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

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1 Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo, Paris-Expo, Porte de Versailles, Hall 7, Salle PHOENIX Mardi 7 octobre 006 MESURE DE TEMPÉRATURE À L AIDE DE MICRO THERMOCOUPLES : PRINCIPE, CHOIX TECHNOLOGIQUES ET MODES D IMPLANTATIONS François LANZETTA Institut FEMTO-ST, CNRS UMR 674, Département CREST Université de Franche-comté Parc technologique avenue Jean Moulin Belfort - France f7,6 µm f,7 µm f0.8 mm Institut FEMTO-ST Dept. CREST

2 Introduction Plan de l exposé Les ermocouples 3 Du ermocouple au microermocouple 3. Conception d une sonde 3. Des capteurs pour différentes applications 4 Incertitudes de mesure : quelques exemples 4. Mesures statiques 4. Mesures dynamiques 5 Allons plus loin : mesure de T et V dans un écoulement 6 Conclusion

3 - Introduction 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 moyenne des 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. 3 Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

4 Comment mesurer une température? Instrument = ermomètre Intrument dont une propriété caractéristique est fonction d une seule grandeur, la température telle que nos sens permettent d appréhender. Histoire du ermomètre, l aventure commence - Sanctorius, 6, ermomètre médical (travaux de Galilée) - Ole Roemer, 70, ermomètre à alcool - Fahrenheit, 77, ermomètre au mercure - Réaumur, 730, amélioration du ermomètre à alcool - Celsius, 74, ermomètre au mercure Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

5 Comment mesurer une température? Méodes optiques Méodes spectroscopiques Mesure de température Thermomètres à résistances Thermocouples 5 Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

6 Les ermocouples En, 8 T.J. Seebeck observe l existence d une force électromotrice (fem) à la jonction formée par deux métaux différents soumis à une différence de température (T T ) (effet Seebeck) fem L effet Seebeck est la combinaison de deux autres phénomènes : les effets Thomson et Peltier Thomson a observé l existence d une fem due au contact de deux matériaux différents à une température donnée. Peltier a découvert qu un gradient de température le long d un conduteur était générateur d une fem. 6 Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

7 Effet Seebeck et ermocouples Material Bismu Constantan Nickel Alumel Paladium Platinum Carbon Aluminium Tungsten Irridium Rhodium Silver Copper Gold Molybden Titanium Iron Chromium Chromel Antimoine Seebeck coefficient µv/ 0 C Chromel/Alumel (Type K) S =.7-(-7.3) = 39 µv/ 0 C Antimoine/Bismu S = 4.5-(-76.5) = 9 µv/ 0 C 7 Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

8 Thermocouples du commerce Type Métal A (+) Métal B (-) Limites éoriques Coef. Seebeck α (µv/ C) à T C Erreur standard Erreur mini Commentaire J Fer Constantan -0 à 00 C 50,38 µv à 0 C,% à 0,75%,% à 0,4% pour atmosphère réductrice (industrie du plastique...) K Chromel Alumel -70 à 37 C 39,45 µv à 0 C,% à 0,75%,% à 0,% le plus utilisé du fait de sa large gamme de température, supporte une atmosphère oxydante S Platine 0% Rhodium Platine -50 à 768 C 0, µv à 600 C,5% à 0,5% 0,6% à 0,% applications hautes températures ; résiste à l'oxydation T Cuivre Constantan -70 à 400 C 38,75 µv à 0 C % à 0,75% 0,5% à 0,4% applications cryogéniques 8 Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

9 Thermocouples du commerce 9 Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

10 3 Du ermocouple au microermocouple Fluctuations de température Mesures locales Thermocouples de très faibles dimensions - Type S : Platine/Platine-Rhodié 0% : 6 µv/ C à0 C - diamètres = 0.5 µm ;.7 µm et 5 µm - Type K : Chromel/Alumel : 40 µv/ C à0 C - diamètres = 7.6 µm ;.7 µm ; 5.4 µm ; 50 µm Résolutions spatiale et temporelle!!! Fragilité!!! 0 Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

11 3. Conception d une sonde Soudure des fils A et B réalisée par décharge capacitive tension : 0-50 V capacité : 0-5 µf A B jonction Thermocouple Type S φ.7 µm 6 µv/ C à 0 C sonde Céramique trous

12 3. - Des capteurs pour différentes applications Type K :.7 µm Type S 5 µm Type K 5 µm soudé sur tube inox S type 0.5 µm Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

13 Température de surface Jonction chaude = film d or Thermocouple en fils + jonction chaude en film d or Fils type K : diam =,7 µm Jonction chaude = film d or Mesure de température de surface fils 3 Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

14 Application en microfluidique N Mesure de température de fluide au sein d un microcanal Type K 5 µm Longueur = 50 mm section = 00 µm X 00 µm 4 Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

15 4 Incertitudes de mesure : quelques exemples 4. Mesures statiques Température de paroi Résistance contact : d a, S, λ a T(x) T/T 00 µm T S Surface T c fils de ermocouple s, p, λ λ A Incertitude relative T Ts Tc A = = T Ts + A s d λ S ( λ λ) a = + a hps µm 5 µm 50 µm Diamètre ermocouple (µm) Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

16 Fils de ermocouple traversant des isoermes T 0 = 0 C Thermocouple Cuivre/Constantan φ fils = 0. mm φ soudure = mm Mesure Tc = 300 C?? Gaz h =80 W/m C L = m Tg T g =? =? Indication de la sonde Tc = 300 C : Est-ce la bonne température du gaz? Bilan ermique le long des fils S fil hs soudure(tc T g ) + ( λcu + λconstantan ) (TC T ) = L 0 0 Pertes par conduction le long des fils : Tg = 36 C!! 6 Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

17 4. Mesures dynamiques Fil A Jonction Fil B Fluide ambiant T g Rayonnement Convection fil A fil B x Thermocouple type K Diamètre = 50 µm Conduction Jonction T Conduction Bilan ermique : - convection dans la couche limite entourant le ermocouple - conduction le long des fils - rayonnement entre la surface du capteur et les parois - autres flux ermiques : chauffage interne par effet Joule, chauffage externe par autre source (laser par exemple), réaction chimique, 7 Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

18 Bilan ermique Accumulé Convection Conduction critère L/d > 00 ρ σ ε ( T c ) π d T ( ) = Nu λ π T T g g 4 t ( ) ( ) 4 4 R T T π d + P g π a L + λ erf π d 4 d a T x exp x a Rayonnement Tg = 60 C max Flux externe (par exemple laser) Pas ici 8 ASME ATI Conference Milan Italy May 4/7 006

19 T( C) T g T 63% T i τ cv Constante de temps Bilan ermique intégrant uniquement la convection!! Echelon de température Réponse = er ordre t (s) ρ c T T T π d 4 g = T T T ρ c d τ = = cv 4 Nu λ g g g T i ρ t = +τ = 4 cv Nu exp c h λ T d g t π τ ( T T ) t g cv Fréquence de coupure f c = π τ cv ASME ATI Conference Milan Italy May 4/

20 Constante de temps? Temps de réponse t r (s) t r ( ε%) = τ ( 4.6 ln ε) ε = 37% t( 37%) = τ Réponse à 63 % r Détermination expérimentale de la constante de temps - Caractérisation convective - Caractérisation radiative 0 Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

21 Caractérisation convective Référence Signal periodique ou échelon TMAX = 78 C Chopper T max = 60 C C t h = 0.05 s tc =0.045 s τh = 5. ms τc = 8.0 ms Fluide froid T MIN Oscilloscope numérique 50 Fluide chaud TMIN = 5.5 C T min = 40 C ϑ resp = t h + t c = 0.07 s Thermocouple Amplificateur X time (s) Diamètre de jonction Vitesse de l air : 3 m.s - Vitesse de l air : 3 m.s - d (µm) τ cv (ms) f c (Hz) τ cv (ms) f c (Hz) 0.5 S K Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

22 Caractérisation radiative Chopper Cube séparateur Enceinte Capteur Réponse adimensionnelle Thermocouple 50 µm Laser Argon ( W) Photodetecteur 0.6 Thermocouple 5.4 µm Thermocouple,7 µm 0.4 Télescope 0. Hz 00 Hz khz MHz 480 Hz Commande du chopper Oscilloscope temps (s) Diamètre de jonction Constante de temps radiative Fréquence de coupure d (µm) τ rad (ms) f c (Hz) S K Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

23 5 Allons plus loin : mesure de T et V dans un écoulement fd fd > d T ( C) Débit gaz V(t), T g (t) T g (t) T g (t) Réponse dynamique caractérisée par T τ Thermocouple = T +τ g dt dt m = K d V m τ = ρ 4 c h h Nu d Nu = A Re m 0.3 m 0.7 T τ Thermocouple = T +τ g dt dt m = K d V m t (s) τ α = τ = d d m K ρc ρ = 4 λ A µ m 3

24 Détermination de la vitesse et de la température Reconstruction des signaux - Enregistrement de T g and T g - Données filtrées - Time constants τ and are estimated by minimizing e time average τ difference between T g and T g e ( ) i i T g T dt N = avec T g g = T +τ N i= dt et T = T +τ g dt dt N N i N i i i dt dt ( T T ) + τ + τ i= i= dt i= dt e = N i N i N i i N dt i i dt i i dt dt τ ( T T ) + τ ( T T ) ττ i= dt i= dt i= dt dt 4 Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

25 Détermination de la vitesse et de la température e =... N - Dérivée de par rapport à τ et τ - Annuler la dérivée : τ i= = N i i i i dt dt dt dt i= N i i dt i i dt i i α ( T T ) ( T T ) dt dt α + α dt dt dt dt et avec τ = α τ α m d = d Températures reconstruites T Détermination de V = T +τ g V dt dt et T = T +τ g / m / m τ m m Kd τ = = Kd dt dt 5 Journée «Mesure de température» Salon Mesurexpo 7 octobre 006

26 Banc expérimental Écoulement oscillant (machine de Stirling) Cold exchanger f7,6 µm f,7 µm Regenerator f0.8 mm Institut FEMTO-ST CREST Dept. Machine Stirling - fréquence f = à 0 Hz -fluide = air 3 différentes sondes testées avec différents diamètres de fils (type K) µm /.7 µm -.7 µm / 5.4 µm µm / 50 µm 6

27 Résultats expérimentaux T ( C) K type ermocouple diam = 5.4 µm diam = 50 µm smoo signal Fréquence = 8 Hz Écoulement laminaire Températures périodiques Time (s) Couple 5.4 µm / 50 µm Déphasage entre les évolutions des températures T 50 ( C) T 50 ( C) K type ermocouple diam =.7 µm diam 5.4 µm K type ermocouple diam = 7.6 µm diam.7 µm 35 smoo signal 35 smoo signal Time (s) Couple.7 µm / 5.4 µm Time (s) Couple 7.6 µm /.7 µm 7

28 ± Résultats à la fréquence de f = 8 Hz Caractéristiques dynamiques des sondes Relation de Mac Adams/Hilpert 0.33 Nu = A Pr Re m 0.3 m 0.7 A = m = d (µm) τ (ms) f c (Hz) τ f c avec d avec d Vitesse calculée τ α = τ d / d α d = d m V (m.s - ) Différence = 5 % 7.6 / / Différence = 3.5 % 5.4 / Thermocouple : type K (Chromel/Alumel) : r = 8600 kg.m -3 ; c = 480 J.kg -.K - Fluide = air (35 C) : l = W.m -.K - r=.46 kg.m -3 ; m= Pa.s 8

29 6 Conclusions sur les microermocouples Géométries - Type K : Chromel / Alumel : 40 µv/ C at 0 C - diamètres = 7.6 ;.7 ; 5.4 ; 50 µm - Type S : Platine / Platine Rhodié 0% : 6 µv/ C at 0 C - diamètres = 0.5 µm,.7 µm, 5 µm Résolutions spatiales et temporelles!!!!! Problèmes : fragilité avec dimensions Evolutions = nanosondes voir exposé de Laurent Thiery MERCI DE VOTRE ATTENTION. 9 ASME ATI Conference Milan Italy May 4/7 006