MESURE DE TEMPÉRATURE À L’AIDE DE MICRO …sfp.in2p3.fr/expo/Conf2006/Lanzetta.pdf · 2 Plan de...

11

François LANZETTA

Institut FEMTO-ST, CNRS UMR 6174, Département CRESTUniversité de Franche-comté

Parc technologique – 2 avenue Jean Moulin – 90000 Belfort - France

MESURE DE TEMPÉRATURE À L’AIDE DE MICRO THERMOCOUPLES : PRINCIPE, CHOIX TECHNOLOGIQUES ET MODES D’IMPLANTATIONS

http://www.femto-st.fr

Journée « Mesure de température »Salon Mesurexpo, Paris-Expo, Porte de Versailles,

Hall 7, Salle PHOENIXMardi 17 octobre 2006

f0.8 mm

f7,6 µm f12,7 µm

Institut FEMTO-STDept. CREST

22

Plan de l’exposé

1 – Introduction

2 – Les thermocouples

3 – Du thermocouple au microthermocouple3.1 – Conception d’une sonde

4.1 – Mesures statiques

3.2 – Des capteurs pour différentes applications

4 – Incertitudes de mesure : quelques exemples

4.2 – Mesures dynamiques

5 – Allons plus loin : mesure de T et V dans un écoulement

6 – Conclusion

33

1 - Introduction

Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006

Qu’est-ce que la température ?

Vie de tous les jours :Grandeur physique liée à la notion immédiate de chaud et froid

Physique statistique :Manifestation, à l'échelle macroscopique, du mouvement des atomes et des molécules. Elle est directement liée à l'énergie cinétique moyennedes constituants microscopiques de la matière.

Thermodynamique :La température est une variable d'état intensive. Sa valeur détermine, avec celle de la pression, l'état des corps purs.

44


Comment mesurer une température ?

Instrument = thermomètre

Intrument dont une propriété caractéristique est fonction d’une seulegrandeur, la “température” telle que nos sens permettent d’appréhender.

Histoire du thermomètre, l’aventure commence…

- Sanctorius, 1612, thermomètre médical (travaux de Galilée)- Ole Roemer, 1702, thermomètre à alcool- Fahrenheit , 1717, thermomètre au mercure- Réaumur, 1730, amélioration du thermomètre à alcool- Celsius, 1742, thermomètre au mercure 0° - 100°

55


Mesure de température

Méthodesoptiques

Méthodesspectroscopiques

Thermomètresà résistances Thermocouples

Comment mesurer une température ?

66

2 – Les thermocouples


L’effetL’effet SeebeckSeebeck estest la la combinaisoncombinaison de de deuxdeuxautresautres phénomènesphénomènes : les : les effetseffets Thomson et Thomson et PeltierPeltier

Thomson a Thomson a observéobservé l’existencel’existence d’uned’une fem fem due au contact de due au contact de deuxdeux matériauxmatériaux différentsdifférentsàà uneune températuretempérature donnéedonnée..

PeltierPeltier a a découvertdécouvert qu’unqu’un gradient de gradient de températuretempérature le long d’un le long d’un conduteurconduteur étaitétaitgénérateurgénérateur d’uned’une fem.fem.

En, 1821 T.J. En, 1821 T.J. SeebeckSeebeck observe observe l’existencel’existence d’uned’une force force électromotriceélectromotrice (fem) (fem) àà la la jonctionjonction forméeformée par par deuxdeux métauxmétauxdifférentsdifférents soumissoumis àà uneune différencedifférence de de températuretempérature (T(T11 –– TT22) ) ((effeteffet SeebeckSeebeck))

fem

77


Effet Seebeck et thermocouples

Material

BismuthConstantanNickelAlumelPaladiumPlatinumCarbonAluminiumTungstenIrridiumRhodiumSilverCopperGoldMolybdenTitaniumIronChromiumChromelAntimoine

µV/°C @ 0 °CSeebeck coefficient

-76.5-37.3-19.5-17.3

-9-4.5-1.5-1

0.111

1.41.71.8

21.742.5

4.77.512.718.5

Antimoine/Bismuth

S = 42.5-(-76.5) = 119 µV/°C @ 0 °C

Chromel/Alumel (Type K)

S = 21.7-(-17.3) = 39 µV/°C @ 0 °C

88


applications cryogéniques0,5% à

0,4%1% à

0,75%38,75 µV à 0°C-270 à 400°CConstantanCuivreT

applications hautes températures ; résiste

à l'oxydation

0,6% 0,6% àà0,1%0,1%

1,5% à0,25%10,21 µV à 600°C-50 à 1768°CPlatine

Platine10%

RhodiumS

le plus utilisé du fait de sa large gamme

de température, supporte une

atmosphère oxydante

1,1% à0,2%

2,2% à0,75%39,45 µV à 0°C-270 à 1372°CAlumelChromelK

pour atmosphèreréductrice (industrie

du plastique...)

1,1% à0,4%

2,2% à0,75%50,38 µV à 0°C-210 à 1200°CConstantanFerJ

CommentaireErreurmini

Erreurstandard

Coef. Seebeckα (µV/°C) à T°C

LimitesthéoriquesMétal B (-)Métal A (+)Type

Thermocouples du commerce

99


Thermocouples du commerce

1010


3 – Du thermocouple au microthermocouple

Fluctuations de température

Mesures locales

Thermocouples de très faibles dimensions

- Type S : Platine/Platine-Rhodié 10% : 6 µV/°C à 20 °C

- diamètres = 0.5 µm ; 1.27 µm et 5 µm

- Type K : Chromel/Alumel : 40 µV/°C à 20 °C

- diamètres = 7.6 µm ; 12.7 µm ; 25.4 µm ; 50 µm

Résolutions spatiale et temporelle !!!

Fragilité !!!

1111

jonction

Céramique 2 trous

Thermocouple

Type S

φ 1.27 µm

6 µV/°C à 20 °Csonde

3.1 Conception 3.1 Conception d’uned’une sondesonde

Soudure des fils A et B réalisée par

décharge capacitive

tension : 0 - 250 V

capacité : 0 - 5 µF

A

B

1212


Type K : 12.7 µm

Type K 25 µm soudé sur tube inox

Type S 5 µm

S type 0.5 µm

3.2 3.2 -- Des Des capteurscapteurs pour pour différentesdifférentes applicationsapplications

1313


Thermocouple en fils + jonction chaude en film d’or

Fils type K : diam = 12,7 µmJonction chaude = film d’or

fils

Jonction chaude = film d’or

Mesure de température de surface

Température de surface

1414


N2

Type K 25 µmLongueur = 50 mmsection = 200 µm X 200 µm

Mesure de température de fluide au sein d’un microcanal

Application en microfluidique

1515


4 – Incertitudes de mesure : quelques exemples4.1 – Mesures statiques

Température de paroi

1s c

s

T TT AT Ts A∆ −

= =+

( )1 2a

a

dA hpsS

λ λλ

= +

Incertitude relative

s, p,

T(x)

fils dethermocouple

TcTS

Surface

Résistance contact : da, S,

1λ 2λ

aλ

0 20 40 60 80 1000

.01

.02

.03

.04

.05

.06

.07

∆T/T

Diamètre thermocouple (µm)

12 µm

25 µm

50 µm

100 µm

1616


Fils de thermocouple traversant des isothermes

L = 1m

Gazh =80 W/m 2°C

Thermocouple Cuivre/Constantan φ fils = 0.2 mm

φ soudure = 1 mm

Thermocouple Cuivre/Constantan φ fils = 0.2 mm

φ soudure = 1 mm

MesureTc = 300 °C ??

L = 1m

Tg = ?Tg=?

Gazh =80 W/m 2°C

T0 = 20 °C

Indication de la sonde Tc = 300 °C : Est-ce la bonne température du gaz ?

Pertes par conduction le long des fils : Tg = 316 °C !!

0 0filsoudure C g Cu Constantan C

ShS (T T ) ( ) (T T )

Lλ λ− + + − =

Bilan thermique le long des fils

1717

Bilan thermique :- convection dans la couche limite entourant le thermocouple- conduction le long des fils- rayonnement entre la surface du capteur et les parois- autres flux thermiques : chauffage interne par effet Joule, chauffage

externe par autre source (laser par exemple), réaction chimique, …

4.2 – Mesures dynamiques

Thermocouple type KDiamètre = 50 µm

fil A fil B

Jonction Tth

Rayonnement Convection

Conduction

TgFluide ambiant

x

Conduction

Fil A

Fil B

Jonction


1818

( )

( ) ( )

−

−+−−

∂

∂+−=

∂∂

2

2

L4

g4

thth

2th

22

ththggth

2

thth

ax2exp

2aderfP

aR12dTT)T(

x

T4d

TTNut

T4d

c

ππεσ

πλπλ

πρ

Flux externe (par exemple laser)

Rayonnement

ConductionConvectionAccumulé

Bilan thermique

critère

L/d > 200

Tg = 60 °C max Pas iciASME ATI Conference – Milan Italy – May 14th/17th 2006

1919

Fréquence de coupurec

1f 2 c vπ τ=

tT

TT thcvthg ∂

∂τ+=

( )thggth

2

thth TTNut

T4d

c −=∂

∂πλ

πρ

Bilan thermique intégrantuniquement la convection !!

ASME ATI Conference – Milan Italy – May 14th/17th 2006

−=

−

−

cvig

thg texpTT

TT

τ

Tth

Ti

t (s)

Tg

T (°C)

Réponse = 1er ordre

Echelon de température

τcv

63%

Constante de tempsh4

dcNu4

dc thth

g

2thth

cv

ρλ

ρτ ==

2020


Constante de temps ?

( )ε−⋅τ=ε ln6.4%)(t r

Temps de réponse tr (s)

37%ε = 37rt ( %) τ=

Réponse à 63 %

Détermination expérimentale de la constante de temps

- Caractérisation convective

- Caractérisation radiative

2121


TMIN

AmplificateurThermocouple

Oscilloscopenumérique

Fluide chaud

Fluide froid

X 1000

Signal periodique

échelonouRéférence

Chopper

20

30

40

50

60

70

80

90

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

time (s)

TMAX = 78 °C

TMIN = 25.5 °C

Tth min = 40 °C

Tth max = 60 °C°C

ϑresp = th + t c = 0.027 s

th = 0.0125 s tc =0.0145 s τh = 15.2 ms

τc = 18.0 ms

Caractérisation convective

Vitesse de l’air : 13 m.s-1 Vitesse de l’air : 23 m.s-1 Diamètre de jonction d (µm) τcv (ms) fc (Hz) τcv (ms) fc (Hz)

0.5 – – – – S 1.27 – – – – 5 2.9 55 2.2 72 7.6 7.1 22.4 4.1 39 12.7 15.2 10.5 8.5 18.7

K 25.4 20 8 17 9.4 50 32 5 25 6.4

2222


Caractérisation radiative

Enceinte

Laser Argon (2 W)

Cube séparateur

Télescope

1480 Hz

Hz 100 Hz MHzkHz

Chopper

Capteur

Photodetecteur

Commande du chopper Oscilloscope

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 temps (s)

Réponse adimensionnelle

Thermocouple 50 µm

Thermocouple 25.4 µm

Thermocouple 12,7 µm

Diamètre de jonction d (µm)

Constante de temps radiative τrad (ms)

Fréquence de coupure fc (Hz)

0.5 0.07 2274 S 1.27 0.18 884 5 1.3 123 7.6 3.5 46

K 12.7 8.5 19 25.4 34 5 50 64.5 2.5

2323

5 – Allons plus loin : mesure de T et V dans un écoulement

fd1 fd2 > d1

Débit gaz V(t) , Tg(t)

Tg1(t) Tg2(t)

t (s)

T (°C)

4th thc d

hρτ =Réponse dynamique caractérisée par

11 1 1

thg th

dTT Tdt

τ= +

Thermocouple 1

22 2 2

thg th

dTT Tdt

τ= +

Thermocouple 2

mm211 VdK −−=τ mm2

22 VdK −−=τ

m2

2

1

2

1

dd −

==

ττ

α4

mth thcK

Aρ ρ

λ µ

−

=

7.0m3.0 ≤≤

RemNu A=

h Nu→

2424

Détermination de la vitesse et de la températureReconstruction des signaux1

- Enregistrement de Tg1 and Tg2

- Données filtrées

( )

( ) ( )

2 222 21 2

2 1 1 21 1 1

1 2 1 21 2 1 2 2 1 1 2

1 1 1

12 2 2

i iN N Ni i th th

th thi i i

i i i iN N Ni i i ith th th th

th th th thi i i

dT dTT Tdt dt

e dT dT dT dTN T T T Tdt dt dt dt

τ τ

τ τ τ τ

= = =

= = =

− + + = − − + − −

∑ ∑ ∑

∑ ∑ ∑

- Time constants and are estimated by minimizing the time averagedifference between Tg1 and Tg2

1τ 2τ

( )2N

1i

i1g

i2g TT

N1e ∑

=

−= 11 1 1

thg th

dTT Tdt

τ= +avec 22 2 2

thg th

dTT Tdt

τ= +et


2525

Détermination de la vitesse et de la température2

1 ...eN

=

- Dérivée de par rapport à et1τ 2τ

- Annuler la dérivée :

( ) ( )1 22 1 2 1

12 2 2

2 1 1 1 2

12

i iNi i i ith th

th th th thi

i i i iNth th th th

i

dT dTT T T Tdt dt

dT dT dT dTdt dt dt dt

ατ

α α

=

=

− − −

= + −

∑

∑

Températuresreconstruites

11 1 1

thg th

dTT Tdt

τ= + 22 2 2

thg th

dTT Tdt

τ= +et

Détermination de V1/ 1/

2 12 22 1

m m

m mVK d K d

τ τ− −

− −

= =

21 τατ =et

avec2

1

2

mdd

α−

=


2626

Banc expérimentalÉcoulement oscillant (machine de Stirling)

f0.8 mm

f7,6 µm f12,7 µm

Institut FEMTO-ST CREST Dept.

Regenerator

Cold exchanger

Machine Stirling- fréquence f = 1 à 10 Hz- fluide = air

3 différentes sondes testées avec différents diamètres de fils (type K)

- 7.6 µm / 12.7 µm- 12.7 µm / 25.4 µm- 25.4 µm / 50 µm

2727

Résultats expérimentaux

20

25

30

35

40

45

50

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

Time (s)

T (°C)

diam = 25.4 µm diam = 50 µm

K type thermocouple

smooth signal

Couple 25.4 µm / 50 µm

20

25

30

35

40

45

50

0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 0.175 0.2 0.225 0.25

Time (s)

T (°C)

diam = 12.7 µm diam 25.4 µm

K type thermocouple

smooth signal

Couple 12.7 µm / 25.4 µm

20

25

30

35

40

45

50

0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 0.175 0.2 0.225 0.25

Time (s)

T (°C)

diam = 7.6 µm diam 12.7 µm

K type thermocouple

smooth signal

Couple 7.6 µm / 12.7 µm

Fréquence = 8 Hz

Écoulement laminaire

Températures périodiques

Déphasage entre les évolutions des températures

2828

91

34

12

5.2

τ (ms)

1.850

4.725.4

1312.7

307.6

fc (Hz)d (µm)

Caractéristiques dynamiques des sondes

0.862.832.6825.4 / 50

0.832.902.8312.7 / 25.4

0.862.202.307.6 / 12.7

V (m.s- 1)d2 / d11

2

τατ

=2

1

2

mdd

α−

=

Vitesse calculée

Résultats à la fréquence de f = 8 Hz

7.0m3.0 ≤≤

0.33Pr RemNu A=

Relation de Mac Adams/Hilpert

0.683A =

0.466m =

Thermocouple : type K (Chromel/Alumel) : r = 8600 kg.m-3; c = 480 J.kg-1.K-1

Fluide = air (35°C) : l = 0.0268 W.m-1.K-1 r=1.146 kg.m-3; m=1.78.10-5 Pa.s

τ avec d

fc avec d

±±±

Différence = 5 %

Différence = 3.5 %

2929

6 – Conclusions sur les microthermocouples

ASME ATI Conference – Milan Italy – May 14th/17th 2006

Résolutions spatiales et temporelles !!!!!

Problèmes : fragilité avec dimensions

Géométries

- Type K : Chromel / Alumel : 40 µV/°C at 20 °C

- diamètres = 7.6 ; 12.7 ; 25.4 ; 50 µm

- Type S : Platine / Platine Rhodié 10% : 6 µV/°C at 20 °C

- diamètres = 0.5 µm, 1.27 µm, 5 µm

Evolutions = nanosondes

voir exposé de Laurent Thiery …

MERCI DE VOTRE ATTENTION…….

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