Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2014/125220
PCT/FR2014/050292
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MESURE DE LA TEMPERATURE HOMOGENE D'UN BOBINAGE PAR
AUGMENTATION DE LA RESISTANCE D'UN FIL
Domaine technique :
La présente invention concerne la surveillance des systèmes électriques
embarqués sur un
aéronef Elle vise plus particulièrement la mesure de température d'un
composant électrique
bobiné.
Etat de l'art :
Un certain nombre de dispositifs électroniques embarqués sur les aéronefs,
notamment des
calculateurs, sont placés dans des zones où ils risquent d'être en contact
avec un produit
inflammable à haute température, comme l'huile moteur. Dans ce cas, par
exemple, les règles de
sécurité imposent que la température de peau de chaque boitier ne dépasse pas
la température
critique de 204 C, seuil d'auto-inflammation de l'huile moteur.
Tous les composants passifs pouvant dépasser cette température doivent être
surveillés afin de
maîtriser cette exigence.
En ce qui concerne plus particulièrement les composants bobinés, la solution
utilisée
actuellement est constituée d'une sonde de température intégrée à l'extérieur
du bobinage qui
envoie un message d'alerte en cas de dépassement de la température critique.
Cette solution présente comme premier inconvénient d'être chère car elle
introduit un équipement
spécifique supplémentaire, la sonde de température, étranger au composant à
surveiller. Elle pose
des difficultés d'intégration, les sondes de température n'ayant pas été
spécialement conçues pour
être adaptées au composant. Enfin, elles fournissent une température locale au
point de la surface
du composant où a été fixé le capteur de la sonde. L'indication par la sonde
d'une température
conforme ne garantit pas obligatoirement que la température critique n'ait pas
été dépassée
ailleurs sur le composant.
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De ce fait, le dimensionnement et la position de la sonde demande de
caractériser l'ensemble
sonde/composant bobiné afin de diminuer les risques de dépassement de la
température critique
ou de remontée de fausses alertes au système de détection, et aussi d'éviter
l'impact en masse et
en coût d'un surdimensionnement du bobinage, causé par le besoin de limiter
son auto-
échauffement en particulier dans des applications de type impulsionnel et de
dégager de la marge
vis-à-vis de l'erreur de mesure.
Exposé du problème technique et de l'invention:
L'invention a pour but de fournir une solution simple et robuste face à ces
problèmes
d'intégration, notamment pour des composants bobinés, tout en garantissant que
la mesure de
température permet de respecter la consigne de sécurité sans être obligé de
prendre une marge de
sécurité trop importante.
L'invention concerne un procédé de mesure de température d'un composant bobiné
de forte
puissance pour des applications aéronautiques, comprenant la mesure de
différence de potentiel
entre les bornes d'un fil de jauge en matériau résistif dans lequel on fait
passer un courant continu
et connu, la résistance du fil de jauge variant avec la température suivant
une loi connue, et une
étape de calcul transformant la différence de potentiel en température moyenne
du fil de jauge,
ledit fil de jauge étant enroulé à l'intérieur du bobinage, en spires agencées
en une série de spires
aller et une série de spires retour associées deux à deux avec une
géométrie et une
position sensiblement égales. Ce procédé est remarquable en ce que ledit fil
de jauge est d'un
diamètre pris dans une plage allant de 0,05mm à 0,25 mm et a une longueur
ajustée pour obtenir,
en réalisant au moins vingt spires, des variations de résistance comprises
entre 2 et 8 Ohms pour
une température variant entre -60 C et 200 C.
L'invention atteint son objectif car la chaleur étant produite à l'intérieur
du composant, la
température moyenne à l'intérieur du composant obtenue par la mesure sur le
fil de jauge majore
celle qui peut être atteinte en surface. Donc, plus la mesure sera précise,
plus on pourra
s'approcher du seuil en étant sûr de ne pas le dépasser. Par ailleurs, en
particulier pour les
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composants bobinés, la mesure doit compenser les perturbations causées par la
présence de
champs magnétiques dont les gradients créent une force électromotrice dans les
enroulements
qu'ils traversent. Le fait d'avoir des spires aller et des spires retour
se compensant deux à
deux simplifie considérablement le circuit de mesure. De plus, on s'intéresse
ici à des
composants de forte puissance dans l'aéronautique, dont le diamètre des
bobinages peut varier
entre 1 cm et 30 cm. Dans ce cadre, par rapport par exemple à des technologies
de sondes au
platine utilisant des fils très fins, de l'ordre de 0,01cm de diamètre, avec
des résistances de l'ordre
de 100 Ohms, le fait d'utiliser des fils du plus fort diamètre et des
résistances de quelques Ohms
permet d'intégrer cette technologie dans le composant tout en ayant les
précisions de mesure
nécessaires.
Avantageusement, l'utilisation d'un matériau conducteur dont la résistivité
varie linéairement
avec la température dans la plage de températures mesurées simplifie d'autant
les calculs.
De préférence le fil jauge est en cuivre, matériau courant dont la résistivité
est une fonction
linéaire de la température dans la plage de fonctionnement pour les
applications aéronautiques.
La mesure précise de la température est obtenue en rapportant deux fils aux
extrémités du fil de
jauge pour la mesure de la différence de potentiel.
L'invention concerne également un composant bobiné de forte puissance pour des
applications
aéronautiques, caractérisé en ce qu'il comprend un fil en matériau résistif
dont la résistance varie
avec la température selon une loi connue, ledit fil de matériau conducteur
étant enroulé à
l'intérieur du bobinage et agencé en une série de spires aller et une
série de spires retour ,
associées deux à deux avec une géométrie et une position sensiblement égales,
ledit fil de jauge
étant de plus d'un diamètre pris dans une plage allant de 0,05mm à 0,25 mm
avec une longueur
ajustée pour obtenir, en réalisant au moins vingt spires, des variations de
résistance comprises
entre 2 et 8 Ohms pour une température variant entre -60 C et 200 C, et deux
connections aptes à
relier les extrémités dudit fil de jauge à des appareils électroniques
extérieurs.
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Elle concerne plus particulièrement un composant bobiné comportant au moins
deux
enroulements actifs, l'un entourant l'autre et les spires du fil jauge étant
insérées entre les deux
enroulements actifs.
Avantageusement, ce composant comporte deux connexions supplémentaires
rapportées aux
bornes du fil de jauge.
Un tel composant est apte à être connecté avec les appareils de mesures
nécessaires pour
déterminer la température moyenne à l'intérieur du composant.
L'invention concerne aussi un dispositif électronique pour des application
aéronautiques
comportant au moins un composant selon l'invention, un moyen génération de
courant continu
connecté aux extrémités du fil jauge, un moyen de mesure de différence de
potentiel entre les
connexions complémentaires et un moyen de calcul apte à transformer le signal
du moyen de
mesure de différence de potentiel et l'information sur ledit courant continu
en un signal de
température.
Enfin, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un composant bobiné
selon l'invention
comprenant une étape d'étalonnage de la longueur du fil jauge pour obtenir une
résistance donnée
à une température donnée, avant l'installation du fil jauge dans le composant
bobiné, et une étape
de branchement de deux fils de sortie complémentaires aux bornes du fils jauge
correspondant à
la résistance étalonnée.
Avec un étalonnage du fil de jauge au milli-ohms, ce procédé de fabrication
permet d'atteindre
des précisions de +/- 0,3% sur l'estimation de la température dans les
composants bobinés utilisés
en aéronautique.
Description d'un mode de réalisation de l'invention :
On décrit maintenant un mode de réalisation non limitatif de l'invention, plus
en détail, en
référence aux dessins annexés sur lesquels :
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La figure 1 représente une coupe axiale d'un composant bobiné ;
La figure 2 montre le schéma de principe de deux spires faisant circuler le
courant de
mesure en sens inverse.
La figure 3 montre le principe de la mesure à 4 fils sur le fil de jauge.
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Un composant bobiné typique, par exemple un transformateur tel que représenté
sur la figure 1,
comporte deux enroulements actifs, 2 et 3. Ils sont configurés de telle sorte
qu'il y ait un
enroulement extérieur 3 entourant l'enroulement intérieur 2, le tout
enveloppant une colonne 4
avec un noyau central.
L'échauffement du composant est du essentiellement aux pertes de Joule dans
les enroulements
actifs à cause des forts courants utilisés. En effet, il s'agit d'estimer
l'échauffement de
composants bobinés de forte puissance, préférentiellement pour des
applications aéronautiques.
Un fil de jauge 1 en cuivre de faible diamètre est donc bobiné sur un cylindre
entre les deux
enroulements actifs. La mesure de la variation de résistance du fil de jauge 1
liée à la variation de
résistivité du matériau dans le composant en fonction de la température permet
d'obtenir une
mesure de température représentative de celle de l'intérieur du bobinage, donc
de majorer celle
qui est observée sur la peau du composant.
Le cuivre est choisi parce qu'il permet d'obtenir des mesures correctes avec
des petits diamètres
de fil. De plus, c'est un matériau courant en électronique, comparé, par
exemple au platine utilisé
dans certains appareils de mesure de température.
Par ailleurs, le dispositif est facile à intégrer dans la fabrication du
composant décrit car il suffit
d'enrouler le fil de jauge 1 en même temps que l'enroulement actif intérieur
2, sur sa surface
externe, avant de l'assembler avec le reste du composant, ce qui ne nécessite
pas d'opération
supplémentaire. D'une manière générale, les composants dont on veut surveiller
la température
ont un diamètre compris entre 1 et 30 cm. Le diamètre du fil de jauge utilisé
est généralement
compris entre 0,25 et 0.05 mm, ce qui entraîne, pour résistance nominale de 6
ohms à
température ambiante (20 C), une longueur de fil de jauge comprise entre 17
mètres et 1.5
mètres, soit au moins vingt spires. Cette longueur peut impacter le diamètre
final du composant,
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le fils pouvant représenter entre 0.1 et 10 % du volume totale des
conducteurs. On voit donc que
ce dispositif perturbe la géométrie du composant dans une proportion du même
ordre de grandeur
que le pourcentage de fil de jauge, faible par rapport aux moyens
conventionnels.
La figure 1 présente un mode de réalisation avec deux enroulements actifs.
Dans une variante
concernant un composant bobiné avec plus de deux enroulements actifs, le fil
de jauge est
enroulé à l'intérieur du bobinage placé entre les deux enroulements les plus
internes. Dans une
autre variante, concernant un seul enroulement actif, le fil de jauge est
enroulé contre la face
interne de cet enroulement.
La température des composants bobinés est suivie dans une plage de l'ordre de -
60 C à + 200
C . Dans cette plage de température, la résistivité du cuivre en fonction de
la température est
linéaire et s'exprime sous la forme :
(1) p = po . ( 1 + a . 0)
a = 0,00427 (coefficient de variation de la résistivité du cuivre en fonction
de la température)
0 = Température exprimée en C
Po = Résistivité du cuivre à 0 C en Ohms. Mètres (1,6 10-80hms.m)
Pour un fil de jauge de longueur et de section données, on obtient donc une
résistance qui
s'exprime de manière similaire :
(2) R = Ro . ( 1 + a . 0)
Ro= Résistance du fil de jauge à OC en Ohms.
De plus, la différence de potentiel étant donnée par la loi de Joule, on
obtient dans ce cas la
température facilement en appliquant un courant I connu, exprimé en Ampères,
traversant le fil
de jauge par la mesure de la différence de potentiel U, exprimée en Volts, aux
bornes dudit fil de
jauge par la formule :
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(3) 0 = (U/LR0 -1) . (1/ a)
Pour les composants bobinés envisagés, la valeur de Ro recherchée lors de cet
étalonnage est
comprise entre 2 et 8 Ohms. Cela permet d'avoir des variations de la valeur de
la résistance de
plusieurs Ohms, entre 2 et 8 ohms, sur la plage de variations de température
attendue pour le
composant en fonctionnement. L'ampleur de cette variation de résistance pour
la plage de
températures visée (de 60 C à + 200 C) permet d'avoir une mesure avec une
précision
supérieure à 1 %, nettement améliorée par rapport à celle des moyens
conventionnels, tel que
c'est détaillé plus loin sur un exemple.
On peut envisager utiliser d'autres matériaux que le cuivre. Si la résistivité
du matériau n'est pas
une fonction linéaire de la température, la relation entre la température et
les mesures de la
différence de potentiel U sera simplement un peu plus complexe à programmer.
Avantageusement, ce matériau aura une résistivité comprise entre 1 et 10 10-
80hms.m, de
préférence entre 1 et 7 10-80hms.m, et permettra de fabriquer des fils de
jauge dont la résistance
variera sensiblement dans les plages évoquées ci-dessus pour la gamme de
températures de
fonctionnement du composant bobiné.
Pour pouvoir utiliser cette formule, il faut cependant éliminer les sources de
différences de
potentiel parasites. Dans le cas du composant bobiné, l'enroulement du fil de
jauge étant traversé
par un flux magnétique, une force électromotrice, égale à la dérivée du flux
magnétique
traversant l'enroulement, apparait aux bornes (loi de Faraday).
Afin de compenser cette force électromotrice et de simplifier le circuit de
mesure associé, le
bobinage du fil de jauge est effectué en repliant le fil sur lui-même en son
milieu, puis en
enroulant ce double fil. Ainsi, on crée deux séries de spires associées deux à
deux en une spire
Aller 5 et une spire Retour 6 ainsi qu'illustré sur la figure 2. Ces
deux spires ont
sensiblement la même position dans l'espace et la même forme. C'est donc le
même flux
magnétique (I) qui les traverse et ainsi, les forces électromotrices créées à
leurs bornes sont égales
et de signes opposées. La résultante des forces électromotrices observée aux
bornes du fil de
jauge reste donc sensiblement nulle.
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D'autres agencements géométriques de l'enroulement du fil de jauge peuvent
être envisagés pour
appareiller ainsi les spires Aller 5 et Retour 6 deux par deux. Dans
tous les cas, il est
important de conserver au maximum les parties Aller et Retour du
conducteur les plus
proches l'une de l'autre, y compris au début et à la fin de l'enroulement,
afin de garantir au
mieux l'égalité de surface des spires traversées par le flux magnétique.
En injectant un courant continu, il est alors possible de déterminer la
température au coeur du
composant par la formule (3). Un filtrage de type passe-bas est utilisé
pour s'affranchir d'une
éventuelle tension résiduelle liée à la différence de surface équivalente
traversée par le flux
magnétique pour les spires Aller et Retour .
De manière préférée, la mesure de tension est effectuée en utilisant la
méthode dite des 4 fils, ou
méthode de KELVIN. Dans cette méthode, on considère les bornes, 7a et 7b, de
la longueur de fil
de jauge qui correspond à la valeur Ro connue de la résistance à la
température de référence et qui
est utilisée dans les calculs. On reporte sur ces bornes deux fils, 8a et 8b,
complémentaires par
brasage, soudage ou tout autre moyen de connexion. Ensuite, le fil de jauge
(1) est connecté par
ses deux bouts à un moyen générateur de courant 10 et les deux fils
complémentaires, 8a et 8b,
sont connectés à un moyen de mesure de potentiel, un voltmètre 9. L'impédance
du voltmètre 9
étant très élevée, le courant qui traverse les fils de connexion est
négligeable et on mesure avec
une grande précision la différence de potentiel sur la longueur exacte de fil
correspondant à la
résistance Ro. L'intensité du courant traversant le fil de jauge est par
ailleurs indiquée avec une
bonne précision par le moyen générateur de courant.
Par contre, les fils de cuivres sont fournis avec une certaine tolérance sur
leur variation de rayon.
Typiquement, le rayon moyen peut varier de +1- 2,5% pour des fils de diamètre
0,1 mm. Les
incertitudes sur la température mesurées seront donc de l'ordre de 5% si on se
fie aux données
nominales.
De manière préférentielle, on améliore encore la précision de mesure en
étalonnant le fil de jauge
avant de l'intégrer au composant. Compte tenu de l'ordre de grandeur de
quelques Ohms de la
résistance du fil de jauge (voir l'exemple fourni dans le tableau (1),
l'étalonnage peut être réalisé
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avec un micro-Ohmmètre pour atteindre des précisions de l'ordre de 0,2% sur la
résistance Ro.
Lorsque l'opérateur a identifié la longueur précise correspondant à la valeur
théorique de la
résistance sur 6m (voir le tableau 1 pour un exemple de réalisation avec les
tolérances acceptées),
il connecte aux bornes 7a et 7b correspondantes, les fils complémentaires 8a
et 8b servant à la
mesure de potentiel, puis enroule le fil de jauge dans le composant bobiné. Ce
moyen de mesure,
avec l'étalonnage réalisé, permet d'avoir une sonde de température ayant une
précision de + /-
0,3%, à comparer à la valeur moyenne typique actuelle de 1% avec des sondes de
températures
collées au composant. De plus, le coût de fabrication d'une sonde de
température selon
l'invention est moindre.
Dans une variante de réalisation, on s'affranchit de manière supplémentaire
des erreurs
introduites par les incertitudes sur la valeur du courant I livré par le moyen
10 en mesurant
directement la résistance du fil de jauge entre les bornes 8a et 8b. Pour
cela, on place une
résistance de valeur connue à un endroit du circuit du courant I non soumis
aux variations de
température du composant bobiné. On mesure la variation de potentiel aux
bornes de cette
résistance et on obtient directement la résistance du fil de jauge par un
rapport entre les deux
différences de potentiel mesurées.
Comparé à un composant équipé d'une jauge de température, l'ensemble installé
dans l'aéronef
est donc constitué de ce composant modifié avec un générateur de courant, un
voltmètre et un
module de calcul apte à fournir la température à partir des mesures
effectuées, ces trois derniers
composants étant similaires en complexité à des ohmmètres disponibles sur le
marché.
Tableau (1) : Exemple concernant un autotransformateur, évaluation de l'erreur
de mesure sur la
température entre -55C et +175C
Longueur moyenne d'une spire : 15 cm
Nombre total des spires ( Aller et Retour ) : 40
Longueur de fil utilisée : 6m
Rayon moyen du fil : 0,07081035 mm ; tolérance de fabrication : +/- 2,5%
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Température Valeurs Valeurs Valeurs
C minimale nominales maximales
Résistance (en -55 4,456 4,466 4,476
Ohms) du fil de
jauge ajusté 25 6,700 6,710 6,720
autour de 6m
après étalonnage 175 10,908 10,918 10,928
à +/-0,01 ohm
Tolérance de la -55 - 0,224 0 0,224
résistance de
l'invention 25 -0,149 0 0,149
175 -0,092 0 0,092
