Compensation de soudure froide et acquisition de la température de surface

Comme nous l’avons vu précédemment, l’utilisation de thermocouples pour mesurer une température repose sur l’effet Seebeck. Lorsque deux fils constitués de métaux aux propriétés thermoélectriques différentes sont mis en contact dans un milieu à une température T1 différente de la température T2 à laquelle se trouvent leurs extrémités, alors une différence de potentiel est générée entre les deux fils, comme illustré sur la Figure 121.

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Cette différence de potentiel augmente avec la différence de température entre T1 et T2 et est faible, de l’ordre de quelques dizaines de microvolts par degré Celsius. Si l’on souhaite mesurer la température T1, il donc nécessaire de connaitre la température T2 ainsi que le comportement thermoélectrique du type de thermocouple utilisé. Ce dernier est généralement accessible sous forme de tables où sont données la différence de potentiel en fonction de l’écart entre la température au niveau de la jonction et la température de zéro degré Celsius.

Dans le cas de la sonde, il a fallu mettre au point un système de compensation de soudure froide. Ce dispositif a pour but de permettre la mesure de la température T2 dite de jonction froide afin de calculer précisément la température T1. Il est constitué d’un boitier contenant un bloc de cuivre à l’intérieur duquel les fils du thermocouple sont connectés aux câbles allant au système d’acquisition. La température au sein du bloc est mesurée par un thermocouple de type T classique, la très forte conductivité thermique du cuivre assurant une distribution quasi homogène de la température. La Figure 122 est un schéma de principe du dispositif de compensation de soudure froide.

Figure 122 : Schéma du dispositif de compensation de soudure froide.

Afin de calculer la température de la jonction chaude, comme le comportement du thermocouple n’est pas linéaire en fonction de la température, il est nécessaire de raisonner en différence de potentiel et non directement en température. Tout d’abord, la différence de potentiel associée à la différence de température entre la compensation de soudure de froide et zéro degré Celsius est déterminée grâce à la table propre au thermocouple de type K. Cette différence de potentiel est ensuite ajoutée à celle mesurée entre la jonction chaude et la

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jonction froide par le système d’acquisition. Enfin la différence de potentiel totale, correspondant à la différence de température entre la jonction chaude et zéro degré Celsius est utilisée afin de déterminer la température de la jonction chaude.

Le signal de sortie du thermocouple étant particulièrement faible (de l’ordre du millivolt), celui-ci doit être amplifié. Comme le signal est également haute fréquence, il faut disposer d’un amplificateur de tension adapté. Un amplificateur de tension haute fréquence MVA 10 et un filtre 1 MHz acquis chez Müller Instruments sont utilisés avec un gain de 200.

De façon similaire à l’acquisition de la pression cylindre, l’acquisition de la température de surface de la sonde est cadencée par le codeur angulaire. La Figure 123 est le résultat de l’acquisition de la température de surface pour dix cycles en moteur entraîné. On remarque la présence de discontinuités entre les cycles, les plus flagrantes étant repérées par des cercles bleus. Ces discontinuités sont dues au fait que les cycles ne sont pas consécutifs car lors d’une acquisition basée sur le codeur angulaire, les délais de traitement de l’information sont trop importants. Si l’on réalise une acquisition temporelle, où l’acquisition est continue, on note que les discontinuités disparaissent, comme visible sur la Figure 124.

Figure 123 : Acquisition cadencée par le codeur de la température de surface pour dix cycles en moteur entraîné.

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Figure 124 : Acquisition temporelle de la température de surface pour dix cycles en moteur entraîné. Ceci met en évidence la présence de dispersions cycle à cycle lors d’un fonctionnement sans combustion, ce qui est particulièrement visible sur la Figure 125 où les dix cycles ainsi que le cycle moyen sont superposés.

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Bien que la dispersion cycle à cycle de la pression cylindre soit un phénomène connu lorsque le moteur est allumé du fait de la combustion, la dispersion cycle à cycle en fonctionnement entraîné peut paraitre étonnante au premier abord. Cette dispersion est négligeable dans le cas de la pression cylindre mais conséquente pour la température de surface, comme observé par Annand et al. [119] et Alkidas et al. [101]. Contrairement à la pression cylindre, la mesure de température de parois est une mesure locale et est donc particulièrement sensible aux différences locales de vitesse d’écoulement du gaz. Cette dispersion est ainsi due à la turbulence, comme montré par Buttsworth [120]. Cette influence peut être visualisée plus aisément grâce à la distribution de la densité de flux de chaleur sur la culasse fournie par Schmitt et al. [121] et issue de calculs DNS en fin de course de compression d’un moteur à piston. La Figure 126 présente cette distribution. On remarque que selon la position, il existe un facteur quatre entre les flux de chaleur maximum et minimum.

Du fait de la plus grande sensibilité de la mesure de température de surface à la dispersion cycle à cycle, il est nécessaire d’acquérir un grand nombre de cycles moteurs. Chaque point de mesure présenté par la suite met en jeu 250 cycles, nombre maximal supporté par le système d’acquisition.

Figure 126 : Distribution de la densité de flux de chaleur sur la culasse lors d’une simulation DNS en fin de course de compression [121].

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