Brevet FR2689784A1 — publié le 19931015

Les installations de traitement d'air, et plus particulièrement les installations de climatisation des véhicules automobiles, sont fréquemment équipées de filtres destinés à retenir les particules en suspension dans l'air traité. Ces filtres créent des pertes de pression au passage de l'air, pertes dont l'importance est fonction de la vitesse d'écoulement au travers de ces dits filtres. Au cours de leur utilisation, ces filtres se chargent des poussières et des matières qu'ils sont destinés à retenir et s'encrassent progressivement. Cet encrassement des filtres provoque un accroissement de leur perte de charge, lequel est nuisible au bon fonctionnement des installations Il est connu des équipements destinés à informer l'utilisateur de l'état d'encrassement de tels filtres. Ces équipements sont très fréquemment basés sur la mesure de la perte de pression exercée par le filtre Souvent, cette perte de pression est comparée à une valeur prédéterminée et, par dépassement, provoque soit une alarme invitant l'utilisateur à effectuer un nettoyage des surfaces filtrantes ou assurer leur remplacement, soit l'enclenchement d'un dispositif approprié de remise en état des surfaces filtrantes, dispositif souvent dit de décolmatage. De tels dispositifs sont efficaces sur des installations destinés à fonctionner à débit d'air constant, par contre ils ne peuvent etre convenablement utilisés sur des équipements dotés de moyens de réglage de débit, tels que variation de vitesse de rotation de ventilateur ou volets obturateurs de débit d'air, comme ceux dont sont dotés les équipements de climatisation automobile. En effet, la perte de charge des filtres d'air est fonction à la fois de deux paramètres: la vitesse de l'air qui les traverse et leur état d'encrassement. La mesure unique de la perte de pression provoquée par le filtre ne permet pas de discerner la part due à chacune des deux causes et plus particulièrement, elle ne permet pas de discerner, à faible débit d'air, si un encrassement exagéré du filtre n'est pas atteint, bien que la perte de charge constatée reste inférieure à la limite fixée. Dans ce cas, des réalisations antérieures prévoyaient la détection d'encrassement de filtres destinés à fonctionner à débit d'air variable par le traitement de deux informations, l'une provenant de la mesure de vitesse d'air traversant le filtre, l'autre de la mesure de la perte de pression occasionnée par ce dernier. Cette méthode présente le grave inconvénient de nécessiter le traitement de mesures effectuées en valeur absolue, ce qui implique des mesures de précision. De telles mesures nécessitent des équipements délicats et coûteux, peu en rapport avec les exigences du marché de grande diffusion. La présente invention à pour objet un détecteur d'encrassement de filtre permettant de s'affranchir de ces difficultés, presentant une grande insensibilité aux phénomènes parasites de variation de tension d'alimentation électrique, de variation de température et d'un court très réduit par rapport aux réalisations antérieures. L'équipement de mesure de l'état d'encrassement d'un filtre à air, objet de la présente invention, destiné à ètre utilisé sur équipement de traitement d'air conçu, plus spécialement pour fonctionner à débit d'air variable, est basé sur le traitement comparatif de deux informations en valeurs relatives de grandeurs physiques de meme nature, grace à un dispositif de balance thermique Pour cela, un canal de très faible section est établi, reliant les conduits amont et aval du filtre et formant un by-pass de ce dernier. En fonctionnement, sous l'effet de la différence de pression due à la perte de charge du filtre, un débit de fluide s'établit en ce conduit, débit dont l'importance est tributaire de la dite perte de charge du filtre. La balance thermique constituant le système de détection de colmatage du filtre est un dispositif venant effectuer la comparaison entre une information représentative de la vitesse du fluide traversant le filtre et une information représentative de la vitesse d'écoulement du fluide dans le canal de by-pass créé entre l'amont et l'aval du filtre. - La première de ces informations représentative de la vitesse d'air traversant le filtre est fournie par la variation de résistance d'un conducteur électrique placé dans le flux d'air traversant le filtre. Cette variation de résistance est provoquée sous l'influence de la vitesse d'air assurant la dissipation thermique de l'énergie électrique qui lui est appliquée, venant ainsi modifier la température de stabilisation de la dite résistance. - La seconde information est également fournie par la variation de résistance d'un second conducteur électrique disposé celui-là dans le petit conduit d'air auxiliaire placé en by-pass du filtre. Selon un principe connu, les informations relatives à la valeur ohmique des deux résistances sont obtenues en soumettant celles-ci au passage d'un courant électrique. Le passage de ce courant provoque un échauffement des dites résistances. Cet échauffement est d'autant moins élevé que ces résistances sont plus vigoureusement refroidies par un écoulement rapide du fluide. Il est connu que les caractéristiques de résistivité électrique de certains matériaux conducteurs varient en fonction de leur température. Ainsi, la mesure de la valeur ohmique de résistances parcourues par un courant électrique donne une information sur l'intensité de l'écoulement qui les baigne. Pour la majorité des matériaux conducteurs, la résistivité électrique augmente avec la température, pour certains autres, la résistivité diminue avec la température, ces derniers sont alors dits à coefficient negatif. Fréquemment,les matériaux à coefficient de température positif, employé dans ces applications, sont des alliages de platine, les matériaux à coefficient de température négatif sont connus sous la désignation de thermistances. Sans sortir du cadre de la présente invention, l'une ou l'autre de ces familles de matériaux peut etre employée. Il est egalement connu des moyens de comparaison de valeur ohmique, parmi lesquels, à titre d'exemple, il est possible de citer les montages dits "en pont susceptibles de fournir une information électrique sur l'état d'équilibre des valeurs ohmiques des deux résistances variables. L'ensemble ainsi formé, constitué d'un pont de résistances: deux de valeur ohmique fixe et deux de valeur ohmique variable, alimentées électriquement et dont un dispositif amplificateur permet de détecter le déséquilibre, forme une balance thermique susceptible d'etre utilisée en détection de variation relative de vitesse de fluides circulant dans deux conduits. L'information électrique, issue de cette comparaison, peut etre acheminée directement vers un dispositif indicateur, ou sans sortir du cadre de l'invention, au travers d'un dispositif amplificateur. L'invention est décrite en détail à la figure I sur laquelle on peut voir représenté schématiquement une installation de traitement d'air comprenant un conduit d'air (1) raccordé à l'aspiration d'un ventilateur (2), ce conduit d'air est pourvu d'un filtre (3) disposé entre les sections (la) et (lb) du conduit d'air (1). Sur cette figure, on peut voir une résistance électrique variable (4) placée dans le conduit d'air (la) en un emplacement la soumettant au flux d'air traversant le filtre, et une seconde résistance électrique (5) placée dans un conduit auxiliaire (6) raccordé en amont et en aval du filtre à air (3) par les tronçons de conduit (6a) et (6b). A titre d'exemple, sur cette meme figure, nous pouvons voir représentée schématiquement l'alimentation électrique des deux résistances variables, selon un montage dit "en pont'l à partir d'une source (8) et un organe indicateur (9) raccordé au système au travers d'un amplificateur (10). Pour plus de simplicité, le conduit auxiliaire de by-pass (6) peut etre dimensionné de telle sorte que la vitesse d'écoulement de l'air dans la section d'implantation de la résistance électrique (5) soit à peu près égale à la vitesse d'écoulement de l'air dans la section (la) du conduit d'air principal, lorsque le filtre est en état initial de propreté. Au besoin, pour réaliser cette égalité sans avoir à recourir à un dimensionnement délicat des conduits, un orifice calibré (11) peut etre placé dans le conduit auxiliaire (6). Sans sortir du cadre de cette invention, l'orifice calibré peut etre remplacé par un ajustage réglable permettant d'ajuster le débit à la valeur souhaitée. De manière privilégiée, sans que cette condition soit une nécessité, les résistances électriques variables (4) et (5) peuvent etre choisies de valeur ohmique proches ou identiques. Pour comprendre le fonctionnement d'un tel ensemble, il peut etre utile de se reporter à la figure II qui expose l'évolution des pressions dans un équipement de traitement d'air en fonction des conditions de débit et de perte de charge du filtre à air qui lui est associe. Sur ce diagramme, ont été portées en abscisse les débits d'air et en ordonnées les pressions. Nous pouvons voir représentée sur ce diagramme, la courbe des débits engendrés par un ventilateur entrainé à différentes vitesses (courbes IIa à IIc) ainsi que la courbe (IIe) indiquant la perte de charge du filtre d'air, celui-ci y étant supposé en état d'origine. Le point d'intersection (A) de la courbe figurant les performances du ventilateur tournant à la vitesse (lia) avec la courbe figurant les pertes de charge de l'installation de traitement d'air (IIe) indique le débit d'air et la pression fournie par le ventilateur pour ces conditions d'utilisation. De meme, le point (B) figurerait les conditions de débit et de pression pour la vitesse de rotation (IIc) du dit ventilateur. Lorsqu'après un certain temps d'exploitation le filtre à air stest progressivement chargé des poussières qu'il est destiné à retenir, ses pertes de charges augmentent, et la courbe caractéristique (IIe) se déporte progressivement pour venir se situer en (vif) considérée par exemple comme limite maximum d'un encrassement acceptable. Nous voyons alors que, parallèlement à l'accroissement de la perte de charge du filtre, les points de fonctionnement (A) et (B), toujours situés à l'intersection entre la courbe caractérisant le fonctionnement du ventilateur et la courbe figurant la perte de charge de l'installation, se déportent respectivement en (C) et (D). La courbe de la figure III indique, pour la meme échelle de pression, mais à une autre échelle de débit , le débit d'air résultant, dans le conduit auxiliaire de by-pass, de la perte de charge du filtre. Sur la figure II nous constatons que l'encrassement du filtre (passage du point A au point C) provoque une réduction de débit ( passage du point représentatif Al au point C1) , donc de vitesse d'air au passage dans le filtre et sur la figure III, qu'un accroissement de la hauteur manométrique entre faces de ce filtre provoque, par contre, une élévation de débit ( de A'1 à C'l) donc une élévation de vitesse dans le conduit de by-pass. Cette constatation serait la meme, quelle que soit la vitesse de rotation du ventilateur ou le réglage de débit d'air de l'installation. Nous comprenons ainsi que la balance thermique supposée détecter les vitesses d'écoulement dans la veine d'air principale et dans le conduit de by-pass, en équilibre lorsque le filtre est à l'état neuf, se trouvera déséquilibrée dés que la perte de charge de ce filtre tendra à s'accroltre, d'autant plus que l'une des vitesses tendra à décroitre, alors que l'autre ne fera que grandir. Sur les memes figures, nous pouvons encore constater que pris isolément, les phénomènes de perte de débit dans le conduit principal et de gain de débit dans le conduit de by-pass sont très dépendants des conditions d'exploitation de l'installation: la perte de débit Al à C1 fortement plus importante que la perte de débit de B1 à D1, de meme pour l'accroissement de débit concommitant de A'1 à C'1 par rapport à l'accroissement de B'I à D'1. Nous pouvons, par contre, constater que la somme, en valeur absolue, de ces variations de débit, mise en évidence par le montage en pont de la balance thermique, est à peu près constante, rendant le montage relativement insensible aux conditions d'utilisation du système de traitement d'air. En nous reportant à la figure I, nous pouvons voir qu'en un premier temps, en absence de tout mouvement d'air, l'ensemble étant mis sous tension, si les résistances (4) et (5) sont de valeur ohmique peu différentes et les résistances (12) et (13)+(14) supposées égales, le courant dans les deux branches du pont s'établit à des valeurs sensiblement égales. L'action sur la résistance variable (14) permet d'ajuster la valeur (13)+(14) à une valeur telle qu'au point (15) et (16) du pont la tension soit égale. De valeur ohmique proche de l'identique et soumises à une meme intensité, les résistances (4) et (5) connaissent un échauffement égal. Sous le fait de cet échauffement, les valeurs ohmiques de ces résistances se trouveront modifiees de manière identique et, de ce fait, le signal de sortie amplifié sera nul. L'ensemble étant mis en fonctionnement, le débit d'air étant établi au travers du filtre (3), supposé propre ou très faiblement encrassé, la résistance électrique (4) se trouve refroidie proportionnellement à la vitesse de l'air qui le traverse. Sous cet effet, la valeur ohmique de cette résistance (5) se trouve modifiée par rapport à sa valeur initiale. De manière concommitante, s'établit entre les deux faces du filtre une différence de pression qui découle à la fois de la vitesse de l'air et de l'état d'encrassement du filtre, comme on peut le voir sur le diagramme II. Sous l'influence de cette différence de pression appliquée aux deux extrémités du conduit (6), s'établit dans la chambre (6a) un débit d'air dont la vitesse, fixée par la valeur du diamètre de l'orifice calibré (11) est, par construction identique à celle de l'air au passage dans la section du filtre. La résistance électrique (4), soumise à la meme intensité que celle qui traverse la résistance (5) subit un échauffement semblable, compensé par un refroidissement identique du à la vitesse d'air dans la chambre (6a). De ce fait, la valeur ohmique de cette résistance (5) se trouvera modifiée identiquement à celle de la résistance (4). En cette circonstance encore, le signal de sortie restera nul. Cette situation se poursuivra, quel que soit le débit engendré par le ventilateur (2), tant que le filtre ne connaîtra pas d'encrassement. Tant que cette situation persistera, la différence de potentiel aux bornes (15) et (16) du pont sera nulle ou si faible qu'aucun signal ne sera émis par l'amplificateur (10). Dès que, sous l'effet de l'accumulation de particules, la perte de charge du filtre tendra à s'élever, pour un meme débit d'air, engendrant une vitesse d'air donnée aux abords de la résistance (4), la différence de pression aux extrémités (17) et (18) du conduit (6) s'élèvera. Cette différence de pression engendrera dans la chambre (6a) aux abords de la résistance électrique (5), une vitesse d'air plus élevée que celle créée aux abords de la résistance (4). Il s'ensuivra un refroidissement plus intense de cette résistance et par conséquent, un état thermique d'équilibre different, donnant à cette résistance variable une valeur ohmique différente de celle de la résistance (4). Sous l'effet de cette différence de valeur ohmique, le pont de mesure se trouvera déséquilibré et une petite différence de potentiel apparattra aux bornes (15) et (16) du pont. Appliquée en entrée de l'amplificateur (10) cette différence de potentiel fournira un signal exploitable d'alerte ou d'indication d'état d'encrassement. Pour plus de facilité de compréhension, le fonctionnement de l'ensemble a été exposé en supposant des valeurs ohmiques identiques d'origine des résistances variables. Sans sortir du cadre de l'invention, ces résistances peuvent etre différentes, cette différence si elle existe, peut etre compensée par une électronique adaptée. De meme, il a été supposé que des vitesses d'air identiques étaient réalisées, hors encrassement, en sortie de filtre et dans la chambre de by-pass. Sans sortir du cadre de l'invention, ces vitesses peuvent etre différentes, pour peu que ces différences soient compensées par des valeurs appropriées de résistances ou par une électronique adaptée. Il va de soi, que la réalisation, ici décrite, n'est qu'un exemple et que l'on pourrait la modifier, notamment, par substitution d'équivalents techniques, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. En particulier, la mesure des valeurs ohmiques des résistances variables peut etre réalisée par tout autre moyen connu et (ou) la comparaison de ces valeurs effectuée seulement après amplification du signal de tension. La figure IV donne une variante du montage où la résistance variable soumise au flux d'air traversant le filtre est placée en aval de celui-ci, sans que cette disposition ne sorte du cadre de l'invention. La figure V représente une autre variante du montage qui s'adapte plus particulièrement aux cas où le filtre à air est placé avant tout organe de traitement, dans le sens de l'écoulement. En cette circonstance, la pression régnant en amont du filtre est très proche de la pression atmosphérique ou ne diffère de celle-ci que d'une valeur qui ne dépend que du débit d'air traité. Dans ce cas, le conduit d'air auxiliaire peut avantageusement etre réduit à un simple conduit de prise d'air extérieur, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Dans le mode de réalisation proposé, les résistances variables ont un double rble: assurer l'échauffement permettre la mesure de la température de stabilisation de l'ensemble. Il va de soi que sans sortir du cadre de l'invention, ces deux rôles pourraient etre remplis par des organes séparés, comme figuré à la figure VI. Sur ce dessin sont représentées deux résistances fixes de chauffage (19) et (20) alimentées électriquement depuis la source (8) en liaison thermique avec les résistances variables (4) et (5) Sans sortir de la présente invention, par extension de cette dernière disposition, et selon un principe connu de mesure de vitesse d'écoulement, les résistances assurant le chauffage et celles assurant la mesure peuvent etre séparées. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection d'encrassement d'un filtre à air (3) situé dans un conduit (1) d'une installation de traitement d'air fonctionnant à débit d'air constant ou variable, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit d'air auxiliaire(6) dont une extrémité est raccordée au conduit (1) du filtre à air (3) en débouchant en aval du filtre (3) de façon à engendrer dans le conduit auxiliaire (6) un écoulement d'air dû à la perte de charge du filtre à air (3) et d'une vitesse variant suivant la perte de charge; un premier moyen capteur (4) disposé dans le conduit (I) du filtre à air (3) pour fournir un signal relatif à la vitesse d'écoulement de flair traversant le filtre à air (3); un second moyen capteur (5) disposé dans le conduit auxiliaire (6) pour fournir un signal relatif à la vitesse d'écoulement de l'air dans le conduit auxiliaire (6); et un circuit électronique délivrant à partir des signaux des premier et second moyens capteur (4, 5) un signal représentatif d'un encrassement limite du filtre à air (3) lorsque les vitesses dtécoulement d'air dans le conduit (1) du filtre à air (3) et le conduit auxiliaire (6) différent d'une valeur déterminée comespondant à une perte de charge limite du filtre à air (3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second moyens capteur (4, 5) sont constitués respectivement par deux éléments électriquement conducteurs baignant dans les écoulements d'air traversant le filtre à air (3) et le conduit auxiliaire (6) et à résistances variant avec la température liée à la vitesse de ces écoulements d'air. 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le circuit électronique précité est agencé pour comparer les valeurs de résistances variables des deux éléments électriquement conducteurs (4, 5) dont les résistances sont à coefficient de température positif ou négatif et délivrer le signal représentatif de l'encrassement limite du filtre à air (3) lorsque le rapport des valeurs de résistances de ces deux éléments (4, 5) correspond à la perte de charge limite du filtre à air (3). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit électronique comprend un montage en pont de mesure à résistances dont deux branches adjacentes comprennent respectivement les deux éléments conducteurs à résistances variables (4, 5) et délivrant une tension de déséquilibre déterminée du pont lorsque le rapport des valeurs de résistances des éléments conducteurs (4, 5) correspond à la perte de charge limite du filtre à air (3) ; et un amplificateur (10) relié en sortie du montage en pont de mesure à résistances pour amplifier la tension de sortie du montage en pont de mesure et fournir ainsi le signal représentatif de l'encrassement limite du filtre à air (3). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit auxiliaire (6) est branché en dérivation sur le conduit (1) du filtre à air (3) en débouchant également en amont du filtre à air (3). 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le conduit auxiliaire (6) a son extrémité opposée à celle débouchant dans le conduit du filtre à air (3) communiquant avec l'atmosphère. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit auxiliaire (6) est de dimensions telles que la vitesse d'écoulement d'air dans celui-ci aux abords du second moyen capteur (5) est sensiblement égale, lorsque le filtre à air (3) est propre, à la vitesse de l'air traversant le filtre à air (3). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un orifice calibré (6b), le cas échéant à section réglable, placé dans le conduit auxiliaire (6) pour rendre les vitesses d'écoulement d'air dans les conduits du filtre à air (3) et auxiliaire (6) sensiblement égales. 9. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que chaque élément électriquement conducteur à résistance variable (4 ; 5) est directement réchauffé par le courant le traversant ou est réchauffé par une résistance électrique auxiliaire à proximité de celui-ci. 10. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que l'amplificateur (10) est relié à un moyen indicateur d'encrassement (9) ou à un dispositif de décolmatage automatique du filtre à air (3).