Brevet FR2616912A1 — publié le 19881223

La présente invention concerne un détecteur de point de rosée pour un appareil de mesure du point de rosée destiné à la mesure du point de rosée de la vapeur d'eau dans des gaz, constitué par une surface sensible exposée au gaz à mesurer sur laquelle de la vapeur d'eau se condense par refroidissement jusqu'à la température du point de rosée, ainsi que par deux structures d'électrodes disposées sur ladite surface sensible comportant des sections d'électrodes disposées parallèlement et à égale distance les unes des autres, recouvertes par une couche isolante insensible à l'humidité, le fait d'atteindre la température de rosée étant déterminé par la mesure de l'impédance ou de la capacité entre les deux structures d'électrodes. Dans les détecteurs de point de rosée de ce type connus à ce jour, la distance entre les sections d'électrodes des deux structures d'électrodes est d'au moins 200 Mm. Cette distance est notablement plus grande que le diamètre des premières gouttelettes de condensation qui se forment lorsque la température du point de rosée est atteinte. La détermination de la température du point de rosée repose sur le fait que la capacité entre les deux structures d'électrodes se modifie lors de la formation d'une couche de condensation en raison de la plus grande valeur de la constante diélectrique de l'eau. On cherche à maintenir la constance de la capacité, et en conséquence la constance de l'épaisseur de la couche d'eau condensée en régulant la température du détecteur de point de rosée. Cette température ainsi régulée de cette manière est mesurée en tant que température du point de rosée. Avec ces détecteurs de point de rosée bien connus, il n'est pas possible de détecter le début de la condensation qui se produit lorsqu'on atteint la température du point de rosée, car les premières gouttelettes de condensation qui se forment ne peuvent pas encore entraîner une variation de capacité franchement décelable. Par ailleurs des encrassements de la surface'de détection agissent de manière particulièrement sensible sur le résultat de la mesure, car ceux-ci peuvent modifier la constante diélectrique de la couche condensée. Le but de la présente invention est la création d'un détecteur de point de rosée du type ci-dessus décrit, avec lequel on peut détecter immédiatement la condensation qui se produit dès que la température du point de rosée est atteinte et qui est peu sensible aux encrassements possibles de la surface de détection. Selon la présente invention, ce but est atteint par le fait que la distance entre les sections d'électrodes disposées parallèlement les unes aux autres dans lesdites structures d'électrodes est de l'ordre de grandeur ou plus petite que le diamètre des plus grandes gouttelettes de condensation se formant lorsque la température du point de rosée est atteinte et en ce que l'épaisseur de la couche isolante est petite par rapport à cette distance entre sections d'électrodes. Dans le détecteur de point de rosée conforme à la présente invention, on exploite le fait que les gouttelettes de condensation qui se forment lorsqu'on a atteint la température du point de rosée atteignent très rapidement une grosseur minimale. De ce fait, les gouttelettes de condensation qui en résultent, forment un pont entre les minces couches isolantes recouvrant les sections d'électrodes voisines. Comme la résistance ohmique de ces gouttelettes de condensation est faible, les capacités de ces couches isolantes qui sont indépendantes de l'humidité et qui sont élevées par rapport à la capacité entre les électrodes à cause de la faible épaisseur de ces couches isolantes, sont reliées par un pont conducteur. Ceci a pour conséquence que l'impédance ou la capacité mesurée entre les deux structures d'électrodes se modifie en faisant un saut brusque. Ainsi on , peut déterminer sans ambiguïté la première apparition de gouttelettes de condensation. Cette apparition est indépendante de la constante diélectrique de l'eau dans les gouttelettes de condensation. Le détecteur de point de rosée est ainsi notablement plus sensible pour la détection du point de rosée et bien plus insensible aux encrassements éventuels que les détecteurs de point de rosée dans lesquels on utilise pour la détection du point de rosée, la modification de la capacité due à la constante diélectrique de la couche condensée. D'une manière avantageuse, la distance entre les sections d'électrodes est plus petite que 50 pm, et de préférence d'environ 20 jum. Dans un mode de réalisation préféré, l'épaisseur de la couche isolante est plus petite que 1 iim. Les structures d'électrodes sont, dans une version avantageuse de l'invention, des structures en forme de peigne comportant des dents qui s'interpénètrent. D'autres caractéristiques et avantages relatifs à la présente invention, ressortent de l'exemple de réalisation non limitatif qui est donné par la description ci-après en référence aux dessins annexés qui représentent: - figure 1, une vue en plan d'un détecteur de point de rosée conforme à la présente invention; figure 2, une coupe à grande échelle d'une partie du détecteur de point de rosée de la figure i; - figure 3, une représentation schématique à plus grande échelle encore d'une partie du détecteur de point de rosée; et figure 4, le schéma électrique équivalent du détecteur de point de rosée de la figure 1. Le détecteur de point de rosée 10 représentée en vue en plan sur la figure 1 et en coupe partielle sur la figure 2, comporte un support 12 constitué en un matériau isolant résistant à l'humidité. Comme le montre la figure 2, le support 12 est monté par l'intermédiaire d'un feuillard de séparation 14 en aluminium, sur un élément à effet Peltier 16 grâce auquel il peut âtre refroidi jusqu'à la température du point de rosée. La face libre du support 12, opposée à la face en contact avec le feuillard de séparation, forme la surface sensible 18 exposée à l'atmosphère gazeuse dont on veut mesurer le point de rosée de la vapeur d'eau, de sorte qu'il se forme sur cette surface une couche de rosée du fait de la condensation par suite de son refroidissement jusqu'à la température de rosée. Deux structures d'électrodes 20 et 30 sont formées sur la surface sensible 18, structures représentées de façon très simplifiée pour la clarté du dessin sur la figure 1. La structure d'électrodes 20 a la forme d'un peigne comportant un certain nombre de dents parallèles 22 qui sont reliées à l'une de leurs extrémités par une barrette 24 disposée perpendiculairement à elles. A l'extrémité de la barrette 24 se trouve une zone de contact 26 élargie qui sert au raccordement d'un conducteur de liaison par lequel la structure d'électrodes 20 est reliée au circuit électronique (non représenté) de l'appareil de mesure du point de rosée dans lequel le détecteur de point de rosée est utilisé. La structure d'électrodes 30 est constituée entièrement de la même manière, mais en disposition miroir complémentaire réciproque, de dents 32, d'une barrette 34 et d'une zone de contact 36. Les dents 22 et 32 des deux structure d'électrodes sont disposées dans une petite zone centrale du support 12 qui constitue en fait la véritable zone sensible pour l'exécution de la mesure. Les dents 22 et 32 sont disposées alternativement en s'interpénétrant les unes les autres, les dents 22 de la structure d'électrodes 20 étant disposées dans les intervalles laissés entre les dents 32 de la structure d'électrodes 30 et, inversement, les dents 32 de la structure d'électrodes 30 étant disposées dans les intervalles laissés entre les dents 22 de la structure d'électrodes 20. Ainsi deux dents parallèles disposées respectivement côte à côte forment des sections d'électrodes différentes. Les intervalles entre les dents de chaque structure d'électrodes sont assez larges pour que chacun de ces intervalles puisse admettre la mise en place d'une dent de l'autre structure d'électrodes tout en ménageant une distance suffisante par rapport aux dents voisines. Ceci est particulièrement visible sur la figure 2 qui représente à une échelle agrandie par rapport à la figure 1, une coupe à travers plusieurs dents 22, 32 voisines des structures d'électrodes 20 ou 30. Chaque dent 22 et 32 des deux structures d'électrodes 20 et 30, est revêtue d'une couche isolante 40 insensible à l'humidité, recouvrant totalement toutes les surfaces libres de la dent. Les dents 22 et 32 sont donc totalement séparées de l'atmosphère gazeuse dont on veut mesurer le point de rosée, d'une part par la matière isolante formant le support 12, et d'autre part, par la couche isolante 40. Dans la forme de réalisation représentée par la figure 2, il subsiste entre les couches isolantes qui recouvrent deux dents voisines, chaque fois une fente 42 qui pénètre jusqu'à la surface du support 12. Les structures d'électrodes 20 et 30 ainsi que la couche isolante 40 recouvrant les dents peuvent être réalisées sur le support 12 au moyen de l'un des procédés usuels bien connus utilisés dans les techniques de réalisation des circuits intégrés et des circuits imprimés. Les structures d'électrodes 20 et 30 peuvent par exemple être réalisées par un procédé photolithographique à partir d'une couche métallique appropriée pouvant être, par exemple, du tantale ou du platine. La couche isolante 40 doit être constituée par une matrice chimiquement stable, électriquement isolante et totalement insensible à l'humidité. A cet effet on peut penser à utiliser du verre, un vernis ou un oxyde métallique approprié. La matière de la couche isolante peut être rapportée sur les structures d'électrodes selon l'un des procédés bien connus. Si l'oxyde de métal utilisé pour réaliser les structures d'électrodes 20 et 30 possède les propriétés appropriées, la couche isolante 40 peut éventuellement aussi être formée par une oxydation superficielle du métal conducteur. Le mode de fonctionnement du détecteur de point de rosée représenté sur les figures 1 et 2 sera explicité à l'aide desfigures 3 et 4. La figure 3 représente de façon schématique sur une coupe similaire à celle de la figure 2 mais à une échelle encore plus grande, deux dents voisines 22 et 32 avec leurs couches isolantes 40. L'épaisseur D des couches isolantes 40 est représentée sur la figure 3 de manière exagérément agrandie; elle est en réalité faible par rapport à la distance A séparant deux dents voisines 22' et 32. Il en résulte que la largeur B de la fente 42 n'est en réalité que faiblement plus petite que la distance A séparant les dents. Par ailleurs, on a représenté aussi sur la figure 3 les symboles électriques des éléments existants dans le circuit tel qu'il fonctionne. La figure 4 est un schéma électrique équivalent de l'impédance formée par ces éléments électriques des deux structures d'électrodes 20 et 30. Les éléments électriques situés entre deux dents respectives voisines 22 et 32 des deux structures d'électrodes 20 et 30, sont déterminants en ce qui concerne le comportement électrique du détecteur de point de rosée. Ce circuit électrique se décompose en trois sections dont les impédances respectives sont raccordées en série à savoir: - la couche isolante 40 sur la dent 22, dont l'impédance électrique peut être représentée par une résistance R40 et un condensateur C40 en parallèle; - la fente 42 dont l'impédance électrique peut être représentée par une résistance R42 et un condensateur C42 en parallèle; - la couche isolante 40 sur la dent 32 dont l'impédance électrique peut à nouveau être représentée par une résistance R40 et un condensateur C40 en parallèle. De la mise en parallèle de toutes ces impédances partielles existant entre les dents des deux structures d'électrodes, résulte l'impédance totale des deux structures d'électrodes telle qu'elle est représentée par le schéma équivalent de la figure 4. La résistance Ri correspond à la mise en parallèle de toutes les résistances de fentes R42 et le condensateur Ci correspond à la mise en parallèle de tous les condensateurs de fentes C42. Pour simplifier, on a représenté la mise en parallèle des deux ensembles de résistances de couches R40 en série par une seule résistance R2 et la mise en parallèle des deux ensembles de condensateurs de couche C40 en série par un seul condensateur C2. La résistance R3 représente la résistance des circuits métalliques des structures conductrices 20 et 30. La détection du point de rosée repose sur la détermination de la modification de l'impédance totale survenant lorsqu'on atteint la température du point de rosée, modification qui est due au fait que la condensation commence alors à former des gouttelettes sur la surface sensible 18. La variation de l'impédance totale est donc déterminée par l'influence des gouttelettes de condensation sur les valeurs des éléments du circuit équivalent représenté sur la figure 4. Comme la matière de la couche isolante 40 est insensible à l'humidité, les valeurs de la résistance R2 et du condensateur C2 ne sont pas modifiées par la condensation. De la même façon, la résistance R3 des structures des électrodes est indépendante de la formation de la condensation. Les seuls composants dont la valeur est influencée par la condensation survenant au point de rosée, sont la résistance Ri et le condensateur Ci des fentes situées entre les dents. Pour ces éléments électriques, les points suivants sont à prendre en considération: - A l'état sec du détecteur de point de rosée, c'est-à-dire à des températures supérieures à la température correspondant au point de rosée, les valeurs de la résistance Ri et du condensateur Cx sont déterminées par le gaz se trouvant dans les fentes 42. La résistance Ri a de ce fait une valeur très élevée qui est du même ordre de grandeur que la résistance d'isolement Rz. La capacité Ci est faible par rapport à la capacité C2 de la couche isolante 40, l'épaisseur D de la couche isolante 40 étant très faible par rapport à la largeur B de la fente 42. Il faut remarquer que, sur la figure 3, la largeur D de la couche isolante 40 a été représentée exagérément grande pour des besoins de clarification. - Lors du refroidissement jusqu'à la température du point de rosée, des gouttelettes de rosée d'une grosseur minimale se forment très rapidement sur toute la surface sensible 18 et il en est naturellement de même dans chacune des fentes 42. Lors d'un refroidissement ultérieur jusqu'à des températures inférieures à celles du point de rosée, ces gouttelettes grossissent et elles finissent par se réunir pour former une couche de rosée ininterrompue. Pour obtenir une détection la plus précise possible de la température du point de rosée, il est essentiel de pouvoir détecter la condensation des premières gouttelettes de rosée. On obtient ce résultat par un dimensionnement spécial de la largeur B de la fente 42: cette largeur B correspond au diamètre minimal des premières gouttelettes de rosée qui se forment très rapidement par condensation, de sorte que les premières gouttelettes de rosée qui condensent lorsqu'on atteint la température du point de rosée, remplissent immédiatement la largeur totale de la fente 42. Comme la résistance des gouttelettes de rosée est plus faible de plusieurs ordres de grandeur que la résistance du gaz, le début de la condensation entraîne une diminution brutale de la résistance Ri jusqu'à une valeur plusieurs fois plus faible que la valeur initiale. Simultanément la valeur du condensateur Ci augmente aussi légèrement du fait que la constante diélectrique de l'eau est plus élevée, mais cependant cette augmentation de capacité n'est plus comparable en valeur relative à la diminution simultanée de la résistance Ri. De ces phénomènes résultent les conséquences suivantes sur l'impédance mesurée du détecteur de point de rosée: - A l'état sec (au-delà de la température du point de rosée), l'impédance mesurée à une fréquence suffisamment élevée est déterminée par les deux capacités C1 et C2. Les deux résistances Ri et R2 de valeur élevée disposées en parallèle avec celles-ci sont négligeables à côté, et la faible résistance série R3 peut être négligée également. Comme par ailleurs la capacité C2 est grande par rapport à la capacité Ci, l'impédance mesurée est déterminée en premier lieu par la capacité du condensateur Ci. - Lorsqu'on atteint la température du point de rosée, la résistance Ri prend subitement une valeur bien plus faible qui se trouve alors en série avec le condensateur Cz. L'impédance mesurée est alors en premier lieu déterminée par la capacité du condensateur C2. Par rapport à la capacité du condensateur Ci mesurée en premier lieu lors de l'état sec, il en résulte lors de la formation des premières gouttelettes, un saut d'impédance important qui montre de façon certaine que la température descend encore plus bas, en dessous de la température du point de rosée, la résistance Ri continue naturellement à baisser encore plus, mais le condensateur C2 qui détermine en premier lieu l'impédance mesurée, ne change pas de valeur, de sorte que l'impédance mesurée ne se modifie plus de façon sensible. De façon très simplifiée, le mécanisme ainsi décrit peut étre présenté en disant qu'un "court-circuit" s'établit entre les deux condensateurs C0 par la formation des gouttelettes lors de la condensation au point de rosée. Le dimensionnement correct de la largeur B de toutes les fentes 42, qui doit correspondre au diamètre des gouttelettes se formant dès le début de la condensation est déterminant pour obtenir cet effet. Des recherches ont montré que l'effet décrit ne se produit que si la largeur B est plus faible que m environ; de préférence, elle doit se situer dans un ordre de grandeur de 20 Vm environ. Par ailleurs il est important que l'épaisseur de la couche isolante 40 reste faible par rapport à cette dimension de la largeur B des fentes 42 ainsi définie. Dans une forme de réalisation pratiquement testée d'un détecteur de point de rosée du type ci-dessus décrit, les structures d'électrodes 20 et 30 sont réalisées en tantale rapporté sur un support 12 en oxyde d'aluminium. Chaque structure d'électrodes est constitué par un peigne de dents ayant chacune une largeur de 21 jim et une longueur de 2 mm. La distance entre les dents interpénétrantes des deux structures d'électrodes est de 19 upm. La zone sensible formée par les deux structures interpénétrantes en forme de peignes n'occupe donc qu'une surface de 2 x 4 mm2. La couche isolante 40 est constituée par de l'oxyde de tantale rendu parfaitement étanche et donc insensible à l'humidité, formant une épaisseur de 160 nm obtenue par une oxydation superficielle du tantale utilisé pour les structures d'électrodes. Par un choix approprié de la fréquence de mesure, le rapport optimal entre les impédances mesurées dans les différents états peut être obtenu, de sorte que le saut de variation de l'impédance est particulièrement significatif lorsqu'on atteint la température du point de rosée. Une fréquence de mesure d'environ 100 kHz s'est avérée être appropriée. Il est naturellement possible de faire uniquement une mesure de capacité à la place de la mesure d'impédance. Dans ce cas, on mesure à l'état sec essentiellement la capacité du condensateur Ci et, lorsqu'on atteint la température du point de rosée, la valeur mesurée de la capacité passe brusquement à la valeur de la capacité du condensateur Ca. Mais il faut observer que ce saut de valeur de la capacité ne repose pas sur un modification physique d'un condensateur, mais sur le shuntage par une espèce de mise en court- circuit du fait de la modification brutale de la résistance physique Ri. A la place des structures en forme de peignes, on peut aussi utiliser d'autres structures d'électrodes possédant des sections d'électrodes disposées parallèlement les unes aux autres à la distance indiquée, telles que par exemple des structures en forme de méandres ou de grilles. Les sections d'électrodes peuvent être également curvilignes, comme par exemple en forme de spirales ou d'arcs de cercles concentriques. REVENDICATIONS 1. Détecteur de point de rosée (10) pour un appareil de mesure du point de rosée destiné à la mesure du point de rosée de la vapeur d'eau dans des gaz, constitué par une surface sensible (18) exposée au gaz à mesurer sur laquelle de la vapeur d'eau se condense par refroidissement jusqu'à la température du point de rosée, ainsi que par deux structures d'électrodes (20, 30) disposées sur ladite surface sensible (18) comportant des sections d'électrodes (22, 32) disposées parallèlement à égale distance les unes des autres, recouvertes par une couche isolante (40) insensible à l'humidité, le fait d'atteindre la température du point de rosée étant déterminé par la mesure de l'impédance ou de la capacité entre les deux structures d'électrodes (20, 30), caractérisé en ce que la distance (A) entre les sections d'électrodes (22, 32) disposées parallèlement les unes aux autres dans lesdites structures d'électrodes (20, 30) est de l'ordre de grandeur ou plus petite que le diamètre des plus grandes gouttelettes de condensation se formant lorsque la température du point de rosée est atteinte, et en ce que l'épaisseur (D) de la couche isolante (40) est petite par rapport à cette distance (A) entre sections d'électrodes (22, 32). 2. Détecteur de point de rosée (10) conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la distance entre les sections d'électrodes (22, 32) est plus petite que 50pm. 3. Détecteur de point de rosée (10) conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que la distance (A) entre les sections d'électrodes (22, 32) est d'environ 20 am. 4. Détecteur de point de rosée (10) conforme à l'une quelconque des revendications ci-dessus, caractérisé en ce que l'épaisseur (D) de la couche isolante (40) est plus petite que 1 pnm. 5. Détecteur de point de rosée (10) conforme à l'une quelconque des revendications ci-dessus, caractérisé en ce que les structures d'électrodes (20, 30) sont des structures en forme de peignes comportant des dents qui s'interpénètrent.