obtenir des informations sur les températures des électrodes – Commentaires
CHAPITRE 5 : Résultats de mesures de température sur des anodes et cathodes
4. Présentation d’une autre méthode permettant une estimation de la température de surface pour des arcs de
4.1 Description de la méthode
Le dispositif expérimental utilisé est celui présenté au chapitre 2 auquel on ajoute la caméra IR. On rappelle que l’enceinte possède un hublot en CaF2 qui permet l’observation avec la caméra IR. L’utilisation de ce dispositif implique des différences importantes avec les mesures effectuées décrites au début de ce chapitre :
Les niveaux de courant maximum que l’on peut atteindre sont de quelques ampères. La valeur du courant n’est pas constante au cours de l’arc, elle décroit au cours du temps comme on peut le voir sur la figure 5.19. Les durées d’arc sont légèrement supérieures aux durées des arcs décrits précédemment : de 5 à 30 ms au lieu de 2 à 12 ms.
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Figure 5.19 : Exemple de relevé de courant et tension en fonction du temps. En vert l’intensité du courant d’arc
(500 mA/div). En jaune la tension entre les électrodes (180 V/div). En bleu les signaux permettant la synchronisation de la caméra thermique.
La méthode de mesure est très différente de celle présentée précédemment puisque la mesure est effectuée pendant l’arc. Cette méthode est particulière car la mesure de température effectuée ici implique de tenir compte du fait que le rayonnement reçu par le capteur de la caméra IR vient à la fois du spot cathodique et du plasma de la colonne d’arc. Notre méthode de détermination de la température de surface est la suivante. Nous l’avons illustrée à l’aide de la figure 5.20(a) sur laquelle nous avons représenté schématiquement les deux électrodes, la colonne d’arc et les différentes lignes de visée possible à l’aide de la caméra IR
- Dans un premier temps on fait une image infra rouge de l’ensemble. Cette image englobe la surface de l’électrode qui nous intéresse et l’espace inter-électrode au-dessus de cette surface. Cette image est faite en l’absence de décharge (ou d’arc). À chaque pixel de l’électrode correspond un niveau de signal reçu par la caméra. Ce signal est exprimé en dl (digital level ou unité arbitraire). On l’appellera S0.
- Ensuite, on fait une image de la même géométrie au cours de l’arc. On relève ainsi deux signaux :
o d’une part le signal mesuré par la caméra au niveau du spot cathodique. Selon la zone visée et surtout selon la taille du spot cathodique on aura un signal S2 ou S3.
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o d’autre part le signal de la colonne d’arc juste au-dessus (et au plus près) du spot cathodique (signal S1).
- On fait ensuite l’hypothèse que le rayonnement de la colonne « juste » au-dessus du spot cathodique est voisin du rayonnement de cette même colonne au niveau du spot. - On en déduit alors une valeur approchée du rayonnement propre au spot (noté Sspot)
par l’opération suivante :
0 1 S3) (ou 2 S S S Sspot = − +
On voit bien que la valeur de Sspot va dépendre de l’épaisseur de la colonne traversée et donc de la différence entre S3 et S2. Dans les faits, le rayon du spot est assez étroit et nous avons pu constater que S2 est très voisin de S3.
Figure 5.20(a) : Illustration de la méthode proposée et des différents signaux mesurés.
160 Commentaires :
Cette méthode repose sur deux hypothèses importantes :
La première suppose que dans la gamme de fonctionnement de la caméra IR (3-5 µm) le plasma est optiquement mince pour les gaz plasmagènes considérés (air et argon) et pour les pressions considérées (100 - 900 mbar). Or, dans l’infrarouge lointain le coefficient d’absorption du rayonnement par effet de rayonnement de freinage inverse peut devenir important56. Par ailleurs, dans le cas d’un jet à plasma d’argon57, il a été montré que pour une longueur d’onde supérieure à 30 µm, le plasma devenait optiquement épais. Cependant d’autres études dans l’argon à pression atmosphérique semblent aller dans le sens de notre hypothèse dans le cas de l’argon58, de même, dans le cas de l’air à pression atmosphérique59, 60,61. Il apparaît cependant que la gamme de fréquence qui nous intéresse est souvent à la limite de la zone de calculs présentés dans ces travaux. Par ailleurs, contrairement aux mesures décrites en début de chapitre pour des arcs dans l’air de plus fort courant, la colonne d’arc pour les intensités considérées ici (I < 4 A) a un caractère filamentaire comme le montre la figure 5.20(b). De plus dans la plupart des cas le pied cathodique apparaît à la caméra IR plus large que la colonne. Ces deux remarques certes qualitatives, vont dans le sens de notre hypothèse. A l’heure actuelle, nous avons entrepris des modifications du dispositif afin de tenter expérimentalement une validation de notre hypothèse à l’aide d’un corps noir.
La seconde hypothèse est elle aussi discutable, elle suppose que le rayonnement de la colonne dans la gamme 3 - 5 µm varie peu « verticalement » aux abords de la surface. Les premières observations menées semblent aller dans ce sens. Cependant la notion de « proximité de la surface » reste assez floue. Nous envisageons un changement de géométrie afin de mieux estimer ce paramètre.
Cependant, malgré les vérifications en cours de réalisation, nous nous sommes permis pour des raisons de temps, de réaliser quelques mesures que nous présentons dans la suite.
56
S. Vacquié, « L’arc électrique », Eyrolles, 2000
57
J. Chapelle, F. Cabannes, J. of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 1969, vol. 9, 7, pp. 889-919
58
V. Aubrecht, M. Bartlova, N. Bogatyreva, 29th ICPIG, July 2009, Cancun, Mexico
59
N. Bogatyreva, V. Aubrecht, M. Bartlova, HTPP 11, Journal of Physics : Conference Series 275, 2011, 012009
60
S Chauveau, C Deron, M.Y. Perrin, P. Riviere, A. Soufiani, J. of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2003, 77, pp. 113-130
61
161 Remarques :
Il est important d’exprimer ces profils en niveau numérique (ou niveau de tension du capteur) de façon à pouvoir les soustraire par la suite. En effet, si on exprime chacun des profils en degrés Celsius, alors cela n’a aucun sens physique d’en faire la soustraction.
La caméra IR possède plusieurs gammes de température avec différents temps d’intégration correspondants. Un même niveau numérique pris dans différentes gammes de température correspond à une valeur différente de température. Ainsi la valeur de S0 choisie pour prendre en compte la température de l’électrode au moment où la mesure a été faite doit être choisie avec soin.
Impact du glow sur l’échauffement de l’électrode : le dispositif expérimental utilisé ne permet pas de générer directement un arc entre les électrodes. Il faut obligatoirement commencer par créer une décharge de glow entre les électrodes et seulement ensuite provoquer le passage à l’arc. Pour les mesures de températures, cela implique un échauffement de l’électrode qu’il est important de quantifier pour pouvoir le prendre en compte dans la valeur de S0. Nous avons observé l’échauffement d’électrodes en cuivre soumises à un glow. Que ce soit dans l’argon ou dans l’air, nous avons vu qu’un glow d’une intensité de plusieurs centaines de milliampères entrainait un échauffement assez conséquent de la surface des électrodes dès les premières millisecondes de fonctionnement de l’ordre de 100°C à 200°C. En revanche, un glow de 10 mA n’élèvera pas la température de la surface d’électrode au-delà de 45 - 50°C dans chacun des gaz.
4.2 Premiers résultats concernant les mesures de température de surface