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11
François LANZETTA
Institut FEMTO-ST, CNRS UMR 6174, Département CRESTUniversité de Franche-comté
Parc technologique – 2 avenue Jean Moulin – 90000 Belfort - France
MESURE DE TEMPÉRATURE À L’AIDE DE MICRO THERMOCOUPLES : PRINCIPE, CHOIX TECHNOLOGIQUES ET MODES D’IMPLANTATIONS
http://www.femto-st.fr
Journée « Mesure de température »Salon Mesurexpo, Paris-Expo, Porte de Versailles,
Hall 7, Salle PHOENIXMardi 17 octobre 2006
f0.8 mm
f7,6 µm f12,7 µm
Institut FEMTO-STDept. CREST
22
Plan de l’exposé
1 – Introduction
2 – Les thermocouples
3 – Du thermocouple au microthermocouple3.1 – Conception d’une sonde
4.1 – Mesures statiques
3.2 – Des capteurs pour différentes applications
4 – Incertitudes de mesure : quelques exemples
4.2 – Mesures dynamiques
5 – Allons plus loin : mesure de T et V dans un écoulement
6 – Conclusion
33
1 - Introduction
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
Qu’est-ce que la température ?
Vie de tous les jours :Grandeur physique liée à la notion immédiate de chaud et froid
Physique statistique :Manifestation, à l'échelle macroscopique, du mouvement des atomes et des molécules. Elle est directement liée à l'énergie cinétique moyennedes constituants microscopiques de la matière.
Thermodynamique :La température est une variable d'état intensive. Sa valeur détermine, avec celle de la pression, l'état des corps purs.
44
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
Comment mesurer une température ?
Instrument = thermomètre
Intrument dont une propriété caractéristique est fonction d’une seulegrandeur, la “température” telle que nos sens permettent d’appréhender.
Histoire du thermomètre, l’aventure commence…
- Sanctorius, 1612, thermomètre médical (travaux de Galilée)- Ole Roemer, 1702, thermomètre à alcool- Fahrenheit , 1717, thermomètre au mercure- Réaumur, 1730, amélioration du thermomètre à alcool- Celsius, 1742, thermomètre au mercure 0° - 100°
55
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
Mesure de température
Méthodesoptiques
Méthodesspectroscopiques
Thermomètresà résistances Thermocouples
Comment mesurer une température ?
66
2 – Les thermocouples
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
L’effetL’effet SeebeckSeebeck estest la la combinaisoncombinaison de de deuxdeuxautresautres phénomènesphénomènes : les : les effetseffets Thomson et Thomson et PeltierPeltier
Thomson a Thomson a observéobservé l’existencel’existence d’uned’une fem fem due au contact de due au contact de deuxdeux matériauxmatériaux différentsdifférentsàà uneune températuretempérature donnéedonnée..
PeltierPeltier a a découvertdécouvert qu’unqu’un gradient de gradient de températuretempérature le long d’un le long d’un conduteurconduteur étaitétaitgénérateurgénérateur d’uned’une fem.fem.
En, 1821 T.J. En, 1821 T.J. SeebeckSeebeck observe observe l’existencel’existence d’uned’une force force électromotriceélectromotrice (fem) (fem) àà la la jonctionjonction forméeformée par par deuxdeux métauxmétauxdifférentsdifférents soumissoumis àà uneune différencedifférence de de températuretempérature (T(T11 –– TT22) ) ((effeteffet SeebeckSeebeck))
fem
77
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
Effet Seebeck et thermocouples
Material
BismuthConstantanNickelAlumelPaladiumPlatinumCarbonAluminiumTungstenIrridiumRhodiumSilverCopperGoldMolybdenTitaniumIronChromiumChromelAntimoine
µV/°C @ 0 °CSeebeck coefficient
-76.5-37.3-19.5-17.3
-9-4.5-1.5-1
0.111
1.41.71.8
21.742.5
4.77.512.718.5
Antimoine/Bismuth
S = 42.5-(-76.5) = 119 µV/°C @ 0 °C
Chromel/Alumel (Type K)
S = 21.7-(-17.3) = 39 µV/°C @ 0 °C
88
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
applications cryogéniques0,5% à
0,4%1% à
0,75%38,75 µV à 0°C-270 à 400°CConstantanCuivreT
applications hautes températures ; résiste
à l'oxydation
0,6% 0,6% àà0,1%0,1%
1,5% à0,25%10,21 µV à 600°C-50 à 1768°CPlatine
Platine10%
RhodiumS
le plus utilisé du fait de sa large gamme
de température, supporte une
atmosphère oxydante
1,1% à0,2%
2,2% à0,75%39,45 µV à 0°C-270 à 1372°CAlumelChromelK
pour atmosphèreréductrice (industrie
du plastique...)
1,1% à0,4%
2,2% à0,75%50,38 µV à 0°C-210 à 1200°CConstantanFerJ
CommentaireErreurmini
Erreurstandard
Coef. Seebeckα (µV/°C) à T°C
LimitesthéoriquesMétal B (-)Métal A (+)Type
Thermocouples du commerce
99
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
Thermocouples du commerce
1010
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
3 – Du thermocouple au microthermocouple
Fluctuations de température
Mesures locales
Thermocouples de très faibles dimensions
- Type S : Platine/Platine-Rhodié 10% : 6 µV/°C à 20 °C
- diamètres = 0.5 µm ; 1.27 µm et 5 µm
- Type K : Chromel/Alumel : 40 µV/°C à 20 °C
- diamètres = 7.6 µm ; 12.7 µm ; 25.4 µm ; 50 µm
Résolutions spatiale et temporelle !!!
Fragilité !!!
1111
jonction
Céramique 2 trous
Thermocouple
Type S
φ 1.27 µm
6 µV/°C à 20 °Csonde
3.1 Conception 3.1 Conception d’uned’une sondesonde
Soudure des fils A et B réalisée par
décharge capacitive
tension : 0 - 250 V
capacité : 0 - 5 µF
A
B
1212
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
Type K : 12.7 µm
Type K 25 µm soudé sur tube inox
Type S 5 µm
S type 0.5 µm
3.2 3.2 -- Des Des capteurscapteurs pour pour différentesdifférentes applicationsapplications
1313
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
Thermocouple en fils + jonction chaude en film d’or
Fils type K : diam = 12,7 µmJonction chaude = film d’or
fils
Jonction chaude = film d’or
Mesure de température de surface
Température de surface
1414
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
N2
Type K 25 µmLongueur = 50 mmsection = 200 µm X 200 µm
Mesure de température de fluide au sein d’un microcanal
Application en microfluidique
1515
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
4 – Incertitudes de mesure : quelques exemples4.1 – Mesures statiques
Température de paroi
1s c
s
T TT AT Ts A∆ −
= =+
( )1 2a
a
dA hpsS
λ λλ
= +
Incertitude relative
s, p,
T(x)
fils dethermocouple
TcTS
Surface
Résistance contact : da, S,
1λ 2λ
aλ
0 20 40 60 80 1000
.01
.02
.03
.04
.05
.06
.07
∆T/T
Diamètre thermocouple (µm)
12 µm
25 µm
50 µm
100 µm
1616
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
Fils de thermocouple traversant des isothermes
L = 1m
Gazh =80 W/m 2°C
Thermocouple Cuivre/Constantan φ fils = 0.2 mm
φ soudure = 1 mm
Thermocouple Cuivre/Constantan φ fils = 0.2 mm
φ soudure = 1 mm
MesureTc = 300 °C ??
L = 1m
Tg = ?Tg=?
Gazh =80 W/m 2°C
T0 = 20 °C
Indication de la sonde Tc = 300 °C : Est-ce la bonne température du gaz ?
Pertes par conduction le long des fils : Tg = 316 °C !!
0 0filsoudure C g Cu Constantan C
ShS (T T ) ( ) (T T )
Lλ λ− + + − =
Bilan thermique le long des fils
1717
Bilan thermique :- convection dans la couche limite entourant le thermocouple- conduction le long des fils- rayonnement entre la surface du capteur et les parois- autres flux thermiques : chauffage interne par effet Joule, chauffage
externe par autre source (laser par exemple), réaction chimique, …
4.2 – Mesures dynamiques
Thermocouple type KDiamètre = 50 µm
fil A fil B
Jonction Tth
Rayonnement Convection
Conduction
TgFluide ambiant
x
Conduction
Fil A
Fil B
Jonction
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
1818
( )
( ) ( )
−
−+−−
∂
∂+−=
∂∂
2
2
L4
g4
thth
2th
22
ththggth
2
thth
ax2exp
2aderfP
aR12dTT)T(
x
T4d
TTNut
T4d
c
ππεσ
πλπλ
πρ
Flux externe (par exemple laser)
Rayonnement
ConductionConvectionAccumulé
Bilan thermique
critère
L/d > 200
Tg = 60 °C max Pas iciASME ATI Conference – Milan Italy – May 14th/17th 2006
1919
Fréquence de coupurec
1f 2 c vπ τ=
tT
TT thcvthg ∂
∂τ+=
( )thggth
2
thth TTNut
T4d
c −=∂
∂πλ
πρ
Bilan thermique intégrantuniquement la convection !!
ASME ATI Conference – Milan Italy – May 14th/17th 2006
−=
−
−
cvig
thg texpTT
TT
τ
Tth
Ti
t (s)
Tg
T (°C)
Réponse = 1er ordre
Echelon de température
τcv
63%
Constante de tempsh4
dcNu4
dc thth
g
2thth
cv
ρλ
ρτ ==
2020
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
Constante de temps ?
( )ε−⋅τ=ε ln6.4%)(t r
Temps de réponse tr (s)
37%ε = 37rt ( %) τ=
Réponse à 63 %
Détermination expérimentale de la constante de temps
- Caractérisation convective
- Caractérisation radiative
2121
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
TMIN
AmplificateurThermocouple
Oscilloscopenumérique
Fluide chaud
Fluide froid
X 1000
Signal periodique
échelonouRéférence
Chopper
20
30
40
50
60
70
80
90
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09
time (s)
TMAX = 78 °C
TMIN = 25.5 °C
Tth min = 40 °C
Tth max = 60 °C°C
ϑresp = th + t c = 0.027 s
th = 0.0125 s tc =0.0145 s τh = 15.2 ms
τc = 18.0 ms
Caractérisation convective
Vitesse de l’air : 13 m.s-1 Vitesse de l’air : 23 m.s-1 Diamètre de jonction d (µm) τcv (ms) fc (Hz) τcv (ms) fc (Hz)
0.5 – – – – S 1.27 – – – – 5 2.9 55 2.2 72 7.6 7.1 22.4 4.1 39 12.7 15.2 10.5 8.5 18.7
K 25.4 20 8 17 9.4 50 32 5 25 6.4
2222
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
Caractérisation radiative
Enceinte
Laser Argon (2 W)
Cube séparateur
Télescope
1480 Hz
Hz 100 Hz MHzkHz
Chopper
Capteur
Photodetecteur
Commande du chopper Oscilloscope
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 temps (s)
Réponse adimensionnelle
Thermocouple 50 µm
Thermocouple 25.4 µm
Thermocouple 12,7 µm
Diamètre de jonction d (µm)
Constante de temps radiative τrad (ms)
Fréquence de coupure fc (Hz)
0.5 0.07 2274 S 1.27 0.18 884 5 1.3 123 7.6 3.5 46
K 12.7 8.5 19 25.4 34 5 50 64.5 2.5
2323
5 – Allons plus loin : mesure de T et V dans un écoulement
fd1 fd2 > d1
Débit gaz V(t) , Tg(t)
Tg1(t) Tg2(t)
t (s)
T (°C)
4th thc d
hρτ =Réponse dynamique caractérisée par
11 1 1
thg th
dTT Tdt
τ= +
Thermocouple 1
22 2 2
thg th
dTT Tdt
τ= +
Thermocouple 2
mm211 VdK −−=τ mm2
22 VdK −−=τ
m2
2
1
2
1
dd −
==
ττ
α4
mth thcK
Aρ ρ
λ µ
−
=
7.0m3.0 ≤≤
RemNu A=
h Nu→
2424
Détermination de la vitesse et de la températureReconstruction des signaux1
- Enregistrement de Tg1 and Tg2
- Données filtrées
( )
( ) ( )
2 222 21 2
2 1 1 21 1 1
1 2 1 21 2 1 2 2 1 1 2
1 1 1
12 2 2
i iN N Ni i th th
th thi i i
i i i iN N Ni i i ith th th th
th th th thi i i
dT dTT Tdt dt
e dT dT dT dTN T T T Tdt dt dt dt
τ τ
τ τ τ τ
= = =
= = =
− + + = − − + − −
∑ ∑ ∑
∑ ∑ ∑
- Time constants and are estimated by minimizing the time averagedifference between Tg1 and Tg2
1τ 2τ
( )2N
1i
i1g
i2g TT
N1e ∑
=
−= 11 1 1
thg th
dTT Tdt
τ= +avec 22 2 2
thg th
dTT Tdt
τ= +et
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
2525
Détermination de la vitesse et de la température2
1 ...eN
=
- Dérivée de par rapport à et1τ 2τ
- Annuler la dérivée :
( ) ( )1 22 1 2 1
12 2 2
2 1 1 1 2
12
i iNi i i ith th
th th th thi
i i i iNth th th th
i
dT dTT T T Tdt dt
dT dT dT dTdt dt dt dt
ατ
α α
=
=
− − −
= + −
∑
∑
Températuresreconstruites
11 1 1
thg th
dTT Tdt
τ= + 22 2 2
thg th
dTT Tdt
τ= +et
Détermination de V1/ 1/
2 12 22 1
m m
m mVK d K d
τ τ− −
− −
= =
21 τατ =et
avec2
1
2
mdd
α−
=
Journée « Mesure de température » Salon Mesurexpo 17 octobre 2006
2626
Banc expérimentalÉcoulement oscillant (machine de Stirling)
f0.8 mm
f7,6 µm f12,7 µm
Institut FEMTO-ST CREST Dept.
Regenerator
Cold exchanger
Machine Stirling- fréquence f = 1 à 10 Hz- fluide = air
3 différentes sondes testées avec différents diamètres de fils (type K)
- 7.6 µm / 12.7 µm- 12.7 µm / 25.4 µm- 25.4 µm / 50 µm
2727
Résultats expérimentaux
20
25
30
35
40
45
50
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
Time (s)
T (°C)
diam = 25.4 µm diam = 50 µm
K type thermocouple
smooth signal
Couple 25.4 µm / 50 µm
20
25
30
35
40
45
50
0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 0.175 0.2 0.225 0.25
Time (s)
T (°C)
diam = 12.7 µm diam 25.4 µm
K type thermocouple
smooth signal
Couple 12.7 µm / 25.4 µm
20
25
30
35
40
45
50
0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 0.175 0.2 0.225 0.25
Time (s)
T (°C)
diam = 7.6 µm diam 12.7 µm
K type thermocouple
smooth signal
Couple 7.6 µm / 12.7 µm
Fréquence = 8 Hz
Écoulement laminaire
Températures périodiques
Déphasage entre les évolutions des températures
2828
91
34
12
5.2
τ (ms)
1.850
4.725.4
1312.7
307.6
fc (Hz)d (µm)
Caractéristiques dynamiques des sondes
0.862.832.6825.4 / 50
0.832.902.8312.7 / 25.4
0.862.202.307.6 / 12.7
V (m.s- 1)d2 / d11
2
τατ
=2
1
2
mdd
α−
=
Vitesse calculée
Résultats à la fréquence de f = 8 Hz
7.0m3.0 ≤≤
0.33Pr RemNu A=
Relation de Mac Adams/Hilpert
0.683A =
0.466m =
Thermocouple : type K (Chromel/Alumel) : r = 8600 kg.m-3; c = 480 J.kg-1.K-1
Fluide = air (35°C) : l = 0.0268 W.m-1.K-1 r=1.146 kg.m-3; m=1.78.10-5 Pa.s
τ avec d
fc avec d
±±±
Différence = 5 %
Différence = 3.5 %
2929
6 – Conclusions sur les microthermocouples
ASME ATI Conference – Milan Italy – May 14th/17th 2006
Résolutions spatiales et temporelles !!!!!
Problèmes : fragilité avec dimensions
Géométries
- Type K : Chromel / Alumel : 40 µV/°C at 20 °C
- diamètres = 7.6 ; 12.7 ; 25.4 ; 50 µm
- Type S : Platine / Platine Rhodié 10% : 6 µV/°C at 20 °C
- diamètres = 0.5 µm, 1.27 µm, 5 µm
Evolutions = nanosondes
voir exposé de Laurent Thiery …
MERCI DE VOTRE ATTENTION…….