Brevet FR2532428A1 — publié le 19840302

DISPOSITIF DE MESURE DU POINT DE ROSEE La présente invention concerne un dispositif de mesure du point de rosée équipé d'un détecteur capacitif de rosée dont les électrodes sont placées en couche sur un substrat et d'un thermomètre à résistance dont la résistance de mesure est placée sur le substrat pour la mesure de la température de celui-ci. Dans le cas des dispositifs de mesure du point de rosée de ce type, on réduit normalement la température du substrat au moyen d'un dispositif de refroidissement approprié, et ceci jusqu'à ce qu'un dépôt de condensation se forme sur le substrat, un dispositif de régulation de température effec- tuant alors un réglage tel que lé dépôt de condensation conserve une épaisseur constante prédéterminée La tempé- rature du substrat mesurée par le thermomètre à résistance est alors la température du point de rosée Le dépôt de condensation est détecté de manière capacitive par le fait qu'en raison de l'importante constante diélectrique de l'eau, le dépôt de condensation provoque une importante augmenta- tion de la capacité mesurée entre les électrodes du détec- teur de rosée Les détecteurs de rosée capacitifs offrent une série d'avantages par rapport aux dispositifs de mesure du point de rosée réalisant une détection optique du dépôt- de condensation Ils sont nettement plus simples, plus petits, plus légers et moins coûteux, plus robustes du point de vue mécanique et moins sensibles à l'encrassement. Les dispositifs de mesure du point de rosée à détecteur capacitif de rosée sont, par exemple, connus, par les demandes de brevet allemand 22 35 212, et suédois 333820, et par l'article "A new Method of measuring and controlling humidity by electric cooling elements and capacitive sensors for dew" de D Schreiber paru dans "Measurement and Instrumen- tation Acta Imeko, 1973 ", Vol II", édition de l'Académie Hongroise des Sciences Dans le cas de ces dispositifs de me- sure du point de rosée connus, il existe une série d'inconvé- nients qui influencent la précision de mesure De manière générale, la résistance de mesure du thermomètre à résistan- ce, par exemple une Pt 100 est placée sur le susbtrat à côté de la surface occupée par les électrodes du détecteur de rosée Il peut en résulter des erreurs dans la mesure de la température car, du Tait des gradients de température, la température du substrat n'est pas uniforme En particulier, la mesure de la température nia pas lieu à l'endroit o la formation de rosée est détectée Toutefois la mesure de la température doit être réalisée avec une très grande pré- cision, car des erreurs de mesure de La valeur d'une frac- tion de Nelvin peuvent déjà avoir comme conséquence un décalage de quelques pour cent de la valeur de mesure de l'humidité. D'autres inconvénients des détecteurs capacitifs de rosée connus sont dus au fait que l'ensemble de la surface du substrat n'est pas disponible pour la détection de la rosée et que des opérations de fabrication particulières sont né- cessaires pour amener la résistance de mesure en association avec les électrodes du détecteur de rosée sur le substrat. Les problèmes et les inconvénients qui viennent d'être signalés sont encore accrus si au lieu d'une résistance de mesure on utilise d'autres capteurs de température pour la mesure de la température du substrat. Le but de l'invention est de réaliser un dispositif de mesure du point de rosée du type indiqué ci-dessus, dont le détecteur de rosée peut être réalisé de manière simple, peu onéreuse et compacte et possédant une grande précision de mesure. Ce but est réalisé selon l'invention par le fait que la résistance de mesure du thermomètre à résistance est constituée par au moins une des électrodes du détecteur capacitif de rosée. Les exigences imposées aux capteurs de température sont satisfaites de manière excellente grâce à l'utilisation d'au moins une des électrodes du détecteur capacitif de rosée comme résistance de mesure du thermomètre à résistance. La mesure a lieu directement à l'endroit de la détection de la rosée et la surface de mesure de température coïncide avec la surface de détection de la rosée, les éventuels gradients de température étant sans influence sur la pré- cision de mesure, car ils agissent de la même manière sur la mesure de la température et sur la détection de la rosée D'autre part, l'ensemble de la surface du substrat peut être utilisé aussi bien pour la détection de la rosée que pour la mesure de la température. Un avantage particulier est constitué par la simplicité de la fabrication du détecteur de rosée, car la résistance de mesure du thermomètre à résistance est fabriquée en même temps que les électrodes du détecteur de rosée et ceci sans opérations particulières Du fait d'un nombre moins impor- tants d'électrodes de raccordement, le détecteur de rosée peut également être changé plus facilement. Une forme de réalisation avantageuse de la présente invention consiste dans le fait qu'au moins l'électrode du détecteur de rosée constituant la résistance de mesure est réalisée en platine On obtient alors les caractéris- tiques avantageuses des thermomètres à résistance en platine, c'est-àdire en particulier une grande précision, une large gmme de températures et une -grande stabilité dans le temps Il est aussi possible d'attribuer à la résistance de mesure une valeur normalisée de 100 N pour une Pt 100 A la place du platine, on peut également utiliser du nickel. Si, comme il est courant dans le cas des détecteurs capacitifs de rosée, la surface du substrat qui supporte les électrodes est rendue étanche au moyen d'une couche de protection hermétique, la résistance de mesure est protégée contre la corrosion, les détériorations mécaniques et l'encrassement de la même façon que le détecteur de rosée. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront maintenant décrits au moyen des exemples de réalisation représentés sur les dessins Sur ces dessins la figure est une vue en plan d'une première forme de réalisation du détecteur de rosée d'un dispositif de mesure du point de rosée selon l'invention, la figure 2 est une vue en coupe du détecteur de rosée de la figure 1 la figure 3 est un schéma fonctionnel d'un dispositif de mesure du point de rosée muni du détecteur de rosée de la figure 1, la figure 4 est une vue en plan d'une deuxième forme de réalisation du détecteur de rosée, la figure 5 est une réalisation pratique d'un détecteur de rosée réalisé selon la première Forme de réalisation, et la figure 6 est un schéma électrique d'équivalence du détecteur de rosée de la figure 5. Le détecteur capacitif de rosée 1 représenté en plan sur la figure 1 et en coupe sur la figure 2 se compose d'un substrat isolé 2 en céramique sur lequel sont adaptés, selon le procédé connu d'application d'un film mince, les circuits imprimés 3 et 4 Le substrat 2 peut, par exemple, être réalisé en oxyde d'aluminium ou en oxyde de silicium qui est particulièrement avantageux, car il possède à peu près le même coefficient de dilatation thermique que le platine Pour la fabrication des circuits imprimés on peut, comme il est courant, recouvrir tout d'abord par vaporisa- tion l'ensemble de la surface du substrat 2 d'une couche de platine de l'épaisseur souhaitée pour les circuits imprimés et former ensuite ceux-ci par photogravure. Les circuits imprimés 3 et 4 constituent deux-élec- trodes en forme de peigne 5 et 6 se trouvant au même niveau et munies de doigts et de surfaces de contact 7, 8 et 9, s'emmanchant les uns dans les autres L'électrode en forme de peigne 5 constituée par le circuit imprimé 3 prend la forme usuelle d'une électrode en forme de peigne avec une liaison transversale 5 a, qui est reliée au doigt b disposé à angle droit par rapport à elle La liaison transversale 5 a est reliée à la surface de contact 7. L'électrode en forme de peigne 6 formée par le circuit imprimé 4 est par contre réalisée en forme de méandres. A l'exception des deux doigts extérieurs, chaque doigt 6 a se compose de deux sections de circuits imprimés 6 b disposées en parallèle reliés d'un côté entre eux par une liaison transversale courte 6 c et de l'autre côté au doigt proche des sections de circuits' imprimés par des liaisons trans- versales courtes 6 d Les extrémité libres des sections de circuits imprimés des doigts extérieurs sont reliées aux surfaces de contact 8 ou 9. La surface du substrat 2 qui porte les circuits imprimés 3 et 4 est munie d'une couche de protection 10 qui recouvre au moins les circuits imprimés de manière hermé- tique La couche de protection 10 sert de protection contre la corrosion et permet également un nettoyage facile du détecteur de rosée Elle peut être constituée de verxe, d'oxyde de silicium ou de nitrure de silicium appliqué par projection Comme il est courant dans le cas des dispositifs de mesure du point de rosée, un bloc de refroidissement 11 qui permet de refroidir le détecteur de rosée 1 est prévu. L'élément de refroidissement peut, par exemple, être un élément Peltier (non représenté) disposé dans le bloc de refroidissement Le bloc de refroidissement 11, peut, comme on le sait, recevoir en plus des dispositifs de refroidis- sement, un dispositif de chauffage, afin que la température du détecteur de rosée 1 puisse être maintenue exactement au point de rosée au moyen d'une régulation simultanée du chauffage et du refroidissement Si un élément Peltier est utilisé comme dispositif de refroidissement, celui-ci peut également être utilisé comme dispositif de chauffage par inversion de la polarité. La figure 3 montre le schéma fonctionnel électrique d'un dispositif de mesure du point de rosée équipé du détecteur de rosée représenté sur les figures l et 2 Le schéma électrique d'équivalence du détecteur de rosée l est représenté dans le rectangle en traits pointillés Le condensateur C représente la capacité entre les circuits imprimés 3 et 4 apparaissant entre les surfaces de contact 7 et 8 La résistance R% est la résistance des circuits imprimés entre les surfaces de contact 8 et 9. D'une manière habituelle pour les dispositifs de mesure du point de rosée, un circuit de mesure de capacité 12 qui fournit à un régulateur de température 13 un signal de sortie f'onction de la capacité CM est branché sur les surfaces de contact 7 et 8 Le régulateur de température 1 b 13 pilote Les dispositifs de refroidissement et de chauf- fage contenus dans le bloc de refroidissement 11. Le circuit de mesure de capacité 12 peut être réalisé d'une manière conmue en soi Il peut par exemple être équipé d'un oscillateur dont la fréquence d'oscillation est influenc&e par la capacité Cm. La particularité du dispositif de mesure du point de rosée représenté sur la figure 3 consiste dans le fait que le circuit imprimé 4 est utilisé comme résistance de mesure d'un thermomètre à résistance Pour cette raison, un circuit de mesure de résistance 14 est branché aux surfaces de contact 8 et 9, ce circuit fournissant un signal de sortie fonction de la résistance R et qui est affiché par un indicateur 15 Le circuit de mesure de la résistance 14 peut, par exemple, comporter un circuit en pont qui contient la résistance RM dans une section dr pont ou il peut tout simplement mesurer la chute de tension à la résistance R qui est provoquée par un courant continu constant envoyé par l'intermédiaire de la résistance RM. Etant donné que la résistance RM dépend de la température du détecteur de rosée 1, l'indicateur 15 peut être étalonné O 7 directement en Kelvin. Le dispositif de mesure du point de rosée de la figure 3 fonctionne de la manière suivante A la mise en marche de l'appareil, le détecteur de rosée 1 est normalement à la température environnante qui se situe en général au-dessus du point de rosée La capa- cité CM mesurée par le circuit de mesure de la capacité 12 est relativement faible Le circuit de mesure de la capacité 12 fournit un signal au régulateur de température 13 lui demandant de piloter le bloc de refroidissement 11 dans le sens d'une diminution de la température du détecteur de rosée 1. -Lorsque la température du détecteur de rosée 1 atteint le point de rosée, -il se forme à la surface du détecteur de rosée un dépôt de condensation Du fait de l'importante constante diélectrique de l'eau, la capacité CM change. Le circuit de régulation constitué par le circuit de mesure 12, par le régulateur de température 13 et par le bloc de refroidissement 11 maintient-à présent le détecteur de rosée 1 à une température qui correspond à une valeur prédéterminée de la capacité CM Cette valeur de capacité correspond à une épaisseur donnée du dépôt de condensation sur le détecteur de rosée. La température affichée par l'indicateur 15 dans cet état de régulation constitue le point de rosée. Grâce à l'utilisation du circuit imprimé 4, comme mesure de résistance du thermomètre à résistance, les exigences imposées au capteur de température pour la mesure de la température d'un détecteur de rosée sont satisfaites de manière excellente Etant donné que le circuit imprimé est réalisé en platine, on obtient la précision de mesure d'un thermomètre à résistance en platine Il est possible, sans problème, de donner au circuit imprimé la résistance normalisée d'un Pt 100 de 100 Ql Par ce fait, la résistance s'effectue à basse -impédance, ce qui exclut une perturbation par les résistan- ces de contact D'autre part, la mesure est effectuée directement à l'endroit o la formation de rosée est détectée, un excellent échange thermique ayant lieu entre la formation de condensation et le capteur de température. De plus, la mesure de la température a lieu sur l'ensemble de la surface sur laquelle la formation de rosée est détectée de manière capacitive. Un avantage particulier réside dans la simplicité de fabrication du capteur de température, car il est réalisé en même temps que le détecteur de rosée, et ceci sans opérations supplémentaires Etant donné qu'il n'existe que trois contacts de raccordement, le détecteur de rosée est plus facile à changer, ce qui simplifie l'entretien De même que le détecteur de rosée, le capteur de température est très bien protégé contre les détériorations, la corro- sion et l'encrassement et est plus facile à nettoyer Du fait des matériaux utilisés (céramique, platine) le détec- teur de rosée peut être utilisé dans une large plage de température. Comme il est connu dans le cas des dispositifs de point de rosée à réflexion, la surface de condensation peut être débarrassée des impuretés, en particulier des particules hygroscopiques, par un chauffage périodique permettant la vaporisation des impuretés Dans le cas du détecteur de rosée qui vient d'être décrit, le circuit imprimé 4 peut, dans ce cas, être utilisé comme résistance de chauffage. La figure 4 représente une autre forme dé réalisation du détecteur de rosée qui permet d'utiliser les deux circuits imprimés comme résistance de mesure pour la mesure de la température Dans le cas du détecteur de rosée 21 de la figure 4, les deux circuits imprimés 23 et 24 placés sur le substrat 22 sont réalisés en forme de méandres, chacun d'eux constituant une électrode en forme de peigne 25 ou 26 ayant la forme de l'électrode en forme de peigne 6 de la figure 1 A chaque extrémité de chaque circuit imprimé 23 et 24 se trouve une surface de contact 27 ou 28 Les autres extrémités des deux circuits imprimés 23 et 24 sont reliées entre elles par une résistance inductive 30 en courant continu, mais font l'objet d'une séparation HF. Pour la mesure de la résistance en courant continu, les circuits imprimés 23 et 24 sont commutés en série entre les surfaces de contact 27 et 28 par l'intermédiaire de la résistance inductive 30 Par contre, pour la mesure de capacité à haute fréquence, la résistance inductive 30 est commutée en parallèle avec la capacité existant entre les circuits imprimés 23 et 24 Avec un dimensionnement approprié, la résistance inductive 30 constitueavec la capacité un circuit oscillant parallèle, dont la fréquence de résonnance dépend de la capacité Cette fréquence de résonnance peut également être mesurée entre les surfaces de contact 27 et 28 Par conséquent, dans cette forme de réalisation, le circuit de mesure de la résistance et le circuit de mesure de la capacité sont branchés sur les mêmes surfaces de contact 27 et 28, ce qui permet-de supprimer le point de raccordement La résistance inductive peut être bobinée avec du fil et peut être placée directement sur le substrat. La réalisation des circuits imprimés conformément à la figure 4, mais sans la résistance inductive 30, rend possible l'utilisation d'un circuit imprimé, par exemple le circuit imprimé 23, comme résistance de mesure et l'autre circuit imprimé 24 comme résistance de chauffage Ceci permet la surveillance de la température lors du chauffage et l'arrêt du chauffage lorsqu'une température prédéterminée est atteinte La résistance de chauffage peut également être utilisée pour la régulation de la température lors de la mesure du point de rosée, si cette régulation a lieu au moyen d'un chauffage et d'un refroidissement simultanés. La figure 5 représente un détecteur de rosée du type *indiqué sur la figure 1 réalisé dans la pratique Les mêmes signes de référence que ceux de la figure l sont utilisés pour désigner les différentes parties Le substrat 2 se compose d'une plaque en oxyde de silicium d'une épaisseur de 0,3 mm et de 10 x 20 imm de dimensions Les circuits impr-ilmés 3 et 4 en platine ont une épaisseur d'environ I pm et une largeur de 0,2 mm La couche de protection est une couche de verre de 25 lim d'épaisseur ayant une constante diélectrique relative de Er = 5,84. Par rapport à la forme de réalisation simplifiée de la figure 1, le détecteur de rosée de la figure 5 possède les particularités suivantes: parallèlement à chacune des deux surfaces de contact 8 et 9, il existe une autre surface de contact 8 a ou 9 a. Ceci correspond-à une mesure usuelle dans le cas des résistances de mesure du type Pt 100, afin d'éliminer l'influence des résistances de contact lors de la mesure de la résistance Comme indiqué dans le schéma d'équiva- lence de la figure 6, le courant continu de mesure I est envoyé par l'intermédiaire des surfaces de contact 8 et 9 et là chute de tension est prise sur les surfaces de contact 8 a et 9 a. A l'endroit A deux sections parallèles de circuits imprimés du circuit imprimé 4 sont reliées entre elles par des shunts 4 a disposés à intervalles réguliers Ces shunts raccourcissent la longueur efficace de la résistance de mesure du circuit imprimé 4 et n'ont aucune influence sur la mesure de la capacité En enlevant ou en coupant sn ou plusieurs des shunts 4 a, on peut augmenter par paliers la longueur efficace du circuit imprimé 4 Ceci permet un réglage grossier de la résistance de mesure L'enlèvement ou la coupure des shunts 4 a peut avoir lieu à l'aide d'un rayon laser. A l'endroit B deux sections parallèles de circuits imprimés du circuit imprimé 4 sont reliées par une couche conductrice continue 4 b qui, pour plus de clarté, est représentée par une succession de croix Cette couche- conductrice 4 b permet également de raccourcir la longueur efficace du circuit imprimé 4 utilisé comme résistance de mesure En enlevant une partie de la couche conductrice 4 b à partir de l'extrémité (comme représenté en 4 c), on peut modifier de manière continue la longueur efficace du circuit imprimé 4, ce qui permet un réglage fin de la résistance de mesure L'enlèvement de la couche conduc- trice 4 b peut également avoir lieu au moyen d'un rayon laser. Dans le cas des dimensions indiquées précédemment pour le détecteur du point de rosée, le circuit imprimé 4 de la forme de réalisation représentée sur la figure 5 a une longueur efficace de 157,6 mm, si tous les shunts 4 a et l'ensemble de la couche conductrice 4 b sont présents. Etant donné que la résistance spécifique du platine est de p = 105 52/cm, on obtient-une résistance de 78,8 Q En enlevant les shunts 4 a on peut augmenter la longueur effi- cace du circuit imprimé 4 d'un maximum de 29,2 mm, ce qui provoque une accroissement de la résistance de mesure de 14,6 Q 2 En enlevant la couche conductrice 4 b on peut augmenter la longueur efficace du circuit imprimé 4 d'un maximum de 29,6 mm, ce qui provoque l'accroissement de la résistance de mesure-de 14,8 52 Par conséquent, la résis- tance du circuit imprimé 4 peut, au moyen du réglage grossier et du réglage fin, être ajustée globalement entre 78,8 52 et 108,2 Q 2 De cette manière, il est possible de donner à la résistance de mesure du thermomètre à résistance la valeur normalisée de 100 '2 à 00 ê. La capacité entre les circuits imprimés 3 et 4 du détecteur de rosée représenté sur la figure 5 est de 16,4 p F à l'état sec et environ 48 p F à l'état humide, c'est-à-dire lorsque la couche de rosée s'est formée. Le détecteur de rosée peut évidemment être modifié de nombreuses manières C'est ainsi que la fabrication peut avoir lieu par application d'un film épais au lieu d'un film mince Pour le substrat on peut également utiliser à la place de la céramique, un autre matériau approprié. Les circuits imprimés ainsi que la couche de protection peuvent également être réalisés en un matériau autre que ceux qui ont été indiqués précédemment D'autres modifica- tions s'imposent aux spécialistes. REVENDICATIONS 1 Dispositif de mesure du point de rosée comportant un détecteur capacitif de rosée dont les électrodes sont placées sur un substrat suivant la technique d'application des couches et d'un thermomètre à résistance dont la résistance de mesure pour la mesure de la température du substrat est placée sur le substrat, caractérisé en ce que la résistance de mesure du thermomètre à résistance est constituée au moins d'une des électrodes du détecteur capacitif de rosée. 2 Dispositif de mesure du point de rosée selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'électrode constituant la résistance de mesure du détecteur de rosée est réalisée en platine. 3 Dispositif de mesure du point de rosée selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'électrode constituant la résistance de mesure du détecteur de rosée est réalisée en nickel. 4 Dispositif de mesure du point de rosée selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins l'électrode constituant la résistance de mesure du détecteur de rosée est réalisée'par application, d'un film mince. Dispositif de mesure du point de rosée selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la ou chaque électrode constituant la résistance de mesure du détecteur de rosée est réalisée en forme de méandres O 6 Dispositif de mesure du point de rosée selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les élec- trodes du détecteur de rosée sont réalisées comme électro- des sous forme de peigne situées à un même niveau. 7 Dispositif de mesure du point de rosée selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux électrodes du détecteur de rosée sont, pour la mesure. de la résistance, branchées en série, en courant continu, par l'intermédiaire d'une résistance inductive. 8 Dispositif de mesure du point de rosée selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface supérieure du détecteur de rosée portant les élec- trodes est recouverte hermétiquement par une couche de protection. 9 Dispositif de mesure du point de rosée selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche de pro- tection se compose de verre. Dispositif de mesure du point de rosée selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche de protection se compose d'oxyde de silicium ou de nitrure de silicium. 11 Dispositif de mesure du point de rosée selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des sections de circuits imprimés de l'électrode constituant la résistance de mesure sont reliées par des shunts disposés avec un certain espacement et pouvant être enlevés ou coupés pour l'ajustement de la résistance de mesure. 12 Dispositif de mesure du point de rosée selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des sections de circuits imprimés de l'électrode constituant la résistance de mesure sont reliées par une couche conduc- trice continue pouvant être entièrement ou partiellement enlevée pour le réglage de la résistance de mesure. 13 Dispositif de mesure du point de rosée selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'électrode constituant la résistance de mesure est utilisée comme résistance de chauffage. 14 Dispositif de mesure du point de rosée, selon l'une des revendication 1 à 12, caractérisé par le fait qu'une électrode du détecteur de rosée sert de résistance de mesure du thermomètre à résistance et qu'une autre électrode du détecteur de rosée sert de résistance de chauffage.