FR2576688A1 - Dispositif de mesure de la conductivite thermique de gaz - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIF DE MESURE DE LA CONDUCTIVITE THERMIQUE DE GAZ A L'AIDE D'UNE PREMIERE RESISTANCE DE MESURE 21, CHAUFFEE, FONCTION DE LA TEMPERATURE, INSEREE ELECTRIQUEMENT DANS UN PONT DE MESURE ET MONTEE DANS UNE DERIVATION 3, 13, 10, 14, 4 SUR UN CANAL PRINCIPAL 1. AFIN DE RENDRE UN TEL DISPOSITIF PRATIQUEMENT INDEPENDANT DE LA VITESSE D'ECOULEMENT, UNE SECONDE RESISTANCE DE MESURE 22, CHAUFFEE ET FONCTION DE LA TEMPERATURE, EST DISPOSEE A PROXIMITE IMMEDIATE DE LA PREMIERE 21, LES DEUX RESISTANCES DE MESURE SE SUCCEDANT DANS LE SENS DU CIRCUIT D'ECOULEMENT 27. LES DEUX RESISTANCES DE MESURE 21, 22 SONT EN OUTRE INSEREES DANS DES BRANCHES OPPOSEES DU PONT DE MESURE.
Description
La présente invention concerne un dispositif de mesure de la conductivité
thermique de gaz à l'aide d'une première résistance de mesure chauffée, fonction de la température, insérée électriquement dans un pont de mesure et montée dans une dérivation sur un canal principal. De tels dispositifs sont habituellement utilisés dans des analyseurs de gaz, car ils distinguent les divers gaz par leurs conductivités thermiques différentes. Le principal inconvénient de tels dispositifs et résistances de mesure résident dans le fait que les valeurs mesurées dépendent fortement de la vitesse d'écoulement du fluide analysé. Une vitesse d'écoulement plus élevée par exemple simule une plus grande conductivité thermique, c'est-àdire que la stabilité du signal de sortie dépend de débits variables. On peut exprimer ce comportement en disant que le capteur n'est pas à même de distinguer entre un refroidissement produit par écoulement et un
écoulement résultant de la conduction thermique.
Il est toutefois impossible de renoncer à un écoulement, car la composition du gaz risque de varier et une vitesse de réponse
appropriée est en outre requise.
Deux conditions diamétralement opposées s'imposent ainsi: l'exigence d'une précision de mesure élevée et l'exigence d'une vitesse
de réponse élevée.
Un dispositif du type précité est décrit dans la demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne publiée sous le n0 21 56 752, figure 6. L'influence de la vitesse d'écoulement est réduite dans ce cas en disposant le capteur de température dans une
dérivation, c'est-à-dire en ne le soumettant qu'à un écoulement par-
tiel. Plus la vitesse d'écoulement dans la dérivation est faible, plus la valeur mesurée est précise et plus le temps de réponse est
long, et réciproquement.
Lorsqu'un échange gazeux par écoulement est totalement supprimé dans le cas limite, la précision de mesure est relativement élevée, mais le temps de réponse extrêmement long. Un tel capteur, également appelé "cellule de diffusion" par suite du principe de l'échange
gazeux, est décrit dans le brevet de la République fédérale d'Alle-
25.76688
magne n 29 52 137. Un volume particulièrement faible de la cellule
de mesure doit supprimer même une convection produite par des diffé-
rences de température. La mesure proprement dite s'effectue par
transport d'énergie du fait de la conduction thermique entre un fila-
ment de chauffage et un fil de mesure de température. Malgré sa miniaturisation importante, cette solution d'un type différant de celui
de l'invention présente toutefois l'inconvénient d'une inertie impor-
tante.
L'invention a pour objet un dispositif du type décrit en intro-
duction, c'est-à-dire comportant une dérivation, et ne présentant qu'une sensibilité extrêmement faible à l'écoulement malgré une vitesse de
réponse élevée.
Selon une caractéristique essentielle de l'invention,
a) une seconde résistance de mesure, chauffée et fonction de la tempé-
rature, est disposée à proximité immédiate de la première, les
deux résistances de mesure se succédant dans le sens de l'écoule-
ment; et b) les deux résistances de mesure sont insérées électriquement dans
des branches opposées du-pont de mesure.
La combinaison des deux dispositions produit une compensation de la sensibilité à l'écoulement que présentent toujours les résistances de mesure. Tant que la vitesse d'écoulement est nulle, il s'établit dans l'environnement immédiat des deux résistances de mesure chauffées
un gradient de température symétrique par rapport à un plan de symé-
trie entre les deux résistances de mesure. Les valeurs des deux résis-
tances de mesure sont donc égales théoriquement. Dès qu'un écoulement se produit, le maximum de température se décale vers la résistance de
mesure située en aval, par suite du transport de chaleur supplémentaire.
La différence des valeurs des résistances résultant de cettte diffé-
rence de température est une mesure de la vitesse d'écoulement et de la conductivité thermique du gaz ou mélange gazeux considéré.-Les
deux résistances de mesure étant selon l'invention insérées électrique-
ment dans des branches opposées du pont de mesure, l'influence de
la vitesse d'écoulement agissant en sens inverse sur les deux résis-
tances de mesure-est compensée, mais non l'influence de la conducti-
vité thermique agissant dans le même sens sur les deux résistances de mesure. Il va de soi qu'une miniaturisation du volume et des circuits d'écoulement de la cellule de mesure est avantageuse aussi dans le cas de la solution selon l'invention, mais cette nécessité n'est pas aussi critique que dans le cas de l'objet du brevet de la
République fédérale d'Allemagne n 29 52 137.
Le rapport de l'écoulement dérivé à l'écoulement total peut par exemple être dimensionné à 1/1000. Pour un volume de cellule d'environ 5 mm3, on obtient alors une constante de temps d'environ
0,3 seconde imposée par le blayage. Des résistances de mesure réali-
sées en conséquence avec un matériau d'une épaisseur de 5 pm par exemple permettent d'obtenir une constante de temps du capteur
inférieure à 0,1 seconde et par suite des temps de réponse infé-
rieurs à 0,4 seconde. La description détaillée ci-après montrera
qu'il est encore possible de réduire ces valeurs.
Il est certes connu, par le modèle d'utilité de la République fédérale d'Allemagne n 1 920 597 et la demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne publiée-sous le n 1 256 909, de monter successivement des résistances de mesure chauffées dans le sens de l'écoulement et de déceler les variations de résistance par un pont de mesure, mais cette disposition se fait dans un but opposé, à savoir déterminer des débits-masse. Les résistances de
mesure chauffées et fonction de la température sont en outre insé-
rées dans la même branche du pont, de sorte que la transmission de
chaleur par l'écoulement exerce une influence cumulative.
Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, les deux résistances de mesure sont réalisées en grecques et disposées dans une fenêtre débouchante d'un support, qui
peut être constitué par la superposition de trois plaquettes isolan-
tes identiques.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le support est disposé entre des plaquettes céramiques, dont chacune comporte sa propre résistance de chauffage, qui porte la cellule de
mesure à une température maintenue constante par régulation.
Le chauffage thermostaté de la cellule de mesure assure une précision de mesure supplémentaire, car la conduction thermique en
direction de la paroi de la cellule est proportionnelle à la diffé-
rence de température de la résistance de mesure et de la paroi de
la cellule.
D'autres caractéristiques et avantages seront mieux compris
à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'un exemple de réa-
lisation et des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale des canaux d'une cellule de mesure montée radialement sur un canal principal; la figure 2 est le plan du support constitué par la superposition de plaquettes isolantes; la figure 3 représente un extrait à plus grande échelle de la figure 1, à savoir le support incluant la plaquette centrale selon figure 2; la figure 4 représente le branchement électrique des résistances de mesure dans un pont de mesure; et la figure 5 représente la caractéristique de variation des deux
résistances de mesure en fonction de la vitesse d'écoulement.
La figure 1 représente un canal principal 1, avec un alésage lon-
gitudinal 2 d'un diamètre de.3 mm par exemple. Le canal principal présente deux alésages de dérivation 3 et 4 radiaux, très rapprochés et d'un diamètre de 0,5 mm chacun. Au voisinage de ces alésages de
dérivation, le canal principal 1 est muni d'une échancrure 5 présen-
tant une base plane 6.
La cellule de mesure 7 proprement dite, décrite ci-dessous, est
placée sur la base plane 6. Elle est solidarisée avec le canal princi-
pal 1 par une masse coulée 8, une résine silicone par exemple.
L'élément central de la cellule de mesure 7 est un support 9 présentantune fenêtre 10 dont les détails sont décrits ci-dessous
à l'aide de la figure 3. Le support 9 est disposé entre deux pla-
quettes céramiques 11 et 12, dont une présente un canal 13 vers la fenêtre 10 et l'autre un canal 14 partant de la fenêtre. Les deux canaux 13 et 14 communiquent avec les alésages de dérivation radiaux
3 ou 4, de sorte que l'écoulement incdiqué par des flèches peut cir-
culer dans la fenêtre 10. -
Les plaquettes céramiques 11 et 12 portent chacune sur leur face extérieure une résistance de chauffage 15 ou 16, réalisée sous forme d'une résistance à couche mince de platine. Les deux résistances de chauffage constituent simultanément les résistances de mesure pour
la régulation thermostatée de température de la cellule 7. Cette com-
binaison du chauffage et de la régulation présente une remarquable
précision de réglage et une très bonne stabilité de température. L'ali-
mentation des résistances de chauffage 15 et 16 est assurée par des lignes 17 ou 18. La cellule de mesure 7 est en outre munie d'un arrêt
de traction 19 en verre, également enrobé dans la masse coulée 8.
L'épaisseur des plaquettes céramiques 11 et 12 est de 0,6 mm, ce qui
illustre déjà l'encombrement réduit du dispositif complet.
La figure 2 représente la plaquette isolante centrale 20 du sup-
port 9 avec la fenêtre 10 sensiblement carrée. Deux résistances de
mesure 21 et 22 en grecques, dont seule la résistances 21 est repré-
sentée sur la figure 2, sont disposées sur les deux faces de la plaquette 20 et recouvrent plusieurs fois la fenêtre. Les extrémités
de chaque résistance de mesure aboutissent à des contacts 23 et 24.
Les résistances de mesure peuvent être produites par exemple par
masquage et attaque chimique d'une plaquette de nickel d'une épais-
seur de 5 pm.
La figure 3 représente le logement de la plaquette centrale 20 entre deux autres plaquettes isolantes 25 et 26 présentant des fenêtres de mêmes dimensions et superposées. Le montage est réalisé de
façon que la première résistance de mesure 21 se trouve entre la pre-
mière plaquette 25 et la deuxième plaquette 20 (centrale), et la seconde résistance de mesure 22 entre la deuxième plaquette 20 et la troisième plaquette 26, les résistances de mesure recouvrant les
fenêtres superposées de la façon indiquée sur la figure 2. Les diver-
ses fenêtres 10 forment ainsi un circuit d'écoulement 27, symbolisé par la flèche et dans lequel les deux résistances de mesure 21 et
22 se succèdent.
La figure 4 représente le pont de mesure dont les diverses
branches contiennent les résistances R1,, R R3 et R4. Les résistan-
ces R et R constituent les résistances de mesure 22 ou 21 et la tension prélevée aux bornes de la diagonale du pont est une mesure
de la conductivité thermique du gaz se trouvant dans le circuit 27.
La compensation de l'influence de l'écoulement résulte de la transmission de chaleur produite par ce dernier de la résistance de
mesure 21 vers la résistance de mesure 22. Le montage des résis-
tances de mesure 21 et 22 dans des branches opposées du pont de mesure produit un effet cumulatif de la conduction thermique, tandis que la transmission de chaleur par l'écoulement produit un effet soustractif, car l'énergie thermique évacuée de la résistance de mesure 21 est fournie à la résistance de mesure 22. On obtient par
suite une compensation de l'influence de l'écoulement dans cer-
taines limites de la caractéristique représentée à la figure 5. Le domaine de compensation linéaire des deux résistances de mesure utilisées s'étend ainsi selon figure 5 jusqu'à 1000 mm3/s environ, de sorte que la compensation de la vitesse d'écoulement est garantie pour un débit total de 1 1/mn dans le canal principal 1 et un débit de 1/1000 dans la dérivation. Cette dernière est constituée selon figure 1 par le perçage de dérivation 3, le canal radial 13, le groupe de fenêtres 10, le canal radial 14 et le perçage de dérivation 4. Dans un exemple de réalisation selon figure 1, le volume de la chambre de la cellule de mesure 7, c'està-dire le volume des canaux 13, 14 et des fenêtres 10, est d'environ 1 mm3. Les deux résistances de mesure 21 et 22 recouvrent une surface de fenêtre de 1 x 1 mm et présentent une valeur de 22,5 Q. La vitesse de réponse ou temps T90 de cet exemple de réalisation est de 800 ms avec une influence de
l'écoulement pratiquement imperceptible ou une compensation de l'écou-
lement parfaitement suffisante.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans
sortir du cadre de l'invention.
257<
Claims (7)
1. Dispositif de mesure de la conductivité thermique de gaz à l'aide d'une première résistance de mesure chauffée, fonction de la température, insérée électriquement dans un pont de mesure et montée dans une dérivation sur un canal principal, ledit dispositif étant caractérisé en ce que a) une seconde résistance de mesure (22), chauffée et fonction de
la température, est disposée à proximité immédiate de la pre-
mière (21), les deux résistances de mesure se succédant dans le sens du circuit d'écoulement (27); et
b) les deux résistances de mesure (21, 22) sont insérées électri-
quement dans des branches opposées du pont de mesure.
2. Cellule de mesure pour le dispositif selon revendication 1, caractérisée en ce que les deux résistances de mesure (21, 22) sont réalisées en grecques et disposées dans une fenêtre (10) débouchante
d'un support (9).
3. Cellule de mesure selon revendication 2, caractérisée en ce
que le support (9) est constitué par deux trois plaquettes iso-
lantes (20, 25, 26) présentant chacune une fenetre (10) identique et superposées; la première résistance de mesure (21) est fixée entre la première (25) et la deuxième plaquette (20), et la seconde résistance de mesure (22) entre la deuxième (20) et la troisième plaquette (26),
et recouvrent les fenêtres identiques.
4. Cellule de mesure selon revendication 2, caractérisée en ce que le support (9) est fixézentre deux plaquettes céramiques (11, 12), dont chacune présente un canal (13, 14) aboutissant à ou partant de la fenêtre (10), lesdits canaux débouchant dans le canal principal (1).
5. Cellule de mesure selon revendication 4, caractérisée en ce que
les plaquettes céramiques (11, 12) sont munies chacune d'une résis-
tance de chauffage (15, 16) qui permet le chauffage avec régulation
de la cellule de mesure (7) à une température constante.
6. Cellule de mesure selon revendication 2, caractérisée en ce que le volume total de la dérivation à l'intérieur de la cellule de
mesure est inférieur à 5 mm3, et de préférence inférieur à 1 mm3.
257668f
7. Cellule de mesure selon revendication 4, caractérisée en ce que les plaquettes céramiques (11, 12) et le support (9) interposé sont
disposés sur une paroi latérale du canal principal (1)- avec orienta-
tion radiale des canaux (13, 14) desdites plaquettes par rapport au
canal (1).
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