Métrologie thermoanémométrique dans les gaz en micro canaux Journée SFT – 11 octobre 2007 Crest CNRS – UMR 6174 Métrologie thermoanémométrique dans les gaz en micro canaux Éric GAVIGNET, François LANZETTA Institut FEMTO-ST, CNRS UMR 6174, Département CREST Parc technologique – 2 avenue Jean Moulin – 90000 Belfort - France

2 – Dispositif expérimental Sommaire 1 – Introduction 2 – Dispositif expérimental 3 – Méthodes de mesures et résultats 3.1 – Fréquence de relaxation 3.2 – Temps de vol 3.3 – Déphasage 4 – Influence des paramètres géométriques 5 – Conclusion

1 – Introduction But : développer des sondes de faibles dimensions afin de caractériser un écoulement à l’intérieur d’un micro canal ou d’un micro système. Tester les techniques existantes à petites échelles et développer de nouvelles. Développer des capteurs multi fonctions. Utiliser le savoir faire du laboratoire : sondes micro thermocouple Simplicité technologique Faible coût Bonnes résolutions spatiale et temporelle

2 – Dispositif expérimental Structure du dispositif h L l e p w Écoulement Logements fils ou thermocouples Azote Tamb + Seconde lame de verre pour fermer l’ensemble du dispositif Caractéristiques : L = 75 mm h = 200 µm l = 150 µm e = 2 mm p = 100 µm w = 70 µm Méthodes envisageables : Temps de vol, déphasage, méthode de la fréquence,…

2 – Dispositif expérimental Deux types de micro canaux Micro canal en PMMA (Polyméthylmétacrylate) : collaboration avec le CAFI (Le Locle / Suisse) Gravure par faisceaux de protons Avantage : profils rectilignes Inconvénient : technologie lourde Micro canal en verre : usiné par une micro scie (diamètre variable) Avantage : conception aisée Inconvénient : profil arrondis 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Energie ( MeV ) Profondeur (µm) Energie (MeV)

2 – Dispositif expérimental Instrumentation Élément sensible des sondes : le micro thermocouple - Type S : Platine/Platine-Rhodié 10% : 6 µV/°C à 20 °C diamètres = 0.5 µm ; 1.27 µm et 5 µm - Type K : Chromel/Alumel : 40 µV/°C à 20 °C diamètres = 7.6 µm ; 12.7 µm ; 25.4 µm ; 50 µm Soudure des fils de deux natures A et B réalisée par décharge capacitive tension : 0 - 250 V capacité : 0 - 5 µF A B Jonction Résolution spatiale et temporelle

2 – Dispositif expérimental Instrumentation Constantes de temps  et fréquences de coupure : cv : constante de temps « convective » rad : constante de temps « radiative » él : constante de temps « électrique : effet Joule » Radiatif Convectif libre Type  (µm)  Fc (Hz) K 25,4 30 ms 5 12,7 8 ms 20 10 ms 16 S 1250 µs 125 980 µs 160 1,27 180 µs 880 350 µs 450 Caractérisations expérimentales des constantes de temps convective et radiative (excitation, relevé de la réponse en fréquence, détermination de la fréquence de coupure puis de ).

+ 3 – Méthodes de mesures et résultats Méthode de la fréquence Principe : Utilisation d ’un thermocouple bifilaire (élément sensible) Phase d ’échauffement par effet Joule (augmentation de la température de la jonction) Mesure locale de la température + Avantage : Une sonde : deux informations Phase de refroidissement par convection Mesure locale de la vitesse ou de la pression

3 – Méthodes de mesures et résultats Méthode de la fréquence Thermocouple : élément sensible de la sonde Échauffement par un échelon de courant (T > T fluide Oui Refroidissement par convection Chauffage tc : Durée fixée (tension, résistance,…) Relaxation tr : Durée variable Fonction de V, P T fluide T < T consigne Tinf  Tconsigne Succession de phases de chauffage et refroidissement assurée par l’électronique

3 – Méthodes de mesures et résultats Fréquence d’oscillation Méthode de la fréquence Résistances Vcc T Consigne Capteur Pulse tc Variation des paramètres : Courant de chauffe (I) Temps de chauffe (tC) Vitesse (m.s-1) f (mHz) Théorie Mesures 127 µm Fréquence d’oscillation Vitesse V

3 – Méthodes de mesures et résultats Méthode de la fréquence Influence des paramètres : Mesures dans un capillaire Débitmètre Bronkhorts 3-300 mL.min-1 (référence) Azote Capillaire (2 mm) Tamb Thermocouple type K (12,7 µm) Azote tc = 1 ms / I = 30 mA 500 600 700 800 900 1000 40 80 120 160 200 débit (mL.min-1) Fréquence (Hz) Une zone linéaire (zone de fonctionnement du capteur) Une zone de saturation (nécessité d’augmenter le courant de chauffe)

3 – Méthodes de mesures et résultats Méthode de la fréquence Optimum : détermination des meilleures conditions de fonctionnement Chauffage faible (I ou tc) : pas d’augmentation de température de la jonction : Écrasement des courbes pour un chauffage insuffisant. Chauffage élevé (I ou tc) : pas de refroidissement par le fluide tc = 1 ms 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 40 80 120 160 débit (mL.min-1) Fréquence (Hz) I = 50 mA I = 40 mA I = 30 mA I = 20 mA I= 12 mA 4400 5400 6400 7400 8400 9400 10400 tc = 50 µs

3 – Méthodes de mesures et résultats Méthode de la fréquence Optimum : 5 10 15 20 25 30 35 40 200 400 600 800 1000 Temps de chauffe tc (µs) Sensibilité (Hz/mLmin-1) I=50 mA I=40 mA I=30 mA Calcul des sensibilités pour des valeurs significatives de courant. Conditions de fonctionnement : Faible temps de chauffe [50/100 µs] Et courant élevé [30/40/50 mA]

3 – Méthodes de mesures et résultats Méthode de la fréquence Influence des paramètres : Mesures dans un micro canal Azote Débitmètre Bronkhorts 3-300 mL.min-1 (référence) Canal Tamb Azote Thermocouple type K (25,4 µm) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Excursion de Fréquence (Hz) Débit (mL.min-1) tc=1000µs tc=500 µs tc=100µs I = 90 mA Excursion : F-F0 (F0 sans écoulement) tc (µs) Sensibilité (Hz/mL.min-1) 100 0,85 500 0,5 1000 0,3 << Sonde 12,7 µm Effet du canal ? Du diamètre ?

3 – Méthodes de mesures et résultats Méthode de la fréquence Analyse de la méthode : Difficulté à déterminer les paramètres de chauffage Une configuration de mesure implique une détermination de I et tc (diamètre de la sonde par exemple) Existence d’une zone de saturation Estimation de la « température de consigne » (risque de décrochage) Un élément sensible pour deux informations (V,T) Possibilité de mesurer le couple (P,T) Possibilité de compenser thermiquement la sonde (à partir de la valeur locale de la température) Fréquence de travail élevée  10 KHz

3 – Méthodes de mesures et résultats Méthode du déphasage Principe :  Un fil émetteur est chauffé par effet Joule (sinusoïdalement). Un thermocouple placé en aval du fil chauffant détecte l’énergie transportée par l’écoulement. La réponse est de forme sinusoïdale, de fréquence identique, mais présente un retard de phase  par rapport au signal émis ainsi qu’une amplitude efficace R fortement atténuée d = 2 mm Azote Emetteur : fil de Chromel (25.4 µm) sinusoïde Récepteur : thermocouple type K (25.4 µm)

3 – Méthodes de mesures et résultats Méthode du déphasage Générateur basse fréquence Amplitude, fréquence variables Amplification en courant RTH = 90  Amplification en tension (X1000) Détection synchrone Référence R,  Excitation Réponse

3 – Méthodes de mesures et résultats Méthode du déphasage Analyse de la méthode : Amplitude R inexploitable (excursion de 1 mV pour 4 V c à c de chauffe). Limitation de l’amplitude de chauffe (au delà de 4 V c à c : dérive). Limitation en fréquence (au delà de 500 mHz : pas de réponse). Constantes de temps élevées (30 à 100s sur la détection synchrone). Distance émetteur / récepteur élevée. Le déphasage croît avec le débit. Variations significatives pour les fréquences d’excitation « élevées ». Au delà de 60 mL.min-1 , les variations semblent linéaires (0,4° mL.min-1 ) Nature du signal d’excitation : -250 -200 -150 -100 -50 50 100 150 200 250 Débit (mL.min-1) Déphasage (°) Carré sinusoïde triangle

3 – Méthodes de mesures et résultats Méthode du temps de vol Principe : Un fil émetteur est chauffé par effet Joule à l’aide d’un pulse de courant. Le flux de chaleur transporté par l’écoulement est capté par un micro thermocouple. On mesure alors le temps que met l’information (flux de chaleur) pour se déplacer dans le fluide depuis l’émetteur jusqu’au récepteur. Récepteur : thermocouple type K (25.4 µm) Azote Emetteur : fil de Chromel (25.4 µm) pulse d = 2 mm Vitesse = Distance Emetteur-Récepteur Durée de transport de l’information (flux de chaleur)

3 – Méthodes de mesures et résultats Méthode du temps de vol Générateur basse fréquence Fréquence, rapport cyclique variables Amplification en courant RTH = 90  Amplification en tension (X1000) V(t) 200 mL.min-1 0 mL.min-1 Durée de chauffe Excitation Réponse

4 – Influence des paramètres géométriques Simulation sous FLuent Domaine d’étude : largeur (x) : l =150 µm hauteur (y) : h=200 µm longueur (z) : 75 mm Influence de d : distance fil chauffant / thermocouple [200 µm à 2 mm] ??? x z y d Hypothèses :  Régime stationnaire / Écoulement permanent  Écoulement tridimensionnel cartésien 3D avec prise en compte de l’effet de Bord (dimension de l’ordre du µm)  Régime laminaire  Convection forcée  Fluide incompressible (condition limite de type Velocity-inlet)  Absence de source interne de chaleur / Dissipation visqueuse négligée

4 – Influence des paramètres géométriques Simulation sous FLuent Conditions aux limites et initiales :  Entrée : Velocity-inlet  Sortie : Outflow  Parois du micro canal : Wall  Cylindre 1 (fil chaud) : Wall avec Tp imposée  Cylindre 2 (capteur ) : Wall Tp = T amb + 40°C / I = 50 mA (estimé !) Calcul de la vitesse d’entrée : qV variant de 0 à 200 ml/min Diamètre hydraulique : = 1,71.10-4 m Nombre de Reynolds : = 1303 (<2500) pour le débit max. µ = 1,663.10-5 Kg/m.s  = 1,138 Kg/m-3 (20°C) Régime laminaire !

4 – Influence des paramètres géométriques Champs de température pour différentes valeurs de d / V = 5,5 m/s d = 200 µm d = 400 µm d = 800 µm d = 2 mm

5 – Conclusion Bilan  Différentes techniques de mesures à base de thermocouples  Mise en évidence des limitations des systèmes de mesures :  Influence du diamètre (détermination de I et tc)  Distance Émetteur/Récepteur  Prévoir l’instrumentation lors de la conception  Méthode de la fréquence prometteuse :  Fréquence de travail élevée  Écoulement faiblement instationnaire  Compensation thermique (en phase de développement)  Améliorations :  Diamètres à tester : 12.7 µm, 7.6 µm, 5.4 µm, 1.27 µm et 0.5 µm  Distance Émetteur/Récepteur : 200 µm, 400 µm, 800 µm

Perspectives : sonde de vitesse pour écoulement oscillant 5 – Conclusion Perspectives : sonde de vitesse pour écoulement oscillant Tg1(t) Tg2(t) t (s) T (°C)  convective d1 d2 > d1 Débit gaz V(t) , Tg(t) Thermocouple 1 Thermocouple 2 Mac Adams Avec :

Perspectives : sonde de vitesse pour écoulement oscillant 5 – Conclusion Perspectives : sonde de vitesse pour écoulement oscillant Si 1 et 2 connues:  Reconstruction des températures : Calcul de la vitesse Méthode inexploitable pour un écoulement permanent