Brevet FR2590982A1 — publié le 19870605

Dispositif de mesure d'un flux thermique La présente invention con-cerne un dispositif de mesure d'un flux thermique. La mesure d'un flux thermique se fait généralement en introduisant le long des lignes de champ un matériau de caractéristiques connues créant un gradient thermique proportionnel au flux à mesurer. On utilise, ordinairement, pour mesurer ce gradient, un ensemble de thermocouples placés en série et disposés de manière à créer une tension proportionnelle au gradient thermique et donc au flux. Les dispositifs utilisés pour la mise en oeuvre de telles mesures, sont généralement relativement sophistiqués, donc onéreux, ou encore peu précis ou d'un emploi peu commode. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif de mesure d'un flux thermique basé sur le même principe que les dispositifs classiques, à savoir la création d'un gradient thermique mesurable, mais, qui soit très simple aussi bien à fabriquer qu à utiliser, et ce tout en donnant des résultants précis. A cet effet, le dispositif objet de l'invention est caractérisé en ce qu'il se compose d'une sonde destinée à être disposée dans le flux thermique à mesurer et comportant deux faces principales entre lesquelles le flux thermique fait apparaître une différence de température, les faces portant chacune deux résistances électriques variables en fonction de la température, les quatre résistances ainsi obtenues étant choisies et connectées de manière à former un pont de mesure à quatre sommets du type pont de Wheastone équilibré en l'absence de différence de température entre les deux faces et comportant quatre branches constituées, chacune, par l'une des résistances, les branches opposées de ce pont portant chacune les résistances d'une même face de la sonde, tandis que les deux paires de sommets opposés sont respectivement reliées à un générateur délivrant un courant et à un voltmètre mesurant la tension de déséquilibre du pont, proportionnelle au flux de chaleur traversant les deux faces principales du dispositif. Conformément à l'invention, le gradient thermique est donc mesuré, non pas par thermocouple, comme dans les dispositifs usuels mais par effet thermorésistif. Conformément à l'invention, les résistances sont généralement gravées sur la sonde par un procédé quel conque notamment électrolyse, métallisation sous vide, impression, ou tout autre procédé utilisé classiquenent pour la fabrication de circuits imprimes. Pour cette gravure, on utilise généralement un étal à caractéristique linéaire tel que le cuivre ou le platine ; n'importe quel conducteur peut, néanmoins, être utilisé. Conformément à l'invention, on choisit généralement quatre résistances de même valeur ; il ne s'agit cependant pas là d'une caractéristique limitative de l'invention, étang donné que l'égalité des rapports des résistances des branches opposées d'un pont de Wheastone est une caractéristique suffisante pour qu'il soit équilibré. Selon une autre caractéristique de l'invention, la sonde est constituée par une plaque support notamment rectangulaire en un matériau non ou faiblement conducteur de l'électricité notamment en céramique, en verre époxy ou en un matériau similaire. Selon une caractéristique préférentielle, les résistances d'une même face de la plaque support forment une double spirale enlacée. Le choix d'un tel enroulement en spirale présente l'avantage de permettre d'effectuer les mesures sur une surface, et non ponctuellement, permettant ainsi de s'affranchir des problèmes d'hétérogénéité des températu-res. Un autre avantage lié à ce choix consiste en la possibilité de créer des résistances suffisamment élevées (pouvant atteindre plusieurs dizaines de kilo-ohms) pour obtenir une tension de déséquilibre mesurable avec une grande précision. L'utilisation de telles résistances en spirale permet, parallèlement, de limiter les effets magnétiques qui pourraient perturber la mesure et de répartir la dissipation par effet voulez Dans tous les cas, les quatre résistances constitutives du pont de Wheastone sont connectées électriquement grâce à des liaisons qui peuvent être réalisées, en fonction de la nature de la plaque support, soit au travers de cette dernière au moyen de trous métallisés, soit plus simplement par des connexions de surface. Comme il a déjà été indiqué, pour que le dispositif objet de l'invention puisse être mis en oeuvre dans des conditions satisfaisantes, il est nécessaire que,. en l'absence de différence de température entre les deux faces principales de la plaque support, le pont de Wheastone soit équilibré, c'est-à-dire ne délivre aucune tension ; pour garantir ce résultat et pouvoir éliminer toute dispersion dans les valeurs des résistances risquant de provoquer une tension de décalage s'ajoutant à la tension à mesurer, il est nécessaire qu'au moins l'une des quatre résistances de ce pont soit variable. Selon une autre caractéristique de llinvention, la résistance variable est constituée sur une partie de sa longueur, notamment sur sa partie finale, par une série d'échelons conducteurs pouvant être découpés (par rayon laser ou par tout autre procédé) pour ajuster très finement les valeurs de résistance. Selon une autre caractéristique de l'invention, la plaque support portant les quatre résistances est munie d'un premier enrobage en un matériau électriquement isolant mais thermiquement conducteur, notamment en matière plastique. Selon une autre caractéristique de l'invention, la plaque support portant les quatre résistances est munie d'un second enrobage en un matériau assurant un bon contact thermique, notamment en caoutchouc de silicone. Ces deux revêtements coopèrent pour permettre l'obtention de mesures très précises. Les caractéristiques du dispositif objet de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en perspective de ce dispositif, - la figure 2 représente l'une des faces de cedispositif, (sous enrobages) - les figures 3a et 3b ainsi que 4a et 4b sont des schémas explicitant le montage électrique des résistances, - la figure 5 est un schéma de fonctionnement du dispositif, - les figures 6a et 6b montrent la connexion électrique des quatre résistances, - la figure 7 représente la résistance variable, - les figures 8a et 8b sont des schémas explicitant le mode de fonctionnement de cette résistance variable Conformément à la figure 1, le dispositif objet de l'invention qui est destiné à permettre la mesure d'un flux thermique se compose d'une sonde constituée par une plaque support rectangulaire 1 prise en sandwich dans un premier enrobage 2 en un matériau électriquement isolant mais thermiquement conduc teur, notamment en matière plastique, lui-même recouvert par un second enrobage 3 en un matériau assurant un bon contact thermique, notamment un caoutchouc aux silicones. La plaque support rectangulaire 1 est en un matériau rigide; no-n ou faiblement conducteur-de l'électricité, tel que de la céramique ou du verre époxy ; cette plaque a une épaisseur e et comporte deux faces principales I et II entre lesquelles le flux à mesurer fait apparaître une différence de température T-T'. Lors des mesures, la face I se trouve donc à une température T tandis que la face II se trouve à une température T Conformément à la figure 2, chacune des faces I et II, notamment la face II, porte gravée sur-sa surface, une double spirale enlacée R1, R4 (ou R2, R3 pour la face I) en un matériau électriquement conducteur, tel que le cuivre ou le platine. Comme on peut le voir plus précisément sur les figures 3a, 3b et 4a, 4b, les spirales R2, R3 et R1, R4 définissent quatre résistances de même valeur variable en fonction de la température et sont connectées de manière à constituer les quatre branches AD, DB, BC, CA d'un pont de mesure à quatre sommets du type pont de Wheastone ABCD, équilibré en l'absence de différence de température entre ces résistances. Selon la figure 6a, les quatre résistances R2, R3, R1 et R4 sont connectées électriquement grâce à des liaisons interfaces 5 réalisées sur la surface de la plaque support 1. Selon les figures 3a, 3b, 4a, 4b et 5, les sommets AD et CB sont respectivement reliés par les branches correspondant aux résistances R3 et R2 de la face I, tandis que les sommets AC et DB sont respectivement reliés par les branches correspondant aux résistances R1 et R4 de la face II, ce qui signifie qùe les branches opposées du pont correspondent aux résistances d'une même face de la plaque support. Selon la figure 5, les sommets opposés A et B sont, par ailleurs, reliés à un générateur 6 délivrant un courant continu Io tandis que les sommets C-et D sont reliés à un voltmètre 7 mesurant la tension de déséquilibre U qui est proportionnelle au flux de chaleur traversant les deux faces principales I et II de la plaque support 1. En effet, chacune des résistances a une valeur qui dépend de la température selon l'expression R = RO (a + bT + cT2) dans laquelle T correspond à la température de la résistance, RO à sa valeur à 0 C et a, b et c sont trois coefficients dépendant du conducteur utilisé. Par suite, si l'on se place dans les conditions susmentionnées (face I à la température T et face II à la température T') on a, compte tenu du fait que pour une même température R1 = R2 = R3 = R4, les égalités suivantes R1 = RO (a + bT * cT2) R2 = RO (a + bT' + cT'2) R3 = RO (a + bT' + cT'2) R4 = RO (a + bT + cT2) Selon la figure 5, il est connu que la tension U recueillie entre les points opposés C et D d'un pont de Wheastone ACDB alimenté par un courant Io à partir d'un générateur 6, est égale à R4R1- R2 R3 -R1-+R2+R3+R4 Si l'on compare cette égalité avec les quatres égalités ci-dessus, on a u = RO (T - T') (b + c (T + T')) 2 Pour certains métaux, tels que le cuivre ou le platine, le terme c(T+T') est très petit devant b, si bien que l'on peut écrire Io Ro Par # le flux de (T-T') 2 Par ailleurs, le flux de chaleur que l'on cherche à mesurer est relié à l'écart de températures T-T' existant entre les deux faces I et II de la plaque 1 par l'expression ç = e (T-T') dans laquelle A représente la conductivité thermique du matériau constitutif de la plaque support 1, tandis que e est l'épaisseur de cette plaque. Le flux thermique recherché s'exprime donc directement en fonction de la tension-de déséquilibre mesurée U selon l'expression linéaire w beROIo I1 est donc clair que la mesure de la différence de potentiel existant entre les points C et D du dispositif conforme à l'invention permet de calculer immédiatement le flux thermique recherché. Bien entendu, pour que cette mesure puisse être effectuée dans de bonnes conditions, il suffit que l'égalité Rift4 = R2R3 soit réalisée. On peut s'en assurer en ajoutant la valeur de R1 par exemple de telle sorte que lorsque les deux faces I et II de la plaque support 1 sont à la même température, il y ait une tension nulle. Ainsi, aucune tension de decalage ne viendra s'ajouter à la tension à mesurer. Selon la figure 7, pour s assurer que le voltmètre délivre toujours une tension U nulle en l'absence d'écart de température, au moins l'une des résistances, par exemple la résistance R1, est variable ; dans ce but, celle-ci est constituée, en sa partie finale, par une série d'échelons conducteurs 8 susceptibles d'etre découpés notamment par rayon laser ou par tout autre procédé, de manière à permettre d'ajuster très finement la valeur de cette résistance. Ce procédé per mettant uniquement de faire augmenter la valeur de R1, il est nécessaire que ce dispositif soit également prévu sur l'autre face du fluxmètre et donc que R2, par exemple, soit également variable grâce aux échelons conducteurs. I1 est clair que, à partir de la configuration représentée sur la figure 8a, il est possible de subdiviser les échelons 8 de manière à modifier le parcours du courant (représenté par les flèches a) et par suite modifier la valeur totale de la résistance R1. REVENDICATIONS 10) Dispositif de mesure d'un flux thermique, caractérisé en ce qu'il se compose d'une sonde (1) destinée à etre disposée dans le flux thermique à mesurer et comportant deux faces principales (I et II) entre lesquelles les flux thermique fait apparaître une différence de température (T-T'), les faces (I et II) portant chacune deux résistances électriques (R2, R3 ou R1, R4) variables en fonction de la température, les quatre résistances (Rl, R2, R3, R4) ainsi obtenues étant choisies et connectées de manière à former un pont de mesure à quatre sommets du type pont de Wheastone (ABCD) équilibré en l'absence de différence de température entre les deux faces (I et II) et comportant quatre branches constituées, chacune, par l'une des résistances (R2, R3, R1, R4), les branches opposées (R1, R4 ou R2, R3) de ce pont (ABCD) portant chacune les résistances d'une même face (I ou II) de la sonde (1), tandis que les deux paires de sommets opposés (AB ou CD) sont respectivement reliées à un générateur (6) délivrant un courant (Io) et-à un voltmètre (7) mesutant une tension (U) de déséquilibre proportionnelle au flux de chaleur (cp) traversant les deux faces principales (I et II) du dispositif. 20) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les quatre résistances (R1, R2, R3, R4) sont égales lorsqu'elles sont à une même température et en ce que les rapports R1/R2 et R3/R4 sont égaux. 30) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la sonde (1) est constituée par une plaque support d'épaisseur (e) notamment rectangulaire en un matériau non ou faiblement conducteur de l'électricité notamment en céramique, en verre époxy ou en un matériau similaire. 40) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux résistances (Rl,R4 ou R2, R3) d'une même face de la plaque support (1) forment une double spirale enlacée. 50) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les quatres résistances (R1, R2, R3, R4) sont connectées électriquement grâce à des liaisons interfaces réalisées au travers de la plaque support (1) au moyen de trous (4) métallisés. 60) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les quatre résistances (R1, R2, R3, R4) sont connectées électriquement grâce à des liaisons interfaces (5) réalisées sur la surface de la plaque support (1). 70) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au moins une des quatre résistances (R1) de la plaque support (1) est constituée par une résistance variable permettant de garantir un équilibrage exact du pont de Wheastone en l'absence de différence de température entre les deux faces principales (I et II) de la plaque support (1). 80) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la résistance variable (R1) est constituée sur une partie de sa longueur, notamment sur sa partie finale, par une série d'échelons conducteurs (8) pouvant être découpes. 90) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la plaque support (1) portant les quatre résistances (RI, R2, R3, R4) est munie d'un premier enrobage (2) en un matériau électriquement isolant mais thermiquement conducteur, notamment en matière plastique. 100) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la plaque support (1) portant les quatre résistances (R1, R2, R3, R4) est munie d'un second enrobage (3) en un matériau assurant un bon contact thermique.