FR2880685A1 - Temperature sensor for motor vehicle, has massive ceramic cap inserted between heat sensitive unit and protective housing, where unit is connected to conducting wires which are insulated and maintained by ceramic insulating sheath - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne le domaine des capteurs de température.The present invention relates to the field of temperature sensors.
Plus précisément encore, la présente invention concerne le domaine des capteurs de température comprenant un boîtier qui loge un 5 élément thermosensible. More specifically, the present invention relates to the field of temperature sensors comprising a housing which houses a thermosensitive element.
La présente invention s'applique en particulier, mais non exclusivement, à un capteur de température comprenant une thermistance. La présente invention trouve notamment mais non exclusivement application à la mesure de la température d'air à haute température, typiquement supérieure à 700 C, telle que la mesure des gaz d'échappement d'un véhicule automobile. The present invention is particularly, but not exclusively, applicable to a temperature sensor comprising a thermistor. The present invention finds in particular but not exclusively application to the measurement of the air temperature at high temperature, typically greater than 700 C, such as the measurement of the exhaust gas of a motor vehicle.
De nombreux capteurs de température ont déjà été proposés dans l'état de la technique. Many temperature sensors have already been proposed in the state of the art.
Une des caractéristiques principales d'un capteur de température est son temps de réponse qui correspond au temps que va mettre le capteur pour détecter une nouvelle température B lors d'une variation brutale d'une température A à une température B. Bien souvent il est nécessaire que ce temps de réponse soit le plus faible possible. One of the main characteristics of a temperature sensor is its response time, which corresponds to the time that the sensor will take to detect a new temperature B during a sudden change from a temperature A to a temperature B. Often it is necessary that this response time be as low as possible.
On a illustré sur la figure 1 annexée, schématiquement, un capteur de température connu constitué principalement d'un élément sensible 1 dont la résistance électrique varie en fonction de sa température, protégé par un boîtier de protection fermé 2, par exemple en acier réfractaire vis-à-vis de l'extérieur (gaz, eau, humidité, etc...). Deux conducteurs électriques 3 sont en contact avec l'élément sensible 1 et cheminent le long du boîtier de protection 2 pour être accessibles à l'extérieur de celui-ci et fournir une information électrique représentative de la résistance de l'élément 1 et par conséquent de la température mesurée. Ces conducteurs 3 sont isolés et maintenus entre eux par une gaine isolante 4 logée dans le boîtier 2. Généralement la gaine isolante 4 est réalisée en matériau céramique. FIG. 1 diagrammatically illustrates a known temperature sensor consisting mainly of a sensitive element 1 whose electrical resistance varies as a function of its temperature, protected by a closed protective case 2, for example made of refractory steel, to the outside (gas, water, humidity, etc ...). Two electrical conductors 3 are in contact with the sensitive element 1 and walk along the protective housing 2 to be accessible outside thereof and provide electrical information representative of the resistance of the element 1 and therefore the measured temperature. These conductors 3 are insulated and held together by an insulating sheath 4 housed in the housing 2. Generally the insulating sheath 4 is made of ceramic material.
De nombreux capteurs du type illustré sur la Figure 1 ont déjà été réalisés. La demanderesse a cependant constaté que les capteurs de température du type illustré sur la Figure 1 présentent un temps de réponse important. En effet, l'interface entre l'élément sensible 1 et le boîtier de protection 2 est de l'air. Or l'air a une conductivité thermique très faible et rend difficile la transmission de la chaleur du milieu extérieur vers l'élément sensible 1. Many sensors of the type illustrated in Figure 1 have already been made. However, the Applicant has found that the temperature sensors of the type illustrated in Figure 1 have a significant response time. Indeed, the interface between the sensitive element 1 and the protective housing 2 is air. However, the air has a very low thermal conductivity and makes it difficult to transmit heat from the outside environment to the sensitive element 1.
On a déjà tenté d'améliorer la situation. En particulier, il a déjà été proposé, pour limiter le problème précité et ainsi augmenter la transmission de chaleur à l'élément sensible 1 d'insérer une poudre 5 thermiquement conductrice, telle qu'une poudre non organique, à la place de l'air autour de l'élément sensible 1. We have already tried to improve the situation. In particular, it has already been proposed, to limit the aforementioned problem and thus increase the heat transfer to the sensitive element 1 to insert a thermally conductive powder, such as an inorganic powder, in place of the air around the sensing element 1.
Cette proposition présente cependant un inconvénient majeur: il est difficile d'insérer de manière industrielle l'élément sensible 1 lorsque la poudre est en place, et inversement. This proposal however has a major disadvantage: it is difficult to industrially insert the sensitive element 1 when the powder is in place, and vice versa.
La présente invention a pour but de proposer de nouveaux moyens permettant une réalisation d'un capteur de température présentant un temps de réponse faible et ce de manière industrielle. The present invention aims to provide new means for achieving a temperature sensor having a low response time and this industrially.
Ce but est atteint selon l'invention grâce à un capteur de température comprenant un élément thermosensible placé dans un boîtier de protection caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un capuchon céramique massif, placé autour de l'élément thermosensible, à l'intérieur du boîtier de protection. This object is achieved according to the invention by means of a temperature sensor comprising a thermosensitive element placed in a protective casing characterized in that it further comprises a solid ceramic cap, placed around the thermosensitive element, at the inside the protective case.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels: - la Figure 1 représente une vue schématique en coupe axiale longitudinale d'un capteur de température conforme à l'état de la technique, - la Figure 2 représente une vue en coupe axiale longitudinale similaire d'un capteur de température conforme à la présente invention, la Figure 3 représente une vue schématique d'implantation d'un capteur de température conforme à la présente invention. Other features, objects and advantages of the present invention will appear on reading the detailed description which follows and with reference to the appended drawings, given by way of non-limiting examples and in which: - Figure 1 represents a schematic view in longitudinal axial section of a temperature sensor according to the state of the art, - Figure 2 shows a similar longitudinal axial sectional view of a temperature sensor according to the present invention, Figure 3 shows a schematic view implantation of a temperature sensor according to the present invention.
On aperçoit sur la Figure 2 annexée un capteur de température comprenant un élément thermosensible 10, par exemple une thermistance, lié à deux fils conducteurs 12, 14 et placé dans un boîtier de protection 16 par exemple en acier réfractaire. Les fils conducteurs 12, 14 sont isolés et maintenus entre eux par une gaine isolante céramique 18. Plus précisément la gaine 18 comporte deux canaux longitudinaux, parallèles et traversants, qui reçoivent respectivement l'un des deux fils 12, 14. FIG. 2 shows a temperature sensor comprising a thermosensitive element 10, for example a thermistor, connected to two conducting wires 12, 14 and placed in a protective casing 16, for example made of refractory steel. The conductive wires 12, 14 are insulated and held together by a ceramic insulating sheath 18. More precisely, the sheath 18 comprises two longitudinal channels, parallel and through, which respectively receive one of the two wires 12, 14.
Bien que cela ne soit pas représenté sur la droite de la figure 2, les fils 12, 14 émergent à l'extérieur du boîtier 16 pour permettre le prélèvement de l'information électrique représentative de la température 10 mesurée. Although this is not shown on the right of Figure 2, the son 12, 14 emerge outside the housing 16 to allow the collection of electrical information representative of the measured temperature.
Comme on le voit sur la Figure 2, et comme indiqué précédemment, dans le cadre de la présente invention, un capuchon céramique massif 20 est placé autour de l'élément thermosensible 10 à l'intérieur du boîtier de protection 16. As seen in FIG. 2, and as indicated previously, in the context of the present invention, a solid ceramic cap 20 is placed around the thermosensitive element 10 inside the protective casing 16.
Le capuchon céramique 20 possède une enveloppe externe complémentaire de l'extrémité borgne du boîtier de protection 16 de sorte que la surface extérieure du capuchon 20 épouse étroitement le contour interne de l'extrémité du boîtier 16. Le capuchon céramique massif 20 possède ainsi typiquement de préférence une enveloppe externe cylindrique de révolution autour d'un axe longitudinal 22 qui coïncide avec l'axe longitudinal du boîtier 16. The ceramic cap 20 has an outer casing complementary to the blind end of the casing 16 so that the outer surface of the cap 20 closely matches the inner contour of the end of the casing 16. The solid ceramic cap 20 thus typically has preferably a cylindrical external envelope of revolution about a longitudinal axis 22 which coincides with the longitudinal axis of the housing 16.
Le capuchon céramique 20 possède un orifice ou logement borgne 24 conçu pour recevoir l'élément thermosensible 10. Là encore de préférence, la géométrie de l'orifice 24 est complémentaire de l'enveloppe extérieure de l'élément thermosensible 10 pour épouser étroitement la surface de celui-ci. The ceramic cap 20 has an orifice or blind housing 24 adapted to receive the thermosensitive element 10. Here again preferably, the geometry of the orifice 24 is complementary to the outer shell of the thermosensitive element 10 to closely match the surface of it.
L'orifice 24 peut être cylindrique de révolution autour de l'axe 22 précité. The orifice 24 may be cylindrical of revolution about the aforementioned axis 22.
Le capuchon céramique 20 est inséré lors du montage entre 30 l'élément thermosensible 10 et le boîtier de protection 16 comme on le voit sur la Figure 2. The ceramic cap 20 is inserted during assembly between the thermosensitive element 10 and the protective housing 16 as seen in FIG.
En adaptant au mieux la forme du capuchon céramique 20 à la forme de l'élément thermosensible 10 et au volume interne du boîtier de protection 16, le volume d'air entre ces derniers est minimisé et le temps de réponse est ainsi nettement amélioré. By best matching the shape of the ceramic cap 20 to the shape of the thermosensitive element 10 and the internal volume of the protective housing 16, the air volume between them is minimized and the response time is thus significantly improved.
Les capteurs du type précédemment décrit permettent d'améliorer nettement la situation par rapport aux capteurs antérieurs connus. En effet, le capuchon céramique massif 20 permet d'assurer la transmission de la chaleur provenant de l'extérieur, via le boîtier de protection 16, vers l'élément thermosensible 10. The sensors of the type previously described can significantly improve the situation with respect to the prior known sensors. Indeed, the solid ceramic cap 20 ensures the transmission of heat from outside, via the protective housing 16, to the thermosensitive element 10.
Cependant, la demanderesse a constaté que dans certaines configurations la gaine 18 peut retarder la stabilisation en température de l'élément thermosensible 10. En effet, la gaine isolante céramique 18 représente généralement une masse et un volume non négligeables par rapport aux autres pièces et est située entre la partie du capteur immergée dans le milieu extérieur dont la température est à mesurer et le milieu ambiant où est connecté le circuit de mesure. However, the Applicant has found that in certain configurations the sheath 18 can delay the temperature stabilization of the thermosensitive element 10. In fact, the ceramic insulating sheath 18 generally represents a mass and a significant volume relative to the other parts and is located between the part of the sensor immersed in the external environment whose temperature is to be measured and the ambient environment where the measuring circuit is connected.
La Figure 3 montre la position de la gaine isolante céramique 18 par rapport aux différents milieux et capteurs. Sur la Figure 3 le milieu extérieur dont on veut mesurer la température et dans lequel est placé l'élément thermosensible 10, est référencé ME et le milieu ambiant par lequel émergent le capteur et les fils de prise d'information 12, 14, est référencé MA. Figure 3 shows the position of the ceramic insulating sheath 18 with respect to different media and sensors. In FIG. 3, the external medium whose temperature is to be measured and in which the thermosensitive element 10 is placed, is referenced ME and the ambient medium through which the sensor and the data acquisition wires 12, 14 emerge is referenced MY.
La chaleur est en partie diffusée à travers la gaine isolante céramique 18. Cette diffusion si elle est importante peut augmenter le temps que l'élément thermosensible 10 va mettre pour atteindre la nouvelle température d'équilibre, en cas d'évolution, et par conséquent augmente le temps de réponse. The heat is partly diffused through the ceramic insulating sheath 18. This diffusion, if it is important, can increase the time that the thermosensitive element 10 will put to reach the new equilibrium temperature, in case of evolution, and consequently increases the response time.
De ce fait, dans le cadre de la présente invention il est également préconisé que d'une part le capuchon céramique 20 qui entoure l'élément thermosensible 10 et d'autre part la gaine 18 qui entoure les fils de liaison électrique 12, 14, présentent des conductivités thermiques différentes: la conductivité thermique du capuchon céramique 20 doit être élevée tandis que la conductivité thermique de la gaine isolante céramique 18 doit être très faible comparée à la conductivité thermique du capuchon céramique 20. Therefore, in the context of the present invention it is also recommended that on the one hand the ceramic cap 20 which surrounds the thermosensitive element 10 and on the other hand the sheath 18 which surrounds the electrical connection wires 12, 14, have different thermal conductivities: the thermal conductivity of the ceramic cap 20 must be high while the thermal conductivity of the ceramic insulating sheath 18 must be very low compared to the thermal conductivity of the ceramic cap 20.
A titre d'exemple non limitatif, la conductivité thermique du capuchon céramique 20 est au moins deux fois supérieure à celle de la gaine céramique 18, préférentiellement trois fois supérieure et très avantageusement au moins cinq fois supérieure à cette dernière. By way of non-limiting example, the thermal conductivity of the ceramic cap 20 is at least two times greater than that of the ceramic sheath 18, preferably three times greater and very advantageously at least five times greater than the latter.
La demanderesse a réalisé des mesures de temps de réponse du capteur tel que décrit ci-dessus pour diverses valeurs de conductivité thermique de la gaine céramique 18, avec et en l'absence de capuchon céramique 20. The applicant has carried out measurements of the sensor response time as described above for various values of thermal conductivity of the ceramic sheath 18, with and in the absence of a ceramic cap 20.
Plus précisément les tests réalisés pour déterminer le temps de réponse du capteur ont consisté à soumettre subitement la partie active du capteur qui est à une température ambiante de 25 C à un flux d'air à 600 C avec un débit de cinq mètres par seconde. Le temps de réponse défini ici est le temps que le capteur met pour atteindre 90% de sa valeur finale, soit 600 C. Specifically, the tests performed to determine the response time of the sensor consisted in suddenly subjecting the active part of the sensor which is at an ambient temperature of 25 C to an air flow at 600 C with a flow rate of five meters per second. The response time defined here is the time that the sensor sets to reach 90% of its final value, ie 600 C.
Les résultats obtenus sont répertoriés dans le tableau ci-dessous. The results obtained are listed in the table below.
conductivité Temps de réponse (s) thermique de la gaine céramine (18) (W/mK) sans capuchon 28 30 céramique 20 avec capuchon 28 23 céramique 20 de conductivité thermique 28W/mK 14 2 9 La première ligne correspond à un capteur dépourvu de capuchon céramique 20 et comportant une gaine isolante céramique 18 ayant une conductivité thermique de 28W/mK. Ce cas correspond à un temps de 20 réponse de 30 secondes. conductivity Thermal response time (s) of ceramic sheath (18) (W / mK) without cap 28 ceramic 20 with cap 28 23 ceramic 20 thermal conductivity 28W / mK 14 2 9 The first line corresponds to a sensor without ceramic cap 20 and having a ceramic insulating sheath 18 having a thermal conductivity of 28W / mK. This case corresponds to a response time of 30 seconds.
La deuxième ligne correspond à un capteur comportant un capuchon céramique 20 dont la matière céramique a une conductivité thermique de 28W/mK et une gaine céramique 18 de même conductivité thermique de 28W/mK. Le temps de réponse mesuré est alors de 23 secondes. The second line corresponds to a sensor comprising a ceramic cap 20 whose ceramic material has a thermal conductivity of 28W / mK and a ceramic sheath 18 with the same thermal conductivity of 28W / mK. The measured response time is then 23 seconds.
La troisième ligne du tableau correspond à un capteur comprenant un capuchon céramique de conductivité thermique de 28W/mK et une gaine céramique 18 de conductivité thermique de 1OW/Mk. Le temps de répons est égal à 14 secondes. The third row of the table corresponds to a sensor comprising a ceramic thermal conductivity cap of 28W / mK and a ceramic sheath 18 of thermal conductivity of 1OW / Mk. The response time is equal to 14 seconds.
Enfin, la quatrième ligne du tableau ci-dessous correspond à un capteur comprenant un capuchon céramique 20 de conductivité thermique de 28W/mK et une gaine céramique 18 de conductivité thermique de 2W/mK. Le temps de réponse est de 9 secondes. Finally, the fourth line of the table below corresponds to a sensor comprising a ceramic cap 20 of thermal conductivity of 28W / mK and a ceramic sheath 18 of thermal conductivity of 2W / mK. The response time is 9 seconds.
Le tableau ci-dessous démontre clairement que l'utilisation d'un capuchon céramique 20 permet d'améliorer nettement le temps de réponse du capteur et que par ailleurs l'utilisation d'une gaine 18 présentant une conductivité thermique inférieure à celle du capuchon 20 permet d'améliorer encore le temps de réponse. The table below clearly demonstrates that the use of a ceramic cap 20 significantly improves the response time of the sensor and that also the use of a sheath 18 having a lower thermal conductivity than that of the cap 20 allows to further improve the response time.
Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes 20 de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits mais s'étend à toute variante conforme à son esprit. Naturally, the present invention is not limited to the particular embodiments which have just been described but extends to any variant within its spirit.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 12 |
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| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 13 |
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| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 14 |
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| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 15 |
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| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20200910 |