Brevet FR2733826A1 — publié le 19961108

Débitmètre pour fluide et capteur de débit pour le débitmètre. La présente invention concerne un débitmètre servant à la mesure du débit d'un fluide. Les débitmètres sont en particulier utilisés à la mesure du débit massique de l'air d'admission d'un moteur à combustion interne de véhicule. Un tel débitmètre est connu par FR-A-2 605 099. Il comporte une thermistance chauffante en contact avec le fluide et, donc, d'autant plus refroidie, selon une loi connue, qu'est élevé le débit de celui-ci. La température du fluide incident étant mesurée au moyen d'une autre thermistance, pour déterminer le "zéro" ou température ambiante de référence, l'élévation de température présentée par la thermistance chauffante est convertie selon la loi ci-dessus en la valeur du débit à mesurer. Ce débitmetre présente cependant l'inconvénient de ne pouvoir distinguer le sens d'écoulement du fluide. Or, pour reprendre l'exemple du moteur de véhicule, chaque cycle de fonctionnement comporte une phase d'admission et une phase de refoulement. Comme le débitmètre mesure la somme des masses d'air admis et refoulé au lieu d'en mesurer la différence, la commande du moteur est faussée. La présente invention vise à fournir un débitmètre bi-directionnel, c'est-à-dire qui fournisse le sens d'écoulement du fluide. A cet effet, l'invention concerne un débitmètre de mesure du débit d'un fluide, comportant un élément chauffant, d'impédance sensible à la température et agencé pour être mis en contact thermique avec le fluide s'écoulant, et des circuits de mesure de l'impédance de l'élément chauffant agencés pour en déduire, d'après une loi prédéterminée, le débit du fluide, caractérisé par le fait qu'il comporte un autre élément chauffant d'impédance sensible à la température et agencé pour être mis en contact thermique avec le fluide, les deux éléments chauffants étant disposés en aval l'un de l'autre, et que les circuits de mesure sont agencés pour déterminer le sens de l'écoulement du fluide en fonction des variations d'impédance des deux éléments chauffants. Ainsi, l'élément chauffant qui se trouve être en amont pour un sens d'écoulement particulier réagit le premier et indique ainsi le sens de cet écoulement. L'invention concerne aussi un capteur de débit pour le débitmetre de l'invention, comportant un élément chauffant, d'impédance sensible à la température et agencé pour être mis en contact thermique avec le fluide dont le débit est à mesurer, caractérisé par le fait qu'il comporte un autre élément chauffant agencé pour être mis en contact thermique avec le fluide, en aval dudit élément chauffant. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de deux formes de réalisation du débitmètre de l'invention, en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure l représente une plaquette portant une thermistance chauffante à deux tronçons, selon la première forme de réalisation, - la figure 2 représente la réponse temporelle de la thermistance de la figure 1, - la figure 3 représente une plaquette portant des résistances du débitmètre de la seconde forme de réalisation, - la figure 4 est une schéma électrique d'un pont de mesure, correspondant à la figure 3, de détermination du sens de l'écoulement du fluide et - la figure 5 représente un pont de mesure du débit, correspondant à la figure 3. La plaquette 1 de la figure 1 est en zircone et porte deux éléments chauffants 2, 3, ici deux résistances sérigraphiées en couche épaisse, à fort coefficient de température, connu, ou thermistances. La plaquette 1 est disposée parallèlement à l'écoulement d'un flux d'air dont on veut mesurer le débit. Les deux résistances 2, 3, constituées d'une même pâte résistive, se présentent sous la forme de bandes de même longueur et de largeurs, et donc de résistances, différentes disposées perpendiculairement à la direction 10 d'un flux d'air dont le débit est à mesurer, c'est-àdire que l'une est en aval de l'autre. La bande sérigraphiée de l'élément 2 est la plus étroite si bien que sa résistance est supérieure à celle de l'élément 3. Un tronçon 4 relie deux extrémités correspondantes des résistances 2, 3, dont les autres extrémités sont respectivement reliées à des plages conductrices de connexion 5, 6. Pour la simplicité de l'exposé, le tronçon 4 est supposé présenter une résistance négligeable devant celle des tronçons 2 et 3. Dans cet exemple, la zone centrale 9 de la plaquette 1 bordée par les éléments 2-4 est séparée des éléments chauffants 2, 3 par deux fentes respectives 7-8 de découplage thermique terminées par des découpes circulaires pour en réduire la fragilité. La zone 9 est destinée à recevoir des composants électroniques non représentés du débitmètre. Une couche de passivation recouvre les divers éléments conducteurs. Dans la zone 9, le débitmètre comporte des circuits de mesure sensibles à la valeur des résistances 2-4 pour en déterminer le débit à mesurer, à partir d'une loi connue. Une thermistance non représentée fournit, à titre de référence, d'après sa valeur ohmique, la température de l'air incident. Le principe de la détermination du sens 10 d'écoulement de l'air est le suivant. Les deux éléments chauffants 2 et 3 étant, à travers les plages 5, 6, alimentés par un même courant électrique, l'élément 2, de résistance la plus élevée, représente donc plus de 50 % de la résistance totale des éléments 2-4. Le flux d'air arrivant selon le sens de la flèche 10 refroidit d'abord l'élément 2 avant d'atteindre l'élément 3. Comme l'élément 2 représente plus de la moitié de la résistance totale des éléments 2-4, sa variation relative entraîne une variation relativement importante de la valeur de la résistance totale 2-4. La variation de résistance oR présentée par les éléments 2-4 suit la courbe 11 de la figure 2, où le temps t est porté en abscisse depuis un instant initial TO. A un instant T1, la variation oR se stabilise à une valeur R1 correspondant à un débit 1. Le signe de oR dépend de la nature, positive ou négative, du coefficient de température des matériaux utilisés. Dans le cas d'un flux d'air de même débit mais dans le sens opposé à celui de la flèche 10, la résistance totale ne subit, dans un premier temps, qu'une variation mineure due à la variation de résistance de l'élément chauffant 3, qui est le moins résistif. La courbe 12 alors parcourue présente de ce fait une pente initiale moindre que celle de la courbe 11. Lorsque le flux d'air parvient à l'élément chauffant aval 2, la pente de la courbe 12 s'accentue. La stabilisation à la valeur Rl intervient à un instant T2 postérieur à T1. Le principe de cet exemple de réalisation est donc d'exploiter une différence d'influence de deux thermistances sur la valeur d'une impédance déterminée par ces deux thermistances. Un branchement autre, par exemple en parallèle, des éléments 2, 3 est envisageable. D'une façon générale, on peut choisir, comme élément chauffant d'impédance sensible à la température, tout élément électronique, actif ou passif, pouvant être chauffé, directement ou indirectement. En particulier, ce peut être un élément à impédance complexe sensible à la température et, par exemple, monté dans un pont de mesure alimenté en courant alternatif. Pour les thermistances 2, 3, il aurait pu être prévu deux thermistances, éventuellement de même valeur, présentant des échanges thermiques différents avec le fluide, et par exemple des constantes de temps thermiques différentes. De même, les deux éléments chauffants 2, 3 pourraient être refroidis différemment l'un de l'autre selon le sens de l'écoulement, par exemple du fait d'un échauffement annexe de l'élément chauffant aval (3), produit par exemple par l'élément chauffant amont (2) qui réchauffe l'air incident refroidissant ensuite l'élément chauffant aval (3). De ce fait, chaque élément chauffant 2, 3 aurait, à l'équilibre thermique, une valeur d'impédance parmi deux valeurs possibles, chacune associée à un sens d'écoulement et fournissant ainsi une indication permanente de ce sens. Les courbes 13 et 14 sont homologues respectivement des courbes 11 et 12 pour un débit 02, supérieur à 91, correspondant à une variation R2 de résistance et à des instants respectifs de stabilisation T3 et T4. Ainsi, à chaque débit, caractérisé par la valeur de oR, est associée une paire de courbes 11, 12 ou 13, 14 fournissant le sens d'écoulement du flux d'air. La détermination du sens de l'écoulement peut être effectuée à partir du relevé du temps de stabilisation T1 à T4 ou éventuellement plus tôt, par mesure de la pente de la courbe 11-14 concernée. L'utilisation de zircone évite les pertes thermiques par conduction dans le support et améliore ainsi la précision de la mesure du débit tout en réduisant l'incertitude sur les courbes 11-14.Il peut aussi être utilisé un support, ou substrat, en verrecéramique et plus particulièrement un matériau portant l'appellation de céramique cofrittée haute ou basse température, tel que les produits commercialisés sous les marques protégées GREEN TAPE et TOS de la société DU PONT DE NEMOURS ainsi que TRANSFERT TAPE de la société ESL, ou encore l'alumine, la silice fondue, la mullite et la cordiérite. Ces substrats sont disponibles sous forme de films de faible épaisseur présentant une faible capacité thermique. Dans le second exemple de réalisation, un pont de mesure, représenté sur la figure 3, comporte, près de deux bords opposés d'une plaquette 21 en zircone disposée parallelement à l'écoulement à mesurer, deux thermistances chauffantes 22, 23 qui, dans cet exemple, sont identiques et réalisées en technologie couche épaisse. Des plots 24-27 sont reliés aux extrémités respectives des thermistances 22-23. Chaque thermistance 22-23 se présente sous la forme d'une bande repliée en U, dont les branches sont perpendiculaires à la direction 40 du flux d'air. La zone centrale 39 de la plaquette 21 est séparée des deux zones latérales portant les thermistances 22 et 23 par deux fentes respectives 37 et 38 de découplage thermique. La zone 39 porte une thermistance "froide" 30 de mesure de la température de l'air arrivant et deux autres résistances 31-32 d'un pont de mesure à deux branches. Il est ici prévu une résistance d'ajustement 33 associée, ici en série, avec la résistance 30. Les figures 4 et 5 illustrent respectivement les principes de détection du sens et de mesure du débit d'air. Les thermistances chauffantes 22 et 23, qui servent à établir les deux types de mesures, de sens et de débit, peuvent être associées à des circuits commutateurs, non représentés, pour les connecter alternativement aux deux circuits de mesure des figures respectives 4 et 5, spécifiques à chacun des deux types de mesures. Sur la figure 4, les plots 25 et 27 sont reliés à une alimentation VA, tandis que les plots 24 et 26 sont reliés à des bornes respectives de deux résistances additionnelles 35, 36 mises à la masse par leur autre borne. Les deux ponts diviseurs ainsi constitués ont des rapports de division égaux, c'est-à-dire que, ayant ici choisi des valeurs égales de résistance pour les thermistances 22 et 23, les deux autres résistances 35, 36 du pont de mesure ont aussi des valeurs égales. Les points milieu 24 et 26 des ponts diviseurs présentent donc, à l'équilibre thermique, des potentiels identiques. Dès que le débit d'air change de sens, la thermistance 22 ou 23 en amont du flux d'air réagit la première et déséquilibre temporairement le pont de mesure, jusqu'à ce que l'autre thermistance 23 ou 22 réagisse. Un amplificateur opérationnel 34 d'une électronique de mesure 41 détecte le déséquilibre ci-dessus et fournit alors une impulsion positive ou négative par rapport à sa position de repos, qui peut être mémorisée et qui indique le sens d'écoulement recherché. La figure 5 représente le pont de mesure de la valeur du débit d'air. L'électronique de mesure 41 alimente la thermistance 22 et les deux branches 23, 31 et 30, 33, 32 du pont de mesure. La résistance 33, à sensibilité thermique limitée, compense la dispersion sur le coefficient thermique de la thermistance "froide" 30. En effet, celle-ci, de l'ordre du kilo-ohm, est constituée d'une pâte à valeur ohmique plus élevée que celle de la thermistance chauffante 23, de l'ordre de la dizaine d'ohms, et risque de présenter une caractéristique thermique différente, qui fausserait les mesures dans la plage de températures. L'électronique de mesure 41 relève le déséquilibre entre les points milieu 26 et 42, c' est-à-dire l'échauffement de la thermistance 23 par rapport à celui de la thermistance "froide" 30, et en déduit la valeur du débit du fluide, ici l'air. L'électronique 41 et les résistances 35-36 peuvent être implantées dans la zone 39 de la plaquette 21 pour constituer un débitmètre intégré. Il est à noter que la mesure de la valeur des thermistances peut être effectuée par des circuits de mesure autres qu'un pont de mesure, par exemple par mesure directe de la tension et du courant. REVENDICATIONS 1. Débitmètre de mesure du débit d'un fluide, comportant un élément chauffant (2; 22), d'impédance sensible à la température et agencé pour être mis en contact thermique avec le fluide s'écoulant, et des circuits (41) de mesure de l'impédance de l'élément chauffant (2; 22) agencés pour en déduire, d'après une loi prédéterminée, le débit du fluide, caractérisé par le fait qu'il comporte un autre élément chauffant (3; 23) d'impédance sensible à la température et agencé pour être mis en contact thermique avec le fluide, les deux éléments chauffants (2, 3; 22; 23) étant disposés en aval l'un de l'autre, et que les circuits de mesure (34, 41) sont agencés pour déterminer le sens de l'écoulement du fluide en fonction des variations d'impédance des deux éléments chauffants (2, 3; 22, 23). 2. Débitmètre selon la revendication 1, dans lequel la détermination du sens de l'écoulement s'effectue par comparaison des variations temporelles de l'impédance des deux éléments chauffants (2, 3; 22, 23). 3.. Débitmètre selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel l'un au moins des éléments chauffants (22, 23) est intégré dans un circuit de mesure (22, 23, 35, 36; 23, 30, 31, 32, 33) porté par un support commun (21). 4. Capteur de débit pour le débitmètre selon la revendication 1, comportant un élément chauffant (2; 22), d'impédance sensible à la température et agencé pour être mis en contact thermique avec le fluide dont le débit est à mesurer, caractérisé par le fait qu'il comporte un autre élément chauffant (3; 23) agencé pour être mis en contact thermique avec le fluide, en aval dudit élément chauffant (2; 22). 5. Capteur selon la revendication 4, dans lequel les deux éléments chauffants constituent deux tronçons (2, 3) d'une même résistance. 6. Capteur selon la revendication 5, dans lequel les deux tronçons (2, 3) présentent des valeurs différentes de résistance. 7. Capteur selon l'une des revendications 5 et 6, dans lequel les deux tronçons (2, 3) présentent des coefficients différents d'échange thermique avec le fluide. 8. Capteur selon la revendication 4, dans lequel les deux éléments chauffants sont constitués de deux résistances (22, 23) associées à un pont de mesure (35, 36; 30, 31, 32, 33). 9. Capteur selon l'une des revendications 4 à 8, dans lequel les éléments chauffants (2-4; 22, 23) sont portés par un support en l'un des matériaux de l'ensemble comprenant le verre-céramique, un matériau portant l'appellation de céramique cofrittée haute ou basse température et le zircone (1; 21). 10. Capteur selon l'une des revendications 4 à 9, dans lequel les éléments chauffants (2, 3; 22, 23) sont à base d'une pâte conductrice. 11. Capteur selon l'une des revendications 4 à 10, dans lequel les fentes (7, 8; 37, 38) sont terminées par des découpes circulaires.