Brevet FR2625558A1 — publié le 19890707

PROCEDES ET DISPOSITIFS DE MESURE D'UN FLUX THERMIQUE La présente invention concerne un procédé et des dispositifs de mesure d'un flux thermique et, plus particulièrenent, d'un fluxmètre utilisant une différence de température à travers une paroi auxiliaire. La Mesure des flux therniques conductifs, radiatifs ou convectifs est utilisée couramment dans des applications industrielles. Un capteur de flux de chaleur ne doit pas perturber le transfert de chaleur, ni mecaniquement, ni physiquement. En transposant la technique des extensomètres, telle qu'utilisée dans le pesage électronique, on a pensé à réaliser un capteur de flux utilisant des éléments thermométriques, de manière & obtenir des Solutions techniques peu coûteuses et utilisant du ntériel de grande diffusion pour la réalisation de grilles résistantes. On sait que la densité de flux de chaleur, en un point donné d'un matériau, est définie par la Loi de FOURIER. # = - # grad # dans laquelle : f est la densité de flux de chaleur ou quantité de chaleur transférée par unité de temps et de surface, exprimée en w.m-2 X est la conductivité d'un matériau, exprimée en w.m-1 C-1 8 est la température en 'C Lorsque X est connu, il suffit de mesurer e. 8. Pour cela, on utilise une paroi auxiliaire d'épaisseur e, insérée dans le système à l'endroit où on veut mesurer la densité de flux. On mesure alors la différence de température ,ae entre les deux faces de la paroi pour permettre le calcul de la densité de flux, à l'aide de la formule suivante # = ### e. La différence de température ## est mesurée habituellement par des thermocouples. Toutefois, l'utilisation habituelle des ther - > couples présente de nombreux inconvénients. En premier lieu, il faut noter que pour obtenir une différence -de température appropriée entre les deux faces de la paroi auxiliaire, il est nécessaire de disposer d'un grand nombre de thermocouples sur chacune desdites faces de ladite paroi auxiliaire. Coaare il est nécessaire; par ailleurs, de relier les thermocouples par des soudures chaude et des soudures "froide" en série, il s'ensuit qu'il faut manager des orifices dans la paroi auxiliaire pour le passage des conducteurs de liaison. En deuxiène lieu, il est indispensable détalonner chaque fluxmètre pour tenir compte de l'épaisseur et de la conductivité de la paroi auxiliaire, d'une part, et de la sensibilité des thernocouples en fonction de leur température, d'autre part. La présente invention a pour but de proposer un procédé et des nouveaux dispositifs de mesure de flux à cathode de zéro qui utilise des éléments thermométriques ou des thermocouples. La présente invention a pour objet un procédé de mesure d'un flux thermique au moyen d'une paroi auxiliaire et de transducteurs thermoélectriques disposés sur au mins une surface de ladite paroi auxiliaire, et il est caractérisé en ce que le passage du flux à mesurer sur lesdits transducteurs et à travers la paroi auxiliaire crée une différence de température qui soit fonction dudit flux à masurer. La présente invention a également pour objet un dispositif de mesure de flux, du type comprenant une paroi auxiliaire et des éléments thermométriques situés sur les deux faces opposées de ladite paroi auxiliaire, et qui est caractérisé en ce que les éléments thermometriques d'une face sont associés aux éléments de l'autre face de manière à réaliser un pont qui est équilibré en absence de flux à mesurer, et en ce qu'une couche chauffante résistante est disposée sur une face de ladite paroi auxiliaire opposée à celle par laquelle entre ledit flux à mesurer, ladite couche résistante dissipant une puissance électrique, permettant d'annuler le gradient de température introduit par le flux à mesurer entre les deux faces de ladite paroi auxiliaire. Un avantage de la présente invention réside dans le fait que l'on s'affranchit de la masure de l'épaisseur et de la conductivité de la paroi auxiliaire. Un autre avantage réside dans le fait que l'on peut utiliser des résistances thermonétriques de grande longueur développée de manière à diminuer I'auto-échauffement. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description donnée ci-dessous à titre indicatif nais non lialtatif de plusieurs modes de réalisation préférés de l'invention, ainsi que des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un dispositif de mesure d'un flux selon la présente invention. Les figures 2 et 3 sont des vues en plan partielles de grilles r-ésistantes disposées sur les faces opposées de la paroi auxiliaire. La figure 4 est une vue en coupe d'une paroi auxiliaire à face ondulée. Le dispositif, représenté sur la figure 1, comprend une paroi auxiliaire 1, des résistances therzimatriques 2,3,4 et 5 disposées sous forma de grilles sur chacune des faces 6 et 7 de ladite paroi. Deux exemples de grilles sont représentés sur-les figures 2 et 3. Sur chaque face 6,7 on dépose une Mince couche d'isolant inférieure 8 qui recouvre lesdites résistances 2 à 5. Une feuille d'un métal approprié tel que du cuivre 9, est disposée sur chaque couche inférieure isolante 8, de manière à homogénéiser les températures. Enfin, une couche supérieure isolante 10 est disposée sur la feuille sitallique 9. Sur une des faces de la paroi auxiliaire 1, par exemple sur la face 7, on ajoute une couche mince ou grille métallique résistante il qui dissipe un flux de chaleur de substitution et une couche isolante de protection 12 qui sont disposées à l'opposé de l'arrivée du flux à mesurer qui, dans l'exemple représenté, arrive du côté de la face 6 de la paroi auxiliaire et ce, de manière à permettre la méthode de zéro. Les résistances therniomatriques 2 et 4 disposées sur la face 6 de la paroi auxiliaire 1 forment avec les résistances 3 et 5 disposées sur la face 7 de ladite paroi auxiliaire 1 un pont de résistances qui est équilibré en absence de flux. En l'absence de dissipation dans la couche résistante 11, le déséquilibre du pont est fonction de la densité de flux ## qui est à mesurer; on dissipe alors dans la couche résistante 11 une densité de puissance électrique f~ Jusqu'à obtenir une indication nulle pour le déséquilibre du pont. Le gradient de température à travers le dispositif est donc nul, ce qui suppose que f~ = La mesure de la densité de flux fx est ramenée à une mesure de densité de puissance électrique, et il n'est plus nécessaire de connaître, comme pour les dispositifs de l'art antérieur, ni l'épaisseur ni la conductivité de la paroi auxiliaire 1. Pour la détection du zéro, il suffit que les résistances thermematriques soient le plus sensible possible. Les grilles 13 et 14 représentées sur- la figure 2 qui est une vue en plan d'un monde de réalisation, sont réalisées de telle façon que les résistances 2 et 4 soient situées sur la face 6, et les résistances 3 et 5 sur la face 7 de la paroi auxiliaire 1. Les résistances des faces 6 et 7 sont décalées les unes par rapport aux autres pour limiter les effets d' auto-échauffent. Les grilles représentées sur la figure 3 sont réalisées de telle façon que les résistances 2 et 3 soient situées sur la face 6, et les résistances 4 et 5 sur la face 7 de la paroi auxiliaire -1, ce qui permet d'augDenter- la longueur développée des résistances et limiter l'auto-échauffement. Suivant une autre variante très importante de l'invention, des tpermcouples 20 et 21 sont disposées en-série sur une face isolante 22 ondulée. Les soudures sont prévues de telle façon que les soudures successives 23 et 24 soient respectivement déposées sur un creux 25 et sur un sommet 26 des ondulations. Une couche isolante 27 est déposée sur la face ondulée 22 de la paroi auxiliaire 28 de manière à assurer un nivellement des ondulations et conférer à l'enseible un aspect plan. Lorsqu'-un flux thermique traverse le dispositif ainsi constitué en passant d'abord à travers la couche isolante 27, une différence de température 8 est engendrée, proportionnelle a la différence des passeurs traversées. En effet, le flux thermique arrive d'abord sur les soudures 24 situées au sommet 26 de chaque ondulation avant d'atteindre les soudures 23 situez dans le fond des creux 25 ménages entre lesdites ondulations. le dispositif de mesure fonctionne de la manière suivante Il est disposé sur la surface à étudier, la couche résistante il étant située du côté opposé à l'arrivée du flux à mesurer. Etant donné que le pont est équilibré en absence de flux, ce dernier introduit un déséquilibre de température ; on alimente alors la couche résistante Jusqu'à l'obtention d'une différence de température nulle. La puissance dissipée dans la couche résistante représente le flux traversant le dispositif. Si l'on souhaite réaliser un étalonnage in situ, il suffit, après avoir mesuré le flux comme précédemment, de supprimer l'alimentation de la couche résistante et de mesurer le déséquilibre du pont ou le signal des thermocouples, qui est fonction du flux traversant le dispositif. Pour les flux reçus, la perturbation introduite par le dispositif est dans le rapport des surfaces en présence, à savoir la surface du dispositif et la surface de la paroi sur laquelle ledit dispositif repose. Pour réduire au minimum cette perturbation, il suffit de choisir une surface de dispositif aussi petite que possible par rapport à la surface étudiée. Le dispositif de mesure de la présente invention peut être utilisé pour le contrôle du transfert de chaleur à travers des structures, la régulation de la température d'enceintes car la température de l'enceinte ou local est une grandeur liée directement au flux de chaleur, et favorise ainsi une économie d'énergie, le contrôle de l'efficacité des isolations thermiques. Enfin, des applications intéressantes sont l'étude de la convection par rayonnement dans des systèmes de chaleur et l'étude des échanges theraiques en soufflerie. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et representés, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art suivant les applications envisagées, sans s'écarter du cadre de 1' invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure d'un flux thermique au moyen d'une paroi auxiliaire et de transducteurs thermoélectriques disposés sur au moins une surface de ladite paroi auxiliaire, caractérisé en ce que le passage du flux à mesurer sur lesdits transducteurs et à travers la paroi auxiliaire crée une différence de température qui soit fonction dudit flux à mesurer. 2. Dispositif de mesurez'un flux thermique selon le procédé de la revendication l, du type comportant une paroi auxiliaire (28) et des thermocouples 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une partie des liaisons entre les thermocouples est disposée au sommet 4. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'une couche isolante 5. Dispositif de mesure d'un flux thermique selon le procédé de la revendication 1, du type comprenant une paroi auxiliaire (l) et des éléments thermométriques (2 à 5) situés sur les deux faces opposées (6,7) de ladite paroi auxiliaire (1 > , caractérisé en ce que les éléments thermométriques d'une face sont associés aux éléments de l'autre face de manière à réaliser un pont qui est équilibré en absence de flux à mesurer, et en ce qu'une couche chauffante résistante est disposée sur une face~(7) de ladite paroi auxiliaire opposée à celle (6) par laquelle entre ledit flux à mesurer, ladite couche résistante dissipant une puissance électrique pemettant d'annuler le gradient de température introduit par le flux & mesurer entre les deux faces de ladite paroi auxiliaire. 6. Dispositif de mesure selon la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments thermométriques sont des résistances thermométriques. 7. Dispositif de mesure selon les revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'une couche isolante (8 > est disposée sur chaque face de la paroi auxiliaire et sur les éléments thermometriques. 8. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 5 a 7, caractérisé en ce que les éléments thermométriques sont disposés à la manière de grilles sur chaque face de la paroi auxiliaire. 9. Dispositif de mesure selon la revendication 8, caractérisé en ce que la grille 10. Dispositif de masure selon l'une desrevendications précédentes 5 å 9, caractérisé en ce qu'au moins sur une face de la paroi auxiliaire est interposée une couche métallique conductrice de la chaleur