Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
W092/08956 PCT/CH91/OOZ27
2073688
Appareil pour la mesure de propri~t~s physiques de fluidec
On connait un grand nombre de capteurs (par exemple:
capteurs d'humidité, capteurs de températures, capteurs
à effet thermique tels que ceux utilisés en anémométrie).
Toutefois, lorsque ces capteurs sont utilis~s dans une
ambiance (l'atmosphère en gén~ral) chargée d'~léments
polluants (hydrocarbures et fum~es par exemple) cette
pollut~on provogue d~s d~pots de matières polluantes
à la surface des capteurs, ce qui a pour effet d'influencer
défavorablement les mesures que l'on désire effectuer.
L'invention vise à fournir une solution permettznt
d'éliminer cet effet nuisible de la pollution ambiante
sur l'exactitude des mesures faites au moyen de capteurs
ap?elés à être utilisés dans une ambiance polluée.
L'objet de la présente invention est conforme
à la revendication l.
3ans ce qui suit on considère l'invention princi-
paler,ent - mais non exclusivement - dans le cas de capteurs
znémom~triques thermiques.
Les performances des anémomètres thermiques décrits
dans de nombreux brevets : ~S 4.206.638 (1980) - ~S
4.27g._47 (1981) VS 4.793.182 ~1988) - ~S 4.794. ~G5
(1~89) - ~S 4.936.144 (1990) ~ ~S 4.920.793 (1990) -
et cans les ouvrages de réference tels que "~esistance
.em2crzture Transducers" de Virgil A. Sandbord, Colorado
state University et "Hitzdraht-und Hitzfilmane~ometrie"
de Dr.-Ing. Herbert Strickert, sont plus ou moins altcr~s
par ;a présence d'agents de contamination. Cela provient
du f_it que l'échange thermique est lié aux propri~tés
physiques de la couche présente à l'interface capteur
r~sistif et air.
Ainsi, la conducti~it~ thermique, la chaleur spécifique,
l'~paisseur, la rugosité et d'autres propriétés encore
modi~ient la loi d'échange thermique entre le capteur
et l'a~r.
W092/08956 PCT/CH91/00227
20736:88 2
Le capteur anémométrique thermique à chauffage
direct ou indirect repose sur le principe d'un échange
thermique entre un élément chauffé qui est refroidi
par c3nvexion forcée due au fluide en mouvement.
Dans le cas des anémomètres thermiques à chauffage
direct, de loin les plus répandus, l'élimination des
agents de contamination déposés sur le capteur peut
se faire par la modification du chauffage du capteur
de telle manière à ce que la température du capteur
atteigne la température de 600C.
On peut sans grandes difficultés commander cette
surchauffe par l'auçmentation même du courant circulant
dans le capteur, mais il est clair ~ue le capteur doit
~tre fait en matériaux~sbpportant sans altération les
tem?~r2tures de l'ordre de 600 à 650C sans que les
performances, en particulier la stabilité de la résista~ce
et du coefficient de température de celle-ci, ne soient
alt~rées.
L'invention est applicable sans dif~icultés techno-
logiques au cas du capteur an~mométrique thermique omni-
directionnel Dans le cas du capteur anémométrique direction-
nel, c'est plus diffic~le. ~outefois et par exemple,
le cap.eur split-film d~crit dans le brevet Djorup No
.794.795 US convier.t parfaitement à l'utilisation dans
le cadre de 12 préeente invention.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple,
~ne orme d'exécution de l'appareil selon l'invention,
dsns le CaS p-rticu~ier non limitatif du capteur anémo-
métricue directionnel à perte de chaleur décrit dans
le brevet CH 638.618 (et dans les brevets correspondants
d'autres pays, dont notamment le brevet US 4.279.147).
Fig. 1 est une vue en perspective du capteur selon
cet exemple.
Fig. 2 est une vue en coupe ~ransversale du capteur
selon fig. 1, à plus grande échelle.
Fig. 3 est un schéma électrique de l'appareil.
~ e capteur, gui est du type représenté sur la
fig. 5 du brevet US 4.794.795, est formé d'un corps
W O 92/089S6 PC~r/CH9t/00227
3 2073688
creux 10 en mati~re c~ramique isolante sur leguel sont
fix~s deux détecteurs semi-cylindriques parallèles,
lla, llb, qui ~ont des détecteurs thermiques résistifs.
~ne couche protectrice 12, en silice fondue ou en oxyde
d'aluminium par exemple, recouvre les d~tecteurs.
Les détecteurs sont en un métal dont la r~sistance
électrique et le coefficient de temp~rature ne soient
pas alt~rés sous l'effet d'un chauffage à 600-650C.
Le platine est un exemple.
On ~oit en 13 et 14 des organes de support risides
du capteur.
On trouvera tous autres renseignements techniques
relatifs à un tel capteur dans le brevet précité CH
638.618, on ne les ré2~tera donc pas ici.
L'exemple d'appareil selon l'invention comprend
un ou plusieurs détecteurs selon fig. 1 et 2 et son
sché~,a électrique est indiqué sur la fig. 3. Ce schéma
dérive directement de celui selon fig. 3 du brevet cité
CH 638.618, avec toutefois une adjonction im2ortante
et nouvelle, à savoir des moyens assurant l'auto-nettcyage
automatique des détecteurs 11a, 11b, pour assurer la
constance de mesures exactes par l'élimination automatique
des depots de matières polluantes sur le capteur.
On -a_?e'12ra brievement la partie du sché~,a selon
fig. 3 qui est tirée du brevet suisse précité, afin
de faciliter la co~préhension de l'inve-.tion.
Le circuit selon fig. 3 fournit des sis.,aux de
vitesse et de direction sous forme d'un seul signal
de sortie co~,posé. La paire de détecteurs lla et l b
est branch~e dans deux des quatre bras d'un pont de
Wheatstone, formé de résistances 23 et 24 utilisées
pour équilibrer le pont quand le fluide autour du capteur
est au repos ou à vitesse nulle. L'excitation du pont
de la figure 3 est fournie par les raccordements 25
et 26 et l'équilibrage du pont est mesuré entre les
points 27 et 28 puis amplifié par un amplificateur dif-
férentiel 28, qui fournit ainsi un signal 30 qui est
une mesure du degré de déséquilibre du pont déterminant
W O 92/08956 PC~r/C H9t/00227
2~73688 4 ~--
la direction. Le signal 30 indique le dés~quilibre en
prenant une polarité 60it positive 50it négative, lorsque
l'un ou l'autre des détecteurs lla et llb de la paire
est touché à vitesse plus grande par le courant du fluide.
Au détecteur abrité du courant la vitesse du courant
para~tra plus faible à cause de l'écran que représente
le d~tecteur directement exposé au courant. La taille
du signal de sortie différentiel résultant 30 est une
mesure directe de la vitesse. Les résistances 31 et
33 sont les résistances d'entrée de l'amplificateur
29 et les résistances 32 et 34 sont les r~sistances
de contre-réaction.~Ee facteur d'amplification différen-
tielle est déter~né par le rapport des résistances
de co~tre-réaction 32 et 34 par rapport aux résistances
d'entrée respectivement 31 et 33. Le acteur d'amplifi_a'~on
typique est de 20 à 25 pour un courant maximum de, par
exemple, 20m/sec. Le pont formé des résistances 23 et
24, zvec la paire de détecteurs lla et llb peut être
cGnsidéré électriquement comme une seule résistance
qui à son tour devient une branche d'un second pont
ce Wheatstone formé par une résistance de puissance
35 en série avec le premier pont de Wheatstone, déterminant
la ~irection, et par les résistances 36 et 37 utilisées
pc~r ec~_ilibrer le second pcnt à un poir.t de fonctiorr,em~~~
d~-r.i par la valeur des résistances 36 et 37. Chaque
res-st~nce 36 et 37 peut être mocifiée lors de la conce?.ion
du circuit de pont o~ un potentiomètre ou une résistance
vari--ble peut ~tre utilis~e pour l'une ou l'autre de
ces r~sistances.
Il est pr~férable de ne pas prendre des potentio-
mètres pour les deux résistances. Cela permet à l'opérateur
de choisir le point de fonctionnement, le niveau de
pui~sance et la sensibilité de l'instrument. L'amplifica-
teur 38 est différentiel et possède un facteur d'amplifi-
cation avec un courant de sortie élevé ~ui est branché
en contre-réaction vers le pont au point 39. L'entrée
de l'amplificateur 38 est branchée entre les points
26 et 40 du pont et il faut faire attention à la phase,
W092/OB956 PCT/CH91/0022~
-- 5 2~3i~
pour B I assurer d'avoir une contre-r~action et non une
r~action po~itive.
Le~ d~tecteurs lla et llb avec les résistances
23 et 24 paraissent fo~mer pour l'amplificateur 38 une
r~si6tance unique qui ~e modifie ~ chaque variation
de ses parties constituantes. Les dfetecteurs lla et
llb ~ont en fait des resistances à coefficient de tem?~-
rature non-nul, sont sujets à un échauffement propre
et, quand le film est en platine, présentent un coef-
ficient de température positif élevé. Ce fait permet
de choisir les valeurs des résistances 36 et 37 de telle
facon que les valeurs de résistance d'~quilibrage du
pont pour condition d'équilibrage du pont sont satisfaites
lorsque la résistance totale série-parallèle du pont
pour la direction, interprétée co~me une re~sistance
usique équivalente, avec la r~sistance de puissance
35, les deux ensemble equilibrent les résistances 36
et 37 parce qu'on établit les m~mes rapports de résistances
des deux côtés du pont. Le côt~ actif comporte la résistznce
35 avec le pont pour la direction, formé des résistances
lla et llb avec les résistances 23 et 24. Le c8t~ de
reférence du pont, contrôle~ par contre-réaction, comporte
les résistGnces 36 et 37.
~ :cn~ les ~éteateurs l~a et l~b sont .roids ou
.crs sarvice, leur re~sistGnce est plus faible aue durant
le .c~,ctic..-,er,ent et en co.,trôlant leur valeur de 'onc-
t cnne-,er.t par cJustement du rapport des rC~ictGnces
ae rg'ërer.ce, les valeurs des résistances chau~fées
r-;e3sa~res pGur é~uilibrer le pont peu-~ent &~re c~oi~ie-,
tout cela ét~nt contr~lé grâce a la contre-réaction
a travers l'amplifica'eur 38 vers le pont au point 39.
La contre-réaction agit de facon à régler automatiquement
le courant ~ travers l'ensemble des ponts combin~es jusqu'à
ce que les résistances des detecteurs lla et llb atteignent
les valeurs équilibrant le pont. ~ne petite tension
d'of~set doit être présente ~ la sortie de l'amplificateur
38 quand le circuit est enclenché la première fois et
que les détecteurs lla et llb ~ont à température ambiante,
W092/08956 PCT/CH91/00227
2073688 6
de fa~on que le premier courant de pont, qui s'établit
à la suite de la tension d'offset, est suffisant pour
qu'un petit signal d'erreur apparaisse entre les points
26 et 40, permettant ainsi au circuit d'établir lui-
meme les conditions de fonctionnement. Le mode de fonc-
tionnement indiqué ci-dessus a été décrit comme m~thode
à temp~rature constante (résistance constante) pour
le fonctionnement d'un anémomètre à film chaud ou fil
chaud.
La résistance 37 peut être une résistance sensible
à la tem?érature placée~e facon à prendre la te~,pérature
du fluide ambiant.,~i`le coefficient de température
de la résistance d;u registre 37 est choisi convenable-
ment, 12 .,iveau de fonctionnement du pont peut être
réslé aulom~ uement de ~a~on à suivre la ,empérature
a,mbiante, les détecteurs lla et llb travaillant ainsi
avec une différence de température constante par rapport
à la température ambiante. Ce mode de fonctionnement
pe me_ c'obtenir une sensibilité constante pour la vi~ess,
~u fluidet cuelle sue soit la température ambiante.
~ a ter,pérature superficielle des détecteurs lla
et llb réqultante sera de l'ordre de 125 à 135C.
T ' sortie 30 est bipolaire et indique quel détecte~_~
lla cs l1b -ait '_ce a la direc.icn cu courar.t. le d~e ~ u~
~isa~,~ face aura par suite du refroidisseme~t une r~sista~-e
pius faible ~ue le détecteur proté~e du courant, detecteur
moins re oioi et donc à résistance plus élevée, tanais
~ue le total de leurs résistances mis en série reste
c:r.sTar,l, La srandeur de la sortie 30 n'est pas lir.éaire
pz~ rapport à la vitesse incidente du fluide et elle
indique la quantité de chaleur perdue dans le courant
du fluide.
Les amplif~cateurs 29 et 38 peuvent être des ampli-
ficateurs opérationnels alimentés par des sources positives
et négatives. L'alimentation à lS volts permet d'obtenir
au moins une amplitude de signal de 10 volts à la sortie
30- quand deux ou plusieurs circuits en pont semblables
à ceux de la figure 3, avec un réseau de deux ou plusieurs
W092t089s6 PCT/CH91/00227
`
207~36:8~
capteurs sont utilisés, un branchement correct de la
masse et de l'alimentation est nécessaire pour ~viter
une interaction indésirable entre les capteurs et les
erreurs qui en d~coulent. Les amplificateurs 29 et 38
peu~-ent être aussi du type utilisant un seul potentiel
d'alimentation comme 15 ou 20 volts. Dans ce cas l'entrée
+ de 1'amplificateur 29 peut être décalée dans la direction
positive, l'ajustement à zéro pour la vitesse nulle
étant décal~ du même coup à une valeur détermin~e positive
à la sortie 30.
On trouve dans le brevet suisse cité et d~ns son
équivalent des Etats-Unis, des exemples de valeurs numéri~ues
des rcslstances indicuées sur la fig. 3.
Le schéma de l'appareil selon l'exemple de la
prése..te inver..ion se distingue de la fig. 3 du brevet
CH ~8.618 par ce qui suit.
Les lignes 19 en traits mixtes de la fig. 3 indique~t
des liaisGns fonctionnelles.
~ chacun des capteurs lla, llb, est associée une
conde lSa, 15b, cc~-,andée par un microprocesseur 16
pour venir s'appliquer ~ur ces sondes en vue de déter~,iner,
a l'aide du microprocecseur 16, la constante de temps
t~e-m~que de c~.acune de ces sondes et pour déclencher
un- -p_retisn d'eutG-n=ttoi~age par incinératicn de ces
ca?teurs, si ce.te constan.e de temps est égale GU supérieu-e
à une valeur de consisne. Ce dcclenchement eSt co~aneé
p2r le micrc2rocesceur, qui provoque la fermeture d'un
interrupteur 17 qui shunte alors une résistance 18 qui
es' en série avec la résistance 37. Lorsque les résistances
18 et '7 sont tOUteS deux en circuit, elles assurent
que c'est le courant normal de chauffage des capteurs
lla, llb qui parvient à ceux-ci, tandis que lorsque
la résistance 18 est court-circuitée par l'interrupteur
;~ le courant recu par ces capteurs est beaucoup plus
intense et amène ces câpteurs ~ une température d'environ
600C pendant quelques instants, ce qui assure l'auto-
nettoyage par incinération des dépôts de pollution sur
ces capteurs et, par conséquent remet ceux-ci e~ état
W O 92/08956 PC~r/CH91/00227
20736~. 8 '
de fournir des indications exactes relatives ~ la vitesse
de l'air qu'il 6'agit de mesurer avec l'appareil.
La mesure du temps d'établissement (réponse indi-
cielle~ du courant circulant dans le capteur, est une
mesure du temps de réponse thermique et est par cons~quent
une mesure du degré de pollution de l'~lément sensible.
Da~s une variante de l'exemple d'appareil qui
vient d'être décrit, la commande de 1'interrupteur 17
pour décle~.cher une phase d'auto-nettoyage par incinération
pourrait ê're assurée périodiquement par un timer réglé
en fonction d~`~à pollution du milieu ambiant, lorsque
celle-ci es~sensiblement constante. Ainsi le timer
rerplaceralt les sondes 15a, 15b et le microprocesseur
16.
~ ans une autre variante, correspo~dant aux cas
de pollution constante et lésère du milieu ambiant,
la comm5~de des phases d'auto-net-oyage pourrait etre
réalisée s ~iplement 2u moyen d'un interrupteur 17 actionné
~ 'a mai.. à des i~tervalles prescrits en fonction du
cesré de pollution.
Bien que l'exem?le décrit correspond au cas d'un
t~pe de cz~-eurs ther~iques, l'ir,vention n'est pas limit~e
' -et ê>~ 7e. ''in~e..tion s'étend à tous les t~pes
de détec~e.:rs t~-rmiques, à chauffage direct GU iJlCireCt
e, a d'aut-es capteurs tels que, par exemple, des capteurs
-e ter?er3-ure ou d'humidité.
La surcha~'~e de nettoyage peut etre réalisée
-a- ch5-_''aqe indirec'.
Dan.s 7e c~s déc-it du chauffage direct, on prévoit
de shunter préalablement à l'enclenchement du courant
de nettoyage, les composants électriques qui pourraient
~tre altérés par ce courant de nettoyage.
On comprend de la description de la fig. 3 que
la fr~quence des périodes d'auto-ne.ttoyage est définie
par la mesure de la constante de temps thermique des
détecteurs, car la contamination de ceux-ci a pour effet
d'accroitre cette constante.
