FR2704979A1 - Procédé de réalisation d'un fluxmètre thermique et fluxmètre thermique obtenu selon ce procédé. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un fluxmètre thermique comportant un ensemble de cellules fluxmétriques. Ce fluxmètre ou capteur (20) comporte un ensemble de cellules fluxmétriques (14) et est réalisé par l'adjonction à une pile thermoélectrique (10) à électrodes plaquées (13), d'un élément de contact thermique supérieur (15) et d'un élément de contact inférieur (16). L'élément de contact supérieur (15) est pourvu de protubérances (17), de préférence réalisées par emboutissage d'une feuille de cuivre, ou éventuellement par gravure chimique d'une plaque de cuivre d'un matériau composite. Ce fluxmètre est utilisé pour mesurer des flux et des températures à distance.

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.

Elle concerne également un fluxmètre thermique fabriqué selon ce procédé.

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.

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.

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.

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.

De préférence, lesdites protubérances sont réalisées par emboutissage.

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.

L'on peut associer à cette structure de base un second élément de contact thermique fixé contre la face inférieure de la pile thermoélectrique.

Dans cette variante, ledit second élément de contact est constitué d' une feuille recouvrant intégralement la face inférieure de la pile thermo-électrique.

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.

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.

Lesdites protubérances peuvent être réalisées par emboutissage.

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.

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.

De préférence, ledit second élément de contact est constitué d'une feuille recouvrant intégralement la face inférieure de la pile thermoélectrique.

Dans une autre forme de réalisation le fluxmètre peut comporter au moins un thermocouple disposé entre des rangées adjacentes du ruban.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Ces structures planaires ont l'avantage de pouvoir également être miniaturisées et réalisées en utilisant les techniques de fabrication des microcircuits sur couches minces.

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.

Une de ces applications consiste à réaliser un capteur, appelé fluxmètre thermique, ce procédé et ce capteur constituant les objets de la présente 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

La figure 4 montre une vue en perspective de cet élément de contact thermique 15 pourvu des protubérances 17 disposées en quinconce.

Dans la pratique, cet élément est avantageusement réalisé par emboutissage.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Partant de ce modèle de base, validé expérimentalement, on fait varier plusieurs paramètres de façon à démontrer que la structure de base est optimisée.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

La figure 15 représente une vue de dessus de la pile thermoélectrique 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.

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.

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.

Claims (17)

REVENDICATIONS

1. Procédé de réalisation d'un fluxmètre thermique comportant un ensemble de cellules fluxmétriques, caractérisé en ce que l'on utilise 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 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 thermoélectrique.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 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.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites protubérances sont réalisées par emboutissage.

4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément de contact thermique est réalisé à partir d'une feuille laminée composite, notamment d' un laminé cuivre-verre époxy-cuivre ou cuivre-kapton-cuivre.

5. Procédé selon les revendications 2 et 4, caractérisé en ce que les protubérances sont réalisées par gravure chimique sur la face inférieur de la feuille laminée composite.

6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on grave des lignes délimitant chaque cellule fluxmétrique sur la face supérieure de la feuille laminée composite.

7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on associe à cette structure de base un second élément de contact thermique fixé contre la face inférieure de la pile thermo-électrique.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit second élément de contact est constitué d' une feuille recouvrant intégralement la face inférieure de la pile thermo-électrique.

9. Fluxmètre thermique obtenu selon le procédé de la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part une structure de base constituant une pile thermo-électrique (10) à électrodes plaquées, comprenant un support isolant (11), un ruban continu (12) en un matériau semi-conducteur et un ensemble discret d'électrodes plaquées (13) disposées sur ledit ruban continu, et d'autre part au moins un élément de contact thermique (15) fixé contre la surface supérieure de ladite pile thermo-électrique.

10. Fluxmètre thermique selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit élément de contact thermique (15) est constitué d'une feuille métallique pourvue de protubérances (17), ces protubérances étant en contact thermique avec une des jonctions de chacune des électrodes plaquées (13) de ladite pile thermo-électrique.

11. Fluxmètre thermique selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdites protubérances (17) sont réalisées par emboutissage.

12. Fluxmètre thermique selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit élément de contact thermique (15) comporte une feuille laminée composite, notamment un laminé cuivre-verre époxy-cuivre ou cuivre-kapton-cuivre.

13. Fluxmètre thermique selon les revendications 10 et 12, caractérisé en ce que la face inférieure de la feuille laminée composite comporte des protubérances réalisées par gravure chimique.

14. Fluxmètre thermique selon la revendication 12, caractérisé en ce que la face supérieure de la feuille laminée composite comporte des figures gravées délimitant chaque cellule fluxmétrique (14).

15. Fluxmètre thermique selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un second élément de contact thermique (16) fixé contre la face inférieure de la pile thermo-électrique.

16. Fluxmètre thermique selon la revendication 15, caractérisé en ce que ledit second élément de contact (16) est constitué d'une feuille recouvrant intégralement la face inférieure de la pile thermoélectrique.

17. Fluxmètre thermique selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un thermocouple (50) disposé entre des rangées adjacentes du ruban (12).