AUGMENTATION DE LA RESISTANCE D'UN FIL

Domaine technique :

La présente invention concerne la surveillance des systèmes électriques embarqués sur un aéronef. Elle vise plus particulièrement la mesure de température d'un composant électrique bobiné. Etat de l'art :

Un certain nombre de dispositifs électroniques embarqués sur les aéronefs, notamment des calculateurs, sont placés dans des zones où ils risquent d'être en contact avec un produit inflammable à haute température, comme l'huile moteur. Dans ce cas, par exemple, les règles de sécurité imposent que la température de peau de chaque boîtier ne dépasse pas la température critique de 204°C, seuil d'auto-inflammation de l'huile moteur.

Tous les composants passifs pouvant dépasser cette température doivent être surveillés afin de maîtriser cette exigence.

En ce qui concerne plus particulièrement les composants bobinés, la solution utilisée actuellement est constituée d'une sonde de température intégrée à l'extérieur du bobinage qui envoie un message d'alerte en cas de dépassement de la température critique. Cette solution présente comme premier inconvénient d'être chère car elle introduit un équipement spécifique supplémentaire, la sonde de température, étranger au composant à surveiller. Elle pose des difficultés d'intégration, les sondes de température n'ayant pas été spécialement conçues pour être adaptées au composant. Enfin, elles fournissent une température locale au point de la surface du composant où a été fixé le capteur de la sonde. L'indication par la sonde d'une température conforme ne garantit pas obligatoirement que la température critique n'ait pas été dépassée ailleurs sur le composant. De ce fait, le dimensionnement et la position de la sonde demande de caractériser l'ensemble sonde/composant bobiné afin de diminuer les risques de dépassement de la température critique ou de remontée de fausses alertes au système de détection, et aussi d'éviter l'impact en masse et en coût d'un surdimensionnement du bobinage, causé par le besoin de limiter son auto- échauffement en particulier dans des applications de type impulsionnel et de dégager de la marge vis-à-vis de l'erreur de mesure.

Exposé du problème technique et de l'invention:

L'invention a pour but de fournir une solution simple et robuste face à ces problèmes d'intégration, notamment pour des composants bobinés, tout en garantissant que la mesure de température permet de respecter la consigne de sécurité sans être obligé de prendre une marge de sécurité trop importante.

L'invention concerne un procédé de mesure de température d'un composant bobiné de forte puissance pour des applications aéronautiques, comprenant la mesure de différence de potentiel entre les bornes d'un fil de jauge en matériau résistif dans lequel on fait passer un courant continu et connu, la résistance du fil de jauge variant avec la température suivant une loi connue, et une étape de calcul transformant la différence de potentiel en température moyenne du fil de jauge, ledit fil de jauge étant enroulé à l'intérieur du bobinage, en spires agencées en une série de spires « aller » et une série de spires « retour » associées deux à deux avec une géométrie et une position sensiblement égales. Ce procédé est remarquable en ce que ledit fil de jauge est d'un diamètre pris dans une plage allant de 0,05mm à 0,25 mm et a une longueur ajustée pour obtenir, en réalisant au moins vingt spires, des variations de résistance comprises entre 2 et 8 Ohms pour une température variant entre -60°C et 200°C.

L'invention atteint son objectif car la chaleur étant produite à l'intérieur du composant, la température moyenne à l'intérieur du composant obtenue par la mesure sur le fil de jauge majore celle qui peut être atteinte en surface. Donc, plus la mesure sera précise, plus on pourra s'approcher du seuil en étant sûr de ne pas le dépasser. Par ailleurs, en particulier pour les composants bobinés, la mesure doit compenser les perturbations causées par la présence de champs magnétiques dont les gradients créent une force électromotrice dans les enroulements qu'ils traversent. Le fait d'avoir des spires « aller » et des spires « retour » se compensant deux à deux simplifie considérablement le circuit de mesure. De plus, on s'intéresse ici à des composants de forte puissance dans l'aéronautique, dont le diamètre des bobinages peut varier entre 1 cm et 30 cm. Dans ce cadre, par rapport par exemple à des technologies de sondes au platine utilisant des fils très fins, de l'ordre de 0,01cm de diamètre, avec des résistances de l'ordre de 100 Ohms, le fait d'utiliser des fils du plus fort diamètre et des résistances de quelques Ohms permet d'intégrer cette technologie dans le composant tout en ayant les précisions de mesure nécessaires.

Avantageusement, l'utilisation d'un matériau conducteur dont la résistivité varie linéairement avec la température dans la plage de températures mesurées simplifie d'autant les calculs. De préférence le fil jauge est en cuivre, matériau courant dont la résistivité est une fonction linéaire de la température dans la plage de fonctionnement pour les applications aéronautiques.

La mesure précise de la température est obtenue en rapportant deux fils aux extrémités du fil de jauge pour la mesure de la différence de potentiel.

L'invention concerne également un composant bobiné de forte puissance pour des applications aéronautiques, caractérisé en ce qu'il comprend un fil en matériau résistif dont la résistance varie avec la température selon une loi connue, ledit fil de matériau conducteur étant enroulé à l'intérieur du bobinage et agencé en une série de spires « aller » et une série de spires « retour », associées deux à deux avec une géométrie et une position sensiblement égales, ledit fil de jauge étant de plus d'un diamètre pris dans une plage allant de 0,05mm à 0,25 mm avec une longueur ajustée pour obtenir, en réalisant au moins vingt spires, des variations de résistance comprises entre 2 et 8 Ohms pour une température variant entre -60°C et 200°C, et deux connections aptes à relier les extrémités dudit fil de jauge à des appareils électroniques extérieurs. Elle concerne plus particulièrement un composant bobiné comportant au moins deux enroulements actifs, l'un entourant l'autre et les spires du fil jauge étant insérées entre les deux enroulements actifs. Avantageusement, ce composant comporte deux connexions supplémentaires rapportées aux bornes du fil de jauge.

Un tel composant est apte à être connecté avec les appareils de mesures nécessaires pour déterminer la température moyenne à l'intérieur du composant.

L'invention concerne aussi un dispositif électronique pour des application aéronautiques comportant au moins un composant selon l'invention, un moyen génération de courant continu connecté aux extrémités du fil jauge, un moyen de mesure de différence de potentiel entre les connexions complémentaires et un moyen de calcul apte à transformer le signal du moyen de mesure de différence de potentiel et l'information sur ledit courant continu en un signal de température.

Enfin, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un composant bobiné selon l'invention comprenant une étape d'étalonnage de la longueur du fil jauge pour obtenir une résistance donnée à une température donnée, avant l'installation du fil jauge dans le composant bobiné, et une étape de branchement de deux fils de sortie complémentaires aux bornes du fils jauge correspondant à la résistance étalonnée.

Avec un étalonnage du fil de jauge au milli-ohms, ce procédé de fabrication permet d'atteindre des précisions de +/- 0,3% sur l'estimation de la température dans les composants bobinés utilisés en aéronautique.

Description d'un mode de réalisation de l'invention : On décrit maintenant un mode de réalisation non limitatif de l'invention, plus en détail, en référence aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 représente une coupe axiale d'un composant bobiné ;

La figure 2 montre le schéma de principe de deux spires faisant circuler le courant de mesure en sens inverse.

La figure 3 montre le principe de la mesure à 4 fils sur le fil de jauge.

Un composant bobiné typique, par exemple un transformateur tel que représenté sur la figure 1 , comporte deux enroulements actifs, 2 et 3. Ils sont configurés de telle sorte qu'il y ait un enroulement extérieur 3 entourant l'enroulement intérieur 2, le tout enveloppant une colonne 4 avec un noyau central.

L'échauffement du composant est du essentiellement aux pertes de Joule dans les enroulements actifs à cause des forts courants utilisés. En effet, il s'agit d'estimer échauffement de composants bobinés de forte puissance, préférentiellement pour des applications aéronautiques. Un fil de jauge 1 en cuivre de faible diamètre est donc bobiné sur un cylindre entre les deux enroulements actifs. La mesure de la variation de résistance du fil de jauge 1 liée à la variation de résistivité du matériau dans le composant en fonction de la température permet d'obtenir une mesure de température représentative de celle de l'intérieur du bobinage, donc de majorer celle qui est observée sur la peau du composant. Le cuivre est choisi parce qu'il permet d'obtenir des mesures correctes avec des petits diamètres de fil. De plus, c'est un matériau courant en électronique, comparé, par exemple au platine utilisé dans certains appareils de mesure de température.

Par ailleurs, le dispositif est facile à intégrer dans la fabrication du composant décrit car il suffit d'enrouler le fil de jauge 1 en même temps que l'enroulement actif intérieur 2, sur sa surface externe, avant de l'assembler avec le reste du composant, ce qui ne nécessite pas d'opération supplémentaire. D'une manière générale, les composants dont on veut surveiller la température ont un diamètre compris entre 1 et 30 cm. Le diamètre du fil de jauge utilisé est généralement compris entre 0,25 et 0.05 mm, ce qui entraîne, pour résistance nominale de 6 ohms à température ambiante (20°C), une longueur de fil de jauge comprise entre 17 mètres et 1.5 mètres, soit au moins vingt spires. Cette longueur peut impacter le diamètre final du composant, le fils pouvant représenter entre 0.1 et 10 % du volume totale des conducteurs. On voit donc que ce dispositif perturbe la géométrie du composant dans une proportion du même ordre de grandeur que le pourcentage de fil de jauge, faible par rapport aux moyens conventionnels. La figure 1 présente un mode de réalisation avec deux enroulements actifs. Dans une variante concernant un composant bobiné avec plus de deux enroulements actifs, le fil de jauge est enroulé à l'intérieur du bobinage placé entre les deux enroulements les plus internes. Dans une autre variante, concernant un seul enroulement actif, le fil de jauge est enroulé contre la face interne de cet enroulement.

La température des composants bobinés est suivie dans une plage de l'ordre de -60 C° à + 200 C°. Dans cette plage de température, la résistivité du cuivre en fonction de la température est linéaire et s'exprime sous la forme : (1) ρ = ρ ₀ . ( 1 + α . θ)

a = 0,00427 (coefficient de variation de la résistivité du cuivre en fonction de la température)

Θ = Température exprimée en C°

po = Résistivité du cuivre à 0 C° en Ohms. Mètres (1 ,6 10 ^~8 Ohms.m)

Pour un fil de jauge de longueur et de section données, on obtient donc une résistance qui s'exprime de manière similaire :

(2) R = Ro . ( 1 + α . Θ)

Ro= Résistance du fil de jauge à 0C° en Ohms.

De plus, la différence de potentiel étant donnée par la loi de Joule, on obtient dans ce cas la température facilement en appliquant un courant I connu, exprimé en Ampères, traversant le fil de jauge par la mesure de la différence de potentiel U, exprimée en Volts, aux bornes dudit fil de j uge par la formule : (3) 0 = (U/I.Ro -l) . (l/ a)

Pour les composants bobinés envisagés, la valeur de Ro recherchée lors de cet étalonnage est comprise entre 2 et 8 Ohms. Cela permet d'avoir des variations de la valeur de la résistance de plusieurs Ohms, entre 2 et 8 ohms, sur la plage de variations de température attendue pour le composant en fonctionnement. L'ampleur de cette variation de résistance pour la plage de températures visée (de _60°C à + 200°C) permet d'avoir une mesure avec une précision supérieure à 1 %, nettement améliorée par rapport à celle des moyens conventionnels, tel que c'est détaillé plus loin sur un exemple.

On peut envisager utiliser d'autres matériaux que le cuivre. Si la résistivité du matériau n'est pas une fonction linéaire de la température, la relation entre la température et les mesures de la différence de potentiel U sera simplement un peu plus complexe à programmer. Avantageusement, ce matériau aura une résistivité comprise entre 1 et 10 10 ^"8 Ohms.m, de préférence entre 1 et 7 10 ^"8 Ohms.m, et permettra de fabriquer des fils de jauge dont la résistance variera sensiblement dans les plages évoquées ci-dessus pour la gamme de températures de fonctionnement du composant bobiné.

Pour pouvoir utiliser cette formule, il faut cependant éliminer les sources de différences de potentiel parasites. Dans le cas du composant bobiné, l'enroulement du fil de jauge étant traversé par un flux magnétique, une force électromotrice, égale à la dérivée du flux magnétique traversant l'enroulement, apparaît aux bornes (loi de Faraday).

Afin de compenser cette force électromotrice et de simplifier le circuit de mesure associé, le bobinage du fil de jauge est effectué en repliant le fil sur lui-même en son milieu, puis en enroulant ce double fil. Ainsi, on crée deux séries de spires associées deux à deux en une spire « Aller » 5 et une spire « Retour » 6 ainsi qu'illustré sur la figure 2. Ces deux spires ont sensiblement la même position dans l'espace et la même forme. C'est donc le même flux magnétique Φ qui les traverse et ainsi, les forces électromotrices créées à leurs bornes sont égales et de signes opposées. La résultante des forces électromotrices observée aux bornes du fil de jauge reste donc sensiblement nulle. D'autres agencements géométriques de l'enroulement du fil de jauge peuvent être envisagés pour appareiller ainsi les spires « Aller » 5 et « Retour » 6 deux par deux. Dans tous les cas, il est important de conserver au maximum les parties « Aller » et « Retour » du conducteur les plus proches l'une de l'autre, y compris au début et à la fin de l'enroulement, afin de garantir au mieux l'égalité de surface des spires traversées par le flux magnétique.

En injectant un courant continu, il est alors possible de déterminer la température au cœur du composant par la formule (3). Un filtrage de type « passe-bas » est utilisé pour s'affranchir d'une éventuelle tension résiduelle liée à la différence de surface équivalente traversée par le flux magnétique pour les spires « Aller » et « Retour ».

De manière préférée, la mesure de tension est effectuée en utilisant la méthode dite des 4 fils, ou méthode de KELVIN. Dans cette méthode, on considère les bornes, 7a et 7b, de la longueur de fil de jauge qui correspond à la valeur Ro connue de la résistance à la température de référence et qui est utilisée dans les calculs. On reporte sur ces bornes deux fils, 8a et 8b, complémentaires par brasage, soudage ou tout autre moyen de connexion. Ensuite, le fil de jauge (1) est connecté par ses deux bouts à un moyen générateur de courant 10 et les deux fils complémentaires, 8a et 8b, sont connectés à un moyen de mesure de potentiel, un voltmètre 9. L'impédance du voltmètre 9 étant très élevée, le courant qui traverse les fils de connexion est négligeable et on mesure avec une grande précision la différence de potentiel sur la longueur exacte de fil correspondant à la résistance Ro. L'intensité du courant traversant le fil de jauge est par ailleurs indiquée avec une bonne précision par le moyen générateur de courant.

Par contre, les fils de cuivres sont fournis avec une certaine tolérance sur leur variation de rayon. Typiquement, le rayon moyen peut varier de +/- 2,5% pour des fils de diamètre 0,1 mm. Les incertitudes sur la température mesurées seront donc de l'ordre de 5% si on se fie aux données nominales.

De manière préférentielle, on améliore encore la précision de mesure en étalonnant le fil de jauge avant de l'intégrer au composant. Compte tenu de l'ordre de grandeur de quelques Ohms de la résistance du fil de jauge (voir l'exemple fourni dans le tableau (1), l'étalonnage peut être réalisé avec un micro-Ohmmètre pour atteindre des précisions de l'ordre de 0,2% sur la résistance Ro. Lorsque l'opérateur a identifié la longueur précise correspondant à la valeur théorique de la résistance sur 6m (voir le tableau 1 pour un exemple de réalisation avec les tolérances acceptées), il connecte aux bornes 7a et 7b correspondantes, les fils complémentaires 8a et 8b servant à la mesure de potentiel, puis enroule le fil de jauge dans le composant bobiné. Ce moyen de mesure, avec l'étalonnage réalisé, permet d'avoir une sonde de température ayant une précision de + /- 0,3%, à comparer à la valeur moyenne typique actuelle de 1% avec des sondes de températures collées au composant. De plus, le coût de fabrication d'une sonde de température selon l'invention est moindre.

Dans une variante de réalisation, on s'affranchit de manière supplémentaire des erreurs introduites par les incertitudes sur la valeur du courant I livré par le moyen 10 en mesurant directement la résistance du fil de jauge entre les bornes 8a et 8b. Pour cela, on place une résistance de valeur connue à un endroit du circuit du courant I non soumis aux variations de température du composant bobiné. On mesure la variation de potentiel aux bornes de cette résistance et on obtient directement la résistance du fil de jauge par un rapport entre les deux différences de potentiel mesurées.

Comparé à un composant équipé d'une jauge de température, l'ensemble installé dans l'aéronef est donc constitué de ce composant modifié avec un générateur de courant, un voltmètre et un module de calcul apte à fournir la température à partir des mesures effectuées, ces trois derniers composants étant similaires en complexité à des ohmmètres disponibles sur le marché.

Tableau (1) : Exemple concernant un autotransformateur, évaluation de l'erreur de mesure sur la température entre -55C° et +175C°

Longueur moyenne d'une spire : 15 cm

Nombre total des spires (« Aller » et « Retour ») : 40

Longueur de fil utilisée : 6m

Rayon moyen du fil : 0,07081035 mm ; tolérance de fabrication : +/- 2,5% Température Valeurs Valeurs Valeurs

C° minimale nominales maximales

Résistance (en -55 4,456 4,466 4,476

Ohms) du fil de

jauge ajusté 25 6,700 6,710 6,720 autour de 6m

après étalonnage 175 10,908 10,918 10,928 à +/- 0,01 ohm

Tolérance de la -55 - 0,224 0 0,224 résistance de

l'invention 25 -0,149 0 0,149

175 -0,092 0 0,092