Brevet FR2729466A1 — publié le 19960719

L'invention concerne un dispositif de mesure du débit d'un fluide dans un canal pour fluides, comportant au moins un thermocouple, dont les thermojonctions sont disposées l'une derrière l'autre dans le sens d'écoulement du fluide, et sont maintenues, au moyen d'une source de courant alternatif, à une température de travail plus élevée que la température du fluide, et qui est raccordé un circuit de mesure évaluant la tension du thermocouple. Pour mesurer le débit d'un fluide dans un canal pour fluides, on dispose d'une pluralité de procédés physiques de captage, qui se différencient pas leur manipulation, sensibilité, coûts de fabrication, et surtout par leur absence de répercussions sur le système à mesurer. On peut citer, par exemple, la méthode de la pression différentielle, l'appareil de mesure du débit masse de Coriolis, des procédés de mesure de la valeur du tourbillonnement, des procédés de mesure à hélice, à corps flottant, et des procédés de mesure thermique, ainsi des procédés de mesure de débit acoustiques et optiques. Lorsqu'il s'agit de les utiliser dans le domaine médical, des caractéristiques telles que la possibilité de stérilisation, l'encombrement et l'alimentation en énergie du système de mesure jouent un rôle essentiel. Les procédés de mesure thermiques utilisent, comme élément de mesure, le transfert de chaleur à travers le milieu à mesurer, des dispositifs étant utilisés, dans lesquels la source de chaleur et le capteur de température sont prévus séparément. A cet effet, la source de chaleur est maintenue à une température supérieure à la température du fluide, de telle sorte que la modification de température, apparaissant au niveau du capteur situé derrière la source de chaleur, dans le sens d'écoulement, représente un élément de mesure pour la vitesse d'écoulement. On utilise également des capteurs de débit dans lesquels la source de chaleur et le capteur de température sont réunis en un seul élément. Pour l'évaluation, cet élément peut, par exemple par commande de puissance, être maintenu à une température supérieure constante, l'énergie fournie représentant un élément de mesure pour la vitesse d'écoulement. La température peut également être indiquée par mesure de la résistance, la puissance de chauffage étant maintenue constante. Des capteurs de ce type, lorsqu'ils sont réalisés simplement, ne permettent pas de distinguer la direction d'écoulement, et exigent des circuits de compensation, car la valeur réellement mesurée est la faible différence entre des niveaux de signaux élevés. On connaît, en outre, des procédés thermiques de mesure de débit, qui utilisent des thermocouples pour capter le transfert de chaleur. Un dispositif de ce type est connu par le document EP 0 406 244 B1. Les thermojonctions d'un thermocouple sont disposées l'une derrière l'autre, dans le sens de l'écoulement, à l'intérieur d'un canal pour fluides, et, pour l'échauffement à une température de travail supérieure à la température du fluide, sont raccordées à une source de courant alternatif, par l'intermédiaire d'un commutateur commandé. La tension du thermocouple, qui apparaît au niveau de celui-ci lorsqu'il y a écoulement dans le canal pour fluides, est évaluée au moyen d'un circuit de mesure. Pour réaliser une mesure, le thermocouple réchauffé par la source de courant alternatif est séparé de la source de courant alternatif au moyen du commutateur, et la tension du thermocouple est ensuite mesurée, étant alors dépourvue de composantes alternatives. Le dispositif connu présente l'inconvénient que, pour réaliser une mesure, le circuit de la cathode chaude ou incandescente du thermocouple sensible aux perturbations doit être ouvert, ce qui entraîne un refroidissement du thermocouple au cours de la mesure; ceci a pour conséquence, d'une part, que la précision de la mesure de débit est perturbée et que, d'autre part, seule une mesure en discontinu du débit est possible, ce qui entralne une détérioration du rapport signal/bruits. L'invention a pour but de perfectionner un dispositif du type cité de telle sorte qu'il soit possible de réaliser des mesures en continu, avec une grande précision. Ce but est atteint par le fait que le circuit de mesure présente un réseau de circuit, au moyen duquel la source de courant alternatif est reliée, au moins au cours de la phase de mesure, avec le thermocouple, et au moyen duquel les composantes alternatives, superposées à la tension du thermocouple, sont éliminées par soustraction. L'avantage apporté par l'invention réside essentiellement dans le fait que la présence du réseau de circuit intégrant le thermocouple permet d'éliminer les composantes alternatives par soustraction, et un meilleur rapport signal/bruits pour la tension du thermocouple s'établit grâce au processus de mesure en continu. Avantageusement, le réseau de circuit est un pont de Wheatstone alimenté par la source de courant alternatif par l'intermédiaire d'une première diagonale de pont, dans lequel le thermocouple constitue l'une des quatre résistances de pont, et la tension du thermocouple, en tant que tension de diagonale, est prélevée au moyen d'une deuxième diagonale du pont de Wheatstone. A l'aide du pont de Wheatstone, la composante alternative est éliminée de la tension du thermocouple par soustraction. Il est avantageux de combiner le réseau de circuit avec un passe-bas, afin d'éliminer les composantes alternatives éventuellement créées par les capacités de fuite ou les inductances de fuite. De façon avantageuse, la composante alternative sur la tension du thermocouple UT est compensée, au moyen d'un soustracteur monté en aval du thermocouple, avec au moins une première entrée de signal et une deuxième entrée de signal. A cet effet, le thermocouple raccordé à la source de courant alternatif est relié avec la première entrée de signal, o règne alors la tension du thermocouple UT superposée à la tension alternative. On envoit à la deuxième entrée de signal un signal de tension alternative, qui est déphasé de 180 degrés par rapport & la tension alternative régnant au niveau de la première entrée de signal, et qui correspond, en amplitude et en fréquence, à la tension régnant au niveau de la première entrée de signal. Du fait de la superposition des composantes alternatives au niveau du soustracteur, la tension du thermocouple UT dépourvue de tensions parasites règne au niveau de la sortie de signal du soustracteur. La variable pour le réglage de l'amplitude du signal de tension alternative au niveau de la deuxième entrée de signal est formée, par redressement sensible aux phases, à partir de la composante alternative superposée à la tension du thermocouple UT. Le but de l'invention est également atteint par le fait que la source de courant alternatif, au moins au cours de la phase de mesure, est raccordée au thermocouple, et qu'un passe-bas est monté en aval du thermocouple, au moyen duquel la tension alternative superposée à la tension du thermocouple est éliminée. Un exemple d'exécution de l'invention est représenté sur le dessin et va maintenant être expliqué en détail. La figure 1 représente un thermocouple à l'intérieur d'un canal pour fluides, la figure 2 représente un thermocouple à l'intérieur d'un premier circuit de mesure, la figure 3 représente un thermocouple à l'intérieur d'un deuxième circuit de mesure, la figure 4 représente un thermocouple à l'intérieur d'un troisième circuit de mesure, la figure 5 représente un thermocouple disposé en zigzag sur un support pelliculaire. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un canal pour fluides (1) qui est traversé par un fluide s'écoulant dans le sens d'une flèche (2). Dans un rétrécissement (3) du canal pour fluides (1) est monté un thermocouple (4), dont la première thermojonction (5) et la deuxième thermojonction (6) sont montées l'une derrière l'autre, dans le sens de la flèche (2). Le thermocouple (4) est contacté par des fils d'alimentation (7). En fonction de la direction d'écoulement à l'intérieur du canal pour fluides (1), comme représenté par les directions de la flèche (2), le fluide atteint d'abord la première thermojonction (5) et ensuite la deuxième thermojonction (6), ou il atteint d'abord la deuxième thermojonction (6), et ensuite la première thermojonction (5). La figure 2 représente un premier circuit de mesure (8) destiné au thermocouple (4) réchauffé par une source de courant alternatif (9) à une température de travail supérieure à la température du fluide. Dans le premier circuit de mesure (8) sont montés en série un pont de Wheatstone (10), un amplificateur différentiel (11), un passe-bas (12), un amplificateur de mesure (13), un circuit de correction (14) et une unité d'affichage (15). Entre une première diagonale de pont (16) du pont de Wheatstone (10), qui est reliée à la source de courant alternatif (9), sont montées en série une première résistance fixe (17), avec le thermocouple (4), figure 1, et en parallèle une deuxième résistance fixe (18) avec une résistance de réglage (19) complexe. La deuxième diagonale de pont (20) est reliée avec l'entrée de l'amplificateur différenciateur (11). La fréquence limite du passe-bas (12) monté en aval de l'amplificateur différenciateur (11) est sélectionnée de telle sorte que les composantes alternatives, qui sont éventuellement encore présentes au niveau de la deuxième diagonale de pont (20), soient éliminées. Les non-linéarités du premier circuit de mesure (8) sont compensées au moyen du circuit de correction (14). Le fonctionnement du premier circuit de mesure (8) va maintenant être expliqué. Le thermocouple (4) se trouvant à l'intérieur du canal pour fluides (1) est chauffé à la température de travail au moyen de la source de courant alternatif (9). Les deux thermojonctions (5, 6) du thermocouple (4) passent, dans ce cas, à la même température, dans la mesure o l'écoulement de fluide est interrompu. La résistance de réglage (19) complexe du pont de Wheatstone (10) est équilibrée de telle sorte qu'aucune composante alternative n'apparaisse plus au niveau de la deuxième diagonale de pont (20). Si le canal pour fluides (1) est alors exposé au fluide en écoulement, les thermojonctions (5, 6) seront refroidies avec une intensité différente, en fonction de la direction d'écoulement et, au niveau de la deuxième diagonale de pont (20), la tension du thermocouple UT, qui est créée par le thermocouple (4) et amplifiée dans l'amplificateur différenciateur (11), baisse. Du fait de l'équilibrage du pont de Wheatstone (10) préalablement réalisé, les composantes alternatives présentes sur la tension du thermocouple UT sont éliminées par soustraction. Les composantes alternatives qui pourraient être encore présentes, et qui sont engendrées par les inductances de fuites ou les capacités de conduite, sont éliminées par le passe-bas (12). La figure 3 représente le thermocouple (4) à l'intérieur d'un deuxième circuit de mesure (21). Les mêmes composants sont désignés par les mêmes références qu'à la figure 2. La différence par rapport au premier circuit de mesure (8) réside dans le fait que le thermocouple (4), par l'intermédiaire de la résistance fixe (17), est relié directement à la source de courant alternatif (9), et que l'ensemble des composantes alternatives présentes sur le thermocouple (4) sont filtrées par le passe-bas (12). La figure 4 est une représentation schématique d'un troisième circuit de mesure (23) destiné au thermocouple (4), dans lequel une varible est déterminée, par redressement sensible aux phases, à partir de la tension alternative superposée à la tension du thermocouple UT. La tension du thermocouple UT superposée à la tension alternative est envoyée, par une première entrée de signal (24), à un soustracteur (25), et une deuxième entrée de signal (26) du soustracteur (25) est reliée à la source de courant alternatif (9), par l'intermédiaire d'un amplificateur (27) à facteur d'amplification réglable. Le signe moins, au niveau de la deuxième entrée de signal (26), signifie qu'un décalage de phases du signal de tension alternative s'opère à l'intérieur de l'amplificateur (27), selon l'angle PI. Le signal de sortie de l'amplificateur de blocage (28) est converti en variable influençant le facteur d'amplification de l'amplificateur (27), dans un intégrateur (29) situé en aval de l'amplificateur de blocage (28). La variable dépend essentiellement de l'amplitude de la composante alternative à la sortie du soustracteur (25) ou à la sortie de l'amplificateur différenciateur (11). Lorsque la composante alternative est totalement compensée dans le soustracteur (25), le signal de sortie de l'amplificateur de blocage (28) affiche la valeur zéro et la variable du facteur d'amplification de l'amplificateur (27) reste inchangée. La résistance fixe (17) raccordée à la source de courant alternatif (9), le soustracteur (25), l'amplificateur différentiateur (11), l'amplificateur de blocage (28), l'intégrateur (29) et l'amplificateur (27) constituent, ensemble, un réseau de circuit (101). Les références (11, 13, 14, 15) de la figure 4 correspondent à celles de la figure 2. La compensation de la composante alternative réalisée au moyen du troisième circuit de mesure (23) permet d'obtenir un rapport signal/bruits encore meilleur pour la tension du thermocouple UT. Selon une autre possibilité de disposition du thermocouple (4) dans le canal pour fluides (1), une pluralité de thermocouples sont disposés sur un support (22) plat de façon à obtenir la structure en zigzag représentée à la figure 5. La répartition adaptée des thermocouples sur la section d'écoulement permet de tenir compte du profil d'écoulement qui varie en fonction du débit. Revendications 1. Dispositif de mesure du débit d'un fluide dans un canal pour fluides (1), comportant au moins un thermocouple (4), dont les thermojonctions (5, 6) sont disposées l'une derrière l'autre dans le sens d'écoulement du fluide, et sont maintenues, au moyen d'une source de courant alternatif (9), à une température de travail plus élevée que la température du fluide, et qui est raccordé a un circuit de mesure (8, 21, 23) évaluant la tension du thermocouple UT, caractérisé en ce que le circuit de mesure présente un réseau de circuit (10, 101), au moyen duquel la source de courant alternatif (9)est reliée, au moins au cours de la phase de mesure, avec le thermocouple (4), et au moyen duquel les composantes alternatives, superposées a la tension du thermocouple UT, sont éliminées par soustraction. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau de circuit est un pont de Wheatstone (10) alimenté par la source de courant alternatif (9) par l'intermédiaire d'une première diagonale de pont (16), dans lequel le thermocouple (4) est connecté avec le pont de Wheatstone (10) conjointement à des résistances de pont (17, 18, 19), et la tension du thermocouple UT, en tant que tension de diagonale, est prélevée au moyen d'une deuxième diagonale (20) du pont de Wheatstone (10). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un passe-bas (12) est monté en aval du réseau de circuit (10). 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que le réseau de circuit (101) présente au moins un soustracteur (25) possédant au moins une première entrée de signal (24) et une deuxième entrée de signal (26), en ce que le thermocouple (4), raccordé à la source de tension alternative (9), au niveau duquel règne la tension du thermocouple UT superposée à la tension alternative, est relié à la première entrée de signal (24), et en ce qu'est envoyé, à la deuxième entree de signal (26), un signal de tension alternative, qui est déphasé de 180 degrés par rapport à la tension alternative de la source de courant alternatif (9), et qui correspond, en amplitude et en fréquence, à la composante alternative superposée à la tension du thermocouple UT. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une variable pour le réglage de l'amplitude du signal de tension alternative au niveau de la deuxième entrée de signal (26) est formée, par redressement sensible aux phases de la composante alternative superposée à la tension du thermocouple UT. 6. Dispositif de mesure du débit d'un fluide dans un canal pour fluides (1), comportant au moins un thermocouple (4), dont les thermojonctions (5, 6) sont disposées l'une derrière l'autre dans le sens d'écoulement du fluide, et sont maintenues, au moyen d'une source de courant alternatif (9), à une température de travail plus élevée que la température du fluide, et qui est raccordé à un circuit de mesure (8, 21) évaluant la tension du thermocouple UT, caractérisé en ce que la source de courant alternatif (9), au moins au cours de la phase de mesure, est raccordée au thermocouple (4), et en ce qu'un passe- bas (12) est prévu en aval du thermocouple (4), au moyen duquel la tension alternative superposée à la tension du thermocouple UTest éliminée.