Brevet FR2389128A1 — publié le 19781124

L 'invention concerne un procédé et un dispositif perfectionnés de mesure de la conductivité thermique d'un corps ou d'un milieu et plus particulièrement de permettre d'interpréter par des#coinnparaisons7 l'évolution de certains pararnè- tres propres au milieu ou au corps mentionné Ce dispositif s'applique d'une manière particulièrement avantageuse à une évaluation des débits sanguins superficiels mais peut également trouver des applications dans le domaine du con frôle ou de la vP,rification notarrrment en ce qui concerne aussi bien la nature d 'un matériau ou d'une solution, que les traitements thermiques ou les épaisseurs de déport en traitement de surface. Il est connu de mesurer le coefficient de conductivité thermique # d'un corps ou d'un milieu au moyen de thermocouple et à partir d'une mesure différentielle de température. A la faible sensibilité que représente cet appareil, vient s'ajouter le fait qu'il n'est pas possible d'obtenir la température absolue en raison du principe de mesure différentielle. La présente invention a pour but de supprimer ces inconvénients majeurs et notamnent en ce qui concerne la sensibilité, du fait de l'importante amélioration obtenue de permettre une application utile dans le domaine médical: mesure des débits sanguins superficiels dont les études dès lors possibles peuvent laisser espérer d'importants espoirs notamment en ce qui concerne la détection des tumeurs de la peau et du sein. Suivant l'invention, le procède de mesure consiste à déterminer le coefficient de conductivi.#té par la mesure du gradient de température résultant de la diffusion d'une quantité de chaleur constante issue d'une source chaude. Plus particulièrement, une sonde présentant une surface active est mise en contact avec le corps ou plongée dans un milieu et une source chaude de la sonde déli- vre une quantité de chaleur constante, on mesure alors l'équilibre thermique entre la source chaude et le milieu, ou le corps a mesurer à l'aide d'un premier capteur de température et enfin, on mesure la répartition de teppérature de surface du milieu ou du corps considéré à une distance fixe de la source chaude.L'émission de chaleur constante sera avantageusement obtenue à l'aide d'éléments chauffants mis en contact direct par enroulement, avec un pot émet- teur constitué en un matériau très bon conducteur thermique; ces éléments chauffants étant alimentés à courant constant au cours d'une rnéme mesure L'invention se matérialise alors en un dispositif de mesure de la conductivité thermique A d'un corps ou d'un milieu coir# > renant une sonde et un système de traitement du signal délivré par la sonde, caractérisé en ce que la sonde coP porte une source chaude émettrice de calories, un capteur à semi-conducteur, situé dans le voisinage immédiat de la source émettrice, et au moins un capteur récepteur à semi-conducteur, mesurant la température résultante de la surface du milieu à une distance fixée connue de la source chaude, la source chaude et le capteur étant séparés par un matériau à forte isolation thermique. Afin d'accroître la précision du dispositif ainsi réalisé, il sera avantageux d 'élaborer une teppérature moyenne en prévoyant quatre capteurs récepteurs, régulièrement répartis angulairesent sur une couronne conductrice thermiquement. Une autre façon d'accroître la précision, consiste à prévoir le capteur de i:em pérature de la source chaude à l'intérieur du pot émetteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre, et présenteront des modes de réalisation pré- férentiels non limitatifs du dispositif selon l'invention. La Fig. 1 est une représentation schématique d'un dispositif selon l'art an trieur, La Fig. 2 est une vue en couve du disposiiif de mesure selon l'invention, La Fig. 3 est une vue en coupe d'un mode 7refsrentiel de réalisation de l'in vention, La Fig. 4 est une vue de la Fia. 3 suivant A. Considérant la figure 1, le dis-ositif de mesure suivant # Eart antérieur se présente essentiellement sous la forme d'un pot circulaire 1, comportant dans sa partie centrale un élément cylindrique 2, entourant une source chaude 3, émettrice de calories. Dans la partie périphérique du pot, une zone réceptrice 4 de la température résultante de l'émission de la source chaude 3, est séparée de la source chaude par un évidement circulaire 5. Régulièrement répartie à la périphérie de la zone réceptrice et de L'élément cylindrique des thermocouples sont montés d'une manière connue de l'homme de 1 'art, et dont le montage schématique est représenté sur cette figure 1. Came cela a été indiqué aunaravant, la mesure obtenue ne retient que la différence de température entre le point chaud obtenu par l'élément cylindrique central et le point froid, obtenu par la zone réceptrice. Il n'est donc pas question de mesurer la température absolue du corps ou du milieu, de plus, malgré le soin apporté dans le choix des matériaux et les modes de réalisation, la sensibilité a des limites qu'il est difficile de reculer, l'inertie calorifique est elle aussi, non négligeable. La Fig. 2 représente une vue en coupe du dispositif de mesure de conductivité thermiques suivant l'invention ; celui-ci comporte un élément cylindrique 6, présentant un évidement 7 ouvert vers la partie supérieure. On réalise ainsi un élément présentant une paroi 8 et un fond 9, dont la surface inférieure 10, s era mise en contact sur le corps dont on doit effectuer la mesure. Cette surface sera comprise dans un plan que nous nommerons plan de détection 11. Des éléments chauffants 12, sont disposés sur la paroi extérieure de façon à la recouvrir pratiquement entièrement. L'élément cylindrique est réalisé dans un matériau très bon conducteur de la chaleur par exemple en laiton. Un capteur de température 13, très sensible, réalisé base d'éléments semi-conducteurs, est logé à l'intérieur de l'fzvidement 7. La surface sensible du capteur est en contact direct avec le fond 9. L'ense#le ainsi obtenu, forme la source chaude du dispositif et constitue le pot émetteur niini de son capteur de température. Située dans le prolongement de la face inférieure 10 du fond dé la source chaude, une plaque de matériau isolant thermiquement 14, par exemple en matière plastique, plus particulièrement en iréthacrylate de methyle, sépare de manière constante la source chaude du capteur récepteur 15. Ce capteur récepteur se présente sous la forme d'une plaquette 16, réalisée en matériau très bon conducteur de la chaleur par exemple en laiton, sa face inférieure 17, est située dans le plan de détection 11. La surface supérieure 18 de la plaquette 16, est en contact direct avec le second capteur de température 19, identique à celui utilisé dans la source chaude. Le fonctionnement du dispositif est alors le suivant Supposons que lton souhaite mesurer le coefficient de conductivité thermique d'un corps donné, présentant une surface S. Il suffit de mettre en contact avec cette surface, le dispositif décrit. La source chaude est alors sollicitée en faisant passer un courant constant dans les éléments chauffants 12. Une certaine quantité de chaleur est alors transmise à l'élément cylindrique 6 et une partie peut etre uuniquee au corps à mesurer, par la surface inférieure 10. Cette quantité de chaleur diffusera plus ou moins aisément à travers le corps.Il en résultera alors nécessairement un gradient de température. Le capteur récepteur 15, donnera alors la mesure exacte de la température du corps au point situé en regard de sa surface de contact. Un dispositif électronique permet ensuite de donner L'écart de température entre la température du pot émetteur, révélée par le capteur 13, et la température détectée par diffusion dans le corps, par le capteur 19. Suivant un mode préférentiel de réalisation du dispositif selon l'invention, le pot émetteur est situé au centre d'une plaque isolante en matière plastique, alors qu'une pluralité de capteurs récepteurs sont régulièrement répartis angulairement à distance constante du pot émetteur (ainsi que l'on sten rend coopte sur Fig. 4). Les capteurs sont alors disposés ccamie on peut le voir sur la Fig. 3, sur une couronne 20, réalisée en matériau nécessairement bon conducteur thermique, et la plaquette isolante peut avantageusement étire remplacée par un enrobage 21, noyant tous les différents capteurs, pot émetteur à 11 intérieur d'une enveloppe cylindrique externe, métallique 22. Des fils électriques assurent l'alimentation de 1' émetteur colrme des différents capteurs émetteurs, récepteurs. En fonctionnement, le capteur central surveille et indique l'équilibre thermique entre la source chaude et le milieu à mesurer, tandis que les capteurs au nombre de quatre, dans un des modes de réalisation retenu, situés sur l'anneau exté- rieur, mesurent la répartition de température de surface du milieu considéré à une distance fixe de la source chaude. L'alimentation du filament constituant la source chaude est assurée en courant constant, diffusant en permanence une quantité de chaleur constante à partir de laquelle, par une relation connue, il est aisé d'en deduire la valeur A du coefficient de conductivité thermique. Cette relation est de la forme & K -TQ dans laquelle est estle coefficient de conductivité thermique, K un coefficient dont la valeur déprend des caractéristiques dimensionnel es de la sonde, n la quantité de chaleur apportée, T 1 'écart de température entre le capteur central et les capteurs extérieurs. Les résultats obtenus, sont en ce qui concerne la sensibilité telle que pour une élévation de un degré, on obtient un signal de 200 mV, alors qu'avec des systèmes à thermocouple, le signal obtenu est de l'ordre de 70, V. Des modifications peuvent être apportées au mode de réalisation décrit, dans le domaine des équivalents, sans s'écarter de l'invention. REVENDICATIO-#S 1 - Procédé de mesure de la conductivité thermique d'un corps ou d'un milieu dans lequel une sonde présentant une surface active est mise en contact avec le corps ou plongé dans le milieu, caractérisé en ce qu'une source chau de délivre une quantité de chaleur constante, en ce que l'on mesure l'qui libre thermique entre la source chaude et le milieu ou le corps à mesurer, à l'aide d'un premier capteur de température à semi-conducteur, et en ce que l'on mesure la répartition de températures de surface du milieu ou du corps considéré, à une distance fixe de la source chaude, à l'aide d'une pluralité de capteurs de températures à semisonducteurs. 2 - Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source chaude délivrant une quantité de chaleur constante est alimentée en courant constant au cours d'une mesure. 3 - Procédé de mesure selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on mesure la température absolue. 4 - Procédé de mesure selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on mesure la différence de température entre la source chaude et le capteur récepteur. 5 - Dispositif de mesure de la conductivité thermique d'un corps ou d'un milieu comprenant une sonde et un système de traitement du signal délivré par la sonde, caractérisé en ce que la sonde comporte une source chaude émettrice de calories, un capteur de température à semi-conducteur situé dans le voi- sinage imriédiat de la source émettrice et au moins un capteur récepteur à s emi-conducteur mesurant la température résultant de la surface du milieu à une distance fixe, connue de la source chaude, la source chaude et le cap teur étant séparés par un matériau à forte isolation thermique. 6 - Dispositif de mesure suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la source émettrice comporte un pot émetteur en un matériau très ton conducteur thermique, et dont la paroi latérale extérieure est en contact direct avec des éléments chauffants, et en ce que le fond du pot émetteur est en contact direct avec la surface du corps ou du milieu à étudier. 7 - Dispositif de mesure, suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le capteur de température à semi-conducteur est logé à l'interieur d'un évi d ement du pot émetteur, en contact direct avec le fond de celui-ci et que les éléments chauffants sont alimentés a courant constant au cours d'une mesure. 8 -- Dispositif de mesure suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7) ca r actérisé en ce que le capteur récepteur comporte un capteur de température à semi-conducteur,placé en contact direct sur une plaauette de détection en un matériau très bon conducteur thermique et 'maintenu à une distance connue f ixe de la source chaude par une plaque de matériau à forte isolation ther mique. 9 -- Dispositif de mesure suivant l'une des revendications 5 à 8r et comprenant une pluralité de capteurs récepteurs semi-conducteur, caractérisé en ce que la sonde se présente sous la forme d'un cylindre à l'intérieur duquel et au centre duquel se trouve le pot émetteur ; les capteurs récepteurs é tant régulièrement répartis angulairement et à distance constante du pot émetteur sur une couronne réalisée en un matériau très bon conducteur ther mique, l'ensemble étant enrobé d'une matière à forte isolation thermique. 10 - Dispositif de mesure de conductivité thermique suivant l'une quelconque des revendications 5 à 9, caracterise en ce qu'il est utilisé dans le do maine médical, et notamment pour la mesure de l'évaluation des débits san guins superficiels.