FR2704979A1 - Method of producing a thermal flow meter and thermal flow meter obtained according to this method - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE DE REALISATION D'UN FLUXMETRE THERMIQUE ET
FLUXMETRE THERMIQUE OBTENU SELON CE PROCEDE
La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un fluxmètre thermique comportant un ensemble de cellules fluxmétriques.PROCESS FOR PRODUCING A THERMAL FLUXMETER AND
THERMAL FLUX METER OBTAINED ACCORDING TO THIS PROCESS
The present invention relates to a method for producing a thermal flow meter comprising a set of flow meter cells.
Elle concerne également un fluxmètre thermique fabriqué selon ce procédé.It also relates to a thermal flowmeter manufactured according to this process.
On connaît déjà différents capteurs appelés fluxmètres thermiques, notamment ceux décrits dans la publication européenne N" 0 030 499, la demande internationale WO 84/02037 et le brevet américain N" 4 850 713.Various sensors known as thermal flow meters are already known, in particular those described in the European publication N "0 030 499, the international application WO 84/02037 and the American patent N" 4 850 713.
Le fluxmètre thermique, objet de la présente demande de brevet, a pour objectif de perfectionner les capteurs connus de ce type, de simplifier leur fabrication et d'en abaisser le coût de revient.The objective of the thermal fluxmeter of this patent application is to improve the known sensors of this type, to simplify their manufacture and to lower their cost price.
Ce but est atteint par le procédé selon l'invention caractérisé en ce que l'on utilise une structure de base constituant une pile thermoélectrique à électrodes plaquées, comprenant un support isolant, un ruban continu en un matériau semi-conducteur, et un ensemble discret d'électrodes plaquées disposées sur ledit ruban continu, et en ce que l'on associe à cette structure de base au moins un élément de contact thermique fixé contre la surface supérieure de ladite pile thermo-électrique.This object is achieved by the method according to the invention characterized in that a basic structure is used constituting a thermoelectric cell with plated electrodes, comprising an insulating support, a continuous strip of semiconductor material, and a discrete assembly of plated electrodes disposed on said continuous strip, and in that one associates with this basic structure at least one thermal contact element fixed against the upper surface of said thermoelectric cell.
Selon une forme de réalisation avantageuse du procédé, ledit élément de contact thermique est constitué d'une feuille métallique pourvue de protubérances, ces protubérances étant en contact thermique avec une des jonctions de chacune des électrodes plaquées de ladite pile thermo-électrique.According to an advantageous embodiment of the method, said thermal contact element consists of a metal sheet provided with protuberances, these protuberances being in thermal contact with one of the junctions of each of the plated electrodes of said thermoelectric cell.
De préférence, lesdites protubérances sont réalisées par emboutissage. Preferably, said protuberances are produced by stamping.
Dans la forme de réalisation avantageuse du procédé, ledit élément de contact thermique est réalisé à partir d'une feuille laminée composite, notamment un laminé cuivre-verre époxy-cuivre ou cuivre-kaptoncuivre, les protubérances sont réalisées par gravure chimique sur la face inférieure de ladite feuille laminée composite et l'on grave des lignes délimitant chaque cellule fluxmétrique sur la face supérieure de cette feuille laminée composite.In the advantageous embodiment of the process, said thermal contact element is produced from a composite laminated sheet, in particular a copper-epoxy-copper or copper-kapton-copper laminate, the protuberances are produced by chemical etching on the underside of said composite laminated sheet and etching lines delimiting each flow meter cell on the upper face of this composite laminated sheet.
L'on peut associer à cette structure de base un second élément de contact thermique fixé contre la face inférieure de la pile thermoélectrique.A second thermal contact element fixed against the underside of the thermoelectric cell can be associated with this basic structure.
Dans cette variante, ledit second élément de contact est constitué d' une feuille recouvrant intégralement la face inférieure de la pile thermo-électrique.In this variant, said second contact element consists of a sheet completely covering the underside of the thermoelectric cell.
Ce but est également atteint par le fluxmètre thermique selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part une structure de base constituant une pile thermo-électrique à électrodes plaquées comprenant un support isolant, un ruban continu en un matériau semi-conducteur et un ensemble discret d'électrodes plaquées disposées sur ledit ruban continu, et d'autre part au moins un élément de contact thermique fixé contre la surface superieure de ladite pile thermo-électrique.This object is also achieved by the thermal fluxmeter according to the invention, characterized in that it comprises, on the one hand a basic structure constituting a thermoelectric cell with plated electrodes comprising an insulating support, a continuous ribbon of a material semiconductor and a discrete set of plated electrodes disposed on said continuous strip, and on the other hand at least one thermal contact element fixed against the upper surface of said thermoelectric cell.
Selon une forme de réalisation préférée, ledit élément de contact thermique est constitué d' une feuille métallique pourvue de protubérances, ces protubérances étant en contact thermique avec une des jonctions de chacune des électrodes plaquées de ladite pile thermo-électrique.According to a preferred embodiment, said thermal contact element consists of a metal sheet provided with protuberances, these protuberances being in thermal contact with one of the junctions of each of the plated electrodes of said thermoelectric cell.
Lesdites protubérances peuvent être réalisées par emboutissage.Said protuberances can be produced by stamping.
Selon une autre forme de réalisation avantageuse, ledit élément de contact thermique peut comporter une feuille laminée composite, notamment un laminé cuivre-verre époxy-cuivre ou cuivre-kapton cuivre, la face inférieure de ladite feuille laminée composite comportant des protubérances réalisées par gravure chimique et la face supérieure comportant des figures gravées délimitant chaque cellule fluxmétrique.According to another advantageous embodiment, said thermal contact element may comprise a composite laminated sheet, in particular a copper-epoxy-copper or copper-kapton copper laminate, the underside of said composite laminated sheet having protuberances produced by chemical etching and the upper face comprising engraved figures delimiting each flow meter cell.
Selon une autre variante de réalisation, le fluxmètre selon l'invention comporte un second élément de contact thermique fixé contre la face inférieure de la pile thermo-électrique.According to another alternative embodiment, the fluxmeter according to the invention comprises a second thermal contact element fixed against the underside of the thermoelectric cell.
De préférence, ledit second élément de contact est constitué d'une feuille recouvrant intégralement la face inférieure de la pile thermoélectrique.Preferably, said second contact element consists of a sheet completely covering the underside of the thermoelectric cell.
Dans une autre forme de réalisation le fluxmètre peut comporter au moins un thermocouple disposé entre des rangées adjacentes du ruban.In another embodiment, the fluxmeter may include at least one thermocouple disposed between adjacent rows of the tape.
La présente invention sera mieux comprise en référence à la description qui va suivre d'une forme de réalisation du procédé de réalisation d'un tel capteur et au dessin annexé qui illustre certaines phases du procédé, le capteur ainsi réalisé et les courbes de tests et de simulation de ce capteur, dans lequel la figure 1 représente une vue en perspective agrandie d'une partie d' une pile thermo-électrique à électrodes plaquées utilisée pour réaliser le fluxmètre thermique selon l'invention, la figure 2 représente une vue schématiquement illustrant partiellement le fluxmètre thermique de l'invention, la figure 3 est une vue en perspective agrandie d'une forme de réalisation de l' élément de contact supérieur du fluxmètre selon l'invention, la figure 4 représente une vue schématique illustrant une forme de réalisation particulière d' une cellule fluxmétrique du fluxmètre thermique selon l'invention, la figure 5 représente un graphe illustrant les résultats expérimentaux et les résultats de tests de simulation lors de la modification de la longueur des cellules de la pile thermo-électrique, la figure 6 représente un graphe illustrant l'influence de la position de l'élément de contact thermique sur la sensibilité du fluxmètre, la figure 7 représente un graphe illustrant l'influence de la largeur des contacts thermiques sur la sensibilité du fluxmètre, la figure 8 représente un graphe illustrant l'influence de la hauteur des contacts thermiques sur la sensibilité du fluxmètre, la figure 9 représente un graphe illustrant l'influence de la longueur de l'électrode plaquée sur la sensibilité du fluxmètre, la figure 10 représente un graphe illustrant l'influence de l'épaisseur du support isolant sur la sensibilité du fluxmètre et celle de cette épaisseur sur la sensibilité par unité d'épaisseur, la figure Il représente un graphe illustrant l'influence du remplissage partiel des espaces vides du fluxmètre au moyen de la matière adhésive, la figure 12 représente un graphe illustrant l'effet d'une diminution de toutes les dimensions dans le même rapport sur la valeur de la sensibilité, la figure 13 représente une vue partielle en perspective éclatée d'un fluxmètre thermique du type radiatif, et les figures 14 à 16 représentent des vues partielles d'un fluxmètre associé à au moins un thermocouple.The present invention will be better understood with reference to the description which follows of an embodiment of the method for producing such a sensor and to the appended drawing which illustrates certain phases of the method, the sensor thus produced and the test curves and for simulating this sensor, in which FIG. 1 represents an enlarged perspective view of part of a thermoelectric cell with plated electrodes used to produce the thermal fluxmeter according to the invention, FIG. 2 represents a view schematically illustrating partially the thermal fluxmeter of the invention, FIG. 3 is an enlarged perspective view of an embodiment of the upper contact element of the fluxmeter according to the invention, FIG. 4 represents a schematic view illustrating an embodiment particular of a flow meter cell of the thermal flow meter according to the invention, FIG. 5 represents a graph illustrating the res experimental results and the results of simulation tests during the modification of the length of the cells of the thermoelectric cell, FIG. 6 represents a graph illustrating the influence of the position of the thermal contact element on the sensitivity of the flux meter , FIG. 7 represents a graph illustrating the influence of the width of the thermal contacts on the sensitivity of the fluxmeter, FIG. 8 represents a graph illustrating the influence of the height of the thermal contacts on the sensitivity of the fluxmeter, FIG. 9 represents a graph illustrating the influence of the length of the plated electrode on the sensitivity of the fluxmeter, FIG. 10 represents a graph illustrating the influence of the thickness of the insulating support on the sensitivity of the fluxmeter and that of this thickness on the sensitivity by thickness unit, figure It represents a graph illustrating the influence of the partial filling of the empty spaces of the flowmeter to the mo yen of the adhesive material, figure 12 represents a graph illustrating the effect of a reduction of all the dimensions in the same report on the value of the sensitivity, figure 13 represents a partial view in exploded perspective of a thermal fluxmeter of the radiative type, and FIGS. 14 to 16 represent partial views of a fluxmeter associated with at least one thermocouple.
Les effets thermo-électriques sont utilisés depuis fort longtemps pour la fabrication de thermocouples ou d' "éléments Peltier" destinés à engendrer des forces électromotrices à partir de sources thermiques, ou à l'inverse des sources d'énergie thermique réversible et contrôlable à partir de sources électriques. Les capteurs du deuxième type à effet Peltier n' ont pas connu de développement significatif dans le domaine de l'instrumentation, notamment à cause des faibles quantités de chaleur produites ou absorbées par le passage d'un courant dans une jonction bimétallique. Les applications industrielles significatives concernent le refroidissement par effet Peltier à l'aide de jonctions entre matériaux semi-conducteurs.Thermoelectric effects have been used for a very long time for the manufacture of thermocouples or "Peltier elements" intended to generate electromotive forces from thermal sources, or conversely from reversible and controllable thermal energy sources from electrical sources. Sensors of the second type with Peltier effect have not experienced any significant development in the field of instrumentation, in particular because of the small amounts of heat produced or absorbed by the passage of a current through a bimetallic junction. Significant industrial applications relate to Peltier cooling using junctions between semiconductor materials.
En revanche, les applications de l'effet Seebeck sont beaucoup plus importantes dans le domaine de l'instrumentation et concernent essentiellement la mesure des différences de température.On the other hand, the applications of the Seebeck effect are much more important in the field of instrumentation and relate essentially to the measurement of temperature differences.
Les piles thermo-électriques comportant un grand nombre de thermocouples associés en série sont des capteurs de différences de températures très sensibles. Ils ont l'avantage de permettre la détection de l'égalité de deux températures et présentent une faible résistance interne. Ils peuvent être utilisés avec profit chaque fois que la mesure d'une grandeur physique peut être ramenée à la mesure d' une différence de température entre jonctions thermoélectriques.Thermoelectric cells comprising a large number of thermocouples associated in series are very sensitive temperature difference sensors. They have the advantage of allowing the detection of the equality of two temperatures and have a low internal resistance. They can be used with profit whenever the measurement of a physical quantity can be reduced to the measurement of a temperature difference between thermoelectric junctions.
Les piles thermo-électriques à électrodes plaquées sont constituées par un circuit métallique continu en forme de fil ou de ruban recouvert par un ensemble discret composé d'un grand nombre d' électrodes métalliques de grande conductivité. La figure 1 représente schématiquement une telle pile thermo-électrique 10. Cette pile se compose d'un support 11 réalisé en une matière isolante, telle que par exemple une feuille d'un matériau dénommé "Kapton" ou de tout autre matériau synthétique isolant rigide, semi-rigide ou souple.The thermoelectric batteries with plated electrodes are constituted by a continuous metallic circuit in the form of wire or ribbon covered by a discrete assembly made up of a large number of metallic electrodes of high conductivity. FIG. 1 schematically represents such a thermoelectric cell 10. This cell consists of a support 11 made of an insulating material, such as for example a sheet of a material called "Kapton" or any other rigid insulating synthetic material , semi-rigid or flexible.
Ce support est recouvert partiellement d'un ruban continu 12 en un matériau semi-conducteur, par exemple en un alliage appelé constantan, pourvu d'un grand nombre d'électrodes 13 métalliques, disposées à intervalles réguliers sur le ruban 12. Les électrodes sont de préférence réalisées en un métal connu pour sa grande conductivité tel que le cuivre, l'or ou similaire. Un tel circuit se comporte comme un circuit thermo-électrique classique dans lequel les parties homogènes non recouvertes par le dépôt métallique constituent le premier conducteur du couple, les parties plaquées constituant le second conducteur. Les jonctions thermo-électriques de ces dispositifs sont localisées sur les lignes frontières des électrodes plaquées.This support is partially covered with a continuous strip 12 of a semiconductor material, for example an alloy called constantan, provided with a large number of metallic electrodes 13, placed at regular intervals on the strip 12. The electrodes are preferably made of a metal known for its high conductivity such as copper, gold or the like. Such a circuit behaves like a conventional thermoelectric circuit in which the homogeneous parts not covered by the metal deposit constitute the first conductor of the pair, the plated parts constituting the second conductor. The thermoelectric junctions of these devices are located on the border lines of the plated electrodes.
Ces structures planaires ont l'avantage de pouvoir également être miniaturisées et réalisées en utilisant les techniques de fabrication des microcircuits sur couches minces.These planar structures have the advantage of also being able to be miniaturized and produced using the techniques for manufacturing microcircuits on thin layers.
Une pile thermo-électrique à électrodes plaquées peut être utilisée dans un grand nombre d'applications diverses. Dans tous les cas la grandeur à mesurer doit être convertie en un grand nombre de gradients tangentiels de température qui seront détectés par chacun des éléments de la pile thermo-électrique.A thermoelectric cell with plated electrodes can be used in a large number of diverse applications. In all cases the quantity to be measured must be converted into a large number of tangential temperature gradients which will be detected by each of the elements of the thermoelectric cell.
Une de ces applications consiste à réaliser un capteur, appelé fluxmètre thermique, ce procédé et ce capteur constituant les objets de la présente invention.One of these applications consists in producing a sensor, called a thermal flow meter, this method and this sensor constituting the objects of the present invention.
Dans ces applications la mesure est ramenée à la mesure d'une différence de température entre les faces d'une paroi auxiliaire traversée par un flux thermique à mesurer. Une façon très simple de réaliser un fluxmètre thermique à partir d'une pile thermo-électrique planaire à électrodes plaquées consiste à utiliser la pile thermoélectrique sur un support isolant, par exemple une feuille d'une matrice synthétique dénommée "Kapton" de 50 ,um d'épaisseur comme paroi auxiliaire. La pile thermo-électrique est placée entre deux feuilles métalliques permettant d' appliquer une différence de température bien définie sur toute la surface de chacune des cellules fluxmétriques dont l'ensemble constitue ledit fluxmètre thermique.In these applications, the measurement is reduced to the measurement of a temperature difference between the faces of an auxiliary wall traversed by a heat flux to be measured. A very simple way of producing a thermal flux meter from a planar thermoelectric cell with plated electrodes consists in using the thermoelectric cell on an insulating support, for example a sheet of a synthetic matrix called "Kapton" of 50 .mu.m thick as an auxiliary wall. The thermoelectric cell is placed between two metal sheets making it possible to apply a well-defined temperature difference over the entire surface of each of the flow meter cells, the assembly of which constitutes said thermal flow meter.
Dans ces conditions, il suffit d'établir un bon contact thermique entre la feuille métallique supérieure et l'une des jonctions thermoélectriques de façon à générer un gradient thermique tangentiel directement proportionnel au flux thermique à mesurer. Under these conditions, it suffices to establish good thermal contact between the upper metal sheet and one of the thermoelectric junctions so as to generate a tangential thermal gradient directly proportional to the heat flux to be measured.
Comme le montre la figure 2, les cellules fluxmétriques 14, qui constituent le capteur 20, sont obtenues par l'adjonction à la pile thermo-électrique à électrodes plaquées décrite en référence à la figure 1, de deux éléments de contact thermiques 15 et 16 constitués par deux feuilles métalliques, par exemple en aluminium. La feuille inférieure constituant le contact thermique 16 est fixée contre le support isolant 11 en Kapton. La feuille supérieure constituant l'élément de contact thermique 15, pourvue de protubérances 17, est fixée, par l'intermédiaire de ces protubérances disposées, de manière à correspondre aux électrodes plaquées 13, à la surface supérieure de ces dernières. Ces protubérances 17 définissent des parois intermédiaires hétérogènes dont le rôle est défini ci-dessous. Un espace 18 rempli d'air subsiste entre la surface inférieure de l'élément de contact thermique 15, une partie 19 de chaque électrode plaquée 13 et une partie 21 de la surface supérieure de la couche de constantan 12 non recouverte par une de ces électrodes. La méthode de fabrication consiste à coller chacun des contacts thermiques sur l'une des jonctions de chacune des électrodes plaquées. Les jonctions thermo-électriques en contact thermique avec la face supérieure sont portées à une température voisine de celle de la face supérieure du capteur. Dans la paroi intermédiaire hétérogène les lignes du flux thermique perpendiculaires aux surfaces isothermes limitant le capteur sur chacune de ses faces sont canalisées par le contact thermique et génèrent suivant la longueur des électrodes plaquées des écarts de température directement proportionnels au flux thermique' à mesurer.As shown in FIG. 2, the flux meter cells 14, which constitute the sensor 20, are obtained by the addition to the thermoelectric cell with plated electrodes described with reference to FIG. 1, of two thermal contact elements 15 and 16 made up of two metal sheets, for example aluminum. The lower sheet constituting the thermal contact 16 is fixed against the insulating support 11 in Kapton. The upper sheet constituting the thermal contact element 15, provided with protuberances 17, is fixed, by means of these protuberances arranged, so as to correspond to the plated electrodes 13, to the upper surface of the latter. These protrusions 17 define heterogeneous intermediate walls whose role is defined below. A space 18 filled with air remains between the lower surface of the thermal contact element 15, a part 19 of each plated electrode 13 and a part 21 of the upper surface of the layer of constantan 12 not covered by one of these electrodes . The manufacturing method consists in gluing each of the thermal contacts on one of the junctions of each of the plated electrodes. The thermoelectric junctions in thermal contact with the upper face are brought to a temperature close to that of the upper face of the sensor. In the heterogeneous intermediate wall, the lines of the heat flux perpendicular to the isothermal surfaces limiting the sensor on each of its faces are channeled by the thermal contact and generate, along the length of the plated electrodes, temperature differences directly proportional to the heat flux to be measured.
Chacun des éléments thermo-électriques de ladite pile thermoélectrique convertissant la différence de température en force électromotrice Seebeck, la force électromotrice détectée par la pile thermo-électrique est directement proportionnelle au flux thermique à mesurer avec une sensibilité directement proportionnelle au nombre de thermo-éléments répartis sur la surface de mesure utile du capteur.Each of the thermoelectric elements of said thermoelectric cell converting the temperature difference into Seebeck electromotive force, the electromotive force detected by the thermoelectric cell is directly proportional to the heat flux to be measured with a sensitivity directly proportional to the number of thermoelements distributed on the useful measurement surface of the sensor.
Pour des cellules fluxmétriques de longueur suffisante, l'écart de température entre les extrémités de chacune des électrodes plaquées est pratiquement égal à l'écart de température entre les faces du capteur. Cette différence de température, qui est plus faible dans le cas d'électrodes de petite longueur, peut être compensée par un plus grand nombre de thermo-éléments. Ces considérations montrent clairement la nécessité d'optimiser les dimensions des cellules fluxmétriques de façon à obtenir des capteurs de sensibilité maximale.For flowmeter cells of sufficient length, the temperature difference between the ends of each of the plated electrodes is practically equal to the temperature difference between the faces of the sensor. This temperature difference, which is smaller in the case of short electrodes, can be compensated by a greater number of thermo-elements. These considerations clearly show the need to optimize the dimensions of the flowmeter cells so as to obtain sensors of maximum sensitivity.
La différence essentielle entre ces fluxmètres thermiques et les fluxmètres à paroi auxiliaire classiques, dans lesquels on mesure à l'aide d'un circuit thermo-électrique la différence de température entre les faces d'une paroi auxiliaire isolante, est la variation de la sensibilité avec l'épaisseur du capteur.The essential difference between these thermal flow meters and conventional auxiliary wall flow meters, in which the temperature difference between the faces of an insulating auxiliary wall is measured using a thermoelectric circuit, is the variation in sensitivity with the thickness of the sensor.
Précisons d'abord que la sensibilité d'un fluxmètre thermique de surface utile S peut être définie comme étant la valeur de la force électromotrice détectée lorsque la surface de mesure est traversée par un flux thermique de 1 Watt.First of all, it should be noted that the sensitivity of a thermal flux meter with a useful surface S can be defined as the value of the electromotive force detected when the measurement surface is crossed by a thermal flux of 1 Watt.
La sensibilité ainsi définie est égale à la force électromotrice détectée par un capteur identique de surface unité S = 1 m2 traversée par un flux de lW/m2. The sensitivity thus defined is equal to the electromotive force detected by an identical sensor of unit area S = 1 m2 crossed by a flux of lW / m2.
Dans le cas d'un fluxmètre classique à paroi auxiliaire, la sensibilité tend vers zéro avec l'épaisseur du fluxmètre puisque, lorsque l'épaisseur tend vers cette limite, la différence de température tend également vers zéro.In the case of a conventional fluxmeter with an auxiliary wall, the sensitivity tends towards zero with the thickness of the fluxmeter since, when the thickness tends towards this limit, the temperature difference also tends towards zero.
Dans le cas du fluxmètre à électrodes plaquées tel que représenté par la figure 2, pour une épaisseur de l'ordre de 0,2 mm, un contact thermique d'épaisseur voisine de 50 tim est suffisant pour créer entre les jonctions des électrodes plaquées une différence de température directement proportionnelle au flux thermique à mesurer. L'épaisseur du capteur étant un paramètre important, on introduira ci-dessous la sensibilité par unité d'épaisseur pour caractériser la sensibilité d'un capteur de flux thermique.In the case of the flux meter with plated electrodes as represented by FIG. 2, for a thickness of the order of 0.2 mm, a thermal contact with a thickness close to 50 tim is sufficient to create between the junctions of the plated electrodes a temperature difference directly proportional to the heat flux to be measured. As the thickness of the sensor is an important parameter, the sensitivity per unit of thickness will be introduced below to characterize the sensitivity of a heat flux sensor.
En résumé, l'utilisation d'une pile thermo-électrique à électrodes plaquées permet de réaliser des capteurs de flux thermiques - de façon industrielle puisque toutes les opérations de fabrication peuvent être réalisées de manière systématique suivant les techniques de fabrication de circuits imprimés ou les techniques de traitement des couches minces pour la réalisation de capteurs miniaturisés, - ayant une épaisseur réduite, ce qui permet de minimiser à la fois les valeurs de la résistance thermique et la constante de temps, - ayant une sensibilité importante même pour des épaisseurs très faibles.In summary, the use of a thermoelectric cell with plated electrodes makes it possible to produce heat flow sensors - industrially since all the manufacturing operations can be carried out systematically according to the manufacturing techniques of printed circuits or thin film processing techniques for producing miniaturized sensors, - having a reduced thickness, which makes it possible to minimize both the values of thermal resistance and the time constant, - having a high sensitivity even for very small thicknesses .
En vue d'une optimisation des dimensions géométriques des cellules fluxmétriques, on effectue une modélisation numérique de ces cellules dans le but de déterminer la géométrie des modèles permettant d'obtenir une sensibilité maximale pour une surface de mesure déterminée. Une telle modélisation est indispensable pour réaliser des capteurs d'épaisseur aussi faible que possible et de grande sensibilité.With a view to optimizing the geometric dimensions of the metric flow cells, a digital modeling of these cells is carried out with the aim of determining the geometry of the models making it possible to obtain maximum sensitivity for a determined measurement surface. Such modeling is essential for producing sensors with the smallest possible thickness and high sensitivity.
En toute rigueur, le champ de température dans une cellule fluxmétrique varie suivant les trois coordonnées spatiales, et la détermination de la différence de température entre les jonctions de chacun des thermocouples plaqués nécessite la résolution de l'équation de Fourier à trois dimensions compte tenu des conditions supposées vérifiées sur les surfaces limites de la cellule fluxmétriqffe. Strictly speaking, the temperature field in a flow meter cell varies according to the three spatial coordinates, and the determination of the temperature difference between the junctions of each of the plated thermocouples requires the resolution of the three-dimensional Fourier equation taking into account the conditions assumed to be verified on the boundary surfaces of the fluxmetric cell.
Pour pouvoir comparer les résultats obtenus dans toutes les simulations on suppose qu'il existe un flux de 1 W/m2 sur la face supérieure du fluxmètre. La face inférieure de la feuille de Kapton supportant le circuit thermo-électrique est supposée maintenue à température constante.To be able to compare the results obtained in all simulations, we assume that there is a flux of 1 W / m2 on the upper face of the flux meter. The underside of the Kapton sheet supporting the thermoelectric circuit is assumed to be kept at constant temperature.
Compte tenu du nombre de paramètres à faire varier qui sont : la longueur de la cellule, la longueur des électrodes plaquées, l'épaisseur de l'adhésif, la position du contact thermique sur ltune des jonctions de l'électrode plaquée, et l'épaisseur du contact thermique et du support isolant, le problème de l'optimisation est très complexe. Pour simplifier, on suppose en première approximation que le champ de température est bidimensionnel. Dans ce cas la simulation est simplifiée et peut etre limitée à la détermination du champ de température dans un plan de section droite orienté suivant la direction axiale de la pile thermo-électrique. Cette hypothèse a été validée expérimentalement en notant que pour une surface de mesure déterminée, la sensibilité augmente linéairement avec le nombre de rangées fluxmétriques constituées par la géométrie du ruban de costantan, ce qui est réalisé en diminuant la largeur des électrodes plaquées sur une surface de mesure déterminée. Pour la comparaison entre les résultats de la simulation et les résultats expérimentaux, on a réalisé des cellules de largeur 0,5 mm distantes l'une de l'autre de 0,5 mm.Taking into account the number of parameters to be varied which are: the length of the cell, the length of the plated electrodes, the thickness of the adhesive, the position of the thermal contact on one of the junctions of the plated electrode, and the thickness of the thermal contact and the insulating support, the optimization problem is very complex. To simplify, we assume as a first approximation that the temperature field is two-dimensional. In this case the simulation is simplified and can be limited to the determination of the temperature field in a plane of cross section oriented in the axial direction of the thermoelectric cell. This hypothesis has been validated experimentally by noting that for a determined measurement surface, the sensitivity increases linearly with the number of metric flux rows formed by the geometry of the costantan ribbon, which is achieved by reducing the width of the electrodes plated on a surface of determined measure. For the comparison between the results of the simulation and the experimental results, cells 0.5 mm wide were spaced 0.5 mm apart.
La première modélisation est faite au moyen d'un fluxmètre réalisé selon une configuration correspondant à celle représentée par la figure 3. Dans cette réalisation, le fluxmètre comporte un support Il en Kapton d'une épaisseur de 80 film, un ruban 12 en constantan de 25 llm d'épaisseur portant des électrodes plaquées en cuivre de 5 llm d'épaisseur. Une colle époxy, sous la forme d'une couche 30 recouvrant à la fois les zones du ruban de constantan non recouvertes d'électrodes plaquées et les électrodes plaquées ayant une épaisseur de 10 ,um au-dessus des électrodes, assure la fixation de l' élément de contact thermique supérieur 15. Cet élément de contact thermique 15 est en aluminium et a une épaisseur totale de l'ordre de 100 Fm, soit 50 pm pour la couche continue et 50 ijm pour les protubérances 17 assurant effectivement les contacts thermiques.The first modeling is done by means of a fluxmeter produced according to a configuration corresponding to that shown in FIG. 3. In this embodiment, the fluxmeter comprises a support Kapton II with a thickness of 80 film, a ribbon 12 of constant 25 llm thick carrying copper plated electrodes 5 llm thick. An epoxy adhesive, in the form of a layer 30 covering both the areas of the constantan tape not covered with plated electrodes and the plated electrodes having a thickness of 10 μm above the electrodes, ensures the fixing of the 'upper thermal contact element 15. This thermal contact element 15 is made of aluminum and has a total thickness of the order of 100 Fm, ie 50 μm for the continuous layer and 50 μm for the protrusions 17 effectively ensuring the thermal contacts.
La figure 4 montre une vue en perspective de cet élément de contact thermique 15 pourvu des protubérances 17 disposées en quinconce.FIG. 4 shows a perspective view of this thermal contact element 15 provided with the protuberances 17 arranged in staggered rows.
Dans la pratique, cet élément est avantageusement réalisé par emboutissage.In practice, this element is advantageously produced by stamping.
Cette configuration de base du circuit thermo-électrique prend en compte des considérations pratiques puisque le laminé de constantan commercialement disponible a 25 ,um d'épaisseur et est collé sur un support isolant de 80 Rm d'épaisseur. This basic configuration of the thermoelectric circuit takes into account practical considerations since the commercially available constantan laminate is 25 .mu.m thick and is glued to an insulating support of 80 Rm thick.
Partant de nombreux résultats expérimentaux, il a été observé que la sensibilité optimale était obtenue pour - une électrode plaque recouvrant 70 % de la longueur de la cellule, - un contact thermique limité à 20 % de la longueur et recouvrant une seule des jonctions thermo-électriques, - un contact thermique d'épaisseur 50 llm entre une feuille métallique supérieure de 50 llm d'épaisseur et la surface de la pile thermoélectrique.On the basis of numerous experimental results, it has been observed that optimal sensitivity is obtained for - a plate electrode covering 70% of the length of the cell, - a thermal contact limited to 20% of the length and covering only one of the thermo-junctions. electrical, - a thermal contact with a thickness of 50 µm between an upper metal sheet of 50 µm thick and the surface of the thermoelectric cell.
Le travail de simulation a pour objectif de montrer que les dimensions de la cellule de base sont optimales et comment se modifient les dimensions lorsque l'on souhaite miniaturiser le capteur.The aim of the simulation work is to show that the dimensions of the basic cell are optimal and how the dimensions change when we want to miniaturize the sensor.
En partant de la structure de base correspondant à la configuration de la figure 3, on a simulé le champ de température et calculé la sensibilité en faisant varier uniquement la longueur de la cellule.Starting from the basic structure corresponding to the configuration in Figure 3, we simulated the temperature field and calculated the sensitivity by varying only the length of the cell.
Les résultats de cette simulation montrent clairement qu' une sensibilité maximale de l'ordre de 8000 pV/W traversant la surface utile peut être obtenue pour une longueur de cellule de l'ordre de 3,5 mm. Pour réaliser le fluxmètre en pratique, il faut coller les contacts thermiques sur les jonctions thermo-électriques. Pour simuler l'adhésif, on a prévu une couche d'une épaisseur de 10 zm sur la face supérieure des électrode plaquées.The results of this simulation clearly show that a maximum sensitivity of the order of 8000 pV / W crossing the useful surface can be obtained for a cell length of the order of 3.5 mm. To make the flow meter in practice, the thermal contacts must be bonded to the thermoelectric junctions. To simulate the adhesive, a layer 10 μm thick was provided on the upper face of the plated electrodes.
Pour valider les résultats de simulation, on a utilisé trois fluxmètres comportant des cellules de longueurs respectives de 2, 3 et 5 mm en maintenant constantes pour chaque réalisation les longueurs relatives de chacun des matériaux constituant la cellule. La figure 5 montre que les sensibilités mesurées correspondant aux trois points A1, A2 et A3 varient comme la sensibilité simulée correspondant à la courbe ce qui valide la méthode de simulation. Sur le graphe de la figure 5, la longueur en mm des cellules est portée en abscisse et le signal en pV en ordonnée.To validate the simulation results, three flowmeters were used, comprising cells of respective lengths of 2, 3 and 5 mm, keeping the relative lengths of each of the materials constituting the cell constant for each embodiment. Figure 5 shows that the measured sensitivities corresponding to the three points A1, A2 and A3 vary like the simulated sensitivity corresponding to the curve, which validates the simulation method. In the graph in FIG. 5, the length in mm of the cells is plotted on the abscissa and the signal in pV on the ordinate.
Partant de ce modèle de base, validé expérimentalement, on fait varier plusieurs paramètres de façon à démontrer que la structure de base est optimisée.Starting from this basic model, validated experimentally, we vary several parameters so as to demonstrate that the basic structure is optimized.
La pile thermo-électrique étant recouverte d'une épaisseur de colle de 10 ,um simulant l'adhésif, la largeur du contact thermique étant maintenue constante et égale à 20 % de la longueur de la cellule, on déplace la position du contact thermique suivant la largeur de la cellule. La courbe de simulation de la figure 6 montre que la sensibilité maximale est obtenue pour une position du contact thermique située à 20 % de l'origine de la cellule. Sur ce graphe, le signal en pV est porté en ordonnée et le rapport ec/Lc, soit la longueur ec de l'espace vide par rapport à la longueur Lc de la cellule (voir figure 3), est porté en abscisse. Expérimentalement, la sensibilité a été mesurée pour trois positions du contact thermique successivement placé à des positions relatives de 20 %, 25 %, 50 % correspondant sur le graphe aux trois points B1, Bz et B3 par rapport à la longueur de la cellule. La correspondance entre les variations de sensibilité simulée et observée expérimentalement confirme la validation du programme de simulation et montre clairement l'intérêt de positionner le contact thermique sur l'une des jonctions thermo-électriques à une longueur relative de '15 % à partir de l'origine de la cellule. De ce point de vue, la cellule de base parait optimisée.The thermoelectric cell being covered with a thickness of glue of 10 μm simulating the adhesive, the width of the thermal contact being kept constant and equal to 20% of the length of the cell, the position of the following thermal contact is moved the width of the cell. The simulation curve of FIG. 6 shows that the maximum sensitivity is obtained for a position of the thermal contact located at 20% of the origin of the cell. On this graph, the signal in pV is plotted on the ordinate and the ratio ec / Lc, that is to say the length ec of the empty space with respect to the length Lc of the cell (see FIG. 3), is plotted on the abscissa. Experimentally, the sensitivity was measured for three positions of the thermal contact successively placed at relative positions of 20%, 25%, 50% corresponding on the graph to the three points B1, Bz and B3 relative to the length of the cell. The correspondence between the variations in simulated sensitivity and observed experimentally confirms the validation of the simulation program and clearly shows the advantage of positioning the thermal contact on one of the thermoelectric junctions at a relative length of '15% from l origin of the cell. From this point of view, the basic cell seems optimized.
En partant de la configuration de base, on a fait varier la longueur du contact thermique entre 2 et 40 % de la longueur de la cellule.Starting from the basic configuration, the length of the thermal contact was varied between 2 and 40% of the length of the cell.
La courbe de simulation représentée par la figure 7 montre que les sensibilités les plus importantes sont obtenues pour des contacts thermiques de très faible longueur, plus précisément pour une longueur relative rapportée à la longueur de la cellule qui peut être comprise entre 2 et 15 % de la longueur de la cellule. En fait, le contact thermique a également un rôle mécanique puisqu'il assure la liaison entre le circuit thermo-électrique et la feuille métallique couvrant le capteur. Pour assurer sa rigidité mécanique, on choisit, de préférence, la plus grande longueur du contact thermique (20 % de la longueur totale) compatible avec une bonne sensibilité
(supérieure à 2000 RV/W). Sur ce graphe, on a porté en ordonnée le signal en IlV et en abscisse le rapport de la longueur L cale (voir figure 3) à la longueur Lc de la cellule.The simulation curve represented by FIG. 7 shows that the most important sensitivities are obtained for thermal contacts of very short length, more precisely for a relative length compared to the length of the cell which can be between 2 and 15% of the length of the cell. In fact, the thermal contact also has a mechanical role since it ensures the connection between the thermo-electric circuit and the metal sheet covering the sensor. To ensure its mechanical rigidity, the longest thermal contact is preferably chosen (20% of the total length) compatible with good sensitivity
(greater than 2000 RV / W). On this graph, we have plotted on the ordinate the signal in IlV and on the abscissa the ratio of the length L wedge (see FIG. 3) to the length Lc of the cell.
Le contact thermique a pour rôle essentiel de favoriser l'échange de chaleur entre l' une des jonctions thermo-électriques et la feuille métallique supérieure recouvrant le capteur. La hauteur du contact thermique qui génère la dissymétrie des échanges entre les jonctions thermo-électriques et leur environnement a une influence prédominante sur la sensibilité du fluxmètre. La figure 8 illustre les variations de sensibilité simulées en fonction de la hauteur du contact thermique supposé variable entre 50 et 200 llm. Cette hauteur H en Fm est portée en abscisse et le signal en IlV est porté en ordonnée sur le graphe de la figure 8.The essential role of thermal contact is to promote the exchange of heat between one of the thermoelectric junctions and the upper metal sheet covering the sensor. The height of the thermal contact which generates the dissymmetry of the exchanges between the thermoelectric junctions and their environment has a predominant influence on the sensitivity of the fluxmeter. FIG. 8 illustrates the variations in sensitivity simulated as a function of the height of the thermal contact assumed to be variable between 50 and 200 μm. This height H in Fm is plotted on the abscissa and the signal in IlV is plotted on the ordinate on the graph of FIG. 8.
Cette simulation montre que l'augmentation de hauteur n'a plus d'influence appréciable à partir de 125 im. L'objectif étant de construire un capteur de faible épaisseur, une épaisseur de 50 llm est particulièrement avantageuse puisqu'elle permet d'assurer à la fois une bonne stabilité mécanique et une sensibilité suffisante pour la plupart des applications.This simulation shows that the increase in height no longer has any appreciable influence from 125 im. The objective being to build a thin sensor, a thickness of 50 μm is particularly advantageous since it makes it possible to ensure both good mechanical stability and sufficient sensitivity for most applications.
Ayant défini les dimensions géométriques des contacts thermiques assurant la dissymétrie des échanges thermiques, on peut reprendre le problème de l'optimisation des dimensions des cellules de la pile thermo-électrique.Having defined the geometrical dimensions of the thermal contacts ensuring the asymmetry of the heat exchanges, we can resume the problem of optimizing the dimensions of the cells of the thermoelectric cell.
La figure 9 représente les résultats de simulation de la sensibilité en fonction de la longueur de 1' électrode plaquée, normalisée par rapport à la longueur totale de la cellule. En abscisse, on a porté le rapport
Le/Lc, c' est-à-dire la longueur de l'électrode par rapport à la longueur de la cellule. Suivant ces résultats, la sensibilité est maximale et légèrement inférieure à 9000 p1V/W pour des électrodes plaquées couvrant 65 % de la longueur totale de la cellule. Une longueur de 70 % réalisée dans la configuration de base correspond à une sensibilité très proche de la valeur maximale.FIG. 9 represents the results of simulation of the sensitivity as a function of the length of the plated electrode, normalized with respect to the total length of the cell. On the abscissa, we have drawn the report
The / Lc, that is to say the length of the electrode relative to the length of the cell. According to these results, the sensitivity is maximum and slightly less than 9000 p1V / W for plated electrodes covering 65% of the total length of the cell. A length of 70% achieved in the basic configuration corresponds to a sensitivity very close to the maximum value.
La courbe représentant la sensibilité en fonction de l'épaisseur du support Es portée en abscisse est représentée par la figure 10. La courbe E1 illustre ces résultats de simulation qui montrent que dans le domaine des faibles épaisseurs, soit jusqu'à 100 ,um en pratique la sensibilité augmente de façon sensiblement linéaire et tend à se stabiliser pour des épaisseurs supérieures à 100 llm. On a donc intérêt à utiliser un support aussi épais que possible.The curve representing the sensitivity as a function of the thickness of the support Es plotted on the abscissa is represented by FIG. 10. The curve E1 illustrates these simulation results which show that in the area of small thicknesses, ie up to 100 μm in in practice, the sensitivity increases substantially linearly and tends to stabilize for thicknesses greater than 100 μm. It is therefore advantageous to use a support as thick as possible.
Par contre, si l'on représente la sensibilité rapportée à l'unité d'épaisseur, en fonction de l'épaisseur du support on obtient une courbe E2 qui passe par un maximum pour un support de 80 llm d'épaisseur. L'épaisseur du support de la structure de base du fluxmètre correspond à cette épaisseur caractéristique.On the other hand, if one represents the sensitivity compared to the unit of thickness, according to the thickness of the support one obtains a curve E2 which passes by a maximum for a support of 80 llm of thickness. The thickness of the support of the basic structure of the flow meter corresponds to this characteristic thickness.
Dans toutes les simulations précédentes, une couche d'épaisseur 10 ,um a été supposée simuler l'adhésif utilisé pour maintenir le contact thermique et mécanique entre la partie supérieure du fluxmètre et la pile thermo-électrique. Pour bien déterminer l'influence de la technique du collage sur la sensibilité du capteur, on suppose que les espaces vides du fluxmètre sont partiellement remplis d'adhésif.In all the previous simulations, a layer of thickness 10 μm was assumed to simulate the adhesive used to maintain the thermal and mechanical contact between the upper part of the flow meter and the thermoelectric cell. To properly determine the influence of the bonding technique on the sensitivity of the sensor, it is assumed that the empty spaces of the flow meter are partially filled with adhesive.
Les résultats de simulation sont représentés par la figure 11. Ils montrent que la sensibilité de la pile thermo-électrique dépend relativement peu du remplissage des espaces vides du fluxmètre à l'aide de colle ou d'adhésif. Pour un remplissage de 50 % en épaisseur, la diminution de sensibilité n'est que de 10 %. Une sensibilité de 2000 IlV/W est encore obtenue lorsque les espaces vides sont entièrement remplis par l'adhésif. Ce résultat peut être interprété comme étant dû à la grande différence entre les conductivités thermiques du contact thermique et de l'adhésif. The simulation results are represented in FIG. 11. They show that the sensitivity of the thermoelectric cell depends relatively little on the filling of the empty spaces of the flow meter with the aid of glue or adhesive. For a filling of 50% in thickness, the decrease in sensitivity is only 10%. A sensitivity of 2000 IlV / W is still obtained when the empty spaces are completely filled with the adhesive. This result can be interpreted as being due to the large difference between the thermal conductivities of the thermal contact and of the adhesive.
Ces résultats sont intéressants en pratique puisqu'ils montrent que la sensibilité du capteur dépend peu de la méthode de collage de la partie supérieure du capteur sur la pile thermo-électrique.These results are interesting in practice since they show that the sensitivity of the sensor depends little on the method of bonding the upper part of the sensor to the thermoelectric stack.
Dans tous les résultats de simulation précédents, l'épaisseur du ruban continu de la pile thermo-électrique a été supposée égale à 25 llm, ce qui correspond à l'épaisseur disponible en pratique. Pour miniaturiser les dimensions, il faut partir d'un laminé de plus faible épaisseur. Les variations de sensibilité provoquées par une diminution de toutes les dimensions dans le même rapport sont représentées par la figure 12. On a porté en abscisse l'échelle de réduction entre 0 et 1
On notera que pour réaliser l'élément de contact supérieur 15 du fluxmètre thermique selon la figure 2, et notamment les protubérances 17 de cet élément, on peut utiliser des techniques d'emboutissage qui sont relativement économiques, mais également la photogravure ou tout autre procédé adéquat.In all of the previous simulation results, the thickness of the continuous strip of the thermoelectric cell was assumed to be 25 μm, which corresponds to the thickness available in practice. To miniaturize the dimensions, it is necessary to start with a laminate of smaller thickness. The variations in sensitivity caused by a decrease in all the dimensions in the same ratio are shown in FIG. 12. The reduction scale has been plotted on the abscissa between 0 and 1
It will be noted that in order to produce the upper contact element 15 of the thermal flux meter according to FIG. 2, and in particular the protrusions 17 of this element, it is possible to use stamping techniques which are relatively economical, but also photoengraving or any other method. adequate.
La figure 13 représente une vue partielle en perspective éclatée d'un fluxmètre du type radiatif, qui dérive du fluxmètre précédent par le fait que l'élément de contact 16 constitué par une surface métallique pourvue de protubérances est remplacé par un élément de contact constitué par une feuille isolante 26 pourvue d'un ensemble discret de réflecteurs 27, cette feuille étant disposée sur la surface supérieure de la pile thermo-électrique à électrodes plaquées 28 identique à celle représentée p FIG. 13 represents a partial exploded perspective view of a flux meter of the radiative type, which derives from the preceding flux meter by the fact that the contact element 16 constituted by a metal surface provided with protuberances is replaced by a contact element constituted by an insulating sheet 26 provided with a discrete set of reflectors 27, this sheet being arranged on the upper surface of the thermoelectric cell with plated electrodes 28 identical to that shown p
La force électromotrice mesurée dépend du bilan radiatif sur la seul face supérieure. La face intérieure supportant le circuit thermoélectrique ne joue aucun rôle dans le fonctionnement du circuit. En pratique, l'épaisseur du support est ajustée à une valeur telle que la résistance thermique représentative des échanges par conduction tangentielle dans les matériaux du fluxmètre entre jonctions thermoélectriques, soit égale à la résistance thermique du milieu environnant entre jonctions thermo-électriques de façon à limiter le bruit dû aux échanges convectifs entre jonctions thermo-électriques.The electromotive force measured depends on the radiation balance on the upper side alone. The inner face supporting the thermoelectric circuit plays no role in the operation of the circuit. In practice, the thickness of the support is adjusted to a value such that the thermal resistance representative of the exchanges by tangential conduction in the materials of the fluxmeter between thermoelectric junctions, is equal to the thermal resistance of the surrounding medium between thermoelectric junctions limit the noise due to convective exchanges between thermoelectric junctions.
Une des applications possibles est la mesure à distance des variations des températures radiantes. Pour cette application, il suffit de disposer dans le plan du circuit thermo-électrique du capteur un thermocouple plaqué de façon à connaître à chaque instant la température de la surface active du capteur et le bilan des échanges radiatifs dans le plan du capteur. La connaissance simultanée de ces deux grandeurs permet de déterminer, en effectuant la somme pondérée, une information représentative de la température radiante vue par la surface active du fluxmètre radiatif.One of the possible applications is the remote measurement of variations in radiant temperatures. For this application, it suffices to have a thermocouple plated in the plane of the thermoelectric circuit of the sensor so as to know at all times the temperature of the active surface of the sensor and the balance of the radiative exchanges in the plane of the sensor. The simultaneous knowledge of these two quantities makes it possible to determine, by carrying out the weighted sum, information representative of the radiant temperature seen by the active surface of the radiative fluxmeter.
L'association d'un fluxmètre radiatif et d'un capteur déterminant la température de surface de son plan de mesure permet de détecter sans contact les variations de la température radiante du milieu environnant.The combination of a radiative fluxmeter and a sensor determining the surface temperature of its measurement plane enables contactless detection of variations in the radiant temperature of the surrounding medium.
Lorsque le capteur est utilisé seul, la grandeur obtenue est représentative de la température radiante vue sous un angle de 2n radians par la surface active du capteur.When the sensor is used alone, the quantity obtained is representative of the radiant temperature seen at an angle of 2n radians by the active surface of the sensor.
Lorsque le capteur est utilisé avec une optique de concentration, la surface active est soumise au rayonnement thermique en provenance de la surface visée par le système optique constitué par une lentille transparente aux infrarouges ou une parabole réfléchissante. Un tel dispositif permet donc de détecter les variations de la température de surface. Il faudra toutefois tenir compte du coefficient d'émissivité de la surface pour comparer les mesures ainsi obtenues. When the sensor is used with a concentration optic, the active surface is subjected to thermal radiation from the surface targeted by the optical system consisting of a lens transparent to infrared or a reflective parabola. Such a device therefore makes it possible to detect variations in the surface temperature. However, the emissivity coefficient of the surface must be taken into account to compare the measurements thus obtained.
Une autre application consiste à procéder à la mesure de températures d'une surface sans réglage d'émissivité. Pour ce type d'application, une résistance chauffante est collée sur la face arrière du fluxmètre radiatif. Cette résistance qui permet de faire varier la température de la surface active du fluxmètre est ajustée de façon à annuler le bilan des échanges radiatifs proportionnels à T14 - T24 T1 étant la température à mesurer et T2 la température du capteur.Another application consists in measuring the temperatures of a surface without adjusting the emissivity. For this type of application, a heating resistor is bonded to the rear face of the radiative fluxmeter. This resistance which makes it possible to vary the temperature of the active surface of the fluxmeter is adjusted so as to cancel the balance of the radiative exchanges proportional to T14 - T24 T1 being the temperature to be measured and T2 the temperature of the sensor.
A l'équilibre radiatif T1 = T2, la mesure de la température du capteur donne T1. La mesure n'est pas influencée par les échanges convectifs entre le capteur et son environnement.At the radiation equilibrium T1 = T2, the measurement of the temperature of the sensor gives T1. The measurement is not influenced by the convective exchanges between the sensor and its environment.
La température de surface T1 est mesurée à distance - quel que soit le pouvoir émissif de S1, - quels que soient les échanges par convection entre la surface Si et l'air environnant.The surface temperature T1 is measured remotely - whatever the emissivity of S1, - whatever the convection exchanges between the surface Si and the surrounding air.
Un capteur de température à distance comporte donc un fluxmètre radiatif, un capteur de température de surface et une résistance chauffante collée au dos du capteur.A remote temperature sensor therefore comprises a radiative fluxmeter, a surface temperature sensor and a heating resistor bonded to the back of the sensor.
Le capteur est adapté aux mesures des températures de surface en mouvement : tôle en cours de laminage ou de traitement thermique, cylindre de laminoir, parois de fours rotatifs, feuilles de verre en cours d'étirage. Lorsque les surfaces S1 et S2 sont voisihes, c'est-àdire distantes de quelques cm, le couplage radiatif est suffisant pour obtenir une bonne précision de mesure (0, 10C). The sensor is suitable for measuring surface temperatures in motion: sheet during rolling or heat treatment, rolling mill cylinder, walls of rotary ovens, glass sheets during drawing. When the surfaces S1 and S2 are adjacent, that is to say apart from a few cm, the radiative coupling is sufficient to obtain good measurement accuracy (0, 10C).
Pour les mesures à distance plus importantes, on utilise une optique de concentration sur la surface active du capteur, par exemple une surface réfléchissante telle qu'un miroir parabolique, et on place le capteur au foyer de ce miroir.For larger distance measurements, a focusing optic is used on the active surface of the sensor, for example a reflecting surface such as a parabolic mirror, and the sensor is placed at the focus of this mirror.
Le fluxmètre décrit ci-dessus peut en outre être combiné avec un thermocouple réalisé selon la même technologie. Les figures 14 à 16 représentent des vues partielles d'un tel dispositif combiné. The flowmeter described above can also be combined with a thermocouple produced using the same technology. Figures 14 to 16 show partial views of such a combined device.
La figure 14 représente le dispositif en perspective. Un thermocouple 50 est disposé entre deux rangées adjacentes du ruban 12 de la pile thermo-électrique 10. Ce thermocouple comporte un premier élément composé d'une branche linéaire 51 en constantan associée à un anneau de cuivre 52. Un orifice central 53 permet la soudure de ces deux éléments. L'élément de contact thermique 15 est réalisé à partir d'une feuille laminée composite cuivre-kapton-cuivre ou cuivre-verre époxycuivre. Les protubérances en cuivre 17 sur la face inférieure de cet élément sont réalisées par gravure chimique.Figure 14 shows the device in perspective. A thermocouple 50 is disposed between two adjacent rows of the strip 12 of the thermoelectric cell 10. This thermocouple comprises a first element composed of a linear branch 51 in constantan associated with a copper ring 52. A central orifice 53 allows the welding of these two elements. The thermal contact element 15 is produced from a laminated sheet of copper-kapton-copper or copper-epoxy-copper glass. The copper protrusions 17 on the underside of this element are produced by chemical etching.
La figure 15 représente une vue de dessus de la pile thermoélectrique 10.FIG. 15 represents a top view of the thermoelectric cell 10.
La figure 16 représente une vue de dessous de l'élément de contact thermique 15. Elle montre en particulier un deuxième élément 54 en cuivre du thermocouple.FIG. 16 represents a bottom view of the thermal contact element 15. It shows in particular a second copper element 54 of the thermocouple.
On notera que dans la réalisation des figures 14 à 16 l'élément de contact thermique supérieur 15 est réalisé au moyen d'un matériau composite alors que dans les réalisations précédentes il était réalisé au moyen d'une feuille métalliques. I1 est évident que cet élément de contact peut également être réalisé à partir d'une feuille composite dans le cadre des réalisations décrites en référence aux figures 1 à 13.It will be noted that in the embodiment of FIGS. 14 to 16, the upper thermal contact element 15 is produced by means of a composite material whereas in the previous embodiments it was produced by means of a metal sheet. It is obvious that this contact element can also be produced from a composite sheet in the context of the embodiments described with reference to FIGS. 1 to 13.
La présente invention n' est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ici, mais s'étend à toute modification ou variante évidente pour l'homme de l'art. The present invention is not limited to the exemplary embodiments described here, but extends to any modification or variant obvious to those skilled in the art.
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