Brevet FR2522811A1 — publié le 19830909

" Sonde de mesure pour la détermination de la masse et/ou de la température d'un fluide en écoulement ". L'invention concerne une sonde de mesure pour la détermination de la masse et/ou de la tempéra- ture d'un fluide en écoulement, du type pourvu d'un support pour un dispositif de résistance en couche mince dépendante de la température. Une telle sonde est connue, sous la forme d'un dispositif de mesure de débit de traversée, d'après le document EP A 1 21 291 11 y est décrit une sonde de mesure dans laquelle un fluide en écoulement passe devant deux résistances dépendantes de la tempé- rature formées comme des couches minces de résistance, dont l'une sert de résistance de mesure et la seconde de résistance chauffante te refroidissement de la ré- sistance chauffée, ainsi que le courant nécessaire pour son réchauffage, constituent une mesure pour la quantité de fluide s'écoulant (débit) Le support de cette sonde connue est constitué par un cadre sur lequel est tendue une feuille portant les résistances Dans la zone cor- respondant aux résistances, le cadre présente des évide- ments tels que, dans cette zone, seule la feuille agit comme support Une disposition de ce genre possède dans son ensemble une capacité de chaleur élevée, car même le cadre est compris dans le bilan thermique Tout d'abord, la sonde de mesure suit les variations de tem- pérature d'une manière très rapide Cependant, dans la suite, il se manifeste une différence de température par rapport au cadre, et, en conséquence, la différence de température, après la première adaptation rapide, s'effectue à une allure relativement lente. D'après une demande de brevet antérieure P 31 13 745 8, il est connu de monter une résistance en couche mince sur un support métallique, avec inter- position d'une couche d'isolation Comme support de cette bande de mesure de dilatation connue, il est prévu un élément à ressort constitué, par exemple, en une pla- que de ressort en cuivre et béryllium (Cu-Be). L'invention a pour objet une sonde de mesure, caractérisée en ce que le support est constitué par une feuille de métal, qui est recouverte d'une cou- che électriquement isolante, sur laquelle est monté l'ensemble de résistances. Cette sonde présente, par rapport à la sonde connue à film chauffé, l'avantage résidant en ce que sont ainsi obtenus une haute stabilité mécanique de la sonde, et un faible retard de l'allure de tempé- rature dans l'opération de mesure Les métaux possèdent une bonne capacité de conductibilité de la chaleur et la surface du support peut pratiquement être utilisée dans sa totalité pour constituer l'installation de résistance, de sorte qu'il n'existe aucun excès de métal non utilisé Un support métallique présente en même temps de bonnes propriétés de résistance mécani- que, ce qui accroit considérablement sa durée de ser- vice dans la disposition dans un fluide en écoulement. Pour cela, il suffit de prévoir une très faible épais- seur du support, ce qui constitue un avantage important par rapport aux dispositions connues de la technique intéressée. L'invention s'étend à différentes formes de réalisation. Du point de vue technique de fabrication et du point de vue du montage de l'ensemble de sonde, l'invention prévoit deux résistances dépendantes de la température disposées sur le support et découplées thermiquement très efficacement entre elles par une fente prévue dans la feuille de métal, laquelle exclut pratiquement complètement une influence réciproque de température. Une disposition commune de résistances dépendantes de la température et de résistances indé- pendantes de la température sur le support est particu- lièrement indiquée lorsque les différentes résistances sont constituées en mêmes matériaux et couches de maté- riau identiques. Une disposition de ce genre peut avanta- geusement être réalisée de telle manière que les ré- sistances dépendantes de la température consistent en un système à double couche avec une couche de tantale recouverte d'une couche de nickel, tandis que les ré- sistances non dépendantes de la température présentent seulement un système de couche en tantale Dans cette disposition, les couches non dépendantes de la tempéra- ture peuvent être réalisées de manière très simple par enlèvement par érosion à l'acide de la couche de nickel qui se trouve sur la couche de tantale. En outre, les deux dispositifs de résis- tance sont lissés au moyen d'un rayonnement laser. Du point de vue de l'abaissement de la capacité thermique de la sonde de mesure, ont été cons- tatés comme judicieux des évidements dans la zone de l'application contre le bottier Par cette mesure, la transmission de chaleur vers le bottier est simultané- ment nettement réduite, et la vitesse de réponse de la sonde est encore améliorée. Du point de vue de la vitesse de réponse de la sonde, l'accessibilité des résistances pour le fluide en écoulement est décisive auquel cas un écoule- ment régulier, essentiellement laminaire a un effet particulièrement avantageux. De telles conditions d'écoulement sont obtenues de manière très simple et judicieux en recour- bant le support en une forme de U, avec, sur sa face intérieure, un canal pour le fluide en écoulement auquel les résistances sont exposées. Comme matériau pour la feuille de métal, le titane s'est révélé particulièrement approprié. En raison de ses propriétés, des feuilles de titane minces, d'une épaisseur par exemple de 50 microns, sont déjà très stables mécaniquement La den- sité du titane s'élève seulement à 4,5 kg/dm, et la capacité thermique spécifique moyenne est égale à 0,47 KJ (kg K) Ainsi, le titane prend, en épaisseur et capacité thermique, une valeur très faible pour le produit prévu comme capacité thermique d'une sonde sous la forme indiquée plus haut. Grâce à ces formes de réalisation des sondes de mesure, il est assuré que les quatre résistan- ces en pont équilibrées entre elles sont couplées mécani- quement et ne peuvent pas être confondues par erreur. La description ci-après se rapporte à deux exemples de réalisation de l'invention, avec réfé- rence aux dessins schématiques annexés dans lesquels: la figure 1 représente le montage méca- nique de la sonde. la figure 2 est une vue,en coupe par- tielle, à travers une sonde, comprenant une résistance dépendante de la température et une résistance indépen- dante de la température. la figure 3 représente une sonde de mesure à deux faces montée. la figure 4 représente une sonde de mesure à une seule face. la figure 5 montre la réalisation d'une sonde de mesure en forme de U. la figure 6 montre l'utilisation d'une sonde de mesure, conforme à la figure 5, dans le cas d'une mise sous tension à deux faces (a) et d'une mise sous tension à une face (b). En figure 1 sont désignés par les réfé- rences 10 à 13, les conducteurs de raccordement d'un pont de mesure à résistances quiforme une sonde de mesure pour la détermination de la masse et/ou de la température d'un fluide en écoulement Le pont contient des résistances dépendant de la température RI et R 2, ainsi que des résistances non dépendantes de la tempé- rature R 3 et R 4 Les raccords de branchement 12 et 13 respectifs entre une résistance dépendante de la tem- pérature et une résistance indépendante de la tempéra- ture sont amenés, en vue de la détermination de la masse (débit) d'un fluide en écoulement à un régulateur, de préférence par l'intermédiaire d'un amplificateur. Ce régulateur assure, par les raccords de branchement 10 et 11, le courant de chauffage de l'ensemble de ré- sistances. Pour déterminer la masse d'un fluide en écoulement, la résistance indépendante de la température se trouve chauffée progressivement lorsque, en raison d'un accroissement du débit de fluide, le refroidisse- ment de la résistance Rl croit L'intensité du courant de chauffage est alors une mesure pour la quantité de fluide en écoulement Il est inutile de décrire ici le procédé de détermination de la masse du fluide en écou- lement. Pour la détermination de la température, on peut utiliser l'une ou l'autre des deux résistances dépendant de la température Rl ou R 2 Le dispositif décrit, en plus de son emploi comme pont de mesure per- met également la possibilité d'utilisation d'une seule résistance de mesure pour une détermination rapide de la température. La figure 2 est une vue en coupe à tra- vers la sonde de mesure, avec les résistances dépendan- tes de la température RI et R 2 et les résistances indé- pendantes de la température R 3 et R 4, Le support 14 de la sonde est constitué par une feuille de métal, notam- ment de titane Il présente une épaisseur comprise en- tre 25 et 125 microns, selon les sollicitations mécani- ques et selon les conditions exigées relativement au temps de réaction de la sonde de mesure En règle géné- rale, il possède une épaisseur d'environ 100 microns et, avec une résistance mécanique élevée, il présente cependant de très bonnes propriétés thermiques. Sur le support 14 est disposée une cou- che de revêtement électriquement isolante 15 consistant, par exemple, en une couche de verre Sur cette couche de revêtement isolante 15, est rapportée, par technique de réalisation de couches minces, l'ensemble de résis- tances comprenant les résistances indépendantes de la température et dépendantes de la température Rl à R 4, avec une structure en tantale 16 et une structure en nickel 17 La structure en tantale 16 forme les résis- tances R 3 et R 4 et la double couche en tantale et nickel forme les résistances dépendantes de la température Rl et R 2 Par-dessus les résistances et la couche isolante est prévue encore une couche de protection 18 qui peut être, par exemple, une couche hydrophobe en polymérisat de mica. Les rapports d'épaisseurs indiqués ne correspondent pas à la réalité et sont simplement des- tinés à faciliter la lecture du dessin En réalité, le support 14 a une épaisseur de l'ordre de grandeur de à 100 microns, la couche d'isolation a une épaisseur d'environ 10 microns, l'épaisseur de la couche de résistance en titane est d'environ 0,05 micron, celle de la couche en titanenickel est d'environ 0,25 micron et la couche de protection 18 a une épaisseur de l'ordre de grandeur de 5 microns - La figure 3 est une représentation sché- matique de la constitution d'une sonde de mesure desti- née à la détermination de la masse d'un fluide en écou- lement, dont les résistances Rl à R 4 sont disposées et connectées de la manière représentée en figure 1 Ces résistances RI à R 4 sont représentées schématiquement et, en réalité, elles recouvrent pratiquement la tota- lité dé la surface supérieure du support 14 Les bran- chements électriques du pont de mesure sont désignés par 10 à 13 conformément à la figure 1 et sont connec- tés en correspondance. Le support 14 est maintenu sur deux côtés dans les parties de bottier 19 et 20 lesquelles sont elles-mêmes montées sur un élément de construction 21. Sur les extrémités de montage du support 14, auxquelles sont affectées les résistances Rl à R 4, sont prévus quatre évidements 22 à 25, de telle sorte que le support n'est appliqué qu'avec des surfaces de contact relative- ment réduites sur les parties de bottier respectives 19 et 20 et, par conséquent, ne délivre que peu de chaleur au bottier Le découplage thermique des résistances Rl et R 3 par rapport aux résistances R 2 et R 4 est assuré par une fente 26 dans le support 14, laquelle exclut en pratique toute influence thermique réciproque entre les deux branches du pont. Le support 14 est partagé par la fente 26 en deux domaines qui sont exposés tous les deux au fluide en écoulement dont la masse doit être déterminée. Grâce au découplage thermique au moyen de la fente 26, il est possible d'opérer le réglage de la température de la résistance RI, et ainsi de sa valeur de résistan- ce en correspondance avec son refroidissement par le fluide, sans que la résistance de comparaison R 2 égale- ment dépendante de la température soit influencée par l'échauffement Le support 14 est donc partagé, suivant sa longueur, en une voie de chauffage H et une voie de mesure M, comme indiqué à l'extrémité supérieure du support, par les lettres H et M. La disposition conforme à la figure 4 correspond en grande partie à celle de la figure 3, de sorte qu'aucun détail n'est indiqué et que les mêmes éléments sont désignés par des références identiques. La seule différence entre la disposition de la figure 4 et celle de la figure 3 réside en ce que le support 14 n'est maintenu que sur un côté sur l'élément de construction 21, de telle sorte que la transmission de chaleur dans le domaine supérieur avec les résistances dépendantes de la température est absolument empêchée. Dans cette disposition, une fente 27 ouverte vers un seul côté peut être prévue Comme en figure 3, le fluide en écoulement est indiqué schématiquement par la flèche 28. Aux figures 5 et 6, les éléments identi- ques sont également désignés par les mêmes références qu'aux figures précédentes Le support 14, suivant la figure 5, est recourbé à angle droit le long des axes 29 et 30 en traits points, de telle sorte que le sup- port est courbé conformément aux flèches 31 et 32 Les résistances RI à R 4 doivent être situées sur la face de dos du support 14, de telle sorte que, après le recourbement en forme de U, elles se trouvent sur les 252281 1 -faces intérieures des deux moitiés de support Dans cette zone, lors d'une disposition suivant la figure 6 a, avec un maintien sur les deux côtés, ou, dans une disposition suivant la figure 6 b avec un maintien sur un seul côté, il se produit un écoulement laminaire du fluide, ce qui constitue des conditions de mesure plus favorables et reproductibles. R E V E N D I C A T I O N S ) Sonde de mesure pour la détermination de la masse, et/ou de la température d'un fluide en écoulement, avec un support pour une disposition d'en- semble de résistances en couches minces, dépendantes de la température, sonde caractérisée en ce que le support ( 14) est constitué par une feuille de métal, pourvue d'un revêtement en une couche ( 15) électrique- ment isolante, sur laquelle est montée la disposition d'ensemble de résistances (Ri à R 4). ) Sonde suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la surface supérieure du support ( 14) est occupée dans sa totalité par l'ensemble de résistances (RI à R 4). 30) Sonde suivant l'une des revendications 1 ou 2, avec deux ensembles de résistances dépendantes de la température, baignés par le fluide en écoulement, dont l'un peut être échauffé par un courant électrique, les résistances dépendantes de la température étant découplées thermiquement entre elles, sonde caractéri- sée en ce que le découplage thermique est réalisé au moyen d'un partage du support en deux parties ( 26, 27). ) Sonde suivant la revendication 3, caractérisée en ce que, pour la réalisation du découpla- ge thermique, une fente ( 26, 27) est prévue dans le sup- port ( 14) entre les deux résistances dépendantes de la température (RI, R 2). ) Sonde suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que, deux ré- sistances dépendantes de la température (RI, R 2) et deux résistances indépendantes de la température (R 3, R 4) sont disposées sur le support ( 14). ) Sonde suivant la revendication 5, caractérisée en ce que les résistances dépendantes de la température (Ri, R 2) consistent en un système à deux couches comprenant une couche de tantale (Ta) et une couche superposée de nickel (Ni), tandis que les résistances indépendantes de la température (R 3, R 4) sont constituées par une couche unique en tantale (Ta). 70) Sonde suivant l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que le partage du support ( 14) entre les résistances dépendantes de la température (RI, R 2) et les résistances indépendantes de la température (R 3, R 4) en deux zones constituant chacune une branche de pont, est réalisé par une fente continue ( 26, 27). ) Sonde suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le support ( 14) est pourvu, dans le domaine de son application contre le bottier ( 19, 20 et 21) d'au moins un évide- ment ( 22 à 25). ) Sonde suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le support ( 14) est maintenu sur le bottier ( 21) par un seul côté. 100) Sonde suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le sup- port ( 14) est recourbé en forme de U, et la disposition d'ensemble de résistances (Rh à R 4) est prévue sur sa face intérieure, et exposée au fluide en écoulement ( 28). 110) Sonde suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la feuille de métal constituant le support ( 14) a une épaisseur comprise entre 25 et 125 microns. ) Sonde suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que la feuille de métal du support ( 14) est constituée en titane. ) Sonde suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que la couche de revêtement électriquement isolante ( 15) du support '( 14) est constituée par une couche de verre. ) Sonde suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que la dispo- sition d'ensemble de résistances à couche mince (Rl à R 4) est recouverte par une couche protectrice ( 18).