Brevet FR2544859A1 — publié le 19841026

La présente invention concerne un dispositif autoalimenté de commutation sensible à un gradient de température. Ce dispositif convient notamment à la commutation des capteurs de mesure à thermocouples uti- lisés pour la mesure de températures de combustion des turboréacteurs d'avions. Dans ces moteurs, il est en effet souhaitable de mesurer la température de combustion des gaz avec la plus grande précision, pour conserver au moteur son rende- ment optimal. Du fait que l'éjection des gaz brûlés est réalisée sur une section en forme de couronne, on emploie généralement une série ou "harnais" de capteurs de tem- pérature, en général de thermocouples, au nombre de 2 à 12 répartis circulairement dans la couronne et reliés en parallèle de manière que la tension commune au point de raccordement de tous les thermocouples représente sensible- ment une mesure de la moyenne des températures dans la couronne d'éjection des gaz. Le FR-2 382 000 décrit un tel harnais, pour lequel il propose un mode de compensation des différents thermocouples de manière à donner à chaque branche de thermocouple une même impédance La compensation reste ainsi toujours équilibrée malgré les variations des tem- pératures. On notera de ce qui précède que l'on mesure la température d'éjection des gaz, et non la température de combustion, qui est le paramètre à surveiller Ceci résulte du fait qu'il n'est pas possible de placer les sondes de mesure au coeur même de la chambre de combustion du réacteur (référencée 1 sur la figure 1 qui représente une vue en coupe schématique d'un réacteur) On peut seulement les placer à proximité de cette chambre,par ex-2 r Ple dans un logement pratiqué dans une aube fixe en aval de la chambre de combustion La référence 10 désigne l'une des sondes du harnais installée de cette manière. En général, la mesure de la température d'éjection des gaz brûlés est une bonne image de la tempé rature de combustion. Ceci n'est cependant pas vrai dans certaines configurations particulières de vol, notamment lors des inversions de flux: dans ce cas, les aubes fixes percées prélèvent, à plusieurs niveaux, de l'air frais dans le canal 2 situé entre les enveloppes intérieure 3 et exté- rieure 4 du réacteur pour le réinjecter dans le circuit des gaz brûlés L'inversion du sens de circulation des gaz prélevés entraîne une chute brutale à l'endroit du harnais de thermocouples 10 (chute de plusieurs dizaines de degrés Sour une température des gaz d'éjection de l'ordre de 9500 C), et bien que la température de combustion reste sensiblement la même. Les pilotes sont avertis de ce phénomène et savent que, lors des inversions de flux, il n'y a pas lieu de tenir compte des chutes brutales qui apparaissent sur les indicateurs de température du tableau de bords. Par ailleurs, on sait qu'il existe pour cette configuration de vol mais pour elle seulement une autre position pour les thermocouples à laquelle la température des gaz d'éjection est une bonne image de la température de combustion. Cependant, l'implantation des circuits de mesure de température dans les réacteurs actuellement existants ne permet pas de sortir plus de deux conducteurs. Il n'est donc pas possible, si l'on souhaite adapter une double mesure à des réacteurs existants, de disposer deux harnais de thermocouples (qui seraient placés par exemple en 10 et 20 sur la figure 1) avec deux sorties vers deux indicateurs distincts donnant la température à l'un et l'autre emplacement du réacteur, ou vers un dispositif de commutation agissant en fonction d'un signal de confi- guration de vol délivré en fonction des commandes imposées par le pilote. Un des buts de l'invention est de pallier ces difficultés, en proposant un dispositif pour assurer une commutation sélective de l'un ou l'autre de deux circuits électriques de mesure à un circuit électrique unique d'exploitation qui puisse être notamment applicable à la mesure des températures d'un réacteur. Un autre but de l'invention est de proposer un tel dispositif qui, en raison de la limitation du nombre des conducteurs de sortie et de la place disponible pour son installation, puisse être placé in situ, sur le réacteur, et puisse donc fonctionner malgré une température ambiante élevée ( de l'ordre de 300 à 350 'C, ce qui exclut l'emploi-de composants électroniques) et surtout qui soit autonome et assure une commutation passive (c'est-à-dire qui ne puise son énergie qu'en lui-même), du fait de l'impossibilité de prévoir une ligne supplémentaire d'ali- mentation en énergie électrique sur le réacteur. Pour cela, l'invention propose d'opérer la commutation en fonction du gradient de température présent entre deux points distincts de référence, grâce à un dispo- sitif comportant un premier thermocouple placé au premier point de référence, un deuxième thermocouple placé au second point de référence, monté en opposition avec le premier thermo- couple de manière à délivrer une force électromotrice différentielle A e dont la valeur et le signe sont fonction de la valeur et du sens du gradient, des moyens de commutation, sensibles à cette force électromotrice et alimentés par la seule énergie produite par les deux thermocouples, propres à relier sélectivement l'un ou l'autre circuit de mesure au circuit d'exploitation selon le sens de variation de la force électro-motrice différentielle par rapport à la force électro-motrice correspondant à un gradient nul, lorsque la valeur absolue de cette variation dé- passe un seuil prédéterminé. On emploie ainsi la force électro-motrice diffé- rentielle (produite par l'effet Peltier sur les thermo- couples) résultant du gradient de température pour auto- ali Tenter et cormander les mnyens de commutation, le sens de variation de la force électro-motrice différentielle par rapport à la force électromotrice correspondant à un gradient nul représentant le sens du gradient et indiquant le choix du circuit de mesure à commuter (ce sens de variation est équivalent au signe de la force électro-motrice lorsque les deux thermocouples sont de même nature). Dans le cas particulier du réacteur précédemment décrit, chacun des circuits de mesure est relié à un harnais de thermocouples placé respectivement au voisinage du premier ou du second point de référence La commutation se fait alors et de façon purement passive sur le harnais soumis à la température la plus élevée, c'est-à- dire sur celui dont la mesure donne la meilleure image de la température de combustion, et ceci quelle que soit la configuration de vol. L'adaptation à un réacteur existant se fait sans difficulté; il suffit de disposer un harnais supplé- Dentaire et de prévoir le dispositif de commutation par exemple à l'intérieur d'une des bottes de raccordement (référencée 30 sur la figure 1) déjà existantes, o les thermocouples sont reliés entre eux en parallèle et aux deux conducteurs du circuit de mesure. Plus précisément, les moyens de commutation comprennent un relais polarisé dont les bornes de l'enroule- ment sont alimentées par la force électromotrice diffé- rentielle, le champ magnétique produit par cet enroulement actionnant une lame mobile porte-contacts assurant la commutation sélective des différents circuits, qui abou- tissent à des bornes fixes du relais Eventuellement, les contacts sont des contacts avec recouvrement, pour éviter une interruption de la continuité de la mesure au moment de la commutation. En variante et avantageusement, les moyens de commutation comprennent au moins une paire de contacts fixes distincts, placés en vis-à-vis et reliés respectivement à l'un et l'autre des circuits de mesure, au moins un fil, mobile entre les deux contacts fixes, et dont une extrémité est reliée au circuit d'exploita- tion, ce fil venant en contact avec l'un ou l'autre des contacts fixes de manière à laisser transiter un courant de mesure entre l'un des circuits de mesure et le circuit d'exploitation, et la direction de ce courant étant sensiblement perpendiculaire à la direction de déplace- ment du fil, un élément générateur de champ magnétique alimenté par la force électromotrice différentielle, ce champ magné- tique B, orienté perpendiculairement à la direction du courant et à la direction de déplacement du fil, agissant sur le fil mobile traversé par le courant de mesure de manière à le faire venir sélectivement en contact avec l'un ou l'autre des contacts fixes en fonction du signe de la force électro-motrice différentielle, des moyens pour maintenir un courant dans le fil lorsque celui-ci quitte au moins l'un des contacts fixes. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 déjà mentionnée représente une coupe schématique d'un réacteur montrant l'implantation du dispositif, la figure 2 est un schéma électrique du dispositif de l'invention, avec les divers thermo- couples auxquels il est relié, la figure 3 est une variante du dispositif de la figure 1 utilisant un fil mobile dans un champ magnétique, la figure 4 montre un exemple d'élément générateur de champ magnétique utilisable avec le dispo- sitif de la figure 3. Sur la figure 2, le dispositif de commutation 100 comprend deux bornes li Ca et ll Ob reliées à un premier circuit de mesure, deux bornes 120 a, 120 b reliées à un second circuit de mesure, deux bornes 130 a, 130 b reliées à un circuit d'exploitation (non représenté) et deux bornes 140 a, 140 b pour l'alimentation et la commande du dispositif Le premier circuit de mesure comprend par exemple une série de thermocouples 11 reliés en parallèle, et le second circuit de mesure une série de thermocouples 21 reliés en parallèle. Les thermocouples 11 sont associés à un thermo- couple supplémentaire 12, distinct, pour former un premier harnais 10 placé circulairement dans une première zone de mesure de température du réacteur (figure 1). Par ailleurs, les thermocouples 21 sont asso- ciés à un thermocouple 22, distinct, pour former un second harnais 20 placé circulairement en une seconde zone de mesure de température du réacteur. Si l'on suppose que les températures sont les mêmes en tous les points de chacune des zones de mesure (ce qui correspond à un cas idéal et est vrai en première approximation), on voit que le thermocouple 12 sera porté sensiblement à la température de la première zone, et le thermocouple 22 à la température de la seconde zone. Les deux thermocouples 12 et 22 sont montés en opposition, de sorte que, chaque fois qu'un gradient de température existe entre les deux zones de mesure,. apparaît une force électro-motrice + A e (si les deux thermocouples sont de même nature, à un gradient nul cor- respond une force électro-motrice nulle) Cette force électro-motrice différentielle est appliquée aux bornes a, 140 b du dispositif de commutation 100 Sur la figure 2, le dispositif de commutation est un relais polarisé comportant une lame mobile 150 a, 150 b porte-contacts actionnée dans un sens ou dans l'autre par un enroulement alimenté par la force électromotrice Ae. De cette manière, on pourra faire en sorte que celui des deux harnais qui est commuté au circuit d'ex- ploitation soit toujours celui porté à la température la plus élevée (on a vu plus haut que cela correspondait toujours au harnais fournissant une mesure représentative de la température de ccmbu Ltion). Pour diminuer le gradient de température minimum provoquant la commutation, les deux thermo- couples 12 et 22 peuvent être choisis différents, par exemple un thermocouple Cu-Ni/Ni-Cr pour l'un et un thermo- couple Ni-Cr/Ni-Al pour l'autre un tel choix des alliages permet, aux températures de fonctionnement indiquées, de disposer d'une force électromotrice d'environ 20 m V pour une température de 6000 C Les deux thermocouples n'ayant pas la même caractéristique en température, le gradient de déclenchement peut être abaissé aux environs de 250 C, pour un gradient réel, lors d'une inversion de flux, de l'ordre de 50 C. En outre, le diamètre des fils des thermo- couples peut être choisi pour que l'inertie thermique des thermocouples 11 et 21 constituant les sondes de mesure soit supérieure à-l'inertie thermique des thermocouples 12 et 22 de commande des moyens de commutation Cette disposition permet de détecter 1 ' inversion de sens du gradient et provoquer la commutation avant même que les sondes de mesure indiquent la chute brutale de tempéra- ture. Lesfigures 3 et 4 montrent une variante du dispositif de commutation 100, dans laquelle, pour chacun des circuits de mesure, les bornes ll Oa, 120 a ou 110 b, 120 b aboutissent à des contacts fixes lila, 121 a ou 11 lb, 121 b, placés respectivement en vis-à-vis. Les bornes 130 a, 130 b du circuit d'exploitation sont reliées chacune à un fil 180 a, 180 b mobile entre les contacts fixes précités Chacun de ces fils vient en contact avec l'un ou l'autre des-contacts fixes de manière à laisser transiter un courant de mesure entre l'un des circuits de mesure et le circuit d'exploitation (ce courant est le courant débité soit par les thermocouples 11, soit par les thermocouples 21 dans le circuit d'exploitation). La direction du courant traversant les fils mobiles est sensiblement perpendiculaire à la direction de déplacement de ce fil. Il est également prévu un élément générateur de champ magnétique, représenté séparément sur la figure 4, comportant un enroulement 160 alimenté par la force électro- motrice différentielle produite par les thermocouples 12 et 22 reliés aux bornes 140 a et 140 b Cet enroulement est par exemple réalisé autour d'un anneau torique 170 fendu de manière à ménager un entrefer 171. Il est prévu un élément générateur de champ magnétique tel que celui de la figure 4 sur chacun des fils mobiles de la figure 3; charrue fil ndbile est disposé dans l'entrefer 171 o il subit un champ magnétique B dont le sens et l'intensité dépendent de la force électro- motrice différentielle. Sous l'influence de ce champ magnétique, le fil mobile viendra en contact avec l'un ou l'autre des contacts fixes, assurant ainsi la sélection de l'un des circuits de mesure. De préférence, il est prévu des pièces polaires allongées 172, 173, ces pièces polaires étant allongées parallèlement à la direction du fil mobile situé dans l'entrefer qu'elles déterminent. En outre, il est prévu un condensateur tampon relié à chaque extrémité de fil mobile non reliée au circuit d'exploitation, de manière à maintenir dans le fil un courant pendant le passage d'une position à l'autre Ce condensateur pourrait assurer la continuité de la lecture pendant la commutation (continuité qui, dans le cas des réacteurs, est assurée en fait par l'inertie mé- canique de l'indicateur, dont l'impédance est fixée par des normes strictes). Bien que-l'invention ait été décrite dans une application o elle procure des résultats particulièrement avantageux, elle peut s'appliquer à un grand nombre d'autres cas o l'on recherche une commutation de deux circuits (pas nécessairement des circuits de thermocouples, ni même d'ailleurs de sondes de température) en fonction d'un gradient présent entre deux points le dispositif de l'invention permet par exemple, de manière simple et auto- nome, la recherche d'un maximum de température entre deux points ou entre un plus grand nombre de points, si l'on met plusieurs dispositifs en cascade Un tel problème se rencontre fréquemment dans le domaine du génie chimique, o il est nécessaire, parmi plusieurs indications de tem- pératures, de rechercher celle correspondant à la tempé- rature la plus élevée. L'invention est également applicable à la simple commutation d'un signal unique (le circuit "d'exploitation étant alors une entrée) vers l'un ou l'autre de deux circuits utilisant ce signal (les circuits "de mesure" constituant alors deux sorties du dispositif) en fonction du sens d'un gradient de température et à partir d'une valeur de seuil prédéterminée de celui-ci. t- il REVENDICATIONS 1 Un dispositif pour assurer une commutation sélective de l'un ou l'autre de deux circuits électriques de mesure (l Da, 110 b; 120 a, 120 b) à un dircuit électrique unique d'exploitation ( 130 a; 130 b), en fonction du gradient de température présent entre deux points distincts de référence d'un volume donné, caractérisé en ce qu'il comprend: un premier thermocouple ( 12 > placé au premier point de référence-, un deuxième thermocouple ( 22) placé au second point de référence, monté en opposition avec le premier thermo- couple de manière à délivrer une force électro-motrice différentielle (A e) dont la valeur et le signe sont fonction de la valeur et du sens du gradient, des moyens de commutation ( 100), sensibles à cette force électro-motrice et alimentés par le seule énergie produite par les deux thermocouples, propres à relier sélectivement l'un ou l'autre circuit de mesure au cir- cuit d'exploitation selon le sens de variation de la force électromotrice différentielle par rapport à la force électro-motrice correspondant à un gradient nul, lorsque la valeur absolue de cette variation dépasse un seuil prédéterminé. 2 Un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commutation comprennent un relais polarisé dont les bornes ( 140 a, 140 b) de l'en- roulement ( 160) sont alimentées par la force électro- motrice différentielle, le champ magnétique produit par cet enroulement actionnant une lame mobile ( 150 a, 150 b) porte- contacts assurant la commutation sélective des différents circuits, qui aboutissent à des bornes fixes du relais. 3 Un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commutation com- prennent: au moins une paire de contacts (lla, 121 a; lllb, 121 b) fixes distincts, placés en vis-à-vis et reliés respec- tivement à l'un et l'autre des circuits de mesure, au moins un fil ( 180 a; 180 b), mobile entre les deux contacts fixes, et dont une extrémité est reliée au circuit d'exploitation, ce fil venant en contact avec l'un ou l'autre des contacts fixes de manière à laisser transiter un courant de mesure entre l'un des circuits de mesure et le circuit d'exploitation, et la direction de ce courant étant sensiblement perpendiculaire à la direction de déplacement du fil, * un élément ( 160, 170)générateur de champ magnétique alimenté par la force électromotrice différentielle, ce champ magnétique (B), orienté perpendiculairement à la direction du courant et à la direction de déplacement du fil, agissant sur le fil mobile traversé par le courant de mesure de manière à le faire venir sélectivement en contact avec l'un ou l'autre des contacts fixes en fonction du signe de la force électromotrice diffé- rentielle, des moyens pour maintenir un courant dans le fil lorsque celui-ci quitte au moins l'un des contacts fixes. 4 Un dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément générateur de champ magné- tique comprend un enroulement ( 160) réalisé autour d'un noyau torique ( 170) fendu radialement de manière à former un entrefer ( 171), le fil mobile étant disposé dans cet entrefer. Un dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le noyau est pourvu de pièces po- laires ( 172, 173), de forme allongée parallèlement à la direction du fil mobile. 6 Un dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les moyens pour maintenir un courant dans le fil comprennent un condensateur tampon ( 190) relié à chaque extrémité de fil mobile non reliée au circuit d'exploitation, de manière à maintenir dans le fil un courant pendant son déplacement d'un contact fixe à l'autre. 7 Un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'un des thermocouples est un thermocouple Cu-Ni/Ni-Cr, l'autre thermocouple étant un thermocouple Ni-Cr/Ni-Al. 8 Un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chacun des circuits de mesure comprend au moins une sonde ( 11; 21) de mesure de température placée au voisinage du premier ou du second point de référence, respectivement. 9 Un dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la sonde de mesure est une sonde à thermocouples. Un dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'inertie thermique des thermo- couples constituant les sondes de mesure est supérieure à l'inertie thermique des thermocouples de commande des moyens de commutation.