Expérimentation en micro-écoulements gazeux
2.3 Mesure de température
De nos jours, il n’est pas encore possible de mesurer dans des microcanaux la température au cœur de l’écoulement sans introduire une perturbation significative. La température est communément mesurée à la paroi avec des capteurs de température miniaturisés. Dans cette partie, nous décrivons la mesure de température avec des capteurs et ensuite nous exposons une perspective de mesure de température dans le cœur de l’écoulement avec la technique de
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2.3.1
Mesure de température avec capteur
Il existe trois familles principales de micro-capteurs de température (Morini, Yang et al. 2011). Toutes trois utilisent les propriétés thermoélectriques du matériau constituant la partie sensible du capteur (Figure 2.13). Ces trois familles sont :
• Les µRTD (Thin film Resistance Temperature Detector) : ce type de capteur est largement utilisé pour sa simplicité de mise en œuvre et la linéarité de sa réponse par rapport à la variation de température. Ces capteurs utilisent la dépendance de résistance électrique d’un métal vis-à-vis de la température. Plusieurs matériaux sont classiquement utilisés pour la fabrication de la partie sensible du capteur : platine, polysilicium, aluminium, nickel, tungstène, or et argent.
• Les µTFTC (Thin Film ThermoCouple) : ce type de capteur utilise l’effet Seebeck qui
se manifeste par l’apparition d’une tension électrique générée par la jonction de deux métaux conducteurs portés à différentes températures. La partie active peut par exemple être fabriquée à partir d’un film fin de chrome incorporé dans un substrat de nickel. Une bonne sensibilité est observée jusqu’à des températures de l’ordre de 900°C (Xugang, Hongseok et al. 2006).
• Les SC (Semi-Conducteurs) : ces capteurs utilisent du polysilicium comme élément actif. On peut en distinguer trois types : transistors MOS (Metal Oxide Semiconductor), transistors bipolaires et diodes. Le premier type nécessite l’utilisation de transistors avec une faible inversion pour obtenir la linéarité entre la réponse et la variation de température. D’autre part, les transistors MOS peuvent présenter des fuites à des températures élevées. Les transistors bipolaires et les diodes donnent un voltage de jonction directement proportionnel à la température.
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Figure 2.13 Principes de fonctionnement et courbes caractéristiques de micro-capteurs de température (Morini, Yang et al. 2011).
2.3.2
Mesure de température par visualisation
La MTT peut présenter une opportunité de mesurer la température d’une manière quasi non intrusive dans tout le champ de l’écoulement. Cette technique est basée sur les propriétés de luminescence des molécules d’un traceur introduites dans un gaz porteur. La vapeur d’acétone peut être utilisée comme traceur. D’une manière analogue à la MTM (partie 2.1.2.2) qui exploite la sensibilité de la phosphorescence à la variation de la pression, la MTT exploite la sensibilité de la fluorescence vis-à-vis de la variation de température. Le signal de fluorescence est directement lié à la température suivant la relation (Thurber, Grisch et al. 1998)
( , ) ( , , )
f o L abs o f o
S =η E σ λ T n y∆ φ λ T p , (2.25)
où la section d’absorption
σ λ
abs( o, )T d’une molécule traceuse (acétone) et le rendement de la fluorescence φ λf( o, )T dépendent de la longueur d’onde d’excitationλ
o, de la température Tet de la pression totale p.
Lorsque la longueur d’onde d’excitation, la fraction molaire d’acétone et la pression sont constantes, la connaissance de la variation de la fluorescence en fonction de la température permet de déduire la température à partir de mesures de fluorescence. La section d’absorption peut être mesurée simultanément avec la fluorescence. Par ailleurs, le rendement de la fluorescence est donné par Thurber et al. (Thurber, Grisch et al. 1998) (voir partie 3.3.2).
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Figure 2.14 Prédictions théoriques et mesures expérimentales du rendement de fluorescence de l’acétone dans le diazote (Thurber, Grisch et al. 1998)
La Figure 2.14 montre les prédictions théoriques du rendement de la fluorescence en fonction de la température, comparées à des mesures expérimentales pour plusieurs longueurs d’onde d’excitation. Les prédictions théoriques sont en bon accord avec les observations expérimentales. Les deux longueurs d’onde de 248 et 266 nm présentent une très bonne sensibilité à la variation de température, ce qui les rend intéressantes pour la mesure de température. Cette technique est prometteuse pour mesurer la température dans des écoulements non isothermes mais avec des variations de pression totale et de pression partielle d’acétone négligeables. Dans le cas contraire, les auteurs (Thurber, Grisch et al. 1998) proposent d’utiliser une double acquisition à deux longueurs d’onde d’excitation différentes. Ainsi, l’effet de la variation de pression peut être éliminé en calculant le rapport entre les deux signaux enregistrés avec les deux longueurs d’onde d’excitation. L’utilisation de couples de longueurs d’onde d’excitation (308 nm / 248 nm) ou bien (308 nm / 266 nm) permet une bonne sensibilité aux variations de température mais celle-ci reste légèrement inférieure à la sensibilité obtenue avec une seule longueur d’onde d’excitation (à pression constante). De plus, l’utilisation de la double excitation ne supprime pas complétement l’erreur induite par des variations de pression (Figure 2.15). Cette erreur dépend à la fois de la valeur de la pression et de celle de la température. Dans des conditions ambiantes de pression et de température, une variation de pression de 10 kPa peut engendrer une erreur de 5 K sur la mesure de température pour les longueurs d’onde (308 nm / 248 nm) et une erreur de 8,5 K pour le couple (308 nm / 266 nm).
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Figure 2.15 Estimation de l’erreur sur la température mesurée avec double excitation. La pression totale varie de 50 à 500 kPa avec des pas de 50 kPa, tandis que la pression partielle d’acétone est fixe.