Brevet FR3045835A1 — publié le 20170623

CAPTEUR THERMO ANEMOMETRIQUE ET SON PROCEDE DE REALISATION DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR L'invention concerne le domaine de la métrologie des écoulements. Elle a pour objet un nouveau type de sonde à fil chaud ou à fil froid. Elle a aussi pour objet de nouveaux procédés de fabrication de ces sondes. En thermo-anémométrie à fil chaud, on met en oeuvre un transfert d'énergie entre un élément métallique (chauffé par effet joule) et l'écoulement dans lequel il est inséré. Il devient possible, par le biais de la loi de refroidissement de l'élément métallique et en tirant parti de la variation de sa résistance avec la température, de remonter à la vitesse de l'écoulement. Pratiquement, l'élément métallique est implanté dans un circuit d'asservissement où la variable d'asservissement donne une image de la vitesse. En thermo-anémométrie à fil froid, l'élément métallique est parcouru par un courant de très faible amplitude. En pratique, le courant d'alimentation est de l'ordre de la centaine de micro-ampères, la puissance ainsi dégagée par effet joule au niveau du fil n'est que de la centaine de micro-watts, ce qui annule la sensibilité de l'élément à la convection et en conséquence de quoi, la tension aux bornes de l'élément donne une image de la température de l'écoulement, sous la condition que là aussi, la résistance de l'élément varie avec la température. Les métaux utilisés pour constituer le fil des capteurs sont : le tungstène, le platine et un alliage de platine à 10 % de rhodium, ce choix est le résultat d'un compromis entre qualité électrique et qualité mécanique. L'élaboration des fils se fait par tréfilage: le tungstène permet d'obtenir des fils dont le diamètre n'est, en général, pas inférieur à 2.5 microns, alors que le platine et son alliage sont plus ductiles, ce qui permet la fabrication de fils jusqu'à des diamètres de 0.25 microns. 3045835 2 Schématiquement, le matériau est inséré dans un rond d'argent, ce qui donne après l'opération d'écrouissage un fil gainé d'argent, le diamètre de la gaine extérieure est compris généralement, suivant le diamètre de l'âme centrale, entre 20 et 80 microns. Le fil ainsi obtenu est communément appelé fil de Wollaston. 5 Le fil est ensuite tendu entre deux broches métalliques, généralement espacées de 3 à 5 millimètres. La liaison broche-fil, dans le cas d'un fil de tungstène se fait à l'aide d'une soudure électrique et par une brasure de type étain-plomb (basse température) pour un fil de Wollaston. Les sondes équipées de fil de tungstène présentent l'inconvénient d'avoir une longueur active égale à la distance entre broches 10 (c'est-à-dire entre 3 à 5 mm). L'effet de filtrage spatial qui en résulte peut, dans certains cas, être dommageable, notamment dans le cas où la taille des structures turbulentes est beaucoup plus petite que la dimension caractéristique de l'élément sensible. En revanche, les sondes équipées de fil de Wollaston ont une partie active qui peut être plus courte, généralement comprise entre 0,4 mm et 0,7 mm. 15 Des sondes à fil chaud/fil froid sont connues de l'état de l'art, elles sont par exemple commercialisées par les sociétés Dantec ou TSI. Cependant les sondes commerciales ont des zones actives (longueur et diamètre) de grandes dimensions, et, de ce fait, elles sont inadaptées à la mesure des vitesses aux petites échelles d'écoulement. Jusqu'à ce jour, pour des diamètres inférieurs à 1.3 microns, les 20 fabricants et les expérimentateurs utilisent, pour éviter tout risque de destruction de la sonde, un écartement entre broches de l'ordre du millimètre. Ce type de sonde ne s'emploie que pour la mesure de la température ; pour la mesure de la vitesse, l'asservissement électronique du fil (tension d'alimentation ou température du fil) ne nécessitent pas de recourir à des fils de si petit diamètre, sauf si l'on veut accéder aux 25 petites structures de l'écoulement. L'électronique associée à la mesure de la température ne recourt à aucun asservissement car elle travaille à intensité constante ; par conséquent, pour limiter les effets d'inertie du fil sur la mesure, il est d'usage d'employer des fils d'un diamètre inférieur à 1.3 microns. Mais les fabricants ne proposent pas de sonde avec un diamètre inférieur à 1 micron. 3045835 3 Pour pallier cette difficulté le document WO 2010/070119 (FR 2 940 453) propose une méthode de fabrication d'une sonde à fil chaud ou à fil froid, à partir d'un fil de Wollaston. Cette technique est basée sur une préparation de la partie active du fil avant le montage du fil de Wollaston (par brasage) sur les broches de la sonde. L'âme 5 centrale (platine ou platine-rhodium), qui constitue la partie active du fil, est dégagée sur une certaine longueur de la gaine d'argent qui l'enrobe. Pour ce faire, le fil est immobilisé à l'aide d'une goutte de ciment déposée à chacune de ses extrémités, ce qui est imprécis, et peut entraîner des vibrations et des déplacements des extrémités. Et l'opération d'immobilisation est assez compliquée et difficilement reproductible. 10 Il se pose donc un problème, qui est celui de trouver une technique de maintien précis en vue de réaliser un fil ou une sonde à fil chaud ou froid. Par ailleurs, bien qu'il soit possible, par la technique décrite dans le document WO 2010/070119, d'imposer un galbe au fil, ce procédé connu ne permet pas un contrôle précis de ce galbe. Or, ce contrôle est recherché pour un certain nombre 15 d'applications, par exemple pour les écoulements cryogéniques, d'un grand intérêt pour la recherche fondamentale. En effet, les écoulements turbulents naturels tels que ceux rencontrés dans les océans ou dans l'atmosphère sont caractérisés par une dimension caractéristique Lo très grande, qui conduit naturellement à des nombres de Reynolds très élevés (supérieur à 106) . En laboratoire, pour reproduire de tel nombre de Reynolds avec 20 des expériences où les dimensions mises en jeu sont nécessairement plus petites, on utilise de l'hélium cryogénique en tant que fluide d'étude : il s'agit d'un fluide visqueux classique dont la dynamique est décrite par l'équation de Navier-Stokes, mais c'est le fluide dont la viscosité est la plus faible de tous les fluides connus (par exemple : à pression atmosphérique et à une température de l'ordre de 4,2K, l'hélium forme une 25 phase liquide ayant une viscosité cinématique de 2.6 x 10-8 m2/s.) Dans de telles conditions cryogéniques, un fil insuffisamment galbé va présenter des risques de rupture par contrainte de dilatation alors qu'un fil trop galbé va être le siège de vibrations parasites qui vont polluer le signal scientifique. Il se pose donc un autre problème, qui est de réaliser un capteur ou une sonde, à fil chaud ou froid, dont le galbe est bien contrôlé. 3045835 4 EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne d'abord une sonde anémométrique à au moins un fil, comportant: a) un corps de sonde muni de deux broches de maintien du fil, 5 b) une portion de fil, fixé sur lesdites broches, le fil comportant une gaine qui entoure une partie centrale, laquelle est dénuée de gaine sur une zone de longueur I, ladite partie centrale ayant un galbe g, compris entre 50 um et 65 um, à la température de77K, ou même de 4 K. Une telle sonde est adaptée à la réalisation d'expériences cryogéniques. 10 La partie centrale peut avoir un diamètre compris entre 0,2 um et 10 um, ou même un diamètre inférieur à 1,3 um. Par conséquent, une sonde selon l'invention peut comporter un fil dont l'élément sensible a un diamètre qui peut être aussi petit que 0.2 um, associé à un galbe contrôlé. 15 Dans une sonde anémométrique selon l'invention, le rapport entre le galbe et le diamètre de la partie centrale du fil peut être compris entre 5 et 100 à température ambiante, par exemple à 15°C ou 20°C ou entre 15°C et 20°C. L'invention concerne également un procédé de réalisation du galbe d'un fil, comportant une gaine qui entoure une partie centrale, laquelle est dénuée de gaine 20 sur une zone de longueur I, entre deux extrémités de la gaine, en particulier en vue de la réalisation d'une sonde anémométrique, ce procédé comportant : - le positionnement d'au moins ladite zone dénuée de gaine dans un bain d'un liquide cryogénique, - le réglage du galbe à une valeur prédéterminée, par ajustement de 25 l'écartement entre les deux extrémités de la gaine. Après réglage du galbe, le liquide cryogénique peut être enlevé, ou le fil peut être enlevé du bain de liquide cryogénique. Le fil retourne alors à température ambiante, mais est prêt pour une utilisation à très basse température, à laquelle il retrouvera le galbe prédéterminé. 3045835 5 Ce galbe peut être compris entre, d'une part, 10 um, ou 50 um, et, d'autre part, 65 um, en présence du liquide cryogénique, par exemple à 77K ou même à 4K. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un fil, 5 comportant une gaine qui entoure une partie centrale, laquelle est dénuée de gaine sur une zone de longueur I, entre deux extrémités de la gaine, en vue de la réalisation d'une sonde anémométrique, ce procédé comportant : - un procédé de décapage du fil, - puis un procédé de réalisation d'un galbe du fil, selon l'invention, par 10 exemple tel que décrit ci-dessus. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'une sonde anémométrique, comportant la réalisation d'un fil selon un procédé exposé ci-dessus, et une étape de brasage du fil sur des broches d'un corps de sonde. L'invention permet ainsi la réalisation d'un capteur, à fil chaud ou à fil 15 froid. L'invention concerne également un dispositif de précision, comportant : - une 1' surface d'appui et une 2' surface d'appui des moyens pour aligner ces 2 surfaces dans un même plan, - un ler plot et un 2ème plot, l'extrémité de chaque plot pouvant venir 20 en contact avec la 1' surface d'appui ou avec la 2" surface d'appui, et des moyens pour déplacer ces plots selon un axe perpendiculaire à ces surfaces. Les moyens pour aligner les 2 surfaces peuvent comporter une pluralité de tables micrométriques. L'invention concerne également un procédé selon l'invention, par 25 exemple tel que décrit ci-dessus, le fil étant maintenu par un dispositif de précision selon l'invention, par exemple tel que décrit ci-dessus. L'invention concerne également l'utilisation d'une sonde anémométrique selon l'invention, à température cryogénique, par exemple comprise entre 77K et 2K. 3045835 6 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS - La figure 1A représente la structure d'une sonde à laquelle l'invention peut être appliquée, - la figure 1B représente un fil à partir duquel une sonde selon 5 l'invention peut être réalisée, - la figure 1C représente la partie sensible d'une sonde selon l'invention, avec un galbe, - les figures 2A-2D représentent des étapes pour préparer le galbe d'une sonde en vue d'une application cryogénique, 10 - les figures 3A et 3B représentent le maintien d'un fil à l'aide d'un dispositif de maintien et d'alignement selon l'invention, - la figure 4 représente le réglage du positionnement d'un plot de maintien par rapport à une surface de support d'un fil dans un dispositif de maintien et d'alignement selon l'invention, 15 - la figure 5 représente le fil d'une sonde réalisée selon l'invention, avec un galbe, - les figures 6A - 6C représentent une utilisation cryogénique d'une sonde selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS 20 Un exemple de sonde concernée par l'invention est décrit dans WO 2010/070119 II va être brièvement rappelé en lien avec la figure 1A. Cette sonde comporte un fil 2 tendu entre les extrémités effilées de deux broches métalliques 4, 6, lesquelles se prolongent dans un corps isolant 10 de forme pouvant être cylindrique, de préférence en une céramique. 25 Le corps 10 de sonde est par exemple constitué d'un cylindre de céramique de diamètre qui peut être compris entre 2 et 4 mm, dans lequel sont implantées en guise de broches 4, 6 des aiguilles en acier inoxydable de diamètre par exemple compris entre 0,2 mm et 0,4 mm. Les références 19, 19' désignent des fils 3045835 7 électriques qui permettront d'amener du courant lors de l'utilisation de la sonde, par exemple en thermo-anémométrie à fil chaud ou à fil froid. Le fil 2 est positionné sur les broches 4, 6, de préférence par brasure. Des détails pour chaque broche sont donnés dans le document W02010/070119. La 5 brasure du fil 2 sur les broches 4, 6 peut être une brasure de type alliage étain-plomb. Le fil 2 peut avoir un alignement extrêmement précis, de l'ordre du centième de mm. Ce fil 2 est de préférence un fil comportant une partie centrale 21 (ou fil central), par exemple en platine ou en un alliage platine-rhodium, entourée d'une gaine 10 22, par exemple en argent, qui peut être de diamètre compris entre 50 et 80 um, comme illustré en figure 18.. La gaine permet la manipulation du fil qui, sans cela, casserait. Le diamètre de la partie centrale 21 est compris entre 0,2 um ou 0,3 um et 10 um, préférentiellement entre 0.3 um et 1 um, encore plus préférentiellement entre 0.3 um et 0.6 um, par exemple 0,35 um ou 0,5 um. 15 Le fil (figure 1C) a une zone active 14 de longueur I, par exemple comprise entre 100 um et 5 mm, ou encore entre 200 um et 1 mm, ou encore entre 300 um et 500 um. Dans cette zone active 14, la partie centrale 21 est dénuée de gaine 22 sur une longueur I; elle est donc comprise entre 2 parties d'extrémité 221 et 222 de la gaine. Le fil peut être galbé, comme représenté en figure 1C. Le galbe g est 20 défini comme la flèche par rapport à l'axe du capteur. A température ambiante, par exemple à 15°C ou 20°C ou entre 15°C et 20°C, le rapport entre le galbe et le diamètre du fil est de préférence compris entre 5 et 100, préférentiellement entre 20 et 80, encore plus préférentiellement entre 30 et 60 Ce rapport entre le galbe et le diamètre évolue lorsqu'on travaille à très basse 25 température, comme dans les conditions présentées ci-dessous. La création d'un galbe g est recommandée pour les fils dont le diamètre de la zone active 14 est inférieur à 1.3 um ; à défaut, des risques de cassure apparaissent. Il permet à cette dernière de supporter de petites amplitudes de déplacement dues à d'éventuels « petits » chocs sur le corps de sonde et sur son support lors de la phase de 30 montage et pendant la phase de fonctionnement. 3045835 8 Le galbe de la zone active 14 permet de prendre en compte le rétreint que génèrent des écoulements cryogéniques, en particulier à des températures inférieures à quelques K, par exemple REVENDICATIONS1. Sonde anémométrique à au moins un fil, comportant: a) un corps de sonde (10) muni de deux broches (4, 6) de maintien du fil, b) une portion de fil (2), fixé sur lesdites broches, le fil (2), comportant une gaine (22, 221, 222) qui entoure une partie centrale (21), laquelle est dénuée de gaine sur une zone (14) de longueur I, ladite zone (14) ayant un galbe g, compris entre 50 um et 65 um, à la température de 4 K. 2. Sonde anémométrique selon la revendication 1, la partie centrale (21) ayant un diamètre compris entre 0,2 um et 10 um . 3. Sonde anémométrique selon la revendication 1 ou 2, la partie centrale (21) ayant un diamètre inférieur à 1,3 um. 4. Sonde anémométrique selon l'une des revendications 1 à 3, le rapport entre le galbe et le diamètre de la partie centrale (21) du fil étant compris entre 5 et 100. 5. Procédé de réalisation du galbe d'un fil, comportant une gaine (22) qui entoure une partie centrale (21), laquelle est dénuée de gaine sur une zone (14) de longueur I, entre deux extrémités (221, 222) de la gaine, en vue de la réalisation d'une sonde anémométrique, ce procédé comportant : - le positionnement d'au moins ladite zone (14) dénuée de gaine dans un bain d'un liquide cryogénique (13), - le réglage du galbe par ajustement de l'écartement entre les deux extrémités (221, 222) de la gaine. 3045835 15 6. Procédé selon la revendication 5, comportant en outre l'enlèvement du liquide cryogénique (13) ou l'enlèvement du fil du bain de liquide cryogénique (13). 5 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, la galbe étant compris entre 10 um et 65 um en présence du liquide cryogénique (13). 8. Procédé de réalisation d'un fil, comportant une gaine (22) qui entoure une partie centrale (21), laquelle est dénuée de gaine sur une zone (14) de 10 longueur I, entre deux extrémités (221, 222) de la gaine, en vue de la réalisation d'une sonde anémométrique, ce procédé comportant : - un procédé de décapage du fil, pour former ladite zone (14) de longueur I, dénuée de gaine, - puis un procédé de réalisation d'un galbe du fil, selon l'une des 15 revendications 5 à 7. 9. Procédé selon l'une des revendications 5 à 8, le fil étant maintenu par un dispositif d'alignement de précision, comportant : - une Pre surface d'appui et une 2ème surface d'appui des moyens (40, 20 42, 46, 48) pour aligner ces 2 surfaces dans un même plan, - un 1' plot (34) et un 2ème plot (36), l'extrémité de chaque plot pouvant venir en contact la Pre surface d'appui ou la 2ème surface d'appui et des moyens (343) pour déplacer ces plots selon un axe perpendiculaire à ces surfaces. 25 10. Utilisation d'une sonde anémométrique selon l'une des revendications 1 à 4, à température cryogénique, comprise entre 77K et 2K.