Présentée par E. OBAME Co-dirigée par F. Aitken et O. Gallot-Lavallée

Présentation au sujet: "Présentée par E. OBAME Co-dirigée par F. Aitken et O. Gallot-Lavallée"— Transcription de la présentation:

1 Présentée par E. OBAME Co-dirigée par F. Aitken et O. Gallot-Lavallée
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 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

2 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Contexte 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) T=-55 à +150°C U= jusqu’au kV f= jusqu’au MHz 5 W>Pertes> 5mW 1 cm 5 cm Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

3 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Contexte Méthodes de mesure Méthodes électriques (méthodes indirectes) Avantages: facilité d’utilisation; 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 d’alimentation quelconques Limite: durée des mesures (de l’ordre de 1h) Méthodes calorimétriques t u(t)  u(t) Méthodes électriques û f Les méthodes calorimétriques semblent mieux adaptées Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

4 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Contexte Dispositifs calorimétriques antérieurs Calorimètres Mode d’échange Gamme de température Gamme de puissances Précision Géométrie composant Adiabatique [Ritchie2004] convection / eau ambiante à 80°C 1 à 50 W ±10 mW (< 10W) à 30°C quelconque Isopéribolique [Buttay2004] convection / huile ambiante 3 à 130 W ±5 % flux de chaleur [Chen2002] conduction < 50 W > ±180 mW 1 face plane Isotherme [Seguin1997] -45 à +85 °C 30 mW à 700 mW 1,5 % cylindrique Isotherme [Objectif] rayonnement -50 à +150°C 5mW à 5W ±1mW Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

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 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

6 Principe général de la mesure
Amenées de courant Isolation Puits de chaleur (Thermostat) Fonctions à réaliser -Isolation -Puits de chaleur -Système isotherme -Vecteur de chaleur Perturbations Phase 1: composant inactif Phase 2: composant actif Support Fuites T0 T0 P0 P1 Régulation Régulation Pertes Pertes=P0-P1 Système isotherme Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

7 Constitution du calorimètre
Plaque de Styrodur® Collaboration SERAS -Philippe Jeantet -Emmanuel Roy -Patrick Trévisson -Gilles Pont -Grégor Kapoujyan -Pierre Hostachy -Gilles Perroux enceinte à vide et écran radiatif E Réservoir LN2 Puits de chaleur Isolation 1100 mm Ecran H Cellule de mesure (système isotherme) et le composant Support de la cellule Vecteur de chaleur Thermalisation 300 mm Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

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

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

10 Modélisation analytique du calorimètre
Régime stationnaire 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 Retour Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

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

12 Ratio r / t émis par le composant (théorie)
Ratio en fonction de la température de la cellule pour différente nature de l’amenée 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 % T fuites r t Le rayonnement est prépondérant devant les fuites thermiques par conduction dans la cellule de mesure Retour Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

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

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

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

16 Mesure des pertes Phase 1: composant inactif Phase 2: composant actif
Pertes = P0 – P1+ P P0 P1 Régul T0 T0 Eléments chauffant Consigne T0 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

17 Régulateur de température
Régulateur PID: PTC10 -plage de température: -200 °C à +550 °C -résolution:  10-3 °C, précision ± °C -sortie 4 Pt en connexion 4fils -puissance maximale en sortie: 50 W Schéma de régulation P D I H T sortie Capteur Pt100 Mesure T Consigne Tref Erreur (t) Commande u Fonction de transfert du procédé Retour Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

18 Mesure des pertes Phase 1: composant inactif Phase 2: composant actif
Pertes = P0 – P1+ P Amenée de courant (théorique) P0 P1 Régul T0 T0 Eléments chauffant Consigne T0 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

19 Amenées de courant (section du fil = 1 mm2, L = 11 cm)
Profil de température dans l’amenée de de courant ( = 0,97, Tcomp-Tcell = 2 K ) Profil du flux par conduction dans l’amenée de courant T composant RI2=0,02 mW I=100 mA RI2=0,1 mW T cellule RI2=0,55 mW Le constantan limite les fuites par conduction et favorise donc l’homogénéisation thermique de la cellule Retour Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

20 Mesure des pertes Phase 1: composant inactif Phase 2: composant actif
Pertes = P0 – P1+ P P0 P1 Régul Sensibilité théorique T0 T0 Eléments chauffant Consigne T0 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

21 Sensibilité théorique du calorimètre
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 Température de consigne +T 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 Q1 Mesurer des faibles pertes de puissance nécessite de détecter une variation T< 10-3 K Retour Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

22 Mesure des pertes Phase 1: composant inactif Phase 2: composant actif
Pertes = P0 – P1+ P P0 P1 Régul T0 T0 Eléments chauffant Consigne T0 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

23 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Instrumentations Dispositifs de mesure de température Thermocouples de type K Température < +250 °C Ecran E TV1 TV2 TH TE2 TE1 Enceinte à vide Capteurs Pt100 (=2 mm, L=6 mm) Tolérance 1/3 DIN B (-70 à +250 °C) -200 °C à +800 °C 5mm AA M2 Cellule 2,1mm A M1 M2 M3 F1 F2 F3 T = 1 °C T= 2 °C T< 0.15 °C Ecran H Surfaces quasi-isothermes Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

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

25 Gradients thermique sur la cellule: fil chauffant
vide Frontière du milieu ambiant avec T imposée Surface interne Surface externe f1 f2 f3 Cellule Simulation par éléments finis sur flux2D Température le long du chemin AC en fonction de l’abscisse r parcourant AC de A vers C A B C T=T(C)-T(A) = 0,037 °C Position du fil chauffant Cellule Fil chauffant f3 Rainure A B C F3 Coupe localisée sur le fil chauffant Image caméra IR Observation expérimentale des gradients thermiques Profondeur des sondes Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

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

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

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

29 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 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

30 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 13,7 5 11,5 100 2,1 500 0,9 1,3 1000 2 Bonne précision de mesure Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

31 Caractéristiques du dispositif
Précision: Influence de la nature du support de la cellule Précisions entre -30 °C et +100 °C Puissance injectée [mW] Epoxy fibre de verre Acier inoxydable 304 L Cuivre Cu-b1 13,7 11,5 % 19,7 % xxx 100 2,1 % 11,7 % 24 % 500 1,3 % 4,7 % 4,5 % 1000 2 % 3 % 4,3% Meilleure précision de mesure avec l’époxy fibre de verre Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

32 Conclusions et perspectives
Précision = 5 % (±0,7 mW) pour 13,7 mW dissipée (-20 °C à +70 °C) (équivalent à Tan 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 d’accrochage 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 ( jusqu’à 1 kg) Déclaration d’invention brevet [FR N° ] Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

33 Conclusions et 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 l’émissivité du composant testé (mesures sans contact avec des fibres optiques) afin de remonter à sa température Définir l’étendue 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 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

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

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

36 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 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

37 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Résultats Influence du support d’accrochage de la cellule Puissances injectées = 500 et 1000 mW Puissance injectée = 103,3 mW Les variation de P/P sont plus importantes avec un support d’accrochage en cuivre Variation satisfaisante pour T  75 °C (5 %) avec un support d’accrochage en cuivre Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

38 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 < 70 °C et 11,7 % pour 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 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

39 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010
Instrumentations Dispositifs de mesure de température Essais en statique Essais en dynamique 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) -195,890 17.92 Ecarts : 0,1 °C Ecarts de températureentre les sondes < 0,1 °C Retour Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

40 Gradients thermiques sur la cellule: support
Influence du support de la cellule Support 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 l’intérieur de 0,2 °C Les gradients restent donc faibles dans tous les cas Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

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

42 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 °C 80 °C à 100 °C 13,7 13 % 19,7 % 103,3 5 % 11,7 % 503,4 2 % 4,7 % 1005,5 3 % La précision augmente avec la puissance injectée Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

43 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) Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

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

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

46 Constitution du calorimètre
Plaque de Styrodur® Modèle analytique enceinte à vide et écran radiatif E Réservoir LN2 Puits de chaleur Isolation Ecran H Cellule de mesure (système isotherme) et le composant Support de la cellule Vecteur de chaleur Ratio théorique Thermalisation Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

47 Calorimètre de Ewen Ritchie
Echangeur thermique Dispositif sous test Résistance chauffante Résistance chauffante Tad Tref Système de réfrigération Débit mètre Pompe Valve de sécurité Réservoir d’eau Tamis B A S R Thermostat TS TTh Pertes = DMcpT+kA TF Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

48 Calorimètre de Cyril Buttay
Mesure de température TB Alimentation et commande du dispositif sous test Enceinte quasi adiabatique dispositif sous test Flux thermique Bain d’eau à température Te constante Bain d’huile A B Pertes = CTHT/t Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

49 Calorimètre de Gang Chen
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 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010

50 Calorimètre de Bruno Seguin
T0=-196°C RTH1 RTH2 T1 TB Reg1 Reg2 Consigne T2-T1 T2 A0 A1 A2 C1 C0 P0 P1 Ecrans thermiques Enceinte à vide Condensateur de puissance A Réchauffeurs Réservoir d’azote liquide Cellule de mesure B Pertes = P0-P1 Soutenance de thèse – Vendredi, 10 Septembre 2010