Brevet FR2458802A1 — publié le 19810102

L'invention est relative à un procédé et à un dispositif de mesure de flux de chaleur de faible valeur traversant une matière, notamment de flux géothermiques. Pour diverses applications, en particulier pour utiliser la chaleur provenant des profondeurs de la terre, il est utile d'établir des cartes de variation du flux géothermique, qui est de l'ordre du microwatt par cm2, en fonction de la profondeur. On sait que le flux de chaleur traversant une matière est, en un point, égal au produit de la conductibilité thermique dT de la matière en ce point par le gradient de température dT audit point. Jusqu'à présent, pour mesurer le flux géothermique, on détermine, dans des trous préalablement creusés dans le sol, et en général tubés, la différence entre les températures de deux thermistances séparées par une distance de quelques centimètres dT -différence qui est proportionnelle au gradient --et, en labo- ratoire, sur des échantillons ou carottes, la conductibilité thermique de la roche aux diverses profondeurs où sont effectuées les mesures d'écarts de températures. Mais l'obtention de tels échantillons pose des problèmes techniques difficiles à résoudre. L'invention permet de s'affranchir de cette difficulté. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on mesure la différence bT1 entre les températures dans deux plans voisins traversés par le flux à mesurer, on engendre un flux de chaleur de valeur connue qui s'ajoute algébriquement au flux à mesurer, on détermine la différence QT2 entre les températures dans les deux plans traversés par les deux flux qui s'ajoutent et, à partir de ces deux différences, notamment par le calcul, on détermine la flux X à mesurer. Le calcul du flux de chaleur s'effectue de façon particulièrement simple X = XQT1 (1) Dans cette formule, T1 est la différence mesurée entre les températures de deux plans d'une sonde après qu'un équilibre thermique ait été atteint, et A, qui est une constante,est proportionnelle à la conductibilité thermique de la sonde de mesure. Si au flux à mesurer est superposé un flux de valeur connue, B, on peut alors écrire X + B = XQT2 (2) QT2 étant la différence mesurée entre les températures des deux plans de la sonde traversés par les flux superposés. De ces équations (1) et (2) on tire aisément La mesure est particulièrement aisée si le flux engendré s'oppose à celui à mesurer, c'est-à-dire s'il est de sens contraire et a une valeur absolue voisine,AF2 étant alors petit par rapport à AT1. 2 Les flux de chaleur sont ainsi déterminés par deux mesures d'écarts de températures sans qu'il soit besoin de déterminer la conductibilité thermique d'un échantillon. Pour mettre en oeuvre ce procédé, il est avantageux de faire appel, pour engendrer un flux de chaleur de valeur connue, à un (ou des) couple(s) à effet Peltier dont les soudures ou contacts sont respectivement dans le premier et le second plans de la sonde. Un couple à effet Peltier est composé de deux conducteurs ou semi-conducteurs de natures différentes qui, à leurs extrémités, sont soudés ensemble ou sont en contact, le passage d'un courant continu de sens déterminé dans ces conducteurs provoquant un refroidissement de l'une des soudures ou contacts et un échauffement de l'autre, le flux de chaleur ainsi créé entre les deux plans étant fonction de l'intensité du courant. Pour la mesure des différences entre les températures dans les deux plans de la sonde, on utilise de préférence, surtout dans le cas où le flux de chaleur de valeur donnée est engendré par des couples à effet Peltier, des thermocouples (ou couples à effet Seebeck) dont les soudures ou contacts sont dans les deux plans de la sonde. Les constituants des couples à effet Peltier et des thermocouples peuvent être les mêmes, ce qui facilite la réalisation du dispositif de mesure selon l'invention. On a constaté qu'un dispositif de mesure du type dans lequel les constituants des couples à effet Peltier et à effet Seebeck sont le tellurure de bismuth dopé P et le tellurure de bismuth dopé N était particulièrement sensible, ce matériau (tellurure de bismuth) ayant en outre l'avantage de présenter une conductibilité thermique qui est voisine de celle des roches, ce qui diminue la perturbation apportée par le dispositif au flux de chaleur à mesurer. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels la figure 1 montre, de façon schématique, un dispositif selon l'invention; la figure 2 représente, à plus grande échelle, une partie du dispositif de la figure 1; la figure 3 est un schéma montrant certaines connexions de la partie de dispositif représentée sur la figure 2; la figure 4 est le schéma de soudage d'une face de la partie du dispositif montrée sur la figure 2; et la figure 5 est le schéma de soudage de la face opposée. Le dispositif de mesure de flux de chaleur que l'on va décrire est spécialement destiné à la mesure du flux de chaleur montant des couches profondes de la terre vers le sol, notamment afin d'en étudier la variation en fonction de la profondeur. I1 est cependant utilisable pour la mesure de flux de chaleur d'autres origines, plus particulièrement ceux de faibles valeurs, de l'ordre du microwatt/cm2. Ce dispositif comprend (figure 1) enfermé dans la partie centrale d'un boîtier cylindrique 1 mécaniquement résistant, par exemple en verre époxy, d'environ 30 cm de longueur et 3,5 cm de diamètre, un élément actif 2 de forme parallélépipédique dont les grands côtés 2a de longueur 10 cm environ, sont parallèles à l'axe la du cylindre 1 constituant le boîtier, et dont les faces d'extrémités 3 et 4 sont dans des sections droites de ce cylindre. Cet élément actif 2 permet, d'une part, de mesurer la différence entre les températures des faces d'extrémités 3 et 4 et, d'autre part, d'engendrer un flux de chaleur de valeur connue, du même ordre de grandeur que celui à mesurer. Des embouts 5 et 6 prolongent l'élément 2 par ses faces 3 et 4. Ces embouts, qui sont en tellurure de bismuth ont la même forme et les mêmes dimensions que ledit élément 2 et chacun de ceux-ci est séparé de la face d'extrémité correspondante, 3 ou 4, par l'intermédiaire d'une plaque, 7 ou 8, en aluminium aluminité dont la face aluminitée est tournée vers les faces d'extrémités de l'élément 2. Une plaque d'aluminium aluminité est, d'une part, par sa mince couche d'alumine, un isolant électrique et, d'autre part, par l'aluminium, un bon conducteur de la chaleur. Les faces d'extrémités des embouts 5 et 6 sont recouvertes par des plaques métalliques, respectivement 9 et 10. L'ensemble formé par l'élément 2 et les embouts 5 et 6 est séparé de la face interne lb du boîtier cylindrique 1 par un isolant thermique lc qui est, dans l'exemple, du "microtherm" en poudre. Les extrémités du boîtier 1 sont, au ras des plaques 9 et 10, fermées par des bouchons de résine. De l'un des bouchons sortent des conducteurs 111, 112, etc. pour la connexion à des appareils de mesure et un générateur pour engendrer le flux de chaleur de valeur connue. L'élément 2 comprend (figures 2 à 5), un ensemble de bâtons ou barreaux 201l, 2012, 2021, 2031..., tous de même forme, -parallélépipédique à section carrée-, et de mêmes dimensions et disposés les uns contre les autres par leurs faces longitudinales. Ces dernières sont, pour assurer l'isolement électrique entre ces barreaux, recouvertes par un isolant, le "Kapton". Tous ces barreaux sont en tellurure de bismuth dopé et sont groupés de façon telle qu'un barreau à dopage P soit voisin d'au moins un barreau à dopage N. Certains de ces barreaux sont associés pour former des thermocouples, tandis que les autres barreaux sont associés pour former des couples à effet Peltier afin d'engendrer des flux de chaleur de valeur déterminée. L'association est réalisée par des soudures entre les bouts voisins, dans les faces d'extrémité 3 et 4, des barreaux. Ainsi, le bout supérieur, dans la face 3, du barreau 201l de dopage P, est connecté par une soudure 211 au bout supérieur du barreau 2012 de dopage N. Le bout inférieur du barreau 2011 est relié par une soudure 221, sur la face 4, au bout infériéur du barreau 2021 de dopage N. Une soudure 212.sur la face 3 relie le bout supérieur du barreau 2031 à dopage P au bout supérieur du barreau 2021 de dopage N. Ainsi, les barreaux sont électriquement en série. Dans l'exemple, la soudure est une composition à 40,2% d'étain, 53,6% de bismuth et 6,2% d'antimoine, à laquelle on ajoute un flux du type de celui utilisé habituellement pour souder l'acier inoxydable. Chaque plaque, 7 ou 8, en aluminium aluminité permet, par sa propriété de transmission de la chaleur, d'uniformiser la température de la face correspondante, 3 ou 4. La mince couche d'alumine empêche la mise en court-circuit des soudures. La figure 4 montre l'agencement des soudures sur la face 3 et la figure 5 représente l'agencement des soudures sur la face 4. Chaque rectangle sur ces figures représente une soudure couvrant deux bouts de barreaux. Les barreaux se trouvant à l'intérieur de la ligne fictive 38a forment un groupe 38 de thermocouples en série. Dans ce groupe, le bout supérieur du barreau 2061 est soudé à un conducteur 30 et le bout supérieur du barreau 201li est soudé à un conducteur 31 pour la connexion de ces thermocouples en série à un appareil de mesure (non montré). Les barreaux à l'intérieur de la ligne fictive 32a, entourés par les barreaux du groupe 38, forment un premier groupe 32 de couples à effet Peltier en série. Dans ce groupe, les bouts supérieurs des barreaux 2071 et 201ou sont soudés à des conducteurs 33 et 34. Les autres barreaux forment un second groupe 35 de couples à effet Peltier en série, le nombre de barreaux de ce groupe 35 étant différent de celui des barreaux de l'ensemble 32. Les bouts supérieurs des barreaux 2081 et 2091 de ce dernier groupe sont soudés à des conducteurs respectivement 36 et 37. Dans l'exemple, le nombre de thermocouples en série dans le groupe 38 est de soixante-douze, le nombre de couples à effet peltier dans le groupe 32 est de trente, tandis que le nombre de couples à effet Peltier dans le groupe 35 est de vingt-six, le nombre total de barreaux étant ainsi de deux cent cinquante-six. Les barreaux du groupe 32 sont en série avec les barreaux du groupe 35, un barreau d'extrémité du groupe 32 étant relié à un barreau d'extrémité du même type de conductivité du barreau 35, ces deux groupes étant alimentés en courant par un même générateur dont l'intensité du courant qu'il produit peut être variée. Le sens du courant est tel que les soudures du groupe 32 sur la face 3 sont chaudes et, sur la face 4, sont froides, tandis que les soudures du groupe 35 sur la face 3 sont froides et, sur la face 4, sont chaudes. Ainsi, sur la face supérieure 3, le nombre de soudures chaudes est supérieur à celui des soudures froides et, sur la face inférieure 4, le nombre de soudures froides est supérieur à celui des soudures chaudes. On engendre ainsi un flux de chaleur de valeur déterminée, fonction de l'intensité du courant -d'alimentation des couples à effet Peltier, s'opposant au flux géothermique à mesurer lequel produit un gradient de température tel que la face inférieure 4 soit à une température supérieure à celle de la face supérieure 3. Le calcul montre que le dégagement de chaleur par effet Joule, défavorable à l'obtention d'une différence entre les températures des faces 3 et 4, est faible par rapport à celui obtenu par l'effet Peltier. Par exemple avec des barreaux en tellurure de bismuth 3 dont la résistivité de chacun est de 1,3 x 103 ohm.cm et dont la section est de 1,5 x 10 2 cm2 qui sont associés de manière à former deux groupes de couples à effet Peltier en opposition, comme les groupes 32 et 35,avec vingt-et-une soudures refroidissantes et dix-huit soudures chauffantes, en négligeant les pertes de chaleur en direction transversale, c'est-à-dire en direction horizontale, il faut faire passer un courant d'intensité d'environ 350 microampères dans les barreaux pour obtenir un flux de 60 microwatts/ cm2 et, dans ce cas, la chaleur dégagée par effet Joule ne représente qu'environ 3% du flux de chaleur engendré par effet Peltier. La disposition de deux groupes de couples à effet Peltier en opposition permet d'obtenir, pour un même flux de chaleur à engendrer, un nombre de soudures sur les faces 3 et 4 qui est supérieur au nombre de soudures qui seraient présentes sur ces mêmes faces si l'on n'utilisait qu'un seul groupe de couples à effet Peltier. Cette augmentation du nombre de soudures contribue, avec les plaques r7 et 8, à l'uniformisation de la température sur les faces 3 et 4.De plus, la disposition de deux groupes de couples à effet Peltier en opposition permet, pour engendrer un flux de chaleur de valeur donnée et pour un nombre déterminé de soudures, de faire appel à un courant électrique d'intensité qui ne soit pas trop faible; en effet si, au lieu d'utiliser deux groupes de couples en opposition, on utilisait un seul groupe de couples à effet Peltier avec le même nombre de soudures sur les faces 3 et 4, il faudrait, pour produire le même flux de chaleur par effet Peltier, faire appel à un courant d'intensité sensiblement plus faible qui serait difficile à réguler. Le tellurure de bismuth est particulièrement approprié à la fois pour les mesures d'écart de températures et pour produire des flux de chaleur. En effet, sa force thermo-électrique pour un couple tellurure de bismuth dopé P - tellurure de bismuth dopé N, est de 400 microvolts par degré, valeur qui est nettement supérieure à celle des autres couples connus jusqu'à présent. Le flux de chaleur créé a en conséquence également une valeur élevée car on sait que la puissance dégagée par effet Peltier est proportionnelle non seulement à l'intensité du courant électrique mais aussi à la force thermo-électrique. Outre la valeur élevée de la force thermo-électrique, le tellurure de bismuth présente également l'avantage que sa conductibilité thermique est du même ordre de grandeur que celle des roches. Les embouts 5 et 6 en tellurure de bismuth améliorent l'homogénéisation de la température sur les faces 3 et 4 et, en plus, protègent ces dernières de l'eau que l'on rencontre la plupart du temps dans les sondages et qui pourrait provoquer des variations brusques de la température de ces faces. Pour mesurer le flux géothermique entre les faces 3 et 4 dans un sondage, on procède comme suit On mesure d'abord à l'aide des thermocouples du groupe 38 la différence entre les températures des faces 3 et 4 quelques heures après l'introduction de la sonde, lorsque celle-ci est en équilibre thermique avec le milieu environnant. A cet effet, on enregistre les variations de AT1 en fonction du temps et lorsque cette différence AT1 reste constante, on effectue cette mesure. Ensuite, les groupes 32 et 35 de couples à effet Peltier sont alimentés par un courant d'intensité déterminée et de sens tel qu'ils créent un flux de chaleur s'opposant au flux géothermique et de préférence du même ordre de grandeur que ce dernier. Après stabilisation, également après quelques heures, on mesure la différence AT2 entre les températures des faces 3 et 4. De ces deux mesures on déduit ensuite, par un calcul (formule 3 ci-dessus) le flux géothermique entre les faces 3 et 4. Toutefois, par des mesures effectuées dans des sondages pour lesquels on connaît déjà, de façon précise, le flux géothermique, on a constaté qu'il fallait, pour tenir compte des pertes thermiques latérales, dans la formule (3) affecter un coefficient k à l'écart AT2, la formule (3) s'écrivant ainsi Bien que les pertes latérales soient fonctions de la nature du sol dans le sondage, on a constaté que le coefficient restait sensiblement constant. REVEND1 CATIONS 1.- Procédé de mesure de flux de chaleur traversant une matière, notamment du flux géothermique, dans lequel on mesure la différence AT1 entre les températures dans deux plans voisins traverses par le flux à mesurer, caractérisé en ce qu'on engendre un flux de chaleur de valeur déterminée, qui s'ajoute algébriquement au flux à mesurer, on détermine la différence dT2 entre les températures dans les deux plans traversés par les deux flux qui s'ajoutent et on détermine, à partir des différences AT1 et QT2, la valeur du flux à mesurer. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux engendré s'oppose au flux à mesurer. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le flux engendré est tel que la seconde différence AT2 est faible par rapport à la première AT1. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux X à mesurer est déterminé par la formule suivante dans laquelle b est la valeur du flux engendré et k est une constante. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 3 4, caractérisé en cc que, pour effectuer la mesure de la première différence AT1, on enreaistre d'abord ses variations en fonction du temps et on effectue la mesure quand cet: te différence AT1 garde une valeur constante, et en ce que, pour mesurer la seconde différence AT2, on enregistre d'abord ses variations et on effectue la mesure de cette seconde différence quand celle-ci ne varie plus 6.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend, pour engendrer un flux de chaleur de valeur déterminée, au moins un couple à effet Peltier dont une soudure ou contact est dans le premier plan et l'autre soudure ou contact est dans le second plan. 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend, pour alimenter le couple à effet Peltier, un générateur de courant électrique d'intensité variable. 8.- Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend une multiplicité de couples à effet Peltier en série. 9.- Dispositif selon la revendication 8-, caractérisé en ce qu'il comprend deux groupes de couples à effet Peltier montés en sens inverses et parcourus par le même courant, le nombre de couples du premier groupe étant différent du nombre de couples du second groupe. 10.- Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que les soudures ou contacts sont répartis de façon régulière dans chacun desdits plans. 11.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend dans chaque plan deux plaques électriquement isolantes mais bonnes conductrices de la chaleur afin d'uniformiser la température dans ces plans. 12.- Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les plaques sont en aluminium aluminité, la pellicule d'alumine étant tournée vers les soudures ou contacts des couples à effet Peltier. 13.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisé en ce qu'un élément du couple à effet Peltier est en tellurure de bismuth dopé P et l'autre élément est en tells rure de bismuth dopé N. 14.- Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'à chaque plaque est associé un embout massif. 15.- Dispositif selon les revendications 13 et 14, caractérisé en chaque les embouts sont en tellurure de bismuth. 16.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend, pour mesurer la différence entre les températures des deux plans, au moins un thermocouple dont une soudure ou contact est dans le premier plan et l'autre dans le second plan. 17.- Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'un élément d'un thermocouple est en tellurure de bismuth dopé P et l'autre élément en tellurure de bismuth dopé N. 18.- Dispositif selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de thermocouples en série, la première moitié des soudures ou contacts étant dans le premier plain, la seconde moitié dans le second plan. 19.- Dispositif selon les revendications 8 et 18, caråc- térisé en ce que les éléments soles couples a effet Peltier et les éléments des thermocouples sont tous sous forme de barreaux allongés, de même longueur et disposés parallèlement les uns aux autres de façon que leurs bouts soient respectivement dans les premier et second plans. 20.- Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que les barreaux de thermocouples entourent les barreaux des couples à effet Peltier. 21.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 20, caractérisé en ce qu'il présente un boîtier cylindrique en verre époxy. 22.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 21, caractérisé en ce que le couple à effet Peltier et les moyens de détection d'écarts de températures sont dans un boîtier isolant de la chaleur rempli d'un isolant de la chaleur en poudre. 23.- Dispositif selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que chaque embout a sensiblement la même longueur que la distance séparant les deux plans.