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1 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Développement d'un dispositif de calorimétrie par rayonnement thermique: application à la mesure des.

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1 1 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Développement d'un dispositif de calorimétrie par rayonnement thermique: application à la mesure des pertes dans les composants électriques Présentée par E. OBAME Co-dirigée par F. Aitken et O. Gallot-Lavallée

2 2 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Contraintes thermiques / composants électriques –Origines Milieu environnant Pertes de puissance –Conséquences Vieillissement et durée de vie Rendement –Comportement thermique Estimer les pertes (ex. modélisation numérique) Mesurer les pertes (ex. approches calorimétriques et électriques) Contexte T=-55 à +150°C U= jusquau kV f= jusquau MHz 5 W>Pertes> 5mW 1 cm 5 cm

3 3 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Méthodes de mesure –Méthodes électriques (méthodes indirectes) Avantages: facilité dutilisation; reproductibilité des mesures; précises à basse fréquence et en continu Limites: gamme de fréquence; déphasage i/v proche de /2; signaux riches en contenu harmonique –Méthodes calorimétriques (méthodes directes) Avantages: précisions; signaux dalimentation quelconques Limite: durée des mesures (de lordre de 1h) Méthodes calorimétriques Méthodes électriques Contexte t u(t) u(t) û f Les méthodes calorimétriques semblent mieux adaptées

4 4 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Contexte –Dispositifs calorimétriques antérieurs CalorimètresMode déchange Gamme de température Gamme de puissances PrécisionGéométrie composant Adiabatique [Ritchie2004] convection / eau ambiante à 80°C 1 à 50 W ± 10 mW (< 10W) à 30°C quelconque Isopéribolique [Buttay2004] convection / huile ambiante3 à 130 W ± 5 %quelconque flux de chaleur [Chen2002] conductionambiante< 50 W > ± 180 mW 1 face plane Isotherme [Seguin1997] conduction-45 à +85 °C 30 mW à 700 mW 1,5 %cylindrique Isotherme [Objectif] rayonnement-50 à +150°C 5mW à 5W±1mWquelconque

5 5 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Sommaire Principe général de la mesure Architecture du calorimètre –Constitution –Modèle analytique –Capteurs et éléments chauffants Comportement thermique de la cellule de mesure –Gradients thermiques –Réponse thermique Caractéristiques du calorimètre –Étendue de mesure –Précision de mesure Conclusions et perspectives

6 6 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Support Principe général de la mesure Régulation P0P0 P1P1 Système isotherme Phase 1: composant inactifPhase 2: composant actif T0T0 T0T0 Pertes=P 0 -P 1 Pertes Régulation Puits de chaleur (Thermostat) Fuites Perturbations Isolation Amenées de courant Fonctions à réaliser -Isolation -Puits de chaleur -Système isotherme -Vecteur de chaleur

7 7 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Support de la cellule Constitution du calorimètre Réservoir LN 2 Puits de chaleur Plaque de Styrodur ® enceinte à vide et écran radiatif E Isolation Ecran H Vecteur de chaleur Cellule de mesure (système isotherme) et le composant Collaboration SERAS -Philippe Jeantet -Emmanuel Roy -Patrick Trévisson -Gilles Pont -Grégor Kapoujyan -Pierre Hostachy -Gilles Perroux 1100 mm Thermalisation 300 mm

8 8 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Thermalisation des amenées de courant –Thermalisation sur la cellule de mesure Retour Soudure à létain Plaque de thermal Clad® Plaque de cuivre Pièce en cuivre Demi-sphère fixe (Cellule de mesure) Amenée de courant

9 9 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Modèle analytique -faisabilité -choix des matériaux -sensibilité théorique Constitution du calorimètre

10 10 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Modélisation analytique du calorimètre Retour Hypothèses du modèle -le calorimètre de géométrie cylindrique -surfaces isothermes grises et parfaitement diffusantes -supports et amenées de courant constituent des résistances thermiques de conduction -composant à tester est de géométrie sphérique -propriétés thermiques = f(température) Système: 12 équations non linéaires: résolution numérique Régime stationnaire

11 11 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Constitution du calorimètre Ratio théorique

12 12 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Ratio r / t émis par le composant (théorie) Retour t r T fuites Ratio en fonction de la température de la cellule pour différente nature de lamenée de courant en cuivre ou en constantan t=100 mW Support cellule en époxy fibre de verre Emissivité du composant = 1 r/ t>99,8 % r/ t>97,6 % Le rayonnement est prépondérant devant les fuites thermiques par conduction dans la cellule de mesure

13 13 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Constitution du calorimètre Support de la cellule

14 14 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Influence du support sur la dynamique de la cellule Dynamique lente (-20 °C/ 52 heures) Dynamique de la cellule de mesure et comparaison avec la théorie Amélioration de la dynamique avec support est bon conducteur Dynamique pour différents matériaux constituant le support de la cellule Support en époxy fibre de verre Retour

15 15 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Constitution du calorimètre

16 16 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Mesure des pertes Consigne T 0 T0T0 P0P0 P1P1 Phase 1: composant inactif Phase 2: composant actif Pertes = P 0 – P 1 + P T0T0 Régul Eléments chauffant

17 17 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Régulateur de température Régulateur PID: PTC10 -plage de température: -200 °C à +550 °C -résolution: °C, précision ± °C -sortie 4 Pt en connexion 4fils -puissance maximale en sortie: 50 W P D I H T sortie Capteur Pt100 Mesure T Consigne Tref Erreur (t) Commande u Fonction de transfert du procédé Schéma de régulation Retour

18 18 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Mesure des pertes Consigne T 0 T0T0 P0P0 P1P1 Phase 1: composant inactif Phase 2: composant actif Pertes = P 0 – P 1 + P T0T0 Régul Amenée de courant (théorique) Eléments chauffant

19 19 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Amenées de courant (section du fil = 1 mm 2, L = 11 cm) Profil de température dans lamenée de de courant ( = 0,97, T comp -T cell = 2 K ) Retour Profil du flux par conduction dans lamenée de courant Le constantan limite les fuites par conduction et favorise donc lhomogénéisation thermique de la cellule I=100 mA T cellule T composant RI 2 =0,55 mW RI 2 =0,02 mW RI 2 =0,1 mW

20 20 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Mesure des pertes Consigne T 0 T0T0 P0P0 P1P1 Phase 1: composant inactif Phase 2: composant actif Pertes = P 0 – P 1 + P T0T0 Régul Sensibilité théorique Eléments chauffant

21 21 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Sensibilité théorique du calorimètre Retour Q1 Température de consigne + T la variation T de la température de la cellule pour différents flux Q1 émis par un composant en fonction de la température de la cellule Diminution de T avec T cellule, T = 1, K pour Q1=0,1 mW à 500 K -Support cellule en époxy fibre de verre -Emissivité du composant = 1 Mesurer des faibles pertes de puissance nécessite de détecter une variation T< K

22 22 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Mesure des pertes Consigne T 0 T0T0 P0P0 P1P1 Phase 1: composant inactif Phase 2: composant actif Pertes = P 0 – P 1 + P T0T0 Régul Eléments chauffant

23 23 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Instrumentations M1 M2 M3 F1 F2 F3 –Dispositifs de mesure de température Capteurs Pt100 ( =2 mm, L=6 mm ) Tolérance 1/3 DIN B (-70 à +250 °C) -200 °C à +800 °C Surfaces quasi-isothermes 5mm AA M2 Cellule 2,1mm A A Thermocouples de type K Température < +250 °C Ecran E T V1 T V2 THTH T E2 T E1 Enceinte à vide Ecran H T = 1 °C T= 2 °C T< 0.15 °C

24 24 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Instrumentations –Dispositif de chauffage de la cellule Fil chauffant ( =1 mm) -résistance électrique du fil = 75 -puissance linéique maximale = 100 W/m -température maximale = 600 °C Partie froide (0,1 m de long en Cu) Collage avec Stycast black ® et laque dargent Mise en œuvre du fil chauffant dans la cellule de mesure Partie chaude (1,1 m de long en Nc)

25 25 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Cellule Fil chauffant f 3 Rainure A B C F3F3 Coupe localisée sur le fil chauffant Gradients thermique sur la cellule: fil chauffant vide Frontière du milieu ambiant avec T imposée Surface interne Surface externe f1f1 f2f2 f3f3 Cellule –Simulation par éléments finis sur flux2D Température le long du chemin AC en fonction de labscisse r parcourant AC de A vers C A BC T=T(C)-T(A) = 0,037 °C Position du fil chauffant Profondeur des sondes Image caméra IR Observation expérimentale des gradients thermiques

26 26 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Réponse thermique de la cellule (composant actif) – Evolutions de la puissance et de la température Temps de stabilisation -puissance = 1 h -température = 2 h Support de la cellule est en acier inoxydable Pinj = 103,3 mW Fluctuations: -puissance = ± 10 mW -température = ±0, 2 mK Fluctuations réduites à 1 mW avec la puissance moyenne

27 27 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Caractéristiques du dispositif –Etendue de la puissance mesurable et plage de température Puissance de régulation Température de consigne Pertes Mesure possible si puissance de régulation Pertes Evolution de la puissance de régulation en fonction de la température de la cellule Evolution de la puissance de régulation pour différents matériaux du support de la cellule Support en époxy fibre de verre Elargissement de la gamme avec la conduction du support Support Cellule

28 28 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Caractéristiques du dispositif –Composant test (purement résistif) Résistance = 1047,2 -indépendante de la température Emissivité variable: -peinture noire (0,97) -scotch kapton (0,78) -scotch cuivre ( < 0,1) Tube en cuivre Fil de constantan ( =0,1 mm) 30 mm 20 mm 1 mm

29 29 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Caractéristiques du dispositif –Mesure de la puissance dissipée en fonction de la température de la cellule Support cellule en époxy fibre de verre Surface peinte en noire Puissance mesurée indépendante de la température de la cellule de mesure Bonne stabilité en température

30 30 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Caractéristiques du dispositif –Précision de mesure Le support de la cellule est en époxy fibre de verre Puissance injectée [mW] Précision [%] -20 °C à +70 °C+80 °C à +150 °C 13,7511,5 1002,1 5000,91, ,32 Bonne précision de mesure

31 31 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Caractéristiques du dispositif –Précision: Influence de la nature du support de la cellule Puissance injectée [mW] Epoxy fibre de verre Acier inoxydable 304 L Cuivre Cu-b1 13,711,5 %19,7 %xxx 1002,1 %11,7 %24 % 5001,3 %4,7 %4,5 % %3 %4,3% Précisions entre -30 °C et +100 °C Meilleure précision de mesure avec lépoxy fibre de verre

32 32 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Déclaration dinvention brevet [FR N° ] Conclusions et perspectives Conclusions –Précision = 5 % ( ± 0,7 mW) pour 13,7 mW dissipée (-20 °C à +70 °C) (équivalent à Tan δ=10 f=1 kHz, C=0,3 µF, U=85 V ) Dynamique thermique de la cellule est lente et peut être améliorée avec la conductivité de son support daccrochage au réservoir Etendue de mesure (température): -50 à +150 °C La précision est améliorée avec la puissance mesurée et selon que le support de la cellule est « mauvais » conducteur thermique –Tension appliquée au composant: 3 kV RMS (forme quelconque) –Géométrie des composants est quelconque ( jusquà 1 kg)

33 33 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Conclusions et perspectives Perspectives –Eliminer une partie du bruit et les fluctuations de la régulation par un traitement de signal approprié (prévoir un filtrage pour gagner en précision) –Mesurer lémissivité du composant testé (mesures sans contact avec des fibres optiques) afin de remonter à sa température –Définir létendue de mesure en fréquence du calorimètre –Prendre en compte les problèmes de compatibilité électromagnétique du système –Améliorer la réponse thermique de la cellule (diminution de la masse) –Placer le dispositif calorimétrique dans une ambiance contrôlée (en théorie une variation de 1 °C de la température ambiante conduit à un P=2 mW sur la cellule) –Réaliser des adaptateurs pour des connexions multi-phasées

34 34 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Remerciements -Pôle technique MDE G2elab -SERAS -Pôle Capteurs thermométriques et calorimétrie -Pôle Optique

35 35 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Merci pour votre attention ! Conclusions et perspectives

36 36 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Stabilité de la puissance de régulation dans le temps Puissance moyenne fournie par la régulation en fonction du temps La puissance moyenne décroit dans le temps. Comment rendre la régulation plus performante? Retour

37 37 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Résultats –Influence du support daccrochage de la cellule Les variation de P/P sont plus importantes avec un support daccrochage en cuivre Puissance injectée = 103,3 mW Puissances injectées = 500 et 1000 mW Variation satisfaisante pour T 75 °C ( 5 %) avec un support daccrochage en cuivre

38 38 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Caractéristiques de mesure du dispositif –Précision des mesures Le support de la cellule est en acier inoxydable 304 L Puissance injectée [mW]Précision (T: température de la cellule de mesure) 13,7 13 % pour -30 °C T < 80 °C et 19,7 % pour T 80 °C 103,3 5% pour -30 °C T 80 °C 503,4 2% pour -30 °C T < 70 °C et 4,7 % pour T 80 °C 1005,5 2,5% pour -30 °C T < 100 °C et 3 % pour T = 100 °C

39 39 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Sondes (Pt100) Temp. LN2 (-196 °C) Temp. amb (17,9 °C) 1 (M1)-195,900 17,938 2 (M2)-195,892 17,89 3 (M3)-195,850 17,91 4 (F1)-195,853 17,983 5 (F2)-195,880 17,910 6 (F3)-195, Ecarts : 0,1 °C Essais en statique Retour –Dispositifs de mesure de température Instrumentations Essais en dynamique Ecarts de température entre les sondes < 0,1 °C

40 40 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Gradients thermiques sur la cellule: support –Influence du support de la cellule Ecart de température T = T(F1)-T(F3) en fonction de la température de la cellule Ecart de température T = T(M1)-T(M3) en fonction de la température de la cellule Les écarts sont compris à lintérieur de 0,2 °C Les gradients restent donc faibles dans tous les cas Support Cellule

41 41 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Réponse de la cellule Evolution de la température de régulation Evolution de la puissance de régulation T init T fin –Régulation active (support inox 304 L) La température est stabilisée au bout de 3 heures de régulation Variations de la puissance de régulation faibles au bout de 3 heures

42 42 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Caractéristiques de mesure du dispositif –Précision des mesures Le support de la cellule est en acier inoxydable 304 L Puissance injectée [mW] Précision [%] -30 °C à 70 °C80 °C à 100 °C 13,713 %19,7 % 103,35 %11,7 % 503,42 %4,7 % 1005,52 %3 % La précision augmente avec la puissance injectée

43 43 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Caractéristiques du dispositif –Influence de la température de la cellule sur: P/P (support en acier inoxydable) « Faibles » puissances « Fortes » puissances Les variations de P/P diminuent avec la puissances injectée P/P augmente au dessus de 70 °C (fluctuation de la régulation)

44 44 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Contexte Principe de la calorimétrie 1. Principe de légalité des échanges de chaleurs Q A +Q B = 0 2. Réversibilité des transformations AB Q Système isolé Thermostat -Adiabatique -Quasi adiabatique -A flux de chaleur -Isotherme

45 45 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Comparaison des mesures entre le calorimètre et un analyseur dimpédance –Spectre de la résistance parallèle dun condensateur Analyseur dimpédance Programma IDA 200 ® Rp Cp Condensateur Modèle // Spectres en fréquence de Rp Interprétation…

46 46 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Support de la cellule Ratio théorique Modèle analytique Thermalisation Constitution du calorimètre Réservoir LN 2 Puits de chaleur Plaque de Styrodur ® enceinte à vide et écran radiatif E Isolation Ecran H Vecteur de chaleur Cellule de mesure (système isotherme) et le composant

47 47 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Calorimètre de Ewen Ritchie Echangeur thermique Dispositif sous test Résistance chauffante Résistance chauffante T ad T ref Système de réfrigération Débit mètre Pompe Valve de sécurité Réservoir deau Tamis B A S R Thermostat TSTS T Th Pertes = D M cp T+kA T F

48 48 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Calorimètre de Cyril Buttay Pertes = C TH T/ t

49 49 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Calorimètre de Gang Chen A Alimentation Régulateur de température Résistance chauffantes Composant à tester Plaque I B Plaque II Module thermoélectrique Thermopile Echangeur de chaleur Ecrans radiatifs Fibre de verre Bloc calorimétrique Pertes = K E

50 50 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010 Calorimètre de Bruno Seguin N2N2 T 0 =-196°C R TH1 R TH2 T1T1 TBTB Reg1 Reg2 Consigne T 1 Consigne T 2 -T 1 T2T2 T1T1 A0A0 A1A1 A2A2 C1C1 C0C0 P0P0 P1P1 T1T1 P0P0 P1P1 Ecrans thermiques Enceinte à vide Condensateur de puissance A Réchauffeurs Réservoir dazote liquide Cellule de mesure B Pertes = P 0 -P 1


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