Brevet FR2570829A1 — publié le 19860328

La présente invention concerne l'anémométrie à fil chaud et en particulier un anémomètre è surchauffe constante du type à pont de résistances équilibré, à surchauffe constante, dans lequel la fonction de détection de la tension est séparée de la fonction d'alimentation en courant ie telle façon qu'une rapport de courant indépendant du capteur puisse être établi, ce qui permet l'utilisation de capteurs adaptés et d'améliorer la précision du dispositif. L'anémométrie à fii chaud est une technique au moyen de laquelle une grande variété de conditions liées aux caractéristiques d'absorption de la chaleur d'un milieu environnant peuvent être étudiées et interpolées à partir de la surveillance de l'énergie électrique fournie à un ou plusieurs capteurs résistifs qui sont placés dans le milieu étudiés. De tels capteurs comprennent typiquement des fils ou films chauds thermosensibles ou encore des thermistances ayant des caractéristiques température/résistance connues, lesquels sont exposés au fluide du milieu et sont utilisés pour suivre et détecter le taux de transfert de chaleur à partir du fluide.En combinaison avec ces éléments un cir cuit à pont de résistances équilibré est habituellement employé pour maintenir un état d'équilibre relatif entre les capteurs de telle façon que, lors de la détection d'une différence de température entre eux, se traduisant par une variation de résistance et de tension, de l'énergie électrique soit appliquée à 'un au moins des capteurs afin de rétablir l'équilibre. L'application de l'énergie peut être surveillée et utilisée pour la détermination d'un paramètre recherché. Des exempies de dispositifs de ce type sont décrits dans les brevets US 3 603 147 et 4 159 638 ainsi que dans un article de Sasayama ayant pour titre "Engine Control Systen Using a Hot-Wire Airflow Sensor", Hitachi Review, 31:61-66 (1982). Bien que diverses techniques de commande puissent être utilisées en ce qui concerne les capteurs résistifs, la présente invention vise une commande de la température du capteur en forant une certaine résistance connue. Lorsqu' on place le capteur dans un fluide s'écoulant, des variations de vitesse de l'écoulement induisent ainsi des variations contrôiables d'une manière unique dans la dissipation d'énergie par convection à partir du capteur.De telles variations d'énergie sont liées au courant fourni conformément aux équations suivantes q = Icapteur R capteur I2CapteUr.RCapteUr= dans iesquelles la variable intéressante V est la vitesse du fluide et itT T est la température du capteur au- dessus de celle du fluide. Etant donné que des variations de la température du fluide ambiant peuvent affecter le signal de sortie détecté, il est nécessaire de surveiller la variation de température du fluide et d'effectuer des variations corrélatives de la température du capteur de compensation de température afin de maintenir une condition de surchauffe constante ( T) ou une relation constante entre la température du fluide détectée et celle du capteur de détection de la vitesse. Grâce à l'élimination des effets de la variation de la température du fluide, la vitesse se trouve être la seule variable laquelle est déterminée, ainsi qu'il a été mentionné, en mesurant l'énergie électrique fournie au capteur de vitesse. Cette condition de surchauffe constante est obtenue, dans le cas d'un anémomètre du type à pont de résistances, en déterminant la température d'un capteur de détermination de la vitesse par rapport à une valeur de référence préétablie (déterminée par une résistance branchée en série) au-dessus de la température d'un capteur de compensation de température qui suit la température du fluide. Ce type d'anémomètre est particulièrement connu comme étant un anémomètre à surchauffe constante et lorsqu'ii est réalisé sous la forme d'un anémomètre à surchauffe constante du type à pont de résistances, une condition d'équilibre est maintenue en une partie de détection de vitesse et une partie de détection de température. Bien que de tels anémomètres à surchauffe constante se soient révélés extrêmement utiles dans un grand nombre d'applications, un problème qui affecte la précision de ces dispositifs est que les conducteurs sur lesquels les conditions d'équilibre relatif sont relevées, sont les mêmes conducteurs que ceux sur lesquels le courant est fourni pour modifier la température du capteur et par conséquent la résistance et la tension. Etant donné que la dissipation d'énergie dans la partie de détection de vitesse est supérieure à celle qui apparaît dans la partie du capteur de compensation de température, une disparité apparaît entre les résistances des trajets des conducteurs contenant les capteurs individuels, cette disparité se traduisent à son tour par des données erronées en ce qui concerne la consommation d'énergie et par conséquent l'écoulement du fluide. Par conséquent un but de la présente invention est de résoudre le problème ci-dessus grâce à l'utilisation d'un circuit de commande dans lequel les conducteurs de détection de ia tension sont isolés des conducteurs d'alimentation en courant. A cet égard la fonction de détection de la température du fluide n'est plus rendue dépendante de la résistance absolue du capteur de compensation de température mais au contraire elle dépend alors d'un rapport entre les courants dans la branche de compensation de température d'une part et la branche de détection de vitesse d'autre part. Dans la présente invention est également- prévu un circuit de couplage croisé dans la partie de détection de vitesse, afin de rejeter n'importe quels signaux de mode commun présents dans cette portion. Le changement de résistance du fil conducteur est ainsi rejeté. Un autre avantage résultant de la combinaison des caractéristiques précitées dans ie présent circuit est la possibilité d'employer des capteurs appariés. Il n'est plus nécessaire de calibrer les capteurs, qui, jusqu'a présent, n'étaient pas appariés, les uns par rapport aux autres puisque des résultats précis peuvent être obtenus maintenant directement. Les buts, avantages et caractéristiques distinctives précitées de la présente invention par rapport à la technique antérieure, ainsi que le mode de construction de celle ci résulteront cependant plus clairement de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés. Avant de procéder à cette description il convient de préciser que cette description est faite uniquement à propos de formes d'exécution préférées présentement et que diverses modifications peuvent être rdalisées sans sortir du cadre de l'invention. La présente invention est constituée par un anémomètre à surchauffe constante du type à pont ayant un circuit de commande du courant indépendant et un circuit de réjection de mode commun.En combinaison le circuit de commande permet d'utiliser des capteurs de compensation de température et de vitesse appariés et il réduit au minimum les erreurs dans la précision du dispositif dues à la résistance des conducteurs. A cet égard les conducteurs de détection de la tension sont maintenant sépa-rés des conducteurs fournissant le courant de manière à réduire au minimum les effets des modifications de l'impédance des conducteurs. En fonctionnement la partie de compensation de température du circuit suit la température du fluide et ce faisant surveille une paire de tensions liant le capteur de vitesse au capteur de compensation de température, dans un premier amplificateur, et elle maintient une condition de surchauffe en équilibre entre eux, laquelle est commandée uniquement par des niveaux de courants relatifs, indépendamment de la distance du capteur de compensation de température. La partie de détection de vitesse maintient à son tour la condition d'équi-iibre et l'écart de température prédéterminé qui ese ':tablai par le capteur de compensation de température, par l'intermédiaire d'un second amplificateur et d'un réseau résistif couplage croisé à haute impédance qui est couplé en parallèle aux capteurs de manière à rejeter les signaux de mode commun présents à partir de l'impédance du fii conducteur. Suivant la condition du second amplifica teur et j 'écoulement du fluide au contact du capteur de vitesse, l'alimentation électrique est commandée de manière à fournir du courant au capteur de vitesse pour l'amener à suivre la température établie par le capteur de compensation de température.Les parties améliorées du circuit améliorent ensemble la précision du dispositif. On décrira ci-après,à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel La figure 1 est un schéma électrique d'un anémomètre à surchauffe constante du type à pont de résistances suivant la technique antérieure. La figure 2 est un schéma électrique d'un anémomètre à surchauffe constante du type à pont de résistances amélioré ayant une commande de courant indépendante et un circuit de réjection de mode commun. La figure 3 est un schéma électrique de la partie de compensation de température de la figure 2. La figure 4 est un schéma électrique de la partie de détection de vitesse du circuit de la figure 2. La figure 5 est un schéma électrique d'une variante d'exécution du circuit de la figure 2 utilisant des éléments suiveurs de tension. Si on se réfère à la figure 1, on y voit un schéma électrique d'un circuit utilisé dans un anémomètre à surchauffe constante du type à pont de résistances suivant la technique antérieure. Ainsi qu'il est représenté de la manière habituelle, le circuit utilise une paire de capteurs RV et RTC du type thermistance. Suivant l'application envisagée ces capteurs peuvent prendre de nombreuses formes mais en fonctionnement chacun d'eux est amené à être exposé d'une manière appropriée à un fluide s'écoulant. Le capteur RTC est utilisé pour suivre la température ambiante du fluide s'écouiant le long des capteurs tandis que le capteur RV est utilisé pour détecter et ajuster la vitesse du fluide.La vitesse d'écoulement du fluide est déterminée particulièrement en détectant le taux de transfert de chaleur qui se traduit par la quantité d'énergie fournie à la partie de détection de vitesse et au capteur RV pour maintenir une condition d'équilibre par rapport à la température établie par le capteur de compensation de température RTC. Pour l'exécution des fonctions précitées l'anémomètre 2 est constitué, du point de vue fonctionnel, en deux moitiés, à savoir une partie de détection de vitesse et une partie de compensation de température. Suivant la température du fluide le circuit de compensation de température produit un niveau de tension correspondant au point de jonction B à l'entrée de l'amplificateur Al. La partie de détection de vitesse intervient à son tour pour maintenir une tension égaie au point de jonction A. Etant donné que la température du fluide est relativement constante, la tension au point de jonction B ne varie pas autant que celle au point de jonction A laquelle dépend de l'effet de la vitesse de l'écoulement du fluide sur le capteur Rv.Dans tous les cas, en fonctionnement, l'amplificateur Al produit, lorsqu'il détecte une condition de déséquilibre entre les points de jonction A et B, un signal de sortie approprié pour polariser le transistor interrupteur Q1 de manière que celui-ci soit conducteur et fournisse un courant qui dépend de la valeur des résistances des capteurs RV et RTC lesquelles sont également fonction de la température.Etant donné que la température du capteur de vitesse RV varie le plus, et par conséquent sa résistance et la tension au point de jonction A, le courant est principalement fourni au capteur de vitesse RV afin de produire un accroissement de résistance et de température dans le capteur Rv lequel élève la tension au point de jonction A jusqu'à ce qu'une condition d'équilibre VA = VR soit de nouveau relevée. En surveillant l'énergie consommée pour maintenir la tension VA et en connaissant i'énergie consommée par le circuit pour le suivi de la température du fluide, il est ainsi possible de déterminer la vitesse de l'écoulement. Le circuit de la figure 1 est également sélectionné en ce qui concerne l'identité à l'équilibre de VA =Vg et qui peut être représentée par les rapports entre les résistances dans les deux parties conformément à l'équation ci-dessous: (R5 résistance série) A partir de cette égalité la valeur de la résistance R1 est choisie de manière à établir la gamme de tension désirée pour le signal de sortie. La résistance R5 branché en série avec la résistance de compensation de température RTC est choisie de manière à fournir un coefficient alpha désiré et une condition de surchauffe constante pour la partie de compensation de température.La résistance R2 est choisie de manière à établir un rapport désiré (RTC + R5 )/R2 et à commander ainsi le rapport RV/Rl et la température du capteur RV. D'après ce qui précède il y a lieu de noter qu'une compensation de température précise exige que l'énergie consommée dans le capteur de compensation de température RTC soit bien inférieure à elle consommée dans le capteur de vitesse Rv. Par conséquent dans le passé on a employé des capteurs de différentes dimensions et il a été nécessaire habituellement de prévoir un calibrage du circuit. En outre étant donné que les tensions relevées aux points de jonction A et B sont détectées par l'intermédiaire des mêmes conducteurs 6 et 8 que ceux utilisés pour fournir les courants 11 et I2 aux capteurs, l'impédance de ces conducteurs a eu une influence sur la précision du dispositif.Plus particulièrement les niveaux de courants différents s'écoulant dans les conducteurs 6 et 8 produisent des modifications inégaies des résistances des conducteurs individuels dont il n'est pas tenu compte dans les tensions de capteurs équilibrés aux points de jonction A et B. Le circuit suivant l'invention a été justement développé parce que cette dif férence de résistance peut être particulièrement critique à l'égard des mesures effectuées au moyen de l'anémomètre 2 et la nécessité d'employer des capteurs non appariés. Si on se reporte à la figure 2, l'anémomètre 4 amélioré suivant l'invention a été développé, entre autres choses, afin de permettre l'utilisation de capteurs appariés RV et RTC et de surmonter les effets néfastes des variations des résistances des conducteurs par suite de variations de l'intensité des courants. De même que le circuit de la figure 1 le circuit de la figure 2 est constitué de manière à comprendre une partie de détection de vitesse et une partie de détection de température. Cependant le circuit de ia figure 2 est réalisé autour d'une paire d'amplificateurs indépendants A5 et A6 qui commandent respectivement, d'une manière appropriée, des transistors Q2 et Q3 pour fournir les courants exigés I2 et Il aux capteurs RTC et RV.Les alimentations électriques et les conducteurs 6 et 8 dans lesquels les courants sont fournis et sur lesquels les tensions sont détectées, sont ainsi séparés les uns des autres et ne s'affectent plus mutuellement dans la mesure rencontrée antérieurement. Si on considère maintenant la figure 3, on y voit un schéma électrique partiel de la partie de compensation de température de l'anémomètre 4 dans laquelle le transistor Q2 est isolé du capteur de vitesse RV de telle façon que, lors de la détection d'une variation de la température du fluide et de l'établissement d'une condition de déséquilibre entre les points de jonction B2 et A2, le transistor Q2 fournisse le courant I2 uniquement au capteur de compensation de température RTC et non plus aux capteur de vitesse RV.De même, étant donné que les tensions aux points de jonction A2 et B2 sont égales, on a alors 11R1=12R2. Cette équation peut être réécrite de la manière suivante I1 R2 12 R1 A partir de cette équation on peut voir que le cou rant de compensation de température I2 ne dépend plus de l'impédance absolue du capteur de compensation de températu- re RTC mais qu'il dépend maintenant uniquement du rapport entre R2 et R1 et du courant I1 dans la partie de détection de vitesse du pont. Autrement dit le niveau de compensation de température dépend maintenant uniquement d'un rapport de courants pouvant être commandé indépendamment. Ce rapport peut être déterminé indépendamment des capteurs.Du fait de cette indépendance on peut maintenant util-iser des capteurs appariés RV et RTC. On considérera maintenant la partie de détection de vitesse du circuit de la figure 2, cette partie du circuit étant représentée sur la figure 4 et intervenant, comme précédemment, pour maintenir la tension au point de jonction A2 égale à celle au point de jonction B2. Cependant pour la fourniture du courant I1 au capteur de vitesse RV un amplificateur A6 est maintenant utilisé pour attaquer un transistor Q3 en fonction de la détection d'une condition de déséquilibre par rapport à chacun des composants résistifs primaire RV, RTC et R5. En particulier un réseau résistif à couplage croisé de résistances RA, RB et KRA est utilisé, ces résistances étant branchées respectivement en parallèle aux extrémités opposées de chacun des éléments résistifs RV,RTC et R5.Dans la condition d'équilibre les tensions aux points de jonction A3 et 83 sont maintenues normalement dans un état d'équilibre et c'est seulement dans le cas de la détection d'une inégalité entre les tensions aux bornes des capteurs RV et RTC que l'amplificateur A6 amène le transistor interrupteur Q3 à produire le courant Si on poursuit l'analyse de ce circuit, on peut voir que la tension aux bornes da capteur de vitesse RV est liée à la tension aux bornes du capteur de compensation de tempé rature RTC et à la résistance série R5 par l'équation sui vante:: VV = K(VTC + Vsa'rie) Si on multiplie cette équation par l'unité ou bien la partie gauche par I1/ I1 et la partie droite par 12/12, et si on substitue VV VTC Vs RV pour - , RTC pour - et R5 pour I1 12 on peut voir que les éléments résistifs du circuit et en particulier les parties contenant les capteurs sont liés les uns aux autres de la façon suivante A partir de cette équation on peut voir que l'amplitude du signal de vitesse détecté est déterminée par la valeur de la résistance R1, que la résistance et par consé quent la température du capteurde vitesse Rv est en outre liée à la valeur de la résistance du capteur de compensation de température RTC par la valeur choisie pour le facteur K, et que la valeur de la résistance série R5 par rapport à RTC détermine le coefficient alpha et commande la variation de la surchauffe en fonction de la température et assure la compensation de cette température. Du fait que les conducteurs sur lesquels la tension est détectée, sont séparés des conducteurs transportant les courant I1 et I2 et que les résistances RA et KRA présentent une impédance d'entrée élevée vis à vis des amplificateurs A5 et A6 (RA ayant typiquement une valeur de 5 kilo ohms), une variation quelconque de l'impédance des conducteurs 6 et 8 est réduite dans le rapport entre la résistance du conducteur et la valeur RA. De même l'impédance d'entrée élevée des amplificateurs A5 et A6 réduit au miminum l'énergie consommée par l'échantillonnage du circuit de commande Les amplificateurs A5 et A6 ont un gain élevé si bien que le signai de sortie n'est pas affecté d'une manière siqnificative.En passant il convient également de noter que par suite du couplage croisé du réseau résistif RA et Rg, n'importe quel signal de mode commun présent au point de jonction A3 et B3 est rejeté. Si on considère maintenant la figure 5, on peut y voir une variante d'exécution du circuit de la figure 2 laquelle est indiquée d'une manière générale par la référence 9 et dans laquelle un certain nombre d'éléments suiveurs de tension VF1 à VF4 sont branchés en série avec les éléments résistifs individuels RA et KRA associés aux capteurs RV et RTC. Chacun des éléments suiveurs de tension VF1 à VF4 a un gain égal à l'unité et une impédance d'entrée relativement élevée et il assure ainsi une meilleure adaptation de l'impédance d'entrée à celle de l'amplificateur A5. En résumé la présente invention fournit un anémomètre à surchauffe constante du type à pont de résistances qui permet l'utilisation d'une paire de capteurs de vitesses et de compensation de température appariés. Dans cet anémomètre le circuit de détection est également séparé du circuit d'alimentation en courant et les effets néfastes de la variation d'impédance des conducteurs sont réduits au minimum. L'annulation de la résistance des conducteurs permet l'utilisation de conducteurs longs, de capteurs courts à faible résistance et de connexions des conducteurs plus résistives. La dérive du signal de sortie de l'anémomètre, due au chauffage et au refroidissement des conducteurs, est éliminée. La résistance des conducteurs ne modifie pas la résistance ou le coefficient de variation de la résistance en fonction de la température des capteurs. REVENDICATIONS 1.- Anémomètre pour détecter un paramètre d'un fluide s'écoulant caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison, des premier et second éléments résistifs thermosensibles (Rv, RTC) exposés à un fluide s'écoulant, le premier élément résistif (Rv) étant monté pour détecter un paramètre du fluide stécoulant tandis que le second élément résistif (RTC) est monté de manière à détecter la température du fluide, un premier comparateur (Ag) couplé au premier et au second éléments ré sistifs (RV,RTC) pour comparer des premier et des second signaux correspondant respectivement à l'état des premier et second éléments résistifs (Rv, RTC), des moyens (Q2) couplés au premier comparateur (A5) pour fournir un courant au second élément résistif (RTC) en fonc- tion de la température du fluide de manière que l'état du second élément résistif (RTC) suive la température du fluide, dans une relation prédéterminée, un second comparateur (A6) couplé aux pre-mier et second éléments résistifs (RV > RTC) afin de détecter une variation de l'état de l'un ou l'autre de ces éléments résistifs, des moyens (Q3) couplés au second comparateur (A6) pour alimenter en énergie, d'une manière variable, le premier élément résistif (Rv), afin de maintenir une relation d'équilibre, par rapport au second élément résistif (RTC), aux e-ntrées des premier et second comparateurs (A5,A6) , si bien que l'énergie fournie au premier élément résistif (RV) représente le paramètre du fluide qui est contrôlé. 2.- Appareil suivant la revendication 1 caractérisé en ce que il compo-rte un troisième éiément résistif (Rs) relié au second élément résistif (RTC), ce troisième élément résistif (Rs) déterminant un écart de température constant prédéterminé entre les états relatifs des premier et second éléments résistifs (RV,RTC). 3.- Appareil suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'état du second élément résistif (RTC) est proportionnel à un rapport entre un courant fourni au premier éiément résistif (Rv) et un courant fourni au second élément résistif (RTC). 4.- Appareil suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les premier et second éléments résistifs (RV,RTC) présentent sensiblement des caractéristiques semblables de variation de la résistivité en fonction de la température. 5.- Appareil suivant la revendication 1 caractérise en ce que le second comparateur (A6) comporte des premières et secondes entrées (A3,B3) et les premier et second éléments résistifs (RV,RTC) sont branchés chacun en parallè- les entre ces première et seconde entrées (AD,83), pour détecter un changement relatif entre eux. 6.- Appareil suivant la revendication 5 caractérisé en ce que le premier élément résistif (RV) branché en pa parallèle comporte un premier élément à impédance relativement élevée (KRA) branché en série avec lui et le second élément résistif (RTC) branché en parallèle comporte un second élé- ment à impédance relativement élevée (RA) branché en série avec lui, si bien que l'effet d'un changement quelconque de i'impédance d'un conducteur sur le paramètre détecté est réduit au minimum. 7.- Appareil suivant la revendication 2 caractérisé en ce que le second comparateur (A6) comporte des première et secondes entrées (A3,B3) et les premier, deuxième et troisième éléments résistifs (RV,RTC et R5) sont branchés chacun en parallèle entre ces première et seconde entrées (A3,B3) pour détecter un changement relatif entre eux. 8.- Anémomètre à surchauffe constante caractérisé en ce qu'ii comprend, en combinaison, un premier élément résistif thermosensible (RTC) placé dans un fluide s'écoulant pour détecter la température ambiante de celui-ci, des premier moyens couplés au premier élément résistif (RTC) et un second élément résistif thermosensible (RV), ce second élément résistif ayant une caractéristique de fonctionnement pratiquement identique à celle du premier éiément résistif (RTC) et étant placé -dans le fluide s'écoula-nt afin de détecter un paramètre de ce fluide dépendant de l'écoulement, pour comparer la température ambiante du fluide à la température du second élément résistif (RV), des premiers moyens de commande répondant à un déséquilibre détecté par les premier moyens pour amener la résistance du premier élément résistif (RTC) à suivre la température du fluide, des second moyens comportant une pluralité d'éléments à impédance prédéterminée relativement élevée branchés en série avec chacun des premier et second éléments résistifs (RTC,RV), chacune des combinaisons en série des premier et second éléments résistifs (RTC,RV) et des éléments à impédance élevée étant branchés en parallèle sur une paire d'entrée des second moyens pour détecter tout déséquilibre entre le second élément résistif (RV) et ie premier élément résistif (RTC), et des second moyens de commande répondant à un déséquilibre détecté par les second moyens pour fournir de l'énergie électrique au second élément résistif (RV) afin de maintenir une relation d'équilibre entre eux, l'énergie électrique ainsi fournie constituant une indication du paramètre présentant un intérêt.