Brevet FR2746180A1 — publié le 19970919

Etat de la technique L'invention concerne un dispositif pour déterminer le débit d'un agent en écoulement, par exemple de la masse d'air aspirée par un moteur à combustion interne, avec un subs- trat exposé au fluide en écoulement, sur lequel est disposé un premier dispositif de résistance, qui est un composant d'un circuit de réglage du chauffage, avec au moins une résistance pouvant être portée à une température supérieure prédéfinie et avec un deuxième dispositif de résistance qui est branché sous la forme d'un pont avec une diagonale se trouvant entre une tension d'alimentation et la masse et au moins deux résistances fonction de la température qui sont disposées au-dessus et au- dessous de la résistance de chauffage par rapport au sens d'écoulement de l'agent à détecter, de telle sorte qu'elles sont chauffées régulièrement par celle-ci, alors qu'elles sont refroidies de façon fortement différente par le fluide en écou- lement et que la tension de mesure qui s'établit par suite de la différence de température est exploitée sur l'autre diago- nale du pont pour déterminer le débit On connaît, par exemple par le document DE-OS- 43 24 040 des détecteurs ainsi que des circuits d'exploitation correspondant avec lesquels on peut déterminer le débit d'un fluide en écoulement. Dans le cas de tels détecteurs de masse connus, l'élément de détection est exposé à l'agent en écoule- ment, par exemple un flux d'air dans le tuyau d'admission d'un moteur à combustion interne. L'élément de détection comprend dans ce cas un dispositif de chauffage qui grâce à l'alimentation d'un courant réglé est mis à une température su- périeure à celle de l'agent à déterminer. On associe à ce dis- positif de chauffage un capteur de la température du dispositif de chauffage, ainsi qu'un capteur de température qui détecte la température du fluide en écoulement. Dans l'espace proche des dispositifs de chauffage se trouvent au moins deux résistances variant en fonction de la température, qui se trouvent respec- tivement sur un côté du dispositif de chauffage par rapport au sens de l'écoulement du fluide à détecter et sont régulièrement échauffés par le dispositif de chauffage. Les résistances sont toutefois refroidies de façon différemment forte par le fluide en écoulement, car la résistance qui est d'abord balayée par le fluide en écoulement est plus fortement refroidie que l'autre résistance. Comme les deux résistances sont les parties consti- tuantes d'un pont de mesure, la différence de température pro- duit une tension de mesure sur une diagonale du pont. En fonction de cette tension de mesure on peut déterminer la masse du fluide en écoulement. Dans la demande de brevet allemande, non publiée antérieurement, DE-P-19 542 143 il est décrit un complément au dispositif connu par le document DE-OS-43 24 040 servant à dé- terminer le débit d'un fluide en écoulement, qui présente un comportement amélioré à la température. Le complément du dispo- sitif initialement connu comprend un autre circuit de résistan- ces an pont, qui permet d'avoir un tarage à haute température. Avantages de l'invention Le dispositif selon l'invention qui sert à détermi- ner le débit d'un fluide en écoulement est caractérisé en ce que la tension de mesure est amenée à un circuit de conversion fréquence- tension dont la fréquence est une mesure du fluide en écoulement. Le dispositif a par rapport à l'état de la techni- que l'avantage que le signal de sorties présente une fréquence qui est fonction du fluide en écoulement. On obtient cet avan- tage en complétant un dispositif connu servant à déterminer le débit d'un fluide en écoulement par un circuit de conversion fréquence-tension, auquel on amène le signal de mesure. Il est particulièrement avantageux que le dispositif connu servant à déterminer le débit d'un fluide en écoulement puisse être con- servé et que le circuit correspondant doit être uniquement com- plété par une autre partie de circuit. Un avantage réside dans le fait que l'on peut réa- liser un tarage à haute température, en pouvant le rendre indé- pendant de la conversion fréquence-tension. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - on a un étage de tarage à haute température (HTA), qui com- prend un troisième agencement de résistances avec au moins un potentiomètre, qui se trouve dans la branche transversale du pont et peut-être réglé de façon variable, - la tension dans la diagonale du troisième agencement de ré- sistance et la tension de mesure sont superposées l'une à l'autre pour produire le signal de sortie compensé en tempé- rature, - l'étage de conversion fréquence-tension comprend au moins un intégrateur branché comme amplificateur opérationnel (OP4) et un comparateur (KP1) avec au moins deux seuils de branchement S1, S2, qui forment en commun un système capable d'osciller, - la sortie du comparateur (KP1) conduit à un raccordement (FA), sur lequel on peut prélever le signal de sortie dont la fréquence est fonction de la masse de l'écoulement, - les entrées non inversantes de l'amplificateur opérationnel (OP4) et du comparateur (KP1) se trouvent au potentiel fixe prédéfini par le circuit de chauffage, - l'étage de tarage à haute température (HTA) est constitué comme source d'intensité, qui amène à l'intégrateur une in- tensité additionnelle, - le dimensionnement du circuit est réalisé d'une façon telle que l'intensité de charge de l'intégrateur est sensiblement plus grande que l'intensité de décharge, - le dimensionnement de l'étage de tarage à haute température est réalisé de telle façon que la résistance R13 via laquelle est amenée l'intensité à l'intégrateur, est sans courant à la température ambiante. L'invention va être décrite ci-après plus en détail à partir d'un exemple de réalisation représenté sur la figure unique. Description de l'exemple de réalisation Sur la figure on a représenté le circuit d'un des dispositif selon l'invention servant à déterminer le débit d'un fluide en écoulement, l'ensemble du descriptif se trouvant par exemple sur un substrat 10, et étant exposé d'une manière ap- propriée au fluide à déterminer, par exemple au flux d'air dans le tuyau à combustion interne. Le circuit de réglage du chauffage HK comprend un montage en pont avec les résistances Rl, R2, R3, RHF et RLF, RHF étant le capteur de la température du dispositif de chauf- fage et RLF étant le capteur de la température de l'air ou du fluide et la valeur de ces résistances étant fonction de la température. Le pont de résistances du circuit de réglage du chauffage HK est alimenté à l'aide d'une source de tension SQ par une tension UK. Il se trouve entre la source de tension SQ et la masse. L'intensité délivrée par la source de tension SQ est désignée par Il. Le chauffage à lieu à l'aide de la résistance de chauffage RH qui se trouve sur le trajet émetteur-collecteur d'un transistor Til ainsi que sur une résistance R0l à la ten- sion de la batterie UB. Pour stabiliser la tension il y a entre le raccord de la résistance R10 qui est loin de la batterie et la messe une diode Zener Dl; le cas échéant il peut y avoir des condensateurs Cl et C2 entre la résistance R10 et la masse. Le raccord de la résistance de chauffage RH qui est loin de la batterie, est relié par l'intermédiaire d'une résistance R5 à la masse. Alors que la première diagonale du montage en pont du circuit de chauffage se trouve entre la source de tension SQ avec la tension de sortie UK et la masse, la seconde diagonale du pont est reliée aux deux entrées d'un amplificateur opéra- tionnel OPl, dont la sortie commande la base du transistor Tl. Entre l'entrée inversante de l'amplificateur opérationnel OPl et la résistance de chauffage RH ou l'émetteur du transistor Tl se trouve encore une résistance R4. Entre les deux entrées de l'amplificateur opérationnel OPl et la masse il y a le cas échéant des condensateurs C5 et C6. Le circuit de mesure proprement dit est un montage de résistances en pont désigné comme pont de différence de tem- pérature DT (montage en pont AT) avec les résistances RAB1, RAB2, RAUl, RAU2 et RP. Ces résistances sont des résistances qui sont fonction de la température, et qui se trouvent égale- ment comme la résistance de chauffage RHF à une température su- périeure, sont représentées dans le circuit en trait plein, les résistances qui se trouvent à une température inférieure sont hachurées. Les résistances RABl et RAB2 sont disposées, par rapport au sens de l'écoulement du fluide à détecter, en aval de la résistance de chauffage RH, les résistances RAUl et RAU2 sont par contre en amont. Dans une autre configuration de l'invention on pourrait aussi seulement insérer respectivement une résistance en amont et une résistance en aval de la résis- tance de chauffage, par rapport au sens de l'écoulement. Le pont de résistance du circuit AT,DT se trouve entre l'étape de tarage à haute température HTA et la masse. Pour alimenter le pont de résistance on fait passer une inten- sité I2 de l'étape de tarage à haute température HTA à la dia- gonale d'alimentation des ponts de résistance. L'autre diagonale du pont de résistance est en liaison avec l'amplificateur OP2 conduisant au raccordement du curseur d'un potentiomètre Pi qui se trouve en parallèle par rapport à la résistance RP du pont de mesure. Entre les deux entrées de l'amplificateur OP2 et la masse il peut y avoir des condensa- teurs C7, C8. L'amplificateur OP2 est un amplificateur avec une amplification réglable, le tarage numérique de l'amplification est réalisé à l'aide du bloc VA, qui présente trois raccorde- ments PR, DA, TA au moyen desquels sont amenés par un disposi- tif d'exploitation externe les signaux de commande nécessaires. Ces signaux de commande peuvent comprendre des programmes, des données ou des signaux de synchronisation. Le tarage numérique de l'amplification a lieu par exemple en influençant la résis- tance de rétroaction RV de l'amplificateur OP2. A la sortie de l'amplificateur OP2 on crée la tension de mesure UM qui est amenée au convertisseur fréquence-tension UFW. Le convertisseur fréquence-tension UFW comprend se- lon l'exemple de réalisation représenté le tarage à température élevée HTA et une zone du circuit désignée par UFW1, qui sera décrite plus en détail dans la suite. Aussi bien l'étage de tarage à haute température HTA que la zone UFWl du circuit de convertisseur fréquence- tension aussi est relié à la diagonale d'alimentation du pont AT, Dt. La liaison commune est un composant de la branche de rétroaction d'un amplificateur opérationnel OP3, or l'entrée non inversante duquel est amené par une résistance R4 la ten- sion UK. La tension UK est en outre amenée encore à l'amplificateur opérationnel OP2, elle est désignée dans ce cas comme la tension UM 0. L'étape de tarage à haute température HTA comprend les résistances Rll, R12 et les résistances fonction de la tem- pérature, R15, R16, qui se trouvent à la température supé- rieure. Les résistances mentionnées sont branchées en pont l'un des côtés du pont se trouvant à la masse. Dans la diagonale de mesure de l'étage de tarage à haute température HTA se trouve un potentiomètre P2, au moyen de la borne centrale duquel peut être prélevée une tension de tarage UA. Cette tension UA est amenée par la résistance R13 au diviseur de tension R6, R7 et superposée dans ce cas à la tension de mesure UM. La tension UA dirigée par la résistance R13 de l'étape de tarage à haute température HTA est amenée à l'entrée inversante de l'amplificateur opérationnel OP4 dont la sortie est conduite par les résistances R8, R9 à la sortie de tout le circuit. L'entrée non inversante de l'amplificateur opération- nel OP4 est reliée à l'entrée non inversante de l'amplificateur opérationnel OP1 du circuit de réglage du chauffage HK et con- duit en outre à l'entrée non inversante d'un comparateur KP1. L'entrée non inversante du comparateur KP1 est en liaison par la résistance R8 à la sortie de l'amplificateur opérationnel OP4. Entre la sortie de l'amplificateur opérationnel OP4 et la résistance R13 se trouve un condensateur C4. En outre on peut encore brancher entre la sortie de l'amplificateur opérationnel OP4 et la masse un condensateur C9 et en parallèle à celui-ci une résistance Rll. Le convertisseur fréquence-tension est com- plété par les deux résistances R17 et R18, qui se trouvent en- tre la sortie A du circuit et la sortie du comparateur KP1. A la sortie A se produit la tension UFA, dont la fréquence FA est fonction du flux de l'agent. Le cas échéant il peut y avoir un autre condensateur C3 entre la sortie A et la masse. Le raccor- dement à la masse de tout le circuit est désigné de la manière habituelle par GND. Une partie du circuit, qui est désignée par IC1 peut être réalisé dans sa totalité sous la forme d'un cir- cuit intégré. Description du convertisseur fréquence-tension La partie du circuit, qui est désignée par UFW, constitue le convertisseur fréquence-tension proprement dit. Dans ce cas, le pont de tarage à haute température HTA ne sert en même temps que la résistance R13 qu'à la correction du com- portement de la température. L'amplificateur opérationnel OP4 est branché comme intégrateur et forme en même temps que le comparateur KPl un système qui peut osciller. L'entrée non in- versante de l'amplificateur opérationnel OP4 ou de l'entrée in- versante du comparateur KPl, qui sont directement liés l'un à l'autre, se trouve au potentiel fixe, que est prédéfinie par le circuit du réglage de chauffage HK. Le potentiel se trouve de cette façon aussi bien sur l'entrée non inversante de10 l'amplificateur opérationnel OP1 comme aussi au point de liai- son entre les résistances R2 et RLF, qui constitue un point de la diagonale de mesure du circuit de réglage du chauffage. Ce potentiel est désigné par U+. Avec les divisions de tension représentées on ob- tient l'intensité de décharge IE selon l'équation: IE = (U+ -UM)/R6 Cette intensité passe constamment. L'intensité de charge IA, qui n'existe que pendant la phase de charge, est alimentée par l'intermédiaire de la résistance R7. L'intensité de charge IA passe seulement, quand la sortie du comparateur se trouve sur " haut ". Pour l'intensité de charge IA, on a: IA = UREF/(R7 + R17//Rl8) Quand le signal de sortie du comparateur KP1 est " bas ", on règle le potentiel au point de liaison entre les résistances R17, R18 et R7 sur U+ . De cette façon la résistance R7 devient sans courant. Les seuils de conversion du comparateur KP1 sont fixés par la tension U+ ainsi que par les résistances R8 et R9. Dans ce cas on a pour le premier seuil: Si = (R8 + R9)/R9. U+ ou R8/(R8 + R9). S2 = U+ De cette façon on a pour le second seuil: S2 = U+ -R8/R9. (UREF -U+) Sur le comparateur KP1 on a en conséquence une os- cillation triangulaire, que traverse l'amplitude AU = S1 -S2. Lors de la charge on a en conséquence la relation: (IA -IE). TA/C4 = AU De façon correspondante on a lors de la décharge: IE. TE/C4 = AU TA désignant le temps de charge et TE le temps de décharge si les deux derniers équations sont satisfaisantes, on peut obtenir une relation pour la fréquence de sortie FA. On a: IA. TA = IE. (TA + TE) = IE/FA Pour la fréquence de sortie FA on a de cette façon l'équation suivante: FA = 1/TA. IE/IA Par un dimensionnement approprié du circuit repré- senté à la figure, on a l'assurance que l'intensité de charge IA est sensiblement plus grande que celle de décharge IE. Pour le temps de charge TA on a de cette façon: TA = AU.C4/(IA-IE) AU. C4/IA Si l'on entre TA dans l'équation présentée ci- dessus, on a alors: FA = IE C4.AU Si l'on insère dans l'équation ci-dessus l'intensité IE' on a pour la fréquence de sortie l'équation suivante: 1 U + -Um FA = - R6C4 AU Comme la différence de tension AU est constante et le produit de la résistance R6 par la capacité C4 est également constant et égal au temps TM, on a pour la fréquence de sortie FA: FA = 1/TM. (U+ - Um)/AU = f(Um) Le signe de la tension UM est négatif. De cette fa- çon la fréquence de sortie croit avec l'augmentation de la masse d'air; elle est inversée sur l'amplificateur OP2 à l'aide de l'amplificateur opérationnel OP3. Le tarage à haute température arrive sur l'intégrateur comme source additionnelle de courant. Dans le cas de la température ambiante la résis- tance R13 est au fait du dimensionnement sans courant, dans le cas des autres températures on peut en faisant coulisser le curseur au potentiomètre sur le potentiomètre P2 obtenir une compensation, une telles compensation n'ayant pas de rétroac- tion sur le comportement à la température ambiante. On peut réaliser le circuit représenté sur la fi- gure le cas échéant aussi sans étage de tarage à haute tempéra- ture HTH des adaptations correspondantes du circuit étant alors nécessaires. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Dispositif pour déterminer le débit d'un fluide en écoule- ment avec un substrat (10) exposé au fluide en écoulement, sur lequel est disposé un premier dispositif de résistance, qui est un composant d'un circuit de réglage du chauffage, avec au moins une résistance pouvant être portée à une température su- périeure prédéfinie et avec un deuxième dispositif de résis- tance qui est branché sous la forme d'un pont avec une diagonale se trouvant entre une tension d'alimentation et la masse et au moins deux résistances fonction de la température qui sont disposées au-dessus et au-dessous de la résistance de chauffage par rapport au sens d'écoulement de l'agent à détec- ter, de telle sorte qu'elles sont chauffées régulièrement par celle-ci, alors qu'elles sont refroidies de façon fortement différente par le fluide en écoulement et que la tension de me- sure qui s'établit par suite de la différence de température est exploitée sur l'autre diagonale du pont pour déterminer le débit, caractérisé en ce que la tension de mesure est amenée à un circuit de conversion fré- quence-tension (UFW)dont la fréquence est une mesure du fluide en écoulement. 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on a un étage de tarage à haute température (HTA), qui com- prend un troisième agencement de résistances avec au moins un potentiomètre, qui se trouve dans la branche transversale du pont et peut-être réglé de façon variable. 3 ) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tension dans la diagonale du troisième agencement de résis- tance et la tension de mesure sont superposées l'une à l'autre pour produire le signal de sortie compensé en température. 4 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, ]11 caractérisé en ce que l'étage de conversion fréquence- tension comprend au moins un intégrateur branché comme amplificateur opérationnel (OP4) et un comparateur (KP1) avec au moins deux seuils de branchement Sl, S2, qui forment en commun un système capable d'osciller. ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la sortie du comparateur (KP1) conduit à un raccordement (FA), sur lequel on peut prélever le signal de sortie dont la fré- quence est fonction de la masse de l'écoulement. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que les entrées non inversantes de l'amplificateur opérationnel (OP4) et du comparateur (KP1) se trouvent au potentiel fixe prédéfini par le circuit de chauffage. 7 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que l'étage de tarage à haute température (HTA) est constitué comme source d'intensité, qui amène à l'intégrateur une intensité ad- ditionnelle. 8 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le dimensionnement du circuit est réalisé d'une façon telle que l'intensité de charge de l'intégrateur est sensiblement plus grande que l'intensité de décharge. 9 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le dimensionnement de l'étage de tarage à haute température est réalisé de telle façon que la résistance R13 via laquelle est amenée l'intensité à l'intégrateur, est sans courant à la tem- pérature ambiante.