FR2468887A1 - Thermal flowmeter for IC engine air inlet - comprises parallel plates supporting heating elements and measuring resistances - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention due à la collaboration de MM. René CREFF,
Patrick ANDRE et Claude LOMBARD est relative à un dispositif de mesure du débit d'un fluide gazeux ou liquide. D'une manière plus particulière, elle est relative à un dispositif de mesure du débit d'air à l'admission d'un moteur à combustion interne, dispositif susceptible de se substituer avantageusement aux fils chauds ou aux volets d'air qui s'ouvrent plus ou moins suivant le débit.The present invention due to the collaboration of MM. René CREFF,
Patrick ANDRE and Claude LOMBARD relates to a device for measuring the flow of a gaseous or liquid fluid. More specifically, it relates to a device for measuring the air flow rate at the intake of an internal combustion engine, a device which can advantageously replace hot wires or air flaps which open more or less depending on the flow.
I1 existe de nombreux brevets sur les dispositifs de mesure de débit d'air, mais ces dispositifs sont, en général, à réponse lente. Seuls les fils chauds très fins, les capteurs à mouvement d'ions, les dispositifs à laser, les dispositifs ultrasoniques et, éventuellement, les systèmes à vortex échappent à ce défaut mais présentent, en contrepartie, des inconvénients. There are many patents on air flow measurement devices, but these devices are, in general, slow response. Only very fine hot wires, ion movement sensors, laser devices, ultrasonic devices and, possibly, vortex systems escape this defect but have, in return, disadvantages.
Les fils chauds sont fragiles, nécessitent des réétalonnages dans le temps, résistent mal aux opérations de pyrolyse nécessaires pour détruire les dépôts qui se forment à leur surface.The hot wires are fragile, require recalibration over time, poorly resist the pyrolysis operations necessary to destroy the deposits which form on their surface.
Les capteurs à mouvement d'ions exigent une source de haute tension, délivrent des courants faibles et posent, de ce fait, des problèmes d'isolement.Ion movement sensors require a high voltage source, deliver weak currents and therefore pose insulation problems.
Le laser n a pu jusqu'à présent être utilisé sur véhicule.The laser has so far been unable to be used on vehicles.
En particulier le problème de la propreté de la fenêtre de mesure dans le conduit où circule le fluide ne parait pas résolu.In particular, the problem of the cleanliness of the measurement window in the conduit where the fluid circulates does not seem to be resolved.
Les capteurs à ultrasons sont encombrants et relativement coûteux lorsque l'on cherche une bonne précision de mesure.Ultrasonic sensors are bulky and relatively expensive when looking for good measurement accuracy.
Les capteurs à vortex ont une réponse instable aux basses vitesses.Vortex sensors have an unstable response at low speeds.
La présente invention a pour objet un dispositif de mesure du débit d'un fluide, d'une grande simplicité, robuste, de réponse rapide et qui élimine la plupart des défauts cités ci-dessus. Dans le cas particulier du débit d'air à l'admission d'un moteur, son temps de réponse est suffisant pour suivre les fluctuations de débit à chaque temps d'aspiration dans le cylindre. I1 comprend une ou plusieurs structures composées successivement d'une source de chaleur sans contact direct avec le fluide, d'un matériau mince à conductibilité thermique faible mais bien définie, d'un revêtement dont les caractéristiques électriques varient avec la température, ledit revêtement étant en bon contact thermique avec le fluide.La caractéristique électrique usuellement choisie sera, par exemple, une variation de résistance, mais on peut tout aussi bien choisir une variation de constante diélectrique se traduisant par ùne variation de capacité Le choix de lthomme de l'art pourrait aussi se porter sur une propriété similaire comme une perméabilité ou un coefficient de pertes variables avec la température sans changer les caractéristiques de l'invention. Lorsque la propriété utilisée est une variation de résistance, le matériau à faible conductibilité thermique devra être un bon isolant électrique.The subject of the present invention is a device for measuring the flow of a fluid, which is very simple, robust, has a rapid response and which eliminates most of the faults mentioned above. In the particular case of the air flow rate at the intake of an engine, its response time is sufficient to follow the flow fluctuations at each suction time in the cylinder. I1 comprises one or more structures successively composed of a heat source without direct contact with the fluid, of a thin material with low but well defined thermal conductivity, of a coating whose electrical characteristics vary with temperature, said coating being in good thermal contact with the fluid. The electrical characteristic usually chosen will be, for example, a variation in resistance, but one can just as easily choose a variation in dielectric constant resulting in a variation in capacitance The choice of a person skilled in the art could also relate to a similar property such as permeability or a variable loss coefficient with temperature without changing the characteristics of the invention. When the property used is a variation in resistance, the material with low thermal conductivity must be a good electrical insulator.
Lorsque l'une des structures indiquées est plongée dans un fluide, celui-ci extrait du revêtement de surface un flux de chaleur qui dépend de la vitesse du fluide, de sa chaleur spécifique, de sa température et de la nature de l'écoulement, des caractéristiques de surface du matériau, etc. Du fait de l'interposition du matériau à conductibilité thermique faible, la température du revêtement de surface variera avec le débit de fluide. La constante de temps mise en jeu lors des variations de débit dépendra de la capacité calorifique du revêtement de surface et des zones proches du matériau faiblement conducteur thermique. Si le revêtement de surface est mince, cette constante de temps peut être, à titre d'exemple non limitatif, comprise entre un centième et un millième de seconde sans précautions particulières.Il est possible egalement de maintenir constante, pour une température de fluide donnée, la température du revêtement de surface. On fera varier alors la puissance de chauffe.When one of the structures indicated is immersed in a fluid, this extracts from the surface coating a heat flux which depends on the speed of the fluid, its specific heat, its temperature and the nature of the flow, material surface characteristics, etc. Due to the interposition of the low thermal conductivity material, the temperature of the surface coating will vary with the fluid flow rate. The time constant involved in variations in flow will depend on the heat capacity of the surface coating and areas close to the material with low thermal conductivity. If the surface coating is thin, this time constant can be, by way of nonlimiting example, between one hundredth and one thousandth of a second without special precautions. It is also possible to maintain constant, for a given fluid temperature , the temperature of the surface coating. The heating power will then be varied.
Selon un cas particulier de réalisation de 1 invention, le matériau à faible conductibilité thermique peut être un gaz éventuellement disposé entre les mailles d'un matériau solide pour éviter les courants de convection. Dans le cas limite, ce matériau à faible conductibilité thermique peut être constitué par du vide dont la conductibilité thermique est nulle. Dans ce cas, la transmission de l'énergie de la source de chaleur vers l'élément thermosensible se fait uniquement par rayonnement et non par conduction et rayonnement.According to a particular embodiment of 1 invention, the material with low thermal conductivity may be a gas possibly placed between the meshes of a solid material to avoid convection currents. In the limiting case, this material with low thermal conductivity may consist of a vacuum whose thermal conductivity is zero. In this case, the transmission of energy from the heat source to the thermosensitive element takes place only by radiation and not by conduction and radiation.
L'invention sera maintenant décrite à l'aide des huit figures annexées - Les figures 1 et 2 sont des vues en coupe, selon 2 plans perpendiculaires d'un dispositif selon l'invention, sous sa forme la plus simple, placé dans une conduite fluide.The invention will now be described using the eight attached figures - Figures 1 and 2 are sectional views, along 2 perpendicular planes of a device according to the invention, in its simplest form, placed in a pipe fluid.
- Les figures 3 et 4 sont des vues respectivement en coupe et de face d'une forme de réalisation en couches fines déposées à la surface d'une plaque isolante. Cette forme de réalisation permet de distinguer facilement le sens decoulement du fluide.- Figures 3 and 4 are respectively sectional and front views of an embodiment in thin layers deposited on the surface of an insulating plate. This embodiment makes it easy to distinguish the direction of flow of the fluid.
- Les figures 5 et 6 sont des vues respectivement en coupe et de face d'une forme de réalisation similaire à partir d'un matériau semiconducteur et notamment du silicium.- Figures 5 and 6 are respectively sectional and front views of a similar embodiment from a semiconductor material and in particular silicon.
- La figure 7 est une vue en coupe d'une forme de réalisation dérivée des figures 3 et 4 et dans laquelle la présence de deux plaques isolantes parallèles permet, d'une part, une meilleure canalisation des filets d'air qui s'échauffent le long du dispositif et, d'autre part, la mesure correcte de la température du fluide en dehors du dispositif de mesure de débit.- Figure 7 is a sectional view of an embodiment derived from Figures 3 and 4 and in which the presence of two parallel insulating plates allows, on the one hand, a better channeling of the air streams which heat up along the device and, on the other hand, the correct measurement of the temperature of the fluid outside the flow measurement device.
- La figure 8 est une analogie électrique du fonctionnément de la structure de base du capteur.- Figure 8 is an electrical analogy of the operation of the basic structure of the sensor.
Sur la figure 1, on distingue un conduit de fluide 1, avec une entrée 2, un barreau chauffant 4 traversant la conduite, un manchon 5 mince en matériau à conductibilité thermique faible mais définie, un revêtement 6 soumis à l'échange de chaleur avec le fluide parcourant la conduite et donc chargé de la mesure de température de surface. Ce revêtement 6 peut hêtre, par exemple, une fine couche de nickel ou de platine, matériau dont on connaît bien la variation de résistance avec la température, mais tout matériau remplissant la condition d'avoir un paramètre physique dépendant de la température convient, même si sa conductibilité thermique n'est que moyenne.In FIG. 1, a fluid conduit 1 is distinguished, with an inlet 2, a heating rod 4 passing through the conduit, a thin sleeve 5 made of material with low but defined thermal conductivity, a coating 6 subjected to heat exchange with the fluid flowing through the pipe and therefore responsible for measuring the surface temperature. This coating 6 may be beech, for example, a thin layer of nickel or platinum, a material of which the resistance variation with temperature is well known, but any material fulfilling the condition of having a physical parameter depending on the temperature is suitable, even if its thermal conductivity is only average.
Sur la figure 2, le revêtement de surface 6 a été partagé en 2 fractions de couronne 6a et 6b, faisant chacune 11 obj et d'une mesure de résistance séparée, pour introduire une différence suivant le sens de circulation du fluide.In FIG. 2, the surface coating 6 has been divided into 2 crown fractions 6a and 6b, each making 11 obj and a separate resistance measurement, to introduce a difference according to the direction of circulation of the fluid.
Le fonctionnement du dispositif pourra être compris à l'aide de l'analogie électrique représentée figure 8. La source- de chaleur 4 est équivalente à un générateur de courant portant la surface intérieure du manchon à un potentiel thermique El.The operation of the device can be understood using the electrical analogy shown in Figure 8. The heat source 4 is equivalent to a current generator bringing the inner surface of the sleeve to a thermal potential El.
L'épaisseur du manchon correspond à une résistance thermique 5 et à une capacité thermique 14, tandis que l'épaisseur du revêtement de surface introduit une résistance thermique 6 et une capacité thermique 15.The thickness of the sleeve corresponds to a thermal resistance 5 and to a thermal capacity 14, while the thickness of the surface coating introduces a thermal resistance 6 and a thermal capacity 15.
La dissipation du flux de chaleur dans le fluide ambiant est équivalente à une-résistance 13 variant avec le débit. Il existe donc aux bornes de cette résistance 13 un potentiel thermique E2. Suivant les objectifs visés, on maintiendra soit El, soit E2 constants pour une température de fluide donnée. La présence des capacités 14 et 15 introduit un retard dans la mesure, mais il est possible de choisir des matériaux à faible chaleur spécifique et sous forme de couches minces, ce qui conduit à- une grande vitesse de réponse mais à une sensibilité plus faible.The dissipation of the heat flow in the ambient fluid is equivalent to a resistance 13 varying with the flow rate. There therefore exists at the terminals of this resistor 13 a thermal potential E2. Depending on the objectives, either E1 or E2 will be kept constant for a given fluid temperature. The presence of capacitors 14 and 15 introduces a delay in the measurement, but it is possible to choose materials with low specific heat and in the form of thin layers, which leads to a high speed of response but to a lower sensitivity.
Une des caractéristiques particulières de ce mode de réalisation consiste en la prise en compte de l'ensemble des vitesses fluides de la section de veine fluide considérée, procédant ainsi à une intégration du débit.One of the particular characteristics of this embodiment consists in taking into account all of the fluid velocities of the section of fluid stream considered, thus proceeding with an integration of the flow rate.
Sur les figures 3 et 4, on distingue un support isolant 7 sur lequel a été déposée, par sérigraphie ou par évaporation sous vide, une couche conductrice 4 parcourue par un courant électrique et qui sert de source de chaleur, une couche isolante 5 à base de verre ou d'un produit similaire également déposee par sérigraphie, un revêtement de mesure 6 qui peut être composé d'un mélange de verre et de poudre de nickel. Ce revêtement de nickel (figure 4) a été partagé en deux résistances de mesure 6a et 6b. Suivant que le fluide vient de la gauche ou de la droite de -la figure, la résistance 6b, ou au contraire la 6a, sera plus chaude ou moins dissipante car le fluide se sera échauffé au contact de la première surface rencontrée. Il est ainsi possible de distinguer le sens de circulation du fluide.Si les résistances sont égales c'est que la vitesse moyenne est nulle.In Figures 3 and 4, there is an insulating support 7 on which has been deposited, by screen printing or by vacuum evaporation, a conductive layer 4 traversed by an electric current and which serves as a heat source, an insulating layer 5 based of glass or a similar product also deposited by screen printing, a coating of measurement 6 which may be composed of a mixture of glass and nickel powder. This nickel coating (Figure 4) was divided into two measurement resistors 6a and 6b. Depending on whether the fluid comes from the left or from the right of the figure, the resistor 6b, or on the contrary the 6a, will be hotter or less dissipating because the fluid will have heated up in contact with the first surface encountered. It is thus possible to distinguish the direction of circulation of the fluid. If the resistances are equal it is that the average speed is zero.
ta figure 5 correspond à une forme de réalisation similaire dans laquelle- le support de base 7 est un matériau semi-conducteur et notamment du silicium monocristallin. On distingue une zone diffusée 4 avec un taux détermine d'accepteurs ou de donneurs qui constitue la résistance de chauffage. Une couche isolante thermique 5 est constituée d'un oxyde du genre SiO2 formé à la surface. Par dessus celle-ci on a déposé par décomposition gazeuse ou unprocédé équivalent, un revêtement de surface 6 dont la résistance varie avec la température, c'est titred'exemple du silicium polycristallin, sur lequel on a préparé une couche très mince de matériau -protecteur 8 qui sera usuellement du dioxyde de silicium SiO2.FIG. 5 corresponds to a similar embodiment in which the base support 7 is a semiconductor material and in particular monocrystalline silicon. There is a diffused zone 4 with a determined rate of acceptors or donors which constitutes the heating resistance. A thermal insulating layer 5 consists of an oxide of the genus SiO2 formed on the surface. On top of this, a surface coating 6 whose resistance varies with temperature has been deposited by gas decomposition or an equivalent process, this is the example of polycrystalline silicon, on which a very thin layer of material has been prepared - protector 8 which will usually be silicon dioxide SiO2.
La figure 6 correspond à une forme de réalisation dérivée de la figure 5 dans laquelle le support en matériau semi-conducteur constitue lui-mne la couche chauffante 4. Pour la régularité de chauffage du support, il est nécessaire de prévoir une échancrure 17 qui donne à la piece la forme d'un U renverse.FIG. 6 corresponds to an embodiment derived from FIG. 5 in which the support made of semiconductor material itself constitutes the heating layer 4. For the regularity of heating of the support, it is necessary to provide a notch 17 which gives piece-shaped, the shape of a U overturns.
Comme pour la figure 4 on a prévu deux revêtements de mesure 6a et 6b pour distinguer le sens d'écoulement du fluide.As in FIG. 4, two measuring coatings 6a and 6b are provided to distinguish the direction of flow of the fluid.
Les formes de réalisation décrites par les figures 1 à 6 demandent, en général, une mesure de température du fluide extérieure au dispositif. I1 est cependant possible, si les variations de débit du fluide sont lentes, d'opérer de manière séquentielle, c'est-à-dire de mesurer la température du fluide par le revêtement 6, d'appliquer ensuite le chauffage sur 4, de lire la nouvelle valeur indiquée par le revêtement 6 et de recommencer l'opération.The embodiments described in Figures 1 to 6 require, in general, a temperature measurement of the fluid external to the device. It is however possible, if the variations in the flow rate of the fluid are slow, to operate sequentially, that is to say to measure the temperature of the fluid by the coating 6, then apply the heating to 4, read the new value indicated by coating 6 and repeat the operation.
La figure 7 décrit une variante plus perfectionnée du dispositif, incluant un moyen de mesure en continu de la température du fluide.FIG. 7 describes a more improved variant of the device, including means for continuously measuring the temperature of the fluid.
Le dispositif comprend alors 2 plaques support 7 et 9 disposées parallèlement au sens de déplacement du fluide et à une petite distance l'une de l'autre. La plaque 7 correspond au dispositif selon les figures 4 ou 6, revêtement 6a, 6b de mesure vers l'intérieur, avec en vis-à-vis, déposé sur l'autre plaque 9, une couche réfléchissante 16, tandis que sur la face extérieure de la plaque 9 est disposé un revêtement 10 de mesure de la température du fluide. Cette mesure de température aux bornes de 10 permet, par exemple, de maintenir un écart de température constant entre la source de chaleur 4 ou encore la moyenne des températures de révêtements de mesure 6a, 6b et la température du fluide.La mesure de la température de la source de chaleur est facile si le matériau qui la constitue a une résistance électrique dépendant de la température.The device then comprises 2 support plates 7 and 9 arranged parallel to the direction of movement of the fluid and at a small distance from each other. The plate 7 corresponds to the device according to FIGS. 4 or 6, coating 6a, 6b for measuring inwards, with, opposite, deposited on the other plate 9, a reflective layer 16, while on the face outside of the plate 9 is disposed a coating 10 for measuring the temperature of the fluid. This temperature measurement at the terminals of 10 makes it possible, for example, to maintain a constant temperature difference between the heat source 4 or even the average of the measurement coating temperatures 6a, 6b and the temperature of the fluid. heat source is easy if the material of which it is made has an electrical resistance dependent on the temperature.
Ces formes décrites de réalisation de l'invention sous formes de barreau ou de plaque ne sont, bien entendu, pas limitatives de la portée de celle-ci. Le dispositif peut notamment être réalisé sous une forme annulaire et faisant partie de la paroi de la conduite.These described embodiments of the invention in the form of bars or plates are, of course, not limitative of the scope thereof. The device can in particular be produced in an annular form and forming part of the wall of the pipe.
Les éléments constitutifs du dispositif sont alors disposés de la façon suivante, en allant de l'extérieur de la conduite vers tinté rieur : la source de chaleur, le matériau à conductibilité thermique faible, le ou les revêtements intérieurs sensibles à la température.The components of the device are then arranged in the following manner, going from the outside of the pipe towards tintéieur: the heat source, the material with low thermal conductivity, the interior coating or coatings sensitive to temperature.
Il est souvent indiqué de placer dans la conduite, en amont du dispositif, un moyen de régularisation de l'écoulement ou, si cela est impossible, au contraire, un moyen créant un écoulement tourbillonnaire rapide, à une fréquence supérieure à celle des variations de débit, ceci en vue d'égaliser les vitesses d'écoulement suivant une section perpendiculaire à la conduite. It is often advisable to place in the pipe, upstream of the device, a means of regulating the flow or, if this is impossible, on the contrary, a means creating a rapid vortex flow, at a frequency greater than that of the variations of flow, this in order to equalize the flow velocities along a section perpendicular to the pipe.
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