Brevet FR2567642A1 — publié le 19860117

CAPTEUR DE DEBIT DE FLUIDE A POINT DE TRANSITION THERMIQUE Les capteurs thermiques sont utilisés depuis très longtemps pour la mesure du débit massique des fluides. Le fluide à mesurer est mis en contact avec une paroi chauffée servant d'élément de mesure. Plus le débit augmente, plus la quantité d'énergie emportée par le fluide est grande, entraînant un abaissement de la température de surface de la paroi. Dans les applications récentes, un dispositif électro- nique de correction maintient constante la température du capteur constitué pour l'essentiel par une résistance électrique. Il apparaît alors aux bornes du dispositif correcteur une tension de rééquilibrage qui suit la loi de King, c'est-à-dire que cette tension est proportion- nelle à la racine quatrième du débit du fluide. Il s'ensuit que pour mesurer la valeur moyenne d'un débit très fortement pulsé, il faut élever à la puis- sance quatre la tension de déséquilibre avant de pro- céder à son intégration. La présente invention a pour objet un dispositif du type déc-rit cidessus mais permettant d'obtenir directement non plus une tension de déséquilibre, mais un signal périodique rectangulaire caractéristique du débit. A cet effet, l'invention a pour objet un capteur thermique de débit de fluide dans un conduit, caractérisé en ce qu'il comprend un élément sensible disposé dans le courant de fluide et dont la résistance électrique pré- sente un accroissement brusque et important au delà d'une température de transition, au moins une source 2 - d'alimentation électrique de l'élément sensible apte à porter sa température au delà de la température de transition, un circuit électronique à boucle de rétro- action réduisant brutalement la tension appliquée à l'élément sensible lorsque celle-ci dépasse une première valeur de seuil,augmentant brutalement ladite tension lorsque celle-ci diminue au dessous d'une deuxième valeur de seuil et produisant à sa sortie un signal rectangulaire caractéristique du débit de fluide et dont l'un des niveaux correspond au temps d'échauffement de l'élément sensible et le niveau opposé à son temps de refroidissement. L'invention sera maintenant décrite à l'aide des figures annexées. La figure I est une vue en coupe d'un capteur placé dans une conduite. La figure 2 est la caractéristique de la résistance en fonction de la température de l'élément chauffé. La figure 3 est le schéma du circuit électronique associé au capteur et fournissant directement des signaux rectangulaires caractéristiques du débit. La figure 4 montre les signaux obtenus aux sorties A et T de la figure 3. La figure 5 montre le schéma d'une cellule électronique permettant l'élévation aucarré du signal A. Trois cellules identiques en série permettent d'obtenir la puissance quatrième. La figure 6 montre les rapports cycliques t/T des signaux A en fonction du débit de fluide, directement à la sortie du schéma figure 3 puis après élévation au carré et à la puissance quatrième dans le schéma représenté figure 5. 3;2567642 -3- La figure 7 montre l'évolution du temps de chauffe t en fonction du débit. La figure 8 montre la relation entre fréquence d'oscil- lation et débit ainsi qu'avec la même fréquence apres élévation à la puissance quatrième. Sur la figure 1, vue en coupe d'une conduite 1 dans laquelle circule un fluide 2, on a représenté un élément chauffant 3 en forme de plaque portant sur ses faces opposées des métallisations fines 4 et 5 servant à uni- formiser le passage du courant dans l'élément 3 figuré par des flèches. Cet élément chauffant est très mince et- presente une faible inertie thermique. La caracté- ristique de sa résistance électrique en fonction de la température a été représentée figure 2: à partir d'une température Tt de transition la résistance électrique croit de plusieurs ordres de grandeur. On connait différentes classes de matériaux pouvant présenter une telle caractéristique. Elles peuvent être des céramiques dopées utilisées au voisinage de leur point de Curie. Ce peut être aussi des plastiques irra- diés chargés de matières conductrices telles que certains types de noir de carbone, par exemple un matériau polyéthylène modifié (réticulé) chargé d'un matériau conducteur ou un matériau à base d'ethylène comprenant au moins une molécule de fluor et chargé d'un matériau conducteur. La dilatation de réseau des longues molécules greffées entraîne l'absence de contact entre les grains conducteurs d'o l'effet constaté. D'autres structures peuvent donner des effets similaires. Sur la figure 3 peuvent être distinguées deux sources d'alimentation en tension continue par rapport à la masse commune S. La première 7 à basse tension et forte intensité est reliée directement à l'lément chauffé 3 par l'intermédiaire d'une diode anti-retour 8 et des métallisations 4 et 5. - E2567642 L'autre source 9 à tension plus élevée alimente à travers un transistor 10, dont l'émetteur est 11 et le collecteur 12, un pont diviseur 13 dont l'une des branches est constituée par l'élément chauffé 3 et une résistance 14, tandis que l'autre est constituée par deux résistances 15 et 16 dont le point commun est relié à l'entrée non-inverseuse 17 d'unamplificateur opérationnel 19 monté en comparateur intégrateur grâce à un condensateur 20, l'entrée inverseuse 18 étant connectée à l'élément chauffe 3. La sortie 21 de l'amplificateur 19 est connectée par deux résistances 22 et 23 à la base du transistor 10. Ce dernier transistor peut être avantageusement remplacé par un amplificateur de puissance à double sortie. Le fonctionnement est le suivant: au départ, l'élément 3 est très conducteur et la source 7 fait circuler temporairement un très gros courant 1'amenant rapidement un état faiblement conducteur, d'autant que l'élément 3 est également alimenté à travers la résistance 14 par la source 9 et le transistor 10. La tension à l'entrée 18 croissant au delà de celle de l'entrée 17, qui présente alors une première valeur de seuil V1, le potentiel à la sortie 21 passe à l'état bas, entraînant une baisse de potentiel sur l'émetteur 11, une baisse de courant dans l'élément 3 et une baisse de tension à l'entrée 17 qui prend une deuxième valeur de seuil V2. L'élément 3 se refroidit alors, la tension en 18 diminue et, lorsqu'elle passe en dessous de la deuxième valeur de seuil V2, il y a passage de la sortie 21-à l'état haut et un nouveau cycle d'échauffement de l'élément sensible 3 se reproduit. Grâce au condensateur 20, l'ensemble se conduit comme un circuit oscillant stable et l'on obtient sur la 2567642 sortie A la courbe 4 de la figure 4 tandis qu'au point Z on recueille le complément du signal représenté en 4b. La durée t du signal allant de tl à t2 représente le temps d'échauffement tandis que celle allant de t2 à t3 représente le temps de refroidissement au cours d'une période T du signal rectangulaire. La courbe 4c représente le même signal auquel on a retranché un temps constant de tl à t11. Le signal issu des sorties A et A est appliqué aux entrées correspondantes de la figure 5 qui comprend deux filtres passe-bas 24 et 25 de part et d'autre d'un comparateur amplificateur à gain défini 26 recevant sur ses deux entrées 27 et 28 le signal sortant du filtre passe- bas 24, l'entrée 28 non-inverseuse pouvant être court-circuitée au potentiel commun 6 par un transistor à effet de champ 29 dont la porte est commandée par le signal complémentaire A. En intégrant dans le filtre 24 le signal A, puis en appliquant à nouveau le rapport cyclique t/T dans le comparateur-amplificateur 26 on dispose à la sortie 30 d'un signal intégré dans le deuxième filtre passe-bas 25. Ce signal intégré est une image du carré du rapport cyclique t/T. La mise en série de deux cellules supplémentaires 32 et 33 identiques à la première cellule 31 permet d'obtenir à la sortie 34 un signal image de la puissance quatrième du rapport cyclique t/T. - Les filtres passe-bas 25 et 35 intermédiaires entre deux cellules jouent à la fois le râle de filtre d'entrée et de filtre de sortie. La courbe 6a de la figure 6 montre l'évolution du rapport t/T an fonction du débit de fluide, tandis que la courbe 6b -6- montre ce rapport au carré et la figure 6c le même rapport à la puissance 4. On constate que cette courbe 6c est linéaire conformément à la loi de King. L'élévation au carré, courbe 6b,conduit à une courbe déjà linéaire à partir de 10 % du débit ce qui peut suffire dans un certain nombre de cas. La courbe 7 montre l'intégrale du temps d'échauffement t en fonction du débit, qui est assez similaire à la courbe 6b, sans même faire une élévation au carré. La courbe n'a cette allure que si la tension d'alimentation 9 est ajustée à une certaine valeur. La courbe Ba de la figure 8 montre la variation de fréquence d'oscillation du signal rectangulaire A ou en fonction du débit. La courbe 8b montre cette fréquence après élévation à la puissance quatrième. L'utilisation d'une fréquence peut présenter des avantages pour l'exploitation du signal avec certains types de calculateurs. Le dispositif décrit à l'aide des figures précédentes et qui fait appel à des matériaux peu coûteux et à une électronique simple, conduit à un dispositif industriel nouveau dont les signaux sont facilement exploitables. En particulier, selon la figure 7, on voit qu'il suffit de retrancher un temps fixe h1 par un monostable au temps d'échauffement t pour obtenir une loi du temps d'échauffement en fonction du débit linéaire et ayant pratiquement son zéro décalé en M1. Cette méthode peut être utilisée si le débit à mesurer n'est jamais faible. Le temps KI est celui compris entre les instants tl et tllcourbe 4c. Avec ou sans élévation à la puissance quatrième, les temps d'échauffement entre tl et t2 peuvent être additionnés dans un calculateur analogique -7- ou numérique pour obtenir un signal représentatif du débit moyen pendant une période donnée. Les fréquences obtenues avec des éléments chauffés à base de polyéthylène et une tension d'alimentation d'au moins d'une dizaine de volts sont de l'ordre de quelques dizaines de Hertz à quelques kilohertz dépendant du matériau et de son épaisseur. Les transitions entre les états hauts et bas des signaux A et X sont très rapides. Elles peuvent être inférieures à la micro- seconde. Ce capteur thermique peut être notamment utilisé pour le contrele du débit d'air à l'admission d'un moteur à combustion interne. Le cas échéant, une sonde d'analyse des gaz d'échappement permettrait de faire une correction lente des variations éventuelles de caractéristiques du capteur. Les moyens de correction de température nécessaires pour ce type d'application n'ont pas été reprlsentés. Cette correction peut être effectuée à partir d'une sonde de temperature située en amont de l'élément chauffé 3 et agir sur un point quelconque du schéma électronique ainsi qu'il est usuel pour les capteurs thermiques ne présentant pas de transition brusque de-résistance élec- trique. REVENDICATIONS 1. Capteur thermique de débit de fluide (2) dans un conduit (1), caractérisé en ce qu'il comprend un élément sensible (3) disposé dans le courant de fluide et dont la résistance électrique présente un accroissement brusque et important au delà d'une température de transition, au moins une source (9) d'alimentation électrique de l'élément sensible (3) apte à porter sa température au delà de la température de transition, un circuit électronique (9-23) à boucle de rétroaction réduisant brutalement la tension appliquée à l'élément sensible (3) lorsque celle-ci dépasse une première valeur de seuil (Vl), augmentant brutalement ladite tension lorsque celle-ci diminue au dessous d'une deuxième valeur de seuil (V2), et produisant à sa sortie un signal rectangulaire (A, N) caractéristique du débit de fluide et dont l'un des niveaux correspond au temps d'échauffement (t) de l'élément sensible et le niveau opposé à son temps de refroidissement (T-t). 2. Capteur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième ali- mentation (7) de forte puissance, de tension plus basse que la première et connectée à l'élément chauffé à travers une diode anti-retour (8). 3. Capteur thermique selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'accumuler dans un compteur numérique ou analogique les temps d'échauffement (t). 4. Capteur thermique selon les revendications I à 3, caractérisé en ce que l'élément sensible (3) est en matériau polyéthylène modifié chargé d'un matériau conducteur. 5. Capteur thermique selon les revendications I à 3, caractérisé en ce que l'élément sensible (3) est en matériau à base d'éthylène comprenant au moins une molécule de fluor et chargé d'un matériau conducteur. 6. Capteur thermique selon les revendications I à 3, caractérisé en ce que l'élément sensible (3) est en matériau céramique dopé de manière à être conducteur en dessous de son point de Curie et peu conducteur au delà. 7. Capteur thermique selon les revendications I à 6, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un circuit (24, 25, 26) d''lévation au carré du signal rectangulaire (A), incluant à l'entrée un premier filtre passe-bas (24), un comparateur-amplificateur (26) dont la période de comparaison est commandée par le signal complémentaire (a) de celui appliqué au premier filtre passe-bas et un deuxième filtre passe-bas (25) à la sortie du compa- rateur-amplificateur (26) délivrant une tension pro- portionnelle au carré du rapport cyclique (t/T) du signal rectangulaire. - 8. Gapteur thermique selon les revendications I à 7, caractérisé en ce qu'il comprend 3 circuits (31, 32, 33) d'6lvation au carré disposés en série pour élever le signal rectangulaire à la puissance quatre. 9. Capteur thermique selon les revendications I à 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un circuit monostable à temps constant annulant une partie de l'intégrale du temps de chauffe de l'élément chauffé.