Brevet FR3066818A1 — publié le 20181130

Capteur de température pour véhicule automobile comprenant un thermocouple de type N La présente invention concerne un capteur de température comprenant un thermocouple de type N pour moteur de véhicule automobile. Les capteurs de température comprenant un thermocouple pour mesurer les hautes températures sont largement utilisés dans le domaine des systèmes d'échappement de moteur à combustions interne. Les thermocouples fournissent une précision de mesure relativement élevée. C'est pourquoi ils sont utilisés dans ce domaine ayant des exigences élevées en termes de contrôle d'émissions de polluants. Le principe de mesure des thermocouples est basé sur l'effet Seebeck qui se traduit par une différence de potentiel entre deux fils de métaux différents lorsqu'ils sont soumis à une différence de température. Les deux fils de métalliques sont soudés entre eux à une première extrémité formant une soudure chaude (ou point chaud) destinée à mesurer la température Ti du milieu à mesurer, comme par exemple la température des gaz d'échappement d'un système d'échappement. Les deux fils métalliques du thermocouple comportent également chacun une deuxième extrémité reliée chacune à un voltmètre par une soudure communément appelée soudure froide (ou point froid) qui est à une température de référence TO. Ce type de capteur de température est connu pour comprendre un circuit imprimé (PCB) comportant un circuit intégré intégrant le voltmètre. Le circuit intégré est un circuit intégré à application spécifique ASIC (Application Specific for Integrated Circuit) capable de traiter des signaux de tension pour les convertir en température. Il est capable de fournir un signal de sortie analogique ou numérique et d'utiliser un protocole (« SENT »). Le signal de tension ou la force électromotrice FEM mesurée par le voltmètre aux deuxièmes extrémités des fils métalliques est transmis au circuit imprimé via des conducteurs électriques puis au circuit intégré. La variation de tension entre ces deux deuxièmes extrémités des fils métalliques du thermocouple est proportionnelle à la variation de température entre la soudure chaude qui est à la température Ti et les deuxièmes extrémités des fils métalliques qui sont à une température de référence TO. En connaissant la température de référence TO du point froid et la tension entre les deuxièmes extrémités des fils métalliques, il est possible de déduire la température Ti du point chaud. Dans ce type de capteur de température, le circuit intégré intègre une sonde 40 de température pour la calibration du voltmètre dont la mesure dépend de la température. Cette sonde étant déjà présente, elle est habituellement utilisée pour mesurer la température de référence TO dans le circuit intégré pour des raisons de simplification du capteur de température et pour réduire les coûts. 3066818 2 Dans le cas d'un thermocouple de type N, l'un des fils métalliques est en Nisil (mélange nickel/silicium) et l'autre en Nicrosil (mélange nickel/chrome/silicium). Les deuxièmes extrémités des deux fils métalliques du thermocouple sont connectées à deux premières extrémités de deux pattes métalliques. Les deux 5 pattes métalliques comprennent une deuxième extrémité reliée électriquement au circuit imprimé. Classiquement, ces deux pattes métalliques sont constituées d'un matériau en cuivre ou alliage de cuivre. Elles ne sont pas constituées du même matériau que celui des fils métalliques du thermocouple. Les pattes sont soudées à un circuit 10 imprimé par une soudure à l'étain. Le fait que le circuit intégré comprenant la sonde de température mesurant la température de référence TO soit distant des deuxièmes extrémités des fils métalliques (ou soudure froide) entraine une erreur dans la lecture de la température. En effet, la température de référence TO lue à l'endroit du circuit intégré est 15 différente de la température des deuxièmes extrémités des fils métalliques (ou soudure froide). La différence de température peut être en général de 4°C à 5°C, et parfois jusqu'à 20°C, induisant alors une source d'erreur et imprécision sur la température Ti du milieu à mesurer. Le circuit intégré ne peut pas compenser cet écart de température et l'erreur correspond à cette différence de température. 20 Ainsi, tout gradient thermique entre les deuxièmes extrémités des fils métalliques et le capteur de température mesurant TO génère une erreur de signal. On connaît une solution consistant à ajouter un gel conducteur thermique pour relier les deuxièmes extrémités des fils métalliques de type N et le circuit intégré afin de créer une zone thermiquement homogène. 25 Cependant, l'ajout d'un nouveau matériau entraine un risque de contamination ionique et augmente les coûts de fabrication. Une autre solution consiste à utiliser pour les pattes métalliques un couple de matériau de type N. Cependant, la fabrication de ces pattes est délicate et entraine une usure de l'outillage d'estampage à cause de la dureté des matériaux en Nisil / 30 Nicrosil, et augmente le coût de ces pattes. L'invention a donc pour objectif de pallier à ces inconvénients de l'art antérieur en proposant un capteur de température plus précis dans lequel les sources d'erreur sont réduites. L'invention concerne un capteur de température pour moteur de véhicule 35 automobile, comprenant : - un thermocouple comportant deux fils métalliques de type N soudés entre eux à une première extrémité formant une soudure chaude pour mesurer une température Ti dans le moteur, les deux fils métalliques comportant chacun une deuxième extrémité connectée électriquement à un voltmètre mesurant la tension entre les deux deuxièmes extrémités, - un circuit imprimé comprenant un circuit intégré, le circuit intégré comprenant le voltmètre et une sonde de température mesurant une température de référence TO, 3066 818 3 - un boitier de protection comprenant un premier connecteur dans lequel les deuxièmes extrémités des deux fils métalliques du thermocouple sont connectées à deux premières extrémités de deux pattes métalliques, les deux pattes métalliques comprenant une deuxième extrémité reliées électriquement au circuit 5 intégré, le circuit imprimé étant logé dans le boitier de protection et les deuxièmes extrémités des fils métalliques et le circuit intégré étant distant. Selon l'invention, les deux pattes métalliques sont constituées de deux matériaux différents aptes à générer une force électromotrice comprise entre 45 µV/°C et 25 µV/°C à 20°C. 10 Selon un mode de réalisation possible, les deux pattes métalliques génèrent une force électromotrice d'environ 28 µV/°C. De préférence, au moins l'une des pattes métalliques est formée d'un matériau à base de cuivre. Selon un autre mode de réalisation possible, les deux pattes métalliques sont 15 de type T. Selon un autre mode de réalisation possible, l'une des pattes métalliques est formée d'un matériau comprenant du cuivre Cu et du nickel Ni de façon à former un alliage CuNix, avec x inférieur ou égal à 44. De préférence, la patte métallique comprend du manganèse Mn. 20 Selon un autre mode de réalisation possible, l'une des deux pattes métalliques est formée d'un matériau en cuivre et l'autre patte métallique est formée d'un alliage CuNi44Mn. En variante, l'une des deux pattes métalliques est formée d'un matériau en acier. 25 Selon une autre variante, l'une des deux pattes métalliques est formée d'un matériau en acier inoxydable, et par exemple en acier inoxydable 304, et l'autre patte métallique est formée d'un alliage CuNi15. Selon une autre variante, l'une des deux pattes métalliques est formée d'un alliage en CuFe2P recouvert d'un revêtement en nickel et l'autre patte métallique est 30 formée d'un alliage en CuNi20 ou CuNi23. L'invention fournit ainsi un capteur de température plus précis dans lequel les sources d'erreur sont réduites. La FEM des couples de matériau du type T ou autres variants décrits ci-dessus est assez proche de ceux du type type N. 35 L'écart de température entre les deuxièmes extrémités des deux fils métalliques du thermocouple et la sonde de température qui est intégrée dans le circuit intégré mesurant une température de référence TO est réduit. Le point froid réel est décalé des deuxièmes extrémités des deux fils métalliques 3 du thermocouple 2 vers les deuxièmes extrémités 4 des deux pattes 40 métalliques 10, rapprochant ainsi le point froid réel qui devrait être mesuré de l'endroit où il est effectivement mesuré (température de référence TO dans le circuit intégré 6). 3066818 4 L'invention permet donc d'utiliser la sonde de température déjà intégrée dans le circuit intégré tout en fournissant une erreur sur la température de référence TO minimale. De plus, les alliages de cuivre, cuivre / nickel et acier inoxydable sont produits 5 par plusieurs fournisseurs et sont donc très disponibles. Ces matériaux sont moins durs que le Nisil et le Nicrosil et réduisent l'usure des outils d'estampage. Le comportement de ces matériaux lors de l'opération de sertissage n'est quasiment pas modifié car les languettes conçues pour le sertissage des fils 10 métalliques du thermocouple sont généralement en alliage de cuivre. Les matériaux des pattes métalliques permettent de connecter et de déconnecter facilement les fils métalliques du thermocouple des pattes et donc de connecter et de déconnecter facilement le thermocouple du boitier de connexion. En effet, le comportement mécanique des pattes en alliage de cuivre sont 15 proches de celui des fils de type N. Donc, la mise en pression de ces pattes sur les fils métalliques est réalisable par les procédés classiques. Les caractéristiques de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un capteur de 20 température selon l'invention; - la figure 2 est une représentation schématique de l'intérieur de ce capteur de température montrant les pattes métalliques; - la figure 3 représente des courbes de tensions pour différents couples de matériaux en fonction de la température; 25 - la figure 4 représente le détail de ces courbes de 0 à 200°C. La figure 1 représente un capteur de température 1 pour moteur de véhicule automobile selon l'invention. Le capteur de température 1 comprend un thermocouple 2 comportant deux fils métalliques 3 différents soudés entre eux à une première extrémité (non 30 représentée) formant une soudure chaude (ou point chaud) pour mesurer une température T1 dans le moteur. La température T1 correspond à la température du milieu à mesurer. Les fils métalliques 3 sont constitués de deux métaux différents de type N, c'est-à-dire constitués d'un couple de métaux Nisil/Nicrosil. 35 Les deux fils métalliques 3 comportent chacun une deuxième extrémité (non représentée) connectée électriquement à un voltmètre mesurant la tension entre les deux deuxièmes extrémités. Le capteur de température 1 comprend un circuit imprimé 5 comprenant un circuit intégré 6. Le circuit intégré 6 comprend le voltmètre et une sonde de 40 température mesurant une température de référence TO. Le circuit intégré 6 est un circuit intégré à application spécifique ASIC (Application Specific for Integrated Circuit) capable de traiter des signaux de tension pour les convertir en température. Il 3066 818 5 est capable de fournir un signal de sortie analogique ou numérique et d'utiliser un protocole (« SENT »). En connaissant la température de référence T0, qui est la plus proche possible de celle du point froid, et la tension aux deuxièmes extrémités des fils 5 métalliques 3 du thermocouple 2, on en déduit la température T1 de la soudure chaude (ou point chaud) qui correspond à la température du milieu à mesurer dans le moteur du véhicule. Le capteur de température 1 comprend un boitier de protection 7 en polymère dans lequel sont logés les deuxièmes extrémités des fils métalliques 3 du 10 thermocouple 2 et le circuit imprimé 5. Les deuxièmes extrémités des fils métalliques 3 et le circuit imprimé 5 sont distants. Dans l'exemple des figures 1 et 2, les deuxièmes extrémités des fils métalliques 3 sont disposées en dessous du circuit imprimé 5. Dans le capteur de température, les fils métalliques 3 et le circuit imprimé 5 sont sensiblement 15 parallèles. Les deuxièmes extrémités des fils métalliques 3 du thermocouple 2 sont solidaires d'un premier connecteur 8 connecté au boitier de protection 7. Les deuxièmes extrémités des fils métalliques 3 du thermocouple 2 sont connectées électriquement à deux pattes métalliques 10 ou conducteurs électriques 20 par soudure ou sertissage, par exemple. Les deux pattes métalliques 10 sont connectées au circuit imprimé 5 par leur deuxième extrémité 4 qui est logée dans le premier connecteur 8. Sur la figure 2, les deux deuxièmes extrémités 4 traversent le circuit imprimé 5 et font saillies sur une première face 9 du circuit imprimé 5. 25 Le capteur de température 1 comprend également un deuxième connecteur 11 pour le relier électriquement à un dispositif électronique (non représenté). Des bornes de connexions 12 sont prévues ainsi que des fils électriques 13 pour relier le circuit imprimé 5 au deuxième connecteur 11. Classiquement et comme représenté sur la figure 1, le capteur de température 30 1 comprend une gaine de protection 14 pour protéger les fils métalliques 3 et un moyen de fixation 15 pour fixer le capteur de température 1 à un élément du moteur. Selon l'invention, les deux pattes métalliques 10 sont constituées de deux matériaux différents aptes à générer une force électromotrice comprise entre 45 µV/ °C et 25 µV/ °C à 20 °C. 35 De préférence, les deux pattes métalliques 10 génèrent une force électromotrice d'environ 28 µV/°C. De préférence, au moins l'une des pattes métalliques 10 est formée d'un matériau à base de cuivre. Avantageusement, les deux pattes métalliques 10 sont de type T ou proche 40 d'un couple de matériau de type T. L'une des pattes métalliques 10 est composée de cuivre et l'autre patte métallique 10 est composée d'un alliage cuivre/nickel. Selon un mode de réalisation, les deux pattes métallique 10 sont composées d'un alliage cuivre/nickel, et par exemple CuNi50 pour une patte et CuNiio pour l'autre patte. 3066818 6 Les figures 3 et 4 représentent des courbes de tension pour différents couples de matériaux (millivolts) en fonction de la température (degré Celsius). La figure 4 représente le détail de ces courbes de 0 à 200°C. Comme illustré sur les figures 3 et 4, un thermocouple de type T présente une 5 FEM par degré (49pV 1°C à 140°C) plus élevée qu'un thermocouple de type N (34pV 1°C à 140 °C). L'utilisation d'un couple de matériaux de type T pour les deux pattes métalliques 10 permet de supprimer complètement l'erreur de mesure en cas de gradient de température. 10 Avantageusement, la patte métallique 10 comprend du manganèse Mn. De préférence, l'une des deux pattes métalliques 10 est formée d'un matériau en cuivre et l'autre patte métallique 10 est formée d'un alliage CuNi44Mn. Selon une estimation approximative, l'utilisation de pattes métalliques 10 classiques en laiton entraine une erreur de delta T de +20°C, alors qu'avec 15 l'utilisation de pattes métalliques 10 de type T (Cu / CuNi44Mn) par exemple, l'erreur de delta T est réduite à -9°C selon le calcul suivant : 20°C * (34 pV/°C - 49 pV/°C) / 34 pV /°C = - 9°C. Pour diminuer davantage cet écart, il est possible d'utiliser des matériaux proches du type T mais ayant moins de FEM que l'alliage CuNi44Mn. 20 Une solution consiste à utiliser une patte métallique 10 comprenant du cuivre et du nickel de façon à former un alliage CuNix, avec x inférieur ou égal à 44, l'autre patte métallique 10 étant en cuivre. Pour réduire davantage la FEM, il est possible d'utiliser moins de nickel en utilisant par exemple un alliage CuNi10, 15, 20, 23 ou 30. 25 Selon une autre variante, l'une des deux pattes métalliques 10 est formée d'un matériau en acier, par exemple inoxydable, et par exemple en acier inoxydable 304 et l'autre patte métallique 10 est formée d'un alliage CuNi15. Selon une autre variante, l'une des deux pattes métalliques 10 est formée d'un alliage en CuFe2P recouvert d'un revêtement en nickel, obtenu de préférence par 30 soudure laser, et l'autre patte métallique est formée d'un alliage en CuNi20 ou CuNi23. L'invention permet ainsi de réduire les écarts de température entre la température des deuxièmes extrémités des deux fils métalliques 3 du thermocouple 2 et celle du circuit intégré 6 où est mesuré la température de référence TO. 35 Le point froid réel est décalé des deuxièmes extrémités des deux fils métalliques 3 du thermocouple 2 vers les deuxièmes extrémités 4 des deux pattes métalliques 10, rapprochant le point froid réel qui devrait être mesuré de l'endroit où il est effectivement mesuré (circuit intégré 6). 40 REVENDICATIONS1. Capteur de température (1) pour moteur de véhicule automobile, comprenant : - un thermocouple (2) comportant deux fils métalliques (3) de type N soudés entre eux à une première extrémité formant une soudure chaude pour mesurer une température T1 dans le moteur, lesdits deux fils métalliques (3) comportant chacun une deuxième extrémité connectée électriquement à un voltmètre mesurant la tension entre les deux deuxièmes extrémités, - un circuit imprimé (5) comprenant un circuit intégré (6), ledit circuit intégré (6) comprenant le voltmètre et une sonde de température mesurant une température de référence T0, - un boitier de protection (7) comprenant un premier connecteur (8) dans lequel les deuxièmes extrémités des deux fils métalliques (3) du thermocouple (2) sont connectées à deux premières extrémités de deux pattes métalliques (10), les deux pattes métalliques (10) comprenant une deuxième extrémité (4) reliées électriquement au circuit intégré (6), ledit circuit imprimé (5) étant logé dans le boitier de protection (7) et les deuxièmes extrémités des fils métalliques (3) et le circuit intégré (6) étant distant, caractérisé en ce que : - les deux pattes métalliques (10) sont constituées de deux matériaux différents aptes à générer une force électromotrice comprise entre 45 i_i\//°C et 25 i_i\//°C à 20°C. 2. Capteur de température (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux pattes métalliques (10) génèrent une force électromotrice d'environ 28 µV/°C. 3. Capteur de température (1) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'au moins l'une des pattes métalliques (10) est formée d'un matériau à base de cuivre. 4. Capteur de température (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux pattes métalliques (10) sont de type T. 5. Capteur de température (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'une des pattes métalliques (10) est formée d'un matériau comprenant du cuivre Cu et du nickel Ni de façon à former un alliage CuNix, avec x inférieur ou égal à 44. 6. Capteur de température (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite patte métallique (10) comprend du manganèse Mn. 3066818 8 7. Capteur de température (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'une des deux pattes métalliques (10) est formée d'un matériau en cuivre et l'autre patte métallique (10) est formée d'un alliage CuNi44Mn. 8. Capteur de température (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'une des deux pattes métalliques (10) est formée d'un matériau en acier inoxydable 304 et l'autre patte métallique (10) est formée d'un alliage CuNi15. 9. Capteur de température (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'une des deux pattes métalliques (10) est formée d'un alliage en CuFe2P recouvert d'un revêtement en nickel et l'autre patte métallique (10) est formée d'un alliage en CuNi20 ou CuNi23. 5 10 15 20