Brevet FR2706610A1 — publié le 19941223

Le domaine de la présente invention est celui des capteurs permettant de mesurer un flux thermique. Les capteurs de flux thermiques existant utilisent deux technologies différentes. On connaît ainsi les capteurs à résistances variables qui comprennent un élément thermomètrique (par exemple une mince couche de platine) déposé à la surface d'un élément calorimétrique (par exemple un bloc de silice). Ces capteurs présentent l'avantage d'avoir un faible temps de réponse, mais en revanche ils sont chers et fragiles et leur mise en oeuvre est complexe puisque le flux thermique est déterminé à partir d'une mesure de la résistance de l'élément thermomètrique (au moyen d'un pont de Wheatstone). On connaît également les capteurs à thermocouple qui comprennent un bloc d'un matériau bon conducteur thermique dans lequel est fixé un thermocouple. Le thermocouple mesure la température du bloc, la variation de cette température en fonction du temps permet de déterminer le flux thermique appliqué. Un tel capteur présente l'inconvénient d'avoir un temps de réponse insuffisant, cela en raison de l'inertie thermique du bloc conducteur. Ainsi il n'est pas possible avec un tel capteur de mesurer des flux thermiques émis au cours de phénomènes extrêmement brefs comme par exemple lors de l'initiation d'un inflammateur pyrotechnique (dont la durée de combustion est généralement inférieure à 10 millisecondes). C'est le but de l'invention que de proposer un capteur de flux thermique qui soit robuste et bon marché et qui présente un temps de réponse extrêmement faible, lui permettant notamment de mesurer les flux thermiques générés par les composants pyrotechniques. Ainsi l'invention a pour objet un capteur de mesure d'un flux thermique comprenant deux conducteurs en matériaux de nature différente formant thermocouple, ce capteur est caractérisé en ce qu'il comporte une feuille d'épaisseur réduite réalisée en un matériau conducteur ou semiconducteur, et destinée à être mise en regard du flux thermique, chaque conducteur étant fixé en un point différent de la feuille qui constitue ainsi la soudure chaude du thermocouple. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la feuille a une épaisseur inférieure à un dixième de millimètre et peut avantageusement être réalisée en cuivre. D'une façon préférentielle, les conducteurs sont fixés à la feuille par soudure électrique. Ils pourront être constitués par un fil de Chromel et un fil d'Alumel. La feuille présentera avantageusement une face avant noircie qui est destinée à être placée en regard du flux thermique à mesurer. Selon un mode particulier de réalisation, la feuille est disposée sur un lamage d'un boîtier réalisé en un matériau isolant thermique. Une rondelle réalisée en un matériau isolant thermique pourra être interposée entre la feuille et le boîtier. Avantageusement, la feuille est fixée sur le boîtier ou la rondelle par l'intermédiaire d'une couche de résine silicone polymérisable. L'invention a également pour objet un dispositif de mesure d'un flux thermique caractérisé en ce qu'il associe un capteur selon l'invention, une référence de température et un dispositif de mesure et d'enregistrement d'une tension électrique aux bornes des conducteurs. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode particulier de réalisation, description faite en référence aux dessins annexés et dans lesquels: -la figure 1 représente en coupe axiale un capteur selon l'invention, -la figure 2 est un schéma de raccordement du capteur selon l'invention à un dispositif de mesure, -la figure 3 est un exemple de courbe d'enregistrement de températures mesurées avec le capteur selon l'invention. En se reportant à la figure 1, un capteur 1 selon l'invention est constitué d'un boîtier 2, présentant une symétrie de révolution, et réalisé en un matériau isolant thermique par exemple en Durestos (marque déposée). Le boîtier 2 comporte au niveau d'une face avant 3 un perçage axial 4 ainsi qu'un lamage circulaire 5. Le lamage 5 porte une rondelle isolante 6, réalisée par exemple en papier céramique, et qui est fixée au boîtier 2 au moyen d'une couche 7 d'une résine silicone polymérisable. Une feuille de cuivre 8 est fixée sur la rondelle isolante 6 au moyen d'une autre couche 9 d'une résine silicone polymérisable. La feuille de cuivre a une épaisseur inférieure au dixième de millimètre. Une face avant 10 de la feuille de cuivre est destinée à être mise en regard d'un flux thermique représenté par la flèche F, cette face avant est noircie au moyen d'une peinture chargée de graphite afin de réduire son pouvoir réfléchissant et assurer une absorption thermique maximale. L'épaisseur réduite de la feuille ajoutée à sa bonne conductivité thermique permet d'obtenir un temps de réponse très réduit (de l'ordre de la milliseconde) ce qui permet la mesure des flux thermiques extrêmement brefs émis par des composants pyrotechniques. Résine et rondelle isolante ont pour fonction d'empêcher une diffusion de la chaleur reçue par la feuille vers le boîtier. On évite ainsi les pertes thermiques au niveau de la feuille, ce qui permet d'améliorer la précision du capteur. La rondelle permet d'améliorer l'isolation thermique de la feuille vis à vis du boîtier. La résine facilite également le montage de la feuille d'épaisseur réduite sur le boîtier. Un tel montage est aussi rendu plus aisé par la rigidité de la rondelle isolante. A titre de variante il est possible de fixer la feuille par collage sur le lamage 5 sans interposer une rondelle isolante. Il suffit pour cela que l'isolation thermique apportée par le boîtier soit suffisante. Une face arrière 11 de la feuille 8 porte deux conducteurs 12 et 13 qui sont soudés à la feuille en des points différents C et D situés à distance l'un de l'autre. La distance entre les points C et D est de l'ordre de quelques millimètres. Les conducteurs sont soudés électriquement par décharge capacitive, ce qui évite le recours à un matériau de brasage et assure une bonne jonction thermique entre les conducteurs et la feuille. Un tel type de soudure est également bien adapté à la fixation d'un conducteur sur une feuille d'épaisseur réduite. Une bonne jonction thermique entre les conducteurs et la feuille ajoute à la précision du capteur. Les conducteurs 12 et 13 sont réalisés en des matériaux de nature différente. Les métaux utilisés seront ceux utilisés habituellement dans les thermocouples standards, ainsi le conducteur 12 est réalisé en Chromel et le conducteur 13 en Alumel. L'ensemble formé par les conducteurs 12 et 13 et la feuille 8 est donc un thermocouple dont la soudure chaude est constituée par la feuille 8. L'épaisseur réduite de cette dernière ainsi que sa bonne conductivité thermique garantit une même température au niveau des points C et D. La distance entre les points C et D sera choisie telle que la température soit la même au niveau de ces deux points compte tenu des dimensions géométriques du flux à mesurer. A titre d'exemple on pourra positionner les deux points C et D de façon symétrique par rapport au centre de la feuille, et on choisira une distance entre ces deux points supérieure ou égale à cinq fois le diamètre des fils constituant le thermocouple. On évite ainsi les problèmes rencontrés avec un thermocouple classique constitué de deux fils soudés l'un à l'autre par une extrémité. En effet cette soudure devrait être fixée sur la feuille et on risquerait lors de la fixation, d'une part de créer une surépaisseur locale de la feuille (ce qui fausse la mesure) et d'autre part de modifier les temps de réponse et la précision du capteur à cause du matériau de brasage utilisé pour la fixation. On choisira pour réaliser la feuille un matériau bon conducteur thermique, par exemple le Cuivre dont la conductivité thermique est de 393 W/m.K et dont la chaleur spécifique massique est de 384 J/Kg.K. Le matériau sera également conducteur électrique ou semi conducteur afin d'autoriser la diffusion dans le matériau de la feuille de porteurs de charge électrique et l'établissement d'un champ électrique (effet Seebeck). Cette caractéristique permet à la feuille de jouer le rôle de soudure chaude dans le thermocouple constitué par les conducteurs 12 et 13. La bonne conductivité thermique permettant à cette "soudure" de ne pas modifier la tension mesurée aux bornes du thermocouple (effet Thomson). Le fonctionnement de ce capteur va maintenant être décrit en référence à la figure 2. Cette dernière schématise le raccordement du capteur selon l'invention à un dispositif de mesure. Le dispositif de mesure est celui utilisé de façon habituelle avec les thermocouples. Il comprend une référence de température 14 et un voltmètre enregistreur 15 qui est destiné à mesurer la tension VA-VB qui apparait entre les extrémités A et B des conducteurs 12 et 13. La feuille 8 soumise au flux thermique F atteint la température T1. La référence de température 14 est à une température T2 arbitraire. D'une façon classique, et si on considère que la température de la feuille est homogène et égale à T1 aux points C et D (ce qui est vérifié avec les conditions fixées précédemment), on a une différence de température T1-T2= (VA-VB)/H où H est le pouvoir thermoéléctrique du thermocouple constitué par les conducteurs 12 et 13. La feuille joue donc le rôle de la soudure chaude entre les extrémités C et D du thermocouple (12,13) qui mesure la température de la face arrière 11 de la feuille. La faible épaisseur de la feuille permet d'obtenir des mesures de flux avec un temps de réponse très court. Si on note le flux thermique F (en Watt) reçu par la feuille, on peut écrire l'expression suivante définissant la variation de température de la feuille dT/dt = (Ft/hSs)x Exp(-t/E) dans laquelle: h est un coefficient d'échange thermique entre la surface S de la feuille et l'extérieur (exprimé en Watts/m2.K), t est la constante de temps égale à mC/hS (m: masse de la feuille, C: capacité thermique massique du matériau de la feuille, S surface d'échange thermique de la feuille avec l'extérieur). Lorsqu'on considère les premiers instants suivant l'application du flux thermique (instant t très inférieur à t), dT/dt est sensiblement égal à F/mC. La courbe donnant la température T en fonction du temps a donc une pente telle que aT = (F/mC).at AT est dans cette expression la différence de température de la feuille mesurée à deux instants tl et t2. On considère également l'expression vue précédemment qui exprime la proportionnalité à un instant donné entre la tension électrique mesurée et la température: T1-T2 = AT - V/H (où V exprime la tension mesurée et H le pouvoir thermoéléctrique du thermocouple). On déduit des formules précédentes le flux F = mC ssV/H At et la densité de flux F (où flux par unité de surface en J/s.m2) est égale à F = mCV/HSt Si on écrit la masse de la feuille sous la forme: m = epS (e étant l'épaisseur, S la surface et p la densité de la feuille) on peut exprimer la densité de flux par: F = (epC/H). AV/tt On mesurera donc avec l'enregistreur 15 la tension aux bornes du thermocouple et on déterminera la pente ( AV/t) à l'instant correspondant à une forte variation de la tension mesurée ce qui permettra le calcul de la valeur du flux F. En plus de son rôle de soudure chaude, la feuille permet donc, du fait de son inertie, la mesure d'un flux thermique. La faible épaisseur de la feuille garantit un temps de réponse extrêmement faible. Le capteur selon l'invention est de coût réduit et particulièrement rustique, ce qui autorise des mesures lors d'essais destructifs. La figure 3 montre une courbe 16 représentant la tension V en fonction du temps t, courbe enregistrée lors de la mesure du flux émis par un composant pyrotechnique. Au temps tl la tension mesurée augmente fortement ce qui correspond à l'application du flux thermique émis par le composant pyrotechnique. La courbe 16 présente une première zone 18 sensiblement linéaire. On trace une tangente 17 à la courbe 16, tangente sensiblement confondue avec cette première zone linéaire 18. La pente AV/t de la tangente 17 permet le calcul du flux émis par le composant pyrotechnique. A titre d'exemple, une feuille de cuivre d'épaisseur 0.06 mm associée à un couple de conducteurs Chromel/Alumel (H=41 micro volts/C) a permis de mesurer des flux thermiques variant entre 5 et 400 Watts/cm2 et a pu enregistrer une variation de près de 50C en I milliseconde. L'épaisseur et le matériau de la feuille seront choisis en fonction du temps de réponse souhaité. Une diminution du temps de réponse est ainsi obtenue en diminuant l'épaisseur de la feuille ou en choisissant un matériau ayant une plus faible capacité thermique. Le capteur selon l'invention peut être utilisé pour mesurer par exemple les flux thermiques à l'intérieur du tube d'une arme après le tir, le capteur sera alors disposé au niveau de la surface interne du tube. Le capteur selon l'invention peut également être utilisé pour mesurer le flux thermique à l'intérieur d'un propulseur de fusée ou de roquette. REVEND I CAT IONS 1 - Capteur (1) de mesure d'un flux thermique comprenant deux conducteurs (12,13) en matériaux de nature différente formant thermocouple fixés chacun en un point (C,D) différent d'une feuille (8) d'un matériau conducteur ou semi-conducteur, feuille destinée à être mise en regard du flux thermique et qui constitue la soudure chaude du thermocouple, capteur caractérisé en ce que la feuille (8) a une épaisseur réduite, par exemple inférieure à un dixième de millimètre, et en ce que les conducteurs (12,13) sont fixés à la feuille (8) par soudure électrique. 2 - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la feuille (8) est réalisée en cuivre. 3 - Capteur selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les conducteurs sont un fil (12) de Chromel et un fil (13) d'Alumel. 4 - Capteur selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la feuille (8) présente une face avant (10) noircie qui est destinée à être placée en regard du flux thermique a mesur-er. -- - 5 - Capteur selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la feuille (8) est disposée sur un lamage (5) d'un boîtier (2) réalisé en un matériau isolant thermique. 6 - Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une rondelle (6) réalisée en un matériau isolant thermique est interposée entre la feuille (8) et le boîtier (2). 7 - Capteur selon une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la feuille (8) est fixée sur le boîtier (2) ou la rondelle (6) par l'intermédiaire d'une couche (7,9) de résine silicone polymérisable.