EP0826247A1 - Procede de mesure de la sensibilite d'un fluxmetre radiatif, le fluxmetre radiatif correspondant et l'utilisation de ce dernier - Google Patents

Procede de mesure de la sensibilite d'un fluxmetre radiatif, le fluxmetre radiatif correspondant et l'utilisation de ce dernier

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Publication number
EP0826247A1
EP0826247A1 EP96914265A EP96914265A EP0826247A1 EP 0826247 A1 EP0826247 A1 EP 0826247A1 EP 96914265 A EP96914265 A EP 96914265A EP 96914265 A EP96914265 A EP 96914265A EP 0826247 A1 EP0826247 A1 EP 0826247A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiative
fluxmeter
temperature
variation
sensitivity
Prior art date
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Ceased
Application number
EP96914265A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Etienne Gaviot
Pascale Véronique GODTS
Didier Luc Leclercq
Pierre Thery
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universite Lille 1 Sciences et Technologies
Original Assignee
Universite Lille 1 Sciences et Technologies
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Filing date
Publication date
Application filed by Universite Lille 1 Sciences et Technologies filed Critical Universite Lille 1 Sciences et Technologies
Publication of EP0826247A1 publication Critical patent/EP0826247A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/81—Structural details of the junction
    • H10N10/817—Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring the sensitivity of a radiative fluxmeter, the corresponding radiatim fluxmeter and the use of such a fluxmeter.
  • the measurement of the thermal radiation emitted by a surface, more specifically designated as the target surface, is important in practice, such an operation in particular making it possible to measure the temperature of the target surface remotely.
  • thermopile detectors are particular thermal detectors, which convert the radiation to be measured into a rise in temperature of a thermally insulated surface element.
  • the equilibrium temperature, measured by the hot junctions of the thermopile is influenced by convection exchanges and it is therefore essential to encapsulate these detectors in a sealed housing, of the T05 type for example, in order to eliminate all disturbances due to air movements.
  • the radiative fluxmeters are thermal sensors capable of allowing the measurement of a density of radiation flux, independently of the convective exchanges with the ambient medium. These devices have the advantage, compared to other thermal sensors, of being able to be used in the absence of encapsulation.
  • the sensitive element is a planar thermopile mounted on an insulating support of very low thickness. contact with a metal sheet of high thermal conductivity. Given the small thickness of the insulating sheet, all temperature variations are passed through the support on the thermoelectric junctions. These variations are not detected because the differential structure of the thermopile detector makes it possible to eliminate the effect of temperature drift from all of the thermoelectric junctions.
  • thermo ⁇ elements are covered with a layer absorbing the incident thermal radiation while the cold junctions are covered with a layer reflecting this radiation.
  • the electric voltage generated by it is directly proportional to the density of the radiation flux. This density is positive when the radiation is absorbed, and negative otherwise.
  • the thermal conduction between thermoelectric junctions is increased to the maximum so that the output voltage is not influenced by air movements, which can be compared to an increase in apparent conductivity of the fluid surrounding the radiative fluxmeter.
  • a radiative heat flow meter of this type has been disclosed by the French Patent Application No. 86 07072 ⁇ in the name of the Applicant.
  • the sensitive element no longer having to be thermally insulated, it is no longer necessary to produce sensors of small dimension, with a view to their encapsulation.
  • current radiative fluxmeters have an active surface, a measurement surface, which can reach several square decimeters.
  • Their sensitivity, expressed in ⁇ V / W / m 2 is very important since it is proportional to the number of thermo-elements distributed on the active surface of the radiative fluxmeter.
  • a symmetrical structure to measure thermal radiation is important with regard to the processes of measuring quantities which are reduced. directly or indirectly to the measurement of thermal radiation or of the coefficient of sensitivity to thermal radiation.
  • This same symmetrical structure of the radiative fluxmeters implies, in accordance with the studies and observations carried out by the inventors, a symmetrical operation of these very radiative fluxmè ⁇ , the output voltage being positive when the measurement surface absorbs radiation, and negative in the opposite case , because the absorbent surfaces of the measurement surface are brought to a higher temperature when absorbing radiation and to a lower temperature when radiation is emitted from the measurement surface.
  • the radiation measurement is reduced to a temperature difference measurement, the sensitivity coefficient of the radiation fluxmeter being independent of the temperature thereof.
  • the present invention relates to the implementation of a method for measuring the sensitivity of a radiative fluxmeter, in order to carry out a temperature self-calibration of this type of device.
  • Another object of the present invention is the implementation of a specific radiative fluxmeter, allowing a sensitivity measurement and an automatic self-calibration whatever the temperature thereof.
  • Another object of the present invention is further, from the aforementioned specific radiative fluxmeter, and taking into account the fact of the latter's sensitivity to temperature, the production of detectors of physical phenomena whose intrinsic parameters influence directly the operation of the aforementioned radiative fluxmeter, in particular of the coefficient of sensitivity, at a given temperature thereof.
  • this radiative fluxmeter being provided with a measurement surface at a temperature T "with respect to at least one surface target at a temperature T c placed in an ambient medium, the radiative flux or power density exchanged between the measurement surface and the target surface verifying the relationship:
  • this radiative fluxmeter comprising a sensitive surface formed by a support made of dielectric material provided with a continuous meandering band of a first conductive material and of discontinuous zones of a second material conductor, having a thermoelectric power different from that of the first conductive material and greater electrical conductivity, to form a chain of elementary thermocouples making it possible to deliver, for a temperature T m of this chain, a corresponding electric voltage of thermocouple V m , in presence of at least one target surface at a temperature T c , when the radiative fluxmeter, the sensitive surface and the target surface are in the same ambient medium, quable in that it further comprises a circuit for controlling the exchange of heat energy between the radiative fluxmeter and the ambient medium, making it possible to generate an exchange of heat energy between the radiative fluxmeter and the ambient medium and a circuit measurement, following this exchange, of the temperature variation ⁇ m of the measurement surface and the voltage variation ⁇ V B delivered by the thermocouple chain.
  • a module for calculating and controlling the sensitivity S ac of the radiative fluxmeter with respect to the target surface is provided, the sensitivity being defined as the ratio of the variation in the voltage ⁇ V B delivered by the radiative fluxmeter to the variation temperature ⁇ T B of the measurement surface.
  • the method and the radiation fluxmeter, objects of the present invention find application in the industry of instrumentation and control of thermal radiation, temperature control, and corresponding regulation processes.
  • FIG. 2a shows an exploded view of a radiative fluxmeter specially adapted for the implementation of the method of the invention, in a first simplified variant
  • FIG. 2cl shows a top view of a third variant embodiment of a radiative fluxmeter more specifically adapted to a fire detector application
  • Figure 2c2 shows a longitudinal sectional view along a sectional plane Q of Figure 2cl;
  • FIG. 1 a shows a sensitivity diagram of a radiative fluxmeter according to the invention, in an applica ⁇ tion to a dew point detector of the liquid phase of an ambient medium at a determined temperature.
  • the radiative fluxmeter for which the sensitivity measurement method can be implemented is either a radiative fluxmeter as described in the art by French patent application no. 86 07072 in the name of the applicant, that is, on the contrary, a radiative fluxmeter specially adapted for the implementation of the method as will be described later in the description.
  • the latter comprise a measurement surface at a temperature T ⁇ vis-à-vis a target surface at a temperature T c .
  • the radiative fluxmeter for which the sensitivity measurement method in accordance with the object of the present invention is implemented is placed in an ambient medium and the power density, expressed in W / m 2 , or radiative flux exchanged between the surface the target surface then checks the relationship:
  • ⁇ denotes the Boltzmann constant ⁇ c and ⁇ B denote the emissivity coefficient of the target and measurement surfaces respectively; T c and T B denote the absolute temperature of the target and measurement surfaces considered. More generally, it is indicated that, although the target surface can be constituted by a discrete target surface at a temperature T c , it is recalled that this can on the contrary be constituted by a plurality of delocalized elementary target surfaces and playing the role of a target surface equivalent to a corresponding temperature T c .
  • the method, object of the present invention for measuring the sensitivity of a radiative fluxmeter as previously described, and in particular because of the symmetrical operation of the latter, as mentioned previously in the description, can be implemented. works for a multiplicity of target surfaces considered and, ultimately, in the absence of a target surface, when the aforementioned radiation fluxmeter is in an ambient atmosphere in thermal equilibrium with respect to this ambient atmosphere. Under these conditions, it is recalled that at the temperature T c of the target surface can then be substituted a temperature called ambient temperature, denoted T a , with which the radiative fluxmeter is in thermal equilibrium.
  • the radiative fluxmeter subjected to the sensitivity measurement method delivers a corresponding electric voltage of thermocouple V B.
  • the abovementioned initial conditions being specified and represented in step 1000 of FIG. 1a, it is indicated that the method for measuring the sensitivity of the radiative fluxmeter considered then consists, as represented in step 1001 of the aforementioned figure, of causing an exchange of heat energy between the radiative fluxmeter and the ambient environment.
  • step 1001 is followed by a step 1002 consisting in measuring, following this exchange, the temperature variation ⁇ T B of the measurement surface of the radiative fluxmeter as well as of course the voltage variation ⁇ V B delivered by the radiative fluxmeter.
  • This voltage variation is none other than the voltage variation of thermo ⁇ couples delivered by the radiative fluxmeter considered following the exchange of heat energy previously mentioned.
  • Step 1002 is then followed by a step 1003 consisting in establishing the sensitivity, denoted S BC , of the radiative fluxmeter with respect to the target surface where, where appropriate, with respect to the ambient medium such as ratio of the voltage variation delivered by the radiative flux meter to the temperature variation ⁇ T B of the measurement surface.
  • S BC the sensitivity
  • thermocouple voltage V B delivered by the radiative fluxmeter is in a temperature range between -15 ° and 250 ° to 350 ° C, substantially linear.
  • FIG. 1b which represents a sectional view of a radiative fluxmeter of the prior art as described in patent application n ° 86 07 072 previously mentioned in the description and in which, as a reminder, A denotes a substantially rectangular insulating support, B a meandering conductive strip of an alloy called constantan, C denotes electrically conductive rectangular plates, made of copper for example, and D denotes an insulating resin with high emissive power filling the corresponding spaces between the plates C above the areas of the meander band B not covered with plates C and also covering the plates C in the form of a thin film Da.
  • E and F denote an alternation of reflective zones E with low emissivity and zones F with high emissivity on the first end Ca and the second end Cb of each plate C.
  • FIG. 1b a top view of Figure 1b and in particular the meander line B thus constituted.
  • the exchange of heat energy between the radiative fluxmeter and the ambient medium can consist in making a calorific contribution, denoted + Q, on the radiative fluxmeter, the temperature variation ⁇ T M then being positive and consisting of an increase in temperature relative to the initial temperature of the measurement surface S B.
  • the measurement surface S B is then formed by the space formed by the meander line B as shown in FIG.
  • thermocouple voltage V B being substantially linear in this temperature range
  • the exchange of heat energy between the radiative fluxmeter and the ambient medium can also consist in carrying out a heat shrinkage, denoted -Q, with the radiative fluxmeter considered.
  • the temperature variation ⁇ T B then consists of a decrease, denoted - ⁇ T B , in the temperature of the measurement surface S B relative to the initial temperature.
  • thermocouple voltage V B the variation in voltage delivered, variation in thermocouple voltage V B , is positive + ⁇ V B during a calorific contribution + Q, and negative and equal to -V m when the heat exchange consists of a heat shrinkage -Q.
  • FIG. 1dl there is shown an assembly enabling a sensitivity measurement of the radiative fluxmeter to be carried out in a substantially automatic manner.
  • the radiative fluxmeter as shown in the aforementioned Figure ldl, is interconnected by means of two interfacing circuits such as sample-swimming circuits for example, denoted ECH lr ECH 2 , to a microcontroller circuit for example , the sampling circuit ECr ⁇ being able to be connected at the output of the thermocouple voltage V B delivered by the radiative fluxmeter to measure a value of flux or energy density, noted ⁇ , which is converted into the value of a voltage V B of measurement corresponding to a measurement of the thermocouple voltage.
  • sample-swimming circuits for example, denoted ECH lr ECH 2
  • a microcontroller circuit for example
  • the sampling circuit ECr ⁇ being able to be connected at the output of the thermocouple voltage V B delivered by the radiative fluxmeter to measure a value of flux or
  • the radiative fluxmeter can be provided with a temperature sensor denoted CT, which is connected to the input of the sample generator ECH 2 to deliver a voltage V ⁇ representative of the temperature of the measurement surface.
  • CT temperature sensor
  • the sampler circuits such as ECHi and ECH 2 are connected to the microcontroller, which then makes it possible to deliver a value of the target temperature T c under the conditions previously mentioned in the description.
  • the microcontroller is also relayed to a power circuit, which makes it possible to carry out the heat exchange controlled by the intermediary of a heat exchanger controlled placed in the vicinity of the corresponding radiative fluxmeter.
  • the power circuit is a circuit generating heat energy by Joule effect for example while the heat exchanger controlled is a resistive circuit, which receives electrical energy generated by the power circuit to transform it into heat energy bringing the heat exchange corresponding Q to the radiative fluxmeter considered.
  • the measurement process can consist in carrying out a series of successive heat exchanges according to specific cycles or phases represented by phasel, phase2 on the figure ld2.
  • Radiative flux i.e.
  • the radiative fluxmeter with automatic sensitivity calibration comprises a sensitive surface formed by a support made of dielectric insulating material, bearing the reference A as in the radiative fluxmeters of the prior art, and provided with a continuous meandering strip B made of a first conductive material and of discontinuous zones made of a second conductive material having a thermoelectric power different from that of the first conductive material and greater electrical conductivity.
  • This meander line B makes it possible to form a chain of elementary thermocou ⁇ ples to deliver, for a temperature T B of this chain, an electric voltage of corresponding thermocouples V B in the presence of a target surface at a temperature T c , or, at the very least, a plurality of target surfaces as described above in the description, when the radiative fluxmeter, the sensitive surface and the target surface are in the same ambient medium in a given thermal equilibrium situation.
  • the radiative fluxmeter with automatic sensitivity calibration according to the invention further comprises a controlled device for exchanging heat energy between the radiative fluxmeter and the ambient medium making it possible to generate an energy exchange. calorific between this radiative fluxmeter and the aforementioned ambient medium.
  • the controlled device for exchanging heat energy bears the reference 1.
  • thermocouple chain a measurement device 2 following this exchange of the temperature variation ⁇ T B of the measurement surface and of the voltage variation ⁇ V B delivered by the thermocouple chain is provided, this measurement device bearing the reference 2 on Figure 2a.
  • the radiative fluxmeter thus constituted is a radiative fluxmeter of the family previously mentioned in the description, which makes it possible to measure the only radiative component of the heat flux independently of the convective exchanges with the surrounding air.
  • the thermopile is thus constituted by the meanderriform line B in CHROMEL or CONSTANTAN of small thickness, from 5 to 25 ⁇ m, etched in the form of meandering lines on the insulating support A, which can be an insulator flexible, KAPTON or NYLON for example, and covered by a large number of electrolytic deposits, copper or gold for example, regularly distributed along the length of the aforementioned meandering ribbon.
  • the electrolytic deposition imposes its thermal and electric properties so that the circuit behaves like a large number of planar thermocouples electrically connected in cascade, the thermoelectric junctions being located on the border lines of the electrolytic deposits.
  • the use of photolithography and chemical etching techniques makes it possible to produce planar thermopiles comprising a density of thermocouples of the order of 1500 / cm 2 .
  • the upper coating shown exploded in FIG. 2a actually comes directly onto the meander line B, this coating possibly being made of a material absorbing infrared radiation.
  • the device 2 for measuring the temperature variation ⁇ T B which is then formed for example by a resistive line 2 formed by a gold film in the form of Greek with a very small thickness of a few ⁇ for example.
  • the upper part of the sensor formed by the upper covering has the function of generating tangential thermal gradients between the junctions of the thermopile, so as to generate the output voltage V B , this voltage being positive when the front face of the sensor, i.e. the upper coating, absorbs the radiation during positive heat exchange + Q for example, and on the contrary negative in the opposite case, when the heat exchange consists of a heat shrinkage -Q for example.
  • the temperature rise ⁇ T B of the sensitive surface S B is then transmitted entirely by the upper coating to the device 2 formed by the resistive line, which sees its resistance modified due to this variation in temperature.
  • the control of exchange of heat energy can be carried out by a switch connected in series with the resistive element 1, this switch being denoted I and shown schematically in Figure 2a.
  • the controlled switch thus makes it possible to deliver a supply voltage to the resistive line 1, which by the Joule effect makes it possible to bring the corresponding heat energy.
  • the radiative flowmeter with automatic sensitivity calibration as shown in FIG. 2a can also include sampling interfacing circuits as shown in FIG.
  • the ECHi circuit being connected at the output of the meandering line.
  • B and the ECH 2 sampling circuit being on the contrary connected to the resistive line 2 allowing the measurement of temperature rise.
  • the power circuit can then be directly connected to the switch I, which is controlled by the microcontroller to carry out the phases 1 and 2 previously described in connection with FIG. Ld2.
  • the controlled heat exchange device 1 formed by the resistive line 1 and the switch I is placed in the vicinity of the meandering continuous band B forming the chain of elementary thermocouples, the switch I being connected in operation at the power source, that is to say the above-mentioned electric power source.
  • the resistive line 2 in the form of a Greek, constituting the device for measuring the temperature variation ⁇ T B of the measurement surface S B , thus forms a resistive film placed in the vicinity of the continuous strip with meanders B forming the chain of elementary thermocouples and is thermally coupled to it.
  • a metal plate 3 can be associated with the insulating support A, this metal plate 3 being placed on the rear face of the thermopile support, which can thus be made isothermal by the aforementioned metal sheet 3.
  • the temperature of the metal foil 3 is the initial temperature of the radiative flux meter which is the subject of the present invention and that, of course, this initial temperature can be either controlled or regulated in order to obtain specific effects in particular applications as will be described later in the description.
  • FIG. 2bl Another alternative embodiment of the radiative fluxmeter specially adapted for implementing the method which is the subject of the present invention will now be described in conjunction with FIG. 2bl and FIGS. 2b2, 2b3.
  • the support base formed by the metal sheet 3 constitutes a heat exchanger with the sensitive surface S B.
  • the heat exchanger is provided with a device for supplying the latter with a heat transfer fluid represented by the reference 30 in the aforementioned FIG. 2bl, the heat transfer fluid being denoted fc.
  • This arrangement makes it possible to control and regulate the heat exchange between the support base and the sensitive surface S ⁇ mentioned above.
  • the upper coating can be chosen so as to provide the emissivity contrast to generate the tangential thermal gradients or to allow the measurement of the average temperature of the radiative fluxmeter by variation of the electrical resistance of this coating.
  • the resistive line 2 can advantageously be connected in operation to an equilibrium displacement measuring circuit of the resistance variation due to the temperature variation D ⁇ T M of the resistive film, following the exchange of heat energy.
  • this equilibrium displacement circuit can comprise, as shown in FIG.
  • FIGS. 2cl and 2c2 A more detailed description of a radiative fluxmeter in accordance with the object of the present invention, more particularly intended for use as a fire detector, will now be given in conjunction with FIGS. 2cl and 2c2, FIG. 2c2 being a view in section along the section plane Q of FIG. 2cl.
  • the support base 3 of the sensitive surface further comprises an inlet nozzle for a pressurized gas, air or an inert gas for example, and a housing L intended for receiving the sensitive surface, that is to say the corresponding radiation fluxmeter on which the metal layer 3 has however been removed or reduced.
  • the support base 3 can be constituted by a copper block, the gas inlet nozzle, as shown in FIG. 2c2, being in communication with a chamber Ch allowing the gas to be pressurized and an orifice outlet, denoted S, in communication with the housing L.
  • the housing L has a window Fe open towards the ambient medium, facing the sensitive surface S B constituted by the radiative fluxmeter.
  • the pressure chamber Ch and the orifice S then make it possible to generate, in the vicinity of the sensitive surface S B , a blade of gas LA making it possible to ensure the protection of the sensitive surface at high temperatures.
  • a cover denoted Co, is provided so that, thanks to the existence of an opening opposite the window Fe , engen ⁇ drer the air gap or gas previously mentioned.
  • the base 3 also includes a heat transfer fluid intake system fc, the base 3 being able to be provided with conduits 30 constituting a heat exchanger, which makes it possible to stabilize the temperature of the base 3 and thus to fix the temperature. initial of the radiative flux meter thus formed.
  • the radiative fluxmeter described above can be implemented using microelectronic technology in thin layers.
  • it may further comprise a selective radiation filter of a determined range of wavelengths of the exchanged radiative flux.
  • the spectral absorptivity of the deposit covering the hot junctions as well as the spectral reflectivity of the reflectors covering the cold junctions can have specific transmission / reflection characteristics in a particular wavelength domain of the exchanged radiative flux.
  • a judicious choice of the materials used makes it possible, for example, to produce a sensitive radiative fluxmeter in a determined range of wavelengths, in the ultraviolet or far infrared range (at long wavelengths).
  • These types of filters could, for example, be implemented by virtue of the specific spectral properties of deposits in thin layers, of specific materials, such as silicon nitride for example.
  • the radiative fluxmeter as shown in Figures 2cl and 2c2 is particularly advantageous for producing an infrared radiation detector in direct vision
  • the gas used to form the gas layer can be air or an inert gas.
  • the radiative fluxmè ⁇ be can be provided from a microcontroller, a control system for periodic measurement of the sensitivity S BC of the radiative fluxmeter under conditions compara ⁇ ble to those described in connection with Figure ldl.
  • the microcontroller can be provided with a module for comparing the sensitivity value measured with a determined threshold value.
  • This threshold value is representative of the loss of sensitivity equal to the self-calibrated sensitivity of the radiation fluxmeter in the vapor phase of the ambient medium during the appearance and deposition of the liquid phase on the sensitive surface of the radiation fluxmeter. which makes it possible to generate a signal for the appearance of the liquid phase of the aforementioned ambient medium.
  • the sensitivity diagram has thus been represented as a function of the so-called humidity percentage, the concept of humidity being that of percentage of liquid phase relative to the vapor phase for a given medium.
  • the notion of humidity is naturally not limited to the condensation of water vapor but can be extended to any ambient medium in which a vapor phase is liable to condense in the liquid phase, whatever the nature of the liquid considered.
  • the corresponding humidity percentage is that of the dew point, which varies with the temperature noted T 0 for which the transition from the vapor phase to the liquid phase occurs.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de mesure de la sensibilité d'un fluxmètre radiatif vis-à-vis d'au moins une surface cible Sc. Il consiste à provoquer (1001) un échange d'énergie calorifique entre fluxmètre radiatif et milieu ambiant, à mesurer suite à cet échange (1002) la variation de température DELTA Tm de la surface de mesure du fluxmètre radiatif et la variation de tension DELTA Vm délivrée par ce dernier. La sensibilité Smc du fluxmètre radiatif est établie (1003) comme le rapport de la variation de tension délivrée par le fluxmètre radiatif à la variation DELTA Tm de température de la surface de mesure. Application à la réalisation de capteurs thermiques et détecteurs de phénomènes physiques engendrant une modification de sensibilité de ces capteurs.

Description

Procédé de mesure de la sensibilité d'un fluxmètre radiatif, le fluxmètre radiatif correspondant et l'utilisation de ce dernier.
L'invention concerne un procédé de mesure de l sensibilité d'un fluxmètre radiatif, le fluxmètre radiati correspondant et l'utilisation d'un tel fluxmètre.
La mesure du rayonnement thermique émis par un surface, plus spécialement désignée par surface cible, es importante en pratique, une telle opération permettan notamment la mesure à distance de la température de l surface cible.
De nombreux capteurs de rayonnement thermique sont actuelle¬ ment disponibles sur le marché. Ils permettent, en général, d'engendrer un thermosignal proportionnel à l'énergie d rayonnement thermique d'une surface émissive à partir duquel la luminance et la température de la surface émissive peuvent être déterminées. Parmi ceux-ci, les détecteurs à thermopiles sont des détecteurs thermiques particuliers, lesquels convertissent le rayonnement à mesurer en élévation de température d'un élément de surface thermiquement isolé. La température d'équilibre, mesurée par les jonctions chaudes de la thermopile, est influencée par les échanges par convection et il est, de ce fait, indispensable d'encapsuler ces détecteurs dans un boîtier étanche, du type T05 par exemple, afin d'éliminer toutes les perturbations dues à des mouve¬ ments d'air. Outre les détecteurs à thermopiles précités, les fluxmètres radiatifs sont des capteurs thermiques capables de permettre la mesure d'une densité de flux de rayonnement, indépendam¬ ment des échanges convectifs avec le milieu ambiant. Ces appareils ont pour avantage, par rapport aux autres capteurs thermiques, de pouvoir être utilisés en l'absence d'encapsu- lation. L'élément sensible est une thermopile planaire montée sur un support isolant d'épaisseur très faible en contact avec une feuille métallique de grande conductivité thermique. Compte tenu de la faible épaisseur de la feuille isolante, toutes les variations de température sont répercu¬ tées par l'intermédiaire du support, sur les jonctions thermoélectriques. Ces variations ne sont pas détectées car la structure différentielle du détecteur à thermopile permet d'éliminer l'effet de dérive en température de l'ensemble des jonctions thermoélectriques. Pour obtenir une sensibilité au seul rayonnement thermique incident, les jonctions chaudes sont recouvertes d'une couche absorbant le rayonnement thermique incident tandis que les jonctions froides sont recouvertes d'une couche réfléchissante de ce rayonnement. La densité des thermo¬ éléments étant uniforme sur la surface du fluxmètre radia- tif, la tension électrique engendrée par celui-ci est directement proportionnelle à la densité de flux de rayonne¬ ment. Cette densité est positive lorsque le rayonnement est absorbé, et négative dans le cas contraire. La conduction thermique entre jonctions thermoélectriques est augmentée au maximum de façon que la tension de sortie ne soit pas influencée par les mouvements d'air, ce qui peut être assimilé à une augmentation de conductivité apparente du fluide environnant le fluxmètre radiatif. Un fluxmètre radiatif de ce type a été décrit par la demande de brevet français nβ 86 07072 au nom de la demanderesse. L'élément sensible ne devant plus être isolé thermiquement, il n'est plus nécessaire de réaliser des capteurs de faible dimen¬ sion, en vue de leur encapsulement. Ainsi, les fluxmètres radiatifs actuels présentent une surface active, surface de mesure, pouvant atteindre plusieurs décimètres carrés. Leur sensibilité, exprimée en μV/W/m2, est très importante puisqu'elle est proportionnelle au nombre de thermo-éléments distribués sur la surface active du fluxmètre radiatif.
En outre, l'utilisation d'une structure symétrique pour mesurer le rayonnement thermique est importante vis-à- vis des processus de mesure des grandeurs se ramenant directement ou non à la mesure du rayonnement thermique ou du coefficient de sensibilité au rayonnement thermique. Cette même structure symétrique des fluxmètres radiatifs implique, conformément aux études et observations menées par les inventeurs, un fonctionnement symétrique de ces fluxmè¬ tres radiatifs, la tension de sortie étant positive lorsque la surface de mesure absorbe du rayonnement, et négative dans le cas inverse, car les surfaces absorbantes de la surface de mesure sont portées à une température plus élevée lors de l'absorption d'un rayonnement et à une température plus faible lors de l'émission d'un rayonnement par la surface de mesure. La mesure du rayonnement est ramenée à une mesure de différence de température, le coefficient de sensibilité du fluxmètre radiatif étant indépendant de la température de celui-ci.
Compte tenu de l'observation précédente, la présente invention a pour objet la mise en oeuvre d'un procédé de mesure de la sensibilité d'un fluxmètre radiatif, afin de réaliser un auto-étalonnage en température de ce type d'appareil.
Un autre objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'un fluxmètre radiatif spécifique, permettant une mesure de sensibilité et un auto-étalonnage automatique quelle que soit la température de celui-ci. Un autre objet de la présente invention est en outre, à partir du fluxmètre radiatif spécifique précité, et compte tenu du fait de l'indépendance de la sensibilité de ce dernier à la température, la réalisation de détecteurs de phénomènes physiques dont les paramètres intrinsèques influencent directement le fonctionnement du fluxmètre radiatif précité, en particulier du coefficient de sensibi¬ lité, à température donnée de celui-ci.
Le procédé de mesure de la sensibilité d'un fluxmè¬ tre radiatif, objet de la présente invention, ce fluxmètre radiatif étant muni d'une surface de mesure à une tempéra¬ ture T„ vis-à-vis d'au moins une surface cible à une température Tc placés dans un milieu ambiant, le flux radiatif ou densité de puissance échangé entre la surface de mesure et la surface cible vérifiant la relation :
Fa = σ(T_-T.4) l/εc+l/εB-l dans laquelle σ représente la constante de Boltzmann ; εc et εB le coefficient d'émissivité des surfaces cible et de mesure respectivement ; Tc et TB la température absolue des surfaces cible et de mesure respectivement, ledit fluxmètre radiatif délivrant une tension électrique de thermocouple VB, est remarquable en ce qu'il consiste à provoquer un échange d'énergie calorifique entre le fluxmè- tre radiatif et le milieu ambiant et à mesurer, suite à cet échange, la variation de température ΔTB de la surface de mesure et la variation de tension ΔVB délivrée par le fluxmètre radiatif. La sensibilité du fluxmètre radiatif vis-à-vis de la surface cible est établlie comme le rapport de la variation de tension délivrée par le fluxmètre radiatif à la variation de température de la surface de mesure.
Le fluxmètre radiatif à étalonnage de sensibilité automatique, objet de l'invention, ce fluxmètre radiatif comprenant une surface sensible formée par un support en matériau diélectrique muni d'une bande continue à méandres en un premier matériau conducteur et de zones discontinues en un second matériau conducteur, présentant un pouvoir thermoélectrique différent de celui du premier matériau conducteur et une plus grande conductivité électrique, pour former une chaîne de thermocouples élémentaires permettant de délivrer, pour une température Tm de cette chaîne, une tension électrique de thermocouple Vm correspondante, en présence d'au moins une surface cible à une température Tc, lorsque le fluxmètre radiatif, la surface sensible et la surface cible sont dans un même milieu ambiant, est remar- quable en ce qu'il comporte en outre un circuit de commande d'échange d'énergie calorifique entre le fluxmètre radiatif et le milieu ambiant, permettant d'engendrer un échange d'énergie calorifique entre le fluxmètre radiatif et le milieu ambiant et un circuit de mesure, suite à cet échange, de la variation de température Δτm de la surface de mesure et de la variation de tension ΔVB délivrée par la chaîne de thermocouples. Un module de calcul et de contrôle de la sensibilité Sac du fluxmètre radiatif vis-à-vis de la surface cible est prévu, la sensibilité étant définie comme le rapport de la variation de la tension ΔVB délivrée par le fluxmètre radiatif à la variation de température ΔTB de la surface de mesure.
Le procédé et le fluxmètre radiatif, objets de la présente invention, trouvent application dans l'industrie de l'instrumentation et du contrôle de rayonnement thermique, du contrôle de température, et des processus de régulation correspondants.
Ils seront mieux compris à la lecture de la descrip- tion et à l'observation des dessins ci-après dans lesquels :
- la figure la représente un schéma synoptique illustratif de la mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention ;
- les figures lb, le et ld représentent un détail de mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention lorsque, de manière non limitative, celui-ci est appliqué à un fluxmètre radiatif de l'art antérieur ;
- la figure 2a représente une vue éclatée d'un fluxmètre radiatif spécialement adapté pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention, dans une première variante simplifiée ;
- les figures 2bl, 2b2 et 2b3 représentent une vue éclatée d'un fluxmètre radiatif spécialement adapté pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention, dans une deuxième variante simplifiée ;
- la figure 2cl représente une vue de dessus d'une troisième variante de réalisation d'un fluxmètre radiatif plus spécialement adapté à une application de détecteur d'incendie ;
- la figure 2c2 représente une vue en coupe longitu- dinale selon un plan de coupe Q de la figure 2cl ;
- la figure 3 représente un diagramme de sensibilité d'un fluxmètre radiatif selon l'invention, dans une applica¬ tion à un détecteur de point de rosée de la phase liquide d'un milieu ambiant à une température déterminée. Une description plus détaillée du procédé de mesure de la sensibilité d'un fluxmètre radiatif conforme à l'objet de la présente invention sera maintenant donnée en liaison avec la figure la et les figures suivantes.
D'une manière générale, on indique que le fluxmètre radiatif pour lequel le procédé de mesure de la sensibilité peut être mis en oeuvre, conformément à l'objet de la présente invention, est, soit un fluxmètre radiatif tel que décrit dans l'art antérieur par la demande de brevet français n° 86 07072 au nom de la demanderesse, soit, au contraire, un fluxmètre radiatif spécialement adapté pour la mise en oeuvre du procédé ainsi qu'il sera décrit ultérieu¬ rement dans la description.
D'une manière générale, et en référence avec l'architecture classique des fluxmètres radiatifs, on indique que ces derniers comportent une surface de mesure à une température Tœ vis-à-vis d'une surface cible à une température Tc. Le fluxmètre radiatif pour lequel on met en oeuvre le procédé de mesure de sensibilité conforme à l'objet de la présente invention est placé dans un milieu ambiant et la densité de puissance, exprimée en W/m2, ou flux radiatif échangé entre la surface de mesure et la surface cible vérifie alors la relation :
Dans cette relation, on rappelle que : σ désigne la constante de Boltzmann εc et εB désignent le coefficient d'émissivité des surfaces cible et de mesure respectivement ; Tc et TB désignent la température absolue des surfaces cible et de mesure considérées. D'une manière plus générale, on indique que, bien que la surface cible puisse être constituée par une surface cible discrète à une température Tc, on rappelle que celle- ci peut au contraire être constituée par une pluralité de surfaces cibles élémentaires délocalisées et jouant le rôle d'une surface cible équivalente à une température correspon¬ dante Tc.
On comprend en outre que le procédé, objet de la présente invention de mesure de sensibilité d'un fluxmètre radiatif tel que précédemment décrit, et en raison notamment du fonctionnement symétrique de ce dernier, ainsi que mentionné précédemment dans la description, peut être mis en oeuvre pour une multiplicité de surfaces cibles considérées et, à la limite, en l'absence de surface cible, lorsque le fluxmètre radiatif précité se trouve dans une atmosphère ambiante en équilibre thermique vis-à-vis de cette atmos¬ phère ambiante. Dans ces conditions, on rappelle que, à la température Tc de la surface cible pourra alors être substituée une température dite température ambiante, notée Ta, avec laquelle le fluxmètre radiatif est en équilibre thermique.
Dans tous les cas, le fluxmètre radiatif soumis au procédé de mesure de sensibilité délivre une tension électrique de thermocouple VB correspondante. Les conditions initiales précitées étant précisées et représentées à l'étape 1000 de la figure la, on indique que le procédé de mesure de sensibilité du fluxmètre radiatif considéré consiste alors, ainsi que représenté à l'étape 1001 de la figure la précitée, à provoquer un échange d'énergie calorifique entre le fluxmètre radiatif et le milieu ambiant.
L'étape 1001 précitée est suivie d'une étape 1002 consistant à mesurer, suite à cet échange, la variation de température ΔTB de la surface de mesure du fluxmètre radiatif ainsi que bien entendu la variation de tension ΔVB délivrée par le fluxmètre radiatif. Cette variation de tension n'est autre que la variation de tension de thermo¬ couples délivrée par le fluxmètre radiatif considéré suite à l'échange d'énergie calorifique précédemment mentionné.
L'étape 1002 est alors suivie d'une étape 1003 consistant à établir la sensibilité, notée SBC, du fluxmètre radiatif vis-à-vis de la surface cible où, le cas échéant, vis-à-vis du milieu ambiant comme le rapport de la variation de tension délivrée par le fluxmètre radiatif à la variation de température ΔTB de la surface de mesure.
D'une manière générale, on indique que la loi de variation de la tension VB de thermocouple délivrée par le fluxmètre radiatif est dans une plage de température comprise entre -15° et 250° à 350°C, sensiblement linéaire.
Ainsi qu'on l'a représenté en figure lb, laquelle représente une vue en coupe d'un fluxmètre radiatif de l'art antérieur tel que décrit dans la demande de brevet n° 86 07072 précédemment mentionnée dans la description et dans laquelle, on le rappelle pour mémoire, A désigne un support isolant sensiblement rectangulaire, B une bande conductrice méandrifor e en alliage appelé constantan, C désigne des plaques rectangulaires conductrices électrique¬ ment, en cuivre par exemple, et D désigne une résine isolante à fort pouvoir émissif remplissant les espaces correspondants entre les plaquettes C au-dessus des zones de la bande méandriforme B non recouverte de plaquettes C et recouvrant également les plaquettes C sous la forme d'une mince pellicule Da. E et F désignent une alternance de zones réfléchissantes E à faible pouvoir émissif et de zones F à fort pouvoir émissif sur la première extrémité Ca et la seconde extrémité Cb de chaque plaquette C. Sur la figure le, on a représenté une vue de dessus de la figure lb et en particulier la ligne méandriforme B ainsi constituée.
Conformément à un aspect particulièrement avantageux du procédé objet de la présente invention, ainsi que représenté en figure lb notamment, on indique que l'échange d'énergie calorifique entre le fluxmètre radiatif et le milieu ambiant peut consister à effectuer un apport calori¬ fique, noté +Q, au fluxmètre radiatif, la variation de température ΔTM étant alors positive et consistant en une augmentation de température par rapport à la température initiale de la surface de mesure SB. On comprend bien entendu que la surface de mesure SB est alors formée par l'espace formé par la ligne méandriforme B telle que représentée en figure le.
En raison du fonctionnement symétrique du fluxmètre radiatif considéré, soumis au procédé de mesure de sensibi¬ lité conforme à l'objet de la présente invention, on indique que, de manière symétrique et pour la plage de température précédemment mentionnée, la tension de thermocouple VB étant sensiblement linéaire dans cette plage de température, l'échange d'énergie calorifique entre le fluxmètre radiatif et le milieu ambiant peut également consister à effectuer un retrait calorifique, noté -Q, au fluxmètre radiatif considé¬ ré. Dans un tel cas, la variation de température ΔTB consiste alors en une diminution, notée -ΔTB, de la tempéra- ture de la surface de mesure SB par rapport à la température initiale.
On comprend bien entendu que dans ces conditions, en raison du fonctionnement symétrique de la ligne méandriforme formée par les thermocouples en cascade, la variation de tension délivrée, variation de tension de thermocouple VB, est positive +ΔVB lors d'un apport calorifique +Q, et négative et égale à -Vm lorsque l'échange calorifique consiste en un retrait calorifique -Q.
Sur la figure ldl, on a représenté un montage permettant la conduite d'une mesure de sensibilité de fluxmètre radiatif de manière sensiblement automatique. Le fluxmètre radiatif, ainsi que représenté sur la figure ldl précitée, est interconnecté par l'intermédiaire de deux circuits d'interfaçage tels que des circuits d'échantillon¬ nage par exemple, notés ECHlr ECH2, à un circuit microcontrô- leur par exemple, le circuit d'échantillonnage ECr^ pouvant être connecté en sortie de la tension de thermocouple VB délivrée par le fluxmètre radiatif pour mesurer une valeur de flux ou de densité d'énergie, notée φ, laquelle est convertie en valeur d'une tension VB de mesure correspondant à une mesure de la tension de thermocouple. En outre, le fluxmètre radiatif peut être muni d'un capteur de tempéra¬ ture noté CT, lequel est relié à l'entrée de l'échantillon- neur ECH2 pour délivrer une tension Vτ représentative de la température de la surface de mesure SB. Les circuits échantillonneurs tels que ECHi et ECH2 sont reliés au microcontrôleur, lequel permet alors de délivrer une valeur de la température cible Tc dans les conditions précédemment mentionnées dans la description. Le microcontrôleur est également relayé à un circuit de puissance, lequel permet d'effectuer l'échange calorifique commandé par l'intermé¬ diaire d'un échangeur calorifique commandé placé au voisi¬ nage du fluxmètre radiatif correspondant.
Dans un mode de réalisation préférentiel car simplifié, on indique que le circuit de puissance est un circuit générateur d'énergie calorifique par effet Joule par exemple alors que l'échangeur calorifique commandé est un circuit résistif, lequel reçoit de l'énergie électrique engendrée par le circuit de puissance pour transformer celle-ci en énergie calorifique apportant l'échange calori- fique correspondant Q au fluxmètre radiatif considéré.
Compte tenu de l'installation représentée en figure ldl, on indique que, ainsi que représenté en figure ld2, le processus de mesure peut consister à effectuer une série d'échanges calorifiques successifs selon des cycles ou phases spécifiques représentés par phasel, phase2 sur la figure ld2. Le flux radiatif, c'est-à-dire l'échange calorifique, étant initié pendant une phase 1 par exemple de durée déterminée, on indique que cet échange provoque l'élévation de température d'une valeur T1 initiale à une valeur finale T2, laquelle est sensiblement constante pendant la phase 2, ces étapes successives pouvant être répétées pour déterminer une succession de valeurs de flux Φi et Φ2 radiatifs pendant la phase 1 respectivement la phase 2 et de températures correspondantes x et T2 de la surface de mesure SB, ce qui permet de déterminer ensuite pour un nombre de valeurs déterminées échantillonnées de températu¬ res respectivement de flux, c'est-à-dire à partir des valeurs de tension VB et Vτ, le paramètre de sensibilité correspondant. Compte tenu de ces éléments, il est alors possible au moyen de programmes de calcul, de déterminer à partir de la constante de Boltzmann par exemple les valeurs de paramètres EB, coefficient d'émissivité de la surface de mesure et de la cible par exemple.
Bien entendu, l'adjonction d'un capteur de tempéra¬ ture CT ainsi que d'un échangeur calorifique commandé peut être réalisée sans précaution particulière. Toutefois, et selon un aspect particulièrement avantageux du procédé objet de la présente invention, il est préférable de mettre en oeuvre un fluxmètre radiatif spécialement adapté pour la mise en oeuvre du procédé, ce type de fluxmètre radiatif permettant alors des applications spécifiques, ainsi qu'il sera décrit ultérieurement dans la description. '
Un tel type de fluxmètre radiatif spécialement adapté pour la mise en oeuvre du procédé de mesure de sensibilité sera maintenant décrit en liaison avec la figure 2a.
Bien entendu, de manière semblable aux fluxmètres radiatifs de l'art antérieur, on comprend que le fluxmètre radiatif à étalonnage de sensibilité automatique selon 1'invention comprend une surface sensible formée par un support en matériau isolant diélectrique, portant la référence A comme dans le cas des fluxmètres radiatifs de l'art antérieur, et muni d'une bande continue à méandres B en un premier matériau conducteur et de zones discontinues en un second matériau conducteur présentant un pouvoir thermoélectrique différent de celui du premier matériau conducteur et une plus grande conductivité électrique. Cette ligne à méandres B permet de former une chaîne de thermocou¬ ples élémentaires pour délivrer, pour une température TB de cette chaîne, une tension électrique de thermocouples VB correspondants en présence d'une surface cible à une température Tc, ou, à tout le moins, d'une pluralité de surfaces cibles ainsi que décrit précédemment dans la description, lorsque le fluxmètre radiatif, la surface sensible et la surface cible sont dans un même milieu ambiant en situation d'équilibre thermique donné. Le fluxmètre radiatif à étalonnage de sensibilité automatique selon l'invention, tel que représenté en figure 2a, comporte en outre un dispositif commandé d'échange d'énergie calorifique entre le fluxmètre radiatif et le milieu ambiant permettant d'engendrer un échange d'énergie calorifique entre ce fluxmètre radiatif et le milieu ambiant précité. Sur la figure 2a, le dispositif commandé d'échange d'énergie calorifique porte la référence 1.
En outre, un dispositif 2 de mesure suite à cet échange de la variation de température ΔTB de la surface de mesure et de la variation de tension ΔVB délivrée par la chaîne de thermocouples est prévu, ce dispositif de mesure portant la référence 2 sur la figure 2a.
A titre d'exemple non limitatif, on indique que le fluxmètre radiatif ainsi constitué est un fluxmètre radiatif de la famille précédemment mentionnée dans la description, lequel permet de mesurer la seule composante radiative du flux thermique indépendamment des échanges convectifs avec l'air environnant. La thermopile est ainsi constituée par la ligne méandriforme B en CHROMEL ou CONSTANTAN de faible épaisseur, de 5 à 25 μm, gravée en forme de lignes méandri- formes sur le support isolant A, lequel peut être un isolant souple, KAPTON ou NYLON par exemple, et recouvert par un grand nombre de dépôts électrolytiques, cuivre ou or par exemple, régulièrement répartis suivant la longueur du ruban méandriforme précité. Dans les régions plaquées, le dépôt électrolytique impose ses propriétés thermiques et électri¬ ques de sorte que le circuit se comporte comme un grand nombre de thermocouples planaires électriquement connectés en cascade, les jonctions thermoélectriques étant localisées sur les lignes frontières des dépôts électrolytiques. La mise en oeuvre des techniques de photolithographie et de gravure chimique permet de réaliser des thermopiles planai¬ res comportant une densité de thermocouples de l'ordre de 1500/cm2. Le revêtement supérieur représenté en éclaté sur la figure 2a vient en fait directement sur la ligne méandri- forme B, ce revêtement pouvant être constitué en un matériau absorbant le rayonnement infrarouge. Sur le revêtement supérieur précité, est prévu le dispositif 2 de mesure de la variation de température ΔTB, lequel est alors formé par exemple par une ligne résistive 2 formée par un film d'or en forme de grecque d'une épaisseur très faible de quelques μ par exemple.
On comprend ainsi que la partie supérieure du capteur formée par le revêtement supérieur a pour fonction d'engendrer des gradients thermiques tangentiels entre les jonctions de la thermopile, de façon à engendrer la tension de sortie VB, cette tension étant positive lorsque la face avant du capteur, c'est-à-dire le revêtement supérieur, absorbe le rayonnement lors de l'échange thermique positif +Q par exemple, et au contraire négative dans le cas inverse, lorsque l'échange thermique consiste en un retrait calorifique -Q par exemple.
L'élévation de température ΔTB de la surface sensible SB est alors transmise intégralement par le revêtement supérieur au dispositif 2 formé par la ligne résistive, laquelle voit sa résistance modifiée du fait de cette variation de température. De manière générale et afin de simplifier la représentation du dessin sur la figure 2a, on indique que la commande d'échange d'énergie calorifique peut être réalisée par un interrupteur connecté en série avec l'élément résistif 1, cet interrupteur étant noté I et représenté schématiquement sur la figure 2a. L'interrupteur commandé permet ainsi de délivrer une tension d'alimentation à la ligne résistive 1, laquelle par effet Joule permet d'appor¬ ter l'énergie calorifique correspondante. Bien entendu, le fluxmètre radiatif à étalonnage de sensibilité automatique tel que représenté en figure 2a peut également comporter des circuits d'interfaçage d'échantil¬ lonnage tels que représentés en figure ldl par exemple, le circuit ECHi étant relié en sortie de la ligne méandriforme B et le circuit d'échantillonnage ECH2 étant au contraire relié à la ligne résistive 2 permettant la mesure d'éléva¬ tion de température. Le circuit de puissance peut alors être relié directement à l'interrupteur I, lequel est commandé par le microcontrôleur pour réaliser les phases 1 et 2 précédemment décrites en liaison avec la figure ld2.
On comprend ainsi que le dispositif commandé d'échange calorifique 1 formé par la ligne résistive 1 et 1'interrupteur I est placé au voisinage de la bande continue à méandres B formant la chaîne de thermocouples élémentai- res, l'interrupteur I étant relié en fonctionnement à la source de puissance, c'est-à-dire la source d'alimentation électrique précédemment mentionnée.
De même, la ligne résistive 2, en forme de grecque, constituant le dispositif de mesure de la variation de température ΔTB de la surface de mesure SB, forme ainsi un film résistif placé au voisinage de la bande continue à méandres B formant la chaîne de thermocouples élémentaires et est thermiquement couplée à celle-ci.
Enfin, on indique que dans un mode de réalisation non limitatif, au support isolant A peut être associée une plaque métallique 3, cette plaque métallique 3 étant placée sur la face arrière du support de la thermopile, laquelle peut ainsi être rendue isotherme par la feuille métallique 3 précitée. On pourra par exemple constituer la feuille métallique 3 au moyen d'une metallisation de cuivre de 35μm d'épaisseur par exemple.
Par convention, on indique que la température de la feuille métallique 3 est la température initiale du fluxmè¬ tre radiatif objet de la présente invention et que, bien entendu, cette température initiale peut être, soit comman- dée, soit régulée, pour obtenir des effets spécifiques dans des applications particulières ainsi qu'il sera décrit ultérieurement dans la description.
Une autre variante de réalisation du fluxmètre radiatif spécialement adapté à la mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention sera maintenant décrite en liaison avec la figure 2bl et les figures 2b2, 2b3.
Sur la figure 2bl précitée, on indique que la ligne résistive 1 est supprimée.
En outre, le socle support formé par la feuille métallique 3 constitue un échangeur de chaleur avec la surface sensible SB. L'échangeur de chaleur est muni d'un dispositif d'alimentation de ce dernier avec un fluide caloporteur représenté par la référence 30 sur la figure 2bl précitée, le fluide caloporteur étant noté fc. Cette disposition permet de commander et de réguler l'échange thermique entre le socle support et la surface sensible Sœ précités. Dans le mode de réalisation représenté en figure 2bl, on indique que le revêtement supérieur peut être choisi de façon à assurer le contraste d'émissivité pour engendrer les gradients thermiques tangentiels ou pour permettre la mesure de la température moyenne du fluxmètre radiatif par variation de la résistance électrique de ce revêtement.
A titre d'exemple non limitatif, on indique diffé¬ rentes formes de la ligne résistive 2 telles que représen- tées en figure 2b2 ou 2b3. Dans tous les cas, et de manière préférentielle, on indique que, en liaison avec la figure 2b2, la ligne résistive 2 peut avantageusement être reliée en fonctionnement à un circuit de mesure à déplacement d'équilibre de la variation de résistance due à la variation de température DΔTM du film résistif, consécutivement à l'échange d'énergie calorifique. De manière classique, ce circuit à déplacement d'équilibre peut comporter, ainsi que représenté en figure 2b2, un circuit du type pont de Wheatstone dans lequel le circuit résistif 2 constitue l'un des éléments d'une branche, la variation d'équilibre dans la diagonale, bien que représentée symboliquement par un ampèremètre pouvant être relié à un échantillonneur noté Ech et correspondant à l'échantillonneur ECH2 de la figure ldl par exemple, pour mesurer directement, à partir d'une table de consultation, la variation de résistance et donc la variation de température correspondante.
Une description plus détaillée d'un fluxmètre radiatif conforme à l'objet de la présente invention, plus particulièrement destiné à une utilisation comme détecteur d'incendies, sera maintenant donnée en liaison avec les figures 2cl et 2c2, la figure 2c2 étant une vue en coupe selon le plan de coupe Q de la figure 2cl.
Dans le mode de réalisation précité, on indique que le socle support 3 de la surface sensible comporte en outre un ajutage d'admission d'un gaz sous pression, de l'air ou un gaz inerte par exemple, et un logement L destiné à recevoir la surface sensible c'est-à-dire le fluxmètre radiatif correspondant sur lequel la couche métallique 3 a cependant été supprimée ou réduite. Ainsi, le socle support 3 peut être constitué par un bloc de cuivre, l'ajutage d'admission du gaz, ainsi que représenté en figure 2c2, étant en communication avec une chambre Ch permettant de mettre le gaz sous pression et d'un orifice de sortie, noté S, en communication avec le logement L. Le logement L présente une fenêtre Fe ouverte vers le milieu ambiant, en vis-à-vis de la surface sensible SB constituée par le fluxmètre radiatif. La chambre sous pression Ch et l'orifice S permettent alors d'engendrer, au voisinage de la surface sensible SB, une lame de gaz LA permettant d'assurer la protection de la surface sensible aux hautes températures. D'autre part, on constate, au vu de la figure 2cl, qu'un couvercle, noté Co, est prévu de façon à, grâce à l'exis¬ tence d'une ouverture en vis-à-vis de la fenêtre Fe, engen¬ drer la lame d'air ou de gaz précédemment mentionnée.
En outre, le socle 3 comporte également un système d'admission de fluide caloporteur fc, le socle 3 pouvant être muni de conduites 30 constituant un échangeur thermi¬ que, ce qui permet de stabiliser la température du socle 3 et de fixer ainsi la température initiale du fluxmètre radiatif ainsi constitué.
D'une manière générale, on indique que le fluxmètre radiatif précédemment décrit peut être mis en oeuvre grâce à la technologie microélectronique en couches minces. Enfin, il peut comporter en outre un filtre de rayonnement sélectif d'une plage déterminée de longueurs d'ondes du flux radiatif échangé. Dans ce but, l'absorptivité spectrale du dépôt recouvrant les jonctions chaudes ainsi que la réflectivité spectrale des réflecteurs recouvrant les jonctions froides peuvent présenter des caractéristiques spécifiques de transmission/- réflexion dans un domaine particulier de longueurs d'ondes du flux radiatif échangé. Un choix judicieux des matériaux utilisés permet par exemple de réaliser un fluxmètre radiatif sensible dans une plage déterminée de longueurs d'ondes, dans le domaine ultraviolet ou infrarouge lointain (à grandes longueurs d'ondes). Ces types de filtres pourront par exemple être mis en oeuvre grâce aux propriétés spectra¬ les spécifiques des dépôts en couches minces, de matériaux spécifiques, tels que le nitrure de silicium par exemple.
Le fluxmètre radiatif tel que représenté en figures 2cl et 2c2 est particulièrement avantageux pour réaliser un détecteur de rayonnement infrarouge en vision directe, le gaz utilisé pour constituer la lame de gaz pouvant être l'air ou un gaz inerte.
Enfin, une application particulièrement avantageuse du fluxmètre radiatif objet de la présente invention, comme détecteur de point de rosée, sera décrite en liaison avec la figure 3.
Dans cette application et à partir de l'installation telle que représentée en figure ldl par exemple, le fluxmè¬ tre radiatif peut être muni à partir d'un microcontrôleur, d'un système de commande de mesure périodique de la sensibi- lité SBC du fluxmètre radiatif dans des conditions compara¬ bles à celles décrites en liaison avec la figure ldl. En outre, le microcontrôleur peut être muni d'un module de comparaison de la valeur de sensibilité mesurée à une valeur de seuil déterminée. Cette valeur de seuil est représenta¬ tive de la perte de sensibilité égale à la sensibilité auto- calibrée du fluxmètre radiatif en phase vapeur du milieu ambiant lors de l'apparition et du dépôt de la phase liquide sur la surface sensible du fluxmètre radiatif, ce qui permet d'engendrer un signal d'apparition de la phase liquide du milieu ambiant précité.
Sur la figure 3, on a ainsi représenté le diagramme de sensibilité en fonction du pourcentage dit d'humidité, la notion d'humidité étant celle de pourcentage de phase liquide par rapport à la phase vapeur pour un milieu donné. La notion d'humidité n'est naturellement pas limitée à la condensation de la vapeur d'eau mais peut être étendue à tout milieu ambiant dans lequel une phase vapeur est susceptible de se condenser en phase liquide, quelle que soit la nature du liquide considéré. Bien entendu, le pourcentage d'humidité correspon¬ dant est celui dit du point de rosée, lequel varie avec la température notée T0 pour laquelle se produit la transition de la phase vapeur à la phase liquide.
On a ainsi décrit un procédé de mesure de sensibi- lité d'un fluxmètre radiatif et un fluxmètre radiatif spécialement adapté pour la mise en oeuvre de ce procédé de mesure de sensibilité particulièrement performant dans la mesure où, en raison du fonctionnement symétrique de ce type de fluxmètre radiatif, un auto-étalonnage de ce dernier est possible pour établir le coefficient de sensibilité de ce dernier, coefficient qui est normalement indépendant de la température.
Compte tenu des possibilités d'auto-étalonnage de ce type d'appareillage, des applications très diverses de ces derniers sont envisageables telles que, notamment, utilisa- tion comme détecteurs d'incendies dans lesquels, en raison de la régulation de la température initiale du fluxmètre radiatif, une mesure de la température cible très fiable peut être obtenue et en conséquence une détection de points chauds avec une grande précision peut être effectuée ou, au contraire, détecteurs de point de rosée en raison de la discrimination très sensible de la perte de sensibilité par rapport à la sensibilité en phase vapeur d'un milieu ambiant lors du passage en phase liquide de ce même milieu.

Claims

REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la sensibilité d'un fluxmè¬ tre radiatif muni d'une surface de mesure à une température TB vis-à-vis d'au moins une surface cible à une température Te, le fluxmètre radiatif et la surface cible étant placés (1000) dans un milieu ambiant, la densité de puissance ou flux radiatif échangé entre la surface de mesure et la surface cible vérifiant la relation :
Fa = σ(T„-Tm 4) l/εc+l/εB-l dans laquelle σ représente la constante de Boltzmann ; εc et εB le coefficient d'émissivité des surfaces cible et de mesure respectivement ; Tc et TB la température absolue des surfaces cible et de mesure respectivement ; ledit fluxmètre radiatif délivrant une tension électrique de thermocouple Vm, caractérisé en ce que ledit procédé consiste : - à provoquer (1001) un échange d'énergie calorifi¬ que entre ledit fluxmètre radiatif et le milieu ambiant ;
- à mesurer (1002), suite à cet échange, la varia¬ tion de température ΔTB de la surface de mesure et la variation de tension ΔVB délivrée par le fluxmètre radia- tif ;
- à établir (1003) la sensibilité Sœc du fluxmètre radiatif vis-à-vis de la surface cible comme le rapport de la variation de tension délivrée par le fluxmètre radiatif à la variation de température ΔTB de la surface de mesure.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la loi de variation de la tension VB délivrée par le fluxmètre radiatif étant, dans une plage de température comprise entre -15°C et 350°C, sensiblement linéaire, ledit échange d'énergie calorifique entre ledit fluxmètre radiatif et le milieu ambiant consiste à effectuer un apport calori¬ fique audit fluxmètre radiatif, la variation de température ΔTB consistant en une augmentation de température par rapport à la température initiale.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la loi de variation de la tension VB délivrée par le fluxmètre radiatif étant, dans une plage de température comprise entre -15°C et 250°C, sensiblement linéaire, ledit échange d'énergie calorifique entre ledit fluxmètre radiatif et le milieu ambiant consiste à effectuer un retrait calorifique audit fluxmètre radiatif, la variation de température ΔTB consistant en une diminution de température par rapport à la température initiale.
4. Procédé selon l'une des revendications précéden¬ tes, caractérisé en ce que l'étape de mesure de la variation de température ΔTB de la surface de mesure et de la varia¬ tion ΔVB délivrée par le fluxmètre radiatif est effectuée par mesure de la variation de caractéristiques électriques dudit fluxmètre radiatif.
5. Fluxmètre radiatif à étalonnage de sensibilité automatique, comprenant une surface sensible formée par un support en matériau diélectrique (A) muni d'une bande continue à méandres (B) en un premier matériau conducteur et de zones discontinues en un second matériau conducteur présentant un pouvoir thermoélectrique différent de celui du premier matériau conducteur et une plus grande conductivité électrique, pour former une chaîne de thermocouples élémen¬ taires, permettant de délivrer, pour une température TB de cette chaîne, une tension électrique de thermocouples VB correspondante, en présence d'au moins une surface cible à une température Tc, lorsque le fluxmètre radiatif, la surface sensible et la surface cible sont dans un même milieu ambiant, caractérisé en ce que ledit fluxmètre radiatif comporte en outre :
- des moyens commandés (1,1) d'échange d'énergie calorifique entre ledit fluxmètre radiatif et le milieu ambiant, permettant d'engendrer un échange d'énergie calorifique entre ledit fluxmètre radiatif et le milieu ambiant ;
- des moyens (2) de mesure, suite à cet échange, de la variation de température ΔTB de ladite surface de mesure et de la variation de tension ΔVB délivrée par la chaîne de thermocouples ;
- des moyens de calcul et de contrôle de la sensibi¬ lité SBC du fluxmètre radiatif vis-à-vis de la surface cible.
6. Fluxmètre radiatif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens commandés d'échange calorifique comportent au moins un élément résistif (1) du type continu à méandres, placé au voisinage de ladite bande continue à méandres (B) formant la chaîne de thermocouples élémentaires, ledit élément résistif pouvant être relié en fonctionnement à une source d'alimentation électrique pour assurer ledit échange d'énergie calorifique entre ledit fluxmètre radiatif et le milieu ambiant.
7. Fluxmètre radiatif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure (2), suite à l'échange calorifique, de la variation de tempéra- ture ΔTB de la surface de mesure, comportent au moins un film résistif, du type continu à méandres, placé au voisi¬ nage de ladite bande continue à méandres (B) formant la chaîne de thermocouples élémentaires, thermiquement couplé à celle-ci, ledit film résistif pouvant être relié en fonctionnement à un circuit de mesure à déplacement d'équi¬ libre de la variation de résistance due à la variation de température ΔTB du film résistif consécutivement à l'échange d'énergie calorifique.
8. Fluxmètre radiatif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure de la variation de température Δτm et de la variation de tension ΔVB délivrée par la chaîne de thermocouples comprennent en outre :
- des moyens d'échantillonnage (ECHX, ECH2), à des instants successifs, de la valeur du déplacement d'équilibre de la valeur de résistance du film résistif et de la valeur de la tension VB délivrée par ladite chaîne de thermocou¬ ples ;
- des moyens (MICRO CONTROLEUR) de traitement des valeurs précitées.
9. Fluxmètre radiatif selon l'une des revendications
5 à 8 précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens commandés d'échange d'énergie calorifique comportent :
- un socle support (3) de ladite surface sensible, ledit socle support (3) étant constitué en un matériau thermiquement conducteur, ladite surface sensible étant en contact thermique avec le socle support constituant un échangeur de chaleur avec ladite surface sensible ;
- des moyens (30) d'alimentation de cet échangeur de chaleur avec un fluide caloporteur, ce qui permet de commander et de réguler l'échange thermique entre le socle support et ladite surface sensible.
10. Fluxmètre radiatif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit socle support (3) de la surface sensible comporte en outre un ajutage (Ch,S) d'admission d'un gaz sous pression, et un logement (L) destiné à recevoir ladite surface sensible, ce logement (L) étant en communication avec l'ajutage d'admission et présentant une fenêtre ouverte vers le milieu ambiant en vis-à-vis de ladite surface sensible, ce qui permet d'engendrer au voisinage de ladite surface sensible une lame de gaz (LA) permettant d'assurer la protection de ladite surface sensible aux hautes températures.
11. Fluxmètre radiatif selon l'une des revendica¬ tions 5 à 10, caractérisé en ce que celui-ci comporte en outre un filtre de rayonnement sélectif d'une plage détermi¬ née de longueurs d'ondes du flux radiatif échangé.
12. Utilisation d'un fluxmètre radiatif selon l'une des revendications 5 à 11, comme détecteur de point de rosée entre phase liquide et phase vapeur d'un milieu ambiant, caractérisé en ce que ledit fluxmètre radiatif étant placé dans ledit milieu ambiant, celui-ci comprend en outre : - des moyens (MICRO CONTROLEUR) de commande de mesure périodique de la sensibilité SBC de ce fluxmètre radiatif, et
- des moyens (MICRO CONTROLEUR) de comparaison de la valeur de sensibilité mesurée à une valeur de seuil détermi¬ née, ladite valeur de seuil étant représentative de la perte de sensibilité, égale à la sensibilité auto-calibrée dudit fluxmètre radiatif en phase vapeur dudit milieu, lors de l'apparition et du dépôt de la phase liquide sur la surface sensible dudit fluxmètre radiatif, ce qui permet d'engendrer un signal d'apparition de la phase liquide du milieu ambiant.
13. Utilisation d'un fluxmètre radiatif selon l'une des revendications 9 à 11, comme détecteur de rayonnement notamment infrarouge en vision directe, caractérisé en ce que le gaz utilisé est de l'air ou un gaz inerte.
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