b et 5 b est oblique par rapport à la direction A d'écoulement de l'air et que le déphasage existant entre les signaux de sortie obtenus des éléments de réception 4 a et 5 a est mesuré et compensé en température en vue de la détermination de la vitesse d'écoulement de l'air dans le passage d'admission 2. On va maintenant décrire, en relation avec la figure 2, le principe d'un procédé de mesure par déphasage, c'est-à-dire d'un procédé qui mesure la vitesse d'écoulement de l'air à partir du déphasage des signaux de sortie des éléments de réception 4 a et 5 a. Les deux émetteurs-récepteurs d'ultrasons 4 et 5 sont chacun cons- titués d'une paire d'éléments d'émission et de réception et sont juxtaposés l'un à l'autre de façon que la direction de rayonnement des ultrasons fasse un certain angle oblique Q par rapport à la direction A d'écoulement de l'air Comme le montre clairement la figure 2, l'émetteurrécepteur 4 produit des ultrasons dirigés vers l'avant par rapport à la direction A, tandis que l'émetteur- récepteur 5 produit dés ultrasons dirigés vers l'arrière par rapport à la direction A Sur la figure 2, le symbole de référence t désigne la distance existant entre l'élément d ' é mi ss io N 4 b ou 5 b et l'élément de réception 4 a ou 5 a Dans le cas présenté, les signaux qui sont produits par les éléments de réception respectifs 4 a et 5 a présentent des retards t 1 et t 2 exprimés par les équations t 1 = t /(C + v cos Q); et t 2 = /(C v cos Q) o v est la vitesse d'écoulement de l'air et C est la vitesse du son. Ainsi, à partir des retards t et t on obtient de 1 2 ' la manière suivante, la différence At proportionnelle à la vitesse v d'écoulement de l'air: t= t 2 t 2 ( 2 v L cosg)/C 2 o l'on suppose C très supérieur à_v. A partir de l'équation donnée ci-dessus, on obtient une relation v # C 2 t Puisque la vitesse du son C varie avec la température, l'invention réalise une compensation de température sur la base d'une approxi- mation d'une équation linéaire rendant compte du fait que-le débitmètre est utilisé dans un véhicule en marche. On va maintenant décrire la structure du débitmètre d'air à ultrasons selon l'invention en relation avec les figures 3 à 5 qui montrent chacune la structure du capteur 1 du débitmètre. L'air appliqué à l'entrée traverse un ensemble amont 11 de condition- nement d'écoulement à structure alvéolaire, un passage 12 du corps du capteur 1 du débitmbètre et un ensemble aval 13 de conditionnement d'écoulement à structure alvéolaire, puis parvient au cylindre du moteur à combustion interne L'élément d'émission 5 b, qui est par exemple un oscillateur à ultrasons, et l'élément de réception 4 a qui lui est juxtaposé sont placés en une paroi supérieure du pas- sage 12 comportant un élément tubulaire à section droite de forme prédéterminée Dans une paroi inférieure du passage 12, sont d'autre part montés, en juxtaposition mutuelle, l'élément d'émis- sion 4 b et l'élément de réception 5 a L'élément d'émission 4 b et l'élément de réception 4 a forment une paire qui constitue l'émet- teur-récepteur d'ultrasons 4, tandis que l'élément d'émission 5 b et l'élément de réception 5 a forment une paire qui constitue l'émetteur- récepteur d'ultrasons 5 L'émetteur-récepteur 4 produit des ultra- sons dirigés vers l'avant, tandis que l'émetteur-récepteur 5 pro- duit des ultrasons dirigés vers l'arrière. Chacun des émetteurs-récepteurs d'ultrasons est fixé au corps du capteur 1 de façon que l'axe joignant les éléments d'émission et de réception, c'est-à-dire la direction de rayon- nement des ultrasons, soit incliné par rapport au passage 12 du corps De plus, il existe une paroi 14 (c'est-à-dire une plaque de blindage vis-àvis des ultrasons) qui est interposée entre l'élément d'émission 5 b et l'élément de réception 4 a pour empêcher que ceux-ci n'interfèrent entre eux Une cloison analogue s'inter- pose également entre l'élément d'émission 4 b et l'élément de réception 5 a sur la paroi inférieure du passage 12 du corps. Les éléments d'émission 4 b et 5 b et les éléments de réception 4 a et 5 a sont respectivement fixés aux parois supé- rieure et inférieure, mais aucune extrémité interne de ces éléments ne fait saillie dans le passage du corps afin de ne pas perturber l'écoulement de l'air Ceci conduit à empêcher qu'il se produise une perte de pressions Comme cela apparalt sur la figure 4, des capuchons protecteurs 16 sont prévus entre l'élément de réception 4 a et une ouverture 15 formée dans la paroi supérieure du capteur 1, et entre l'élément de transmission 5 b et une ouverture 15 de la paroi supérieure De plus, des écrans protecteurs 18 sont montés dans les ouvertures 15 à l'aide de bagues elliptiques 17. Ainsi, les ultrasons peuvent être émis par les éléments d'émission 4 b, 5 b et reçus par les éléments de réception 4 a et 5 a sans interférence avec l'air ambiant Alors que la figure 4 ne représente que l'élément de réception 4 a fixé à la paroi supé- rieure du capteur 1, on comprendra que les autres éléments 4 b, 5 a et 5 b sont fixés de la même manière à la paroi supérieure ou à la paroi inférieure De plus, les éléments fixés à la paroi supé- rieure sont recouverts par un couvercle commun 19, tandis que les éléments fixés à la paroi inférieure sont, de la même manière, couverts par un couvercle comsun 19 Afin d'empêcher toute fuite non souhaitable d'ultrasons, l'intérieur du couvercle 19 reçoit une substance absorbant le son, par exemple de la laine de verre,20, tandis que la surface intérieure du passage 12 est également revêtue d'une substance absorbant le son, par exemple une étoffe non tissée, également désignée par la référence 20. La plaque aval 13 de conditionnement d'écoulement à structure alvéolaire est dotée, sur sa paroi supérieure, d'une thermistance 6 faisant fonction de capteur de température Des cêbles de couplage 21 sont connectés aux élémentsd'émisgion 4 b, 5 b et des câbles de coupla-e 22 sont connectés aux éléments de réception 4 a et 5 a, de sorte que ces éléments sont connectés à un circuit de traitement qui va âtre décrit ci-après. La figure 6 est un schéma de circuit montrant le circuit de traitement destiné à traiter les signaux de sortie des éléments de réception 4 a et 5 a pour produire la vitesse d'écoule- ment et le débit d'air à partir du déphasage La figure 7 est un schéma de principe montrant le circuit de la figure 6 de manière simplifiée. Les figures 8 a à 8 t sont des diagrammes de formes d'onde représentant chacun une forme d'onde des signaux apparais- sant respectivement aux points a à sur la figure 6. Le circuit de traitement de signaux est constitué d'un groupe circuit de mesure de déphasage, d'un groupe circuit de compensation de température, et d'un groupe circuit générateur de signaux. Le groupe circuit de mesure de déphasage est consti- tué d'un circuit D qui transforme le signal représentatif du déphasage des signaux de sortie des émetteurs-récepteurs res- pectifs 4 et 5 en un signal temporel, d'un circuit E qui trans- forme le signal temporel ainsi obtenu en un signal de tension, et d'un circuit F servant à effectuer l'échantillonnage et le maintien de la valeur de crête du signal de tension. En relation avec les figures 6 et 8 a à 8 i, on va maintenant décrire le traitement, effectué dans le circuit D, du signal de sortie de l'émetteurrécepteur 4 associé aux ultrasons dirigés vers l'avant Le signal 23 (figure 8 a) associé aux ultra- sons possède une forme d'onde carrée et est produit en un point a de la figure 6, pour être ensuite reçu par l'élément de réception 4 a. Le signal de sortie 24 (figure 8 b) apparaissant en un point b de la figure 6 a une forme d'onde sinusoïdale Le signal 24 est amplifié par un amplificateur 25, puis une tension continue lui est ajoutée par des résistances 26 et 27 de sorte qu'un signal polarisé 28 ayant la forme d'onde présentée sur la figure 8 c est obtenu en un point c Le signal 28 est envoyé à un comparateur 29 pour être comparé avec la tension de polarisation continue faisant fonction de niveau de seuil En résultat, un signal 30 (figure 8 d) présentant une forme d'onde carrée est obtenu un point d Le si- gnal 30 subit une dérivation de la part d'un condensateur 31 et d'une résistance 32 de sorte qu'il est obtenu un signal pulsé possédant des impulsions de montée 33 et des impulsions de cou- pure 34, comme cela apparalt sur la figure 8 f, en un point e. Les impulsions de rupture 34 ainsi obtenues sont inversées par un inverseur 35 pour être appliqué (point f) comme signal d'entrée de positionnement 37, à la borne S d'une bascule 36 La forme d'onde du signal d'entrée de positionnement 37 est présentée sur la figure 8 f. Le signal de sortie de l'émetteur-récepteur 5 associé aux ultrasons dirigés vers l'arrière est traité de manière analogue de sorte qu'il est obtenu en un point Ode la figure 6 un signal de repositionnement 38, représenté sur la figure 8 g Le signal de repositionnement 38 est envoyé à une borne de repositionnement R de la bascule 36. En réponse au signal de positionnement 37 et au signal de repositionnement 38 mentionnés ci-dessus, la bascule 36 produit à sa borne Q (point h) un signal d'onde carrée 39, qui est représenté sur la figure 8 h La largeur d'impulsion du signal 39 représente le déphasage temporel At. Les signaux 39 produits par la bascule 36 sont inté- grés par le circuit E qui contient une résistance 40 et un conden- sateur 41 de sorte qu'il est obtenu en un point j un signal 42 présentant une forme d'onde en dents de scie telle que représentée Io sur la figure 8 j. A l'étape ultérieure, la valeur de crête du signal 42 subit un traitement d'échantillonnage et de maintien dans le cir- cuit F Dans ce cas, un signal 43 (figure 8 i) apparaissant en un point i, qui est préparé par dérivation du signal de sortie de la bascule 36 par un condensateur 44 et une résistance 45, puis invet- sion du signal dérivé par un inverseur 46, est utilisé comme signal de cadencement pour cette opération d'échantilonnage et de maintien. Plus spécialement, l'opération d'échantillonnage et de maintien de la valeur de crête est réalisée par l'application du signal 42 pro- duit par le circuit E à un amplificateur tampon 47, la fermeture et l'ouverture d'un commutateur analogique 48 sous commande du signal de cadencement 43 venant de l'inverseur 46, puis la charge d'un condensateur 49. Si la valeur de crête du signal 42 est maintenue dans le condensateur 49, le signal 42 issu du circuit E cesse d'être nécessaire Par conséquent, le condensateur 41 du circuit E est déchargé par la fermeture d'un commutateur analogique 54 avec un cadencement approprié sous commande d'un signal de cadencement 53 (figure 8 k) qui est obtenu au point k par la temporisation du signal 43 effectuée par le moyen d'une résistance 50, d'un con- densateur 51 et d'un circuit OU 52. Le signal de sortie 56 de ce circuit F d'échantil- lonnage et de maintien possède la forme d'onde présentée sur la figure 8 t après amplification par un amplificateur tampon 55 (point t) En d'autres termes, un signal de tension correspondant au déphasage temporel t est produit. Dans le circuit de compensation de température présenté sur la figure 6, un circuit comportant la thermistance 6, qui fait fonction de capteur de température, et les résistances 56, 57, 58 et 59 sert à produire en un point m une variation de poten- tiel AV, laquelle varie linéairement autour d'une valeur de tempé- rature de référence de 250 en fonction de la variation AT de la température Dans ce cas, il est établi une relation AV = a AT, ou a 1 est une constante de proportionnalité Le signal de sortie de l'amplificateur différentiel 60 (qui apparaît en un point n) est ajusté de façon à être nul' (c'est-àdire égal à O volts) lorsque T = 250 C (c'est-à-dire AT = 00 C) Si l'on suppose que le facteur d'amplification de l'amplificateur différentiel 60 vaut a 2, le signal de sortie de l'amplificateur 60 s'exprime sous la forme c 2 à V = aca 2/ LT Ensuite, le signal de sortie de l'amplifi- cateur 60 est appliqué à un amplificateur 61 pour y être amplifié. Si le facteur d'amplification de l'amplificateur 61 vaut A, son signal de sortie s'exprime sous la forme a 2 P& V. Le facteur d'amplification D est ajusté de manière préliminaire par des résistances 62 et 63 de façon que a 2 i 6 V= KLR T (voir aussi figure 7) Dans ce cas, le coefficient 1 désigne la constante K incluse dans l'expression d'une constante de compensa- tion de température y = 1 + K,&T, si bien que la tension apparais- sant en un point o est égale à KZST D'autre part, des résistances 64 et 65 sont choisies de façon que la tension apparaissant en un point p soit égale à l'unité ( 1 volt) A l'aide d'un amplificateur 66, cette tension est ajoutée à l'expression KL T, si bien que le signal de tension représentant la constante de compensation de température y = 1 + Kà T est obtenu à la sortie de l'amplificateur 66 (voir aussi figure 7). Le signal de sortie du groupe circuit de mesure de déphasage qui apparaît au point i et le signal de sortie du groupe circuit de compensation de température apparaissant au point q sont appliqués à un multiplicateur 67 de façon qu'il soit obtenu un signal de sortie de tension représentant la vitesse d'écoulement de l'air Ensuite, le signal de sortie du multiplicateur 67 est soumis à une conversion tension-fréquence dans un oscillateur à commande de tension 68, puis est transformé en un signal ayant une fréquence prédéterminée dans un diviseur de fréquence 69 Un multi- vibrateur monostable 70 est commandé par le signal de sortie du diviseur de fréquence 69 de façon à produire un signal de sortie permettant de commander le fonctionnement de l'injecteur 9 L'oscil- lateur 68 constitue, avec le diviseur de fréquence 69 et le multivibrateur monostable 70, le groupe circuit générateur de signaux (voir aussi figure 7). Ainsi que le montre clairement la description qui vient d'être faite, il n'y a rien, selon l'invention, qui gêne l'écoulement de l'air dans le passage du capteur Par conséquent, l'invention se révèle avantageuse en ce qu'aucune perte de pres- sions n'a lieu, ce qui amène une augmentation du rendement du moteur, et en ce qu'on peut compter sur un large degré de choix dans la conception du capteur De plus, puisque la production de tourbillons de Karman n'est pas nécessaire pour la mesure de la vitesse d'écoulement, la sensibilité de la mesure dans la gamme des faibles vitesses est améliorée. De plus, les émetteurs-récepteurs d'ultrasons sont montés à l'extérieur du passage du capteur à l'aide de capuchons protecteurs tandis que la surface interne du capteur et certaines pièces associées sont revêtues de substances absorbant le son, si bien qu'il est possible de réduire les perturbations du signal de sortie, lesquelles pourraient être produites par réflexion des ultrasons, parasites, etc. De plus, puisque les deux émetteurs-récepteurs d'ultrasons sont utilisés pour déterminer le déphasage temporel &t et que la compensation de température est effectuée simultanément d'après une approximation linéaire, il peut être obtenu, selon l'invention, un débitmètre l'air à ultrasons qui présente une vitesse de réponse et une précision de mesure élevées. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'ima- giner> à partir du débirmère dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. 1 l REVENDICATIONS 1 Débitmètre d'air à ultrasons pour moteur à combustion interne d'un véhicule, comprenant: un capteur ( 1) monté sur un passage d'admission ( 2) dont une extrémité est ouverte à l'atmosphère et l'autre extrémité communique avec la chambre de combustion ( 10) du moteur, et un circuit de traitement destiné à traiter les signaux de sortie du capteur pour permettre la mesure d'un débit d'air, caractérisé en ce que le capteur comprend un élément tubulaire ( 12) qui présente une section droite de forme prédéterminée et dans lequel passe l'air destiné à alimenter la chambre de combustion, et au moins deux émetteurs-récepteurs d'ultrasons ( 4, 5) juxtaposés l'un à l'autre, l'un des émetteurs-récepteurs d'ultrasons comportant un premier élément d'émission ( 4 b) et un premier élément de réception ( 4 a) l'un en regard de l'autre qui sont montés sur l'élément tubu- laire de façon que la direction de rayonnement des ultrasons pro- duits par le premier élément d'émission vers le premier élément de réception coupe l'écoulement d'air (A) passant dans l'élément tubulaire suivant une direction oblique tournée vers l'aval de l'écoulement d'air, et l'autre émetteur-récepteur ( 5) comportant un deuxième élément d'émission ( 5 b) et un deuxième élément de réception ( 5 a) en regard l'un de l'autre qui sont montés sur l'élément tubulaire de telle manière que la direction de rayon- nement des ultrasons produits par le deuxième élément d'émission à destination du deuxième élément de réception coupe l'écoulement d'air passant dans l'élément tubulaire suivant une direction oblique tournée vers l'amont de l'écoulement d'air, et en ce que le circuit de traitement a pour fonction de mesurer un déphasage (bt) entre un premier signal de sortie ( 24) du premier élément de réception et un deuxième signal de sortie du deuxième élément de réception si bien que le débit d'air passant dans l'élément tubulaire est mesuré sur la base du déphasage ainsi mesuré. 2 Débitmétre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et deuxième éléments d'émission et les premier et deuxième éléments de réception sont placés sur une surface externe de l'élément tubulaire par l'intermédiaire d'un élément de blindage ( 19). 3 Débitmèetre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface interne de l'élément tubulaire est revêtue d'une substance ( 20) absorbant le son. 4 Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une plaque ( 14) de blindage vis-à-vis des ultrasons est disposée entre les éléments d'émission et de réception montés sur une surface externe commune de l'élément tubulaire.