FR1453433A

FR1453433A - Perfectionnements aux détecteurs de température et analogues, notamment pour la protection contre l'incendie, et aux dispositifs pour leur mise en oeuvre

Info

Publication number: FR1453433A
Application number: FR46282A
Authority: FR
Inventors: Jean Gacogne
Original assignee: PROT INCENDIE SOC GEN DE
Current assignee: PROT INCENDIE SOC GEN DE
Priority date: 1965-08-03
Filing date: 1965-08-03
Publication date: 1966-06-03

Description

Perfectionnements aux détecteurs de température et analogues, n#f_ai#ment pour la protection contre l'incendie, et aux dispositifs pour leur mise en ceuvre. La présente invention a trait aux détecteurs de température, notammentà ceux qu'on utilise en vue de signaler les débuts d'incendie. On sait quede tels détecteurs comportent fréquemment des résis tances électriques thermo-sensibles combinéesà des circuits appropriés de façon que la variation de résistance effective résultant de leur échauffement déclenche un processus de signalisation d'alarme, détermine la mise en action de moyens extinc teurs, etc. Les résistances du genre en question peuvent être soità coefficient de température posi tif (résistances enfil métallique, par exemple), soit à coefficient de température négatif (éléments dits thermistances). Les premières ont une caractéris tique ascendante substantiellement linéaire dans le domaine des températures usuelles, tandis que la caractéristique des secondes s'abaisse très rapide ment suivant une loi exponentielle, ce qui présente l'avantage d'une plus grande sensibilité. Les deux types présentent toutefois l'inconvénient d'être affec tés par les variations de la température ambiante, ce qui réduit évidemment la sensibilité qu'on peut attendre des détecteurs si l'on veut éviter les ris ques de déclenchement intempestifs. Pour pallier cet inconvénient l'on doit recourirà des dispositions plus compliquées.

La présente invention viseà permettre de réaliser des détecteurs de température, et notamment desdé- tecteurs d'incendie, qui comportent un seuil de fonctionnement déterminé au-dessous duquel ils sont substantiellement insensibles aux variations de tem pérature, alors qu'au contraire au-dessus ils peu vent présenter leur sensibilité maximale sans pour autant comporter un risque de déclenchement in tempestif tant que la température ambiante n'a pas dépassé le seuil prévu.

Suivant l'invention l'on utilise en guise de résis- tances détectrices des élénients semi-conducteurs pré sentant aux basses températures un coefficient de température presque nul, mais qui,à partir d'une température déterminée, dite point d'inversion, prend une forte valeur positive. On comprend que dans ces conditions le détecteur demeure pratique ment insensible aux variations de la température ambiante tant que cette dernière reste inférieure au point d'inversion, mais qu'au contraire au-dessus de celui-ci il puisse présenter une très grande sen sibilité sans que cette dernière puisse constituer un inconvénientà la seule condition que le point d'in version se situe au-dessus de la plus forte tempé rature susceptible d'être atteinte dans des conditions normales.

En pratique les éléments utilisés conformément à l'invention peuvent êtreà base de titanate de baryum. Aux basses températures le coefficient de température de tels éléments n'est pas rigoureuse ment nul, mais comporte une valeur négative suffi samment faible pour ne pas constituer une gêne pour l'agencement général et le bon fonctionnement du détecteur.A partir du point d'inversion, qui cor respondà un point de Curie, la structure cris talline des éléments du genre en question commence à passer du système tétragonal au système cubique; on entre alors dans la zone dite de transition et le coefficient de température prend brusquement une forte valeur positive particulièrement favorable pour l'application envisagée. La température conti nuantà s'élever, la modification cristalline s'achève et l'on sort de la zone de transition, le coefficient redevenant faible et négatif. Ce retourà un coeffi cient de température faiblement négatif pour les hautes températures ne peut d'ailleurs intervenir dans le fonctionnement normal d'un détecteur étant donné que celui-ci est le plus souvent agencé de telle manière qu'une fois l'alarme déclenchée, l'en semble ne puisse être ramenéà la position de repos que par intervention d'un opérateur, même si le signal qui a provoqué le déclenchement a disparu.

Le détecteur peut comporter un ou plusieursélé- ments du genre précité. Ces éléments peuvent être exposés de même manièreà la température am biante pour réaliser une détection purement ther- mostatique; en variante certains peuvent être rela tivement isolés de sorte que le détecteur est alors sensibleà la vitesse de variation de la tempéra ture (détection thermovélocimétrique) ; enfin l'on peut imaginer des combinaisons des deux modes de détection pour réaliser une plus grande sécurité.

L'invention vise encore des dispositions de cir cuits électriquesà transistors assurant la signalisa tion ou autre opération prévue, non seulement dans le cas d'une élévation de température anormale, mais également pour les incidents susceptibles d'af fecter le détecteur et de compromettre son fonc tionnement (coupure d'un conducteur, par exem ple).

Le dessin annexé, donnéà titre d'exemple, per mettra de mieux comprendre l'invention, les carac téristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer: Fi 'gure 1 indique un schéma simplifié de détec teur thermostatique établi suivant l'invention; Figure 2 montre Pallure de la courbe caracté ristique résistance-température des éléments semi- conducteurs utilisés dans ce schéma; Figure3 représente le schéma d'un détecteur ther- movélocimétrique; Figure-1 montre l'allure des courbes de réponse résistance-temps des éléments semi-conducteurs dans le schéma defigure3; Fipre 5 indique le schéma d'un détecteurà la fois thermostatique et thermovélocimétrique; Figure6 montre l'allure des courbes de réponse des éléments semi-conducteurs de figure5 en détec tion thermovélocimétrique; Figure7 montre l'allure des courbes de réponse en détection thermostatique, c'est-à-dire des carac téristiques résistance- température de ces mêmesélé- ments de figure5; Figure8 représente en coupecomment l'on peut disposer les éléments semi-conducteurs de figure5 dans une forme de réalisation pratique; Figure9 est un schéma montrant comment l'on peut grouper sur un seul circuit plusieurs détecteurs élémentaires séparés du genre de celui de figure5; Figure10 montre une première forme d'exécution d'un ensemble de circuitsà transistors propreà remplacer le pont de Wheatstone de figures5 ou9; Figure11 indique une autre forme d'exécution; Figures 12 et13 sont des vues partiellesde sché mas du genre de celui de figure11, mais adaptés à d'autres genres de détecteurs. Dans le schéma de figure1 une source de cou rant1 alimente un pont Wheatstone ABCD. Deux branches opposées AB etDC de ce pont sont cons tituées par des éléments semi-conducteurs 2, 2' du genre précité, tandis que les deux autres branches sont établiesà l'aide de résistances3, 3' à coeffi cient de température nul ou très faible (constan- tan, manganine). Dans la diagonale du pont est disposé un appareil 4 propreà déceler le déséqui libre (galvanomètre, relais, circuità déclenche ment, etc.).

Le pont est équilibré pour une températuredé- terminée quelconque qu'on supposera être égaleà 0 OC pour simplifier les idées. Lorsque la tempéra ture ambiante s'élève, les deux résistances3, 3' ou résistances d'équilibre ne varient pas. Quant aux éléments 2, 2, comme ils se trouvent en-dessous de leur point d'inversion, ils présentent un coefficient de température négatif très faible, de sorte que la valeur de leur résistance ohmique s'abaisse de façon presque insensible comme indiqué enMN en figure 2, dans laquelle les abscisses correspondent aux tem pératures T et les ordonnées aux résistances R. Tou tefois lorsque la température atteint le point d'in version I, le coefficient de température desditsélé- ments 2, 2' devient brusquement positif et très grand, de sorte que leur résistance ohmique aug mente ensuite très fortement avec la température, comme l'indique la courbe NP.

On conçoit aisément que l'appareil détecteur de déséquilibre4, même établi sous forme relativement sensible, puisse ne pas être affecté par la très faible diminution de la résistance ohmique des éléments 2, 2' entre0 OC et le point d'inversion1 (partie MN de la courbe), mais que ce même appareil soit actionné dès qu'on aura dépassé le pointN de la courbe, c'est-à-dire la température d'inversion I. On aura donc bien réalisé un détecteur de température dont la sensibilité n'est mise en #uvre qu'à partir d'une limite1. Si cette limite correspondà la plus forte température ambiante qu'on puisse normale ment rencontrer, le schéma de figure1 résout le problème de la détection thermostatique des incen dies.

Dans le schéma de figure3 les deux éléments thermosensibles 2. 2' sont disposés sur deux branches successives AB et BC du pont, mais l'un d'eux est entouré d'une enveloppe calorifuge5 qui l'isole quelque peu de l'ambiance. Les deux résis tances d'équilibre3, 3' occupent les deux autres branchesAD etDC du pont.

On conçoit que si la température s'élève très len tement, les deux éléments thermosensibles 2, 2' sont affectés de même manière et l'appareil 4 ne répond pas. Si au contraire, par suite d'un début d'incendie ou pour toute autre cause, l'élévation de température est rapide. l'élément 2' s'échauffe moins vite que l'élément 2. Le pont se déséquilibre donc dès que l'on a dépassé le point d'inversion, en pro voquant ainsi l'actionnement de l'appareil 4. Pour mieux faire ressortir ce fonctionnement on se réfè- rera à la figure 4 dans laquelle les ordonnées re présentent toujours les résistances ohmiques R, tandis que les abscisses correspondent non plus aux températures, comme en figure 2, mais aux temps t. Au départ (temps zéro) les deux éléments thermo- sensibles sontà la même température (OOC par exemple) et présentent donc la même valeur OM. On appliqueà l'ensemble une brusque élévation de température. L'élément thermosensible 2 qui se trouve dans la branche BC suit pratiquement l'am biance de sorte qu'au bout d'un tempsil très court, il atteint le point d'inversion; sa résistance croît ensuite très vite comme indiqué par la courbe P. Au contraire l'élément thermosensible 2' qui se trouve dans la branche BC s'échauffe beaucoup plus len tement et il n'atteint le point d'inversion qu'au bout d'un temps t,, bien supérieurà t,, comme indiqué par la courbe en traits interrompus MNT'. On voit qu'à partir du tempsil le pont sedé- séquilibre, de sorte que l'appareil 4 est actionné. Le schéma de figure 2 permet donc de réaliser une détection thermovélocimétrique qui ne fonctionne qu'au-dessus de la température d'inversion, c'est-à- dire qui reste insensible aux brusques variations de températures susceptibles de se produire norma lement par suite de courants d'air, par exemple.

Figure5 montre schématiquement comment on peut agencer des éléments semi-conducteurs du genre précité pour établir une détection combinée thermostatique et thermovélocimétrique. On a pré vu trois éléments thermosensibles 2, 2` et 2" du genre en question. Uélément 2 comporte un point d'inversion relativement bas et un coefficient de tem pérature positif modéré dans la zone de transition. L'élément 2' est identiqueà l'élément 2, mais il est en partie isolé de l'ambiance par une enveloppe5. Quantà l'élément 2", sa résistanceà froid est nette ment plus faible que celle des éléments 2 et 2', son point d'inversion est plus élevé et au-dessus de celui- ci son coefficient positif de température est beaucoup plus fort. Les éléments 2 et 2" sont montés en sé rie dans la branche AB du pont, l'élément calori fugé 2' étant disposé dans la branche BC.

Figure6 montre en fonction du temps la varia tion de la valeur des résistances des éléments 2, 2', 2" dans le cas où J'ensemble est affecté par une brusque élévation de température de l'ambiance. Au départ, c'est-à-direà la température initiale de0 OC par exemple, l'élément 2 présente une résistance OM. Comme il n'est pas calorifugé, il s'échauffe très rapidement avec l'ambiance elle-même et au bout d'un temps t, il atteint son point d'inversionà partir duquel sa résistance croît assez rapidement (courbe MN P). L'élément 2' présente une courbe de variation de résistance semblableà celle del'élé- ment 2, mais décalée dans le temps, puisqu'en rai sonde l'enveloppe5 il s'échauffe moins vite que l'ambiance. Si pour simplifier l'on néglige l'effet du faible coefficient négatif initial, cet élément 2 suit la courbeW N' P', étant entendu que le point M' coïncide avec le point M. Quantà l'élément 2/1 sa résistance initiale OW' est plus faible que celle des deux précédents. Silà encore on néglige le faible coefficient négatif initial, cette résistance reste constante assez longtemps, en raison du point d'inversion relativement élevé de cet élément; ce point n'est atteint qu'à un temps 12 nettement pos térieurà tl, maisà partir de cet instant (point N") la valeur de la résistance s'élève très rapide ment, le tout comme indiqué par la courbe M" N", P".

Si lors d'un début d'incendie la température am biante s'élève brusquement, le pont se déséquilibre au bout du temps t:L, lequel est en pratique très court, et l'alarme est déclenchée par l'appareil 4 (détection thermovélocimétrique). Si au contraire l'élévation de températurede l'ambiance est trop lente pour que les éléments 2 et 2' se comportent de façon nettement différente, c'est-à-dire pour que les courbes MN P etW N' P' se distinguent pra tiquement l'une de l'autre (fig. 7), le pont -demeure substantiellementà l'équilibre tant que la tempé rature n'a pas atteint le point d'inversion del'élé- ment 2", puisque les éléments 2 et 2' restent prati quement identiques l'unà l'autre et que la résis tanceà froid de l'élément 2`* est très faible.

Maisà partir de cette température la brusqueélé- vation de résistance de l'élément 2" provoque un déséquilibre notable déclenchant ainsi l'alarme. On a donc bien réalisé ainsi une détection thermosta- tique pure.

En pratique, et comme le montre figure8, l'élé- ment 2' peut être placéà l'intérieur du boîtier de connexion9 dans lequel arrive le câble10 propre à relier les éléments détecteurs au circuit d'alarme. Les éléments 2 et 2"' sont au contraire disposés extérieurement contre la face inférieure de ce boî tier.

Figure9 montre comment l'on peut monter en série plusieurs détecteurs élémentaires coopérant avec un même pont comparateur. 'Comme on peut le voir dans cette figure les éléments respectifs des divers détecteurs sont purement et simplement bran chés les unsà la suite des autres dans les deux branches AB et BC. En partant du pointA on rencontre donc le premier élément 2 du premier détecteur, le premier élément 2a du second et le premier élément2b du troisième et ainsi de suite. On comprend immédiatement que toute variationde résistance de l'un quelconque des éléments déter mine un déséquilibre du pont, l'isolement relatif des éléments 2', 2% 2'b assurant la détection ther- movélocimétrique. Bien entendu l'ordre desélé- ments dans chaque branche est sans importance. Dans ce qui précède on a supposé que le détec teur de température suivant l'invention comportait un montage en pont de 'Wheatstone de type classique avec, dans la diagonale verticale, un appareil éga lement classique (galvanomètre, relais, etc., éven tuellement combinéà un amplificateur). Mais con formémentà l'invention l'on utilise préférablement en guise de pont des dispositions de circuits élec triquesà transistors propresà assurer le déclen chement de l'alarme ou autre lors d'un incident quelconque susceptible d'affecter le fonctionnement.

Dans la disposition de figure10 le point intermé diaire B de la chaîne d'éléments 2, 2'. 2"-2a, 2'a, 21ta, etc., est reliéà un conducteur11. Entre ce conducteur11 et le conducteur négatif 12, relié au pointC, sont interposées successivement une diode 13 et la résistance1-1 d'un potentiomètre. On a d'autre part établi une première bascule compre nant deux transistors Ti et T, de typeN PN dont les collecteurs sont reliés au conducteur positif15 par des résistances individuelles16, respectivement 17, tandis que leurs deux émetteurs sont de leur côté reliés au conducteur négatif 12 par une résis tance commune18. La base du transistor T, est reliée au curseur19 du potentiomètre 14 tandis que celle du transistor T# est polarisée par un divi seur de tension 20, 21 branché entre le collecteur de T, et le conducteur négatif 12. La sortie 22 est prélevée sur le collecteur de T, Le potentiomètre 14 est réglé de façon que T, se trouveà l'état conducteur et T2à l'état non-conduc- teur.

Il est prévu une seconde bascule, rigoureusement identiqueà la précédente et que pour cette raison on a affecté des mêmes références avec l'indice a. Toutefois dans cette bascule le transistor Tla est régléà la non-conduction, c'est-à-direà l'inverse de ce qui est le cas pour la première bascule.

Dans ces conditions l'on comprend que toute va riation du potentiel du point B déclenche, suivant son sens, le basculement de l'une ou de l'autre des deux bascules, de telle sorte que le système détec teur commande l'alarme, soit par la sortie 22 soit par la sortie 22a. On est donc assuré d'avoir un déclenchement non seulement pour correspondreà la détection thermostatique ou thermovélocimé- trique d'un début d'incendie, mais encore lors de tout autre incident affectant l'équilibre général des circuits (Mauvais contact, coupure franche, court- circuit, etc.) .

Les sorties 22 et 22a peuvent être reliéesà des relais,à des thyratrons, etc., soit directement, soit par l'intermédiaire d'amplificateurs.

Dans la variante de figure11 le point intermé diaire B est relié par une résistance23 à l'émetteur d'un transistor uni-jonction UJT, du genre compre nant un émetteur 24 et deux bases25 et26. La base25 est directement reliée au conducteur néga tif 12, tandis qu'entre la base26 et le conducteur positif15 est interposée une résistance de charge 27. Une résistance variable28 est insérée entre le conducteur négatif 12 et le pointA de la chaîne détectrice. le pointC étant relié au conducteur posi tif15. Cette résistance28 permet de régler le poten tiel du point intermédiaire Bà une valeur légère ment inférieureà la tension de sommet du tran sistor UJT, de manière que celui-ci soità l'état faiblement conducteur. Dans ces conditions la ten sion entre ses deux bases25 et26 est élevée et le courant d'émetteur IE est pratiquement négligeable. Mais si pour une raison quelconque, et notamment par suite de la réponse de la chaîne détectrice à un commencement d'incendie, le potentiel du point B vientà s'élever la tension de sommet est atteinte et UJT devient conducteur. La tension entre l'émet teur et la base25 diminue brusquement jusqu'à la valeur connue sous le nom de tension de vallée . tandis que IE prend une valeur notable. On com prend qu'il est possible de brancher sur la base26 un relais ou autrc dispositif qui utilise la condur- tion de UJT pour déclencher l'alarme.

On peut d'autre part utiliser la chute de tension dans la résistance23 pour débloquer un transistor T#, de type PNP dont la base est polarisée par un potentiomètre29 branché entre l'émetteur 21 et le conducteur positif15. En effet lorsque UJT devient conducteur, sa tension d'émetteur s'abaisse en rai son de la présence de la résistance23, ce qui agit sur la base de T,. L'émetteur de T, est relié au conducteur15 par une résistance de contre-réaction 30. tandis que son circuit de collecteur est utilisé pour allumer une lampe ou voyant31 et pourdé- clencher l'alarme par une diode32. un potentiomètre 33 et un transistor amplificateur T, de tv # pe N.PN, dont le col!erteur alimente la sortie 34.

Il est important de noter que l'alarme ou signa lisation reste déclenchée après disparition de la cause de déséquilibre qui l'a provoquée, le passage du courant IF maintenant ce déséquilibre. Pour ra mener l'ensembleà la position de repos il faut cou per un court instant l'alirrentation générale ou court-circuiter momentanément la branche AB par un bouton de ré-enclenchement tel que35.

Il est facile de vérifier quelà encore, s'il apparaît un défaut quelconque. l'alarme déclenche également par suite de la variation correspondante du poten tiel du point intermédiaire B. Si ce potentiel s'élève, le déclenchement se produit comme en cas d'incen die. S'il s'abaisse. c'est le transistor T, quidé- clenche. la seule différence étant que l'alarme cesse dès que le défaut disparaît.

Si même l'ampoule signalisatrice 31 vientà gril ler . le faible courant résiduel de repos du transis tor T, passe alors par le potentiomètre33 et suffit pour déclencher le transistor de sortie T4. On peut encore remarquer que l'instaHation est insensible aux faibles variations de tension, du fait que le rapport tension de sommet/tension interbase reste constant pour un même transistor unijonction. Le dispositif n'exige donc qu'une stabilisation assez grossière de la source d'alimentation.

La même installation peut recevoir plusieurs chaînes différentes de détecteurs élémentaires dont les diodes de sortie viennent se brancher en paral lèle sur la diode32, comme indiqué en32'.

Il està noter que les schémas ou montages de figures10 et11 peuvent s'appliquerà la détection de tout seuil d'une grandeur électrique variable, que celle-ci représente une température, une pres sion, un niveau, etc.

A titre d'exemple figure 12 indique l'application du schéma de figure11 à la détection de tempéra ture par thermo-couples. Entre les points B etC on a disposé une résistance fixe35, tandis qu'entre les pointsA et B l'on a monté une série de thermo- couples détecteurs36. La résistance variable28 per met de régler l'ensemble au repos, de telle façon que le potentiel du point B soit légèrement infé rieurà la tension de sommet du transistor uni- jonction UJT (fig. 11). Dans ces conditions dès que les thermo-couples 36 sont soumisà une diffé rence de température entre leur soudure chaude et leur soudure froide, la légère force électro-motrice ainsi produite vient s'ajouterà la chute de tension dans la résistance28 pour déplacer le potentiel du point B et pour déclencher le basculement du tran sistor UJT en donnant ainsi J'alarme.

Dans la forme d'exécution de figure13 on a remplacé les thermo-couples 36 de figure 12 par des contacts37, normalement fermés. Le phénomène à détecter se traduit par l'ouverture de l'un au moins de ces contacts et il est clair qu'il provoque ainsi la variation du potentiel du point B pourdé- clencher l'alarme.

Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'inven tion dont on ne sortirait pas en remplaçant lesdé- tails d'exécution décrits par tous autres équivalents.

Claims

RÉSUMA I. Détecteur de température, notamment pour la protection des incendies, du genre comportant des résistances thermosensibles, remarquable en ce que ces résistances sont constituées par des éléments semi-conducteurs présentantà basse température un coefficient de température presque nul, mais qui,à partir d'une température déterminée ou point d'in version, prend une forte valeur positive, leditdé- tecteur pouvant en outre comporter les autres carac téristiques envisagées ci-après, séparément ou en combinaison: 10 Les éléments semi-conducteurs thermosen- sibles sontà base de titanate de baryum; 20 Le détecteur comporte, monté en série, un pre mier élémentà point d'inversion relativement bas età coefficient de température positif modéré, un second élément identique au premier, mais protégé de l'ambiance dans une certaine mesure, et un troi sième élémentà point d'inversion assez élevé età coefficient de température positif très fort, la détec tion s'opérant par déplacement du potentiel d'un point intermédiaire convenablement choisi. II. Montage de circuits électriques propreà dé- celer le seuil d'une grandeur électrique variable, représentative d'une température, d'une pression, d'un niveau, etc., comprenant deux chaînesd'élé- ments résistants ou propresà engendrer une force électro-motrice, et des moyens pour déclencher une signalisation en fonction des variations de potentiel du point intermédiaire, ledit montage pouvant en outre comporter les autres caractéristiques envisa gées ci-après, séparément ou en combinaison: 10 Il comporte deux basculesà transistors dont l'une est déclenchée par une élévation du potentiel du point intermédiaire, l'autre par un abaissement de ce potentiel; 20 Il comprend un transistor unijonction réglé de manièreà se trouver légèrement au-dessous de sa tension de sommet , de façonà déclencher l'a larme lorsque celle-ci est atteinte par déplacement dans un sens du potentiel du point intermédiaire, tandis qu'il est prévu un transistor triode quidé- clenche l'alarme pour une variation en sens inverse du potentiel dudit point.