FR3028946A1

FR3028946A1 - Capteur de temperature

Info

Publication number: FR3028946A1
Application number: FR1461306A
Authority: FR
Inventors: Piotr Zakrzewski; Mahmoud Sfaxi; Nicolas Gelez; Olivier Dixneuf
Original assignee: Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Current assignee: Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2016-05-27
Anticipated expiration: 2034-11-21
Also published as: EP3221674A1; FR3028946B1; WO2016079447A1; CN107110711A; US20170356809A1; JP2017538928A

Abstract

L'invention concerne un capteur de température comportant un thermocouple (7) définissant un point chaud (13), ledit capteur de température comportant un câble à isolant minéral (14) de diamètre extérieur supérieur à 2 mm et inférieur à 5 mm et un tube de renfort (60) duquel le câble à isolant minéral fait saillie du côté du point chaud, de manière à constituer un rétreint.

Description

1 CAPTEUR DE TEMPERATURE Domaine technique L'invention concerne un capteur de température comportant un thermocouple 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 8, classiquement en alumine ou 20 en magnésie, ce qui permet au thermocouple de résister aux contraintes environnementales, et notamment à des températures élevées. Comme illustré sur la figure 2, le thermocouple 7 est un assemblage de premier et deuxième fils conducteurs, 10 et 12, respectivement, connectés l'un à l'autre et bout-àbout en un point chaud 13. La différence de potentiel AU aux bornes des premier et 25 deuxième fils conducteurs dépend de la différence entre la température au point chaud Ti et la température To auxdites bornes, suivant l'effet Seebeck, bien connu. Pour fabriquer un capteur de température destiné à des applications dans lesquelles la température peut varier entre -40°C et 1200°C, on procède classiquement suivant les étapes suivantes : 30 On fabrique d'abord un câble à isolant minéral 14, ou câble MIC (« mineral insulated cable », en anglais). 3028946 2 Un câble à isolant minéral comporte une gaine de protection 5 métallique, et, à l'intérieur de la gaine de protection 5, deux fils de thermocouple 10 et 12 en des matériaux adaptés pour former un thermocouple, les deux fils de thermocouple étant isolés l'un de l'autre et de la gaine de protection 5 au moyen de l'isolant minéral 8 (fig.3a). 5 Pour constituer la jonction entre les deux fils de thermocouple, ou « point chaud » 13, un peu d'isolant minéral est extrait d'une des extrémités du câble, par exemple par sablage ou grattage, typiquement sur une profondeur comprise entre 2 et 10 mm. A cette extrémité dite « distale », les deux fils de thermocouple émergent ainsi de l'isolant, tout en étant ceinturés par la gaine de protection 5 (fig. 3b). 10 Les deux parties terminales des fils de thermocouple ainsi dégagées sont rapprochées mécaniquement jusqu'à être mises en contact l'une avec l'autre, puis connectées, par exemple par soudure électrique (fig. 3c). La partie terminale évidée de la gaine de protection peut être ensuite, optionnellement, remplie de matériau isolant, identique ou différent de l'isolant minéral du câble à isolant 15 minéral, puis refermée de manière à protéger le thermocouple, par exemple par soudure électrique (fig. 3d). Par ailleurs, après fermeture de la gaine de protection 5 ou avant la découpe du câble à isolant minéral, on réalise classiquement un rétreint 15 sur la partie terminale distale de la gaine de protection 5, classiquement par tréfilage ou martelage. Le rétreint permet classiquement d'améliorer le temps de réponse du capteur de température. Un tel procédé de fabrication est cependant difficile à automatiser et implique actuellement des opérations manuelles délicates. Il existe donc un besoin pour une solution permettant de faciliter l'automatisation de la fabrication d'un capteur de température à thermocouple.

Un but de l'invention est de répondre à ce besoin. Résumé de l'invention L'invention propose un procédé de fabrication d'un capteur de température à thermocouple comportant les étapes successives suivantes : a) fabrication d'un câble à isolant minéral comportant deux fils de thermocouple s'étendant sur toute la longueur du câble et noyés dans un isolant minéral, l'isolant minéral étant ceinturé par une gaine de protection, le diamètre extérieur 3028946 3 du câble à isolant minéral étant supérieur à 2 mm et inférieur à 5 mm, de préférence inférieur à 4 mm ; b) extraction d'isolant minéral d'une des extrémités du câble à isolant minéral sur une profondeur comprise entre 2 et 7 mm de manière à dégager des parties 5 terminales des fils de thermocouple ; c) connexion des parties terminales des fils de thermocouple ainsi dégagées, de manière à constituer un point chaud de thermocouple ; d) protection dudit point chaud par encapsulation au moyen de la gaine de protection , 10 e) indépendamment des étapes précédentes, de préférence après l'étape d), protection de la gaine de protection au moyen d'un tube de renfort, le tube de renfort laissant dépasser ladite gaine de protection du côté dudit point chaud (côté distal). Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, la combinaison d'un 15 câble à isolant minéral de petit diamètre et d'un tube de renfort recevant le câble à isolant minéral permet de former un rétreint et donc de limiter, voire de supprimer le rétreint classiquement formé par déformation de la gaine de protection. L'automatisation du procédé de fabrication en est considérablement simplifiée. Par ailleurs, il en résulte une amélioration de la résistance mécanique du capteur de 20 température, et donc une augmentation de sa durée de vie. Un procédé selon l'invention peut encore comporter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes : à l'issue de l'étape d), la gaine de protection présente un diamètre constant sur plus de 80%, plus de 90%, plus de 95%, voire sensiblement 100% de sa 25 longueur ; le tube de renfort est fixé par soudure sur la gaine de protection ; lors de l'encapsulation à l'étape d), on encapsule 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 30 la magnésie, de manière qu'après l'étape d), lesdites parties terminales des fils de thermocouple encapsulées soient isolées de l'extérieur par ledit matériau isolant. L'invention propose également un capteur de température comportant un thermocouple définissant un point chaud, ledit capteur de température comportant un câble à isolant minéral de diamètre extérieur inférieur à 4 mm et un tube de renfort logeant partiellement 3028946 4 le câble à isolant minéral, le câble à isolant minéral faisant saillie hors du tube de renfort du côté du point chaud, de manière à constituer un rétreint. Un capteur de température selon l'invention peut être en particulier fabriqué suivant un procédé selon l'invention, éventuellement adapté pour que le capteur de température 5 présente une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles décrites ci-après. Un capteur de température selon l'invention peut encore comporter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes : la longueur de la partie du câble à isolant minéral qui fait saillie hors du tube de renfort, du côté du point chaud, est supérieure à 5 mm, de préférence supérieure 10 à 7 mm, de préférence supérieure à 9 mm et/ou inférieure à 15 mm, de préférence inférieure à 13 mm, de préférence inférieure à 11 mm ; le câble à isolant minéral fait saillie au-delà de l'extrémité distale du tube de renfort, c'est-à-dire du côté du point chaud, de manière que, selon la direction de la longueur du câble à isolant minéral, le point chaud soit localisé au-delà de 15 l'extrémité distale du tube de renfort ; le diamètre extérieur du câble à isolant minéral est de préférence inférieur à 3,5 mm, de préférence inférieur à 3 mm, de préférence inférieur à 2,5 mm, de préférence inférieur à 2 mm, de préférence inférieur à 1,5 mm, de préférence inférieur à 1,2 mm ; 20 de préférence, la gaine de protection ne présente pas de rétreint ou comporte un rétreint dont le diamètre extérieur est supérieur au diamètre intérieur de la gaine de protection hors de la région dudit rétreint ou présente un rétreint dont le diamètre extérieur est supérieur à 80%, de préférence supérieur à 90%, de préférence supérieur à 95% du diamètre extérieur de la gaine de protection hors 25 de la région dudit rétreint ; le tube de renfort recouvre 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 du câble à isolant minéral ; la paroi du tube de renfort présente une épaisseur supérieure ou égale à 0,3 mm 30 et/ou inférieure à 1,2 mm ; l'épaisseur cumulée de la gaine de protection et du tube de renfort est supérieure à 16% et/ou inférieure à 70% du diamètre extérieur du câble à isolant minéral ; le tube de renfort est fixé sur la gaine de protection, de préférence par soudure laser, de préférence à l'extrémité distale du tube de renfort ; 3028946 5 - le capteur de température comporte une butée mécanique fixée, de préférence soudée, sur le tube de renfort. L'invention concerne également l'utilisation d'un capteur de température selon l'invention dans un environnement à une température supérieure à 800°C, à 900°C, à 1000°C, à 5 1100°C et/ou inférieure à -10°C, à -20°C, à -30°C, de préférence variant entre -40°C et 1200°C, et en particulier dans un groupe moteur thermique d'un véhicule automobile. L'invention concerne enfin un groupe moteur thermique d'un véhicule automobile comportant un capteur de température selon l'invention, et un véhicule automobile comportant un groupe moteur thermique selon l'invention. Le capteur de température 10 peut être en particulier disposé dans le collecteur d'échappement en amont d'une turbine d'un turbocompresseur ou dans une tubulure d'admission de carburant ou de comburant ou dans une tubulure d'échappement. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de 15 la description détaillée qui va suivre, et à l'examen du dessin annexé dans lequel ; la figure 1 représente, schématiquement, un capteur de température connecté à un appareil de mesure ; la figure 2 illustre schématiquement le principe de fonctionnement d'un thermocouple ; la figure 3 (fig. 3a à 3d) illustre le procédé de fabrication d'un capteur de température 20 selon la technique antérieure ; et la figure 4 représente, en coupe longitudinale, un capteur de température selon l'invention. Définitions Par « proximal » et « distal », on distingue les deux côtés d'un capteur de température 25 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 à isolant minéral présente un diamètre extérieur inférieur à celui du tube de renfort. C'est pourquoi on appelle « rétreint » la partie du câble à isolant minéral qui 30 dépasse du tube de renfort, du côté du point chaud.

3028946 6 Par « matériau isolant » ou « isolant minéral », on désigne, sauf indication contraire, tout matériau présentant une rigidité électrique supérieure à 10 MV/m et résistivité à température ambiante supérieure à 1 GQm, typiquement des matériaux céramiques. Par « comportant un », « présentant un » ou « comprenant un », on entend 5 « comportant au moins un », sauf indication contraire. Des références identiques sont utilisées pour désigner des organes analogues dans les différentes figures. Description détaillée Les figures 1 à 3 ayant été décrites en préambule, on se reporte à présent à la figure 4.

10 Un capteur à thermocouple selon l'invention est fabriqué à partir d'un câble à isolant minéral 14 de petit diamètre. La gaine de protection 5 peut être en un matériau conducteur électriquement quelconque, de préférence en un matériau choisi parmi les aciers inoxydables, de preference de la famille Inconel avec une paroi d'épaisseur typiquement proche d 10% du diamètre 15 extérieur de cable à isolant minérale, de préférence d'épaisseur plus grande que 10% pour favoriser la robustesse mechanique. Les fils de thermocouple 10 et 12 peuvent être souples ou rigides. De préférence, ils présentent une section transversale sensiblement circulaire. De préférence, le couple de matériaux des premier et deuxième fils de thermocouple 10 20 et 12 est NiSil/NiCroSil. Les parties terminales distales en saillie 40 et 42 des fils de thermocouple 10 et 12 qui s'étendent au-delà de l'isolant minéral 8 se rejoignent classiquement au point chaud 13. Elles sont logées dans une chambre 43 résultant de l'encapsulation, de préférence remplie d'un matériau isolant, de préférence de nature minérale, qui peut être identique 25 ou différent de celui contenu dans la gaine de protection du câble à isolant minéral. De préférence, le matériau isolant est en un matériau choisi dans le groupe formé par l'alumine et/ou la magnésie. Les parties terminales proximales en saillie 50 et 52 des fils de thermocouple 10 et 12 qui s'étendent éventuellement au-delà de l'extrémité proximale 44 du câble à isolant minéral 30 14 peuvent présenter une longueur supérieure à 5 cm, supérieure à 10 cm, supérieure à 20 cm, supérieure à 50 cm. Avantageusement, ces fils peuvent ainsi servir de câble d'extension 3, pour connecter électriquement le capteur de température 2 à l'appareil de mesure 4. Bien entendu, si les fils de thermocouple sont utilisés comme câble 3028946 7 d'extension, leurs parties terminales proximales en saillie 50 et 52 doivent être isolées électriquement. A leur extrémité proximale, les fils de thermocouple 10 et 12 comportent des moyens de connexion électrique, par exemple des bornes de connexion autorisant leur connexion à 5 l'appareil de mesure 4 et/ou à un câble d'extension 3. Dans un mode de réalisation représenté sur la figure 4, la gaine de protection 5 du câble à isolant minéral ne présente pas de rétreint. Son diamètre est sensiblement constant depuis son extrémité proximale 44 jusqu'à son extrémité distale 62. En variante, la gaine de protection 5 du câble à isolant minéral présente un rétreint réduit, de préférence un 10 rétreint dont le diamètre extérieur est supérieur au diamètre intérieur de la gaine de protection 5 hors de la région dudit rétreint. Le capteur de température comporte un tube de renfort 60, de préférence en inconel, couvrant partiellement la gaine de protection. Dans un mode de réalisation, le tube de renfort 60 est fixé sur la gaine de protection, de 15 préférence par soudure. De préférence, le diamètre extérieur du tube de renfort 60 est inférieur à 7 mm, à 6 mm, à 5 mm, à 4 mm, à 3 mm. La surface latérale intérieure du tube de renfort, qui délimite la lumière du tube de renfort, est en appui sur la surface latérale extérieure 22 de la gaine de protection 5. De 20 préférence, la lumière du tube de renfort est de forme sensiblement complémentaire à la surface latérale extérieure 22 de la gaine de protection 5, ce qui permet un contact étroit entre la surface latérale intérieure du tube de renfort et la surface latérale extérieure 22 de la gaine de protection 5. De préférence, le tube de renfort s'étend jusqu'à l'extrémité proximale 44 de la gaine de 25 protection. Cependant, le tube de renfort ne s'étend pas jusqu'à l'extrémité distale 62 de la gaine de protection. De préférence, le tube de renfort comporte une partie terminale distale biseautée de manière à ce que son diamètre extérieur rejoigne progressivement le diamètre extérieur de la gaine de protection. De préférence encore, une butée mécanique 6 est fixée, de préférence soudée, sur le 30 tube de renfort 60. La butée mécanique 6 permet avantageusement une adaptation locale précise du diamètre du capteur de température, et donc une bonne adéquation à l'application visée. De préférence, la plus grande dimension transversale de la butée mécanique (c'est-à-dire dans un plan perpendiculaire à la direction longitudinale 3028946 8 correspondant à la longueur du câble à isolant minéral) est supérieure à 8 mm et/ou inférieure à 25 mm. En parcourant le capteur de température depuis la butée mécanique 6, voire depuis l'extrémité proximale 44 (en faisant abstraction de la butée mécanique 6), jusqu'à 5 l'extrémité distale 62, la surface latérale extérieure du capteur de température comporte ainsi une portion cylindrique 64 dont le diamètre extérieur est défini par le tube de renfort 60, une portion intermédiaire 66, correspondant à la partie terminale distale biseautée du tube de renfort, et un rétreint 56. Avantageusement, le rétreint 56 améliore le temps de réponse du capteur de 10 température. Pour disposer d'un temps de réponse adapté, le diamètre extérieur du rétreint 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. La longueur du rétreint 56 est de préférence supérieure à 5 mm et/ou inférieure à 15 mm. Un capteur de température selon l'invention peut être fabriqué suivant les étapes a) à e) 15 ci-dessus. Les étapes a) à c) peuvent correspondre aux étapes classiquement mises en oeuvre selon la technique antérieure, comme décrit en préambule. A l'étape a), on prépare un câble à isolant minéral ou un tronçon de câble à isolant minéral.

20 A l'étape b), on peut extraire de l'isolant minéral d'une des extrémités du câble à isolant minéral, comme selon la technique antérieure, de préférence sur une profondeur comprise entre 2 et 7 mm, de manière à dégager des parties terminales distales des fils de thermocouple. A l'étape c), comme représenté sur la figure 4, les parties terminales distales 40 et 42 25 des fils de thermocouple 10 et 12 sont connectées l'une à l'autre, c'est-à-dire mises en contact physique et connectées électriquement, de manière définitive, de manière à former un point chaud 13. La connexion est de préférence réalisée par soudure à chaud. A l'étape d), le thermocouple résultant de la connexion des deux fils de thermocouple est encapsulé de manière à être protégé de l'environnement.

30 Dans un mode de réalisation préféré, le point chaud 13 est encapsulé par déformation de la gaine de protection, puis soudure, comme selon la technique antérieure illustrée par les flèches de la figure 3c.

3028946 9 De préférence, l'encapsulation dans la gaine de protection est effectuée sans formation d'un rétreint à partir de ladite gaine de protection. Le diamètre extérieur du câble à isolant minéral est donc sensiblement constant jusqu'à son extrémité distale 62. De préférence, la chambre 43 résultant de l'encapsulation est remplie d'un matériau 5 isolant, identique ou différent de l'isolant minéral du câble à isolant minéral, de préférence en poudre. La poudre de matériau isolant peut être en particulier une poudre d'alumine ou une poudre de magnésie. A l'étape e), le câble à isolant minéral est introduit, de préférence en force, dans la lumière longitudinale du tube de renfort jusqu'à une position dans laquelle sa partie 10 terminale distale dépasse de l'extrémité distale du tube de renfort. Cette partie terminale distale définit ainsi le rétreint 56. De préférence, le tube de renfort est fixé, de préférence soudé sur la gaine de protection 5. Comme cela apparaît clairement à présent, les étapes d'un procédé de fabrication selon 15 l'invention, et en particulier l'obtention d'un rétreint, sont simples et peuvent être automatisées. Il en résulte une réduction importante du coût de fabrication. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté, fourni à des fins illustratives seulement.

Claims

REVENDICATIONS1 Capteur de température comportant un thermocouple (7) définissant un point chaud (13), ledit capteur de température comportant un câble à isolant minéral (14) de diamètre extérieur supérieur à 2 mm et inférieur à 5 mm et un tube de renfort (60) duquel le câble à isolant minéral fait saillie du côté du point chaud, de manière à constituer un rétreint.
2 Capteur de température selon la revendication précédente, dans lequel le diamètre extérieur du câble à isolant minéral est inférieur à 3,5 mm.
3 Capteur de température selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le tube de renfort (60) recouvre plus de 90% de la surface latérale extérieure (22) de la gaine de protection (5) du câble à isolant minéral.
4 Capteur de température selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le tube de renfort comporte une paroi latérale présentant une épaisseur supérieure ou égale à 0,3 mm.
5 Capteur de température selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la longueur de la partie du câble à isolant minéral qui fait saillie hors du tube de renfort, du côté du point chaud, est supérieure à 5 mm.
6 Capteur de température selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la gaine de protection ne comporte pas de rétreint ou comporte un rétreint dont le diamètre extérieur est supérieur au diamètre intérieur de la gaine de protection hors de la région dudit rétreint.
7 Capteur de température selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une butée mécanique fixée sur le tube de renfort.
8 Procédé de fabrication d'un capteur de température à thermocouple selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit procédé comportant les étapes successives suivantes : a) fabrication d'un câble à isolant minéral (14) comportant deux fils de thermocouple (10,12) s'étendant sur toute la longueur du câble et noyés dans un isolant minéral (8), l'isolant minéral étant ceinturé par une gaine de 3028946 11 protection (5), le diamètre extérieur du câble à isolant minéral étant inférieur à 4 mm ; b) extraction d'isolant minéral d'une des extrémités du câble à isolant minéral sur une profondeur comprise entre 2 et 7 mm de manière à dégager des parties 5 terminales (40,42) des fils de thermocouple ; c) connexion des parties terminales (40,42) des fils de thermocouple ainsi dégagées, de manière à constituer un point chaud (13) de thermocouple ; d) protection dudit point chaud par encapsulation au moyen de la gaine de protection ; 10 e) indépendamment des étapes précédentes, de préférence après l'étape d), protection de la gaine de protection au moyen d'un tube de renfort (60), le tube de renfort laissant dépasser ladite gaine de protection du côté dudit point chaud.
9 Utilisation d'un capteur de température selon l'une quelconque des revendications 15 1 à 7 dans un environnement à une température supérieure à 100°C.
10 Groupe moteur thermique d'un véhicule automobile comportant un capteur de température selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 ou fabriqué selon un procédé conforme à la revendication 8.