EP1552257A1 - Thermal flow comparator comprising an activating circuit - Google Patents

Thermal flow comparator comprising an activating circuit

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EP1552257A1
EP1552257A1 EP03775480A EP03775480A EP1552257A1 EP 1552257 A1 EP1552257 A1 EP 1552257A1 EP 03775480 A EP03775480 A EP 03775480A EP 03775480 A EP03775480 A EP 03775480A EP 1552257 A1 EP1552257 A1 EP 1552257A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plates
thermoelectric
heat flux
insulating material
comparator according
Prior art date
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Ceased
Application number
EP03775480A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Pierre Thery
Florian Raucoules
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Captec
Original Assignee
Captec
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Filing date
Publication date
Application filed by Captec filed Critical Captec
Publication of EP1552257A1 publication Critical patent/EP1552257A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K17/00Measuring quantity of heat
    • G01K17/06Measuring quantity of heat conveyed by flowing media, e.g. in heating systems e.g. the quantity of heat in a transporting medium, delivered to or consumed in an expenditure device
    • G01K17/08Measuring quantity of heat conveyed by flowing media, e.g. in heating systems e.g. the quantity of heat in a transporting medium, delivered to or consumed in an expenditure device based upon measurement of temperature difference or of a temperature
    • G01K17/20Measuring quantity of heat conveyed by flowing media, e.g. in heating systems e.g. the quantity of heat in a transporting medium, delivered to or consumed in an expenditure device based upon measurement of temperature difference or of a temperature across a radiating surface, combined with ascertainment of the heat-transmission coefficient
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/6888Thermoelectric elements, e.g. thermocouples, thermopiles
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/12Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples

Definitions

  • the present invention relates to a heat flux comparator comprising an activation circuit, more particularly suitable for measuring variations in heat flux in various applications, such as the detection of flow of a fluid.
  • thermal detection devices In contrast to devices for measuring the temperature of an external environment, known thermal detection devices allow the detection of thermal fluxes without any variation in temperature. Such a device is called a heat flux comparator. French patent application No. 01 15310 describes such a device which allows the comparison of instantaneous heat fluxes coming from two external environments with which the two faces of the device are respectively brought into contact.
  • Such a heat flux comparator nevertheless requires that heat fluxes be exchanged between one of the external media and the comparator.
  • the external environment (s) are permanently at the same temperature as the comparator, no heat flux is exchanged and the comparator does not provide any detection signal.
  • Such conditions are for example achieved when one of the external media is a fluid in motion relative to the comparator, and the speed of the fluid varies without the temperature of the fluid being modified.
  • the comparator of the French patent application n ° 01 15310 is then inoperative to detect a variation in the flow speed of the fluid medium.
  • thermal detectors are also known, which include an activation circuit and make it possible to detect variations in an external medium such as a change in a flow speed.
  • European patent application 0 446 546 describes such a detector, but its sensitivity is particularly low. In addition, its operation does not allow detection when the activation circuit is electrically supplied. Activation periods and measurement periods must then be alternated, this which generates a complicated operating mode and requires complex control means.
  • the object of the present invention is to provide a very sensitive and easy to use heat flux comparator.
  • the invention relates to a heat flux comparator having at least a first substantially planar inlet face and capable of exchanging heat flows with a first external medium with which said first inlet face is brought into contact.
  • the comparator includes:
  • thermoelectric detection circuit having a determined longitudinal direction situated in a plane substantially parallel to the first input face, comprising at least a first strip of a first metallic material having a determined thermal conductivity, a determined electrical conductivity and a power thermoelectric determined, having at least two faces, and being partially covered on one of its faces by first disjointed metallic plates of a second metallic material which has a thermal conductivity and an electrical conductivity respectively higher than the thermal conductivity and the electrical conductivity of the first metallic material and which has a thermoelectric power different from the thermoelectric power of the first metallic material;
  • thermoelectric activation circuit comprising at least a second strip of a third metallic material having a determined thermal conductivity, a determined electrical conductivity and a determined thermoelectric power, having at least two faces, and being partially covered on one of its faces by second disjointed metal plates of a fourth metallic material which has a thermal conductivity and an electrical conductivity respectively higher than the thermal conductivity and the electrical conductivity of the third material metallic and which has a thermoelectric power different from the thermoelectric power of the third metallic material;
  • An electric current generator having two terminals respectively connected to two longitudinal ends of said second strip so as to supply said second strip with a continuous supply electric current
  • thermoelectric detection circuit disposed between the thermoelectric detection circuit and the therr ⁇ oelectric activation circuit, the insulating material of said first layer of insulating material having a thermal conductivity lower than the respective thermal conductivities of the first, second, third and fourth materials metallic;
  • first and second ribbons are parallel and superimposed in a direction perpendicular to the first entry face, and are respectively covered with first and second plates arranged substantially at right angles to each other in said perpendicular direction, or arranged in a manner that the first plates of said portion of the first ribbon are substantially in line with separation intervals between second plates of said portion of the second successive ribbon in the longitudinal direction.
  • the comparator of the invention makes it possible to detect variations in the external environment (such as a flow speed) when the latter keeps a constant temperature equal to that of the comparator.
  • the activation circuit is supplied by an electric current
  • each of the second wafers has a heated end and a cooled end by thermoelectric effect, creating local heat flows exchanged with the outside environment.
  • Each of the first wafers of the detection circuit located above a second wafer thus activated or located between two seconds successive plates thus activated, then instantly detects possible variations in these local heat fluxes, due to variations in the external environment, even without appreciable variation in the temperature thereof.
  • the structure of the heat flux comparator allows excellent detection sensitivity.
  • the comparator further comprises third plates arranged on a face of the second layer of insulating material opposite to the thermoelectric circuits.
  • the third plates are each arranged at right, in the perpendicular direction, of a respective longitudinal end of the first plates.
  • the third plates create an asymmetry between the two longitudinal ends of each first plate which makes it possible to detect thermal fluxes even in the absence of electric current in the activation circuit.
  • the heat flux comparator further comprises a second inlet face, substantially planar and parallel to the first inlet face.
  • the heat flux comparator can then exchange heat fluxes with a second external medium brought into contact with the second input face.
  • the second input face is disposed on one side of the detection and activation circuits opposite to the first input face, and a third layer of insulating material is disposed between the second input face and the thermoelectric circuits.
  • the invention also relates to methods for comparing heat fluxes using a heat flux comparator as described above.
  • the activation thermoelectric circuit is supplied with a constant direct electric current, and the electric voltage detected by the detection thermoelectric circuit is identified.
  • the value of the electric supply current of the thermoelectric activation circuit is adjusted so as to locate the value of said current which cancels the electric voltage detected by the thermoelectric detection circuit.
  • FIG. 1 is a section through an example of heat flux comparator according to the invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of part of the heat flux comparator of Figure 1;
  • FIG. 3 illustrates an example of use of a heat flux comparator according to the invention;
  • FIG. 4 is a section through a heat flux comparator according to a preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of the heat flux comparator of Figure 4.
  • FIG. 6 is a section through a heat flux comparator according to a variant of the preferred embodiment of the invention.
  • the heat flux comparator comprises a thermoelectric detection circuit formed by the metal strip 1, partially covered with a series of metal plates 2 arranged in a longitudinal direction L of the strip 1.
  • the strip 1 can be arranged in meanders juxtaposed in the same plane.
  • the direction L is then the local longitudinal direction of the ribbon 1.
  • the plates 2 are separated from each other and distributed in a substantially regular manner along the ribbon 1.
  • the plates 2 are applied to the ribbon 1 so as to have with him a good electrical contact and a good thermal contact at least at the level of two longitudinal ends of the plates 2 in the direction L.
  • the plates 2 may be rectangular in the plane of the tape 1, or of any other shape.
  • the ribbon 1 can be made of a resistive alloy known as constantan, or another resistive alloy such as chromel.
  • the plates 2 are made of a metallic material such as copper, gold, silver, nickel, aluminum, or an alloy comprising at least some of these metals.
  • the materials of the tape 1 and the plates 2 are chosen so as to have different respective thermoelectric powers, and so that the plates 2 have an electrical conductivity and a thermal conductivity greater than those of the tape 1.
  • the tape 1 is in constantan and the plates 2 are made of copper.
  • thermoelectric circuit consisting of a metal strip 3 and wafers 4 is identical to the detection circuit formed by the strip 1 and the wafers 2.
  • This second thermoelectric circuit is the activation circuit. It is arranged parallel to the detection circuit, in a position offset with respect to the detection circuit in a direction N perpendicular to the plane of the strip 1, so that the plates 2 and the plates 4 are superimposed two by two in the direction N.
  • FIG. 2 shows, in a perspective view, the superposition of the detection and activation circuits for a meandering configuration of the strips 1 and 3.
  • a layer 5 ( Figure 1) of insulating material is interposed between the detection and activation circuits.
  • Another layer 6 of insulating material covers the detection circuit, on a side opposite to the activation circuit.
  • Layers 5 and 6 can be made of Kapton® or of alumina fiber fabric, especially for high temperature applications.
  • the whole of layer 6, of the detection circuit, of layer 5 and of the activation circuit is tightened in the direction N in order to present good thermal contacts along planes perpendicular to the direction N.
  • the free face of layer 6 constitutes an input face E1 of the heat flux comparator. It can be brought into contact with an external medium 100, which can be of any kind, gaseous, liquid or solid.
  • the face of the layer 6 constituting the input face E1 can be covered with a thin metallic layer, preferably with a soft metal, so as to improve the thermal contact between the external medium 100 and the comparator.
  • the comparator is placed on a support S by its face opposite to the input face E1.
  • the layer 6 has a thermal conductivity in the direction N less than the thermal conductivity of the layer 5 in the direction N.
  • the detection and activation circuits can be considered to be almost confused with respect to the flows heat exchanged between the comparator and the medium 100, through the input face E1.
  • the strip 1 is connected by its two ends to two respective terminals of an electric voltage detector 20, such as, for example, a voltmeter.
  • the ribbon 3 is connected by its two ends to two respective terminals of an electric current generator 30, capable of delivering a direct current of adjustable intensity I.
  • the current I thus delivered then flows through the ribbon 3.
  • E2 represents the contact surface between the comparator and the support S (FIG. 1).
  • thermoelectric activation circuit being supplied with a non-zero continuous electric current by the generator 20, it creates local heat fluxes around the longitudinal ends of the plates 4.
  • the two longitudinal ends of each plate 4 are respectively heated and cooled by the Peltier effect. , known to a person skilled in the art, produced by the supply current of the activation circuit.
  • These local heat flows diffuse in the direction N through the input face E1 and reach the external medium 100.
  • the external medium 100 influences these local thermal fluxes according to its intrinsic thermal characteristics.
  • an external fluid medium 100 in movement, by its renewal in contact with the inlet face E1 promotes the local heat fluxes generated by the activation circuit.
  • the heat flux comparator of the invention makes it possible to detect changes in the thermal characteristics of an external medium, even when the external medium and the comparator have strictly equal temperatures.
  • the activation circuit powered by the current I delivered by the current source, in fact makes it possible to overcome the need for spontaneous heat fluxes through the input face of the comparator.
  • the ends of the strip 1 connected to the electrical voltage detector 20 each have an electrical polarity identical to that of the end of the strip 3 to which it is superimposed in direction N.
  • Figures 4 and 5 show a second embodiment of a heat flux comparator. Elements 1 to 6 described above are repeated identically. In particular, the plates 2 and 4 are arranged in line with each other in the direction N. A layer 7 of insulating material, identical to the layer 6 is placed against the activation circuit, on a side opposite the circuit of detection. The free face of layer 7 constitutes a second input face E2 of the heat flux comparator. The input face E2 is brought into contact with a second external medium 200.
  • plates 8 and 10 are respectively arranged on the faces of the layers 6 and 7 of insulating material facing outwards from the comparator.
  • Each plate 8 is positioned centrally relative to the first longitudinal end, in the direction L, of a plate 2 of the detection circuit, itself located in line, in the direction L, of a plate 4 of the activation circuit.
  • each plate 10 is positioned centrally relative to the second longitudinal end of a plate 2.
  • the comparator comprises as many plates 8 and plates 10 as plates 2 or 4, so that it appears to consist of thermal cells juxtaposed in the direction L, each thermal cell comprising a plate 2, a plate 4, a plate 8 and a plate 10 (see FIG. 5).
  • the plates 8 and 10 are advantageously identical to each other and can be of different types, in particular:
  • the plates 8 and 10 can be radiation reflectors, acting respectively to reflect a part of the incident radiation on the input faces E1 and E2, coming from the external media 100 and 200. They then consist of a material to high electrical conductivity such as aluminum, silver, gold, chromium, copper and alloys comprising at least one of these metals.
  • the comparator makes it possible to compare radiative fluxes emitted by flux sources disposed substantially opposite, between which the comparator is placed;
  • the plates 8 and 10 can be radiation absorbers, acting respectively to absorb part of the radiation incident on the input faces E1 and E2.
  • they can be made of a material with high absorption power, such as a black film, a ceramic or a chromium oxide, possibly combined with another metal.
  • a comparator is then identical to that of a comparator with reflecting plates 8 and 10;
  • the plates 8 and 10 can constitute thermal bridges between layers of insulating material forming the entry faces E1 and E2 and the layers 6 and 7.
  • FIG. 6 represents an example of a heat flux comparator having such a structure.
  • Two additional layers of insulating material 9 and 11 are arranged on either side of layers 6 and 7, parallel to the latter and on the side of each opposite to the thermoelectric circuits.
  • the layers 9 and 11 are respectively separated from the layers 6 and 7 by the plates 8 and 10.
  • the plates 8 and 10 can be made of an epoxy type material or of a metallic material such as copper, aluminum, silver, chromium, nickel and an alloy comprising at least one of these metals.
  • a volume of thermal insulation 12 can be arranged between neighboring plates 8 or between neighboring plates 10, in a separation interval between layers 6 and 9 for plates 8, and between layers 7 and 11 for plates 10.
  • the volumes 12 can be empty or filled with gas.
  • the ends of the ribbon 1 are connected to the terminals of an electric voltage detector 20, and the ribbon 3 is connected to the terminals of a current generator 30 (FIG. 3), which delivers a direct current I in the ribbon 3.
  • the voltmeter 20 measures an electric voltage representative of a balance of the thermal fluxes incident on the input faces El and E2 of the comparator, according to an operation identical to that of any known thermal detector.
  • a variation in the thermal fluxes incident on the input faces E1 and E2 is detected in the form of a variation in the intensity of the supply current to the activation circuit which is necessary to compensate for the variation in the electric voltage generated in the comparator by said variation in heat fluxes.
  • the electrical polarities of the ends of the ribbons 1 and 3 superimposed in the direction N can have identical or opposite electrical polarities, depending on the type of plates 8 and 10.
  • the comparator has the structure shown in FIG. 1, supplemented by plates 8, and possibly a layer of insulating material 9, arranged on the layer 6 of as described above.
  • such a comparator may also have an operation by reflection or absorption of radiation, or by thermal bridges, with respect to the external medium 100 in contact with the face of input E1.
  • the comparator can also possibly be placed on a support (S) by its face opposite to the input face E1.
  • S support
  • thermoelectric detection circuit and a thermoelectric activation circuit associated in one of the ways described above.

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Abstract

The invention concerns a thermal flow comparator comprising a thermoelectric activating circuit consisting of a metal strip (3) partly covered with wafers (4). The activating circuit is arranged parallel to a detecting thermoelectric circuit consisting of another metal strip (1) and associated wafers (2). The detecting and activating circuits have respective superimposed circuit portions, such that each wafer in said detecting circuit portion is superimposed to a wafer of said activating circuit portion, or superimposed to a gap between two successive wafers of said activating circuit portion. The activating circuit is connected to an electric current generator (30) and the detecting circuit is connected to an electric voltage sensor.

Description

COMPARATEUR DE FLUX THERMIQUES COMPORTANT UN CIRCUIT THERMAL FLOW COMPARATOR HAVING A CIRCUIT
D'ACTIVATIONACTIVATION
La présente invention concerne un comparateur de flux thermiques comportant un circuit d'activation, plus particulièrement adapté pour mesurer des variations de flux thermiques dans diverses applications, telles que la détection d'écoulement d'un fluide.The present invention relates to a heat flux comparator comprising an activation circuit, more particularly suitable for measuring variations in heat flux in various applications, such as the detection of flow of a fluid.
Par opposition à des dispositifs de mesure de la température d'un milieu extérieur, des dispositifs de détection thermique connus permettent la détection de flux thermiques sans qu'existe aucune variation de température. Un tel dispositif est appelé comparateur de flux thermiques. La demande de brevet français n°01 15310 décrit un tel dispositif qui permet la comparaison de flux thermiques instantanés en provenance de deux milieux extérieurs avec lesquels les deux faces du dispositif sont respectivement mises en contact.In contrast to devices for measuring the temperature of an external environment, known thermal detection devices allow the detection of thermal fluxes without any variation in temperature. Such a device is called a heat flux comparator. French patent application No. 01 15310 describes such a device which allows the comparison of instantaneous heat fluxes coming from two external environments with which the two faces of the device are respectively brought into contact.
Un tel comparateur de flux thermiques nécessite néanmoins que des flux thermiques soient échangés entre l'un des milieux extérieurs et le comparateur. Lorsque le ou les milieux extérieurs sont, de façon permanente, rigoureusement à la même température que le comparateur, aucun flux thermique n'est échangé et le comparateur ne fournit aucun signal de détection. De telles conditions sont par exemple réalisées lorsque l'un des milieux extérieurs est un fluide en mouvement par rapport au comparateur, et que la vitesse du fluide varie sans que la température du fluide soit modifiée. Le comparateur de la demande de brevet français n°01 15310 est alors inopérant pour détecter une variation de la vitesse d'écoulement du milieu fluide. Par ailleurs, des détecteurs thermiques sont aussi connus, qui comprennent un circuit d'activation et permettent de détecter des variations d'un milieu extérieur telles qu'un changement d'une vitesse d'écoulement. La demande de brevet européen 0 446 546 décrit un tel détecteur, mais sa sensibilité est particulièrement faible. De plus, son fonctionnement ne permet pas de détection lorsque le circuit d'activation est alimenté électriquement. Des périodes d'activation et des périodes de mesure doivent alors être alternées, ce qui engendre un mode opératoire compliqué et nécessite des moyens de commande complexes.Such a heat flux comparator nevertheless requires that heat fluxes be exchanged between one of the external media and the comparator. When the external environment (s) are permanently at the same temperature as the comparator, no heat flux is exchanged and the comparator does not provide any detection signal. Such conditions are for example achieved when one of the external media is a fluid in motion relative to the comparator, and the speed of the fluid varies without the temperature of the fluid being modified. The comparator of the French patent application n ° 01 15310 is then inoperative to detect a variation in the flow speed of the fluid medium. Furthermore, thermal detectors are also known, which include an activation circuit and make it possible to detect variations in an external medium such as a change in a flow speed. European patent application 0 446 546 describes such a detector, but its sensitivity is particularly low. In addition, its operation does not allow detection when the activation circuit is electrically supplied. Activation periods and measurement periods must then be alternated, this which generates a complicated operating mode and requires complex control means.
La présente invention a pour but de fournir un comparateur de flux thermiques très sensible et facile d'utilisation. L'invention concerne un comparateur de flux thermiques ayant au moins une première face d'entrée sensiblement plane et pouvant échanger des flux thermiques avec un premier milieu extérieur avec lequel ladite première face d'entrée est mise en contact. Le comparateur comprend :The object of the present invention is to provide a very sensitive and easy to use heat flux comparator. The invention relates to a heat flux comparator having at least a first substantially planar inlet face and capable of exchanging heat flows with a first external medium with which said first inlet face is brought into contact. The comparator includes:
- un circuit thermoélectrique de détection ayant une direction longitudinale déterminée située dans un plan sensiblement parallèle à la première face d'entrée, comprenant au moins un premier ruban d'un premier matériau métallique possédant une conductivité thermique déterminée, une conductivité électrique déterminée et un pouvoir thermoélectrique déterminé, ayant au moins deux faces, et étant partiellement recouvert sur l'une de ses faces par de premières plaquettes métalliques disjointes d'un second matériau métallique qui possède une conductivité thermique et une conductivité électrique respectivement supérieures à la conductivité thermique et à la conductivité électrique du premier matériau métallique et qui possède un pouvoir thermoélectrique différent du pouvoir thermoélectrique du premier matériau métallique ;a thermoelectric detection circuit having a determined longitudinal direction situated in a plane substantially parallel to the first input face, comprising at least a first strip of a first metallic material having a determined thermal conductivity, a determined electrical conductivity and a power thermoelectric determined, having at least two faces, and being partially covered on one of its faces by first disjointed metallic plates of a second metallic material which has a thermal conductivity and an electrical conductivity respectively higher than the thermal conductivity and the electrical conductivity of the first metallic material and which has a thermoelectric power different from the thermoelectric power of the first metallic material;
- un dispositif de détection d'une tension électrique ayant deux bornes respectivement reliées à deux extrémités longitudinales dudit premier ruban ;- a device for detecting an electric voltage having two terminals respectively connected to two longitudinal ends of said first strip;
- un circuit thermoélectrique d'activation, comprenant au moins un second ruban d'un troisième matériau métallique possédant une conductivité thermique déterminée, une conductivité électrique déterminée et un pouvoir thermoélectrique déterminé, ayant au moins deux faces, et étant partiellement recouvert sur l'une de ses faces par de secondes plaquettes métalliques disjointes d'un quatrième matériau métallique qui possède une conductivité thermique et une conductivité électrique respectivement supérieures à la conductivité thermique et à la conductivité électrique du troisième matériau métallique et qui possède un pouvoir thermoélectrique différent du pouvoir thermoélectrique du troisième matériau métallique ;- a thermoelectric activation circuit, comprising at least a second strip of a third metallic material having a determined thermal conductivity, a determined electrical conductivity and a determined thermoelectric power, having at least two faces, and being partially covered on one of its faces by second disjointed metal plates of a fourth metallic material which has a thermal conductivity and an electrical conductivity respectively higher than the thermal conductivity and the electrical conductivity of the third material metallic and which has a thermoelectric power different from the thermoelectric power of the third metallic material;
- un générateur de courant électrique ayant deux bornes respectivement reliées à deux extrémités longitudinales dudit second ruban de manière à alimenter ledit second ruban avec un courant électrique d'alimentation continu ;- An electric current generator having two terminals respectively connected to two longitudinal ends of said second strip so as to supply said second strip with a continuous supply electric current;
- une première couche de matériau isolant disposée entre le circuit thermoélectrique de détection et le circuit therrήoélectrique d'activation, le matériau isolant de ladite première couche de matériau isolant possédant une conductivité thermique inférieure aux conductivités thermiques respectives des premier, second, troisième et quatrième matériaux métalliques ; eta first layer of insulating material disposed between the thermoelectric detection circuit and the therrήoelectric activation circuit, the insulating material of said first layer of insulating material having a thermal conductivity lower than the respective thermal conductivities of the first, second, third and fourth materials metallic; and
- une seconde couché de matériau isolant disposée entre la première face d'entrée d'une part et le circuit thermoélectrique de détection et le circuit thermoélectrique d'activation d'autre part. Des portions respectives des premier et second rubans sont parallèles et superposées selon une direction perpendiculaire à la première face d'entrée, et sont recouvertes respectivement de premières et secondes plaquettes disposées sensiblement au droit les unes des autres selon ladite direction perpendiculaire, ou disposées de façon à ce que les premières plaquettes de ladite portion du premier ruban soient sensiblement au droit d'intervalles de séparation entre des secondes plaquettes de ladite portion du second ruban successives selon la direction longitudinale.- A second layer of insulating material placed between the first input face on the one hand and the thermoelectric detection circuit and the thermoelectric activation circuit on the other hand. Respective portions of the first and second ribbons are parallel and superimposed in a direction perpendicular to the first entry face, and are respectively covered with first and second plates arranged substantially at right angles to each other in said perpendicular direction, or arranged in a manner that the first plates of said portion of the first ribbon are substantially in line with separation intervals between second plates of said portion of the second successive ribbon in the longitudinal direction.
Grâce à cette disposition des premières plaquettes par rapport aux secondes plaquettes dans des portions des circuits de détection et d'activation le comparateur de l'invention permet de détecter des variations du milieu extérieur (telles qu'une vitesse d'écoulement) lorsque celui garde une température constante et égale à celle du comparateur. Lorsque le circuit d'activation est alimenté par un courant électrique, chacune des secondes plaquettes présente une extrémité chauffée et une extrémité refroidie par effet thermoélectrique, créant des flux thermiques locaux échangés avec le milieu extérieur. Chacune des premières plaquettes du circuit de détection située au dessus d'une seconde plaquette ainsi activée ou située entre deux secondes plaquettes successives ainsi activées, détecte alors instantanément d'éventuelles variations de ces flux thermiques locaux, dues à des variations du milieu extérieur, même sans variation sensible de la température de celui-ci.Thanks to this arrangement of the first wafers relative to the second wafers in portions of the detection and activation circuits, the comparator of the invention makes it possible to detect variations in the external environment (such as a flow speed) when the latter keeps a constant temperature equal to that of the comparator. When the activation circuit is supplied by an electric current, each of the second wafers has a heated end and a cooled end by thermoelectric effect, creating local heat flows exchanged with the outside environment. Each of the first wafers of the detection circuit located above a second wafer thus activated or located between two seconds successive plates thus activated, then instantly detects possible variations in these local heat fluxes, due to variations in the external environment, even without appreciable variation in the temperature thereof.
De plus, la structure du comparateur de flux thermiques permet une excellente sensibilité de détection.In addition, the structure of the heat flux comparator allows excellent detection sensitivity.
Enfin, son utilisation est particulièrement simple, étant donné la possibilité d'alimentation du- circuit d'activation pendant la durée des mesures. Cette possibilité procure ainsi une bonne stabilité de la détection.Finally, its use is particularly simple, given the possibility of supplying the activation circuit for the duration of the measurements. This possibility thus provides good detection stability.
Selon un mode de réalisation, le comparateur comprend en outre des troisièmes plaquettes disposées sur une face de la seconde couche de matériau isolant opposée aux circuits thermoélectriqύes. Les troisièmes plaquettes sont disposées chacune au droit, selon la direction perpendiculaire, d'une extrémité longitudinale respective des premières plaquettes. Les troisièmes plaquettes créent une dissymétrie entre les deux extrémités longitudinales de chaque première plaquette qui permet de détecter des flux thermiques même en l'absence de courant électrique dans le circuit d'activation.According to one embodiment, the comparator further comprises third plates arranged on a face of the second layer of insulating material opposite to the thermoelectric circuits. The third plates are each arranged at right, in the perpendicular direction, of a respective longitudinal end of the first plates. The third plates create an asymmetry between the two longitudinal ends of each first plate which makes it possible to detect thermal fluxes even in the absence of electric current in the activation circuit.
Dans un autre mode de réalisation, le comparateur de flux thermiques comprend en outre une seconde face d'entrée, sensiblement plane et parallèle à la première face d'entrée. Le comparateur de flux thermique peut alors échanger des flux thermiques avec un second milieu extérieur mis en contact avec la seconde face d'entrée. La seconde face d'entrée est disposée d'un côté des circuits de détection et d'activation opposé à la première face d'entrée, et une troisième couche de matériau isolant est disposée entre la seconde face d'entrée et les circuits thermoélectriques.In another embodiment, the heat flux comparator further comprises a second inlet face, substantially planar and parallel to the first inlet face. The heat flux comparator can then exchange heat fluxes with a second external medium brought into contact with the second input face. The second input face is disposed on one side of the detection and activation circuits opposite to the first input face, and a third layer of insulating material is disposed between the second input face and the thermoelectric circuits.
Une telle configuration du comparateur thermique réduit l'influence des caractéristiques thermiques du dispositif de détection lui-même sur les signaux de détection obtenus. Ces signaux dépendent alors essentiellement des caractéristiques thermiques des deux milieux extérieurs. L'invention concerne par ailleurs des procédés de comparaison de flux thermiques utilisant un comparateur dé flux thermiques tel que décrit précédemment. Dans un premier exemple, on alimente le circuit thermoélectrique d'activation avec un courant électrique continu constant, et on repère la tension électrique détectée par le circuit thermoélectrique de détection.Such a configuration of the thermal comparator reduces the influence of the thermal characteristics of the detection device itself on the detection signals obtained. These signals then essentially depend on the thermal characteristics of the two external media. The invention also relates to methods for comparing heat fluxes using a heat flux comparator as described above. In a first example, the activation thermoelectric circuit is supplied with a constant direct electric current, and the electric voltage detected by the detection thermoelectric circuit is identified.
Dans un second exemple, on ajuste la valeur du courant électrique d'alimentation du circuit thermoélectrique d'activation de façon à repérer la valeur dudit courant qui annule la tension électrique détectée par le circuit thermoélectrique de détection.In a second example, the value of the electric supply current of the thermoelectric activation circuit is adjusted so as to locate the value of said current which cancels the electric voltage detected by the thermoelectric detection circuit.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après de deux exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :Other features and advantages of the present invention will appear in the description below of two nonlimiting exemplary embodiments, with reference to the appended drawings, in which:
- la figure 1 est une coupe d'un exemple de comparateur de flux thermiques selon l'invention ;- Figure 1 is a section through an example of heat flux comparator according to the invention;
- la figure 2 est une vue en perspective éclatée d'une partie du comparateur de flux thermiques de la figure 1 ; - la figure 3 illustre un exemple d'utilisation d'un comparateur de flux thermiques selon l'invention ;- Figure 2 is an exploded perspective view of part of the heat flux comparator of Figure 1; - Figure 3 illustrates an example of use of a heat flux comparator according to the invention;
- la figure 4 est une coupe d'un comparateur de flux thermiques selon un mode de réalisation préféré de l'invention ;- Figure 4 is a section through a heat flux comparator according to a preferred embodiment of the invention;
- la figure 5 est une vue en perspective éclatée du comparateur de flux thermiques de la figure 4 ;- Figure 5 is an exploded perspective view of the heat flux comparator of Figure 4;
- la figure 6 est une coupe d'un comparateur de flux thermiques selon une variante du mode de réalisation préféré de l'invention.- Figure 6 is a section through a heat flux comparator according to a variant of the preferred embodiment of the invention.
Selon la figure 1 , le comparateur de flux thermiques comprend un circuit thermoélectrique de détection formé du ruban métallique 1 , partiellement recouvert d'une série de plaquettes métalliques 2 disposées selon une direction longitudinale L du ruban 1. Le ruban 1 peut être disposé en méandres juxtaposés dans un même plan. La direction L est alors là direction longitudinale locale du ruban 1. Les plaquettes 2 sont disjointes les unes des autres et réparties d'une façon sensiblement régulière le long du ruban 1. Les plaquettes 2 sont appliquées sur le ruban 1 de façon à avoir avec lui un bon contact électrique et un bon contact thermique au moins au niveau de deux extrémités longitudinales des plaquettes 2 selon la direction L. Les plaquettes 2 peuvent être rectangulaires dans le plan du ruban 1 , ou de toute autre forme.According to FIG. 1, the heat flux comparator comprises a thermoelectric detection circuit formed by the metal strip 1, partially covered with a series of metal plates 2 arranged in a longitudinal direction L of the strip 1. The strip 1 can be arranged in meanders juxtaposed in the same plane. The direction L is then the local longitudinal direction of the ribbon 1. The plates 2 are separated from each other and distributed in a substantially regular manner along the ribbon 1. The plates 2 are applied to the ribbon 1 so as to have with him a good electrical contact and a good thermal contact at least at the level of two longitudinal ends of the plates 2 in the direction L. The plates 2 may be rectangular in the plane of the tape 1, or of any other shape.
Le ruban 1 peut être en un alliage résistif connu sous l'appellation de constantan, ou en un autre alliage résistif tel que le chromel. Les plaquettes 2 sont constituées d'un matériau métallique tel que le cuivre, l'or, l'argent, le nickel, l'aluminium, ou un alliage comprenant certains au moins de ces métaux. Les matériaux du ruban 1 et des plaquettes 2 sont choisis de façon à présenter des pouvoirs thermoélectriques respectifs différents, et de sorte que les plaquettes 2 présentent une conductivité électrique et une conductivité thermique supérieures à celles du ruban 1. Par exemple, le ruban 1 est en constantan et les plaquettes 2 sont en cuivre.The ribbon 1 can be made of a resistive alloy known as constantan, or another resistive alloy such as chromel. The plates 2 are made of a metallic material such as copper, gold, silver, nickel, aluminum, or an alloy comprising at least some of these metals. The materials of the tape 1 and the plates 2 are chosen so as to have different respective thermoelectric powers, and so that the plates 2 have an electrical conductivity and a thermal conductivity greater than those of the tape 1. For example, the tape 1 is in constantan and the plates 2 are made of copper.
Un second circuit thermoélectrique constitué d'un ruban métallique 3 et de plaquettes 4 est identique au circuit de détection formé par le ruban 1 et les plaquettes 2. Ce second circuit thermoélectrique est le circuit d'activation. Il est disposé parallèlement au circuit de détection, dans une position décalée par rapport au circuit de détection selon une direction N perpendiculaire au plan du ruban 1 , de sorte que les plaquettes 2 et les plaquettes 4 sont superposées deux à deux selon la direction N. La figure 2 montre, selon une vue en perspective, la superposition des circuits de détection et d'activation pour une configuration en méandres des rubans 1 et 3.A second thermoelectric circuit consisting of a metal strip 3 and wafers 4 is identical to the detection circuit formed by the strip 1 and the wafers 2. This second thermoelectric circuit is the activation circuit. It is arranged parallel to the detection circuit, in a position offset with respect to the detection circuit in a direction N perpendicular to the plane of the strip 1, so that the plates 2 and the plates 4 are superimposed two by two in the direction N. FIG. 2 shows, in a perspective view, the superposition of the detection and activation circuits for a meandering configuration of the strips 1 and 3.
Une couche 5 (figure 1) de matériau isolant est intercalée entre les circuits de détection et d'activation. Une autre couche 6 de matériau isolant recouvre le circuit de détection, d'un côté opposé au circuit d'activation. Les couches 5 et 6 peuvent être en Kapton® ou en tissu de fibre d'alumine notamment pour les applications à haute température. L'ensemble de la couche 6, du circuit de détection, de la couche 5 et du circuit d'activation est resserré selon la direction N afin de présenter de bons contacts thermiques selon des plans perpendiculaires à la direction N.A layer 5 (Figure 1) of insulating material is interposed between the detection and activation circuits. Another layer 6 of insulating material covers the detection circuit, on a side opposite to the activation circuit. Layers 5 and 6 can be made of Kapton® or of alumina fiber fabric, especially for high temperature applications. The whole of layer 6, of the detection circuit, of layer 5 and of the activation circuit is tightened in the direction N in order to present good thermal contacts along planes perpendicular to the direction N.
La face libre de la couche 6 constitue une face d'entrée E1 du comparateur de flux thermiques. Elle peut être mise en contact avec un milieu extérieur 100, pouvant être de nature quelconque, gazeuse, liquide ou solide.The free face of layer 6 constitutes an input face E1 of the heat flux comparator. It can be brought into contact with an external medium 100, which can be of any kind, gaseous, liquid or solid.
Eventuellement, lorsque le milieu 100 est solide, la face de la couche 6 constituant la face d'entrée E1 peut être recouverte d'une fine couche métallique, de préférence d'un métal mou, de façon à améliorer le contact thermique entre le milieu extérieur 100 et le comparateur. Par ailleurs, le comparateur est placé sur un support S par sa face opposée à la face d'entrée E1.Optionally, when the medium 100 is solid, the face of the layer 6 constituting the input face E1 can be covered with a thin metallic layer, preferably with a soft metal, so as to improve the thermal contact between the external medium 100 and the comparator. Furthermore, the comparator is placed on a support S by its face opposite to the input face E1.
De préférence, la couche 6 possède une conductivité thermique selon la direction N inférieure à la conductivité thermique de la couche 5 selon la direction N. Ainsi les circuits de détection et d'activation peuvent être considérés comme presque confondus vis-à-vis des flux thermiques échangés entre le comparateur et le milieu 100, au travers de la face d'entrée E1.Preferably, the layer 6 has a thermal conductivity in the direction N less than the thermal conductivity of the layer 5 in the direction N. Thus the detection and activation circuits can be considered to be almost confused with respect to the flows heat exchanged between the comparator and the medium 100, through the input face E1.
Selon la figure 3, le ruban 1 est relié par ses deux extrémités à deux bornes respectives d'un détecteur de tension électrique 20, tel que, par exemple, un voltmètre. Le ruban 3 est relié par ses deux extrémités à deux bornes respectives d'un générateur de courant électrique 30, pouvant délivrer un courant continu d'intensité I ajustable. Le courant I ainsi délivré circule alors dans le ruban 3. Sur la figure 3, E2 représente la surface de contact entre le comparateur et le support S (figure 1 ).According to Figure 3, the strip 1 is connected by its two ends to two respective terminals of an electric voltage detector 20, such as, for example, a voltmeter. The ribbon 3 is connected by its two ends to two respective terminals of an electric current generator 30, capable of delivering a direct current of adjustable intensity I. The current I thus delivered then flows through the ribbon 3. In FIG. 3, E2 represents the contact surface between the comparator and the support S (FIG. 1).
Le circuit thermoélectrique d'activation étant alimenté avec un courant électrique continu non nul par le générateur 20, il crée des flux thermiques locaux autour des extrémités longitudinales des plaquettes 4. Les deux extrémités longitudinales de chaque plaquette 4 sont respectivement chauffée et refroidie par effet Peltier, connu de l'Homme du métier, produit par le courant d'alimentation du circuit d'activation. Ces flux thermiques locaux diffusent selon la direction N au travers de la face d'entrée E1 et atteignent le milieu extérieur 100. Le milieu extérieur 100 influence alors ces flux thermiques locaux selon ses caractéristiques thermiques intrinsèques. En particulier, un milieu extérieur 100 fluide en mouvement, par son renouvellement au contact de la face d'entrée E1, favorise les flux thermiques locaux engendrés par le circuit d'activation. On repère alors, au moyen du voltmètre 30, une tension électrique représentative de l'ensemble des flux thermiques locaux et des caractéristiques thermiques du milieu extérieur 100. Lorsque le courant I est maintenu constant, les variations de cette tension révèlent des variations du milieu 100, tel qu'un changement de sa vitesse d'écoulement, par exemple. Ainsi, le comparateur de flux thermiques de l'invention permet de détecter des changements de caractéristiques thermiques d'un milieu extérieur, même lorsque le milieu extérieur et le comparateur ont des températures rigoureusement égales. Le circuit d'activation, alimenté par le courant I délivré par la source de courant, permet en effet de s'affranchir de la nécessité de flux thermiques spontanés au travers de la face d'entrée du comparateur.The thermoelectric activation circuit being supplied with a non-zero continuous electric current by the generator 20, it creates local heat fluxes around the longitudinal ends of the plates 4. The two longitudinal ends of each plate 4 are respectively heated and cooled by the Peltier effect. , known to a person skilled in the art, produced by the supply current of the activation circuit. These local heat flows diffuse in the direction N through the input face E1 and reach the external medium 100. The external medium 100 then influences these local thermal fluxes according to its intrinsic thermal characteristics. In particular, an external fluid medium 100 in movement, by its renewal in contact with the inlet face E1, promotes the local heat fluxes generated by the activation circuit. We then identify, by means of the voltmeter 30, an electrical voltage representative of all of the local heat fluxes and of the thermal characteristics of the external medium 100. When the current I is kept constant, the variations of this voltage reveal variations of the medium 100 , such as change in its flow velocity, for example. Thus, the heat flux comparator of the invention makes it possible to detect changes in the thermal characteristics of an external medium, even when the external medium and the comparator have strictly equal temperatures. The activation circuit, powered by the current I delivered by the current source, in fact makes it possible to overcome the need for spontaneous heat fluxes through the input face of the comparator.
Pour une disposition , relative des plaquettes 2 et 4 telle que représentée sur les figures 1 et 2, les extrémités du ruban 1 connectées au détecteur de tension électrique 20 présentent chacune une polarité électrique identique à celle de l'extrémité du ruban 3 à laquelle elle est superposée selon la direction N.For a relative arrangement of plates 2 and 4 as shown in FIGS. 1 and 2, the ends of the strip 1 connected to the electrical voltage detector 20 each have an electrical polarity identical to that of the end of the strip 3 to which it is superimposed in direction N.
Pour un comparateur de flux thermiques de structure analogue à celle des figures 1 et 2, mais dans lequel les plaquettes 2 sont chacune disposées au droit d'un intervalle de séparation entre deux plaquettes 4 successives, les extrémités superposées des rubans 1 et 3 présentent des polarités électriques opposées lors de l'utilisation de ce détecteur de la façon décrite précédemment.For a heat flux comparator with a structure similar to that of FIGS. 1 and 2, but in which the plates 2 are each arranged in line with a separation interval between two successive plates 4, the superimposed ends of the strips 1 and 3 have opposite electrical polarities when using this detector as described above.
Les figures 4 et 5 représentent un deuxième mode de réalisation d'un comparateur de flux thermiques. Les éléments 1 à 6 décrits précédemment sont repris de façon identique. En particulier, les plaquettes 2 et 4 sont disposées au droit les unes des autres selon la direction N. Une couche 7 de matériau isolant, identique à la couche 6 est disposée contre le circuit d'activation, d'un côté opposé au circuit de détection. La face libre de la couche 7 constitue une seconde face d'entrée E2 du comparateur de flux thermiques. La face d'entrée E2 est mise en contact avec un second milieu extérieur 200.Figures 4 and 5 show a second embodiment of a heat flux comparator. Elements 1 to 6 described above are repeated identically. In particular, the plates 2 and 4 are arranged in line with each other in the direction N. A layer 7 of insulating material, identical to the layer 6 is placed against the activation circuit, on a side opposite the circuit of detection. The free face of layer 7 constitutes a second input face E2 of the heat flux comparator. The input face E2 is brought into contact with a second external medium 200.
Selon ce deuxième mode de réalisation du comparateur, des plaquettes 8 et 10 sont respectivement disposées sur les faces des couches 6 et 7 de matériau isolant tournées vers l'extérieur du comparateur. Chaque plaquette 8 est positionnée de façon centrée par rapport à la première extrémité longitudinale, selon la direction L, d'une plaquette 2 du circuit de détection, elle-même située au droit, selon la direction L, d'une plaquette 4 du circuit d'activation. De même, chaque plaquette 10 est positionnée de façon centrée par rapport à la seconde extrémité longitudinale d'une plaquette 2. Le comparateur comprend autant de plaquettes 8 et de plaquettes 10 que de plaquettes 2 ou 4, si bien qu'il apparaît constitué de cellules thermiques juxtaposées selon la direction L, chaque cellule thermique comprenant une plaquette 2, une plaquette 4, une plaquette 8 et une plaquette 10 (voir figure 5).According to this second embodiment of the comparator, plates 8 and 10 are respectively arranged on the faces of the layers 6 and 7 of insulating material facing outwards from the comparator. Each plate 8 is positioned centrally relative to the first longitudinal end, in the direction L, of a plate 2 of the detection circuit, itself located in line, in the direction L, of a plate 4 of the activation circuit. Likewise, each plate 10 is positioned centrally relative to the second longitudinal end of a plate 2. The comparator comprises as many plates 8 and plates 10 as plates 2 or 4, so that it appears to consist of thermal cells juxtaposed in the direction L, each thermal cell comprising a plate 2, a plate 4, a plate 8 and a plate 10 (see FIG. 5).
Les plaquettes 8 et 10 sont avantageusement identiques entre elles et peuvent être de différents types, notamment :The plates 8 and 10 are advantageously identical to each other and can be of different types, in particular:
- les plaquettes 8 et 10 peuvent être des réflecteurs de rayonnement, agissant respectivement pour réfléchir une partie des rayonnements incidents sur les faces d'entrée E1 et E2, en provenance des milieux extérieurs 100 et 200. Elles sont alors constituées d'un matériau à haute conductivité électrique tel que l'aluminium, l'argent, l'or, le chrome, le cuivre et des alliages comprenant au moins l'un de ces métaux. Dans ce cas, le comparateur permet de comparer des flux radiatifs émis par des sources de flux disposées sensiblement en vis-à-vis, entre lesquelles le comparateur est placé ;the plates 8 and 10 can be radiation reflectors, acting respectively to reflect a part of the incident radiation on the input faces E1 and E2, coming from the external media 100 and 200. They then consist of a material to high electrical conductivity such as aluminum, silver, gold, chromium, copper and alloys comprising at least one of these metals. In this case, the comparator makes it possible to compare radiative fluxes emitted by flux sources disposed substantially opposite, between which the comparator is placed;
- les plaquettes 8 et 10 peuvent être des absorbeurs de rayonnement, agissant respectivement pour absorber une partie des rayonnements incidents sur les faces d'entrée E1 et E2. Dans ce cas, elles peuvent être constituées d'un matériau à fort pouvoir d'absorption, tel qu'un film noir, une céramique ou un oxyde de chrome, éventuellement combiné avec un autre métal. L'utilisation d'un tel comparateur est alors identique à celle d'un comparateur à plaquettes 8 et 10 réfléchissantes ;- The plates 8 and 10 can be radiation absorbers, acting respectively to absorb part of the radiation incident on the input faces E1 and E2. In this case, they can be made of a material with high absorption power, such as a black film, a ceramic or a chromium oxide, possibly combined with another metal. The use of such a comparator is then identical to that of a comparator with reflecting plates 8 and 10;
- les plaquettes 8 et 10 peuvent constituer des ponts thermiques entre des couches de matériau isolant formant les faces d'entrée E1 et E2 et les couches 6 et 7. La figure 6 représente un exemple de comparateur de flux thermiques ayant une telle structure. Deux couches supplémentaires de matériau isolant 9 et 11 sont disposées de part et d'autre des couches 6 et 7, parallèlement à ces dernières et du côté de chacune opposé aux circuits thermoélectriques. Les couches 9 et 11 sont respectivement séparées des couches 6 et 7 par les plaquettes 8 et 10. Les plaquettes 8 et 10 peuvent être constituées d'un matériau de type époxy ou d'un matériau métallique tel que le cuivre, l'aluminium, l'argent, le chrome, le nickel et un alliage comprenant au moins l'un de ces métaux. Avantageusement, un volume d'isolation thermique 12 peut être agencé entre des plaquettes 8 voisines ou entre des plaquettes 10 voisines, dans un intervalle de séparation entre les couches 6 et 9 pour les plaquettes 8, et entre les couches 7 et 11 pour les plaquettes 10. Pour obtenir un comparateur ayant une sensibilité accrue, les volumes 12 peuvent être vides ou remplis de gaz.- The plates 8 and 10 can constitute thermal bridges between layers of insulating material forming the entry faces E1 and E2 and the layers 6 and 7. FIG. 6 represents an example of a heat flux comparator having such a structure. Two additional layers of insulating material 9 and 11 are arranged on either side of layers 6 and 7, parallel to the latter and on the side of each opposite to the thermoelectric circuits. The layers 9 and 11 are respectively separated from the layers 6 and 7 by the plates 8 and 10. The plates 8 and 10 can be made of an epoxy type material or of a metallic material such as copper, aluminum, silver, chromium, nickel and an alloy comprising at least one of these metals. Advantageously, a volume of thermal insulation 12 can be arranged between neighboring plates 8 or between neighboring plates 10, in a separation interval between layers 6 and 9 for plates 8, and between layers 7 and 11 for plates 10. To obtain a comparator with increased sensitivity, the volumes 12 can be empty or filled with gas.
De même que précédemment, les extrémités du ruban 1 sont connectées aux bornes d'un détecteur de tension électrique 20, et le ruban 3 est connecté aux bornes d'un générateur de courant 30 (figure 3), qui délivre un courant continu I dans le ruban 3.As before, the ends of the ribbon 1 are connected to the terminals of an electric voltage detector 20, and the ribbon 3 is connected to the terminals of a current generator 30 (FIG. 3), which delivers a direct current I in the ribbon 3.
En l'absence de courant électrique délivré par le générateur 30 (c'est- à-dire pour l=0), le voltmètre 20 mesure une tension électrique représentative d'un bilan des flux thermiques incidents sur les faces d'entrée El et E2 du comparateur, selon un fonctionnement identique à celui de tout détecteur thermique connu par ailleurs.In the absence of electric current delivered by the generator 30 (that is to say for l = 0), the voltmeter 20 measures an electric voltage representative of a balance of the thermal fluxes incident on the input faces El and E2 of the comparator, according to an operation identical to that of any known thermal detector.
L'utilisation d'un comparateur selon le deuxième mode de réalisation avec un courant d'alimentation I non nul; qui va être décrite maintenant, permet de mesurer de façon particulièrement précise des flux thermiques provenant des milieux extérieurs 100 et 200, respectivement au travers des faces d'entrée E1 et E2. Pour cela, on ajuste la valeur du courant électrique d'alimentation I délivré par le générateur 30 de façon à annuler la tension électrique détectée par le voltmètre 20. Une telle méthode de mesure, qualifiée de méthode «par compensation», permet notamment de réaliser un étalonnage du comparateur préalable à la mesure. On repère ainsi la valeur du courant délivré par le générateur 30 qui annule la tension aux bornes du ruban 1. Ensuite, une variation des flux thermiques incidents sur les faces d'entrée E1 et E2 est détectée sous forme d'une variation de l'intensité du courant d'alimentation du circuit d'activation qui est nécessaire pour compenser la variation de la tension électrique générée dans le comparateur par ladite variation des flux thermiques.The use of a comparator according to the second embodiment with a non-zero supply current I; which will now be described, makes it possible to measure in a particularly precise manner heat fluxes coming from external environments 100 and 200, respectively through the input faces E1 and E2. For this, the value of the electric supply current I delivered by the generator 30 is adjusted so as to cancel the electric voltage detected by the voltmeter 20. Such a measurement method, qualified as a "compensation" method, makes it possible in particular to carry out a calibration of the comparator before the measurement. The value of the current delivered by the generator 30 which cancels the voltage across the ribbon 1 is thus identified. Next, a variation in the thermal fluxes incident on the input faces E1 and E2 is detected in the form of a variation in the intensity of the supply current to the activation circuit which is necessary to compensate for the variation in the electric voltage generated in the comparator by said variation in heat fluxes.
Lors de cette utilisation du comparateur, les polarités électriques des extrémités des rubans 1 et 3 superposées selon la direction N peuvent présenter des polarités électriques identiques ou opposées, en fonction du type des plaquettes 8 et 10.When using the comparator, the electrical polarities of the ends of the ribbons 1 and 3 superimposed in the direction N can have identical or opposite electrical polarities, depending on the type of plates 8 and 10.
Pour un comparateur de flux thermiques de structure analogue à celle des figures 4 à 6, mais dans lequel les plaquettes 2 sont chacune disposées au droit d'un intervalle de séparation de deux plaquettes 4 successives, les polarités électriques des extrémités du ruban 3 peuvent être inversées par rapport au cas précédent, lors de l'utilisation de ce détecteur selon la méthode par compensation. Selon un troisième mode de réalisation, qui correspond à une simplification du deuxième mode de réalisation, le comparateur présente la structure représentée à la figure 1 , complétée par des plaquettes 8, et éventuellement une couche de matériau isolant 9, disposées sur la couche 6 de la façon décrite plus haut. Selon la nature des plaquettes 8 et la présence de la couche 9, un tel comparateur peut encore présenter un fonctionnement par réflexion ou absorption de rayonnement, ou par ponts thermiques, vis-à-vis du milieu extérieur 100 en contact avec la face d'entrée E1. Le comparateur peut encore éventuellement être placé sur un support (S) par sa face opposée à la face d'entrée E1. L'utilisation du comparateur suivant la méthode de mesure «par compensation» est toujours possible. Lorsque la compensation est atteinte, le circuit d'activation parcouru par le courant électrique ajusté engendre un flux thermique global opposé au flux incident sur la face d'entrée E1 en provenance du milieu extérieur 100. II apparaît ainsi que des modes de réalisation différents peuvent mettre en œuvre la présente invention, en fonction notamment du nombre de faces d'entrée de flux thermiques, de la nature des plaquettes placées au niveau des faces d'entrée et des matériaux choisis. Ces modes de réalisation correspondent tous à la présente invention dans la mesure où ils comprennent notamment un circuit thermoélectrique de détection et un circuit thermoélectrique d'activation associés selon l'une des façons décrites plus haut. For a heat flux comparator with a structure similar to that of FIGS. 4 to 6, but in which the plates 2 are each arranged in line with a separation interval of two successive plates 4, the electrical polarities of the ends of the ribbon 3 can be reversed compared to the previous case, when using this detector according to the compensation method. According to a third embodiment, which corresponds to a simplification of the second embodiment, the comparator has the structure shown in FIG. 1, supplemented by plates 8, and possibly a layer of insulating material 9, arranged on the layer 6 of as described above. Depending on the nature of the wafers 8 and the presence of the layer 9, such a comparator may also have an operation by reflection or absorption of radiation, or by thermal bridges, with respect to the external medium 100 in contact with the face of input E1. The comparator can also possibly be placed on a support (S) by its face opposite to the input face E1. The use of the comparator according to the “compensation” measurement method is always possible. When the compensation is reached, the activation circuit traversed by the adjusted electric current generates an overall thermal flux opposite to the incident flux on the input face E1 coming from the external medium 100. It thus appears that different embodiments can implementing the present invention, in particular as a function of the number of heat flux inlet faces, of the nature of the plates placed at the level of the inlet faces and of the materials chosen. These embodiments all correspond to the present invention insofar as they comprise in particular a thermoelectric detection circuit and a thermoelectric activation circuit associated in one of the ways described above.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1. . Comparateur de flux thermiques ayant au moins une première face d'entrée (E1) sensiblement plane et pouvant échanger des flux thermiques avec un premier milieu extérieur (100) avec lequel ladite première face d'entrée est mise en contact, le comparateur comprenant :1.. Heat flux comparator having at least a first substantially flat inlet face (E1) and capable of exchanging heat fluxes with a first external medium (100) with which said first inlet face is brought into contact, the comparator comprising:
- un circuit thermoélectrique de détection ayant une direction longitudinale (L) déterminée située dans un plan sensiblement parallèle à la première face d'entrée (E1), comprenant au moins un premier ruban (1) d'un premier matériau métallique possédant une conductivité thermique déterminée, une conductivité éiectrique déterminée et un pouvoir thermoélectrique déterminé, ayant au moins deux faces, partiellement recouvert sur l'une de ses faces par de premières plaquettes (2) métalliques disjointes d'un second matériau métallique possédant une conductivité thermique et une conductivité électrique respectivement supérieures à la conductivité thermique et à la conductivité électrique du premier matériau métallique et possédant un pouvoir thermoélectrique différent du pouvoir thermoélectrique du premier matériau métallique ;- a thermoelectric detection circuit having a determined longitudinal direction (L) situated in a plane substantially parallel to the first input face (E1), comprising at least a first strip (1) of a first metallic material having a thermal conductivity determined, a determined electrical conductivity and a determined thermoelectric power, having at least two faces, partially covered on one of its faces by first metallic plates (2) separated from a second metallic material having a thermal conductivity and an electrical conductivity respectively greater than the thermal conductivity and the electrical conductivity of the first metallic material and having a thermoelectric power different from the thermoelectric power of the first metallic material;
- un dispositif de détection d'une tension électrique ayant deux - bornes respectivement reliées à deux extrémités longitudinales dudit premier ruban (1) ;- a device for detecting an electric voltage having two - terminals respectively connected to two longitudinal ends of said first strip (1);
- un circuit thermoélectrique d'activation, comprenant au moins un second ruban (3) d'un troisième matériau métallique possédant une conductivité thermique déterminée, une conductivité électrique déterminée et un pouvoir thermoélectrique déterminé, ayant au moins deux faces, partiellement recouvert sur l'une de ses faces par de secondes plaquettes (4) métalliques disjointes d'un quatrième matériau métallique possédant une conductivité thermique et une conductivité électrique respectivement supérieures à la conductivité thermique et à la conductivité électrique du troisième matériau métallique et possédant un pouvoir thermoélectrique différent du pouvoir thermoélectrique du troisième matériau métallique ; - un générateur de courant électrique ayant deux bornes respectivement reliées à deux extrémités longitudinales dudit second ruban (3) de manière à alimenter ledit second ruban (3) avec un courant électrique d'alimentation (I) continu ; - une première couche d'un matériau isolant (5) disposée entre le circuit thermoélectrique de détection et le circuit thermoélectrique d'activation, le matériau isolant de ladite première couche de matériau isolant possédant une conductivité thermique inférieure aux conductivités thermiques respectives des premier, second, troisième et quatrième matériaux métalliques ; et - une seconde couche d'un matériau isolant (6) disposée entre la première face d'entrée (El ) d'une part et le circuit thermoélectrique de détection et le circuit thermoélectrique d'activation d'autre part ; dans lequel des portions respectives du premier ruban (1) et du second ruban (3) sont parallèles et superposées selon une direction (N) perpendiculaire à la première face d'entrée (E1), et sont recouvertes respectivement de premières (2) et secondes (4) plaquettes disposées sensiblement au droit les unes des autres selon ladite direction perpendiculaire (N), ou disposées de façon à ce que les premières plaquettes (2) de ladite portion du premier ruban soient sensiblement au droit d'intervalles de séparation entre des secondes plaquettes (4) de ladite portion du second ruban successives selon la direction longitudinale (L).- a thermoelectric activation circuit, comprising at least a second strip (3) of a third metallic material having a determined thermal conductivity, a determined electrical conductivity and a determined thermoelectric power, having at least two faces, partially covered on the one of its faces by second metal plates (4) separated from a fourth metallic material having a thermal conductivity and an electrical conductivity respectively greater than the thermal conductivity and the electrical conductivity of the third metallic material and having a thermoelectric power different from the power thermoelectric of the third metallic material; - an electric current generator having two terminals respectively connected to two longitudinal ends of said second strip (3) so as to supply said second strip (3) with a continuous supply electric current (I); - A first layer of insulating material (5) disposed between the thermoelectric detection circuit and the thermoelectric activation circuit, the insulating material of said first layer of insulating material having a thermal conductivity lower than the respective thermal conductivities of the first, second , third and fourth metallic materials; and - a second layer of an insulating material (6) disposed between the first input face (El) on the one hand and the thermoelectric detection circuit and the thermoelectric activation circuit on the other hand; in which respective portions of the first ribbon (1) and the second ribbon (3) are parallel and superimposed in a direction (N) perpendicular to the first input face (E1), and are covered respectively with first (2) and second (4) plates arranged substantially at right angles to each other in said perpendicular direction (N), or arranged so that the first plates (2) of said portion of the first ribbon are substantially at the right of separation intervals between second plates (4) of said portion of the second successive strip in the longitudinal direction (L).
2. Comparateur de flux thermiques selon la revendication 1 , dans lequel le premier (1 ) et/ou le troisième (3) matériaux métalliques sont à base de constantan ou de cuivre.2. A heat flux comparator according to claim 1, in which the first (1) and / or the third (3) metallic materials are based on constantan or copper.
3. Comparateur de flux thermiques selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le second (2) et/ou le quatrième (4) matériaux métalliques sont à base de cuivre, d'or, d'argent, de nickel, d'aluminium, ou d'un alliage comprenant certains au moins de ces métaux.3. Heat flux comparator according to any one of the preceding claims, in which the second (2) and / or the fourth (4) metallic materials are based on copper, gold, silver, nickel, d aluminum, or an alloy comprising at least some of these metals.
4. Comparateur de flux thermiques selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les matériaux isolants des première (5) et/ou seconde (6) couches de matériau isolant sont à base de Kapton®. 4. A heat flux comparator according to claim 1, in which the insulating materials of the first (5) and / or second (6) layers of insulating material are based on Kapton®.
5. Comparateur de flux thermiques selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la seconde couche de matériau isolant (6) possède une conductivité thermique selon la direction perpendiculaire (N) inférieure à une conductivité thermique de la première couche de matériau isolant (5) selon la direction perpendiculaire (N).5. Heat flux comparator according to any one of the preceding claims, in which the second layer of insulating material (6) has a thermal conductivity in the perpendicular direction (N) less than a thermal conductivity of the first layer of insulating material ( 5) in the perpendicular direction (N).
6. Comparateur de flux thermiques selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre :6. Heat flow comparator according to any one of the preceding claims, further comprising:
- une seconde face d'entrée (E2) sensiblement plane et parallèle à la première face d'entrée (E1), et pouvant échanger des flux thermiques avec un second milieu extérieur (200) avec lequel ladite seconde face d'entrée est mise en contact, ladite seconde face d'entrée étant disposée d'un côté du circuit thermoélectrique de détection et du circuit thermoélectrique d'activation opposé à la première face d'entrée, et- a second inlet face (E2) substantially planar and parallel to the first inlet face (E1), and capable of exchanging heat fluxes with a second external medium (200) with which said second inlet face is placed contact, said second input face being disposed on one side of the thermoelectric detection circuit and of the thermoelectric activation circuit opposite to the first input face, and
- une troisième couche de matériau isolant (7) disposée entre la seconde face d'entrée (E2) d'une part et le circuit thermoélectrique de détection et le circuit thermoélectrique d'activation d'autre part.- A third layer of insulating material (7) disposed between the second input face (E2) on the one hand and the thermoelectric detection circuit and the thermoelectric activation circuit on the other hand.
7. Comparateur de flux thermiques selon la revendication 6, dans lequel les seconde (6) et troisième (7) couches de matériau isolant sont identiques.7. A heat flux comparator according to claim 6, in which the second (6) and third (7) layers of insulating material are identical.
8. Comparateur de flux thermiques selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre des troisièmes plaquettes (8) disposées sur une face de la seconde couche de matériau isolant (6) opposée au circuit thermoélectrique de détection et au circuit thermoélectrique d'activation, et qui sont disposées chacune au droit, selon la direction perpendiculaire (N), d'une extrémité longitudinale respective des premières plaquettes (2).8. A heat flux comparator according to any one of claims 1 to 5, further comprising third plates (8) disposed on one face of the second layer of insulating material (6) opposite the thermoelectric detection circuit and the thermoelectric circuit activation, and which are each arranged at right, in the perpendicular direction (N), of a respective longitudinal end of the first plates (2).
9. Comparateur de flux thermiques selon la revendication 8, dans lequel les troisièmes plaquettes (8) sont des réflecteurs de rayonnement.9. A heat flux comparator according to claim 8, in which the third plates (8) are radiation reflectors.
10. Comparateur de flux thermiques selon la revendication 9, dans lequel les troisièmes plaquettes (8) sont constituées d'un matériau sélectionné parmi l'aluminium, l'argent, l'or, le chrome, le cuivre et les alliages comprenant au moins l'un de ces métaux.10. Heat flow comparator according to claim 9, in which the third plates (8) are made of a selected material. among aluminum, silver, gold, chromium, copper and alloys comprising at least one of these metals.
11. Comparateur de flux thermiques selon la revendication 8, dans lequel les troisièmes plaquettes (8) sont des absorbeurs de rayonnement.11. A heat flux comparator according to claim 8, in which the third plates (8) are radiation absorbers.
12. Comparateur de flux thermiques selon la revendication 8, comprenant en outre une quatrième couche de matériau isolant (9), disposée parallèlement à la seconde couche de matériau isolant (6), d'un côté de celle-ci opposé au circuit thermoélectrique de détection et au circuit thermoélectrique d'activation, dans lequel la quatrième couche de matériau isolant (9) est en contact avec les troisièmes plaquettes (8).12. A heat flux comparator according to claim 8, further comprising a fourth layer of insulating material (9), disposed parallel to the second layer of insulating material (6), on a side thereof opposite the thermoelectric circuit of detection and to the thermoelectric activation circuit, in which the fourth layer of insulating material (9) is in contact with the third plates (8).
13. Comparateur de flux thermiques selon la revendication 12, dans lequel un matériau constitutif des troisièmes plaquettes (8) comprend un matériau métallique.13. A heat flux comparator according to claim 12, in which a material constituting the third plates (8) comprises a metallic material.
14. Comparateur de flux thermiques selon la revendication 13, dans lequel le matériau constitutif des troisièmes plaquettes (8) est sélectionné parmi la liste comprenant le cuivre, l'aluminium, l'argent, le chrome, le nickel et les alliages comprenant au moins l'un de ces métaux.14. A heat flux comparator according to claim 13, in which the material constituting the third plates (8) is selected from the list comprising copper, aluminum, silver, chromium, nickel and alloys comprising at least one of these metals.
15. Comparateur de flux thermiques selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, dans lequel, entre la seconde couche de matériau isolant (6) et la quatrième couche de matériau isolant (9), un volume d'isolation thermique (12) est agencé entre les troisièmes plaquettes (8).15. A heat flux comparator according to any one of claims 12 to 14, wherein, between the second layer of insulating material (6) and the fourth layer of insulating material (9), a volume of thermal insulation (12) is arranged between the third plates (8).
16. Comparateur de flux thermiques selon la revendication 6 et l'une quelconque des revendications 8 à 15, comprenant en outre des quatrièmes plaquettes (10) disposées sur une face de la troisième couche de matériau isolant (7) opposée au circuit thermoélectrique de détection et au circuit thermoélectrique d'activation, et qui sont disposées relativement aux premières plaquettes (2) pour former avec elles et avec les troisièmes plaquettes (8) des cellules comprenant chacune une première, une troisième et une quatrième plaquettes associées, ladite troisième plaquette (8) d'une cellule déterminée étant disposée sensiblement au droit, selon la direction perpendiculaire (N), d'une première extrémité longitudinale de ladite première plaquette (2) de ladite cellule déterminée et ladite quatrième plaquette (10) de ladite cellule déterminée étant disposée sensiblement au droit d'une seconde extrémité longitudinale de ladite première plaquette (2) de ladite cellule déterminée différente de ladite première extrémité longitudinale.16. A heat flux comparator according to claim 6 and any one of claims 8 to 15, further comprising fourth plates (10) disposed on one face of the third layer of insulating material (7) opposite the thermoelectric detection circuit. and to the thermoelectric activation circuit, and which are arranged relative to the first plates (2) to form with them and with the third plates (8) cells each comprising a first, a third and a fourth associated plates, said third plate ( 8) of a determined cell being disposed substantially at right, in the perpendicular direction (N), of a first longitudinal end of said first plate (2) of said determined cell and said fourth plate (10) of said determined cell being disposed substantially in line with a second longitudinal end of said first plate (2) of said determined cell different from said first longitudinal end.
17. Comparateur de flux thermiques selon la revendication 16, dans lequel des premières plaquettes (2) appartenant à des cellules respectives recouvrent le premier ruban (1) dans une portion du premier ruban parallèle et superposée à une portion du second ruban (3), ladite portion du premier ruban et ladite portion du second ruban étant recouvertes respectivement de premières (2) et secondes (4) plaquettes disposées au droit les unes des autres selon la direction perpendiculaire (N), ou disposées de façon à ce que les premières plaquettes (2) soient sensiblement au droit d'intervalles de séparation entre des secondes plaquettes (4) successives selon la direction longitudinale (L).17. A heat flux comparator according to claim 16, in which first plates (2) belonging to respective cells cover the first ribbon (1) in a portion of the first ribbon parallel and superimposed on a portion of the second ribbon (3), said portion of the first ribbon and said portion of the second ribbon being covered respectively with first (2) and second (4) plates arranged in line with one another in the perpendicular direction (N), or arranged so that the first plates (2) are substantially in line with separation intervals between second successive plates (4) in the longitudinal direction (L).
18. Comparateur de flux thermiques selon la revendication 16 ou 17, dans lequel les quatrièmes plaquettes (10) sont identiques aux troisièmes plaquettes (8).18. A heat flux comparator according to claim 16 or 17, in which the fourth plates (10) are identical to the third plates (8).
19. Procédé d'utilisation d'un comparateur de flux thermiques selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, suivant lequel on alimente le circuit thermoélectrique d'activation avec un courant électrique continu constant, et on repère la tension électrique détectée par le circuit thermoelectrique de détection.19. A method of using a heat flux comparator according to any one of claims 1 to 18, according to which the activation thermoelectric circuit is supplied with a constant direct electric current, and the electric voltage detected by the thermoelectric detection circuit.
20. Procédé d'utilisation d'un comparateur de flux thermiques selon l'une quelconque des revendications 8 à 18, suivant lequel on ajuste la valeur du courant électrique d'alimentation du circuit thernioelectrique d'activation de façon à repérer la valeur dudit courant qui annule la tension électrique détectée par le circuit thermoélectrique de détection. 20. A method of using a heat flux comparator according to any one of claims 8 to 18, according to which the value of the electric supply current of the thernioelectric activation circuit is adjusted so as to locate the value of said current which cancels the electric voltage detected by the thermoelectric detection circuit.
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