Brevet FR2694810A1 — publié le 19940218

La présente invention concerne un dispositif de détection des variations du coefficient d'échange thermique par convection avec un fluide destin 4 notamment aux systèmes d'alarme pour habitations,immeu Lbles publics ou privés et v 4 hicules Les systèmes d'alarme connus combinent zpr_- = lement des dispositifs sp 4 cifiques à chaque type d'liformation ou d'évenement recherchéscommepar exemple et de manière non limitative - détection volumétrique de présence détection d'ouvertu Lre de portes ou de fen'tres d -te-tion de bris de vitres détection de déplacement d'objets Chacun des dispositifs assurant ces diverses détections utilisent souvent des procédés et des techniques particuliers Il est quelquefois possible de concevoir des parades destinées à déjouer leur action Certains peuvent 'tre activés à distance. Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconv 4 nients il utilise le fait que chaque mouvement d'îtres humains ou d"objets, e bris de vitres et de manière g 4 N 4 rale toute action humaine provoque la mise en mou Lvement de l'air environnant. La détection de cette mise en mouvement avec unr grande sensibilit 4 permet oonc d'assurer l'ensemble des i fonctions d'un système d'alarme telles que décrites ci-dessus, par le biais d'un dispositif unique. Le dispositif selon l'invention comporte un détecteur proprement dit,un circuit alectrique et électronique associ 4. Les dessins annexss illustrent l'invention. La figure n reprisente le schéma de principe de l' invention. La figure n O 2 représente une variante comportant plusieurs détecteurs en série dans le mëme circuit. Lms figures N 03 à 8 représentent à titre d'exemple quelques détails de r 4 alisation ou de configurations possibles pour le détecteur. î 2 -2694810 En référence à la figure n Il,le dispositif comporte un détecteur ( 1) constitué d'un fil métallique de section très faible fonctionnant selon le principe connu dit du "fil chaud". Ce principe est généralement utilisé pour la réalisation d'anémomètres c'est-à-dire pour mesurer la vitesse d'un fluide Cette utilisation impose de compenser l'anémomètre des fluctuations de la température du fluide, de rechercher une étendue de mesure assez large et de restituer au niveau du fil chaud un écoulement aérodynamique si possible laminaire L'utilisation qui est faite de ce principe dans la présente invention diffère notablement en ce sens qu'il ne s'agit pas de mesurer la vitesse absolue du fluide mais de détecter soit sa mise en mouvement quel que soit le régime, laminaire ou turbulentsoit une modification de sa naturejavec un fonctionnement de type "tout ou rien " o la sensibilité sera privilégiée autour du point d C'équilibre en régime de convection naturelle. Enfin, le présent dispositif ne prévoit pas de système de compensation en température. Le principe est rappelé ci-après: u Ln matériau conducteur homogène de section S et de longueur L a une résistance électrique R exprimée par la formule L R = x S ol est la résistivit& électrique. la résistivitd slectrique dépend du matériau utilisé et de sa température e selon la formule approchée: o çx ( 1 + rs t)à Oëlap St rsistivit & C C _ _ 2694810 lorsque ce matériau est traversé par un courant I sa température atteint une valeur d'équilibre e. telle que: 2 e G 6 Rxi Kx:p-L a i avec K = coefficient d'échange thermique par convection p = périmètre du conducteur a= température du fluide ambiant Cette équation traduit l'équilibre entre l'énergie dissipée par effet Joule et l'énergie échangée par convection,si l'on néglige les échanges par conduction et rayonnement Toute variation du coefficient K,en particulier lors d'un passage d'un régime de convection naturelle à un régime de convection f Forcée, se traduit par une variation de la température du conducteur donc d E sa résistance qu'il s'agit de détect-r par un circuit électrique approprié. En référence à la figure nel,le détecteur ( 1) constitué d'un tel conducteur est placé en série avec une r-sistance ( 2) dont lia valeur est voisine de celle de ( 1) en régime d'équilibre par convection naturelle En effet cet te condition permet'Lpour u ne variation de la résistance de ( 1) donnée, d'obtenir la plus grande variation de la tension aux bornes de ( 2) La résistance ( 5) placée en parallèlte de ( 1) a une valeur très grande par rapport à celle de ( 1) et ( 2) Son r 8 le sera explicité pl Lis loin. Elle peut ître négligée pour ce qui suit. Dans ces conditions, la température du détecteur à l'équilibre sécrit: Y I e O C+a S E i 1 = 4 = /(-3 ( Ga) 4 A A 4 K p p L A 2 A v i & -4- Si l'on étudie les variations de I en fonction des variations du coefficient K, on obtient la formule: dl Id K= 2 K P S La sensibilité du détecteur est donc d'autant plus grande que le produit (t A) est grand et que le produit ( p S) est petit Il est donc avantageux pour cette application d'utiliser un détecteur réalisé en fer, en acier, en titane ou un de ses alliages. En effet, outre leurs caractéristiques électriques, ces matériaux possèdent une résistance mécanique et à la corrosion excellente Il est par ailleurs possible d'en disposer sous forme de fil de diamètre inférieur à huit centièmes de millimètre, ce qui est tout à fait adapté à la présente application D'autres matériaux peuvent être valablement utilisés à condition que (% A) soit supérieur à environ 35. 10 " ohm mètre/OC afin que la longueur de fil nécessaire à la réalisation du détecteur ne soit pas prohibitive et permette des dimensions globales inférieures à quelques centimètres. Le dispositif objet de l'invention peut également être efficacement utilisé pour détecter une modification de la nature du fluide ambiant en particulier, une transition liquide/fluide gazeux ou inversement Cette application concerne notamment les circuits de refroidissement, par exemple de moteur d'automobile, pour détecter une rupture de tuyauterie et déclencher une alarme bien avant que la température n'atteigne une valeur excessive, ou bien pour détecter le niveau d'un liquide Pour toutes ces applications,le détecteur est optimisé pour déceler des variations relativement rapides du coefficient d'échange K Il n'est donc pas -5nécessaire d'équiper le dispositif d'une quelconque compensation en température comme cela est généralement prévu dans les anémomêtres utilisant le principe du fil chaud Les variations de température dans les Dprésentes applications de l'invention, sont lentes. C'est la raison de la présence,dans le circuits du conde-nsateur ( 3) qui permet de ne détecter aux bornes de la résistance ( 4) que les variations suffisamment rapides de tension aux> bornes de ( 2). Cette fonction de suppression de la composante continiue peut également 'ttre réalisée par d'autres dispositifs classiques non décrits ici La résistance ( 5) en parallèle de ( 1) permet d'effectuer un test simple sur l'état du détecteur ( 1) En cas de rupture du fil métalliquela tension aux bornes de ( 2) va devenir très inférieure à E/2 "en cas de court-circuit, elle va devenir très supérieure à E/2 Une surveillance de la tension aux bornes de ( 2) à l'aide de 2 comparateurs ( 9) et ( 9) qui comparentpar exemple, respectivement à 3 E/4 et E/4,permet donc avec les états Al et A 2 de connaître en permanence l'état du détecteur La tension aux bornes de ( 4) est éventuellement amplifiée au moyen de ( 6) et comparée au moyen de ( 7) à une tension de référence Uréf ajustable qui permet le réglage de sensibilité globale du dispositif La sortie S sera, par exemple, un niveau logique. Le principe de l'invention permet dans un m'me circuit, de monter en série plusieurs détecteurs ( 1) ( 10) ( 11) comme représenté sur la figure n O 2. La figure N 03 montre le principe de réalisation du détecteur Il se compose du fil métallique ( 12) relié à chaque extrémités à des contacts électriques ( 13) le tout étant fixé sur un support isolant électriquement et thermiq Lluement Le fil métallique ( 12) est protégé par une grille ( 15) contre les agressions mécaniques. Cette grille est perméable aux fluides Elle peut 'tre métallique pour former une protection de type cage de Faraday contre les rayonnements électromagnétiques. -6- Il est avantageux que le fil chaud ( 12) soit éloigné du support isolant ( 14) cependant il est possible qu'il soit directement à son contact comme illustré sur la figure N 05, au prix d'une légère perte de sensibilité Cette configuration particulière pourra être préférée pour la détection de la nature de fluide ambiant pour, par exemple, un contacteur de niveau Le fil chaud ( 12) peut être installé soit horizontalement soit verticalement soit dans toute 1 O position intermédiaire et être installé sur un support ( 14) de forme quelconque, par exemple et ce de manière non limitative, plan, concave ou convexe, rond ou polyèdrique, en spirale Pour réduire les dimensions du détecteur il est possible,comme illustré sur la figure N 04, de replier le fil en forme de "S" autour de plots isolants ( 16) éventuellement montés sur un dispositif de tension dont une des solutions possibles est représentée sur la figure N 06 Ce dispositif de tension comporte le plot isolant ( 16) coulissant et guidé muni d'un ressort ( 17) qui maintient le fil en tension pour rattraper les dilatations thermiques et les éventuelles dispersions de longueur Les contacts électriques -( 1 3) pourront être reportés sur n'importe quel côté du détecteur,soit chacun sur un côté différent comme sur la figure N 04 soit les deux sur un même côté comme illustré sur la figure N 07 et ceci dans le plan du support ( 14) ou perpendiculairement à celui-ci Pour augmenter la sensibilité du détecteur dans une direction particulière,une variante consiste à adjoindre un dispositif convergent de type "Venturi" comme illustré dans son principe sur la figure N 08 7 2694810 REVENDICATIONS 1) Dispositif pour détecter les variations du coefficient d' échange thermique par convection avec un fluide, ces variations pouvant etre dues soit à la mise en mouvement de ce fluidequel que soit le régime, laminaire ou turbulentsoit à un changement de la nature du fluide ambiantsoit à une variation de sa vitesse,caractérisé en ce qu'il comporte un détecteur (; 1) constitué d'un fil métallique de très faible section chauffe par passage d'un courant électrique et mis en série avec une résistance ajustable ( 2) le tout étant alimenté sous une tension continue E, la valeur de la résistance ( 2) étant choisie de telle manière que la tension à ses bornes soit voisine de E/2 dans la situation d'équilibre par rapport à laquelle seront détectées les variations, le détecteur ( 1) étant mis en parallèle avec une résistance ( 5) de valeur grande par rapport à ceile du détecteur ( 1), les variations de tension aux bornes de ( 2) qui correspondent aux, variations du coefficient d'échange thermique étant observées après suppression de la composante continuedpar exemple, au travers d'un condensateur ( 3) et d'une résistance ( 4) mise en série avec ledit condensateur,éventuellement amplifiées au moyen d'un amplificateur ( 6) et comparées à une tension d E référence ajustable correspondant au seuil de dtection au travers d'un comparateur ( 7). 2) Dispositif selon la revendication i caractérisé en ce que le fil métallique utilisé pour le détecteur est réalisé dans un matériau dont les caractéristiques électriques sont telles que le produit: résistivité électrique à O CC par le coefficient de température (C x A) soit supérieur à 35 10 ohm mètre/ C, et notamment de l Vacier, du titane Ou un de ses alliages. 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications ci-dessus caractérisé en ce que le fil métallique utilisé dans le détecteur a un diamètre inférieur à huit centièmes de millimètre. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications ci-dessus caractérisé en ce plusieurs détecteurs peuvent ître montés en série dans le m'me circuit él ectrique. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications ci-dessus caractérisé en ce qu'il peut être utilisé dans les systèmes d'alarme pour la détection: de présence,d'ouverture de portes ou de fen' res, de déplacement d'objets,de bris de glace et d'une façon générale dans tout système ot la détection de la mise en mouvement de l'air est nécessaire,et que pour cette application la valeur de la résistance ( 2) est voisine de la résistance du détecteur ( 1) en régime de convection naturel le avec 1 air ambiant 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications ci-dessus caractérisé en ce qu'il peut être utilisé pour détecter une modification de la nature du fluide au contact du détecteur ( 1),et que pour cette application la valeur de la résistance ( 2) est voisine de celle du détecteur ( 1) en régime de convection naturelle avec le fluide de départ. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications ci-dessus caractérisé en ce que la présence d'une résistance électrique ( 5) en parallèle avec le détecteur ( 1) permet, par comparaison de la tension aux bornes de la résistance ( 2) avec 2 valeurs prédéterminées, de détecter soit une rupture soit une mise en court- circuit du fil métallique ( 12) du détecteur ( 1). 9 _ q 2694810 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications ci-dessus caractérisé en ce que le fil m Stallique ( 12) peut ïtre installé au contact du support isolant ( 14) ou au contraire en ménageant un espace. 9) Dispositif selo l'une quelconque des revendications ci-dessus caractérisé en ce que le fil métallique ( 12) peut 'tre replié autour de supports isolants ( 15) évent-uellement monts sur un dispositif de tension du fil se ea extrémiits étant relies à des contacts lecterique ( 13)f ces contacts pouvant -'tre ramenés à des endr-its différents du détecteur dans un plan parall-èle au support ( 14) O Lu dans un plan perpendicul aire à celui-ci. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications ci-dessus caractérisé en ce que le fil métallique ( 12) est protagé par une grille,éventuellement mrtallique et reliée à la masse électriquecette grille étant perméable aux fluides de toute nature. 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications ci-dessus caractérisé en ce le détecteur peut etre muni d'un dispositif convergent de type "Venturi" ( 16) pour augmenter sa sensibilité dans une direction particuli ère. 12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications ci-dessus caractérisé en ce que le fil métallique ( 12) du détecteur ( 1) peut 'tre orienté dans l'une quelcqueue des directions de l'espace,et 'tre install sur un support ( 14) de forme quelconques par ex>:emple et ce de manière non limitative 5 plan, concave ou convexerond ou plyèdriqueen spirale.