THERMAL PROBE FOR DETECTING THE PRESENCE OR ABSENCE OF A LIQUID

Abstract: The probe is of a type containing a sensitive electrically conducting element (2) made of a material with a high resistivity and a high temperature coefficient of resistance which can be immersed in a liquid. The sensitive element (2) consists of at least one film of the said material with a high resistivity per unit area deposited on the surface of a support (1) which is an electrical insulator and a poor conductor of heat. Application to the detection of the level of a liquid and/or the measurement of its temperature. <IMAGE>

Description: Sonde thermique pour la détection de la présence ou de l'absence d'un liquide. La présente invention concerne une sonde thermique pour la détection de la présence ou de l'absence d'un liquide, du type comprenant un élément sensible conducteur de l'électricité en un matériau de résistivité électrique et a' coefficient de température élevés immergeable dans un liquide. Une telle sonde permet d'utiliser la différence de conduction thermique entre un environnement gazeux et un environnement liquide pour détecter la présence ou l'absence de ce dernier. En effet, lorsque l'élément conducteur d'une telle sonde est parcouru par un courant, il stéchauffe sensiblement en raison de sa résistivité élevée. Sa température sera peu affectée par un environnement liquide, mais beaucoup plus par un environnement gazeux, ce qui se traduira par des différences de résistance électrique aisément mesurables. Une telle sonde peut être utilisée pour la détection d'un niveau de liquide et elle est particulièrement intéressante pour la détection de faibles différences de niveau, par exemple pour la détection du niveau minimal d'huile de lubrification dans le carter d'un moteur à combustion interne. On connait, notamment par le brevet FR 2.367.276, des sondes de ce type, montées en série sur véhicules automobiles, qui utilisent comme élément conducteur sensible un fil électriquement résistant d'un diamètre de 80 microns environ et de plusieurs centimètres de longueur. Cependant, un tel fil est très coûteux et, en raison de sa fragilité, son maniement comme son montage s'avèrent délicats. De plus, le bobinage de ce fil pour en réduire les dimensions et permettre une mesure ponctuelle se heurte au problème de rétention des liquides du fait de leur viscosité. On connait par ailleurs par la demande de brevet EP-A-9252 une sonde thermique de niveau du type couche mince" dont l'élément sensible est constitué par une couche mince métallique disposée sur un substrat isolant. Toutefois, comme la sonde du brevet français précité, cette deuxième sonde est du type dont les indications sont proportionnelles au niveau de liquide qui mouille plus ou moins la résistance ou l'élément sensible de mesure. Or, l'expérience montre que pour la mesure du niveau de liquides susceptibles de comporter des impuretés, par exemple les huiles des moteurs à combustion interne, il est nécessaire d'obtenir de grands écarts de température, et donc de résistance, sur des sondes thermiques. De plus, dans le cas de la mesure du niveau d'huile moteur, il est absolument nécessaire que la sonde ne risque en aucun cas de faire croire à la présence d'huile alors qu'il n'y en a pas, simplement parce que des dépôts de matières diverse se sont faits à la surface de la sonde au cours du fonctionnement. L'invention, telle qu'elle est définie dans la revendication 1, permet de résoudre ce problème rencontré avec les sondes de la technique antérieure grâce au fait que la sonde présente des zones ou surfaces définissant des niveaux discrets tout ou rien conduisant à un échauffement localisé très important. De plus, les diverses conditions précitées imposent des courants importants et brefs qui introduisent des contraintes technoloqiques dans le dessin de la sonde, et notamment dans les connexions entre l'élément sensible géométriquement localisé et les conducteurs d'arrivée du courant. Ce sont ces contraintes technologiques que l'invention, telle est définie dans les sous-revendications, permet de satisfaire. On notera enfin que ces contraintes sont très différentes de celles rencontrées avec les thermomètres de température dans lesquels il importe que l'ensemble du support soit à la température ambiante et qu'au contraire l'échauffement de l'élément sensible sous l'action du courant de mesure soit aussi faible que possible. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre d'exemples de sa réalisation illustrés par les dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue de dessus d'une sonde suivant l'inven tion, - la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1, - la figure 3 est une vue de dessus d'une sonde suivant une variante de réalisation, et - la figure 4 est une vue schématique en coupe d'un carter d'huile équipé d'une sonde suivant l'invention. En se reportant à la figure 1 la sonde représentée comprend un support 1 en un matériau électriquement isolant et très mauvais conducteur de la chaleur. Ainsi, des impulsions de chaleur provoquées à sa surface sont plus facilement échangées vers l'extérieur qu'absorbées par le support lui-même. Différents essais montrent que des matériaux tels que les silices, les stéatites, les céramiques à base d'oxyde de zirconium et les matières plastiques polyimides conviennent très bien. La forme parallèlèpipèdique du support, prolongé à l'une de ses extrémitéspar une partie triangulaire, confère une bonne résistance mécanique aux chocs et aux vibrations, favorise l'écoulement des liquides et 5,oppose à leur rétention, et facilite son utilisation comme substrat pour la réalisation de la sonde suivant diverses technologies. Sur le substrat 1 est déposé un élément conducteur sensible 2 du type pelliculaire ou en ruban qui possède une résistivité élevée par unité de surface, ainsi qu'un coefficient de température élevé. L'élément sensible 2 peut être réalisé en matériaux à base de nickel, d'oxyde de nickel, de platine, qui possèdent une bonne stabilité dans le temps. Sa forte résistivité et son dessin sinueux permettent de loger une résistance importante sur une petite surface et de faire une mesure pratiquement ponctuelle. Chaque extrémité de l'élément sensible 2 est connectée à un plot ou borne de connexion 4, supportant des systèmes de fixation, par un conducteur de liaison 3 qui doit être le moins sensible possible au niveau du liquide à contrôler. A cet effet, chaque conducteur de liaison 3, du type pelliculaire ou en ruban, présente une faible résistivité et une surface la plus grande possible. Pour des raisons de conductivité électrique entre l'élément sensible 2 et les conducteurs de liaison 3, ces derniers sont de préférence réalisés dans un matériau de même nature chimique de base que l'élément sensible 2. Ainsi, les connexions peuvent être rejetées loin de l'élément sensible 2 avec la certitude qu'elles ne perturbent pas les échanges thermiques autour de ce dernier et n'affectent pas la précision de la mesure fournie par la sonde. Les plots ou bornes de sortie 4 sont réalisés suivant la composition des conducteurs de liaison et la technologie de fabrication utilisée, soit par un dépôt d'argent ou de palladium-argent, soit par un dépôt électrolytique d'or ou de nickel en vue d'une éventuelle soudure à l'étain plomb-argent, par ultra-sons, ou par "bonding". L'élément sensible 2 pouvant être immergé complètement dans un liquide électriquement conducteur, il est de préférence protégé par un dépôt d'une ou plusieurs couches 5 d'un matériau électriquement isolant et imperméable au liquide à contrôler, du genre verre minéral ou matière plastique hydrofuge, suffisamment minces pour ne pas affecter les échanges thermiques entre l'élément sensible et le milieu environnant. Les dépôts effectués sur le support 1 peuvent être réalisés suivant l'une ou la combinaison de trois technologie : évaporation sous vide, pulvérisation cathodique et couches épaisses hautes et basses températures. Cette dernière technique est préférée car elle ne nécessite que quatre dépôts par sérigraphie et deux cuissons pour la réalisation de la sonde. De plus, la fiabilité de la technologie des couches épaisses dans le domaine électronique et l'environnement rencontré dans les véhicules automobiles n'est plus à démontrer. La figure 3 représente une sonde en tous points identique à celle des figures I et 2 à ceci près que l'élément sensible 2 est constitué de deux pellicules ou rubans conducteurs 2a et 2b disposés électriquement en parallèle. Cette configuration permet de détecter la présence d'un liquide à deux niveaux différents, suivant qu'un seul ou les deux conducteurs 2a et 2b se trouvent immergés dans le liquide. Bien entendu, on peut prévoir un plus grand nombre de conducteurs résistifs en parallèle pour constituer l'élément sensible 2, la principale limitation étant l'importance du courant électrique qu'il convient alors de fournir à la sonde. La figure 4 montre l'application de la sonde des figures i et 3 à la détection d'un niveau de liquide. Une embase 11, portant la sonde proprement dite 12, est fixée à travers une paroi d'un récipient 13 (par exemple un carter d'huile de lubrification de moteur) contenant un liquide 14, dans une position telle que l'élément sensible 2 est amené près du niveau à mesurer 15. La sonde 12 est connectée électriquement à un circuit 16 permettant de détecter les variations de résistance de l'élément sensible 2 lorsque celui-ci passe de l'environnement gazeux qui règne audessus du liquide 14 au liquide 14 lui-même, et inversement. Le circuit 12 peut être similaire à celui, classique, des sondes connues à fil mince et ne sera donc pas décrit. Comme indiqué précédemment, la sonde décrite peut également servir à mesurer la température du liquide dans lequel l'élément sensible 2 est immergé puisque, en effet, la résistance de ce dernier dépendra de la température du liquide. En mesurant cette résistance, ou une image de celle-ci, on pourra, à l'aide d'un circuit approprié et d'un étalonnage convenable, fournir une indication de température continue ou par rapport à un ou plusieurs seuils. Cette fonction de mesure de la température peut naturellement être assurée conjointement avec la détection de niveau. On notera que l'utilisation de la sonde décrite pour la mesure des températures est grandement facilitéenar le fait que la résistance nominale de l'élément sensible 2 peut être aisément ajustée, même dans le cadre d'une production en grande série, par attaque au laser ou par sablage.

Claims: A thermal sensor for detecting the absence or the presence of a liquid of the type comprising a flat electrically conductive sensitive element (2, 2a, 2b) of a thickness of the order of a few micrometers, of a material of high resistivity and with a high temperature coefficient, which is disposed at the surface of an electrical and thermal insulating support (1) which can be immersed in a liquid, the sensitive element and the connecting conductors (3) are covered by at least one thin film (15) of an electrically insulating material which is impermeable to the liquid to be checked, said sensitive element exhibiting a different heating effect depending on whether it is immersed in the liquid or in the surrounding atmosphere when a substantial measuring current passes through the sensitive element, characterised in that the sensitive element (2, 2a, 2b) is disposed at the surface of the insulating support (1) in such a way as to define all-or-nothing discrete reference levels and so as to be totally immersed or emerged from the liquid to be measured depending on whether the level of the latter is higher or lower than the reference level formed by the useful surface of the sensitive element. A thermal sensor according to claim 1 characterised in that the configuration of the sensitive element (2, 2a, 2b) is of a sinuous shape of small height compatible with the accuracy of measurement of the level (15) of the liquid. A thermal sensor according to either one of claims 1 and 2 characterised in that the sensitive element (2, 2a, 2b) is formed from a material based on nickel and nickel oxides with a high proportion of the latter. A thermal sensor according to either one of claims 1 and 2 characterised in that the sensitive element (2, 2a, 2b) is formed from a platinum-based material. A thermal sensor according to any one of claims 1 to 4 characterised in that the sensitive element (2, 2a, 2b) is connected to output terminals (4) by film connecting conductors (3) with a low level of resistivity per unit of surface area. A thermal sensor according to claim 5 characterised in that the connecting conductors (3) are of a material of the same basic chemical nature as the sensitive element (2, 2a, 2b). A thermal sensor according to any one of claims 1 to 6 characterised in that the sensitive element (2, 2a, 2b) and the connecting conductors (3) are of 'thick film' type and are produced by screen printing. A thermal sensor according to any one of claims 1 to 7 characterised in that the support (1) is one of the materials based on steatite , silica and zirconium oxide. A thermal sensor according to any one of claims 1 to 7 characterised in that the support (1) is of polyimide plastics material. A thermal sensor according to any one of claims 1 to 9 characterised in that the support (1) is in the shape of a parallelepiped which is prolonged at one of its ends by a triangular portion. A thermal sensor according to any one of claims 1 to 10 characterised in that the sensitive element is formed by a plurality of conductor strips (2a, 2b) which are disposed electrically in parallel and which define a corresponding number of reference levels.

Inventors: BRISSET, PIERRE, WARENGHEM, MICHEL
Applicants: REGIE NATIONALE DES USINES RENAULT
Application year: 1983
Main classification: G01F23
IPC codes: G01F23