Brevet FR3024226A1 — publié le 20160129

PROCEDE ET SYSTEME DE DETECTION DE GIVRE DOMAINE DE L'INVENTION L'invention a trait à la détection d'une couche de glace, notamment de givre, sur une surface, et plus particulièrement la détection de givre par analyse de la réponse thermique d'un système en fonction d'un apport de chaleur. ETAT DE LA TECHNIQUE Suivant la nature de la surface considérée, les effets d'un dépôt de givre sur celle-ci peuvent aller de la simple dégradation du fonctionnement d'un appareil à la mise en danger de personne. Par exemple, le dépôt de givre sur un évaporateur de pompe à chaleur entraine une surconsommation électrique importante, alors que le dépôt de givre sur une aile d'avion ou sur une route pose des problèmes de sécurité. De nombreux procédés de détection de givre ont été développés dans l'état de la technique. Parmi ceux-ci, on distingue les procédés analysant une réponse thermique d'un système au contact d'une surface sur laquelle du givre est susceptible de se déposer. Un procédé de détection de givre de ce type est par exemple décrit dans le document US 6 328 467. Dans ce document, un élément résistif au contact de la surface est chauffé par effet Joule en injectant du courant dans celui-ci à une température inférieure à la température de fusion du givre. La température de l'élément résistif est mesurée pendant la relaxation thermique de l'élément et comparée à une courbe de référence pour déterminer la présence ou l'absence de givre sur ladite surface. Un tel procédé nécessite cependant de connaître les propriétés thermiques de la surface, ce qui suppose donc un réglage particulier du procédé pour chaque type de surface, et donc un champ d'application très limité du procédé. D'une manière générale, les procédés de l'état de la technique nécessitent de connaître les propriétés de la surface et/ou les propriétés de l'environnement de la surface pour détecter le givre. EXPOSE DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de proposer un procédé et un système de détection d'une couche de glace, notamment de givre, qui permettent la détection de glace sur une surface sans connaissance a priori sur les propriétés de ladite surface ou de son environnement. 3024226 2 A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de détection d'une couche de glace, notamment de givre, sur une surface, comprenant le chauffage d'un élément placé au contact de la surface, la mesure d'une grandeur dépendante de la température de l'élément, et la détection de glace sur la surface en fonction de ladite mesure. 5 Selon l'invention, le procédé comporte : le chauffage de l'élément est réalisé de manière à porter celui-ci à une température strictement supérieure à la température de fusion de la glace pendant une durée prédéterminée ; 10 la mesure de la grandeur dépendante de la température est réalisée pendant le chauffage de l'élément ; et la détection de la présence de glace comprend : ^ la détermination d'un écart entre ladite grandeur mesurée pendant le chauffage de l'élément et une fonction de croissance exponentielle ; 15 - la détection de glace sur la surface si l'écart déterminé est supérieur à un seuil de détection prédéterminé. En d'autres termes, la réponse thermique de l'élément pendant son chauffage varie selon qu'il y ait ou non de la glace sur la surface, variation qui peut être caractérisée de manière 20 indépendante des propriétés thermiques de la surface ou de son environnement. Notamment, si de la glace est présente, sa fusion absorbe de l'énergie thermique, ce qui modifie la cinétique de la montée en température de l'élément par rapport à la cinétique de celui-ci en absence de glace. Plus particulièrement, l'évolution de la température de l'élément est régie par l'équation de Laplace et le type d'évolution de cette température 25 est déterminé par la condition à la limite de l'élément et donc à la condition à la surface pouvant être verglacée. S'il y a absence de glace, la condition à la limite est de type « diffusive », auquel cas, la température de l'élément présente une évolution sensiblement exponentielle. Au 30 contraire, s'il y a présence de glace, la condition à la limite de l'élément est de type « Dirichlet », qui fixe sensiblement la température de la surface, et donc de l'élément, à la température de fusion de la glace. La température de l'élément est donc sensiblement stabilisée pendant la durée de fusion de la glace. C'est ce changement de comportement de la température de l'élément pendant la fusion de la glace qui permet de déterminer la 35 présence ou l'absence de glace. 3024226 3 L'invention consiste ainsi à déterminer si l'évolution de la température de l'élément pendant son échauffement est de type exponentielle ou non, et cette comparaison ne nécessite aucune information a priori sur la surface ou son environnement. 5 Selon un mode de réalisation de l'invention, la détermination de l'écart comporte le calcul d'un paramètre de linéarité de ladite grandeur mesuré dans un repère temporel logarithmique, ledit écart étant égal audit paramètre ou calculé en fonction dudit paramètre. Notamment, il comporte le calcul d'un estimateur des moindres carrées ordinaire, la variable expliquée étant ladite grandeur mesurée, la variable explicative étant 10 un logarithme du temps, et le paramètre est égal à 1 - rx3,2, où r)', est le coefficient de corrélation linéaire d'un estimateur des moindres carrés ordinaire ayant pour variable expliquée ladite grandeur mesurée et pour variable explicative le logarithme du temps. La transformation du temps t en log(t), permet ainsi de caractériser de manière simple et rapide le profil de l'évolution de la température, ou de la grandeur mesurée associée. 15 Selon un mode de réalisation, l'élément est un élément résistif apte à s'échauffer par effet Joule sous l'effet d'un courant électrique le parcourant, et le chauffage de l'élément comporte l'injection d'un courant électrique dans l'élément, notamment un créneau de courant. Notamment, la mesure de la grandeur dépendant de la température de l'élément 20 comprend la mesure d'une tension électrique entre deux bornes de l'élément résistif. Plus particulièrement, la mesure de la grandeur dépendant de la température de l'élément comprend le calcul de la résistance électrique de l'élément résistif en fonction de la tension mesurée et d'une mesure du courant injectée dans l'élément résistif ou d'un profil de courant électrique injecté prédéterminé. 25 Selon un mode de réalisation, le chauffage est réalisé à puissance thermique constante. Notamment : - l'élément est un élément résistif apte à s'échauffer par effet Joule sous l'effet d'un 30 courant électrique le parcourant, et le chauffage de l'élément comporte l'injection d'un courant électrique dans l'élément résistif de manière à garder sensiblement constant ; - et en ce que le procédé comporte la commande du courant injecté dans l'élément résistif de manière à garder sensiblement constant le produit U x / de la tension U de 35 l'élément résistif par le courant / injecté dans celui-ci. 3024226 4 L'invention a également pour objet un système de détection de glace, notamment de givre, sur une surface, comprenant un élément résistif au contact de la surface et apte à s'échauffer par effet Joule sous l'effet d'un courant le traversant, un générateur de courant pour alimenter l'élément résistif en courant électrique, un capteur apte à mesurer 5 une grandeur dépendant de la température de l'élément résistif, et une unité de calcul apte à déterminer la présence de glace sur la surface en fonction de la mesure délivrée par le capteur. Selon l'invention : 10 - le générateur de courant est apte à injecter un courant dans l'élément résistif de manière à porter celui-ci à une température strictement supérieure à la température de fusion de la glace pendant une durée prédéterminée ; - le capteur est apte à mesurer la grandeur dépendante de la température pendant le chauffage de l'élément résistif ; 15 - et l'unité de calcul est apte : ^ à déterminer un écart entre ladite grandeur mesurée pendant le chauffage de l'élément et une fonction de croissance exponentielle ; et ^ à détecter de la glace sur la surface si l'écart déterminé est supérieur à un seuil de détection prédéterminé. 20 Ce système est notamment apte à mettre en oeuvre le procédé du type précité. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES 25 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments structurellement identiques et/ou fonctionnellement identiques, et dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un système selon l'invention ; 30 - les figures 2A, 2Bet 2C sont des vues schématiques en coupe illustrant des variantes du système avec support et sans support pour un élément chauffant du système de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique de dessus d'un mode de réalisation de l'élément chauffant du système de la figure 1 ; 35 - la figure 4 est un organigramme d'un procédé de détection selon l'invention ; et - les figures 5A, 5B, 5Cet5D sont des courbes illustrant un profil de montée en température de l'élément chauffant en l'absence de givre et en présence de givre, dans le repère temporel et dans un repère temporel logarithmique. 3024226 5 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En se référant à la figure 1, un système 10 selon l'invention comporte : - un élément résistif 12 apte à s'échauffer sous l'effet d'un courant le parcourant, 5 comprenant notamment une partie résistive et une partie formant sonde de température, ou thermistor, pour mesurer la température de la partie résistive, fixé sur une première face 14 d'un support 16, dont une seconde face 18, opposée à la première face 14, est susceptible d'être couverte de glace, notamment de givre, et - un dispositif 20 connecté à l'élément résistif pour la mise en oeuvre d'un procédé de 10 détection de glace sur la face 18 du support 16. La seconde face 18 est par exemple destinée à être exposée à un écoulement d'air humide de refroidissement d'un échangeur de pompe à chaleur ou d'un écoulement d'air d'un fuselage d'avion lors d'un vol. 15 Le dispositif 20 comporte : - un générateur de courant 22, connecté à deux bornes d'alimentation en courant 24, 26 de l'élément résistif 12, pour délivrer à la partie résistive de celui-ci un créneau de courant, ce qui a pour effet de chauffer cette dernière par effet Joule ; 20 - un premier circuit de mesure 28 pour mesurer une tension de la partie thermistor de l'élément résistif 12, représentative de la température de la partie résistive, entre deux bornes 30, 32 de ce dernier ; - un second circuit de mesure 34, 36 pour mesurer le courant délivré par le générateur de courant 22, par exemple un circuit de mesure 34 de la tension aux bornes d'une 25 résistance 36 connectée entre le générateur 22 et l'élément résistif 12 ; et - une unité de traitement d'informations 38, connectée aux circuits de mesure 28, 34, pour détecter la présence ou l'absence de glace sur la face 18 du support 14 en fonction des mesures délivrées par les circuits 28, 34, d'une manière qui sera expliquée plus en détail ci-après. 30 Dans une variante privilégiée de l'invention, le générateur 22 et les circuits de mesure 28, 36 sont pilotés par exemple par l'unité de traitement 38, qui mémorise des paramètres concernant le courant injecté dans l'élément 12 et synchronise l'injection de courant et les différentes mesures nécessaires à la détection. 35 3024226 6 En se référant à la vue en coupe de la figure 2A, l'élément résistif 12 est plaqué contre la face 16 du support 14 au moyen d'éléments de fixation 40, par exemple des brides, des clips, des vis ou autres. Ce type de fixation mécanique permet un contact direct de l'élément résistif 12 avec la face 16 du support, c'est-à-dire un couplage ayant une 5 résistance thermique faible ou nulle. En contrepartie, les éléments de fixation 40 augmentent l'inertie thermique du système et peuvent donc pénaliser sa réponse thermique. En variante, comme illustré à la vue en coupe de la figure 2B, l'élément résistif 12 est fixé à la face 16 du support 14 au moyen d'une colle 42. De manière avantageuse, la colle 42 présente une haute conductivité thermique et une épaisseur 10 minimisée afin de limiter la résistance thermique et donc un gradient thermique dans l'épaisseur de la couche de colle 42 séparant l'élément 12 du support 14. La colle est choisie pour être stable dans la gamme de températures subie par l'élément 12, et notamment stable pour des températures d'au moins 150°C. La colle 42 est par exemple une colle époxy de haute conductivité thermique et de haute température, tel qu'une colle 15 Epo-Tek® de la société Epoxy Technology Inc. Le support 14 est de préférence constitué d'une feuille d'un matériau de haute conductivité thermique et d'une épaisseur réduite. De cette manière, l'énergie nécessaire à l'élévation de la température du support jusqu'à la température de fusion de la glace 20 n'est pas trop importante par rapport à celle nécessaire à la fusion d'une couche de givre 44 formée sur la face 18, et le gradient de température dans le support 14 est limité de sorte qu'il n'est pas nécessaire de compenser ce gradient par une température élevée de l'élément résistif 12. 25 Plus particulièrement, comme cela sera expliqué ci-après, l'invention mesure la déviation de la montée en température de l'élément 12 sous l'effet d'un apport d'énergie thermique par rapport à un profil exponentiel. Or, cette déviation est d'autant plus marquée que le pourcentage de l'énergie thermique utilisée pour la fusion de la glace lors de la montée en température de l'élément 12 est importante. Pour un support d'épaisseur comprise entre 30 0,Olmm et 5mm et constitué d'un matériau de conductivité thermique supérieure à 200 Wm-1K-1 à 20°C, la glace est détectée avec fiabilité. Dans une variante, le support 14 est métallique, par exemple constitué de cuivre, de conductivité thermique à 20°C égale à 390 Wm-1K-1, d'aluminium, de conductivité 35 thermique à 20°C égale à 237 Wm-1K-1, ou d'un alliage de ceux-ci. L'élément résistif 12 est alors préférentiellement isolé électriquement du support 14, par exemple au moyen d'une fine couche de matériau isolant électrique de haute conductivité thermique, par 3024226 7 exemple collé au moyen d'une colle électriquement isolante et de haute conductivité thermique, notamment de type époxy. Dans une autre variante, illustrée à vue en coupe de la figure 2C, la surface susceptible 5 d'être couverte de glace est une face 46 de l'élément 12 lui-même, ce dernier étant par exemple logé dans une cavité ou une ouverture réalisée dans un support 48, avantageusement bon isolant thermique, tel que par exemple en céramique. De manière analogue, l'élément 12 est choisi pour limiter la portion d'énergie nécessaire 10 à sa montée en température jusqu'à la température de fusion de la glace, et ainsi accroître la déviation de la réponse thermique de l'élément 12 par rapport à un profil exponentiel en présence de glace, et donc augmenter la fiabilité et la précision de la détection. De manière avantageuse, la face arrière de l'élément 12, opposée à celle en contact avec 15 le support ou avec la glace, est isolée thermiquement de manière à réduire les perturbations thermiques. La figure 3 est une vue de dessus d'un exemple de réalisation de l'élément résistif 12. Dans cet exemple, l'élément 12 comporte un support souple, par exemple en polyimide 20 dans ou sur lequel est formée une piste thermo-résistive 50, par exemple en platine ou en nickel, sous la forme de serpentin et connectée aux bornes 24, 26 d'alimentation électrique, et une partie thermocouple 52, connecté aux bornes 30, 32. L'élément résistif 12 est par exemple un réchauffeur/thermocouple commercialisé par la société NeoTIM, Albi, France. 25 En variante, l'élément résistif 12 comporte une portion résistive et une portion thermistor confondue, auquel les bornes 24 et 26 sont confondues avec les bornes 30, 32, les deux bornes de l'élément 12 étant utilisées à la fois pour l'injection de courant et pour la mesure de tension. Notamment, l'élément 12 est un thermistor dont l'usage initial est 30 modifié pour mettre en oeuvre également le chauffage recherché. Par exemple, l'élément 12 est un thermistor à résistance au platine ou au nickel formée sur support thermiquement isolant, notamment une céramique, permettant ainsi d'isoler la face de l'élément 12 opposée à la surface 18. Le thermistor est par exemple un thermistor fabriqué par la société Corrège, Pacy-sur-Eure, France, de référence PT100. 35 Dans ce qui suit, la « résistance de l'élément résistif » se réfère à la résistance de la partie résistive chauffante de l'élément résistif 12 dans laquelle est injecté du courant. 3024226 8 Il va à présent être décrit en relation avec la figure 4 un premier mode de réalisation d'un procédé de détection de givre mis en oeuvre à l'aide du système venant d'être décrit. Dans ce premier mode de réalisation, l'élément résistif 12 et la fixation de celui-ci à la 5 surface 18 sont avantageusement conçus pour que la variation de résistance de la partie résistive chauffante de l'élément 12 soit limitée, de sorte qu'en première approximation la puissance thermique dissipée par effet Joule, et donc la puissance thermique du chauffage mise en oeuvre, est constante. Notamment, comme décrit ci-dessus, la résistance thermique entre l'élément 12 et la surface 18 est faible, ce que permet d'atteindre par 10 exemple une colle de haute conductivité d'une épaisseur faible, par exemple quelques millimètres ou moins, et/ou le coefficient de variation en résistance en fonction de la température de la partie résistive chauffante est faible et/ou l'élévation de température de cette dernière reste limitée lors de la mise en oeuvre du procédé. De cette manière, la réponse en température de l'élément 12 en absence de glace ne dévie que de manière 15 négligeable d'un profil exponentiel. Par ailleurs, le choix du seuil décrit ci-après permet de tenir compte de ladite déviation, et notamment de déviation plus importante en cas de variation plus importante de la puissance du chauffage. Le procédé débute par une étape 60 de réglage et de montage du système selon 20 l'invention. Cette étape comprend notamment la mémorisation dans une mémoire informatique de l'unité de traitement 38 des paramètres pour l'algorithme de détection, notamment un seuil S de détection, et le cas échéant, des paramètres de pilotage du générateur 22 pour l'injection de courant dans l'élément 12, comme décrit ci-après. 25 Dans une étape 62 suivante, mise en oeuvre une fois le système selon l'invention installé conformément à l'application visée, le générateur est piloté pour injecter un courant I d'amplitude constante dans l'élément 12. De préférence, la valeur de courant injectée est choisie pour induire une montée en température rapide de l'élément 12 tout en limitant la température maximale de celui-ci afin de ne pas soumettre les l'élément 12 et ses moyens 30 de fixation à des températures trop importantes. Par exemple, le courant est choisi de manière à obtenir une montée en température telle que 10°C/S S, l'unité 38 détermine, en 68, qu'une couche de glace est présente et si S REVENDICATIONS1. Procédé de détection de glace sur une surface (18), comprenant le chauffage d'un élément (12) placé au contact de la surface (18), la mesure d'une grandeur dépendante de la température de l'élément (12), et la détection de glace sur la surface (18) en fonction de ladite mesure, caractérisé : - en ce que : ^ le chauffage (en 62) de l'élément (12) est réalisé de manière à porter celui-ci à une température strictement supérieure à la température de fusion de la glace pendant une durée prédéterminée ; et ^ la mesure(en 62) de la grandeur dépendante de la température est réalisée pendant le chauffage de l'élément ; - et en ce que la détection de la présence de glace comprend : ^ la détermination (en 64) d'un écart entre ladite grandeur mesurée pendant le chauffage de l'élément (12) et une fonction de croissance exponentielle ; ^ la détection (en 66, 68) de givre sur la surface si l'écart déterminé est supérieur à un seuil de détection prédéterminé. 2. Procédé de détection de glace sur une surface selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détermination (64) de l'écart comporte le calcul d'un paramètre de linéarité de ladite grandeur mesuré dans un repère temporel logarithmique, ledit écart étant égal audit paramètre ou calculé en fonction dudit paramètre. 3. Procédé de détection de glace sur une surface selon la revendication 2, caractérisé en ce que le calcul dudit paramètre de linéarité comporte le paramètre est égal à 1 - r,y2, où r,cy est le coefficient de corrélation linéaire d'un estimateur des moindres carrés ordinaire, ayant pour variable expliquée ladite grandeur mesurée et pour variable explicative le logarithme du temps. 4. Procédé de détection de glace sur une surface selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément (12) est un élément résistif apte à s'échauffer par effet Joule sous l'effet d'un courant électrique le parcourant, et en ce que le chauffage de l'élément (12) comporte l'injection d'un courant électrique dans l'élément, notamment un créneau de courant. 3024226 14 5. Procédé de détection de glace sur une surface selon la revendication 4, caractérisé en ce que la mesure de la grandeur dépendante de la température de l'élément comprend la mesure d'une tension électrique entre deux bornes de l'élément résistif. 5 6. Procédé de détection de glace sur une surface selon la revendication 5, caractérisé en ce que la mesure de la grandeur dépendante de la température de l'élément comprend le calcul de la résistance électrique de l'élément résistif en fonction de la tension mesurée et d'une mesure du courant injectée dans l'élément résistif ou d'un profil de courant électrique injectée prédéterminé. 10 7. Procédé de détection de glace sur une surface selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le chauffage est réalisé à puissance thermique constante. 15 8. Procédé de détection de glace sur une surface selon les revendications 7, caractérisé : - en ce que l'élément est un élément résistif apte à s'échauffer par effet Joule sous l'effet d'un courant électrique le parcourant, et le chauffage de l'élément comporte l'injection d'un courant électrique dans l'élément résistif de manière 20 à garder sensiblement constant ; - et en ce que le procédé comporte la commande du courant injecté dans l'élément résistif de manière à garder sensiblement constant le produit U x I de la tension Ude l'élément résistif par le courant I injecté dans celui-ci. 25 9. Système de détection du givre sur une surface (18), comprenant un élément résistif (12) au contact de la surface (18) et apte à s'échauffer par effet Joule sous l'effet d'un courant le traversant, un générateur de courant (22) pour alimenter l'élément résistif (12) en courant électrique, un capteur (28) apte à mesurer une grandeur dépendant de la température de l'élément résistif (12), et une unité de calcul (38) 30 apte à déterminer la présence de glace sur la surface (18) en fonction de la mesure délivrée par le capteur, caractérisé : - en ce que le générateur de courant (22) est apte à injecter un courant électrique dans l'élément résistif (12) de manière à porter celui-ci à une température strictement supérieure à la température de fusion de la glace pendant une durée 35 prédéterminée ; - en ce que le capteur (28) est apte à mesurer la grandeur dépendant de la température pendant le chauffage de l'élément résistif; 3024226 15 - et en ce que l'unité de calcul (38) est apte : ^ à déterminer un écart entre ladite grandeur mesurée pendant le chauffage de l'élément et une fonction de croissance exponentielle ; et ^ à détecter du givre sur la surface si l'écart déterminé est supérieur à un 5 seuil de détection prédéterminé. 10. Système de détection du givre selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est apte à mettre en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10