Brevet FR2670013A1 — publié le 19920605

La présente invention concerne un appareil destiné à la mesure des conductivité et diffusivité thermiques des fluides. Des appareils très divers ont été utilisés pour la détermination expérimentale des conductivité et diffusivité thermiques des matériaux (voir, par exemple, mon ouvrage : "Métrologie des propriétés thermophysiques des matériaux", Editions Masson, Paris, 1990). De manière générale, toutes les techniques utilisées pour ces mesures dans les fluides sont délicates à mettre en oeuvre et nécessitent un appareillage sophistiqué de laboratoire. Les techniques qui utilisent un chauffage électrothermique permettent d'établir un gradient de température dans le matériau étudié, gradient qui peut être indépendant du temps (régime stationnaire) ou dépendant du temps (régime transitoire ou instationnaire).La détermination des paramètres thermiques, conductivité et diffusivité thermiques, s'obtient, en général, par identification des courbes théoriques déduites, pour une géométrie donne du système utilisé, de la résolution de l'équation de la chaleur, avec les mesures effectuées sur un échantillon donné. Parmi les techniques utilisées pour les mesures de conductivité thermique des fluides, celle dite du fil chaud en réglme instationnaire, est actuellement la plus utilisée et la plus précise. Dans cette méthode, la sonde utilisée est un fil métallique très fin, de l'ordre d'une dizaine de microns de diamètre, et d'une longueur d'une vingtaine de centimètres. Ce fil est plongé dans le liquide à étudier; un chauffage du fil est réalisé à l'aide d'un courant électrique et l'élévation de température qui en résulte, engendre des variations de la résistance électrique du fil. La mesure de cette résistance, en fonction du temps, permet la mesure des variations de la température du fil; soit T e (t) cette température expérimentale en fonction du temps t.Une étude théorique des échanges thermiques du fil avec le fluide environnant échanges qui dépendent des paramètres thermiques du fluide, permet de calculer l'expression théorique des variations T5(t) de la température de surface du fil chaud. La comparaison entre les courbes expérimentale et théorique permet alors le calcul de la conductivité thermique. Des études plus récentes ont également permis la détermination simultanée de la conductivité et de la diffusivité thermiques. Cet appareillage de mesure thermique de conductivité constitue un ensemble fragile et demandant des appareils annexes importants. En particulier, la sonde, constituée par un fil très mince, est fragile et difficile à réaliser. D'autre part, divers phenomènes viennent perturber la précision des mesures : influence des pertes thermiques aux extrémités du fil, convection naturelle, etc. La résistance électrique du fil est relativement faible, de l'ordre de quelques dizaines d'ohms, et par suite la mesure de ses variations de résistivité est délicate, pour des fluctuations de température de l'ordre de quelques degres. La présente invention vise à pallier les inconvenients de la sonde à fil chaud et à réaliser un ensemble compact pour l'appareillage de mesure, facile à mettre en oeuvre et donnant directement la lecture des paramètres thermiques mesurés. Dans son principe, l'appareillage faisant l'objet de la présente invention peut être décomposé en quatre parties : I-La sonde thermique proprement dite; 2-Le système de chauffage de la sonde; 3-L'ensemble électronique de mesure des variations de la résistance électrique de la sonde en fonction du temps; 4-L'ensemble électronique traitant les signaux ainsi obtenus et permettant l'affichage numérique des paramètres thermiques mesurés. La sonde thermique faisant l'objet de la présente invention est constituée d'une résistance électrique formée par un dépôt métallique en couche mince sur un substrat électriquement isolant. De telles résistances sont réalisées classiquement, telles par exemple, les jauges d'extensométrie (types Vishay-Micromesures, par exemple) ou les thermosondes réalisées par dépôt de platine en couche mince (types thermosondes EPSAL ou SP-ESS du Comptoir Lyon Alemand Louyot, par exemple). L'originalité de la sonde ne porte donc pas sur sa réalisation proprement dite mais sur une utilisation nouvelle pour la mesure des conductivité et diffusivité thermiques des fluides. De telles sondes comportent des dépôts dont l'épaisseur varie de quelques microns à quelques dizaines de microns. Des épaisseurs moindres sont également nvisageables pour cette sonde thermique. La forme du dépôt constitue généralement un "serpentin", mais tout autre forme peut être utilisée. Le support sur lequel est réalisé le dépôt peut être quelconque; on utilisera de préférence des matériaux de type céramique pour des études à hautes températures alors que des matériaux plastiques seront satisfaisant dans des gammes de températures peu élevées. Les dimensions de la sonde peuvent être très variées, mais en général on utilisera de préférence des sondes de faibles dimensions.A titre d'exemple, une résistance électrique de 1000 ohms pourra être obtenue par un dépôt en couche mince sur une plaque rectangulaire de 10 mm sur 2,5 mm. Une telle sonde, formée d'une résistance électrique en couche mince déposée sur un substrat, permet de pallier la plupart des inconvénients de la sonde à fil métallique.L'encombrement de cette nouvelle sonde est en effet très réduit; sa résistance électrique peut être aisément dix fois plus élevée que celle des fils généralement utilisés; sa technologie est classique. Plongée dans le fluide à étudier, cette nouvelle sonde permet l'utilisation d'un volume relativement réduit de fluide. Ses dimensions permettent de minimiser l'effet d'un gradient thermique qui peut exister à l'origine le long d'un fil de longueur relativement importante. La résistance électrique de la sonde est connectee à un système de chauffage électrique. Le courant de chauffage peut être continu ou alternatif. Dans le cas d'un courant continu, le circuit de mesure des variations de la resistance électrique de la sonde utilise également ce même courant de chauffage. Dans le cas d'un courant alternatif de chauffage, le circuit de mesure est alimenté en courant continu; ce dernier se superpose donc, dans la sonde, au courant alternatif de chauffage. Les fréquences du courant de chauffage peuvent être quelconques; des fréquences de 10 à 100 kHz, par exemple, peuvent être utilisées. Ces frequences relativement élevées permettent alors une durée des mesures extrêmement brèves. La réalisation du système de chauffage est classique à l'aide de composants électriques. Le chauffage de la sonde peut s'effectuer durant un temps quelconque, soit sous forme d'une impulsion de durée déterminée, soit de manière ininterrompue. Après avoir été plongée dans le fluide à étudier, la résistance électrique est chauffée selon l'un des modes ci-dessus et l'on effectue alors une mesure des variations de la résistance électrique R(t) de la sonde, au cours du temps. Cette mesure de R(t) est réalisée de manière classique en insérant R dans une des branches d'un pont de Wheatstone et en mesurant la tension de déséquilibre dans la diagonale du pont. Selon le matériau employé pour la résistance de la sonde, un circuit linéarisateur pourra être employé de façon à linéariser la pente de la résistance électrique en fonction de la température. D'autres techniques de mesure peuvent être éventuellement utilisées pour la détermination de R(t). Des valeurs de R(t) on déduit les valeurs des températures T e (t) de la surface de la résistance électrique de la sonde. Ces températures de surface pourraient être également mesurées directement à l'aide d'un thermocouple, mais les fuites thermiques engendrées par le thermocouple en contact avec la couche mince, rendent délicates l'interprétation des mesures ainsi obtenues. L'exploitation des valeurs mesurées de R(t) constitue une originalité de la présente invention puisqu'elle est indissociable de la nouveauté de la sonde ellemême pour ce type de mesures thermiques. Cette exploitation des valeurs expérimentales est réalisée en les comparant aux valeurs théoriques dSduites d'une résolution mathématique des phénomènes d'échanges thermiques qui ont lieu au cours du chauffage entre d'une part, la résistance électrique de la sonde et le substrat sur lequel la couche est déposé, d'autre part entre cette même résistance électrique et le fluide étudié.La résolution de ce problème théorique conduit à montrer que, pour des durées convenablement choisies, les conductivité et diffusivité thermiques du fluide peuvent être détermlnées, après une transformation mathématique de la température théorique de surface de la sonde, T5(t), donnant une fonction F(T(t)), à partir de la pente de la fonction F(T(t)). La transformation mathématique de T5(t), ainsi que le calcul de la dérivée de cette fonction F(T(t)) donnant la pente, peuvent être réalisés à l'aide d'un circuit électronique approprié. Le détail des composants de ce circuit pourra faire l'objet d'un additif au présent brevet. Le traitement du signal ainsi obtenu permet alors un affichage numérique dlrect des valeurs des conductivité et diffusivlté thermiques du fluide étudié. REVENDlCATIONS 1. Appareil destiné à la mesure des conductivité et diffusivité thermiques des fluides. La resistance électrique de la sonde est constituée d'une mince couche métallique deposée sur un substrat. La sonde est chauffée par un courant électrique et l'appareil mesure les variations de résistance électrique de la sonde. Un appareillag électronique permet de traiter le signal donné par la sonde de façon à afficher les valeurs des conductivité et diffusivité thermiques du fluide étudié. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la résistance électrique de la sonde de mesure est constituée d'une mince couche métallique déposée sur un substrat électriquement non conducteur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la ré/ance électrique de la sonde est chauffée par un courant continu. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisée par le fait que la résistance électrique de la sonde est chauffée par un courant électrique alternatif de frequence quelconque. 5. Dispositif selon í a revendication 3, caractérisé par le fait que l'appareil de mesure des variations de résistance électrique de la sonde, au cours du chauffage, utilise le même courant continu que celui servant à chauffer la sonde. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'appareil de mesure des variations de résistance électrique de la sonde utilise un courant continu qui se superpose dans la résistance électrique au courant alternatif de chauffage. 7. Disp ositif selon la revendication I, caractérisé par le fait que la mesure de la température de la résistance électrique est réalisée à l'aide d'un thermocouple. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un appareillage électronique transforme le signal expérimental venant de la résistance électrique, en une fonction F(T(t)) déterminez à partir de la résolution theorique des echanges de chaleur de la résistance électrique avec les matériaux au contact desquels se trouve cette résistance. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'un circuit électronique permet le calcul de la dérivée de F(T(t)) dont la pente de cette fonction permet d'obtenlr les conductivité et diffusvité thermiques. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le signal traité par le circuit électronique est repris pour un affichage numérique des conductivite et diffuslvité thermiques.