CA2073688A1

CA2073688A1 - Appareil pour mesurer les proprietes physiques de fluides

Info

Publication number: CA2073688A1
Application number: CA002073688A
Authority: CA
Inventors: Pierre Favre
Original assignee: Individual
Current assignee: COSSONAY METEOROLOGY SYSTEMS SA
Priority date: 1990-11-13
Filing date: 1991-11-05
Publication date: 1992-05-14
Also published as: CH683800A5; EP0510143A1; JPH05503361A; WO1992008956A1

Abstract

2073688 9208956 PCTABS00130 L'appareil comprend deux capteurs du type thermique (11a, 11b) en matériaux résistant sans altération à une température de 650 ·C. Des sondes (15a, 15b) sont commandées par un microprocesseur (16), pour venir périodiquement et momentanément en contact avec ces capteurs, afin de calculer (par le microprocesseur (16)) la constante de temps thermique de ces capteurs présentant une couche de dépôt de produits de pollution de l'ambiance. Le microprocesseur (16) compare la valeur de cette constante de temps avec une valeur de consigne et commande la fermeture d'un interrupteur de shuntage (17) d'une résistance (18) qui, lorsqu'elle est court-circuitée, détermine un chauffage renforcé de ces capteurs les portant à une température d'incinération des matières organiques provenant de la pollution du milieu ambiant et déposées sur ces capteurs. Ainsi, les capteurs sont maintenus dans les conditions de propreté de leur surface assurant l'exactitude des informations fournies par ces capteurs en dehors des périodes de nettoyage.

Description

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.

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 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~
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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, 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.

Claims

Revendications

1. Appareil pour la mesure de propriétés physiques de fluides, comprenant au moins un capteur (fig. 2) en matériaux supportant sans altération une température de 650°C, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (15a, 15b, 16-19) d'auto-nettoyage par incinération des produits de la pollution du fluide ambiant déposés sur le ou les capteurs et modifiant les propriétés physiques de l'interface capteur résistif/fluide dans lequel se trouve l'appareil, et en ce que ce dispositif d'auto-nettoyage comprend un moyen de chauffage (15a, 15b) du ou des capteurs (11a, 11b) pour les porter momentanément à une température assurant l'incinération rapide desdits produits de la pollution déposés sur eux et des moyens de commande électrique (16, 17, 18, 19) dudit moyen de chauffage (15a, 15b) en fonction de l'état de pollution de la surface du ou des capteurs.

2. Appareil selon la revendication 1 et dans lequel le ou les capteurs (11a, 11b) sont du type thermique, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande électrique dudit moyen de chauffage pour le nettoyage comprennent une résistance électrique additionnelle (18) disposée en série avec u.. organe (15a, 15b) de chauffage électrique du capteur, destiné à assurer le chauffage de ce capteur à sa température de mesure des propriétés physiques du fluide ambiant, et comprennent en outre un commutateur (17) pour shunter cette résistance additionnelle (18) pendant les phases de nettoyage par incinération, pour produire alors le chauffage additionnel du capteur néces-saire pour ce nettoyage par incinération.

3. Appareil selon les revendications 1 et 2, carac-térisé en ce que les moyens de commande électrique dudit moyen de chauffage pour le nettoyage comprennent un timer réglable pour actionner périodiquement ledit com-mutateur (17) shuntant ladite résistance additionnelle (18), avec une périodicité réglée selon l'état de pollution du fluide ambiant, pour assurer automatiquement l'auto-nettoyage en temps utile.

4. Appareil selon les revendications 1 et 2, carac-térisé en ce que lesdits moyens de commande électrique comprennent une sonde (15a, 15b) prévue pour venir s'ap-pliquer périodiquement et automatiquement sur le capteur résistif (11a, 11b) et pour coopérer simultanément avec un circuit (16-19) agencé pour mesurer la constante de temps thermique de ce capteur (11a, 11b) revêtu d'une couche de produits de pollution déposés sur lui, et pour commander la mise en fonction du nettoyage par incinération de cette couche, lorsque la valeur mesurée de cette constante de temps atteint ou dépasse une valeur de consigne fixée d'avance.

5. Appareil selon les revendications 1 et 2, carac-térisé en ce que les moyens de commande électrique dudit moyen de chauffage additionnel, comprennent une commande manuelle dudit commutateur (17) pour shunter cette résis-tance additionnelle (18).