Brevet FR2638522A1 — publié le 19900504

On sait que, dans le domaine de la régulation, on utilise des capteurs de température et que les performances exigées pour les systèmes de régulation sont élevées. De tels systèmes sont destinés en particulier aux usages dits "grand public", par exemple le chauffage, l'électroménager, la réfrigération, etc. A l'heure actuelle, les systèmes de régulation destines à de telles applications "grand public" comportent des capteurs de température qui sont généralement constitués, soit par des thermostats à bulbe, soit par des composants électroniques appelés "thermistances", qui sont ils directement au contact du milieu fluide (liquide ou gazeux) dont on veut détecter et réguler la temperature et qui présentent tous l'inconvénient d'avoir un temps de réponse trop important pouvant aller jusqu'à 10 secondes. On a donné ci-après quelques exemples de systèmes de régulation actuellement réalisés. Dans le domaine du chauffage de l'eau sanitaire, on utilise des générateurs, notamment à gaz, dits chauffe-bains, ayant une puissance variable permettant de couvrir pratiquement tous les besoins. Ors ces appareils offrent l'inconvénient de ne pas fournir instantanément la température d'eau desirée, en raison de leur inertie thermique due, d'une part, à leurs dimensions et nasses physiques et, d'autre part, à l'importante constance de temps thermique des élements de régulation . capteur de température et actionneur. Ces phénomènes d'inertie thermique augmentent l'inconfort et, dans une certaine mesure, la consommation d'énergie. Dans le cas de chauffage de locaux, le système de régulation electronique, s'il existe, permet de compenser partiellement ces phenomenes d'inertie thermique. Dans le cas ou il n'existe pas de régulation électronique, par exemple avec des thermostats d'ambiance incorporés ou en applique nurale, les crêtes entre température de marche et d'arret peuvent doubler par rapport à la valeur propre du thermostat, et le temps de réponse peut atteindre 6 à 8 minutes. Dans le cas d'une installation de chauffage central å eau chaude, les températures sont captées a l'aide d'aquastats de surface ou de plongée (dans le liquide) et les constantes de temps sont de l'ordre de la minute avec un temps nort de 2 à 4 secondes. Dans le domaine de l'électromenager, et plus précisément dans le cas des fours domestiques, on utilise généralement des thermostats å bulbe qui possèdent une inertie de 0,5 å 1 minute, les résistances de chauffage du four ayant ellesmêmes une inertie thermique de l'ordre de 1 Minute. Ces inerties entrainent des amplitudes de température de l'ordre de 20 à 40 autour de la température régulée. Le besoin se fait donc sentir de disposer d'un nouveau capteur de température permettant de réduire les constantes de temps mort des systèmes de régulation, en les amenant vers des valeurs proches de 1 seconde et 0,5 seconde respectivement. C'est précisément le but de la présente invention qui a créé un capteur de température en exploitant au mieux les caractéristiques thermiques de la conduction, de la convection et du rayonnement, en réduisant au maximum la nasse de l'élément capteur et de son boîtier. En conséquence, cette invention a pour objet un capteur de température caractérisé en ce qu'il comporte un élément sensible constitué par une jauge electrique ou jauge de contrainte a dépôt métallique qui est montée avec isolation électrique, sur un support en cuivre pur, de masse très faible et qui est en contact thermique avec le milieu ou l'élément dont on veut mesurer la température et en ce que la lIaison entre la jauge et les composants. du système de régulation est assurée par des fils conducteurs, traversant de façon étanche ledit capteur et qui sont reliés à des broches de connexion. Selon l'invention, la jauge électrique ou de contrainte comporte un dépôt de nickel et son poids est inférieur au gramme. Selon un premier exemple de réalisation du capteur de température selon l'invention, appliqué à la mesure de la température d'un fluide, ledit capteur est plongé dans ce fluide. Selon un second exemple de réalisation de l'invention, le capteur est appliqué contre la surface de l'élément dont on veut mesurer la température et il comporte des moyens prévus à cet effet. Dans ce but, la surface du support en cuivre pur sur lequel est montée la jauge, est conçue de manière à epouser la forme de l'élément sur lequel est appliqué le capteur et dont on veut mesurer la température. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après en référence au dessin annexé qui en illustre deux exemples de réalisation dépourvus de tout caractere limitatif. Sur le dessin La figure 1 est une vue en coupe axiale verticale d'un premier mede de réalisation d'un capteur selon l'invention. Ainsi qu'on le comprend, le capteur de température objet de cette invention met en oeuvre un élément sensible constitué par une jauge électrique ou de contrainte 10 a dépôt métallique, de préférence en nickel, et qui présente une variation de résistance en fonction de la température. La masse de la jauge 10 est inférieure au gramme. La jauge 10 est montée isolée sur un support métallique 12, en cuivre pur, de masse très faible et dont la forme est déterminée, comme on le verra ci apures, de manière å s'adapter à la forme de la surface contre laquelle s' applique le capteur. Dans l'exemple de réalisation illustré par la figure 1, le capteur est conçu de manière à s'appliquer contre une canalisation 14 dans laquelle circule le fluide dont la température doit être régulée. Le capteur comporte alors un corps isolant 16 dans la partie supérieure cuquel sont logés la jauge 10 et son support 12 et dont.la partie inférieure présente un evidement dans lequel vient se loger la canalisation 14, de manière que le corps isolant 16 entoure ladite canalisation. La jauge 10 est maintenue appliquée contre la canalisation 14, à l'aide d'un ressort 18 comprime entre une pièce isolante 20 prenant appui contre la surface supérieure du support métallique 12 et une couronne 22 venant se visser dans le corps 16. Grâce a cette couronne, il est possible de régler la pression du ressort 18 et donc d'obtenir un contact optimal entre la jauge 10 et la surface de la canalisation 14. Des fils conducteurs 24, qui traversent la pièce isolante 22, relient la jauge 10 à des broches de connexion 26 assurant la liaison avec les organes de régulation de type classique tnon représenté sur le dessin). Comme on l'a précisé ci-dessus, le capteur décrit en reférence à la figure 1, exploite au mieux les caractéristiques thermiques de la conduction, de la convexion et du rayonnement, en réduisant au maximum la masse de l'élément capteur et de son boîtier. Ainsi, il est possible d'atteindre des constantes de temps très faibles, inférieures à la seconde. Par ailleurs, et contrairement aux capteurs de température actuellement utilisés dans les systèmes de régulation des installations de chauffage, le capteur selon l'invention n'est pas immergé dans le fluide dont on veut réguler la température, mais simplement plaqué contre la surface de la canalisation vehiculant ce fluide, ce qui permet son remplacement de façon simple et économique, par échange standard, en cas de défectuosité de fonctionnement. La variante de l'invention illustrée par la figure 2 est destinée å etre appliquée contre une paroi. Cette variante est plus particulièrement destinée aux sondes de surface pour four, ainsi qu'aux sondes d'ambiance. Le capteur représenté sur la figure 2 comporte des composants principaux identiques à ceux du capteur illustré par la figure 1. Ils ont été désignés par les mêmes références. Le capteur est logé dans un boîtier en deux parties 28, 32 fixé sur la paroi 30 à l'aide de vis telles que 34 par exemple. De la même façon que décrite précédemment, la jauge 10 est maintenue plaquée contre la surface extérieure de la paroi 30. On donne ci-après à titre non limitatif quelques exemples d'application du capteur illustré par la figure 2. a) Sonde de surface pour four On sait que la température moyenne vers le centre du four dépend de la puissance chauffante installé, de la température maximum atteinte par les résistances rayonnantes, de la surface interne et des isolations ou déperditions caloriques ; sur la surface intérieure d'une paroi telle que 30, il existe une zone dont la température est une "image" de celle du centre du four. Sur cette zone, on peut appliquer la sonde de surface illustrée par la figure 2, permettant de reduire les différentielles dynamiques de température par une régulation plus fine. b) Sonde de plaque chauffante ou plaque vitro céramique Ce cas est identique au cas précèdent, une zone *image" de la température de surface existe et peut recevoir une sonde d'applique. c) Sonde d'ambiance d'applique La constante de temps de ces sondes varie en fonction des importances relatives des trois paramètres thermiques conduction, convection, rayonnement. Ces sondes sont fixées en général sur une cloison interne et par mégarde sur un mur en liaison avec l'extérieur. Ces sondes reçoivent ou envoient des calories par conduction, rayonnement vers l'environnement et par convection avec l'air ambiant. Ces phénomènes liés et complexes conduisent å déterminer une constante de temps en fonction des trois paramètres Une constante de temps de rayonnement, la conduction et la convection étant nulles. Une constante de temps de conduction, la convection et le rayonnement étant nuls. Une constante de temps de convection, la conductidn et le rayonnement étant nuls. Par exemple Il est fréquent d'évaluer sur les thermostats classiques fixés sur une paroi, une constante de temps de rayonnement de 20 à 30 minutes. Une constante de temps de convection de 2 à 8 minutes pour une vitesse d'air de 0,2mXseconde. Une constante de temps de conduction de l'ordre de 20 à 30 minutes. La sonde d'ambiance selon l'invention est déterminée par un optimum entre la surface supportant le capteur pour le rayonnement et la convection, les masses et les isolations pour limiter la conduction, de façon å obtenir des valeurs typiques inférieures a 10 minutes pour une vitesse d'air voisine de zéro et 3 minutes pour une vitesse d'air voisine de 0,2m/seconde. d) Sonde d'ambiance incorporée On trouve dans ce cas les trois paramètres précédents : conduction, convection, rayonnement avec des constantes de temps plus faibles de 1 minute à 5 minutes. La sonde d'ambiance incorporée selon l'invention est déterminée par un optimum de surface supportant le capteur, pour le rayonnement et la convection, les masses et les isolations pour la conduction, de façon à obtenir des valeurs moyennes typiques de 0,5 à 2 minutes. La demanderesse a effectué des essais comparatifs entre le capteur de température décrit ci-dessus et divers capteurs ou sondes de type connu. Ces essais, qui sont résumés dans le tableau ci-après, font ressortir la supériorité technique du capteur selon l'invention, par rapport aux sondes économiquement comparables. TABLEAU RECAPITULATIF DES RESULTATS OBTENUS Sature de l'élément Contenu et températures Constante de temps de l'élément sensible des bains thermostatés sensible à la température' (capteur) Montée de tempé- Descente de rature température #m #d Thermistance (CTN) Bains d'huile entre 5 s 7 s (10 kQ + 10 %) 25 C et 90 C protégée par une gaine isolante CTN (10 kQ t 10 S) Bains d'huile entre 11,6 s 16,4 s placée dans un bul- 25-C et 90 C be en cuivre e 6x5 longueur 10 cm sans patte conductrice CTN (10 kQ + 10 X) Bains d'huile entre 48,8 s 38,6 s placée dans un tube 25-C et 90 C en cuivre (bulbe e 7x8 longueur 3 cm) avec comme patte du Silicon noir Sonde Coterlaz CTN Bains d'huile entre 14,3 s 6,5 s (62 k# à & 25'C) 25-C et 90-C CTP (1,2 kQ a 20-C) Bains d'huile entre 8,3 s 1 s toute nue 25-C et 90-C CTP (820 R) toute Bains d'eau entre 1,6 s 4 s nue 25 C et 90-C Sonde platine Pt Bains d'eau entre 0,65 s 0,6 s 100 Q à 20 C toute 25 C et 90-C nue Sonde platine Pt Bains d'huile entre 1 s 1 s 500 Q å 20 C 25 C et 90-C Sonde selon l'in- Bains d'eau entre 800 Ms 750 ms vention toute nue 25 C et 90'C (100 # à 20 C) Sonde selon l'in- Bains d'eau entre 2,3 s 2,4 s vention montée dans 25-C et 90'C son boîtier prévu Sonde selon l'in- Bains d'eau entre 900 ms 1,1 s vention collée sur 25 C et 90'C une plaque de cuivre en épaisseur de 0,2 mm Sonde selon l'in- Bains d'huile entre 1,2 s 1,1 s vention (100 Q à 25 C et 90'C 20-C) toute nue Il demeure bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ici. Ainsi, le capteur selon l'invention, lorsqu'il est appliqué à la mesure de la température d'un fluide, peut etre plongé dans ce fluide. Par ailleurs, lorsque le capteur selon l'invention est appliqué contre la surface de l'élément dont on veut mesurer la température, il peut etre fixé et maintenu contre cette surface par d'autres moyens que ceux décrits et représentés ici. REVENDICATIONS 1- Capteur de température, caractérisé en ce qu'il comporte un élément sensible constitué par une jauge électrique ou de contrainte (10) & dépôt métallique qui est montée isole sur un support en cuivre pur (12), de nasse très faible et qui est en contact thermique avec le milieu ou l'élément dont on veut mesurer la température1 et en ce que la liaison entre la jauge et les composants du système de régulation recevant les données de température relevées par le capteur, est assurée par des fils conducteurs (24) traversant de façon étanche ledit capteur et qui sont relies a des broches de connexion (26). 2- Capteur de température selon la revendication 1, caractérise en ce que ladite jauge (10) comporte un dépôt de nickel et son poids est inférieur au gramme. 3- Capteur de température selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est appliqué à la mesure de température d'un fluide et en ce qu'il est plongé dans ledit fluide. 4- Capteur de température selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérise en ce qu'il comporte des moyens permettant de l'appliquer contre la surface de l'élément ou du composant dont on veut mesurer la température. 5- Capteur de température selon l'une quelconque des revendication 1, 2 ou 4, caractérisé en ce que la surface dudit support en cuivre pur (12) est conçue de manière à épouser la forme de l'élément ou du composant (14-30 > sur lequel est appliqué le capteur et dont on veut relever la température. 6- Capteur de température selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 4 ou 5, caractérisé en ce que le contact et le maintien de la jauge (1p) sur la surface dudit élément ou composant dont on veut mesurer la tenpérature, sont assurés par un ressort (18) à pression réglable. 7- Capteur de température selon l'une des revendications 1, 2, 4 h 6 > caracterise en ce qu'il est conçu pour s'appliquer contre une canalisation (14) véhiculant le fluide dont on veut detecter la témpérature et en ce qu'il colporte un corps isolant (16) dans la partie supérieure duquel sont' logés la jauge entoure la canalisation. 8- Capteur de température selon l'une des revendications 1 ou 2, caracterisé en ce qu'il est conçu pour s'appliquer contre la surface d'une enceinte dont on veut détecter la température interne, en captant la température de la zone de la surface intérieure d'une paroi (30) dont la valeur est l'image de la température du centre de ladite enceinte. 9- Capteur de température selon la revendication 8, caractérisé en ce que la jauge (10) et son support métallique (12) sont logés dans un boîtier (28, 32) présentant une surface plane qui est appliquée contre ladite paroi (30) sur laquelle elle est maintenue, notamment par vissage (34). 10- Capteur de température selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on prévoit des moyens pour régler la pression exercée par le ressort (18) contre la jauge (10) et donc la pression d'application de cette dernière contre l'élément (14, 30) dont on veut relever la température.