Brevet FR2620820A1 — publié le 19890324

Résistance électrique chauffante pour rhéomètre" L'invention concerne une résistance électri- que chauffante destinée à des dispositifs servant à mesurer la vitesse d'écoulement ou le débit massique de gaz et de liquides, ce dispositif se composant d'un support en forme de plaque isolé électriquement dont les deux grandes faces sont parallèles à la direction d'écoulement des gaz ou des liquides et dont l'une des deux plus grandes surfaces porte des couches métalli- ques minces constituées par des surfaces de contact séparées l'une de l'autre par une entaille et des che- mins de passage de courant, ces chemins étant en forme de méandres avec une direction principale perpendicu- laire à la direction d'écoulement et des largeurs dif- férentes, la densité de la puissance de chauffage électrique de chaque chemin de passage de courant di- minuant de la même manière que la densité du flux ca- lorifique évacué par l'écoulement en fonction crois- sante de la distance entre le chemin d'écoulement res- pectif et l'arête du support (bord d'attaque) tournée vers l'écoulement. Pour mesurer des vitesses d'écoulement ou des débits massiques de gaz et de liquides en particu- lier pour mesurer le débit d'air d'alimentation de mo- teurs à combustion interne, on utilise un anémomètre comprenant deux thermistances combinées à au moins deux thermistances montées en pont. L'une des thermis- tances est chauffée électriquement et est exposée au flux du fluide à mesurer et l'autre mesure la tempéra- ture du fluide. Un circuit de régulation électrique assure que la résistance électrique chauffée reste à une différence de température constante par rapport à la température du fluide. Le brevet DE-31 27 081 décrit une résistance à chauffage électrique pour un anémomètre, cette ré- sistance se composant d'un support en forme de plaque isolé électriquement et dont les deux grandes surfaces sont parallèles à la direction de l'écoulement des gaz ou des liquides et l'une des grandes surfaces comporte sous forme de couches métalliques minces, des surfaces de contact et des chemins d'écoulement séparés par des entailles de manière que les chemins d'écoulement soient en forme de méandres dont la direction princi- pale soit perpendiculaire à la direction d'écoulement et présente des largeurs différentes, la densité de la puissance de chauffage électrique de chaque chemin de courant diminuant de la même manière que la densité du flux calorifique évacué par l'écoulement, en fonction croissante de la distance entre le chemin de passage de courant respectif et le bord du support (bord d'at- taque) tourné vers l'écoulement. On obtient ainsi un temps de réponse court lorsque la vitesse du fluide à mesurer change. Les chemins de passage du courant se formhent de préférence en réalisant dans une résistance en for- me de film métallique de surface, des entailles de sé- paration dans la couche métallique à l'aide d'un laser pour réaliser des chemins de courant en forme de méan- dres. 4 Dans un véhicule automobile, l'alimentation en courant du pont de mesure de l'anémomètre n'est constituée que par la batterie qui, suivant l'âge, l'état de charge et l'état d'entretien, peut fournir une tension notablement plus faible que la tension no- minale. Même dans ce cas, il faut veiller à ce que l'anémomètre puisse fonctionner c'est-à-dire qu'il puisse recevoir une certaine puissance. Pour cette raison, il faut que la résistance totale du pont soit aussi faible que possible. Pour ces raisons de cons- truction et des raisons électriques, on ne peut toute- fois pas passer en-dessous de certaines valeurs de ré- sistance. Actuellement, on a des résistances de pont d'environ 20 ohms et on cherche des résistances de 10 à 15 ohms. La résistance du pont de mesure est princi- palement déterminée par la résistance chauffante RR et de la résistance RL, thermosensible, branchée en série sur la résistance précédente. La sensibilité d'un ané- momètre à température constante est optimale lorsque RH est sensiblement égal à RL. En pratique, on peut réduire RL pour atteindre des valeurs d'environ 5 ohms alors que pour des raisons de géométrie, on a pu dimi- nuer jusqu'à présent RH en-dessous de la valeur de 10 ohms (résistance mesurée à 0C). De ce fait réduire la résistance électrique de la résistance chauffante représente une difficulté, car en réduisant le nombre des chemins de courant sur le support, on détériore l'homogénéité de la distribu- tion de la température sur le support. Dans le cas de surfaces de contact situées dans la zone des bords de plaque opposés, parallèles à la direction d'écoule- ment, on ne peut avoir qu'un nombre entier d'entailles perpendiculaires à la direction de l'écoulement ou un nombre impair de chemins de courant. Pour une surface d'environ 9 x 2 mm2, on arrive alors dans le cas d'une couche de platine avec par exemple 5 chemins de cou- rant, a 11 ohms et pour 3 chemins de courant, on a ar- rive à environ 3,5 ohms. De ce fait, on ne peut modi- fier la résistance électrique que suivant des pas im- portants et en outre on n'arrive qu'à une adaptation très grossière de la génération locale de chaleur en fonction de la densité de flux calorifique évacuée lo- calement par l'écoulement, ce qui se traduit par un allongement du temps de réponse. La présente invention a ainsi pour but dans le cas d'une résistance électrique chauffante destinée à des dispositifs de mesure de la vitesse d'écoulement ou du débit massique de gaz et de liquides de réaliser une résistance composée d'un support en forme de pla- que isolant électriquement dont les deux grandes sur- faces sont alignées parallèlement à la direction de l'écoulement des gaz ou des liquides et dont l'une des grandes surfaces reçoit une couche métallique mince présentant des entailles séparant des surfaces de con- tact et des chemins de courant, les chemins de courant étant réalisés en méandres avec une direction princi- pale perpendiculaire à la direction de l'écoulement et des largeurs différentes, la densité de puissance de chauffage électrique de chaque chemin de courant va- riant de la même manière que la densité de flux calo- rifique évacuée localement par l'écoulement, en fonc- tion croissante de la distance entre le chemin de cou- rant respectif et le bord du support (bord d'attaque) tourné vers l'écoulement, et qui tout en conservant ou en améliorant l'homogénéité de la répartition de la température sur le support et pour des dimensions de support, normalisées, identiques, présente une résis- tance électrique plus faible. En outre, l'invention se propose de permettre de réaliser de manière aussi pré- cise que possible des caractéristiques du circuit de régulation électrique dépendant des valeurs des résis- tances électriques. A cet effet, l'invention concerne une résis- tance chauffante du type ci-dessus, caractérisée en ce que des entailles parallèles et perpendiculaires à la direction de l'écoulement dans la couche métallique forment des systèmes de chemins de courant parallèles entre elles ou parallèles et branchées en série, les entailles parallèles à la direction de l'écoulement séparant chaque fois les zones ayant le même nombre de chemins de courant et la distance entre chaque chemin de courant et le bord d'attaque, et les chemins de courant d'une zone pour un système de chemins de cou- rant ainsi que les chemins de courant de zones qui sont séparés par une entaille parallèle à la direction de l'écoulement appartiennent à des systèmes de che- mins de courant branchés en parallèle et ayant la même résistance électrique. De plus, la couche métallique du support est subdivisée par des entailles parallèles entre elles et perpendiculaires à la direction d'écoulement en un système de chemins de courant qui sont branchés élec- triquement soit en parallèle, soit en parallèle et en série. Les entailles parallèles à la direction de l'écoulement réalisent des zones ayant le même nombre de chemins de courant et qui correspondent à la même fonction entre la largeur des chemins de courant et la distance respective par rapport au bord d'attaque. De plus, les systèmes de chemins de courant en parallèle doivent avoir les mêmes résistances électriques. De manière préférentielle, on a un chemin de courant associé sur toute sa longueur à un système de chemins de courant. Les surfaces de contact peuvent être prévues soit à l'extrémité de la plaque au niveau des arêtes de plaque en regard et qui sont parallèles à la direc- tion de l'écoulement ou encore les deux extrémités peuvent se trouver sur une extrémité de la plaque. Il est avantageux qu'un système de chemins de courant soit branché en série sur un système de chemins de courant combiné formé par le montage en parallèle d'au moins deux systèmes de chemins de cou- rant. En outre, il est avantageux dans le cas d'un montage en parallèle de deux systèmes de chemins de courant, que le premier chemin ou que le premier et au moins deux chemins de courant directement successifs d'un système de chemins de courant et le dernier che- min de courant ou le dernier et au moins deux chemins de courant directement en amont de l'autre système de chemins de courant s'étendent respectivement sur toute la longueur du support perpendiculairement à la direc- tion de l'écoulement, à l'exception des zones des sur- faces de contact, le premier chemin de courant s'éten- dant le long du bord d'attaque et le dernier chemin de courant le long du bord opposé. Par le montage en parallèle de ces systèmes de chemins de courant, on réduit la valeur de la ré- sistance électrique par rapport à un système de che- mins de courant non composés qui occupe la même surfa- ce que le montage en parallèle, comporte le même nom- bre d'entailles perpendiculaires à la direction de l'écoulement et des chemins de courant de même lar- geur. Par ailleurs tout en conservant ou en augmentant légèrement la valeur de la résistance électrique, en augmentant le nombre des entailles perpendiculaires à la direction de l'écoulement, et qui sont à ce moment interrompues, permettent dans le cas d'un montage en parallèle d'assurer une meilleure adaptation de la densité de puissance de chauffage électrique à la den- sité de flux calorifique évacuée localement par l'écoulement. Grâce à la possibilité de combinaison de montage en série et en parallèle de systèmes d'écoule- ment de courant, il est possible de réaliser des ré- sistances électriques plus finement graduées. Dans le cas d'une résistance électrique de même dimension que dans l'exemple ci-dessus et qui est formée par le mon- tage en parallèle de deux systèmes de chemins de cou- rant, on obtient pour 5 entailles de séparation, une résistance d'environ 4 ohms; dans le cas de 7 entail- les de séparation, on aboutit à une résistance d'envi- ron 8 Q. On arrive à une valeur intermédiaire d'envi- ron 7 Q, si pour 5 entailles partiellement interrom- pues, perpendiculairement à la direction de l'écoule- ment, on branche un système de chemins de courant for- mé de deux chemins en série sur deux systèmes de che- mins de courant branchés en parallèle. Il est particulièrement important que du fait du montage des systèmes de chemins de courant dans le cas d'une résistance chauffante, il n'y ait pas de chute de température perpendiculairement à la direction de l'écoulement. Cela se traduirait par une allongement du temps de réponse. Pour cette raison, dans les zones qui sont séparées par des entailles pa- rallèles à la direction de l'écoulement, il faut que le nombre des chemins de courant et la relation entre leur largeur et la distance des chemins de courant par rapport au bord d'attaque soient identiques. Une autre condition est que les chemins de courant d'une zone correspondant à un système de chemins de courant et les chemins de zones qui sont séparés par une entaille parallèle à la direction de l'écoulement et apparte- nant à des systèmes de chemins de courant branchés en parallèle présentent la même résistance électrique. Pour la même raison, il faut qu'un chemin de courant soit associé sur toute sa longueur sans équivoque à un système de chemins de courant. Ce n'est qu'ainsi que l'on obtient partout la même puissance de chauffage électrique le long d'une ligne imaginaire quelconque perpendiculaire à la direction de l'écoulement (et en outre perpendiculaire aux entailles). La présente invention sera décrite de maniè- re plus détaillée à l'aide de deux exemples de réali- sation représentés schématiquement dans les dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en plan schématique d'un premier mode de réalisation d'une résistance chauffan- te. - la figure 2 est une vue en plan d'un second mode de réalisation d'une résistance chauffante. La figure 1 est une vue de-dessus d'un sup- port en forme de plaque dont l'une des plus grandes surfaces porte une couche métallique mince (1). Le support est disposé de façon que ses deux grandes sur- faces soient parallèles à la direction de l'écoulement (6) d'un fluide. La couche métallique (1) est structu- rée par des entailles en des surfaces de contact (2, 3) et des chemins de courant en méandres dont la di- rection principale est perpendiculaire à la direction d'écoulement (6) et dont la largeur augmente en fonc- tion de l'augmentation de la distance entre le chemin de courant respectif et le bord d'attaque (7). Par des entailles perpendiculaires (4) et parallèles (5) à la direction de l'écoulement (6), on forme deux systèmes de chemins de courant RI et R2 branchés en parallèles. L'entaille (5) qui est parallèle à la direction de l'écoulement (6) est située de manière asymétrique pour que les deux systèmes de chemins de courant R. et R2 présentent la même résistance électrique. Du fait de la longueur différente des systèmes de chemins de courant, on compense la différence de largeur du pre- mier chemin de courant de R. et le dernier chemin de courant de R2, le comptage se faisant par rapport au bord d'attaque. Ces deux chemins de courant s'étendent sur toute la longueur du support, perpendiculairement à la direction de l'écoulement à l'exception de la zone des surfaces de contact. La largeur ai de la transition entre les chemins de courant i et i + 1 est supérieure à la valeur moyenne des largeurs bi et bi-. Dans l'exemple de la figure 2, le support en forme de plaque est disposé comme à la figure 1; il est également muni d'une couche métallique mince (1). Cette couche est structurée par des entailles réali- sées dans les surfaces de contact (2, 3) et des che- mins de courant en méandres dont la direction princi- pale est perpendiculaire à la direction de l'écoule- ment (6). Des entailles perpendiculaires (4) et paral- lèles (5) à la direction de l'écoulement (6) forment deux systèmes de chemins de courant parallèles RI et R2 qui sont branchés en série sur un autre système de chemins de courant R,. La largeur des chemins de cou- rant augmente en fonction de la distance du chemin de courant respectif par rapport au bord d'attaque (7) seulement lorsque chaque système de chemins de courant est pris séparément. Les chemins de courant des systè- mes en parallèle R1 et R2 sont relativement plus étroits si l'on tient compte de leur distance respec- tive par rapport au bord d'attaque (7) que celle du système de chemins de courant en série Rs, car les systèmes R1 et R2 ne sont traversés que par une frac- tion du courant total qui sert à chauffer la résistan- ce électrique chauffante. L'entaille (5) parallèle à la direction de l'écoulement est asymétrique pour ar- river à l'équilibre des valeurs des résistances élec- triques des systèmes des chemins de courant R. et R2 branchés en parallèle. D'autres remarques ou améliorations sont ca- ractérisées en ce que un chemin de courant est associé sur toute sa longueur, de manière bi-univoque à un système de chemins de courant; les surfaces de con- tact sont réalisées chaque fois à l'extrémité d'une plaque dans la zone de bord de plaque opposée, paral- lèle à la direction de l'écoulement; les surfaces de contact à la même extrémité de la plaque sont prévues dans la zone d'un bord de plaque parallèle à la direc- tion d'écoulement; un système de chemins de courant est branché en série sur un système de chemins de cou- rant oppose, qui est formé par le montage en parallèle d'au moins deux systèmes de chemins de courant; dans le cas d'un montage en parallèle de deux systèmes de chemins de courant, le premier système ou le premier et au moins deux chemins de courant directement suc- cessifs d'un système de courant et le dernier ou le dernier et au moins deux chemins de courant directe- ment en amont de l'autre système de chemins de courant s'étendent respectivement sur toute la longueur du support, perpendiculairement à la direction de l'écou- lement à l'exception des zones des surfaces de con- tact, le premier chemin de courant du premier système de chemins de courant s'étendant directement le long du bord d'attaque et le dernier chemin de courant du second système de courant ci-dessus s'étendant direc- tement le long de l'arête opposée au bord d'attaque; la largeur (ai) de la transition entre les chemins de courant (i et i + 1) est la moyenne des largeurs (bi et bi.1) de ces chemins de passage de courant. REVENDICATIONS 1 ) Résistance électrique chauffante pour des dispositifs servant à mesurer la vitesse d'écoule- ment ou le débit massique de gaz et de liquides, ré- sistance composée d'un support en forme de plaque iso- lant électriquement dont les deux grandes surfaces sont alignées parallèlement à la direction de l'écou- lement des gaz ou des liquides et dont l'une des gran- des surfaces reçoit une couche métallique mince pré- sentant des entailles séparant des surfaces de contact et des chemins de courant, les chemins de courant étant réalisés en méandres avec une direction princi- pale perpendiculaire à la direction de l'écoulement et des largeurs différentes, la densité de puissance de chauffage électrique de chaque chemin de courant va- riant de la même manière que la densité de flux calo- rifique évacuée localement par l'écoulement, en fonc- tion croissante de la distance entre le chemin de cou- rant respectif et le bord du support (bord d'attaque) tourné vers l'écoulement, résistance chauffante carac- térisée en ce que des entailles parallèles (5) et per- pendiculaires (4) à la direction (6) de l'écoulement dans la couche métallique (1) forment des systèmes de chemins de courant (RI, R2) parallèles entre elles ou parallèles et branchées en série, les entailles paral- lèles à la direction de l'écoulement séparant chaque fois les zones ayant le même nombre de chemins de cou- rant et la même relation entre la largeur des chemins de courant et la distance entre chaque chemin de cou- rant et le bord d'attaque, et les chemins de courant d'une zone pour un système de chemins de courant ainsi que les chemins de courant de zones qui sont séparés par une entaille parallèle à la direction de l'écoule- ment appartiennent à des systèmes de chemins de cou- rant branchés en parallèle et ayant la même résistance électrique. 2') Résistance électrique chauffante selon la revendication 1, caractérisée par un chemin de cou- rant associé sur toute sa longueur, de manière bi- univoque à un système de chemins de courant. ) Résistance électrique chauffante selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractéri- sée en ce que les surfaces de contact sont réalisées chaque fois à l'extrémité d'une plaque dans la zone de bord de plaque opposée, parallèle à la direction de l'écoulement. ) Résistance électrique chauffante selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractéri- sée en ce que les surfaces de contact à la même extré- mité de la plaque sont prévues dans la zone d'un bord de plaque parallèle à la direction d'écoulement. ') Résistance électrique chauffante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractéri- sée par un système de chemins de courant branché en série sur un système de chemins de courant opposé, qui est formé par le montage en parallèle d'au moins deux systèmes de chemins de courant. 6') Résistance électrique chauffante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractéri- sée en ce que dans le cas d'un montage en parallèle de deux systèmes de chemins de courant, le premier systè- me ou le premier et au moins deux chemins de courant directement successifs d'un système de courant et le dernier ou le dernier et au moins deux chemins de cou- rant directement en amont de l'autre système de che- mins de courant s'étendent respectivement sur toute la longueur du support, perpendiculairement à la direc- tion de l'écoulement à l'exception des zones des sur- faces de contact, le premier chemin de courant du pre- mier système de chemins de courant s'étendant directe- ment le long du bord d'attaque et le dernier chemin de courant du second système de courant ci-dessus s'éten- dant directement le long de l'arête opposée- au bord d'attaque. 7) Résistance électrique chauffante selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la largeur (a.) de la transition entre les chemins de courant (i et i + 1) est la moyenne des largeurs (bi et b_.') de ces chemins de passage de courant.