EP3237863A1 - Procédé de détection d'un court-circuit dans un thermocouple - Google Patents

Procédé de détection d'un court-circuit dans un thermocouple

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EP3237863A1
EP3237863A1 EP15830794.2A EP15830794A EP3237863A1 EP 3237863 A1 EP3237863 A1 EP 3237863A1 EP 15830794 A EP15830794 A EP 15830794A EP 3237863 A1 EP3237863 A1 EP 3237863A1
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EP
European Patent Office
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thermocouple
electrical
temperature sensor
protective sheath
sensor
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Withdrawn
Application number
EP15830794.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Piotr ZAKRZEWSKI
Olivier Dixneuf
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Valeo Electrification SAS
Original Assignee
Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/02—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples

Definitions

  • thermocouple Method of detecting a short circuit in a thermocouple
  • the invention relates to a method for detecting a short-circuit in a thermocouple of a temperature sensor intended for the measurement of temperatures which can vary between -40 ° C. and + 1200 ° C., in particular in a heat engine group of a motor vehicle.
  • a temperature measuring device conventionally comprises a temperature sensor 2 extended by an extension cable 3 making it possible to connect the temperature sensor to a measuring device 4.
  • the temperature sensor 2 conventionally comprises a metal protective sheath and a stop 6, mounted on the protective sheath 5 and adapted according to the intended application.
  • the measuring apparatus 4 is intended to interpret the electrical signal supplied by the temperature sensor 2 and transmitted via the extension cable 3. This interpretation allows an evaluation of the temperature at which the end of the temperature sensor is subject.
  • the temperature sensor 2 conventionally comprises a thermocouple 7 and a mineral insulator.
  • the thermocouple wires 10 and 12 are embedded in the mineral insulator, with the exception of their ends which, on joining, constitute the hot spot 13.
  • the mineral insulator is made of alumina or magnesia, which allows the thermocouple to withstand environmental stresses, and especially at high temperatures.
  • FIG. 2 illustrates the principle of measurement by means of a thermocouple.
  • the temperature Ti at the hot point 13 can be evaluated as equal to the sum of the temperature T 0 at the cold point and a value depending on the electric potential difference or "voltage" AU. In the event of a short circuit between the two thermocouple wires, the value of the potential difference leads to an erroneous evaluation of the temperature at the hot point.
  • thermocouple wires are in contact only at the hot spot and the electrical resistance that can be measured between any two points of the thermocouple is always very weak. The occurrence of a short circuit does not substantially change the value of the electrical resistance across the thermocouple.
  • thermocouples are used in parallel. A comparison of the measurements of the different thermocouples makes it possible to detect a failure of one of them. This solution is however expensive and poorly adapted to automotive applications.
  • the object of the invention is to provide a solution for detecting a failure of a thermocouple, and thus to ensure the reliability of the temperature measurement, at a lower cost than that of previous solutions.
  • the invention proposes a method for detecting a short-circuit in a thermocouple of a temperature sensor, the method comprising the following steps:
  • thermocouple a) electrical solicitation of the thermocouple, said bias being variable as a function of time;
  • the electrical bias can in particular be in the form of a pulse (Dirac), a square signal or a sinusoidal signal.
  • a method according to the invention is implemented to detect a short-circuit in a thermocouple of a temperature sensor in an environment at a temperature which may vary between -40 ° C. and + 1200 ° C., and in particular in a thermal engine group of a motor vehicle.
  • the temperature sensor may be in particular disposed in their inlet inlet upstream of the injectors or in a fuel or oxidizer inlet pipe or in an exhaust pipe, in the exhaust pipe upstream of the turbine.
  • the temperature sensor comprises a mineral insulated cable having a metal protective sheath, and, inside the protective sheath, two thermocouple wires made of materials adapted to form a thermocouple.
  • the two thermocouple wires are insulated from each other and the protective sheath by means of the mineral insulator, with the exception of their ends constituting the hot spot.
  • the material pair of the first and second thermocouple wires is of the N or K type, preferably of the N type.
  • the mineral insulator is alumina and / or magnesia.
  • the protective sheath is metallic.
  • the outer diameter of the protective sheath is greater than 4 mm, preferably greater than or equal to 4.5 mm.
  • the temperature sensor comprises an attached cap (that is to say initially independent and preferably attached to the mineral insulated cable) protecting the hot spot.
  • the cap has a necking (referenced in FIG. 1), the outside diameter of which at the hot point is preferably less than 3.5 mm, or even less than 3 mm, or even less than 2 mm, or even less at 1, 5 mm. More preferably, the cap covers, after step d), more than 10%, more than 30%, more than 60%, more than 90%, preferably substantially 100% of the outer lateral surface of the protective sheath. .
  • the cap is hermetically fixed to the protective sheath, preferably by laser welding. More preferably, the cap is filled with an insulating material, preferably in the form of a powder, which is identical to or different from the inorganic insulator of the mineral insulated cable, preferably of a material chosen from alumina and / or magnesia. so that after fitting the cap, the ends of the thermocouple wires are insulated from the outside by said insulating material.
  • an insulating material preferably in the form of a powder, which is identical to or different from the inorganic insulator of the mineral insulated cable, preferably of a material chosen from alumina and / or magnesia.
  • FIG. 1 shows schematically a temperature measuring device
  • FIG. 2 illustrates the operation of a thermocouple
  • FIG. 3 shows schematically the electrical behavior of an elementary section of a transmission line
  • thermocouple temperature sensor shows schematically the electrical behavior of a thermocouple temperature sensor.
  • proximal and distal there are two sides of a temperature sensor according to the invention.
  • distal is that of the hot spot.
  • Hot spot conventionally refers to the junction between the two thermocouple wires, regardless of its temperature.
  • extension cable is the cable that connects the temperature sensor to the meter.
  • the temperature sensor extends from the hot spot to the proximal end of the mineral insulated cable.
  • a transmission line T can be conventionally modeled by first and second electrical conductors D-1 and D 2 arranged to carry an electrical signal from a source. , or “transmitter”, to a load, or “receiver”.
  • this model is an infinite series of elementary sections ⁇ of infinitesimal length d1 as schematically illustrated in FIG. 3.
  • Rd1, in ⁇ is the linear resistance, Cdl, in F, represents the linear capacitance, Ldl, in H , represents the linear inductance and Gd1, at S, represents the linear conductance.
  • This modeling of a transmission line makes it possible to establish propagation equations relating the electrical voltage gradient (evolution of the potential difference between the electrical conductors D-1 and D 2 per linear meter of transmission line). a point of the transmission line with the temporal evolution of the electrical intensity in the electrical conductor D- ⁇ at this point of the transmission line.
  • thermocouple temperature sensor can be simulated by means of a circuit as shown in FIG. 4, in the manner of a transmission line.
  • the electrical conductor D- ⁇ part of the meter and comprises in succession the electrical wire 16 which connects the meter to the first thermocouple wire 10, the first thermocouple wire 10, the second thermocouple wire 12 and the electrical wire 18 which connects the second thermocouple wire to the measuring apparatus 4.
  • the second electrical conductor D 2 is a ground wire constituted by the shielding of the extension cable (or an equivalent conductor) and the protective sheath 5 MIC mineral insulated cable.
  • the electrical conductors D-1 and D 2 are electrically connected via the mineral insulator, which corresponds to a capacitance C M ic and a conductance G M ic.
  • the electrical conductors D-1 and D 2 are connected by a capacitance C ex t and a conductance G ex-
  • thermocouple wires 10 and 12 are in different materials, and have resistors and inductances Rio and L 10 , and R 12 and L 12 , respectively.
  • the resistors and inductance in the extension cable can be ignored, as shown in FIG. 4.
  • the values of the resistors, inductances, capacitances and conductances of the model can be determined by measurements on the temperature sensor and the extension cable.
  • a variable electrical load as a function of time is injected upstream of the modeled circuit (step a)), preferably at the end of the extension cable connected to the measuring apparatus.
  • the electrical stress can be in particular a variation of the voltage u (t) between the ground and the electrical wire 16 of the extension cable connecting the first wire of the thermocouple to the measuring apparatus and / or a variation of intensity i (t) in this electrical wire.
  • the corresponding responses at the output of the circuit are denoted u '(t) and i' (t) in FIG. 4.
  • the electrical stress is transformed as it progresses in the circuit, depending on the values of the resistors, inductances, conductances and capacitors. This transformation is different depending on whether the circuit has a short circuit or not.
  • the downstream response preferably at the end of the extension cable connected to the meter, is measured (step b), and then analyzed for the presence of a short circuit. In particular, it can be compared to a standard response corresponding to normal operation (step c)).
  • step d If the comparison leads to the conclusion that a short circuit is present, an alert is sent (step d)).
  • the invention provides a method for reliably and cost-effectively determining the presence of a short circuit in a temperature sensor having a thermocouple.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
  • Testing Of Short-Circuits, Discontinuities, Leakage, Or Incorrect Line Connections (AREA)

Abstract

Procédé de détection d'un court-circuit dans un thermocouple d'un capteur de température, le procédé comportant les étapes suivantes: a) Sollicitation électrique du thermocouple, ladite sollicitation étant variable en fonction du temps; b) Réception d'une réponse à ladite sollicitation électrique; c) Comparaison de ladite réponse à une réponse-type; d) Alerte si ladite comparaison correspond à la présence d'un court-circuit.

Description

Procédé de détection d'un court-circuit dans un thermocouple. Domaine technique
L'invention concerne un procédé de détection d'un court-circuit dans un thermocouple d'un capteur de température destiné à la mesure de températures pouvant varier entre - 40°C et + 1200°C, notamment dans un groupe moteur thermique d'un véhicule automobile.
Art antérieur
Comme représenté sur la figure 1 , un dispositif de mesure de la température comporte classiquement un capteur de température 2 prolongé par un câble d'extension 3 permettant de connecter le capteur de température à un appareil de mesure 4. Le capteur de température 2 comporte classiquement une gaine de protection 5 métallique et une butée 6, montée sur la gaine de protection 5 et adaptée en fonction de l'application visée.
L'appareil de mesure 4 est destiné à interpréter le signal électrique fourni par le capteur de température 2 et transmis par l'intermédiaire du câble d'extension 3. Cette interprétation permet une évaluation de la température à laquelle l'extrémité du capteur de température est soumise.
A l'intérieur de la gaine de protection 5, le capteur de température 2 comporte classiquement un thermocouple 7 et un isolant minéral. Les fils de thermocouple 10 et 12 sont noyés dans l'isolant minéral, à l'exception de leurs extrémités qui, en se rejoignant, constituent le point chaud 13. Classiquement, l'isolant minéral est en alumine ou en magnésie, ce qui permet au thermocouple de résister aux contraintes environnementales, et notamment à des températures élevées.
La figure 2 illustre le principe d'une mesure au moyen d'un thermocouple. La température T-i au point chaud 13 peut être évaluée comme égale à la somme de la température T0 au point froid et d'une valeur dépendant de la différence de potentiel électrique ou « tension » AU. En cas de court-circuit entre les deux fils de thermocouple, la valeur de la différence de potentiel conduit à une évaluation erronée de la température au point chaud.
Classiquement, pour détecter un court-circuit entre deux points d'un circuit, on mesure la résistance électrique entre ces deux points. Ce procédé conventionnel n'est cependant pas adapté pour détecter la défaillance d'un thermocouple. En effet, en situation normale, les deux fils de thermocouple ne sont en contact qu'au point chaud et la résistance électrique qui peut être mesurée entre deux points quelconques du thermocouple est toujours très faible. L'apparition d'un court-circuit ne modifie donc pas sensiblement la valeur de la résistance électrique aux bornes du thermocouple.
Une solution, adoptée notamment par l'industrie aéronautique, consiste à mettre en œuvre plusieurs thermocouples en parallèle. Une comparaison des mesures des différents thermocouples permet de détecter une défaillance de l'un d'eux. Cette solution est cependant coûteuse et mal adaptée aux applications automobiles.
Le but de l'invention est de fournir une solution permettant de détecter une défaillance d'un thermocouple, et donc de garantir la fiabilité de la mesure de la température, à un coût moins élevé que celui des solutions antérieures. Résumé de l'invention
L'invention propose un procédé de détection d'un court-circuit dans un thermocouple d'un capteur de température, le procédé comportant les étapes suivantes:
a) sollicitation électrique du thermocouple, ladite sollicitation étant variable en fonction du temps ;
b) réception d'une réponse à ladite sollicitation électrique ;
c) comparaison de ladite réponse à une réponse-type ;
d) alerte si ladite comparaison correspond à la présence d'un court-circuit.
La sollicitation électrique peut en particulier présenter la forme d'une impulsion (Dirac), d'un signal carré ou d'un signal sinusoïdal.
De préférence, un procédé selon l'invention est mis en œuvre pour détecter un court- circuit dans un thermocouple d'un capteur de température dans un environnement à une température pouvant varier entre -40°C et + 1200°C, et en particulier dans un groupe moteur thermique d'un véhicule automobile.
Le capteur de température peut être en particulier disposé dans leur d'admission en amont des injecteurs ou dans une tubulure d'admission de carburant ou de comburant ou dans une tubulure d'échappement, dans la tubulure d'échappement en amont de la turbine.
De préférence encore, le capteur de température comporte un câble à isolant minéral comportant une gaine de protection métallique, et, à l'intérieur de la gaine de protection, deux fils de thermocouple en des matériaux adaptés pour former un thermocouple. Les deux fils de thermocouple sont isolés l'un de l'autre et de la gaine de protection au moyen de l'isolant minéral, à l'exception de leurs extrémités constituant le point chaud. De préférence, le couple de matériaux des premier et deuxième fils de thermocouple est de type N ou K, de préférence de type N.
De préférence, l'isolant minéral est en alumine et/ou en magnésie.
De préférence, la gaine de protection est métallique.
De préférence, le diamètre extérieur de la gaine de protection est supérieur à 4 mm, de préférence supérieur ou égal à 4,5 mm.
De préférence, le capteur de température comporte un capuchon rapporté (c'est-à-dire initialement indépendant et de préférence fixé sur le câble à isolant minéral) protégeant le point chaud. De préférence, le capuchon présente un rétreint (référencé 15 sur la figure 1 ), dont le diamètre extérieur au niveau du point chaud est de préférence inférieur à 3,5 mm, voire inférieur à 3 mm, voire inférieur à 2 mm, voire inférieur à 1 ,5 mm. De préférence encore, le capuchon recouvre, après l'étape d), plus de 10%, plus de 30%, plus de 60%, plus de 90%, de préférence sensiblement 100% de la surface latérale extérieure de la gaine de protection.
De préférence, le capuchon est fixé hermétiquement sur la gaine de protection, de préférence par soudure laser. De préférence encore le capuchon est rempli d'un matériau isolant, de préférence sous forme de poudre, identique ou différent de l'isolant minéral du câble à isolant minéral, de préférence en un matériau choisi parmi l'alumine et/ou la magnésie, de manière qu'après montage du capuchon, les extrémités des fils de thermocouple soient isolées de l'extérieur par ledit matériau isolant.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et à l'examen du dessin annexé dans lequel ;
- la figure 1 représente schématiquement un dispositif de mesure de température ;
- la figure 2 illustre le fonctionnement d'un thermocouple ;
- la figure 3 représente schématiquement le comportement électrique d'un tronçon élémentaire d'une ligne de transmission ;
- la figure 4 représente schématiquement le comportement électrique d'un capteur de température à thermocouple. Définitions
- Par « proximal » et « distal », on distingue les deux côtés d'un capteur de température selon l'invention. Le côté « distal » est celui du point chaud.
- Par « point chaud », on désigne classiquement la jonction entre les deux fils de thermocouple, indépendamment de sa température.
- Le "câble d'extension" est le câble qui connecte le capteur de température à l'appareil de mesure.
- Le capteur de température s'étend depuis le point chaud jusqu'à l'extrémité proximale du câble à isolant minéral.
- Par « comportant un », « présentant un » ou « comprenant un », on entend « comportant au moins un », sauf indication contraire.
- Des références identiques sont utilisées pour désigner des organes analogues dans les différentes figures.
Description détaillée
Une ligne de transmission T, bien connue dans le domaine de l'électronique, et en particulier de la télécommunication, peut être classiquement modélisée par des premier et deuxième conducteurs électriques D-ι et D2 agencés pour acheminer un signal électrique d'une source, ou "émetteur", vers une charge, ou "récepteur".
Plus précisément, ce modèle est une suite infinie de tronçons élémentaires δΤ de longueur infinitésimale dl tels que schématiquement illustrés sur la figure 3. Rdl, en Ω, est la résistance linéaire, Cdl, en F, représente la capacité linéaire, Ldl, en H, représente l'inductance linéaire et Gdl, en S, représente la conductance linéaire. Cette modélisation d'une ligne de transmission permet d'établir des équations de propagation mettant en relation le gradient de tension électrique (évolution de la différence de potentiel entre les conducteurs électriques D-ι et D2 par mètre linéaire de ligne de transmission) en un point de la ligne de transmission avec l'évolution temporelle de l'intensité électrique dans le conducteur électrique D-ι en ce point de la ligne de transmission. Cette modélisation permet également d'établir des équations de propagation mettant en relation le gradient de l'intensité électrique (évolution de l'intensité électrique par mètre linéaire de ligne de transmission en un point de la ligne de transmission) avec l'évolution temporelle de la tension électrique entre les conducteurs électriques D-ι et D2 en ce point de la ligne de transmission. Les inventeurs ont découvert que le comportement d'un capteur de température à thermocouple peut être simulé au moyen d'un circuit tel que représenté sur la figure 4, à la manière d'une ligne de transmission.
Le conducteur électrique D-\ part de l'appareil de mesure et comporte successivement le fil électrique 16 qui relie l'appareil de mesure au premier fil de thermocouple 10, le premier fil de thermocouple 10, le deuxième fil de thermocouple 12, puis le fil électrique 18 qui relie le deuxième fil de thermocouple à l'appareil de mesure 4. Le deuxième conducteur électrique D2 est un fil de masse constitué par le blindage du câble d'extension (ou un conducteur équivalent) et la gaine de protection 5 du câble à isolant minéral MIC.
Dans le câble à isolant minéral MIC, les conducteurs électriques D-ι et D2 sont connectés électriquement par l'intermédiaire de l'isolant minéral, ce qui correspond à une capacité CMic et une conductance GMic-
Dans le câble d'extension 3, les conducteurs électriques D-ι et D2 sont connectés par une capacité Cext et une conductance Gext-
Enfin, les premier et deuxième fils de thermocouple 10 et 12 sont dans des matériaux différents, et présentent des résistances et inductances Rio et L10, et R12 et L12, respectivement.
Dans un mode de réalisation, les résistances et inductance dans le câble d'extension peuvent être ignorées, comme représenté sur la figure 4.
Les valeurs des résistances, inductances, capacités et conductances du modèle peuvent être déterminées par des mesures sur le capteur de température et le câble d'extension.
Cette modélisation d'un capteur de température correspond à celle d'une série de lignes de transmission. Il est donc possible d'établir des équations de propagation, comme décrit précédemment et bien connu pour les lignes de transmission.
Une sollicitation électrique variable en fonction du temps est injectée en amont du circuit modélisé (étape a)), de préférence à l'extrémité du câble d'extension connectée à l'appareil de mesure. La sollicitation électrique peut être en particulier une variation de la tension u(t) entre la masse et le fil électrique 16 du câble d'extension connectant le premier fil du thermocouple à l'appareil de mesure et/ou une variation d'intensité i(t) dans ce fil électrique. Les réponses correspondantes, en sortie du circuit, sont notées u'(t) et i'(t) sur la figure 4. La sollicitation électrique est transformée à mesure de sa progression dans le circuit, en fonction des valeurs des résistances, inductances, conductances et capacités. Cette transformation est différente selon que le circuit comporte un court-circuit ou non.
La réponse en aval, de préférence à l'extrémité du câble d'extension connectée à l'appareil de mesure, est mesurée (étape b)), puis analysée afin de détecter la présence d'un court-circuit. Elle peut en particulier être comparée à une réponse-type correspondant à un fonctionnement normal (étape c)).
Si la comparaison conduit à la conclusion qu'un court-circuit est présent, une alerte est envoyée (étape d)).
Comme cela apparaît clairement à présent, l'invention fournit un procédé permettant de déterminer, de manière fiable et à un coût réduit, la présence d'un court-circuit dans un capteur de température comportant un thermocouple.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté, fourni à des fins illustratives seulement.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de détection d'un court-circuit dans un thermocouple d'un capteur de température, le procédé comportant les étapes suivantes:
a) sollicitation électrique du thermocouple, ladite sollicitation étant variable en fonction du temps ;
b) réception d'une réponse à ladite sollicitation électrique ;
c) comparaison de ladite réponse à une réponse-type ;
d) alerte si ladite comparaison correspond à la présence d'un court-circuit.
2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel, à l'étape a), la sollicitation électrique présente la forme d'une impulsion, d'un signal carré ou d'un signal sinusoïdal.
3. Capteur de température comportant un câble à isolant minéral comportant une gaine de protection métallique, et, à l'intérieur de la gaine de protection, deux fils de thermocouple (10, 12) en des matériaux adaptés pour former un thermocouple
(7).
4. Capteur selon la revendication 3, dans lequel l'isolant minéral est en alumine et/ou en magnésie.
5. Capteur selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel le diamètre extérieur de la gaine de protection métallique est supérieur à 4 mm.
6. Capteur selon l'une des revendications 3 à 5, dans lequel le capteur de température comporte un capuchon (15) rapporté protégeant le point chaud (13) du thermocouple (7).
7. Capteur selon la revendication 6, dans lequel le capuchon présente un rétreint, dont le diamètre extérieur au niveau du point chaud est inférieur à 3,5 mm.
8. Utilisation du capteur selon une des revendications 3 à 7, dans un groupe moteur thermique d'un véhicule automobile.
9. Utilisation du capteur selon une des revendications 3 à 7, dans un collecteur d'admission en amont des injecteurs ou dans une tubulure d'admission de carburant ou de comburant ou dans une tubulure d'échappement.
EP15830794.2A 2014-12-22 2015-12-14 Procédé de détection d'un court-circuit dans un thermocouple Withdrawn EP3237863A1 (fr)

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