Brevet FR2605099A1 — publié le 19880415

La présente invention concerne un débitmètre d'air à fil chaud et plus particulièrement une structure for- mée d'une résistance chauffante utilisée pour le débitmètre d'air à fil chaud et qui détecte le débit massique de l'air d'admission dans un moteur à combustion interne. La figure 2, annexée à la présente demande, re- présente un schéma en coupe d'ensemble d'un débitmètre d'air à fil chaud classique. En se référant à la figure 2, une ré- sistance chauffante 1 et une résistance 2 de détection de la température de l'air d'admission, qui possède la même struc- ture que la résistance chauffante, sont disposées à l'inté- rieur d'un passage de dérivation 4 d'un corps 5 comportant un passage principal 3, dans lequel la majeure partie de l'air d'admission passe, et le passage de dérivation 4, dans lequel une partie de l'air d'admission subdivisé passe. La figure 3, annexée à la présente demande, re- présente un circuit de commande 6 du débitmètre d'air à fil chaud. Le circuit de commande comporte la résistance chauf- fante 1, la résistance 2 de détection de la température de l'air d'admission, des amplificateurs opérationnels 7 et 8, un transistor de puissance 9, un condensateur 10 et des résis- tances 10-15. Une borne de correction 16 du transistor de puis- sance 9 est raccordée au pôle (+) d'une batterie, une borne de masse 17 de la résistance 11 est raccordée au pôle (-) de la batterie et un point de raccordement de la résistance 11 et de la résistance chauffante 1 est raccordé à une borne d'en- trée 18 d'un micro-ordinateur qui réalise la commande du mo- teur moyennant l'utilisation du signal de sortie du débitmè- tre d'air à fil chaud. Dans une telle structure, la température de la résistance chauffante 1 est commandée de manière à être supé- rieure, d'une valeur constante, à la température de la résis- tance 2 de détection de la température de l'air d'admission, grâce à l'envoi d'un courant à la résistance chauffante 1. Simultanément la résistance 2 de détection de la température de l'air d'admission est utilisée pour compenser la tempéra- ture de l'air d'admission de manière que le chauffage de la résistance de détection de la température de l'air d'admis- sion puisse être négligé et que la température de l'air d'ad- mission puisse être détectée. Lorsque de l'air circule le long de la résistance chauffante 1, la différence de température entre la résistance chauffante 1 et la résistance 2 de détec- tion de la température de l'air d'admission est commandée à une valeur constante sous l'effet du fonctionnement du cir- cuit de commande 6, comme cela a été expliqué plus haut. Cet- te commande est exécutée par réaction de manière qu'une ten- sion formée par division d'une différence de tension entre les deux extrémités de la résistance chauffante 1, par les résistances 12 et 13, et une tension correspondant à une chu- te de tension produite dans la résistance 11 par le passage d'un courant à travers la résistance chauffante 1 et amplifiée par l'amplificateur opérationnel 8, sont toujours égales en- tre elles. Par conséquent, lorsque le débit massique d'air varie, le courant traversant la résistance chauffante 1 est modifié de sorte que le débit d'air peut être mesuré au moyen de la chute de tension aux bornes de la résistance 11, qui correspond au courant. En envoyant le signal mesuré du débit massique de l'air d'admission dans un moteur d' automobile au micro-ordinateur par l'intermédiaire de la borne 18, le micro- ordinateur détermine le volume de carburant nécessaire pour maintenir une combustion optimale dans le moteur de l'automo- bile de sorte que l'on peut utiliser un dispositif d'injec- tion électronique de carburant, qui peut injecter le carbu- rant à l'aide d'un injecteur. La figure 4, qui est annexée à la présente de- mande, montre un exemple classique de la résistance chauf- fante qui est utilisée pour un tel débitmètre d'air à fil chaud. La résistance chauffante est formée par insertion d'une bro- che 22 formée par du Pt-Ir (10 %) dans les deux extrémités du mandrin 21 réalisé en alumine, et un fil de platine 23 est bobiné sur ce mandrin. Les deux extrémités de la broche 22 sont supportées par des conducteurs de support 25, auxquels elle est fixée par soudage en 24. Selon une autre technique antérieure, telle que représentée sur la figure 2 du brevet japonais mis à l'inspection publique sous le N 58-95265, on décrit un exemple dans lequel l'élément de résistance est fixé direc- tement par brasage sur les conducteurs de support 25, sans utilisation de la broche 22. O10 Cependant ces techniques antérieures présentent comme inconvénient le fait que la réponse du dispositif de mesure est mauvaise, comme cela est représentée par une courbe formée de tirets sur la figure 5 annexée à la présente deman- de; et lorsque le débit massique d'air varie de Q1 à Q2 en un intervalle de temps constant, la valeur de la tension de sor- tie (V) n'augmente pas de façon abrupte, mais augmente en sui- vant une courbe à pente douce. Cet inconvénient pose un pro- blème important lorsque le débitmètre d'air à fil chaud est utilisé pour un dispositif d'injection de carburant à comman- de électronique dans un moteur à combustion interne tel qu'un moteur d'automobile. Le but de la présente invention est de fournir un débitmètre d'air à fil chaud présentant une réponse élevée. Dans le débitmètre d'air à fil chaud conforme à la présente invention, le mandrin de la résistance chauf- fante est réalisé en zircone (ZrO2)ou en fibres de verre.Etant donné que le transfert de chaleur de la zircone ou des fibres de verre est faible, la chaleur produite dans la résistance chauffante ne peut pas s'évacuer dans les conducteurs de sup- port, de sorte que l'on obtient une bonne réponse du débit- mètre. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci- après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente la constitution de la résistance chauffante selon une forme de réalisation de la présente invention - la figure 2, dont il a déjà été fait mention, représente une vue en coupe transversale d'ensemble du débit- mètre d'air à fil chaud réalisé selon une technique antérieure classique; - la figure 3, dont il a déjà également été fait mention, représente le schéma du circuit de commande du dis- positif de la figure 2;. - la figure 4, dont il a déjà été fait mention, représente une vue en coupe de la résistance chauffante réa- lisé selon la technique antérieure classique; - la figure 5, dont il a déjà été fait mention, représente la caractéristique du temps de réponse du disposi- tif selon la présente invention et du dispositif de l'art an- térieur; - la figure 6 représente une construction de la résistance chauffante correspondant à une autre forme de réalisation de la présente invention; - la figure 7 représente une construction de la résistance chauffante selon une autre forme de réalisation de la présente invention; - la figure 8 représente un schéma du processus de fabrication de la résistance chauffante représentée sur la figure 7; et - la figure 9 représente une construction de la résistance chauffante correspondant à une autre forme de réalisation de la présente invention. Ci-après on va décrire de façon détaillée les formes de réalisation préférées de l'invention. En se référant à la figure 1, le matériau d'un mandrin 21 d'une résistance chauffante 1 contient de la zir- cone stabilisée, à laquelle est ajouté un certain pourcentage en moles de Y203. Après avoir déposé une pellicule de platine 31 sur la surface du mandrin au moyen d'une pulvérisation au tambour, on aménage une découpe 32 dans cette pellicule con- formément à une opération de rognage par laser pour ajuster la valeur résistive de la résistance chauffante. Ensuite on raccorde une résistance chauffante 1, par brasage, au niveau des parties extrêmes de deux conducteurs de support 25 possé- dant de faibles diamètres. Après avoir recouvert la résistan- ce chauffante sur l'ensemble de sa surface au moyen d'un verre de protection 33, on fait sécher la résistance chauffante à basse température. - Sur la figure 5, la caractéristique du temps de réponse du débitmètre d'air à fil chaud utilisant la résis- tance chauffante 1 conforme à la présente invention est repré- sentée par une courbe en trait plein. En se référant à la fi- gure 5, on peut comprendre que la caractéristique de réponse conforme à la présente invention est améliorée. Ceci est basé sur le fait que la quantité de chaleur transmise aux conduc- teurs de support 25 est réduite étant donné que la conducti- bilité thermique de la zircone est réglée à une valeur infé- rieure d'un tiers par rapport à l'alumine qui est utilisée comme matériau principal pour la résistance chauffante. Etant donné que le matériau du mandrin de la résistance chauffante conforme à la présente invention est réalisé avec de la zircone stabilisée, le mandrin présente une excellente flexibilité par rapport au débitmètre d'air à fil chaud décrit dans le brevet japonais mis à l'inspection publique sous le N 58-95262 et qui utilise un mandrin en alumine dans une même structure que celle de la présente invention, grâce au fait que le mandrin est rac- cordé directement aux conducteurs de support sans l'utilisa- tion d'un soudage et peut absorber la contrainte thermique produite à l'instant de la mesure, ce qui fournit un accrois- sement de la résistance mécanique et de la résistance aux con- traintes thermiques, et qu'une rupture du mandrin peut être évitée. En effet, le système de la zircone stabilisée, qui fournit une haute ténacité, réside dans le fait que les grains tétragtnaux de zircone, qui sont enveloppés par un corps frit- té, subissent une transformation martensitique pour déformer de la zircone monoclique sous l'effet d'une concentration de contraintes alors que simultanément l'énergie de rupture de la zirwne est absorbée. Etant donné que les deux extrémités du mandrin sont fixées au niveau de leur structure, lorsqu'une contrainte thermique est produite dans ces extrémités, en gé- néral le mandrin ne se rompt pas. Etant donné que la conductibilité thermique du mandrin en zircone est faible, la conduction thermique en di- rection de l'élément de support peut simultanément être ré- duite étant donné qu'on n'utilise aucune broche dans le cadre de la présente invention et que la longueur t du mandrin peut être réduite par rapport à une technique antérieure classique telle que représentée sur la figure 4, le rapport de la lon- gueur 1 au diamètre d du mandrin, à savoir l/d, est choisi supérieur de telle sorte que la réponse fournie par le man- drin est accrue. En effet, lorsque l'on considère le trans- fert de chaleur à partir de la résistance chauffante 1, si l'on modifie le modèle de l'ensemble de la structure de la résistance chauffante 1 pour lui donner une forme approxima- tivement cylindrique, le transfert de chaleur dans l'air est proportionnel à la surface'Trdl, et le transfert de chaleur à travers les conducteurs de support 25 à partir des deux ex- trémités de la résistance chauffante est proportionnel à la surface en coupe IMD2. Etant donné que la réponse d'un appa- reil de mesure devient meilleure lorsque le transfert de cha- leur de cette surface en coupe par rapport à la première sur- face indiquée diminue, cette réponse devient meilleure lors- que la valeur de la première surface indiquée, divisée par la valeur de la surface indiquée en second lieu, qui est fonc- tion de l/d, augmente et en outre, étant donné que la conduc- tion thermique à travers la surface en coupe transversale est réduite, la réponse augmente. Etant donné que le débitmètre d'air à fil chaud conforme à la présente invention est réalisé de telle sorte que le mandrin est raccordé directement au corps du support, il travaille d'une manière remarquablement améliorée, et ce notamment par le fait qu'on peut aisément le fabriquer sans l'opération d'insertion de la broche 22 dans le mandrin 21 et sans que la broche 22 et le mandrin 21 possèdent des dia- mètres différents, comme dans le cas de l'art antérieur re- présenté sur la figure 4. Bien que dans la forme de réalisation représen- tée sur la figure 1, on voit que la forme du mandrin en zir- cone est rectiligne, la résistance chauffante peut être ob- tenue par réalisation du mandrin 21 avec une forme de bobine hélicoïdale comme représenté sur la figure 6, étant donné que la zircone présente une excellente flexibilité. Dans ce cas, étant donné que l'on peut choisir pour l/d une valeur supé- rieure, la réponse peut être améliorée de façon supplémentai- re, et comme le mandrin lui-même présente une fonction de res- sort entre les conducteurs de support 24, la résistance mé- canique du mandrin est accrue de façon supplémentaire. Le mandrin n'est pas limité en permanence à sa fabrication avec de la zircone, mais peut être réalisé en fi- bres de verre, qui présentent une faible conductibilité ther- mique comme la zircone. Etant donné que le débitmètre d'air à fil chaud représenté sur les figures 1 et 6 utilisent le mandrin réali- sé en zircone ou en fibres de verre, qui possède une faible conductibilité thermique, ce débitmètre d'air peut présenter une réponse élevée. En se référant à la figure 7, un fil de platine est enroulé sur la surface d'un mandrin 37. Au niveau des deux extrémités du mandrin, le fil est enroulé d'une manière dense. Dans la partie 36 enroulée de façon serrée, le mandrin 37 est supporté par deux conducteurs de support 25. Toute la partie du mandrin 31, sur lequel est enroulé le fil, est recouverte par une couche de verre 33. En se référant à la figure 8, le mandrin 37 réa- lisé en fibres de verre a été préalablement enroulé de maniè- re à former un tambour (non représenté) et est délivré de fa- çon continue. Etant donné que le mandrin 37 nondélivréne com- porte aucune partie telle que représentée dansl'artantériaedont le diamètre varie dans la direction axiale du mandrin, le fil de platine 23 peut être enroulé aisément de façon continue. Le mandrin porte un bobinage dense et un bobinage moins dense qui alternent selon une période prédéterminée de sorte.que le mandrin possède une longueur prédéterminée une fois qu'il a été découpé, comme cela va être expliqué ci-après. Une fois que le bobinage est terminé, on enroule le mandriA 37 sur une autre bobine (non représentée) de manière à stocker le man- drin bobiné. Le sectionnement du mandrin 31 est réalisé lors de la délivrance du mandrin 37, sur lequel le fil est bobiné, à partir du tambour. Lorsque le sectionnement est exécuté au niveau de la partie portant un bobinage dense, on peut obte- nir un mandrin possédant une longueur prédéterminée, aux deux extrémités duquel le bobinage est dense, comme représenté sur la figure 8(3). On soude le mandrin 31 à la partie 34 de fai- ble diamètre des conducteurs de support 25, qui supportent ainsi le mandrin. Ensuite on recouvre le mandrin avec un revê- tement en verre 33. Conformément à la structure expliquée précédem- ment, la résistance chauffante est réalisée avec une struc- ture ne comprenant aucune broche (conducteur) de sorte qu'une rupture de fil et une variation du pas de bobinage de ce fil peuvent être évitées lors de l'opération de bobinage, que l'on peut exécuter en continu un bobinage à grande vitesse du fil et que la productivité peut être améliorée. La résistance chauffante représentée sur la fi- gure 7 comprend le fil de platine possédant un point de fu- sion élevé, et le verre. Etant donné que le mandrin en fibres de verre est souple, il est résistant à la chaleur et du point de vue mécanique. Bien que dans la forme de réalisation de la fi- gure 7, le soutien mécanique de la résistance chauffante soit formé par soudage de la partie bobinée de façon dense du fil de platine 23 sur l'organe de support 25 et que simultanément les parties bobinées de façon dense soient utilisées comme électrodes, il est possible que le fil de platine 23 soit en- roulé continûment une fois que les plaques formant électrodes métalliques 35 situées sur le mandrin formé de fibres de ver- re aient été formées préalablement aux deux extrémités du man- drin par placage, dépôt ou impression. Dans ce cas, le fait d'accroître l'épaisseur de la pellicule des plaques formant électrodes 35 permet d'augmenter plus encore la solidité mé- canique de la résistance chauffante. Les formes de réalisation représentées sur les figures 7 et 9 permettent de réaliser un débitmètre d'air à fil chaud solide du point de vue mécanique, possédant une ré- sistance thermique élevée et un rendement de fabrication éle- vé. Le fait de disposer la partie bobinée de façon dense ou les surfaces d'électrodes permet d'établir de façon sûre le raccordement électrique entre le fil de platine et le conduc- teur de support. REVENDICATIONS 1. Débitmètre d'air à fil chaud comprenant une résistance chauffante (1) disposée dans un passage d'air (4) pour la mesure du débit massiqued'alr d'entrée d'un dispositifd'in- jection de carburant à commande électronique, et un circuit de commande (6) servant à commander le courant traversant la résistance chauffante et à introduire une tension de sortie de ladite résistance chauffanteentantquesignal correspondant au débit massique d'air, caractérisé en ce que ladite résis- tance chauffante est réalisée au moyen d'une opération de dé- pôt d'une pellicule de platine (31) sur un mandrin (21) réa- lisé en zircone ou en fibres de verre,etun rognage de la pel- licule de platine au laser pour l'obtention d'une valeur ré- sistive prédéterminée. 2. Débitmètre d'air à fil chaud selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que ladite résistance chauffan- te est raccordée directement à des conducteurs de support (25) sur les deux extrémités dudit mandrin. 3. Débitmètre d'air à fil chaud selon la reven- dication 2, caractérisé en ce que ladite résistance chauf- fante est fixée par brasage à une partie de chaque conducteur de support (25) possédant un faible diamètre, auquel ladite résistance chauffante est raccordée. 4. Débitmètre d'air à fil chaud comportant une résistance chauffante (1) disposée dans un passage d'air (4) pour la mesure du débit massique d'air d'entrée d'un dispositif d'in- jection de carburant à commande électronique, et un circuit de commande (6) servant à commander le courant traversant la ré- sistance chauffante et à introduire une tension de sortie de ladite résistance chauffante entantquesignal correspondant au débit massique d'air, caractérisé en ce que ladite résistance chauffante est réalisée au moyen d'une opération d'enroule- ment d'un fil de platine (23) sur une surface d'un mandrin (21) réalisé en fibres de verre ou en zircone de telle- sorte que le fil de platine est bobiné de façon dense au niveau des deux extrémités du mandrin,etdu montage dudit mandrin sur la partie, qui porte un bobinage serré, de conducteurs de sup- port (25) supportant ledit mandrin. 5. Débitmètre d'air à fil chaud selon la reven- dication 4, caractérisé en ce que ladite résistance chauffan- te est raccordée directement aux conducteurs de -support (25) aux deux extrémités dudit mandrin. 6. Débitmètre d'air à fil chaud selon la reven- dication 5, caractérisé en ce que ladite résistance chauffan- te est fixée par brasage à une partie de chacun des conduc- teurs de support (25) possédant un faible diamètre,à laquelle ladite résistance chauffante est raccordée. 7. Débitmètre d'air à fil chaud comprenant une résistance chauffante (1) disposée dans un passage d'air (4) pour la mesure du débit massiqued'air d'entrée d'undispositif d'in- jection de carburant à commande électronique, et un circuit de commande (6) servant à commander le courant traversant la résistance chauffante et à introduire une tension de sortie de ladite résistance chauffanteentantquesignal correspondant au débit massique d'air, caractérisé en ce que ladite résis- tance chauffante est réalisée au moyen d'une opération de for- mation de plaques formant électrodes métalliques (35) sur les deux extrémités d'un mandrin (37) constitué par des fibres de verre ou de la zircone, et l'enroulementd'un fil de platine (23) sur la surface dudit mandrinetdumontage dudit mandrin, au niveau desdites plaques électriques, sur des conducteurs de support (25), soutenant ledit mandrin. 8. Débitmètre d'air à fil chaud selon la reven- dication 7, caractérisé en ce que ladite résistance chauffan- te est raccordée directement auxdits conducteurs de support aux deux extrémités dudit mandrin. 9. Débitmètre d'air à fil chaud selon la reven- dication 8, caractérisé en ce que ladite résistance chauffan- te est fixée par brasage à une partie de chacun des conduc- teurs de support (25) possédant un faible diamètre à laquelle ladite résistance chauffante est raccordée.