Brevet FR2539869A1 — publié le 19840727

L'invention se rapporte à un débitmètre de mas- se thermique, notamment pour gaz, comprenant un conduit d'écoulement muni d'au moins deux résistances de mesure variables en fonction de la température, destinées à être exposées au fluide en écoulement, dont au moins l'u- ne est placée dans la section de la veine, au moins une source de chaleur disposée dans la zone d'influence des résistances de mesure, ainsi qu'un circuit d'analyse ser- vant à transformer les valeurs ohmiques des résistances en grandeurs proportionnelles au débit. Le principe de mesure des débitmètres de masse de ce genre peut être appelé "principe de l'anémomètre". Toutefois, jusqu'à présent, ce principe de mesure n'a- vait été appliqué que pour la mesure de vitesses d'écou- lement dans des gaz pratiquement purs et à de basses tem- pératures des gaz. On connatt, par l'article "Reverse flow sensing hot wire anemometer" ("anémomètre à fil chaud à détec- tion de courant inverse"), publié dans le "Journal of Physics and Scientific Instruments", Vol 5, Août/Septem- bre 1972, pages 849 à 852, un anémomètre de ce genre dans lequel deux fils fins possédant une résistance élec- trique variable en fonction de la température sont ten- dus de part et d'autre d'un fil chauffant, considéré dans le sens du courant Lorsque le gaz est immobile, les deux résistances de mesure s'échauffent uniformément sous l'influence du fil chauffant, de sorte que l'indica- tion est nulle Toutefois, cet état de stabilité se modi- fie avec l'établissement du courant de gaz Le principe de la mesure repose sur le fait que la résistance de me- sure située en amont subit un refroidissement relatif sous l'effet du courant gazeux tandis que la résistance de mesure située en aval subit un échauffement addition- nel sous l'effet de la transmission de chaleur en prove- nance du fil chauffant La différence de valeur ohmique peut être transformée dans un circuit d'analyse en une grandeur proportionnelle à la vitesse du courant En rè- gle générale, on utilise pour cela un circuit pont dont les particularités sont également décrites dans l'arti- cle précité. Il est connu, par le brevet des E U A US 2 645 117 d'utiliser le principe de l'anémomètre pour les mesu- res de fuites Deux fils fins, chauffés par passage d'un courant continu, qui possèdent une résistance variable en fonction de la température, se trouvent dans différen- tes chambres d'un bloc de mesure L'une des chambres est parcourue par le courant gazeux à mesurer, tandis que, l'autre chambre renferme une atmosphère gazeuse immobile destinée à fixer une valeur de référence Ici également, le déséquilibre d'un circuit pont est utilisé pour pro- duire une grandeur de mesure ou une grandeur indiquée. On connaît, par le brevet des Eo U A US 2 509 889 un al- timètre différentiel pour avions qui travaille selon le principe de l'anémomètre et comprend deux thermistances placées de part et d'autre d'une résistance chauffante, considéré par rapport au sens du courant, et dont les ni- veaux de température se décalent par rapport à l'état d'équilibre lorsqu'elles sont léchées par un courant. Ici également, on détermine la vitesse du courant à par- tir de la différence des valeurs ohmiques, au moyen d'un circuit en pont. Il est également connu d'utiliser des thermoélé- ments en remplacement des résistances de mesure ou des thermistances (demande de brevet de la République Fédérale d'Allemagne publiée sous le numéro DE-AS 20 52 645). Toutefois, tous les anémomètres connus jusqu'à présent étaient affectés de l'inconvénient de ne pouvoir être utilisés que dans une atmosphère gazeuse très pure ou au moins à peu près pure, à des températures relative- ment basses (par exemple celle de l'air ambiant) parce qu'autrement, ils étaient rapidement détruits. Lorsqu'on avait besoin de débitmètres pour tem- pératures élevées (au-dessus de 500 o K) et pour des gaz très corrosifs (vapeurs acides P chlore gazeux, etc) on se servait jusqu'à présent de ce qu'on appelle des débit- mètres à flotteur Ceux-ci sont constitués par un tube légèrement conique & l'intérieur, dans lequel un flot- teur en forme de fuseau est supporté par le gaz en circu- lation En raison de la conicité du tube, la fente annu- laire libre est plus ou moins grande selon la position en hauteur du flotteur de sorte que la position en hau- teur du flotteur constitue une mesure du débit Alors que les débitmètres de ce genre donnent une indication optique suffisamment précise, la formation de signaux électriques proportionnels au débit reste problématique. Les débitmètres de ce genre qui sont connus sont donc uniquement équipés de contacts de valeurs limites à fonc- tionnement optique ou inductif, Les débitmètres qui sont construits selon le principe Doppler (optique ou acoustique) exigent en gêné- ral une très grande dépense de moyens techniques, compte tenu des nécessités de traitement électronique des si- gnaux de sorte que, en raison du prix de revient élevé qui est lié à cette complexité, ils ne sont utilisés que pour des mesures spéciales, par exemple, pour les mesu- res Doppler au laser dans les flammes, Naturellement, on n'a pas manqué de tenter d'ap- pliquer également le principe de l'anémomètre pour la me- sure de débits massiques dans le cas de gaz corrosifs et/ou de gaz à haute température. C'est ainsi qu'il est connu, par exemple, par un document intérieur de la Firme Brooks (E U A) intitu- lé "Thermal Mass Flow Meters"l ("débitmètres de masse thermiques") d'entourer un conduit d'écoulement d'une ré- sistance chauffante placé dans sa région centrale et de deux résistances de mesure placées de part et d'autre de cette résistance chauffante dans le sens de l'écoule- ment En particulier, pour la mesure des gaz corrosifs, les surfaces qui entrent en contact avec le gaz sont réa- lisées, soit en acier inoxydable, soit en une matière plastique possédant une résistance appropriée Lorsque le gaz est immobile, la chaleur se transmet en quantités égales de la résistance chauffante aux deux résistances de mesure, de sorte que, sur ces dernières, on trouve des températures égales Toutefois, avec l'accroissement de la vitesse d'écoulement, le conduit est refroidi dans la région de la résistance de mesure placée en amont et subit un échauffement additionnel dans la région de la résistance de mesure placée en aval La différence des valeurs ohmiques constitue ici également une mesure du débit massique. Bien que, dans le document précité, il soit question d'une réponse instantanée, le dispositif connu est beaucoup trop inerte pour un grand nombre de cas d'application, ce qui s'explique, d'une part, par l'iner- tie thermique du conduit et, d'autre part; par les médio- cres coefficients de transmission de la chaleur en direc- tion des résistances de mesure Ici, on doit tenir comp- te du fait que tous les éléments électriques doivent être isolés électriquement les uns des autres et que, malheureusement les bons isolants électriques sont égale- ment de bons isolants thermiques, c'est dire de mau- vais conducteurs de la chaleur Du fait que les gra- dients-de température sont inévitablement élevés, le dis- positif connu n'est également -approprié que pour être utilisé à des températures relativement basses (on cite la température ambiante). L'invention se donne donc pour but de réaliser un débitmètre de masse travaillant sur le principe de l'anémomètre qui soit résistant aux gaz agressifs et/ou aux gaz à hautes températures tout en assurant une répon- se instantanée aux variations des débits massiques et de la température des gaz en circulation. 25398 D 9 Selon l'invention, la solution du problème posé est obtenue par les caractéristiques suivantes a) Les résistances de mesure variables en fonc- tion de la température sont constituées chacune par une résistance en couche mince qui est placée sur un isola- teur céramique; b) la résistance en couche mince, avec son isola- teur, est fixée à un support céramique par une soudure au verre; et c) le support est de son côté assemblé au con- duit, directement ou indirectement et à joint étanche, par une soudure au verre. Avec les caractéristiques selon l'invention, on obtient un débitmètre de masse qui est exposé au flui- de à mesurer dans toute la mesure possible sans que la couche résistante proprement dite ne soit cependant di- rectement exposée au milieu éventuellement agressif Cet- te couche est protégée, d'un côté, par l'isolateur céra- mique sur lequel elle est fixée et, sur l'autre côté, par la soudure au verre par laquelle la résistance à cou- che mince est fixée au support céramique L'isolateur cé- ramique aussi bien que la soudure au verre sont suffisam- ment minces ou possèdent une conductibilité thermique suffisante pour que la constante de temps de la résistan- ce de mesure soit suffisamment courte. Dans le cas o seule l'une des résistances de mesure est disposée dans la section de la veine, cette résistance est celle qui fournit le signal de mesure pro- prement dit Les influences secondaires du conduit d'é- coulement, en particulier celles qui pourraient résulter de son inertie thermique, sont entièrement exclues Le support céramique évite de son côté que la mesure ne soit notablement influencée par la conduction de la cha- leur en provenance de la surface externe du conduit d'é- coulement Ce support est lui aussi assemblé au conduit d'écoulement à joint étanche par l'intermédiaire d'une soudure au verre, ce qui garantit une isolation thermi- que et électrique suffisante en même temps qu'une haute résistance à la corrosion L'assemblage peut être réali- sé indirectement ou directement, c'est-à-dire que le sup- port céramique peut être assemblé par l'intermédiaire de la soudure au verre à un bouchon vissé qui est engagé dans le conduit d'écoulement ou, que le support peut aus- si bien être directement assemblé à la paroi du conduit par la soudure au verre. Les résistances de mesure en couche mince qui sont en soi bien connues pour la mesure des températu- res, n'avaient pas encore été utilisées jusqu'à présent pour les anémomètres ni pour les mesures de débits massi- ques; en particulier, on ne les avait pas encore utili- sées avec chauffage par passage direct du courant pour les porter à une température constituant une base du principe de l'anémomètre. En ce qui concerne l'assemblage effectué au moyen de la soudure au verre, il existe deux solutions principales D'une part, dans le cas o l'isolateur est dirigé vers l'extérieur, la résistance en couche mince peut être soudée à la surface terminale du support au moyen de la soudure en verre, de manière que la résistan- ce en couche mince soit entièrement recouverte et proté- gée par l'isolateur tandis que la protection sur les cô- tés est assurée par la soudure au verre Une possibilité de ce genre est représentée sur la figure 1 En varian- te, dans le cas o c'est la résistance en couche mince qui est dirigée vers l'extérieur, l'isolateur peut être assemblé à la surface terminale du tube céramique par l'intermédiaire de la soudure au verre, la soudure au verre qui mouille la résistance en couche mince servant également à la protection de cette résistance Cette pos- sibilité est représentée sur la figure 2. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la descrip- tion qui va suivre de plusieurs exemples et possibilités de modification, donnée en regard des dessins annexés sur lesquels, les figures 1 et 2 représentent différentes for- mes de réalisation du capteur de mesure lui-même, en ce qui concerne la disposition de l'isolateur céramique mu- ni de la résistance en couche mince par rapport au sup- port les figures 3, 5 et 7 illustrent différentes possibilités de montage du capteur de mesure selon les figures 1 et 2 dans un conduit d'écoulement; et les figures 4, 6 et 8 illustrent les caractéris- tiques des dispositifs de mesure selon les figures 3, 5 et 7. Sur la figure 1, on a représenté un segment de paroi d'un conduit d'écoulement 1 qui, comme représenté sur les figures 3, 5 et 7, est réalisé sous la forme d'un tronçon de tube cylindrique présentant un alésage longitudinal 2 et un axe A-A, de sorte que le maximum de la vitesse de l'écoulement se trouve sur l'axe A-A L'a- lésage longitudinal 2 est muni à ses deux extrémités de filetages de raccordement 3 destinés à recevoir des rac- cords de tubes correspondants Le sens de l'écoulement est désigné sur les figures 3, 5 et 7 par la flèche dési- gnée par la lettre "ml", pour rappeler qu'il s'agit d'un débit massique Comme matière pour le conduit, on utili- se un métal choisi dans le groupe comprenant le nickel, les alliages à forte teneur en nickel (=Hastelloy C: Monel), le tantale et le titane et le conduit d'écoule- ment est de préférence d'une construction massive. Dans le conduit 1, est ménagé un perçage radial 4 muni d'un lamage 5 formant un épaulement, dont la fonc- tion est décrite de façon plus détaillée dans la suite. Dans l'alésage 4, est engagé un support 6 présentant une surface externe cylindrique 7 et deux surfaces termina- les 8 et 9 planes, perpendiculaires à son axe, ce sup- 25398,09 port étant composé d'une matière céramique solide, par exemple d'une porcelaine technique La surface externe 7 est assemblée au conduit 1 dans la région du lamage 5 par une soudure au verre 10 et la surface terminale inté- rieure 9 est de même assemblée, également par une soudu- re au verre 11, à une résistance de mesure 12 qui est constituée par une résistance en couche mince 13 et par un isolateur céramique 14, sur lequel la résistance en couche mince 13 a été précédemment déposée par l'un des procédés de dépôt habituels (vaporisation sous vide, pul- vérisation cathodique). La résistance en couche mince est ici composée de platine, l'isolateur 14 possédant une surface d'envi- ron 4 mm 2, A la résistance en couche mince 13 aboutis- sent deux conducteurs électriques 15 qui sont enfilés & travers des perçages correspondants ménagés dans le sup- port 6, parallèles à l'axe de ce dernier et qui ne sont pas représentés de façon plus détaillée Les conducteurs mènent à des bornes de connexion 16 et 17 de sorte que la résistance en couche mince 16 peut être interca- lée dans la branche d'un pont de mesure. La résistance de mesure 12 se trouve dans la ré- gion de l'axe A-A et elle est située à une distance de la surface terminale intérieure 9 d'environ 2 mm, mais qui est pratiquement sans importance critique Cet espa- ce est rempli de la soudure au verre Il déjà décrite, qui mouille bien aussi bien la résistance de mesure 12 que la surface terminale 9 de sorte que la résistance en couche mince 13 est protégée de tous côtés par une matié- re céramique ou par une matière minérale, En réalité, la soudure au verre pénètre légèrement dans les perçages pa- rallèles à l'axe du corps support 6, ce qu'on a cepen- dant omis de représenter ici pour simplifier. En tant que soudure au verre, on préfère un ver- re au borate de plomb de la firme Schott Glaswerke de Mayence (République Fédérale d'Allemagne) qu'on peut se procurer dans le commerce sous la désignation de verre n' 84 72 et qui forme avec les éléments à réunir un as- semblage possédant une excellente résistance à la cha- leur La température de soudage est d'environ 410 'C La température de résistance en régime permanent se trou- vant à un niveau d'environ 300 OC. Sur la figure 2, les éléments identiques à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes références. Toutefois, la résistance de mesure 12 est réalisée dans une disposition sur chant, c'est-à-dire que la résistan- ce en couche mince 13 est disposée sur une face frontale étroite du corps isolant 14 et que cette résistance est directement en contact avec la surface frontale 9 du corps isolant 6 La soudure au verre 11 (de mêmes pro- priétés) recouvre ici avec un bon mouillage la totalité des surfaces libres de la résistance de mesure 12, c'est- à-dire qu'elle recouvre également la résistance en cou- che mince 13 De cette façon, la résistance en couche mince 13 est exposée au fluide en écoulement à mesurer de façon encore plus directe que dans la réalisation de la figure 1, cependant qu'en même temps, l'influence de la chaleur sur le support 6 est encore davantage rédui- te. Sur la figure 3, deux résistances de mesure 12 a et 12 b sont disposées à une distance axiale mutuelle "D", l'une des résistances ( 12 a) se trouvant dans la sec- tion de la veine (de préférence dans la région de l'axe A-A) et l'autre ( 12 b) dans un trou borgne 18 situé en de- hors de la section de la veine De cette façon, la résis- tance de mesure 12 a est exposée au courant et à la tempé- rature du fluide en circulation tandis que la résistance de mesure 12 b n'est exposée qu'à la température de ce fluide La résistance de mesure 12 b "voit" dans une cer- taine mesure la température du fluide à mesurer Les deux résistances de mesure sont chauffées à une tempéra- ture définie T 1 par une tension de pont constante U Br. En l'absence d'un débit massique (m = O) les deux cap- teurs prennent la même température et ils prennent donc également des valeurs ohmiques identiques, de sorte que la différence de tension de pont A 4 U Br est également nul- le En réponse à un écoulement, la température de la ré- sistance de mesure 12 a qui est plongée dans le courant varie tandis que la résistance de mesure 12 b conserve sa température du fait qu'elle est abritée dans un trou bor- gne Le déséquilibre du pont de mesure 19 qui résulte de cet effet est lié au débit massique m par une relation de proportionnalité et peut être indiqué par un appareil indicateur 20. Sur la figure 4, on a représenté la caractéris- tique du dispositif selon la figure 3 et, à savoir, pour les deux sens de l'écoulement La partie positive des abscisses est affectée au sens de l'écoulement indiqué sur la figure 3 par la flèche "+m" tandis que la partie négative des abscisses "-m" correspond au sens d'écoule- ment inverse (renversement du courant) On peut reconnat- tre, d'une part que la différence de tension de pont A U Br ne permet pas de détecter le sens de l'écoulement. * D'autre part, et contrairement aux caractéristiques se- lon les figures 6 et 8, on obtient des caractéristiques entièrement univoques qui ne présentent pas de maximum ni de minimum, de sorte qu'on peut toujours déterminer un débit massique univoque La région linéaire est indi- quée par "x"; cette région qui est généralement utili- sée pour les mesures habituelles Toutefois, il est éga- lement possible d'introduire, par une commande à micro- processeur, des valeurs de correction pour la partie non linéaire des caractéristiques de manière que cette par- tie des caractéristiques puisse elle aussi être utilisée pour les mesures, par exemple, dans la zone des grandes vitesses. Dans l'exemple de réalisation selon la figure , les deux résistances de mesure 12 a et 12 b sont dispo- sées dans la section de la veine, c'est-à-dire sur l'axe A-A de l'alésage longitudinal 2 Dans ce cas également, l'échauffement des deux résistances de mesure se produit par passage direct du courant et le circuit pont 19 est identique à celui de la figure 3 En l'absence d'un dé- bit massique (m = O), la tension de mesure À U Br est éga- lement nulle Sous l'effet d'un débit massique, la résis- tance de mesure 12 a située en amont est refroidie tandis que la résistance de-mesure 12 b située en aval subit un échauffement additionnel résultant d'une transmission de chaleur La variation de résistance qui en résulte peut également être indiquée au moyen du pont de mesure 19 et de l'appareil indicateur 20 Dans ce cas, en cas de ren- versement de l'écoulement, la-variation de résistance su- bit également une inversion de signe, c'est-à-dire qu'il se produit une tension de mesure négative dans la région de la partie négative des abscisses Dans ce cas, seule est utilisable la région linéaire de la courbe selon la figure 6, qui montre que la caractéristique présente un minimum et un maximum en dehors de la région linéaire de sorte qu'on obtient ici une tension de mesure à double signification D'un autre côté, la détection du sens de l'écoulement peut être importante pour certains cas d'ap- plication, de sorte que cette disposition présente égale- ment ses avantages on peut modifier la pente de la ca- ractéristique dans la région linéaire 'lx" en modifiant la distance axiale "D" séparant les résistances de mesu- re 12 a et 12 b. Dans l'exemple de réalisation selon la figure 7, deux résistances de mesure 12 a et 12 b sont ici égale- ment placées dans la région de l'axe A-A de l'alésage longitudinal 2, c'est-à-dire dans la section de la vei- ne; toutefois, elles ne sont pas chauffées par le passa- ge d'un courant Entre les résistances dé mesure 12 a et 12 b, se trouve, à la distance D/2 et également sur l'axe A-A, une troisième résistance de mesure 12 c dont la cons- 25398 ( 59 truction est identique à 'celles des résistances de mesu- re 12 a et 12 b Toutefois, dans ce cas, la résistance de mesure 12 c est utilisée exclusivement comme élément chauffant, c'est-à-dire qu'elle est chauffée par passage direct d'un courant Tant qu'il ne s'écoule pas de débit massique, les deux résistances de mesure 12 a et 12 b re- çoivent la même quantité de chaleur et l'indication est zérô Dans le cas d'un débit massique, la résistance de mesure 12 a située en amont est refroidie et la résistan- ce de mesure 12 b située en aval est chauffée par la transmission de chaleur, de sorte qu'il se produit un dé- séquilibre dans le pont de mesure 19 et une indication sur l'appareil indicateur 20. Dans le dispositif selon la figure 7, on ob- tient également une caractéristique qui est représentée sur la figure 8 et qui est dans une large mesure analo- gue à celle de la figure 6 On peut reconnaître que, d'une part, on peut déterminer le sens de l'écoulement et que, d'autre part, en dehors de la région linéaire, les résultats de mesure possèdent deux interprétations. Comme domaine d'application, on peut envisager les industries chimiques ainsi que la production d'éner- gie, domaines dans lesquels il est nécessaire de mesurer de façon aussi précise que possible des débits massiques pour fluides corrosifs à haute température La lettre "'m" indique le débit massique, c'est-à-dire dm/dt. Bien entendu, diverses modifications pourront être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans pour cela sortir du cadre de l'inven- tion. R E V E N D I C A T I O N S 1 Débitmètre de masse thermique, notamment pour gaz, comprenant un conduit d'écoulement muni d'au moins deux résistances de mesure variables en fonction de la température, destinées à être exposées au fluide en écoulement dont au moins l'une est placée dans la sec- tion de la veine, au moins une source de chaleur placée dans la zone d'influence des résistances de mesure, ain- si qu'un circuit d'analyse servant à transformer les va- leurs ohmiques des résistances en grandeurs proportion- nelles au débit, caractérisé en ce que: a) les résistan- ces de mesure variables en fonction de la température ( 12, 12 a, 12 b, 12 c) sont constituées chacune par une ré- sistance en couche mince ( 13) qui est placée sur un iso- lateur céramique ( 13), avec son isolateur ( 14) est fixée à un support cé- ramique ( 6) par une soudure au verre ( 11) et c) le sup- port ( 6) est de son côté assemblé au conduit ( 1), directe- ment ou indirectement et à joint étanche, au moyen d'une soudure au verre ( 10). 2 Débitmètre de masse thermique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que le support ( 6) est constitué par un tube céramique à surface terminale pla- ne ( 9) et en ce que, dans le cas o l'isolateur ( 14) est dirigé vers l'extérieur, la résistance en couche mince ( 13) est soudée à la surface terminale ( 9) par la soudu- re au verre ( 11) de telle manière que la soudure au ver- re remplisse entièrement l'espace compris entre la résis- tance en couche mince et la surface terminale. 3 Débitmétre de masse thermique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que le support ( 6) est un tube céramique à surface terminale plane ( 9) et en ce que, si la résistance en couche mince ( 13) est dirigée vers l'extérieur, l'isolateur ( 14) est assemblé à la sur- face terminale par la soudure au verre ( 11). 253986 e 4 Débitmètre de masse selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux résistances de mesure ( 12 a, 12 b) dont l'une ( 12 a) est placée dans la section de la veine et l'autre ( 12 b) est placée en de- hors de la section de la veine, dans un trou borgne ( 18) du conduit il( 1), et en ce que les deux résistances de me- sure ( 12 a, 12 b) peuvent être chauffées par passage di- rect d'un courant. Débitmètre de masse selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux résistances de mesure ( 12 a, 12 b) qui sont toutes deux placées dans la section de la veine du conduit ( 1) et en ce que les deux résistances de mesure ( 12 a, 12 b) peuvent être chauffées par passage direct d'un couranto 6 Débitmètre de masse thermique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend trois ré- sistances de mesure ( 12 a, 12 b, 12 c) disposées en une ran- gée, qui sont toutes disposées dans la section de la vei- ne'du conduit ( 1), et en ce que la résistance de mesure centrale ( 12 c) peut être chauffée par passage direct du courant. 7 Débitmètre de masse thermique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce qu'il utilise comme sou- dure au verre un verre au borate de plomb possédant un coefficient de dilatation W 20/300 = 12,0 10-6/C. 8 Débitmètre de masse thermique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que le conduit ( 1) est réalisé en un métal choisi-dans le groupe comprenant le nickel, les alliages à haute teneur en nickel (= Hastel- loy C; Monel), le tantale et le titane et en ce qu'il est d'une construction massive.