Brevet FR2640746A1 — publié le 19900622

L'invention concerne un capteur de micro-étoulements, pour gaz, comprenant un conducteur chauffant de forme allongée, étendu perpendiculaire à la direction d'écoulement du gaz, suspendu élastiquement d'un côté au moins et traversé d'un courant élec- trique, ainsi que deux thermomètres à résistance électrique, placés l'un devant et l'autre derrière le conducteur chauffant dans la direction d'écoulement et dans la zone d'influence de ce conduc- teur, qui sont en fil mince, sont situés dans le même plan que le conducteur chauffant, en s'étendant pour l'essentiel parallèlement et à distance de lui, et se raccordent par leurs deux extrémités aux extrémités de conducteurs intermédiaires. Par l'article "Reverse flow sensing hot wire anemometer", publié dans Journal of Physics E: Scientific Instruments 1972, tome 5, n 9, septembre, pages 849 à 851, on connaît un capteur de micro-écoulements sur lequel les thermomètres à résistance élec- trique sont maintenus de part et d'autre du conducteur chauffant mais indépendamment de lui à des fils de connexion. Les plans con- tenant les thermomètres d'une part et le conducteur chauffant d'autre part, sont perpendiculaires, de sorte que pour cette seule raison déjà, une fixation des fils de connexion au conducteur chauffant n'est pas possible ou est possible seulement en acceptant d'autres inconvénients. En raison de la disposition perpendiculaire des thermomètres par rapport au conducteur chauffant, on obtient que les mesures portent, pour l'essentiel, sur une seule direction d'écoulement, à savoir l'écoulement perpendiculaire aux thermo- mètres et au conducteur chauffant. Comme les fils ont une grande distance entre eux sur la majeure partie de leur longueur, le cap- teur a une constante de temps qui est grande et inacceptable pour de nombreuses applications. De plus, un important bruit de fond est superposé au signal de mesure, surtout dans le cas de faibles vitesses d'écoulement. Ainsi qu'il ressort de l'article, ce système connu convient pour des vitesses d'écoulement d'environ 25 m/s, donc pour des vitesses correspondant à peu près celle d'un véhicule automobile. Par la demande de brevet allemand DE-AS 20 52 645, on connaît un anémomètre thermoélectrique possédant deux thermo- couples dont l'un est relié au fil chauffant. Un tel appareil de mesure convient seulement pour des vitesses d'écoulement relative- ment élevées, dans le domaine entre 0,5 et 10 m/s. Le but de ce dispositif connu est La mesure de vitesses de l'air comme celles s'établissant derrière le radiateur d'un véhicule automobile ou à l'ouverture de sortie d'un appareil chauffant, d'un refroidisseur d'air ou d'un dégivreur. Dans quelques procédés de mesure de grandeurs physiques, il s'agit de mesurer, dans des gaz, des pressions ou des débits volumétriques pulsatoires très petits, inférieurs de plusieurs facteurs de dix aux valeurs mesurées par les anémomètres décrits ci-dessus. Ces procédés comprennent, par exemple, l'analyse de gaz à l'infrarouge, les mesures de fuites dans des domaines de faible sensibilité, les mesures de la respiration dans la médecine ou d'autres mesures à très faible consommation de gaz sous l'effet d'un processus physique. Pour la mesure de débits volumétriques de gaz, on peut employer des capteurs de micro-écoulements du type décrit au début, appelés également anémomètres à fil chaud. Par l'expression "cap- teur de micro-écoulements rapide pour gaz" on entend un système de mesure d'écoulements pour très petits débits volumétriques, dont les éléments fonctionnels représentent deux ou davantage de corps solides, en partie à faible masse, dont les températures sont couplées à travers un espace parcouru par un gaz. Dans un tel sys- tème, un corps solide échauffé, pouvant être constitué par exemple par une pièce présentant une certaine masse et ayant une inertie relativement grande, crée, dans le gaz à mesurer, un nuage chaud qui peut être décrit par un champ isotherme. Un écoulement forcé déforme le nuage gazeux, c'est-à-dire le champ isotherme. A l'aide d'un ou de plusieurs capteurs de température à faible masse, dis- posés à l'intérieur du nuage gazeux, on peut générer un signal qui, dans certaines limites, est proportionnel à l'écoulement. L'exigence d'une faible inertie massique des capteurs de température conduit, par exemple, à des thermomètres à résistance électrique en fils de résistance extrêmement minces, ayant un dia- mètre compris entre environ 0,5 et 5 x 10-3 mm. Une faible inertie de masse ou inertie calorifique est nécessaire pour que les thermo- mètres à résistance électrique possèdent encore un pouvoir de réso- lution suffisant sous des courants gazeux puLsatoires ayant une fréquence de pulsation de l'ordre de 10 à 50 Hz. Pour réaliser un capteur d'écoulements devant convenir pour de très faibles écoulements, il faut en outre faire en sorte qu'aucune convexion libre contraire à La convexion forcée de l'effet à mesurer ne puisse s'établir à l'intérieur du capteur. Ceci exige des dimensions du volume du conducteur actif d'environ 1 mm3 et moins. La longueur des thermomètres à résistance élec- trique doit être comprise autant que possible entre 0,4 et 1,5 mm. Il découle des exigences mentionnées ci-dessus et des prescrip- tions pour la construction qu'un tel capteur de micro-écoulements représente un produit extrême de la mécanique de précision, avec des exigences sévères quant à la précision de la fabrication. Il en résulte obligatoirement des coûts élevés de production, avec une importante part de main-d'oeuvre. Par la dissertation "Schnelle Mepf hler f r kleine Gas- strôme", 9 décembre 1974, de G nter Schunck, faculté pour électro- technique de l'Université de Karlsruhe, on connaît un capteur de microécoulements du type décrit au début. Dans ce capteur connu, le conducteur chauffant et les deux thermomètres à résistance éLec- trique sont suspendus indépendamment l'un de l'autre à des fils de connexion qui autorisent une dilatation thermique longitudinale en raison de leur structure élastique. Bien qu'un tel capteur de micro-écoulements réponde entièrement aux besoins à satisfaire par Lui quant à la technique de mesure, la pratique a montré qu'il est sensible aux trépidations et que sa fabrication est onéreuse. En raison des trépidations inévitables pour de nombreux appareils de mesure, il arrive que les thermomètres à résistance électrique, sensibles, soient détruits. L'assemblage pose également des pro- blèmes du fait que Les thermomètres doivent être fixés individuel- Lement - sans les exposer à des contraintes mécaniques excessives - à des fils de connexion scellés. Enfin, par le brevet DE 26 56 487, on connaît un capteur pour microécoulements gazeux, comprenant un conducteur chauffant de forme allongée, étendu perpendiculaire à La direction d'écouLe- ment, suspendu élastiquement d'un côté au moins et traversé d'un courant électrique, ainsi que deux thermomètres à résistance éLec- trique, placés l'un devant et l'autre derrière le conducteur chauf- fant dans la direction d'écoulement et dans la zone d'influence de ce conducteur, qui sont en fil mince, sont maintenus à leurs extré- mités entre des fils de connexion plus épais, se trouvent dans le même plan que le conducteur chauffant, s'étendent pour l'essentiel parallèlement et à distance de ce conducteur et se raccordent par leurs deux extrémités aux extrémités des fils de connexion, eux- mêmes portés par le conducteur chauffant. L'expérience montre que ce capteur connu est particulièrement peu sensible aux trépidations et qu'il permet une fabrication relativement peu coûteuse et avec de faibles taux de déchets. Le but de la présente invention est de rendre ce capteur connu beaucoup plus sensible, tout en conservant ses avantages. Conformément à l'invention, on obtient ce résultat par le fait que, d'un côté, l'extrémité du conducteur intermédiaire rac- cordé à chaque thermomètre à résistance électrique est reliée élec- triquement à la broche de connexion d'un circuit de mesure, par exemple d'un amplificateur différentiel, de même qu'à une source de tension continue, tandis que, de l'autre côté, l'extrémité de l'autre conducteur intermédiaire raccordé à chaque thermomètre est reliée à la plaque de montage et par suite à la masse, et le con- ducteur chauffant est disposé en méandres ou en serpentin dans la région des deux thermomètres, s'étendant parallèlement à lui, de manière que plusieurs tronçons de longueur à peu près égale du con- ducteur chauffant soient disposés parallèles entre eux et dans le même plan que les thermomètres à résistance électrique. De préférence, les tronçons parallèles du conducteur chauffant, traversé d'un courant électrique, sont tenus ensemble par deux pièces isolantes au droit des deux courbes entre Les tron- çons, et les deux paires de conducteurs intermédiaires mutuellement opposés, une sur chaque côté, sont appuyées par des pièces iso- Lantes supplémentaires sur les parties voisines du conducteur chauffant. Il est avantageux que les pièces isolantes soient des perles de verre dans lesquelles sont scellés le conducteur chauf- fant et les conducteurs intermédiaires. Selon une variante de réalisation, un capteur comme défini au début est caractérisé en ce que, d'un côté, l'extrémité du conducteur intermédiaire raccordé à chaque thermomètre à résis- tance électrique est reliée électriquement à la broche de connexion d'un circuit de mesure, par exemple d'un amplificateur différen- tiel, de même qu'à une source de tension continue, tandis que, de l'autre côté, l'extrémité de l'autre conducteur intermédiaire rac- cordé à chaque thermomètre est reliée à la plaque de montage et par suite à la masse, et le conducteur chauffant est divisé, dans la région des deux thermomètres s'étendant parallèlement à lui, en plusieurs tronçons de conducteur chauffant parallèles entre eux, situés dans le plan des thermomètres à résistance électrique et maintenus par des éléments conducteurs électriques semblables à des palonniers orientés à peu près transversalement aux tronçons du conducteur chauffant. L'invention permet les exécutions les plus diverses; l'une d'elles est représentée schématiquement sur les dessins annexés et sera décrite plus en détail dans ce qui va suivre. Sur les dessins: - la figure 1 est la vue en perspective d'un capteur de micro-écoulements incorporé dans un système de mesure pour un appa- reil d'analyse de gaz à l'infrarouge; - la figure 2 est une vue en perspective à plus grande échelle du conducteur chauffant et des thermomètres à résistance électrique, avec le circuit de mesure correspondant; - la figure 3 est une représentation schématique de la distribution des températures sur les deux thermomètres et le con- ducteur chauffant; et - la figure 4 montre une variante de réalisation d'un conducteur chauffant. La figure 1 montre une plaque de montage 10 dans laquelle sont incorporés des isolateurs de traversée 14, 15, 16 avec des broches de connexion 11, 12, 13 pour l'amenée du courant de chauf- fage et de mesure pour un conducteur chauffant 17 et pour deux thermomètres à résistance électrique 34, 35, voir égaLement la figure 2. D'autres broches de connexion 24, 25, 26 sont prévues pour relier Les deux extrémités de deux conducteurs intermédiaires 28, 30 et une extrémité du conducteur chauffant 17 ou, plus préci- sément, de son étrier de connexion 36, à la plaque de montage 10 et par suite à La masse. A peu près au milieu du conducteur chauffant 17, celui-ci est disposé en va-et-vient, de manière à former deux courbes 18, 19 et trois tronçons ou parties parallèles 17', 17", 17"' du conduc- teur chauffant 17, les courbes 18, 19 étant fixées chacune à l'aide d'une pièce isolante 20, 21 dans cette configuration. Les extrémités des deux thermomètres 34, 35 sont soudées à des conducteurs intermédiaires 28, 29 et 30, 31, eux-mêmes fixés par des pièces isolantes 22, 23 au conducteur chauffant 17, de manière que les trois tronçons 17', 17", 17"' du conducteur chauf- fant 17 et aussi les deux thermomètres à résistance 34, 35 soient situés dans un plan qui est parallèle au plan de la plaque de mon- tage 10. De part et d'autre du système à conducteur chauffant et à résistances représenté sur les figures 1 et 2, se trouvent deux chambres 41, 42 dont les ouvertures de sortie 43, 44 sont situées l'une en face de l'autre et sont dirigées vers ledit système. Les chambres 41, 42 et les ouvertures de sortie 43, 44 sont définies par des segments 45, 46 profilés en conséquence et à faces planes et paralèles de la plaque de montage, segments qui sont disposés symétriquement. Le dispositif représenté sur la figure 1 se pro- longe vers le haut dans un boîtier (non représenté) comportant des chambres plus grandes, remplies de gaz, ainsi que des canaux de liaison qui mènent aux chambres 41, 42. Ces chambres plus grandes génèrent, avec absorption périodique alternante d'énergie de rayonnement, de rayonnement infrarouge par exemple, un écoulement pulsatoire dirigé tantôt dans un sens tantôt dans l'autre entre les chambres 41, 42, pendant que le système formé par le conducteur chauffant et les thermomètres est exposé à l'écoulement gazeux ainsi produit et passant par les ouvertures de sortie 43, 44. Le système selon la figure 2, dont tous Les éléments sont situés dans le même plan, constitue, ensemble avec le conducteur chauffant 17 et les étriers élastiques 36, 37, une unité auto- portante qu'il suffit, lors de l'assemblage, de relier aux broches de connexion 11, 12 et 13, ainsi qu'à la plaque de montage 10 par les broches de connexion 24, 25 et 26. Pendant l'utilisation de l'appareil de mesure de micro- écoulements, par exemple dans le cadre d'un appareil d'analyse de gaz à l'infrarouge, un écoulement alternant et pulsatoire s'établit selon les flèches A et B sur la figure 2. Ces écoulements per- turbent de façon définie le champ isotherme qui se forme coaxiale- ment au conducteur chauffant 17 à l'état de repos, avec échauffe- ment du thermomètre à résistance électrique 34 ou 35 que l'écoule- ment atteint en premier. Ceci perturbe l'équilibre qui s'est établi dans un montage en pont alimenté par une source de courant continu et constitué des thermomètres 34, 35, de résistances 32, 33 et d'un amplificateur 39, sur lequel est installé un mesureur de tension étalonné sur la grandeur à mesurer. Le traitement des variations de résistance sur les thermomètres est défini par le câblage du système, lequel n'est pas représenté dans tous ses détails et qui fait d'ailleurs partie de l'état connu de la technique, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de le décrire davan- tage. Pour ce qui concerne le diamètre des fils, il est à noter que l'épaisseur des fils de connexion est comprise entre environ 10 et 20 x 10 3 mm, tandis que l'épaisseur des thermomètres à résistance électrique est comprise entre environ 0,5 et 5 x 10-3 mm et est de préférence d'environ 1 x 10-3 mm. Sous l'interaction des tronçons 17', 17", 17"' du conduc- teur chauffant entre eux, l'effet mesuré s'amplifie du fait que le coefficient de température de la résistance électrique - à courant fixe imposé - décale la puissance dans les tronçons du conducteur chauffant de manière active vers le côté éloigné de l'arrivée de l'écoulement puisque, à cet endroit, en raison de l'élévation de la résistance sous la température plus élevée, le travail fourni est plus important, selon la formule L = U x I = R x 12 = 12 x R(T). Pour La représentation selon la figure 3, il est supposé, par exemple, que Le gaz (fLèche A) circule de gauche à droite. Il se produit aLors un décalage de température selon Les courbes tracées au-dessus des fils 34, 17"', 17", 17', 35. On voit claire- ment que A T'm diffère de A Tm et que a T'm diffère de a Tm Le men qe 6T'1 iff r d eT1 equ6T'2 difr e&T2.L degré de l'écart indique l'effet physique mesurable. Le matériau utilisé pour les thermomètres 34, 35 doit avoir un coefficient de température aussi élevé que possible de la résistance électrique. En cas de montage électrique parallèle des tronçons du conducteur chauffant, le coefficient de température doit être négatif (ce qui est réalisable avec des fibres de carbone par exemple), tandis que, en cas de montage électrique en série des tronçons du conducteur chauffant (par exemple pour la disposition en serpentin sur la figure 2), le coefficient de température doit être positif (ce qui est réalisable par exemple avec du platine) afin que l'écoulement gazeux décale la distribution de la puissance de chauffage dans les différents tronçons du conducteur chauffant de manière que la puis- sance électrique agisse dans le même sens. Ainsi que le montre la figure 4, on peut prévoir aussi, à la pLace d'un unique conducteur chauffant 17 qui est disposé en méandres ou de manière à former plusieurs courbes 18, 19, plusieurs (au moins deux) parties ou tronçons de conducteur chauffant 47', 47", 47"' qui sont juxtaposés parallèlement dans un plan et qui sont reliés entre eux par de courts morceaux de fil conducteur électrique, semblables à des palonniers 48, 49, eux-mêmes soudés ou brasés au conducteur chauffant 47. REVENDICATIONS 1. Capteur de micro-écoulements, pour gaz, comprenant un conducteur chauffant (17) de forme allongée, étendu perpendiculaire à la direction d'écoulement du gaz, suspendu élastiquement d'un côté au moins et traversé d'un courant électrique, ainsi que deux thermomètres (34, 35) à résistance électrique, placés l'un devant et l'autre derrière le conducteur chauffant (17) dans la direction d'écoulement (A) et dans la zone d'influence de ce conducteur, qui sont en fil mince, sont situés dans le même plan que le conducteur chauffant (17), en s'étendant pour l'essentiel parallèlement et à distance de lui, et se raccordent par leurs deux extrémités aux extrémités de conducteurs intermédiaires (30, 31 ou 28, 29), carac- térisé en ce que, d'un côté, l'extrémité du conducteur intermé- diaire (29 ou 31) raccordé à chaque thermomètre (34, 35) à résis- tance électrique est reliée électriquement à la broche de connexion (12 ou 13) d'un circuit de mesure, par exemple d'un amplificateur différentiel (39), de même qu'à une source de tension continue (40), tandis que, de l'autre côté, l'extrémité de l'autre conduc- teur intermédiaire (28 ou 30) raccordé à chaque thermomètre (34, ) est reliée à la plaque de montage (10) et par suite à la masse, et le conducteur chauffant (17) est disposé en méandres ou en ser- pentin (18, 19) dans la région des deux thermomètres (34, 35), s'étendant parallèlement à lui, de manière que plusieurs tronçons (17', 17", 17"') de longueur à peu près égale du conducteur chauf- fant (17) soient disposés parallèles entre eux et dans le même plan que les thermomètres (34, 35) à résistance électrique. 2. Capteur de micro-écoulements, pour gaz, comprenant un conducteur chauffant (47) de forme allongée, étendu perpendiculaire à la direction d'écoulement du gaz, suspendu élastiquement d'un côté au moins et traversé d'un courant électrique, ainsi que deux thermomètres (34, 35) à résistance électrique, placés l'un devant et l'autre derrière le conducteur chauffant (47) dans la direction d'écoulement (A) et dans la zone d'influence de ce conducteur, qui sont en fil mince, sont situés dans le même plan que le conducteur chauffant (47), en s'étendant pour l'essentiel parallèlement et à distance de lui, et se raccordent par leurs deux extrémités aux extrémités de conducteurs intermédiaires (30, 31 ou 28, 29), carac- térisé en ce que, d'un côté, l'extrémité du conducteur intermé- diaire (29 ou 31) raccordé à chaque thermomètre (34, 35) à résis- tance électrique est reliée électriquement à la broche de connexion (12 ou 13) d'un circuit de mesure, par exemple d'un amplificateur différentiel (39), de même qu'à une source de tension continue (40), tandis que, de l'autre côté, l'extrémité de l'autre conduc- teur intermédiaire (28 ou 30) raccordé à chaque thermomètre (34, 35) est reliée à la plaque de montage et par suite à la masse, et le conducteur chauffant (47) est divisé, dans la région des deux thermomètres (34, 35) s'étendant parallèLement à lui, en plusieurs tronçons de conducteur chauffant (47', 47", 47"') parallèles entre eux, situés dans le plan des thermomètres (34, 35) à résistance électrique et maintenus par des éléments conducteurs électriques (48, 49) semblables à des palonniers orientés à peu près transver- salement aux tronçons du conducteur chauffant. 3. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tronçons parallèles (17', 17", 17"'? du conducteur chauf- fant (17), traversé d'un courant électrique, sont tenus ensemble par deux pièces isolantes (20, -21) au droit des deux courbes (18, 19) entre les tronçons, et les deux paires de conducteurs intermé- diaires (28, 30 ou 29, 31) mutuellement opposés, une sur chaque côté, sont appuyées par des pièces isolantes (22, 23) supplémen- taires sur les parties voisines du conducteur chauffant (17). 4. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les pièces isolantes (20 à 23) sont des perles de verre dans Lesquelles sont scellés respectivement le conducteur chauffant (17) et les conducteurs intermédiaires (28 à 31). 5. Utilisation d'un capteur de micro-écoulements selon la revendication 1 ou 2 pour la mesure de l'écoulement gazeux entre les deux chambres (41, 42) d'un appareil d'analyse de gaz à l'infrarouge.