Brevet FR2515342A1 — publié le 19830429

La présente invention concerne d'une manière générale les capteurs qui, fonctionnant sur le principe du fil chaud, mettent à profit les propriétés des résistances thermo-variables, ou thermo-résistance, et comportent donc une telle thermo-résistance disposée aux bornes d'une source d'alimentation pour relevé d'une grandeur électrique sur une borne de sortie. I1 a été déjà proposé de mettre en oeuvre une pluralité de tels capteurs pour la constitution d'une jauge de niveau, et plus particulièrement d'une jauge de carburant pour réservoir de véhicule automobile. Dans une telle jauge, les divers capteurs mis en oeuvre sont, à la manière des barreaux d'une échelle dont tout ou partie sont immergés suivant le niveau à contrôler, échelonnés en parallèle aux bornes d'une même source d'alimentation, pour desserte d'un circuit d'exploitation, et la thermo-résistance qu'ils comportent est une thermo-résistance à coefficient de température positif. Ainsi qu'on le sait, la résistance électrique d'une telle thermo-résistance est initialement faible, et, si elle est d'abord légèrement décroissante avec la température, elle croit ensuite brutalement de manière exponentielle à partir d'une température de transition. Lorsqu'une telle thermo-résistance à coefficient de température positif est reliée à une source de tension, sa résistance, initialement faible, donne initialement lieu à un fort courant, ce qui en provoque un échauffement rapide, avec absorption, et donc consommation, d'une puissance électrique notable, jusqu'à la température de transition. Puis, la résistance croissant avec la température, la puissance électrique absorbée par une telle thermo-résistance à coefficient de température positif décroît, et un équilibre thermique est atteint lorsque cette puissance électrique est exactement égale à celle perdue par ailleurs sous forme de dissipation calorifique par la thermo-résistance. A l'équilibre, cette puissance électrique dépend donc, puisqu'elle est égale à la puissance perdue par dissipation calorifique, des caractéristiques des conditions suivant lesquelles se fait l'échange thermique entre la thermo-résistance et le milieu ambiant dans lequel celle-ci est plongée, et il en est de même du courant traversant alors cette thermo-résistance: s'il s'agit d'un gaz, l'échange thermique se fait mal, et un faible courant suffit à maintenir la thermo-résistance à la température d'équilibre atteinte ; par contre, s'il s'agit d' un liquide, l'échange thermique est meilleur, et il faut un courant supérieur au précédent pour maintenir la thermo-résistance à sa température d'équllibre. Ainsi, une discrimination est possible vis-à-vis du milieu ambiant, et, s'agissant d'une jauge de niveau, le cou- rant total absorbé par une telle jauge dépend, entre autres, du nombre de ses capteurs immergés. I1 est donc normalement possible de déterminer, avec une telle jauge, le niveau à contrôler. En pratique, de nombreuses difficultés apparaissent. Tout d'abord, ou bien la capacité de discrimination air liquide de chaque capteur est faible, les deux points d'équilibre correspondants se situant sur la partie fortement croissante de la courbe de résistance de la thermo-résistance à coefficient.de température positif formant un tel capteur, et il en résulte une certaine ambiguïté sur le signal de sortie obtenu pour l'ensemble de la jauge, ou bien l'un des points d'équilibre se trouve sur ladite partie fortement croissante de cette courbe et l'autre sur sa partie décroissante, et, alors, la résistance étant faible pour ce dernier, la consommation en courant est élevée pour l'ensemble de la jauge. En outre, la puissance électrique absorbée à l'equili- bre par les capteurs concernés étant relativement élevée, tous les capteurs mis en oeuvre doivent présenter des dimensions suffisantes pour être à même de résister sans destruction à une telle puissance. I1 en résulte qu'ils doivent en correspondance être écartés les uns des autres d'une distance comparable relativement élevée, et que le signal de sortie de l'ensemble manque de précision. Enfin , la grandeur électrique à relever étant un courant, elle nécessite pour son exploitation un circuit relativement complexe. La présente invention a d'une manière générale pour objet une disposition permettant de pallier ces difficultés. De manière plus précise, elle a tout d'abord pour objet un capteur du genre mettant en oeuvre une thermo-résistance à coefficent de température positif disposée aux bornes d'une source d'alimentation pour relevé d'une grandeur électrique sur une borne de sortie, ce capteur étant caractérisé en ce qu'il comporte, en serie avec ladite thermo-résistance à coefficient de température positif, et couplée thermiquement avec celle-ci, une thermo-résistance à coefficient de température négatif, et en ce que sa borne de sortie est au point milieu entre lesdites thermo-résistances. Ainsi, le capteur suivant l'invention présente globalement une résistance, qui, résultant de la combinaison de la résistance d'une thermo-résistance à coefficient de température positif et de celle d'une thermo-résistance à coefficient de température négatif, est initialement très élevée, et dé- croît d'abord fortement avant de recommencer à croître fortement au-delà d'une température de transition. La conséquence en est double. Tout d'abord, la puissance électrique absorbée passant par un maximum, à l'inverse de la résistance, la capacité de discrimination air liquide est élevée Les points d'équilibre peuvent en effet avantageusement se situer de part et d'autre de ce maximum, et le signal de sortie a de ce fait des niveaux très différenciés pour ces points d'équilibre. En outre, la résistance étant élevée pour l'un et l'autre des points d'équilibre, puisqu'elle correspond tantôt à celle de thermo-résistance à coefficient de température positif et tantôt à celle de thermo-résistance à coefficient de temrature négatif, la consommation à l'équilibre est toujours avantageusement réduite. De ce fait, le capteur suivant l'invention peut avoir des dimensions relativement faibles, ce qui permet, pour une jauge, de multiplier si désiré le nombre de capteurs mis en oeuvre, et, par là, d'augmenter la précision du signal de sortie d'une telle jauge. Enfin, le signal de sortie du capteur suivant l'invention est avantageusement une tension, puisque prélevé au point milieu entre ses deux thermo-résistances. I1 en résulte avantageusement, pour une jauge comportant de tels capteurs, une simplification du circuit d'exploitation nécessaire. La présente invention a encore pour objet une telle jauge. Cette jauge, qui est du genre comportant une pluralité de capteurs échelonnés en parallèle aux bornes d'une source d' alimentation pour desserte d'un circuit d'exploitation, est caractérisée en ce que, lesdits capteurs étant des capteurs suivant l'invention, ledit circuit d'exploitation comporte une pluralité de comparateurs, un par capteur, lesdits comparateurs ayant chacun l'une de leurs entrées reliée à la sortie du capteur correspondant tandis que par leur autre entrée ils sont reliés en parallèle à une même source de référence et que par leur sortie ils sont reliés en parallèle, par l'intermédiaire d'un galvanomètre, à la source d'alimentation des capteurs. Suivant qu'un capteur est ou non immergé, et donc que son signal de sortie est à l'un ou l'autre de deux niveaux distincts, le comparateur correspondant dérive ou non vers la masse, à travers le galvanomètre, une fraction de la tension d'alimentation, en sorte que l'indication donnée par ce galva nomètre dépend globalement du nombre de capteurs effectivement immergés. Ainsi, à une exploitation analogique du courant traversant la jauge est très simplement substituée une exploitation digitale par tout ou rien de la tension des signaux de sortie des capteurs. En outre, de préférence, la source de référence des comparateurs mis en oeuvre est formée par une fraction de la source d'alimentation des capteurs. La reponse de la jauge est de ce fait avantageusement indépendante de la valeur réelle de la tension de la source d'alimentation. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d' exemple, en référence aux dessins schématiques annexés sur lesquels la figure 1 est un bloc diagramme d'un capteur suivant l'invention la figure 2 est, à échelle relativement importante, une vue en coupe transversale d'un tel capteur ; les figures 3A, 3B, 3C, 3D sont des diagrammes illustrant son fonctionnement; la figure 4 est un bloc diagramme d'une jauge de niveau mettant en oeuvre des capteurs suivant llinvention; la figure 5 est une vue en perspective d'une variante de réalisation d'un capteur suivant l'invention. D'une manière générale, et tel qu'illustré par la figure 1, le capteur 10 suivant l'invention est du genre mettant en oeuvre une thermo-résistance à coefficient de température positif 11 disposée aux bornes d'une source d'alimentation 12, entre la borne positive de celle-ci et la masse, pour relevé d'une grandeur électrique sur une borne de sortie 13. Suivant l'invention, un tel capteur 10 comporte, en série avec la thermo-résistance à coefficient de température positif 11, et, couplée thermiquement avec celle-ci, tel que schématisé par un encart en traits interrompus 14 sur la figure 1, une thermo-résistance à coefficient de température négatif 15, et sa borne de sortie 13 est au point milieu M entre lesdites thermo-résistances 11, 15. Pour leur couplage thermique, les deux thermo-résistances 11, 15 peuvent, par exemple, et tel qu'illustré à la figure 2, être accolées l'une à l'autre. En pratique, dans la forme de réalisation illustrée par cette figure 2, la thermo-résistance 15 est solidarisée, par exemple par soudage ou collage, à un circuit imprimé 17, autour d'un évidement 18 de celui-ci et de sa plaquette de support 19, ledit évidement 18 laissant passage, avec ou sans jeu, à la thermo-résistance 11, et ladite thermo-résistance 11 étant soudée ou collée- à la thermo -résistance 15. Bien entendu, les bornes concernées des thermo-résistances 11, 15 sont alors en liaison électrique avec le circuit imprimé 17, qui forme ainsi leur point milieu. En cas de collage par exemple, la colle mise en oeuvre est à cet effet rendue conductrice, par de l'argent ou du cuivre par exemple. En variante, pour leur couplage thermique, les deux thermo-résistances 11, 15 peuvent par exemple, et tel qu'illus tré par la figure 5, être solidari, par collage ou soudage par exemple, comme précédemment, d un meme support métallique 20, un simple clinquant en cuivre par exemple, en étant chacune respectivement disposées de part et d'autre de celui-ci; comme précédemment, le support metallique 20 forme alors leur point milieu. Quoi qu'il en soit, les fils de contact assurant leur connexion à la masse, à la borne positive de la source d'alimentation 12, et à la borne de sortie 13 de l'ensemble, sont de préférence des fils en acier, et, en pratique, des fils en acier inoxydable. Sur les diagrammes des figures 3A et 3B, on a porté, en abscisses, la température t, et, en ordonnées, la résistance R. La courbe R1 du diagramme de la figure 3A correspond à la résistance de la thermo-résistance à coefficient de température négatif 15, et la courbe R2 à celle de la thermo-résis- tance à coefficient de température positif 11. La courbe R E du diagramme de la figure 3B correspond à la résistance équivalente que présente globalement le capteur 10. Elle présente un minimum, pour une valeur to de la tem o pérature, ou température de transition. Sur le diagramme de la figure 3C, on a porté, en abscisses, la température t, et, en ordonnées, la puissance P. La courbe P1 de ce diagramme représente la puissance électrique absorbée par le capteur 10. Elle a donc une allure exactement inverse de celle de la courbe représentant la résistance R E de ce capteur, et présente de ce fait un maximum pour la température de transition. Les courbes et e t P2B du diagramme de la figure 3C représentent la puissance perdue par le capteur 10 sous forme de dissipation calorifique, par échange thermique avec le milieu ambiant dans lequel il est plongé. Elles sont issues d'un point d'abscisses m, correspondant à la température du milieu ambiant considérée, et ont globalement l'allure de droites. Si le milieu ambiant est bon conducteur de la chaleur, et c'est le cas d'un liquide, la pente générale d'une telle courbe est relativement élevée : c'est le cas de la courbe P2A, qui recoupe la courbe P1 en un premier point d'équilibre EA Si le milieu ambiant est mauvais conducteur de la chaleur, et c'est le cas d'un gaz, la pente générale de la courbe correspondante est relativement faible : c'est le cas de la courbe P2B' qui recoupe la courbe P1 en un deuxième point d' équilibre EB. Far un choix approprié des composants des capteurs 1O en fonction de ses conditions normales d'utilisation, il est fait en sorte que la température de transition to soit toujours largement supérieure à la température t du milieu ambiant à m traiter, et que les points d'équilibre EA, E B correspondent à des température tAt tB encadrant très largement cette température de transition to. Par suite, pour ces températures tA A tBI la résistance RE du capteur 10 est toujours relativement élevée. Autrement dit, pour l'équilibre, la consommation du capteur 10 suivant l'invention est toujours relativement faible, sa consommation ne se développant réellement que pour la période transitoire au cours de laquelle il passe d'un point d'équilibre à un autre. Sur le diagramme de la figure 3D, on a porté, en abscisses la température t, comme précédemment, et, en ordonnées, le rapport r entre la tension du signal de sortie sur la borne de sortie 13, d'une part, et la tension de la source d'alimentation 12, d'autre part. Pour les valeurs faibles de la température, ce rapport r est maximal, et a en pratique une valeur proche de 1, tout se passant comme si, ayant une résistance faible, la thermorésistance à coefficient de température positif 11 mettait directement en liaison la borne de sortie 13 avec la borne positive de la source d'alimentation 12. Par contre, pour les valeurs élevées de la température le rapport r a une valeur faible, qui tend asymptotiquement vers zéro, tout se passant comme si, ayant alors une résistance faible, la thermo-résistance à coefficient de température négatif 15 mettait directement en liaison avec la masse la borne de sortie 13. Les températures d'équilibre tA, tB étant en pratique largement écartées l'une de l'autre, pour les raisons exposées ci-dessus, les valeurs correspondantes rA, rB du rapport r défini ci-dessus sont elles-mêrnes largement écartées l'une de l'autre, en sorte que le capteur suivant l'invention offre, par le niveau de son signal de sortie, une grande capacité de discrimination vis-à-vis du milieu ambiant dans lequel il est plongé, ce niveau étant élevé lorsque ledit milieu ambiant est bon conducteur ae la chaleur, et faible dans le cas contraire. Tel qu'illustré par la figure 4, une jauge de niveau 25 suivant l'invention comporte une pluralité de capteurs 10 échelonnés en parallèle aux bornes de la source d'alimentation 12, pour desserte d'un circuit d'exploitation commun 26. Par exemple, et tel qu'illustré, les divers capteurs 10 peuvent être portés par un même circuit imprimé 17, 19. Suivant 1' invention, le circuit d'exploitation 26 comporte une pluralité de comparateurs 27, un par capteur 10, lesdits comparateurs 27 ayant chacun l'une de leurs entrées reliée à la sortie du capteur 10 correspondant, et plus préci sément au point milieu M de celui-ci, tandis que, par leur autre entrée, ils sont reliés en parallèle à une même source de référence 28, et que, par leur sortie, ils sont reliés en parallèle, par l'intermédiaire d'un galvanomètre 29, à la source d'alimentation 12 des capteurs 10, et plus précisement, à la borne positive de celle-ci. En pratique, une résistance 31 est disposée en aval de la sortie de chacun des comparateurs 27, entre celui-ci et le galvanomètre 29. En pratique également, la source de référence 28 de ces comparateurs 27 est formée par une fraction de la source d'alimentation 12 des capteurs 10, par branchement sur le point intermédiaire d'un pont diviseur, qui, constitué par exemple de deux résistances 32, est établi entre la borne positive de cette source d'alimentation 12 et la masse. Suivant que le signal délivré par un capteur 10 est à son niveau haut ou à son niveau bas, le comparateur 27 correspondant dérive vers la masse, ou non, à travers le galvanomètre 29, une fraction du courant délivrée par la source d'alimentation 12, fraction qui dépend de la résistance en série 31 cor respondante. Ainsi, la mesure de tension assuree par le galvanomètre 29 est à l'image du nombre de capteurs 10 immergés dans le li quide dont le niveau N, tel que schématisé en traits interrompus à la figure 4, est à contrôler. Par un choix approprié des résistances 31, il est possible d'ajuster à la valeur désirée, la hauteur de la marche d'une telle mesure correspondant à l'immersion d'un capteur 10. De même, le galvanomètre mis en oeuvre est dans ce cas un galvanomètre de bord usuel pour un tel véhicule, et les autres composants, les résistances notamment, sont choisis en conséquence. Suivant un développement d'invention, l'une ou l'autre des résistances 32 définissant la source de référence 28 est une thermo-résistance, et celle-ci est maintenue en contact thermique avec le liquide à jauger, ou avec le gaz surmontant celui-ci. De ce fait, la tension de cette source de référence est avantageusement rendue dépendante de la température t du m milieu ambiant mentionnée, cidessus en référence à la figure 3C, ce qui permet de prendre en compte des variations importantes de cette température et d'en compenser les effets sur le fonctionnement de la jauge. Bien entendu, la présente invention ne se limite d'ailleurs pas aux formes de réalisation décrites et représentées, mais englobe toute variante d'exécution. Son domaine d'application ne se limite pas non plus à celui des seules jauges de carburant pour véhicules automobiles mais s'étend notamment aussi bien à celui de n'importe quelles jauges de niveau. REVENDICATIONS 1) Capteur, du genre mettant en oeuvre une thermo-résistance à coefficient de température positif (11) disposée aux bornes d'une source d'alimentation (12) pour relevé d'une gran deur électrique sur une borne de sortie (13), caractérisé en ce qu'il comporte en série avec ladite thelBrmo-résistance à coefficient de température positif (11), et couplée thermiquement avec celle-ci, une thermo-résistance à coefficient de température négatif (15), et en ce que sa borne de sortie (13), est au point milieu (M) entre lesdites thermo-résistances (11, 15). 2) Capteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, pour leur couplage thermique, les deux thermo-résis- tances (11, 15) sont accolées l'une à l'autre. 3) Capteur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'une des thermo-résistances (11, 15) est solidarisée à un circuit imprimé (17) autour d'un évidement (18) de celuici et de sa plaquette de support (19) laissant passage à 1' autre. 4) Capteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, pour leur couplage thermique, les deux thermo-résistances (11, 15) sont solidarisées à un même support métallique (20), en étant chacune respectivement disposées de part et d' autre de celui-ci. 5) Capteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les fils de contact des thermorésistances (11, 15) sont des fils en acier. 6) Jauge de niveau, du genre comportant une pluralité de capteurs (10) échelonnés en parallèle aux bornes d'une source d'alimentation (12) pour desserte d'un circuit d'exploitation (26), caractérisée en ce que lesdits capteurs (10) sont chacun conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7) Jauge de niveau suivant la revendication 6, caractérisée en ce que le circuit d'exploitation (26) comporte une pluralité de comparateurs (27), un par capteur (10), lesdits comparateurs (27) ayant chacun l'une de leurs entrées reliée à la sortie du capteur (10) correspondant, tandis que par leur autre entrée ils sont reliés en parallèle à une même source de référence (28) et que par leur sortie ils sont reliés en pa rallèle, par l'intermédiaire d'un galvanomètre (29), à la source d'alimentation (12) des capteurs (10). 8) Jauge de niveau suivant la revendication 7, caractérisée en ce que une résistance (31) est disposée en aval de la sortie de chacun des comparateurs (27). 9) Jauge de niveau suivant l'une quelconque des revendications 7, 8, caractérisée en ce que la source de référence (28) des comparateurs (27) est formée par une fraction de la source d'alimentation (12) des capteurs (10). 10) Jauge de niveau suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9 caractérisée en ce que la source de référence (28) est dépendante de la température du liquide à jauger ou de celle du gaz surmontant celui-ci. 11) Jauge de niveau suivant les revendications 9, 10, prises conjointement, caractérisée en ce que, la source de référence (28) étant prise sur le point intermédiaire d'un pont diviseur établi entre les bornes de la source d'alimentation (12) des capteurs (10), l'une des résistances (32) de ce pont diviseur est une thermo-résistance.